岔巴沟流域植被变化特征及其对水沙的影响

吴志勇，侍 恒，何 海，徐征光，李 源，倪用鑫

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098； 2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

近年来，黄河泥沙大幅度减少和黄土高原植被覆盖大幅度增加引起学术界的普遍关注[1-2]。不同植被覆盖度可改变下垫面的产流产沙条件，致使流域产汇流机制和水沙关系发生变化，进而对流域径流量与输沙量产生影响[3-4]。开展流域植被变化特征与水沙影响研究对有效开展黄土高原流域水土保持工作意义重大。

植被变化的监测一般采用人工实地测量和利用遥感影像计算植被指数两种方法。人工实地测量法主要有目估法、采样法、仪器法、模型法等，但人工实地测量只能应用在小区域，无法给出大尺度区域的植被信息。遥感具有大范围连续观测和高效获取数据能力的特点[5]，已成为区域或全球植被覆盖度估算的有效手段。通过遥感数据计算植被覆盖度的方法主要有回归模型法、植被指数法、像元分解模型法等。像元分解模型法中的像元二分模型由于其简单的形式和原理，得到了广泛的应用。

陆地卫星(Landsat)系列遥感数据具有长期连续性、全球覆盖、时空分辨率适中等特点，是植被覆盖研究中最有效的遥感数据之一[6]。杨旭超等[7]采用该系列数据对呈贡区30年来植被覆盖度时空变化特征进行了分析；马娜等[8]基于该系列数据研究了正蓝旗生态工程对植被覆盖度改善的效果。植被变化趋势的分析通常采用一元线性回归方法，突变分析一般有M-K突变检验、Pettitt突变检验等。如，李登科等[9]利用一元线性回归方法计算陕西省各市植被变化趋势；张亮等[10]采用M-K突变检验分析了长江流域植被覆盖度突变现象的区域差异；卫宇婷[11]采用Pettitt突变检验对陕西省NDVI序列进行突变点识别。

岔巴沟流域位于黄土高原主要产沙区，20世纪70—80年代开展了大量淤地坝等工程建设，取得了较好的水土保持效果[12-14]；1990年以后，淤地坝减水减沙效果进入相对稳定时期[15]。为突出研究植被变化对流域产流产沙的影响，选取1987—2018年共32年陆地卫星遥感数据，利用像元二分法计算植被覆盖度，结合高分辨率地理空间数据分析植被覆盖度的时空变化特征，并根据1987年以来的66场洪水数据，探讨植被变化对产流产沙的影响。

1 资料和方法

1.1 研究区域概况

岔巴沟流域位于陕西省子洲县北部，流域平均海拔1 080 m，是黄河中游的无定河流域支流，属于黄土高原丘陵沟壑区，坡陡沟深[16-17]。多年平均降水量为470 mm，属干燥少雨的大陆性气候，年内降雨分配极不均匀，有70%的降水发生在7—9月，且多为降雨强度较大而历时短暂的暴雨，而暴雨是引起土壤侵蚀的关键因子[18]。岔巴沟流域水系、雨量站和水文站分布见图1。

图1 岔巴沟流域与站点分布

1.2 数据来源和处理方法

研究选用的遥感数据来自美国地质勘探局(http://glovis.usgs.gov)提供的Landsat5、7、8卫星TM数据，空间分辨率为30 m×30 m。因为5—6月以及7月上旬作物盖度较小，而非作物植被盖度同一时期则比较大[19]，遥感影像主要选取5—6月云覆盖度均小于10%的影像，如果5—6月间影像均不满足云覆盖度均小于10%的条件，则选择7月影像，以降低作物和云量影响。采用辐射校正和大气校正去除天气、地理位置等影响。场次降雨、场次径流和场次泥沙数据来自黄河水利委员会水文局，年限为1987—2017年，其中1987—1991年有14场，1992—1996年有13场，1997—2001年有9场，2002—2006年有15场，2007—2011年有6场，2012—2017年有9场。流域面平均雨量基于13个站点(图1)资料采用反距离权重法先插值到1 km网格再取平均得到。

植被覆盖度计算采用像元二分模型[20]。像元二分模型是一种广泛采用的植被覆盖度计算方法，该方法假设一个像元的地表由植被覆盖部分与无植被覆盖部分组成，而遥感传感器观测到的光谱信息也由这两部分线性加权合成，各因子的权重即各自面积在像元中所占的比例，植被覆盖度就是植被覆盖部分面积所占的权重。植被覆盖度Fc计算公式为

Fc=(S-Ssoil)/(Sveg-Ssoil)

(1)

式中：S为归一化植被指数；Ssoil、Sveg分别为归一化植被指数在累计频率0.5%和99.5%处的值。为分析不同等级植被覆盖度的变化，将流域的植被覆盖度分为裸地[0，10%)、低[10%，30%)、中低[30%，50%)、中[50%，70%)、高(≥70%)5个等级。

流域植被覆盖度变化率采用一元线性回归方程的斜率来说明，斜率大于0时说明该像元内植被覆盖度在某段时间的变化率是增加的，反之则是减少。变化趋势的显著性检验采用M-K检验[21]，其优点是统计测试的样本不需要服从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，被广泛应用于检测非正态分布的水文气象等要素序列的变化趋势。植被覆盖度突变点采用Pettitt检验方法进行识别，该方法可以识别突变点的位置和数量，还可以判断其显著性。

流域面蚀情况是采用30 m陆地卫星遥感数据、土地利用类型数据和坡度数据，并根据SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》生成流域面蚀等级图。

2 结果分析

2.1 植被变化的时间趋势

岔巴沟流域植被覆盖度年际变化情况见图2。1987—2018年该流域的植被覆盖度增长趋势显著(通过0.01显著性水平检验)，其中2000年的植被覆盖度最低，2018年的植被覆盖度最高。从Pettitt检验结果(图3)可知，突变发生在2002年(通过0.01显著性水平检验)，将植被年际变化情况分为两个阶段：①1987—2001年植被覆盖度保持相对稳定状态阶段；②2002—2018年植被覆盖度显著增加阶段。

图2 岔巴沟流域植被覆盖度年际变化

图3 岔巴沟流域植被覆盖度Pettitt突变点检验

2.2 植被空间分布的变化趋势

岔巴沟流域植被空间变化以及不同等级植被覆盖度面积统计见图4和图5。1987—2018年每隔 5～6年输出一张流域植被覆盖度图。1987年植被覆盖度等级为低覆盖度和裸地的面积之和占流域面积70.3%，中覆盖度和高覆盖度之和则不足10%。1987—2001年不同等级植被覆盖度面积保持相对稳定态势，从图4可以看出1987年、1992年、1997年3年中除沟谷区域植被覆盖度较高之外，其余区域植被覆盖度都很低。2002年起裸地和低覆盖度面积迅速缩小，中覆盖度面积迅速增大，高覆盖度面积稳中有升。从图4可以看到2002年、2008年、2012年中高植被覆盖度区域开始沿河道向外拓展，到了2018年低覆盖度和裸地面积之和占全流域面积不足15%，中覆盖度和高覆盖度面积之和超过60%。岔巴沟流域植被覆盖度有转好的趋势，高植被覆盖度网格所占的面积逐渐增加，低植被覆盖度网格所占的面积则相反。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

图4 岔巴沟流域植被覆盖度空间变化

图5 岔巴沟流域不同等级植被覆盖度面积统计

图6(a)为1987—2018年岔巴沟流域植被覆盖度变化率，岔巴沟流域植被大体呈现增长或者维持态势，少数区域植被覆盖度呈减少趋势。植被覆盖增长较大(≥1%)区域占流域面积30.9%，略微增加(0.1%～1%)区域占比48.2%，增长区域总计占比79.1%，主要集中在沿沟分布的丘陵沟壑地区；植被减少较大区域(<-1%)占流域面积2.7%，略微减少(-1%～-0.1%)区域占比11.8%，减少区域总计占比14.5%。图6(b)为植被覆盖度变化率显著性检验，其中减少趋势显著(通过0.01显著水平检验)区域和减少趋势明显(通过0.05显著水平检验)总计占比3.8%，不通过显著性检验区域占比21.9%，增加趋势显著(通过0.01显著水平检验)区域和增加趋势明显(通过0.05显著水平检验)区域总计占比74.3%。增长趋势明显及显著区域和植被覆盖增长较大区域大致相同，而减少趋势明显及显著区域却明显少于植被覆盖度变化率减少区域，这说明大部分减少区域植被覆盖度的变化具有较大的偶然性，并不是一种稳定的演变。

(a) 植被覆盖度变化率

(b) 显著性检验

坡度是影响流域侵蚀的重要因素，探讨在不同坡度上的植被变化具有重要意义。图7为1987—2018年岔巴沟流域植被变化与坡度关系。就覆盖度而言，在坡度较小区(<10°)，多年平均植被覆盖度较小，且随着坡度增加植被覆盖度出现缓慢减小；在坡度中等区(10°～25°)，多年平均植被覆盖度接近最小；在坡度较大区(≥25°)，多年平均植被覆盖度较大。就增长率而言，植被覆盖度增长率随坡度增加而增加。参考耕地坡度标准，将25°以下作为缓坡，25°以上作为陡坡，陡坡多年平均植被覆盖度和变化率都是大于缓坡的。坡度制约着人类活动的强度和频率，陡坡区域人类破坏性活动较少，而建设性活动如退耕还林较多[22]，陡坡植被总体生存状况和恢复状况都要优于缓坡区域。

图7 1987—2018年岔巴沟流域植被变化与坡度关系

3 讨 论

3.1 植被覆盖度的变化原因

在自然条件下，降水是影响植被变化的主要气候因子，与植被覆盖呈较大正相关关系[23]。图8为岔巴沟流域多年平均降水量与植被覆盖度的关系。从图8可以看出，1987—2001年间植被覆盖度和降水的相关系数为0.41，而2002—2017年间两者相关系数为0.29，两个时期降水均对植被生长有一定促进作用。虽然两个时期都没有通过显著性检验，但第一时期相关系数明显大于第二时期，这表明在2002年以后降水量对于植被变化的影响小于2002年以前。尽管如此，2008、2009年以及2015、2016年较少的降水量使得植被覆盖度回落，这说明降水量过少是植被生长的限制因素。

图8 岔巴沟流域多年平均降水量与植被覆盖度关系

2002年以后，影响植被覆盖度增长的主要因子发生变化。张宝庆等[24]认为在1999年之后黄土高原地区植被覆盖对气候等自然因子相关性变差，植被增长主因是大规模植被建设。20世纪90年代末，全国开始推行退耕还林工程，1999起子洲县总退耕还林面积为262.1 km2[25]，直接促进了岔巴沟流域植被的大幅增长。退耕还林5年以后土壤有机质会显著增加，10年以上土壤碳、氮和速效养分会显著增加，退耕还林后当地生态系统会更有利于植被生长[26]。此外大量农牧民外出务工，减少了对植被的干扰和破坏，也为植被自然修复创造了良好环境[27]。岔巴沟流域退耕还林时间是1999年，但植被覆盖度突变点时间发生在2002年，突变时间相比退耕时间略有滞后，主要原因为2000年、2001年连续两年降水量较少，以及早期退耕还林中存在植被建设布局和模式的科学性不足等问题共同导致造林成活率低[28]。

3.2 植被覆盖度变化的影响

植被覆盖度的大幅增加改变了下垫面的构成，进而对流域产流特性产生影响。选取1987—2017年66场洪水建立植被覆盖度突变前后的降水-径流关系(图9)。可见突变前后差异较为明显，突变前后平均径流系数分别为0.13和0.10，突变后相同降水条件下径流显著小于突变前。相同降水量下，突变后径流为突变前的84.2%，说明植被覆盖度的增加减少了流域产流。

图9 1987—2017年岔巴沟流域降水量与径流的关系

植被通过截留雨水、减少产流与流速和提高土壤抗蚀性与抗冲性减少流域面蚀。根据植被覆盖度、坡度分布情况以及土地利用类型绘制1987—2018年每隔5～6年面蚀等级图(图10)。从图10可以看出，1987—2018年，面蚀程度和范围都有大幅度的削减。其中1987—1997年整体侵蚀情况变化不大，强烈及以上面蚀程度面积一直保持全流域面积70.0%以上，微度面蚀不足5.0%。2002—2012年强烈及以上面蚀程度面积不断减少，从2002年的58.2%减少到2012年的47.0%，微度面蚀则从2002年的6.2%增长到2012年的7.2%。2018年流域侵蚀状况进一步好转，其中强烈及以上面蚀程度面积仅占27.3%，微度面蚀则增长到14.9%。岔巴沟流域植被覆盖度变化以及退耕还林政策的实施深刻影响了流域面蚀，面蚀程度的变化则会进一步影响流域产沙。

(a) 1987年

(b) 1992年

(c) 1997年

(d) 2002年

(e) 2008年

(f) 2012年

(g) 2018年

图10 岔巴沟流域面蚀等级

建立植被覆盖度突变前后的径流深-单场洪水输沙量关系(图11)。可见植被覆盖度突变前后输沙量差异明显，相同径流量下，突变后单场洪水输沙量远小于突变前。从输沙总量来看，突变后的30场洪水中有5场洪水输沙量不超过1万t，突变前则没有；从含沙量来看，突变前后平均含沙量分别为 433 kg/m3和159 kg/m3，突变后平均含沙量为突变前的36.7%，特别是2007年以后的15场洪水，平均含沙量仅为21.4 kg/m3。相比植被覆盖度增加的减水效果，其减沙效果更为显著。

图11 岔巴沟流域径流深与输沙量的关系

4 结 论

a. 1987—2018年岔巴沟流域植被覆盖度增长明显，从1987年的24.7%增长到2018年的53.2%。变化主因是流域大规模植被建设活动的实施，其次降雨多寡也对植被生长具有重要影响。由于2000、2001年降水量过少以及早期退耕还林经验不足等原因，植被覆盖度的突变时间发生在2002年，相比退耕还林开始实施时间具有一定的滞后性。

b. 岔巴沟流域79.1%区域植被覆盖度呈现增长趋势，且陡坡区的增长率大于缓坡。2002年以后中高覆盖度区域面积比例显著提升，从1987年中高覆盖度区域面积占流域面积不足10%到2018年超过60%。植被覆盖增长区域占流域面积79.1%，主要集中丘陵沟壑地区。这种变化改变了流域面蚀格局、影响流域产流产沙特性。

c. 植被覆盖度的增加，减少了岔巴沟流域产流和产沙。植被覆盖度的增加显著减少了研究流域面蚀等级，强烈及以上面蚀程度面积从1987年占流域面积的70.5%到2018年仅占27.3%，微度面蚀面积从1987年4.1%到2018年14.9%。2002年后，岔巴沟流域产流和产沙减少趋势明显，输沙量的减少情势比径流更显著。