陕西省榆林市植被生态演变及其驱动机制

2020-12-23何慧娟韩姗姗

水土保持通报 2020年5期

马锋, 卓静, 何慧娟, 韩姗姗

(1.榆林市气象局, 陕西榆林 719099; 2.陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心,陕西西安 710016; 3榆林市能源化工气象服务重点实验室, 陕西榆林 719099)

植被覆盖度是植物群落覆盖地表状况的一个综合量化指标。植被覆盖度不仅对区域生态系统环境变化有着重要指示作用[1]，也是生态、水文和气候模型中的关键参数[2]。区域生态环境状况一般通过植被覆盖度来评价，植被覆盖度变化能够反映植被的生长态势及其进行光合作用的强度[3]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index， NDVI)作为植被覆盖度和生长状况的最佳指示因子[4]，在没有大的人为干扰和自然灾害的情况下，能较好的代表一个区域随温度和水分变化的植被生长发育状况。

榆林市位于陕西省最北部，南部是黄土高原丘陵沟壑区，北部是毛乌素沙地，生态环境复杂脆弱，土地可利用性和承载力较差；同时榆林还是陕西省乃至全国的能源化工基地，随着榆林经济的快速发展和能源化工基地建设，能源开发利用与生态环境承载力约束的矛盾日益突出。1999年开始，陕西省实施退耕还林等一系列生态环境恢复工程，恢复工程如何影响研究区植被覆盖已经成为学者们研究的重点领域。涉及到研究区的已有研究结果表明，西北五省[5]、黄土高原地区[6-7]、陕西省[8]和陕北地区退耕还林区等[9-11]区域的植被覆盖均有明显改善的趋势，显著增加的区域主要分布在榆林至延安周边；植被覆盖度波动上升趋势反映了气候因素和人为因素交互作用的结果，其中降水和温度对植被恢复起到了促进作用，以退耕和植树造林为主的生态建设才是导致NDVI变化的主导因素。现有研究结果同时还表明：毛乌素沙地植被覆盖度偏低，南部植被覆盖度明显高于北部区域；植被覆盖度好转趋势明显；沙地南部和东部地区植被覆盖度变化速率大于中部和北部地区。毛乌素沙地增强植被指数(EVI)年最大值与降水呈正相关，与气温呈弱负相关；EVI年最小值与降水呈强正相关，与气温呈弱正相关。农作物种植面积的增加、大规模人工造林以及大牲畜规模的控制等人类活动有助于植被覆盖度的提高[12-13]。2000—2013年榆林市植被的变化特征表现为NDVI年平均值呈上升趋势，整体上植被覆盖情况在逐渐变好。这是由于多年来开展生态环境保护的积极效果[14]。

综合分析现有研究结果可以发现，现有的研究工作大多数集中在黄土高原和全省这些大范围区域，缺少最新的专门针对陕西北部榆林市的专项植被生态恢复的专题研究，现有研究成果不能满足该区域生态恢复工程成效评估，不能为相关政府决定提供详细的支撑数据。因此，本文利用MODIS卫星植被指数产品，采用像元二分模型从NDVI反演植被覆盖度，分析2000—2018年陕西北部生态脆弱区榆林市的植被生态变化情况，同时详细分析了榆林市所辖区县和南北不同区域的植被覆盖度演化规律，并从自然和人类活动两方面研究植被生态的驱动机制，对退耕还林和防沙治沙等生态建设工程的作用进行客观评价，为政府后续资源开发利用、生态环境建设提供科学依据和支撑。

1 研究区概况

研究区榆林市位于陕西省最北部，西邻甘肃、宁夏，北连内蒙古，东隔黄河与山西相望，南与陕西省延安市接壤，下辖2区(榆阳、横山)、1市(神木)和9县(见图1)。地理位置北纬36°57′—39°35′，东经107°28′—111°15′，总面积约为4.40×104km2，约占陕西省21%。地貌大体以长城为分界线，北部风沙草滩区，占总面积的42%，南部黄土丘陵沟壑区，占总面积的58%，风蚀沙化和水土流失严重，是全国土地荒漠化和沙化危害严重地区之一。研究区属暖温带和温带半干旱大陆性季风气候，气温四季明显，年降水量400 mm左右，气象灾害较多，每年都有不同程度的干旱、暴雨、冰雹、大风、沙尘和高温等灾害发生，立地条件较差，水土流失严重。

2 数据源与研究方法

2.1 数据源

数据来源主要有3大类：观测资料、遥感图像和统计数据。观测数据主要来源于气象部门各气象站观测数据，包括榆林市12个国家气象站2000—2018年年降水量和年均气温数据，主要用于气候背景分析及其与植被变化的相关性研究。遥感数据采用美国NASA LP DAAC 2000—2018年MODIS卫星250 m分辨率晴空资料16 d合成植被指数产品MOD13Q1，主要用于植被生态演化规律分析。统计数据采用的是榆林市退耕还林等生态恢复工程实施数据，来源于榆林市林草局，用于植被生态变化驱动机制分析研究。

图1 研究区地理位置

2.2 研究方法

本文采用归一化植被指数(NDVI)进行植被覆盖度遥感估算，结合混合像元分解模型的像元二分法，构建定量估算植被覆盖度模型，分析榆林市植被覆盖度时空变化特征。

利用最大值合成法对各年NDVI进行最大值合成，来客观反映一年中植被生长的最好状况。混合像元的NDVI是两部分植被指数值的加权平均和，权重为各部分在像元中的面积比例，表达式[8]为：

C=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：NDVI为混合像元的植被指数值; NDVIveg为纯植被像元的植被指数值; NDVIsoil为纯土壤像元的植被指数值;C为植被覆盖度。变换可得NDVIsoil变化范围一般在-0.1～0.2之间，代表着纯土壤像元的最小值，它应该是不随时间改变。NDVIveg代表着纯植被像元的最大值，理论值为1。在应用中，多数研究采用研究区域NDVI最大值和最小值，即NDVIveg=NDVImax，NDVIsoil=NDVImin。

按照李登科等人的研究成果，将研究区的植被覆盖度分为11级，fveg=0%定义为无植被，其余每间隔10%分一级。把植被覆盖度定义为3个等级，即低覆盖度0%～30%，中覆盖度30%～60%，高覆盖度60%～100%。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度时空变化分析

研究区2000—2018年植被覆盖度在波动中呈现极显著增加趋势(p<0.001。见表1，图2)，平均每年增加速率1.47%/a。2018年全市植被覆盖度46.1%，创21世纪以来最高值，较2000年增加34%，较2017年增加5.5%。近19 a全市植被覆盖度平均值29.7%，有8 a高于平均值，主要集中在2009—2013，2016—2018年两个时段。2014年和2015年植被覆盖度出现低值区，主要原因为这两个年份年降雨量的大幅减少。

表1 研究区及各区县植被覆盖度及其与时间相关性分析

图2 2000-2018年研究区植被覆盖度变化

附图13—14(见封3)是研究区2000年与2018年植被覆盖度的空间分布图，从图中可以看出，2000年榆林市植被覆盖度整体较低，绝大多数地区数值集中在0%～20%这一区间；2018年植被覆盖度整体大幅提高，全市范围内黄色区域显著减小，绿色区域明显增大，植被覆盖度基本集中在50%～60%这一区间；南部黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖度增加较北部风沙草滩区明显。

详细分析研究区内不同区域的植被覆盖度变化数据，可以看出(见表1)：2000—2018年研究区所辖两区一市九县的植被覆盖度均呈持续极显著增加趋势。2000年除绥德和米脂两县植被覆盖度大于20%，其余各区县均小于20%，其中横山区及榆阳区甚至小于10%。2018年植被覆盖度除榆阳区小于40%以外，其余各区县均大于40%，米脂县更是超过了60%。19 a间所辖各区县中，吴堡县增加最大，由11.4%增加至57.6%，增加了46.3%；佳县次之，从12.4%增加至57.4%，增加了45%。就增加幅度而言，横山区增加幅度最大，增幅高达754.4%，吴堡县次之，增幅为406.4%。

北部风沙草滩区是中国4大沙地——毛乌素沙地南缘地带，该区域位于中国北方半干旱区的农牧交错带，处于森林—草原—荒漠的生态应力带上，是中国重要的生态屏障区，其生态环境具有较强的敏感性和脆弱性[14]。研究结果表明(见图3)，2000—2018年该区域植被覆盖度呈现极显著增加趋势(p<0.001)，2018年植被覆盖度达38.03%，较2000年增加28.04%，年平均增加1.17%/a，增长较快的区域集中在定边、靖边、横山及神木等市县。

南部黄土丘陵沟壑区，风蚀沙化和水土流失严重，是全国土地荒漠化和沙化危害严重地区之一，也是退耕还林等生态恢复工程实施的重点区域。研究结果表明(见图4)：2000—2018年该区域植被覆盖度呈现极显著增加趋势(p<0.001)，2018年植被覆盖度51.55%，较2000年增加38.10%，年平均增加1.66%/a，高于北部风沙草滩区的增速，增加区域主要集中在黄河沿岸吴堡、佳县、绥德和米脂等县。

图3 风沙草滩区植被覆盖度数据

图4 黄土高原丘陵沟壑区植被覆盖度数据

3.2 驱动机制分析

3.2.1 自然因素的影响分析气候要素是影响植被在地表分布的重要因素，分析气候要素对植被覆盖度时空分布格局变化的驱动作用，对预测未来情景下的植被覆盖度具有重要意义[15]。本文将年降水量和年均气温作为主要气候要素，分析其对植被覆盖度时空格局变化的驱动作用。

根据气象监测数据结果显示(见图5—6，表2)：2000—2018年研究区年降水量呈现很显著上升趋势，年降水量从294.7 mm增加至526.9 mm，增加232.2 mm，增幅78.8%，年均增速10.70 mm/a；研究时段内多年年均降水量为456.1 mm，高于30 a平均值(404.4 mm)；2017年降水量最多，为637.1 mm。年降水量和植被覆盖度呈现极显著正相关性，相关系数高达0.725。研究区年均气温呈现不显著增加趋势，年均温度增加0.3 ℃，增幅2.8%，年均增速0.11 ℃/a。研究时段内多年平均气温为10.1 ℃，其中2001，2002，2006，2007，2013，2015—2018年9 a的年均气温高于平均值；2006年和2015年最高，为10.7 ℃，2012年最低，仅为9.2 ℃。年均气温与植被覆盖度也呈现正相关性，但相关系数仅为0.027，未通过显著性检验。

综合分析以上结果，可以看出：在研究时段内，研究区的整体气候条件表现为暖湿化，对于植被生长和植被恢复呈现利好趋势，这一分析结论与现有研究结果[16]一致。

表2 气象条件与时间和植被覆盖度的相关性分析

图5 2000-2018年研究区年平均降水量变化

图6 2000-2018年研究区年均气温变化

3.2.2 人类活动的影响分析退耕还林主要是把山高坡陡、水土流失严重、土地贫瘠、产量低的坡耕地实施退耕，而把土地平缓、土质肥沃的留作耕地。根据榆林市林草局统计数据显示：1999年陕西榆林市开始实施退耕还林工程试点，2002年开始大面积实施退耕还林，截止2018年各级政府共完成全市退耕地还林223 966.7 hm2，宜林荒山荒地造林348 013.3 hm2，封山育林8 446.7 hm2。工程实施范围涉及12个市区(县)，166个乡镇(办事处)，2 925个行政村，3.9万户，130万人，退耕还林工程实施区生态环境得到了有效治理。

2003年，榆林市被列为毛乌素沙地防沙治沙综合示范区，各级政府启动实施了防沙治沙综合示范区建设工程。16 a的时间里，研究区以加快区域生态环境改善为目标，在所辖两区、一市和9县范围内开展防风治沙建设[17]，截至2018年营造防风固沙林、水土保持林、经济林7 426.6 hm2，造林成活率、保存率均超过85%。通过防沙治沙示范区工程建设，使境内沙区573 333 hm2流沙全部得到治理。第五次荒漠化和沙化监测结果显示：研究区沙化土地治理率93.24%，荒漠化土地面积比1999年减少314 666.6 hm2。沙区流沙全部得到固定和半固定，实现了区域性的荒漠化逆转。因此，退耕还林和防沙治沙等生态工程的实施是2000年以来研究区植被覆盖度显著增加的主导因素。