吕梁山植被时空分布规律及地形差异影响

宋晓静，周淑琴，荆耀栋，王贝贝

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

吕梁山是拱卫黄河生态安全的重要屏障，又是生态脆弱区、脱贫攻坚的主战场，其环境和发展意义重大。20 世纪以来，伴随城镇化的深入推进，人类活动对植被的影响日渐显著，资源、环境等问题也随之出现，人类可持续发展与区域生态安全均面临着严峻挑战［1，2］。在自然要素与人类活动的双重作用下，山地生态系统遭受到前所未有的威胁［3］。吕梁山作为重要的自然地理分界线，在双重干扰下，其生态系统的结构和功能必然会发生变化。

植被作为陆地生态系统的重要组成部分，在自然地理环境中起着“指示器”的作用［4-6］，是监测生态环境、进行区域生态风险评价的指标［7，8］，其动态变化反映植被对生态环境的响应程度。植被指数包括增强植被指数（Enhanced vegetation index，EVI）、土壤调整植被指数（Soil adjusted vegetation index，SAVI）和归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）等，为较大尺度监测植被状况提供了技术可能［9］。其中，NDVI 对植被的分布、密度及变化非常敏感，能在较大时空尺度上反映区域植被覆盖信息，因此被认为是表征地表植被覆盖动态的有效指标，被广泛用于生态变化的研究中。前人基于NDVI 监测植被覆盖变化已取得大量成果。如，Tucker 等［10］首次使用NDVI 对非洲大陆进行土地覆盖分类；张珍珍等［11］以3 期遥感数据提取NDVI，分析梵净山植被覆盖度时空变化，并得出地形因子影响人类活动的空间分布；张玉琴等［12］基于Landsat ETM+/OLI 遥感数据、DEM 数据，研究2004—2018 年武夷山保护区6 种坡度类型下的植被覆盖变化以及不同坡度的植被改善和退化状况；张学玲等［13］、陈秀妍等［14］利用NDVI 数据对植被时空变化以及地形因子对植被分布格局的影响进行分析，并建议加快退化地区的生态修复和整治力度。

吕梁山黄土丘陵沟壑区是生态安全格局中黄土高原-川滇生态屏障的重要组成部分，对黄河中下游的生态安全具有重要影响。同时，吕梁山也是重点生态脆弱区，地形复杂，生物多样性和景观异质性并存。研究植被的发展变化对区域自然保护、生态文明建设以及城市可持续发展具有重要意义，但目前系统全面地分析吕梁山植被覆盖时空变化的文献较少。因此，从自然地理单元的角度出发，基于系统论对吕梁山的植被变化进行研究，分析NDVI 的时空变化特征以及地形因子对NDVI的影响。

1 研究区概况

吕梁山（110°38'—113°48'E，36°07'—40°30'N）位于黄土高原东部，山西省西部，东北与大同盆地相接，东南部属临汾盆地（图1）。区域西部黄土堆积，水土流失严重；东部为断层构造，地势陡峭［15，16］。研究区属大陆性季风气候，年均温6.5～13.0 ℃，年降水量374～700 mm，降雨季节分配不均，夏季降水量占全年的2/3 以上。土壤以褐土、淡褐土、山地褐土、棕壤以及草甸土为主，植被主要有华北落叶松、油松、云杉、白杄和青杄林林地。吕梁山区涵盖13 个国家级贫困县，交通不便，生产力水平低，经济发展动力不足，城镇化进程缓慢［17］。独特的地理环境导致该地水土流失严重、生态环境脆弱，植被在山区生态安全中扮演着重要作用。

图1 研究区概况

2 数据源与方法

2.1 数据源及预处理

数据源包括遥感数据（MODIS NDVI）、数字高程数据（DEM）以及行政区划数据。2000—2015 年NDVI采用MODND1M数据产品，空间分辨率为500 m，来源于地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn/）。2016—2018 年NDVI 使用Terra-MOD13Q1 16 d 合成的产品数据，空间分辨率为500 m，数据来源于美国航空航天局（http：//nasa.gov/）。DEM 数据分辨率为30 m，数据来源于地理空间数据云平台。山西省行政区界线下载自中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 NDVI 均值法 为消除冰雪的干扰，结合研究区物候特征，选取2000—2018 年植被覆盖最好的6—8 月作为研究时段。采用最大值合成法将各月数据合成为年数据，并计算其平均值。得到的年均NDVI 可以较好地反映该时间范围内地表的植被覆盖状况，并能有效消除不同地区的季节变化对植被覆盖的影响［18］。

2.2.2 趋势分析法 为定量研究NDVI的变化趋势，采用一元线性回归模拟每个栅格的变化趋势。以单个像元的时间变化特征来反映整体变化，用以描述区域时空格局的演变规律［19-21］。Slope表示该回归方程的斜率，若Slope＞0，表示植被指数随时间变化而增加，并且数值越大，地区植被覆盖改善状况越明显；若Slope＜0，则表示植被指数随时间变化而减少。

式中，i为年份序号，n 代表年间隔（n=19）；NDVIi表示第i年的平均NDVI（全年平均）。

3 结果与分析

3.1 吕梁山NDVI时间变化

2000—2018 年吕梁山NDVI 整体呈增加趋势，线性斜率为0.009 8，变化不明显（图2）。19 年间NDVI总均值为0.62，其中2013 年达到峰值，为0.70，2001 年呈最低值，为0.48。2000—2007 年中各年均NDVI 都小于总均值，原因在于吕梁山区涵盖13 个国家级贫困县，各县区在谋求脱贫致富的过程中忽视对生态环境的保护，造成植被覆盖下降。2008—2018 年，NDVI 在波动中变化，但各年均NDVI 都高于总均值，并在2013 年达到最高点。政府在致力于经济发展的同时也逐步意识到需要相应的政治文明和生态环境作为保障［22］。中共十八大、十九大中也着重强调生态保护的重要性，吕梁山各县政府响应国家号召，积极退耕还林、还草，加快吕梁山生态系统保护和修复步伐，使得吕梁山实现复绿、增绿。

图2 2000—2018 年吕梁山区年均NDNI曲线及其线性趋势

3.2 吕梁山NDVI空间变化

由图3 可知，吕梁山NDVI 空间分布呈自西向东逐渐递增趋势。吕梁山脉中段包括关帝山等地年均NDVI 普遍较高，最高达0.88；晋西由于背靠黄土高原，水土流失严重，蒸发量高于降水量，晋西北则由于地处忻州盆地、大同盆地，北部与内蒙古高原相邻，温度低，降雨量少，植被生长缺乏光热条件，导致植被覆盖相对偏低，最低为0.18。

图3 2000—2018 年吕梁山年均NDVI空间分布

根据吕梁山植被分布状况，采用自然间断点法将变化趋势划分为5 个等级，分别为退化、基本稳定、轻微改善、中度改善、明显改善，详见表1。由表1 和图4 可知，植被覆盖明显改善区面积为2 488.00 km2，占研究区面积的8.06%，集中分布于晋西、晋西南。这类地区常年受水土流失影响，植被破坏严重，但经过多年规模化综合治理，植被生长状况有明显好转。中度改善区的面积为8 643.50 km2，轻微改善区的面积为14 217.25 km2，二者占总面积的74.02%。植被改善区域大致分布在保德、静乐、临县、方山、中阳、离石区等县。其中，大部分区域均属吕梁山生态治理重点推进县，在生态修复过程中，大力实施三北防护林、天然林保护工程，建设完善的森林生态系统。基本稳定区域的面积为5 466.50 km2，占总面积的17.70%。植被稳定区主要集中于管涔山、关帝山及中条山等高海拔山区，人为干扰少，植被生长状况稳定。而退化面积为70.75 km2，仅占总面积的0.23%。退化植被区面积占比少，且分布较为分散，大致分布在太原盆地以及岚县、娄烦县、文水等县区。退化原因多与山西省的资源优势相关。煤炭开采造成多地地面沉降、地裂缝，煤矸石的乱堆乱放破坏土壤结构，造成水土环境污染，破坏植物生长环境。

表1 NDVI趋势分级及像元占比

3.3 吕梁山NDVI对地形因子的影响

3.3.1 植被分布与高程的相关性 吕梁山分布有山川、盆地等多种地貌，尤其东侧多是断层构造，地势陡峭。水热条件差异明显，气温低，降水少，土壤侵蚀时有发生。根据其地质地貌条件将高程划分为5等，各高程等级所占面积依次为Ⅲ级（1 250～1 500 m）的32.69%、Ⅱ级（1 000～1 250 m）的29.51%、Ⅳ级（1 500～1 800 m）的23.26%、Ⅴ级（1 800～2 100 m）的6.65%、Ⅰ级（<1 000 m）的6.14%、Ⅵ级（2 100～2 400 m）的1.50%、Ⅶ级（＞2 400 m）的0.25%（图5）。

图4 2000—2018 年吕梁山平均NDVI的变化趋势

图5 吕梁山高程分级

吕梁山年均NDVI 随海拔升高呈先升高后降低的特征；植被多集中于1 000～1 800 m，像元占比达85.47%（图6）。其中1 250～1 500 m 的植被覆盖面积最大，2 100～2 400 m 的高山地区NDVI 均值最大，为0.780，低海拔区（海拔＜1 250 m）NDVI 增幅较低，2000—2018 年增幅仅为0.687%。这是因为低海拔区地势平坦开阔，为当地居民的生产生活创造了优势条件，人为扰动频繁，使得NDVI 相应减少。随着海拔升高，封山育林使植物群落迅速生长，保土固肥的能力增强，植被状况好转［23］。当海拔高度在2 100～2 400 m 的高山区，植被NDVI 达到最高，这是由于该高程等级内多为云杉等常绿植被分布，植被稳定生长。当海拔＞2 400 m，由于高海拔带来的低温和低气压，多生长苔藓、地衣等植被，NDVI有所下降。总之，5 个海拔等级下的植被NDVI 都随年份增加呈增长趋势。这也与近年来国家加大对生态环境的保护，包括大力实施国家京津风沙源治理，三北防护林、天然林保护，建立自然保护区和生态廊道等政策相关。低海拔区域因其地形优势，植被因其易于恢复，高海拔区域的植被变化相对稳定，变化趋势不明显。

图6 不同海拔上NDVI分布及像元占比

3.3.2 植被分布与坡度的相关性 坡度是区域地形的组成部分之一，对地表径流、土壤性质具有重要影响，同样也会限制人类在区域内的活动强度，因此不同坡度带所形成的植被覆盖程度以及植被群落各有差异［24］。现基于DEM 提取研究区范围内的坡度数据，参照自然资源部颁布的《第三次全国土地调查技术规程》，将吕梁山的坡度重分类为6级：平坡（＜5°）、较缓坡地（5°～8°）、缓坡地（8°～15°）、较陡坡地（15°～25°）、陡坡地（25°～35°）、急陡坡地（＞35°），吕梁山坡度情况详见图7。在此基础上，将坡度数据与NDVI均值进行叠加分析，从而得到不同坡度带下的平均NDVI。

由图8 可知，就像元个数而言，缓坡地＞较缓坡地＞平坡＞较陡坡地＞陡坡地＞急陡坡地，吕梁山整体坡度在25°以下；而对于NDVI 均值而言，随着坡度等级不断升高，NDVI 也随之增大，陡坡地时达到最高，之后下降。其中，坡度＜15°的地区像元数占像元总数的94%以上，大多为生产生活用地，且坡度越低，受人类活动影响越明显。但由于地势较为平缓，水土更适宜植被生长，植被恢复也相对较快；随着坡度增加，伴随有偶发性水土流失以及生长季温度较低等诸多原因，植被恢复需要的时间也有所延长；坡度＞25°的地区人为扰动少，坡度越大植被状况越稳定；坡度＞35°时，NDVI 下降。随着坡度增大，积温越少，降水更易流失，单位面积上的降雨量越少［25］，因此植被覆盖度降低。

图7 吕梁山坡度分级

图8 不同坡度上NDVI分布及像元占比

3.3.3 植被分布与坡向的相关性 坡向是区域地形特征的另一重要内容，坡向对植被所受太阳辐射及蒸散作用具有重要影响，而太阳辐射和蒸散量是影响区域植被类型和植被生长的重要因素［26］。基于此，坡向对于植被覆盖度的空间分布特征及其变化具有重要影响。为研究植被与坡向的相关性，基于DEM 数据提取吕梁山的坡向值，并根据之前学者的研究将坡向划分为5 类：平地（0°）、阳坡（135°～225°）、半阳坡（90°～135°，225°～270°）、半阴坡（45°～90°，270°～315°）、阴坡（0°～45°，315°～360°）［27］，吕梁山坡向情况详见图9。

在吕梁山植被NDVI 均值的比较中，阴坡＞半阴坡＞阳坡＞半阳坡＞平地（图10），这与程圣东等［28］的研究一致。其中，阴坡植被的生长状况明显好于阳坡，其原因在于阴坡背靠阳光，受太阳辐射作用较少，水蒸发量低，土壤保有较高的含水量。另一方面这也与吕梁山的优势树种辽东栎有关。辽东栎是一种喜温凉湿润的树种，阴坡清凉且高含水量的环境满足了该树种的生长需要，同时它能够改良土壤，防止水土流失，有效改善地区生态环境。这与俞艳霞［29］对吕梁山南段的森林碳密度在不同坡向上的分布状况相符。相反，阳坡的植被在生长过程中吸收大量的太阳辐射，导致土壤水分蒸发，土壤孔隙度收缩，植物微生物的种群群落发生变化，因此阳坡多用于坡地农业垦殖，随着人口的不断增加，阴坡才随之被开垦。

图9 吕梁山坡向分级

图10 不同坡向上NDVI分布及像元占比

4 小结与讨论

4.1 小结

基于长时间序列遥感数据分析了2000—2018年吕梁山NDVI 时空变化特征及其地形因子对ND⁃VI变化的影响，结论如下。

1）2000—2018 年吕梁山植被NDVI 整体呈增加趋势，NDVI 年际总均值为0.62，2013 年达峰值，为0.70，2001 年最低，为0.48。

2）吕梁山NDVI 空间上分布不均，吕梁山脉主峰中段包括关帝山等地NDVI 较高，晋西、晋西北部等地NDVI 较低。NDVI 的变化空间差异显著，全区99.77%的植被覆盖稳定趋向良好转化。

3)吕梁山NDVI 的变化受地形影响差异显著。高程1 250 m 以下NDVI 变化稳定，高程1 250～2 400 m，海拔升高NDVI 增大，高程＞2 400 m，海拔升高NDVI减小。NDVI的变化在坡度35°出现反转，坡度小于35°，NDVI 随坡度增加而增大，坡度大于35°，NDVI 随坡度增加而减小。从坡向来看，NDVI 均值呈阴坡>半阴坡>阳坡>半阳坡>平地。

4）吕梁山植被生态修复的过程中，一方面研究区分布有大片原始林地以及常绿植被带，使得当地的植被覆盖保持一定水平，另一方面与政策的导向作用密不可分。退耕还林还草、造林绿化工程等生态举措有效改善了区域生态环境，使植被覆盖增加。

4.2 讨论

以自然地理单元为背景，对吕梁山的植被NDVI进行研究。结果表明，NDVI的时空变化与自然因子之间显著相关，在长时间序列上影响着植被的生长和分布，但就短期而言，植被变化更多受人类活动的影响。从政策和制度层面严格约束人类活动，加强植被的保护和修复对于吕梁山生态脆弱区综合治理工作具有重要意义。因此，如何深入探讨人类活动对生态环境造成的影响，定位最显著的因子，对吕梁山的生态文明建设至关重要。

在吕梁山生态修复过程中，还需紧密结合生态脆弱区的自然条件，因地制宜，大力推进造林绿化工程建设，加强新造林、未成林的管护［30］。对于忻州市7 县、管涔山等地，应加强风沙地治理，打造完善的防风固沙体系；对于吕梁市9 县以及关帝山等地，应重点关注黄河沿岸的森林生态系统；对于临汾市6 县，应大力建设生态经济林，发展生态经济型林果基地，以有效改善吕梁山区的生态环境，持续巩固脱贫成果，提高民生福祉，增强区域经济和资源环境全面、协调、可持续发展。