淤地坝沟道植被覆盖/土地利用和土壤水分的分析

2021-07-26温丽娜周波王立张富

草原与草坪 2021年3期

温丽娜,周波,2,王立,张富

(1.甘肃农业大学林学院,甘肃兰州 730070；2 甘肃省水利科学研究院,甘肃兰州 730070)

严重缺水是限制黄土高原丘陵沟壑区流域整体功能的关键性因素。近年来，淤地坝成为黄土高原沟道治理的主要措施。高海东等[1]研究表明，淤地坝的修筑对增加流域植被覆盖度和提高物种多样性有利。在干旱环境下，土地利用类型和植被覆盖度对水分的变化影响特别复杂[2]。杨松等[3]研究表明植被覆盖度越高抑制切沟发育的效果越明显。土地利用类型的变化是黄土高原地区植被覆盖度改变的主要驱动方式[4]。国外学者Lenzi[5]和Castillo等[6]研究了淤地坝对沟道形态和周边植被的影响，尤其特别重视建坝对侵蚀速率的影响。

植被覆盖度(fractional vegetation cover，FVC)是单位面积内植物(包括叶、茎、枝)在地表垂直投影面积占区域总面积的比例，是能够较好地反映出植被生长的繁茂程度及进行光合作用的面积的指标[7-8]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)是近红外波段与红光波段反射率的比值，通常用来反映植被变化情况[9]。NDVI与FVC之间存在较好的相关性，此研究已日趋成熟[10]，且被广泛应用[11-12]。通常测算FVC的方法有人工实地测量和遥感估算两种方法[13]。人工测量方法虽然对测算条件要求较低，但却耗时耗力，成本较高[14]。高分二号(GF-2)卫星遥感影像数据可以及时、高效、精准地获取影像信息，在众多行业已被广泛应用[15-17]。近年来，对黄土区淤地坝的研究多集中于土壤侵蚀，对植被覆盖度、土地利用类型以及土壤水分方面的研究较为少见，本文基于GF-2卫星遥感影像，在ENVI软件中采用频率累计法获取NDVI在5%和95%的值分别作为NDVIsoil、NDVIveg的参考值，结合像元二分模型估算庄浪县榆林沟流域15条有坝沟道和15条无坝沟道的植被覆盖度状况，针对此状况研究淤地坝对沟道植被的影响，以期为沟道水土流失的治理提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省平凉市庄浪县西北部的榆林沟，距县城约5 km，总面积为1 553 km2，地理坐标E 105°58′～106°22′，N 35°12′～35°29′，属黄土高原丘陵沟壑区第Ⅲ副区，海拔在1 405～2 680 m，气候类型为大陆性季风气候，夏季7月为该地最热月，平均气温20℃，冬季1月为该地最冷月，平均气温-5℃，年均降水量仅450 mm，但年均蒸发量达1 349 mm。土壤类型以黄绵土、灰褐土、红黏土为主。植被类型为森林草原到半干旱植被过渡类型，自然植被多为稀树灌丛草坡，草本以禾本科植物为主，群落中夹杂着柳树(salixmatsudana)、榆树(Ulmuspumila)和山杏(Prunussibirica)等，生态效益和经济效益不能合理有效利用；水保生态林以沙棘(Hippophaerhamnoides)、刺槐(Robiniapsendoacacia)为主。土地利用率在70%以上，梯田化程度高达90%，研究区地理位置见图1。

图1 研究区域图

实地调查发现，有坝沟道阴坡植被长势优于阳坡，有坝沟道周边以草地为主，下游乔灌木居多，有坝沟道附近出现部分桦树(Betula)整株死亡。无坝沟道中植被正常生长，但空间分布不均匀，草地分布较多。

1.2 数据来源及处理

本研究采用2015年9月4日成像的GF-2号卫星影像，空间分辨率优于1 m，其期号为GF2_PMS2_E106.0_N35.2_20150904_L1A0001019934。在91卫图助手5.3.1软件的支持下，通过影像结合目视解译的方法勾绘出沟道。在Arc Map 10.5中勾绘出沟道边界，运用ENVI 5.3软件平台分别对15条有坝沟道和15条无坝沟道影像进行裁剪。

1.3 植被覆盖度计算

在ENVI 5.3软件toolbox中通过波段计算工具Band Math，计算出NDVI，分别取NDVIsoil和NDVIveg的参考值，并结合像元二分模型计算FVC；像元二分模型作为计算植被覆盖度简单可靠的遥感估算模型，常被广泛应用[19]。计算植被覆盖度的公式为：

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

(1)

式中：FVC为植被覆盖度；NDVI为混合像元的NDVI值，NDVIsoil为无植被覆盖部分所对应的NDVI值；NDVIveg为有植被覆盖部分的NDVI值。

本研究在利用公式估算植被覆盖度时，将图像中NDVI累计概率为5%和95%的值分别作为NDVIsoil、NDVIveg的参考值[20]。理论上，NDVIsoil值是接近0的定值，变化范围很小，NDVIsoil会随着无植被覆盖区的土壤类型在-0.1～0.2波动[21-22]。依据淤地坝控制区域有坝沟道和无坝沟道植被覆盖度的值，参照《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[18]，在Arc Map 10.5软件中对栅格数据进行分类，将植被覆盖度分为5类：<30%为极低覆盖度，30%～45%为低覆盖度，45%～60%为中覆盖度，60%～75%为中高覆盖度，>75%为高覆盖度。同样，将15条有坝沟道和无坝沟道分别合并后进行植被覆盖度等级分类得到各沟道的面积。把所得混合像元的NDVI参数代入公式计算，获得各沟道的植被覆盖度分级图。

1.4 土地利用类型提取

在eCognition 9.0中对GF-2号遥感影像进行RGB(3、2、1)真彩色合成方式显示，使影像更接近真实的地物现状。在process tree窗口中对影像先进行多尺度分割，后阈值分类。参考《土地利用现状分类》(GBT 21010-2017)进行分类并提取土地利用类型，划分为林地、草地、水域及水利设施用地、其他土地，共4类。对分错的个别地类纠正后将所得的土地利用分类结果导出。最后，在Arc Map 10.5中将导出的分类结果与有坝沟道和无坝沟道的植被覆盖度图、土地利用类型图进行叠加分析并在Excel中分别统计出各地类占各级植被覆盖度总面积的比例，用SPSS软件进行差异显著性分析。

1.5 土壤水分含量测定

于2019年5月30日在试验地采用土钻法，分别取深度为10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～140、140～180、180～200 cm的土层进行采样。采样时将去除杂质的土样立即置于铝盒并密封盖子进行称重，记为w1；带回实验室后打开铝盒盖，放入105℃的烘箱中烘8 h，然后测定干土和铝盒的重量，记为w2，其计算公式为[23]：

W=(w1-w2)/(w2-w3)×100%

(2)

式中：W为所测的土壤重量含水量，w1为湿土及铝盒的重量；w2为烘干后干土及铝盒的重量；w3为空铝盒重量，重复测定3次，取平均值作为土壤含水量的结果。

2 结果与分析

2.1 有坝沟道和无坝沟道植被覆盖度的差异

通过植被覆盖度分级后得出有坝沟道和无坝沟道的植被覆盖度，见图2。

图2 两类沟道典型原始影像及植被覆盖度

随着植被覆盖度的升高，各沟道在各植被覆盖度下所占的面积均在不同程度上表现出先大幅下降后迅速上升的现象(图3)。无坝沟道中各类植被覆盖度占总面积比例的大小顺序为：极低覆盖度>高覆盖度>中覆盖度>低覆盖度>中高覆盖度；而有坝沟道为：高覆盖度>极低覆盖度>中覆盖度>中高覆盖度>低覆盖度。无坝沟道极低覆盖度植被的面积比比有坝沟道高出9.72%；低覆盖度时，有坝沟道的植被覆盖面积比无坝沟道低1.8%；中覆盖度时有坝沟道比无坝沟道高1.76%；中高覆盖度时，无坝沟道面积下降到8.81%，此时存在明显的变化。无坝沟道高覆盖度植被面积比有坝沟道低5.89%。整体来看，有坝沟道植被覆盖度高于无坝沟道，有坝沟道以高覆盖度为主，占总面积的31.82%，无坝沟道以极低覆盖度为主，占总面积的27.53%；说明有坝沟道植被质量高于无坝沟道。

图3 不同沟道植被覆盖度面积变化

有坝沟道各植被覆盖度间草地覆盖面积均值为0.94～7.49 hm2，不同等级间差异极显著(P<0.01)；林地覆盖面积均值为1.50～16.45 hm2，不同等级间差异极显著(P<0.01)(图4)。有坝沟道各等级间植被覆盖面积随覆盖度的增加草地比例逐渐下降，林地逐渐升高。有坝草地的面积最高值出现在极低覆盖度，为7.49 hm2，有坝林地的最高值出现在高覆盖度，为16.44 hm2。无坝沟道各植被覆盖度间草地覆盖面积均值为1.61～12.02 hm2，不同等级间差异极显著(P<0.01)，林地覆盖面积均值为1.67～11.40 hm2，不同等级间差异极显著(P<0.01)。无坝沟道各等级间植被覆盖面积呈现出随覆盖度的增加草地逐渐减少，林地大幅增加的趋势。无坝草地的最高值也出现在极低覆盖度，但覆盖面积为12.02 hm2，高于有坝草地。无坝林地的最高值也出现在高覆盖度，覆盖面积为11.40 hm2，比有坝沟道低。总体看来，有坝沟道内以高覆盖度林地为主，不同等级间差异极显著；无坝沟道以极低覆盖度草地为主，不同等级间差异极显著。

图4 各植被覆盖度等级的植被覆盖面积均值

2.2 有坝沟道和无坝沟道土地利用的差异

利用重分类后各沟道的植被覆盖度栅格图与其土地利用栅格图叠加分析，并分区统计得到有坝沟道与无坝沟道各级植被覆盖度在不同土地利用类型下的面积比例(表1)。

表1 有坝沟道和无坝沟道各土地利用类型的植被覆盖度面积比

有坝沟道中林地为主要的土地利用类型，草地、其他土地次之，水域及水利设施用地位于最后。林地占总面积的58.31%。高覆盖度林地所占面积最大，占总面积的30.10%；表明淤地坝中的蓄水对周边环境的湿度起到了增加作用，蒸发减少，为淤地坝周边植被的生长提供了有利条件。草地占总面积的33.33%；其中，极低覆盖度所占面积最大，为总面积的13.72%。其他土地和水域及水利设施用地占总面积的比例明显偏低，分别为5.91%和2.45%。

无坝沟道中草地为主要的土地利用类型，林地次之，其他土地最后。草地覆盖面积占总面积的48.25%；极低覆盖度下草地所占面积最大，占总面积的22.27%。林地占总面积的41.22%，其中，高覆盖度下林地所占面积最大，占总面积的21.12%。

2.3 有坝沟道和无坝沟道土壤水分的差异

随着土层深度的增加，无坝沟道土壤含水量呈现出先升高后下降的趋势(图5)；有坝沟道则表现出波动上升的趋势。在10～20、80～100 cm土层，两沟道土壤水分含量基本一致；20～40、40～60 cm土层，有坝沟道土壤水分含量均高于无坝沟道；60～80 cm土层，有坝沟道土壤水分含量有下降趋势；100～200 cm土层，有坝沟道土壤水分含量逐渐升高，无坝沟道土壤水分含量则呈现急剧下降的现象；在180～200 cm土层，有坝沟道与无坝沟道之间土壤水分含量变化最明显。究其原因可能是有坝沟道林地植被根系分布密集且扎根至深层土壤，土壤孔隙度较高，加剧了土壤水分入渗速率；在土层深度为180～200 cm处，有坝沟道的土壤含水量增加较多，一方面说明有坝沟道有效截留的降水下渗后补充了土壤水分，另一方面说明有坝沟道的水域及水利设施用地对该层的土壤水分产生了较为明显的补充效应，植被覆盖度和增加使凝结水对土壤水分进行有效补给，这也是过多水分导致部分桦树根系腐烂甚至整株死亡的原因。对无坝沟道来讲，表层土壤含水量较低一方面可能与该地降水量的再分配有关，另一方面可能是该地以极低覆盖度草地为主，草地质量较低导致持水能力较弱，导致降水以地表水或者径流水的形式直接流走，渗入到土壤中的有效水较低；中层土壤水分基本稳定，可能与下层土壤水分补给和上层土壤水分下渗的共同作用有关；深层土壤含水量急剧下降与草地根系分布浅，土壤水分向下传导速度慢有关。

图5 不同土壤深度下各沟道的土壤水分

3 讨论

通过对比分析发现，有坝沟道总体植被覆盖度比无坝沟道高2.17%，说明有坝沟道内的水对土壤深层水分有一定的补给作用，同时根系发达的植物种优先吸收和利用土壤深层水分，充足的土壤水分和植被根系的共同作用反馈在了植被覆盖度；另一方面说明了由于淤地坝控制区域地势较低，地形相对平整，地形因子对土壤水分变动的影响较小，植被因子的影响相对突出。有坝沟道中土地利用类型在各级植被覆盖度下所占面积的大小依次为：林地>草地>其他土地>水域及水利设施用地，无坝沟道中为：草地>林地>其他土地，这主要是有坝沟道的蓄水为提高植被质量创造了条件，其他土地发展成草地或林地，草地逐渐演变为林地，极低覆盖度演变为低覆盖度，进而提高了极高覆盖度；有坝沟道内的蓄水补给影响了植被覆盖度的变化，这与温都日娜等[24]的结论相一致。同时，有坝沟道中草地总覆盖面积比无坝沟道低了14.92%，且无坝沟道草地的覆盖面积均值高于有坝草地，而有坝林地覆盖度较无坝高17.09%，有坝林地高覆盖度面积均值高于无坝林地，植被质量较高。有坝沟道植被覆盖度高于无坝沟道的原因有以下两点：一是在黄土高原区林地土壤养分含量相对较高。而且淤地坝周边水热条件较好，水分对植被生长起到了促进作用，枯枝落叶分解的有机质养分含量较多[25]，可以有效地被植被吸收利用，对高植被覆盖起到促进作用；二是草地耗水量低于林地，蒸发小，有坝沟道中部分草地演变为林地，林地的土壤团稳性较高，其入渗性能及抗冲性也比荒草地高，林地优先争夺了草地的土壤水分是造成草地在无坝沟道中占有较高比例的主要原因之一。有坝沟道土层越深，土壤水分含量越高，与淤地坝的蓄水对深层土壤的水分补给有关。