基于MODIS的北洛河流域植被盖度变化研究

何亮 吕渡 郭晋伟 雷斯越 贺洁 张晓萍 杨希华

摘 要：为揭示国家实施退耕还林还草政策以来北洛河流域植被盖度的时空变化特征，采用MODIS反演的2001—2017年植被覆盖数据，分析了北洛河流域2001—2017年光合植被覆盖度的时空变化特征。结果表明：①2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3个时段植被盖度均值分别为60.2%、63.2%和68.5%，植被覆盖状况空间差异明显，3个时段均表现出上游黄土丘陵沟壑区植被盖度最低、中游土石山林区植被盖度最高的特征;②2001—2017年北洛河流域植被盖度整体上表现为上升趋势，植被盖度上升面积占比为90.9%，其中显著上升、上升但不显著面积占比分别为44.3%、46.6%，黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、土石山林区植被盖度年均变率分别为1.18%、0.64%、0.42%;③对全流域植被盖度显著提高的主要贡献地区为黄土丘陵沟壑区，贡献率为46.3%，主要贡献县域志丹县、吴起县、富县、甘泉县的贡献率分别为23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

关键词：光合植被盖度;时空变化特征;贡献率;北洛河流域

中图分类号：S771;X171.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.014

Abstract：In order to reveal the temporal and spatial variation characteristics of vegetation coverage in the Beiluo River Basin since the implementation of The Grain for Green Project， the spatial and temporal variation characteristics of photosynthetic vegetation coverage in the beiluo river basin from 2001 to 2017 were analyzed with the vegetation cover data retrieved by MODIS.The results show that a） during the three periods of 2001-2006， 2007-2012 and 2013-2017， the average vegetation coverage is 60.2%， 63.2% and 68.5% respectively. The spatial difference of vegetation coverage status is obvious and the three periods all show the characteristics of the lowest vegetation coverage in the gullied rolling loess area of the upper reaches and the highest vegetation coverage in the middle rocky-mountain region; b） in the past 17 years， the vegetation coverage in the whole basin， the gullied rolling loess area， gullied loess plateaus and mountainous region shows a significant increase trend， with the annual variation rate of 0.65%/a， 1.18%/a， 0.64%/a and 0.42%/a respectively. Among the 12 major counties in the basin， the vegetation coverage of Zhidan， Wuqi and Jingbian in the gullied rolling loess area has been increased the most rapidly， with a change range of 1.05 to 1.36%/a， and the change range of Huanglong， Huangling and Heshui in the middle mountainous region is the slowest， with a change range of 0.31 to 0.33%/a; c） the main contribution to the significant increase of vegetation coverage in the whole basin comes from the gullied rolling loess area， with a contribution rate of 46.3%. On the county aspect， the main sources come from Zhidan （23.1%）， Wuqi （20.4%）， Fuxian （10.6%） and Ganquan （10.2%） respectively.

Key words： photosynthetic vegetation coverage; spatiotemporal and variation characteristics; Beiluo River basin; rate of contribution

植被是陸地生态系统的主要组分，深刻影响着区域生物化学循环和物质能量循环[1]，是生物圈发挥系统性生态功能的核心部分[2]。地表植被可降低雨滴动能、削弱洪峰、延缓径流、增强土壤抗蚀能力、减少水土流失[3-5]。植被盖度（Fraction of Vegetation Coverage，FVC）不仅用来描述地表植被覆盖状况， 也可反映地表植被长势[6-7]。黄土高原地区生态环境脆弱、土壤侵蚀剧烈[8]，在国家实施大规模的退耕还林（草）政策以来，植被恢复明显，侵蚀产沙和入黄泥沙量明显减少[9]。北洛河流域位于黄土高原腹地，地形地貌和植被分带在黄土高原具有很好的典型性，为了深入研究植被生态系统对气候和人为两大要素的响应过程，进一步揭示区域环境状况的演化与变迁，对北洛河流域植被时空演变状况进行动态监测和研究具有重要的理论与现实意义[10]。

采用遥感技术估算地表植被盖度较普遍的方法是依据传感器的红、绿波段计算归一化植被指数（NDVI），运用像元二分模型反演植被盖度[11-15]。Guerschman等[16]基于MODIS遥感影像数据，对澳大利亚稀树草原进行光谱测量并研发了像元三分模型，确定每个像元中光合植被覆盖（PV）、非光合植被覆盖（NPV）和裸土（BS）的组成比例。基于MODIS的PV-NPV数据集，在森林火险预测、植被生产力估算、物候期变化、水土保持等领域有很好的应用价值[17-19]。王光镇[20]应用像元三分模型估算内蒙古锡林郭勒典型草地光合植被盖度，精度达91.2%。目前对北洛河流域植被覆盖的研究多集中在上游丘陵沟壑区的植被恢复状况[13-14]，对实施退耕还林（草）政策后植被覆盖的最新演变趋势及区域差异分析得还不充分。笔者以北洛河流域2001—2017年MODIS遥感影像衍生的连续时间序列的光合植被覆盖数据为基本信息源，分析了该流域植被盖度的时空变化特征及区域差异，以期为黄土高原地区生态环境建设及水沙演变研究等提供基础信息。

1 流域概况

北洛河属黄河二级支流，发源于陕西省定边县白于山，流经陕西省榆林、延安、铜川、渭南及甘肃省平凉等5个地级市18个县（区），在陕西省大荔县汇入渭河，流域总面积2.69万km2，干流长680 km，总落差1 613 m。流域地处暖温带半干旱大陆性气候区，多年平均降水量514.2 mm，其中5—9月降雨量占全年降水量的76.2%、多以暴雨形式出现。流域地貌类型多样，分为黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、土石山林区和阶地平原区（如图1所示）[21]：上游为丘陵沟壑区，约占流域总面积的26.9%，山高坡陡，土层深厚，多为黄绵土，抗蚀性差，气候干燥寒冷，多大风、多暴雨，风蚀、水蚀、重力侵蚀等均很严重;中游的高塬沟壑区塬面平整，沟谷重力侵蚀活跃，占流域总面积的23.2%;中游的土石山林区占流域面积的41.9%，属落叶阔叶林区，植被盖度高，是黄土高原现存较好的天然次生林区和子午岭、黄龙山两大林区所在地，水土流失轻微;下游为渭河阶地平原区，地面平缓开阔，土层较厚，沟道密度小，但边缘地区侵蚀比较严重，占流域面积的8.0%，土地利用以农地为主，各县域农地面积占比为55%～75%，其地表植被覆盖受作物生长节律影响较大。本文在进行区域分析过程中，主要针对北洛河流域丘陵沟壑区、高塬沟壑区和土石山林区进行差异分析。

2 数据源及研究方法

2.1 数据源及处理

研究所用主要数据集为MODIS 植被覆盖数据，该套数据使用线性分离方法和像元三分模型从2001—2017年MODIS产品（MCD43A4，MOD09A1）中衍生[16]，空间分辨率为500 m，将每个像元分为PV、NPV和BS 三种组分，使用近红外波段（NIR）、红光波段（Red）、绿光波段（Green）和短波红外（SWIR）来反演PV、NPV。本文将该数据集中的PV盖度（fPV）作为分析对象，其估算公式如下：

式中：RNIR为近红外波段;RGreen为可见光绿光波段;RRed为可见光红光波段。

根据研究区气候节律，7—9月是该区域植被生长的旺盛期，因此取7—9月fPV均值进行分析。

2.2 植被盖度分级

为了便于分析和描述流域植被盖度的变化，采用等间距分级法[22]，将流域植被盖度分为5个等级：低（<20%）、中低（20%～40%）、中（40%～60%）、中高（60%～80%），高（>80%）。

2.3 植被盖度变化趋势分析

将2001—2017年分为2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3个时段。遥感影像分析及空间分析在ArcGIS 10.5软件平台上进行，为方便起见，流域地貌类型分区面积及县域面积均以ArcGIS 10.5计算结果为准。

对单元（像元）植被盖度时间序列进行一元线性回歸处理，用方程斜率S（即植被盖度年均变率）反映植被盖度的变化程度和变化趋势[23-24]：当S为正数时，表明该栅格的植被盖度呈上升趋势，数值越大盖度上升得越快;当S为负数时，表示该栅格植被盖度呈下降趋势，数值越大盖度下降得越快。其计算公式为

式中：i为研究时段年序号;fPVi为第i年的植被盖度;n为监测时段年数。

采用t检验法逐像元或区域、县域对植被盖度时间序列变化趋势进行显著性判断，当显著性水平P<0.05时认为趋势显著、P<0.01时认为趋势极显著。

为了更好地评价研究区植被盖度变化的显著程度，依据斜率和显著水平对计算的S进行分级[23]：显著提高（S>0，P<0.05）、提高但不显著（S≥0，P≥0.05）、下降但不显著（S<0，P>0.05）、显著下降（S<0，P≤0.05）。

2.4 区域植被盖度变化贡献率

植被盖度变化贡献率（C）反映时段内某一分区对全区植被盖度变化的贡献程度，C值为正则对全区植被变化趋势为正贡献，C值为负则为负贡献，其计算公式为

式中：Ci为i分区植被变化对全区的贡献程度;Si为i分区内植被盖度在时段内的年变率;Pi为i分区面积占全区面积的比例;Swhole为全区植被盖度时段内的年均变率。

3 结果与分析

3.1 植被盖度变化阶段及区域差异

北洛河流域3个时段平均植被盖度分别为60.2%、63.2%和68.5%。对3个时段平均植被盖度进行分级，其空间分布见图2，可以看出，研究区植被盖度等级空间分布差异明显，3个时段大于80%的高植被盖度均集中在土石山林区，高塬沟壑区植被以60%～80%的中高盖度为主。

由表1可知：2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年平均植被盖度丘陵沟壑区分别为38.9%、46.1%、52.0%，高塬沟壑区分别为64.8%、67.8%和73.5%，土石山林区分别为75.8%、75.7%和81.1%。

上述3个地貌类型区内的12个县域平均植被盖度总体上均呈上升趋势，存在的差异主要表现在：丘陵沟壑区内的4个县域（靖边、定边、吴起、志丹）中，定边县3个时段始终最低（低于40%），志丹县最高（2013—2017年甚至超过60%）;土石山林区和高原沟壑区内的8个县域（甘泉、富县、洛川、黄龙、黄陵、宜君、合水、华池）中，华池县3个时段始终最低（变化范围为60%～70%），黄陵县和黄龙县3个时段均较高（从约80%提高到84%）。

3.2 流域植被盖度变化趋势

北洛河流域及3个地貌类型区2001—2017年植被盖度变化情况见图3。北洛河流域植被盖度呈极显著的上升趋势，平均变率为0.65%/a。3个地貌类型区植被盖度均呈显著上升趋势：土石山林区波动范围为70%～80%，年增长速率平均为0.42%，增速相对缓慢，变化平稳;高塬沟壑区波动范围为60%～75%，年均变率0.64%;丘陵沟壑区波动范围为33%～50%，增速最快，年均变率为1.18%。

从空间分布上（见图4和表2）来看：17 a来北洛河流域植被盖度显著上升的面积占比为44.3%，其中41.3%分布在丘陵沟壑区、24.5%分布在土石山林区、23.0%分布在高塬沟壑区;植被盖度上升但不显著的面积占比为46.6%，其中53.7%分布在土石山林区、18.2%分布在高塬沟壑区、16.2%分布在丘陵沟壑区;植被盖度降低但不显著的面积占比为6.6%，主要分布在中游（72.6%）和上游（8.8%）;大约有2.4%的面积植被盖度显著降低，主要位于下游河流交汇处。

对流域内主要县域植被覆盖不同变化趋势面积进行统计：丘陵沟壑区植被显著增加面积中约91.9%分布在吴起和志丹两县（分别为46.0%、45.9%），土石山林区和高塬沟壑区植被显著增加面积中约66.9%分布在甘泉县和富县;丘陵沟壑区植被增加但不显著的面积分布在定边县（39.2%）、吴起县（38.9%）和志丹县（21.4%），土石山林区和高塬沟壑区植被增加但不显著的面积中71.8%分布在富县和黄陵县。

3.3 流域植被盖度变化贡献分析

2001—2017年北洛河流域3个地貌类型区和主要县域植被盖度变率与对流域植被盖度变化的贡献率见表3。由表3可知植被盖度年均变率丘陵沟壑区最大、土石山林区较小，主要县域中，志丹年均上升幅度最大（1.36%），其次为靖边、吴起（分别为1.21%、1.05%），年均变幅较小的有黄龙、黄陵和合水（分别为0.33%、0.33%、0.31%）。

全流域植被盖度显著上升，丘陵沟壑区的贡献最大，贡献率为46.3%;土石山林区和高塬沟壑区的贡献次之，贡献率分别为25.3%和21.7%。主要县域中，志丹、吴起对流域植被增加贡献较大，贡献率分别为23.1%、20.4%;其次为富县和甘泉县，贡献率分别为10.6%和10.2%;合水县、靖边县的贡献较低，贡献率分别为1.8%、1.7%。

3.4 植被盖度变化原因初步分析

植被盖度变化幅度与县域退耕还林（还草）政策的贯彻实施情况密切相关，同时受所在气候带降水量多少影响。北洛河流域各地貌类型区植被盖度差异明显，上游的黄土丘陵沟壑区与中游的黄土高塬沟壑区和土石山林区分属2个不同的植被带[25]，具有不同的气候条件、下垫面条件和人为影响因素，中游地区有大面积的林区[26]是植被盖度较高的主要原因。各县的植被变化趋势差异明显，以位于上游的吴起县为例，作为“全国退耕还林第一县”，吴起县自1999年国家实施退耕还林（草）政策以来，大力实施退耕还林、封山禁牧，使植被盖度明显提高，而同处上游的定边县植被盖度较低且增长较缓慢，由此可见人为政策因素对区域植被盖度有重要影響，这与陈妮等[13]和闫瑞等[14]的研究结果相吻合，说明国家实施的退耕还林（草）政策成效卓著。但是，由于缺少研究区内的土地利用数据，因此各类型区和各县域植被盖度变化的主要驱动力尚待进一步研究。

4 结 论

（1）北洛河流域植被盖度在2001—2006年、2007—2012年、2013—2017年3个时段平均分别为60.2%、63.2%和68.5%，空间上均呈现土石山林区>高塬沟壑区>丘陵沟壑区。

（2）2001—2017年，北洛河流域植被盖度整体上表现为显著上升趋势，植被盖度上升面积占比为90.9%，其中显著上升、上升但不显著面积占比分别为44.3%、46.6%。黄土丘陵沟壑区、黄土高塬沟壑区、土石山林区植被盖度年均变率分别为1.18%、0.64%、0.42%。主要县域中，志丹、靖边和吴起植被盖度年均变率较大，分别为1.36%、1.21%和1.05%;年均变率较小的有黄龙、黄陵和合水，分别为0.33%、0.33%和0.31%。

（3）对全流域植被盖度显著提高的主要贡献地区为丘陵沟壑区，贡献率为46.3%，主要贡献县域志丹县、吴起县、富县、甘泉县的贡献率分别为23.1%、20.4%、10.6%、10.2%。

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【责任编辑 张智民】