黄土高原区植被恢复的空间差异性分析

何远梅,姚文俊,张岩,李镇,朱清科

(北京林业大学,水土保持与荒漠化教育部重点实验室,100083,北京)

黄土高原地貌独特,生态环境脆弱,地处半干旱半湿润气候带,是世界上水土流失最严重的地区之一[1-2]。植被作为影响土壤侵蚀的重要因素之一,对黄土高原产流产沙过程具有重要影响,发挥了保持水土的作用,同时反映了区域生态环境状况[3-5]。为了治理水土流失,改善生态环境,实现生态经济的可持续发展,1998年以来,实施退耕还林工程,植被恢复及其效益的研究已成为当前研究的热点问题,对植被恢复情况进行评估,能够揭示生态建设工程取得的效果,为工程实施提供理论参考和技术支撑[6-7]。

以往对黄土高原区植被时空变化研究中大多采用GIMSS/NDVI和SPOT VEGETATION/NDVI数据[8-10],其空间分辨率较低,分别为8 km和1 km,且研究多是集中于对整个区域或是行政区、流域的分析[10-12]。刘宪锋等曾经用 2000—2009年夏季MODIS13Q1数据,得出了黄土高原区植被覆盖度年际变化曲线及线性趋势、植被覆盖度数量变化及植被覆盖度空间变化[13]。但是黄土高原区域跨度大,东部与西部,南部与北部在气候、植被、土壤、地形等生态环境条件方面,均存在较大差异性,因而其植被建设的策略和植被生长的水热条件不尽相同;所以对黄土高原水热条件形成的不同植被覆盖区植被变化趋势和坡耕地按照坡度实施退耕还林政策对黄土高原植被恢复影响的分析非常重要。

归一化植被指数(NDVI)是反映植被所吸收的光合有效辐射比例的一个重要指数,也是目前植被监测常用的参数。因为NDVI能很好地指示植被生长和覆盖度变化[14],所以NDVI的变化在一定程度上能代表地表植被覆盖的变化[15-16]。

笔者采用2000—2013年黄土高原地区的MODIS13Q1数据(其数据具有较高的空间分辨率(250 m),能较真实地反映地面植被覆盖情况),研究分析黄土高原区植被覆盖的区域分布特征、年均和夏季的植被覆盖空间演变趋势,以及不同坡度、不同植被覆盖区域的NDVI变化程度,旨在掌握黄土高原区植被覆盖的空间分布特征、不同退耕坡度区域和不同气候带区域植被恢复程度,验证退耕还林(草)工程效果,为区域生态恢复决策提供依据。

1 研究区概况

关于黄土高原的范围,由于各学科着眼点不同而有不同的界线,因此黄土高原的面积,出现了30万km2、43万km2及64万km2(包括4.2万km2的闭流区,其中水土流失面积43万km2)等提法[17-18]。本研究采用作为地貌单元的黄土高原,面积约43万km2,具体边界是日月山、乌鞘岭以东,太行山东麓深断裂带以西(包括豫西黄土丘陵区),秦岭、伏牛山以北,长城沿线以南(包括内蒙古准格尔到和林格尔黄土丘陵区),其地理位置在E 101°～114°、N 34°～41°之间,主要跨甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等省区,是以黄土地貌为主体的高原[17-18]。 年平均温度3.6～14.3℃,年降水量150～750 mm,且多集中在7—9月,占全年降水量的60% ～80%,冬季降水一般只占到5%左右。据中国农业气候区划图[19]该区东南部属于南温带,中部属于中温带,西北部属于干旱中温带。

2 资料与方法

MODIS13Q1数据下载于美国国家宇航局(NASA)的EOS数据中心(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html),时间段为2000—2013年,每16 d一景影像,每年约23景,共约320景,空间分辨率为250 m。使用Erdas 9.2软件,按研究区边界进行裁切,采用月内两时相NDVI最大值合成法(MVC)生成各个月NDVI数据集。中国农业气候区划图来源于1∶1 200万纸质图[19],经过扫描,然后在ArcGIS中矢量化,最后按研究区边界进行裁切得到研究区农业区划图。DEM数据空间分辨率为30 m,利用ArcGIS软件对其进行拼接、投影转换及研究区提取等处理,然后计算出研究区的坡度,并按坡耕地退耕还林实施政策的等级[20]进行坡度分级。

年平均NDVI数据是12个月NDVI的平均值,综合概括性比较好,从而可以更好地体现研究区内植被覆盖的代表性变化规律。夏季NDVI是取夏季季度内月份NDVI数据算术平均值(季节划分按照气象界惯例夏季为6—8月),夏季植被生长旺盛,可以反映一年中植被生长最好的状况。多年平均NDVI是2000—2013年NDVI的均值。

多年NDVI空间趋势分析采用一元线性回归方法分析,一元线性回归分析可以模拟每个栅格的变化趋势,反映不同时期NDVI变化趋势的空间特征[21-22]。采用一元线性回归公式在Erdas9.2软件中建模模拟2000—2013年我国黄土高原区归一化植被指数的空间变化趋势,其计算公式为

式中:变量i为第1～14年序号;n为所研究时段的累计时间,n=14 a;Xi为第i年的归一化植被指数;Θslope为归一化植被指数的线性斜率,其值分级含义借鉴宋怡等[23]关于植被指数退化研究的划分标准。变化趋势图反映2000—2013年归一化植被指数的变化情况。

黄土高原区不同气候带NDVI变化趋势的差异和不同坡度NDVI变化趋势的差异,是在ArcGIS叠置分析模块分别将NDVI空间分异分级图和坡度分级图与NDVI趋势图叠加,最终统计得到不同等级下NDVI变化面积比例。

3 结果与分析

3.1 NDVI空间分异特征

图1显示了黄土高原区2000—2013年间NDVI平均值空间分布情况,可以看出:整个研究区NDVI值从东南向西北逐渐递减,呈3条带性分布,分别是NDVI值＜0.2、≥0.2～0.4、≥0.4,大致对应于中国农业气候分区的干旱中温带、中温带、南温带3个气候区,这与黄土高原区的水热条件分布基本一致。其中NDVI值范围在0～0.2的区域分布在宁夏吴忠市的南部和固原县的北部、甘肃平凉市西北部及兰州市,占总面积的13%。NDVI值范围为≥0.2～0.4的区域面积最大,占黄土高原区面积的58%;主要位于山西的北部、中部和南部的部分区域,陕西延安市的北部和榆林市,内蒙古呼和浩特市南部及东胜市东南部,宁夏固原县南部,甘肃西峰市和平凉市中部,天水市,定西县及临夏市。NDVI值范围在≥0.4～0.6的区域面积占总面积的25%,主要分布于陕西延安的南部和关中平原、山西的中部和南部的部分地区。NDVI≥0.6的区域占总面积的2.8%,主要分布于陕西关中平原南部、甘肃天水市的部分地区。

3.2 NDVI变化趋势的空间差异性

黄土高原区2000—2013年年均NDVI和夏季NDVI变化趋势见图2和表1。从表1可以看出,黄土高原区年均NDVI增加区域占总面积的88%,减少区域占总面积的4.12%,基本不变的区域占总面积的7.45%,而夏季NDVI增加区域占总面积的90%,减少区域占总面积的4.69%,基本不变的区域占总面积的4.49%,都表明2000—2013年,黄土高原区植被覆盖呈现增加的趋势。年均NDVI呈现中度改善区域最大,轻度改善区域次之,共计超过76%。图2显示,黄土高原区年均植被覆盖明显改善的区域主要在黄土高原中部,包括山西省离石县西南部和临汾市的西北部、陕西省延安市的北部和榆林市的东南部以及甘肃天水市的部分地区,约占12%;中度改善和轻微改善的区域占据了研究区的大部分区域;植被覆盖基本不变的区域主要分布于甘肃平凉市的西北部;轻度退化的区域主要分布于渭河下游周边、北洛河下游周边、汾河的周边等。夏季NDVI表现出明显改善区域最大,约为50%(表1),从东北—西南呈长条状分布;减少区域零星分布于渭河下游周边(图2)。总之,在近14年黄土高原区植被覆盖呈现增加的趋势,夏季比年均更明显。

表1 黄土高原2000—2013年年均NDVI和夏季NDVI变化趋势结果Tab.1 Results of trend of year's mean NDVI and summer NDVI in Loess Plateau during 2000—2013 %

图1 黄土髙原区的2000—2013年均NDVI的空间分异图Fig.1 Average annual NDVI in Loess Plateau during 2000—2013

图2 黄土高原2000—2013年年均及夏季NDVI的变化趋势图(变化级别含义见表1)Fig.2 Trend of year's mean NDVI and summer NDVI in Loess Plateau during 2000—2013

3.3 不同气候带NDVI变化趋势的差异

前文研究结果表明NDVI值＜0.2、≥0.2～0.4和≥0.4的区域大致对应于中国农业气候分区的干旱中温带、中温带和南温带。由于中国农业气候分区图比例尺较小,不能精确反映黄土高原的水热条件,所以通过分析NDVI均值＜0.2、≥0.2～0.4和≥0.4的3个区域2000—2013年NDVI变化趋势来反映相应气候带NDVI变化趋势,如图3所示。从图3(a)可以看出,各NDVI等级区域年均植被覆盖改善的面积占各自总面积的比例都超过了70%,以中度改善和轻微改善为主,各NDVI等级区域植被退化面积的比例都小于5%。其中:2000—2013年NDVI均值范围在0.2～0.4之间的区域改善面积比例超过了其总面积的92%左右,且中度改善的面积比例最大,表明该区域植被总体处于中度改善的趋势;2000—2013年 NDVI均值在0～0.2、≥0.4～0.6和≥0.6的区域植被覆盖以轻微改善为主,轻微改善的面积分别占各自整体的57.05%、44.72%、60.31%。图3(b)表明NDVI均值在0～0.2的区域夏季植被覆盖以中度改善和轻微改善为主,NDVI范围在0.2～0.4区域夏季植被覆盖呈明显改善趋势,NDVI均值≥0.6的区域夏季植被覆盖以轻微改善或基本不变为主。总之,各NDVI等级区域年均和夏季植被覆盖都呈增加趋势,且≥0.2～0.4的区域最明显。NDVI多年平均值为≥0.4～0.6和≥0.6的区域都处于南温带,水热条件比较好;但是≥0.6的区域植被覆盖情况已经相当好了,恢复的空间不大,因而植被覆盖恢复最不明显。≥0.4～0.6的区域,植被恢复的空间较大,但是这部分区域在黄土高原区的东南部,退耕还林的力度相对小;0～0.2的区域大多分布在黄土高原的西北部,处于干旱中温带,水热条件差,植被恢复起来较困难,因而,≥0.2～0.4的区域相对于这2个区域植被覆盖恢复更明显。

图3 黄土高原不同NDVI等级区域的NDVI变化面积比例Fig.3 Percentage of NDVI variation area from different NDVI grades in Loess Plateau

3.4 不同坡度NDVI变化趋势的差异

依据退耕还林政策的规定,≥25°的陡坡耕地必须无条件地退耕,15°～25°的陡坡耕地有选择的退耕[20],此外,李锐[24]建议黄土高原生态建设要根据不同坡度分不同时间段逐渐实现退耕还林;所以,分析不同坡度下植被恢复程度就显得十分必要。黄土高原区坡度分级见图 4,共分为 5级[25]:＜6°、≥6°～15°、≥15°～25°、≥25°～35°、≥35°,其对应的面积占研究区总面积的比例分别是22%、36%、26% 、12% 、4% 。

图4 黄土高原坡度分级图Fig.4 Different slope grades in Loess Plateau

不同坡度等级下NDVI变化的情况见图5,表明:各坡度等级年均和夏季植被覆盖改善区域的面积比例都超过了各自整体的80%,年均以中度改善和轻微改善为主,而夏季以明显改善和中度改善为主。坡度在0°～6°的区域,年均植被覆盖基本不变和退化面积比例接近20%,夏季也超过10%,可能的原因是该地区有荒漠、荒漠草地、河流分布,其NDVI大部分呈现基本不变甚至退化的趋势;坡度在≥6°～15°之间的年均和夏季植被覆盖改善区的比例分别是89.39%和91.56%,退化区域的比例分别是3.95%和4.58%;坡度在≥15°～25°之间的年均和夏季植被覆盖改善区域的比例高于其他等级,都为93%左右,退化区域的比例小于其他等级,分别是1.73%和3.21%;≥25°～35°的坡度范围内年均和夏季植被覆盖改善区面积的比例次之,都达90%;坡度≥35°的区域,年均植被覆盖以轻微改善为主,而夏季以明显改善为主,且年均植被覆盖、夏季植被覆盖基本不变和退化的面积比例都接近20%。综上所述,≥15°～25°坡耕地退耕还林取得了明显的植被恢复效果。

图5 黄土高原不同坡度的NDVI变化程度的面积比例Fig.5 Percentage of NDVI variation area from different slope grades in Loess Plateau

4 结论

1)2000—2013年黄土高原区的NDVI均值从东南向西北逐渐递减,明显的呈3条带状:＜0.2、≥0.2～0.4、≥0.4,大致对应于中国农业气候分区的干旱中温带、中温带、南温带3个气候区。

2)2000—2013年黄土高原区年均NDVI和夏季NDVI都呈现增加的趋势,黄土高原区年均NDVI增加区域占总面积的88.42%,夏季NDVI增加区域占总面积的90%。年均NDVI中度改善和轻微改善的区域占据了研究区的大部分区域,面积比例高达76%;黄土高原区年均植被覆盖明显改善的区域约占12%,主要在黄土高原中部的陕北地区和山西西部。夏季黄土高原NDVI明显改善区域的面积比例约为50%,从东北—西南呈长条状分布。总之,在近14年黄土高原区植被覆盖呈现增加的趋势,夏季比年均更明显。

3)黄土高原区2000—2013年NDVI均值范围在≥0.2～0.4之间(大致相当于中温带)的区域年均植被覆盖以中度改善为主,夏季明显改善;2000—2013年NDVI均值在0～0.2(大致相当于干旱中温带)、≥0.4～0.6和≥0.6(大致相当于南温带)的区域年均植被覆盖以轻微改善为主,夏季植被覆盖以中度改善和轻微改善为主。表明2000—2013年NDVI均值范围在0.2～0.4的区域,即中温带退耕还林植被恢复效果明显。

4)黄土高原区各坡度等级年均和夏季植被覆盖改善区域的面积比例都超过了各自整体的80%,年均植被覆盖以中度改善和轻微改善为主,夏季以明显改善和中度改善为主。坡度在≥15°～25°的区域改善区域的面积比例最高,坡度为≥25°～35°的区域次之,充分说明坡耕地退耕还林取得了明显的植被恢复效果。