高健健，穆興民,2，孫文義,2

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

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1981
—2012年黃土高原植被覆蓋度時空變化特征

高健健1，穆興民1,2，孫文義1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

[摘要]植被覆蓋度是反映植被覆蓋狀況最直接的指標?；?981—2012年的MODIS影像，采用像元二分模型反演黃土高原植被覆蓋度，分析了黃土高原各省區(qū)、典型流域及土壤侵蝕類型區(qū)生長季(5—10月)的植被覆蓋度時空動態(tài)變化。結(jié)果表明：1981—2012年期間，黃土高原生長季植被覆蓋度由31%增加到50%，呈顯著上升趨勢，但各區(qū)域增長幅度不同。2001年之前，黃土高原植被覆蓋度平均為36%，年際間以小幅波動為主；之后，該區(qū)生長季年平均植被覆蓋度為41%，年際間呈顯著增加趨勢。按省區(qū)，河南省植被覆蓋度增幅最大，陜西省次之，內(nèi)蒙古、寧夏增幅不明顯且覆蓋度在20%左右波動。按典型流域，延河流域增幅最大，窟野河流域增幅最小。按土壤侵蝕類型，水力侵蝕區(qū)植被覆蓋度增長較快，風力侵蝕區(qū)則變化不明顯。按植被覆蓋度構(gòu)成，低覆蓋度面積比例減少，高覆蓋度面積比例增加，其中黃土高原丘陵溝壑區(qū)植被覆蓋度增加趨勢最為明顯，植被恢復成效顯著。

植被作為地球生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，在全球物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞過程中有著重要作用，是生態(tài)環(huán)境變化的綜合指示器。植被覆蓋度通常被定義為植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的百分比[1-2]，是刻畫地表植被覆蓋的重要參數(shù)，在水文、氣象、生態(tài)等方面的區(qū)域或全球性問題研究中起重要的作用[3-5]。因此，區(qū)域及全球范圍的植被覆蓋度估算對植被及相關(guān)領(lǐng)域的研究具有十分重要的意義。傳統(tǒng)上，獲得植被覆蓋度的方法主要有地表實測和遙感監(jiān)測兩類[6-7]。地表實測耗時費力且難以獲得較大空間上的真實覆蓋度，同時植被覆蓋度具有典型的時空分異特性，因此，利用遙感手段獲取植被覆蓋度為實時、動態(tài)和連續(xù)的監(jiān)測、評價提供了技術(shù)支撐。目前，利用遙感技術(shù)獲得植被覆蓋度的方法主要有經(jīng)驗模型法、植被指數(shù)法、像元分解模型法等。像元分解模型法中最常用的線性模型是像元二分模型，其最大的優(yōu)點就是計算模型簡單可靠、輸入?yún)?shù)通用易得。文獻[8—10]使用像元分解法對植被覆蓋度進行了估測，指出其總體精度可達70%左右。

植被覆蓋度低是導致黃土高原水土流失嚴重的主要因素之一。Mu Xingmin等[11-12]研究表明，黃土高原林草植被建設(shè)在防治土壤侵蝕和控制水土流失等方面------------------

起到了重大作用。汪有科等[13]指出，黃土高原雖然絕大部分地區(qū)能人工恢復植被，但要起到有效的水土保持作用，植被覆蓋度至少要達到60%；不過也有人認為這個值應該為75%。改革開放特別是退耕還林(草)、禁牧等政策措施的推行，已使黃土高原植被狀況發(fā)生了顯著變化。已有研究是在同一空間尺度(某一區(qū)域)或時間尺度探討植被覆蓋的變化特征，而忽略了植被生長在不同空間分布和時間分配上均有較大差異的特點[14]，不利于水土保持工作的分區(qū)指導。本研究從時間和空間兩個維度，以黃土高原植被覆蓋度變化為切入點，根據(jù)區(qū)域水土流失類型分區(qū)和典型流域分區(qū)，探討近期植被覆蓋度年際間的時空變化特征，以期為水土流失治理提供科學依據(jù)，為水土保持分區(qū)工作提供理論指導。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于N33°43′～41°16′、E100°54′～114°33′之間，包括太行山以西、日月山以東、秦嶺以北、長城以南的廣大地區(qū)，海拔800～2 000 m，面積約62.4萬km2。黃土高原自南向北縱跨暖溫帶、中溫帶兩個熱量帶，自東向西橫貫半濕潤和半干旱兩個氣候區(qū)，具有典型的大陸性氣候特征。年降水量從東南的800 mm向西北逐漸降低到200 mm左右，降雨集中在5—10月。年平均氣溫從東南向西北逐漸降低6～14 ℃。無霜期為120～200 d，植物生長季主要集中在5—10月。植被類型從東南到西北呈帶狀分布，依次為森林植被帶、森林草原植被帶、典型草原植被帶、荒漠草原植被帶、草原化荒漠帶。降雨集中且多暴雨、地形破碎、植被覆蓋度低、人類活動劇烈和土地利用不合理等原因，使得該區(qū)水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2植被覆蓋度反演方法

本研究采用1981—1999年的AVHRR數(shù)據(jù)產(chǎn)品和2000—2012年的MODIS月最大合成(Maximum Value Composite，MVC)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD13A3)，空間分辨率均為1 km，并利用黃土高原邊界圖剪取該地區(qū)逐月NDVI的柵格圖像。該數(shù)據(jù)已經(jīng)過幾何精糾正、輻射校正、大氣校正等預處理，本研究對該數(shù)據(jù)集進行了Savitzky-Golay濾波，以去除噪聲干擾。

通過對NDVI月產(chǎn)品數(shù)據(jù)合成，來表征該地區(qū)生長季NDVI的變化(以5—10月作為生長季，表征該區(qū)植被覆蓋度變化的特征)。采用ArcGIS 10.0軟件的柵格計算器，應用像元二分模型計算所有影像的植被覆蓋度分布情況。對該區(qū)生長季覆蓋度進行線性回歸分析，其斜率反映該區(qū)植被覆蓋狀況的年際變化趨勢。

用像元二分模型求算植被覆蓋度的基本公式為

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

式中：fveg為植被覆蓋度；NDVI為混合像元的植被指數(shù)值；NDVIveg為純植被像元的植被指數(shù)值；NDVIsoil為純土壤像元的植被指數(shù)值。

本研究參考李苗苗[15]、Gutman[16]等提出的估算方法，提取1981—2012年NDVI最大值圖像，在NDVI頻率累積表上取頻率0.5%的值為NDVIsoil，取頻率99.5%的值為NDVIveg。將計算得到的植被覆蓋度按表1劃分為5級，分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，并統(tǒng)計各級面積。

表1　植被覆蓋度等級劃分及對應地表景觀

2結(jié)果與分析

2.1黃土高原植被覆蓋度的變化

黃土高原1981—2012年生長期植被覆蓋度整體表現(xiàn)為年際間的波動性增加和明顯的階段性特征(圖1)。在年際變化過程中，生長季年平均覆蓋度為37%，其中：1981年最小，為31%；2012年最大，為50%。從1981年到2012年，生長季植被覆蓋度呈顯著增加趨勢，以每年0.39%的幅度增加(R2=0.66，P<0.01)。黃土高原1981—2012年植被覆蓋度序列可分為2個階段：1981—2001年植被覆蓋度較低，平均為36%；2002—2012年植被覆蓋度較高，平均為41%。

圖1　1981—2012年黃土高原生長季植被覆蓋度

黃土高原地區(qū)1981—2012年生長季年平均植被覆蓋度空間分布整體呈現(xiàn)由西北向東南逐漸增加的趨勢(圖2)。其中：植被覆蓋度顯著增加的區(qū)域主要分布在子午嶺林區(qū)、黃龍山林區(qū)、賀蘭山、毛烏素沙地西部和中東部、鄂爾多斯高原西北部，以及山西呂梁山區(qū)和太行山區(qū)；植被覆蓋度顯著減少的區(qū)域分布在渾善達克沙地南緣—錫林郭勒高原東南部、寧夏南部、青海西部、甘肅白銀和蘭州一帶。

黃土高原地區(qū)1981—2012年不同等級植被覆蓋度的變化情況，通過選取1981、1999和2012年3個年份的生長季植被覆蓋度變化情況進行分段研究。從植被覆蓋度分級看，1981—2012年黃土高原地區(qū)植被覆蓋整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積呈減小趨勢，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(圖2、表2)。其中：高植被覆蓋度(Ⅴ)面積增加最明顯，比例由1.95%增加到23.86%；較高植被覆蓋度(Ⅳ)次之，面積比例由14.22%增加到25.71%； 而較低植被覆蓋度(Ⅱ)面積比例由46.32%減小到20.89%。

圖2　1981—2012年黃土高原植被覆蓋度空間分布

年份不同覆蓋度等級面積所占比例(%)ⅠⅡⅢⅣⅤ19817.6146.3229.8814.221.9719992.7139.3433.8518.725.3820125.3220.8924.2025.7123.881981—2012年平均6.3537.0130.0620.256.33

2.2黃土高原各省區(qū)植被覆蓋變化特征

由表3可知，黃土高原各省區(qū)生長季植被覆蓋狀況差異較大，但均呈好轉(zhuǎn)態(tài)勢。1981—2012年內(nèi)蒙古生長季平均植被覆蓋度最低，為18%，河南、山西、青海、陜西、甘肅、寧夏分別為內(nèi)蒙古的3.13、2.70、2.68、2.40、1.88、1.21倍。其中：河南生長季植被覆蓋度上升幅度最大，植被覆蓋度由46%增加到74%；陜西次之，由35%增加到61%；內(nèi)蒙古、寧夏生長季植被覆蓋度年際間變化不明顯，多在20%上下波動。

黃土高原各省區(qū)1981—2012年生長季植被覆蓋度整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積呈減小趨勢，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(表3)。其中：低植被覆蓋度(Ⅰ)變化最明顯的是寧夏，面積比例由14.8%降低到7.8%；高植被覆蓋度(Ⅴ)河南增加最顯著，面積比例由4.8%增加到57.8%，陜西和山西次之，分別由5.1%和2.2%增加到36.5%和37.8%。

表3　黃土高原各省區(qū)不同植被覆蓋度等級面積所占比例

2.3典型支流植被覆蓋變化特征

黃河中游是黃河泥沙的主要來源區(qū)，以流域尺度選擇黃河中游各典型支流皇甫川、窟野河、無定河、延河、涇河、北洛河、渭河干流等分析1981—2012年各流域生長季植被覆蓋度年際變化特征，結(jié)果表明，1981—2012年黃河中游各典型支流流域植被覆蓋度的年際變化表現(xiàn)為顯著上升的趨勢(表4)。其中：延河流域上升幅度最大，由30%增加到63%；窟野河流域上升幅度最小，由14%增加到32%。

黃河中游各典型流域1981—2012年生長季植被覆蓋度整體好轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為低植被覆蓋度面積減小，高植被覆蓋度面積呈逐漸增加態(tài)勢(表4)。其中：低植被覆蓋度(Ⅰ)變化最明顯的是無定河流域，面積比例由17.7%降低到3.0%；較低植被覆蓋度(Ⅱ)變化較為顯著的是皇甫川和延河流域，分別由98.7%和61.5%減小到35.5%和0.2%；高植被覆蓋度(Ⅴ)北洛河流域增加最顯著，面積比例由6.5%增加到57.0%，渭河流域次之，面積比例由5.8%增加到44.3%。

表4　黃河中游各典型支流流域不同植被覆蓋度等級面積比例

2.4不同土壤侵蝕區(qū)植被覆蓋變化特征

黃土高原各侵蝕區(qū)生長季植被覆蓋狀況差異顯著，且覆蓋度基本表現(xiàn)為隨侵蝕強度減弱而增加的趨勢(圖3、4)。1981—2012年黃土高原各土壤侵蝕區(qū)生長季年平均覆蓋度表現(xiàn)為水力侵蝕區(qū)>風力侵蝕區(qū)。水力侵蝕區(qū)中，劇烈侵蝕區(qū)年平均覆蓋度最低，為28%，極強烈、強烈、中度、輕度、微度侵蝕區(qū)年平均覆蓋度分別是劇烈侵蝕區(qū)的1.05、1.18、1.42、1.61、1.71倍。風力侵蝕區(qū)中，劇烈侵蝕區(qū)年平均植被覆蓋度最低，為9%，極強烈、強烈、中度、輕度、微度侵蝕區(qū)年平均覆蓋度分別是劇烈侵蝕區(qū)的1.31、1.42、1.46、1.55、2.36倍。

圖3　黃土高原1981—2012年水力侵蝕區(qū)生長季植被覆蓋度年際變化特征

圖4　黃土高原1981—2012年風力侵蝕區(qū)生長季植被覆蓋度年際變化特征

黃土高原各土壤侵蝕區(qū)植被覆蓋狀況整體好轉(zhuǎn)(圖3、4)。水力侵蝕區(qū)中，微度侵蝕區(qū)植被覆蓋度上升幅度最大，由40%增加到63%，年均增長率為0.53%；強烈侵蝕區(qū)植被覆蓋度上升幅度最小，年均增長率僅為0.41%。風力侵蝕區(qū)生長季植被覆蓋變化相較之，增幅不明顯；中度、極強烈、劇烈侵蝕區(qū)生長季植被覆蓋度則有不同程度的降低，植被退化。

3討論

植被覆蓋度測量的傳統(tǒng)方法為地面測量，但由于野外條件限制，難以滿足范圍大、時效性強的植被覆蓋度提取的需求，而遙感技術(shù)為大區(qū)域植被覆蓋度的動態(tài)監(jiān)測提供了可能。利用像元二分模型計算植被覆蓋度，模型具普適性，通用于植被覆蓋度計算[17]，與直接利用NDVI反映植被覆蓋狀況相比，該方法更能夠削弱大氣、土壤與植被類型等的影響，尤其是對于植被覆蓋稀疏、土壤反射輻射影響大的干旱半干旱地區(qū)更適合，對于長時間序列的遙感觀測也更準確可靠[9-10]。但由于某些條件的限制，如遙感影像的分辨率、地面實測數(shù)據(jù)的精度、植物群落垂直方向上的異質(zhì)性等因素影響，具體像元的覆蓋度值與地面觀測值存在誤差，因此植被覆蓋度遙感監(jiān)測結(jié)果不能完全替代地面調(diào)查結(jié)果，提高模型精度也成為該方法廣泛應用中值得探討的問題。

1981—2012年黃土高原地區(qū)的生長季植被覆蓋度呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。影響生長季植被覆蓋度年際變化的主要因素可歸納為兩大類：氣候和人為因素。植被覆蓋度與氣候因素，尤其是溫度和降水量有著較密切的關(guān)系。相關(guān)研究表明，在黃土高原地區(qū)，溫度主要調(diào)節(jié)植被年內(nèi)生長節(jié)律，與植被覆蓋度的年際變化相關(guān)性較小，對植被覆蓋度的增長貢獻不大；而降水與植被覆蓋度的年際變化有著很好的正相關(guān)關(guān)系[18-19]。近年來，陜北地區(qū)存在降水減少的趨勢，植被覆蓋度不降反升，這反映出降水對植被覆蓋度的上升沒有起到主導作用。在人為因素中，1999年以來，退耕還林(草)等生態(tài)恢復工程的實施，成效顯著，對該時期植被覆蓋度的上升有著重要影響。因此，在該區(qū)總體處于暖干化趨勢[20]，氣候因素不利于植被覆蓋度增長的情況下，人類生態(tài)建設(shè)工程是植被覆蓋度顯著增加的主導因素，生態(tài)恢復和重建對于區(qū)域植被恢復具有顯著效果[21]。

本研究通過遙感動態(tài)監(jiān)測的方法對黃土高原區(qū)域性植被覆蓋度的宏觀時空變異進行了定量分析，可以作為驗證區(qū)域尺度生態(tài)恢復重建措施有效性的一種方法。但是，植被覆蓋度變化的空間差異性、驅(qū)動機制和環(huán)境效應仍有待進一步深入研究，以更充分地揭示區(qū)域植被時空變化的內(nèi)在機制。

4結(jié)論

本研究根據(jù)黃土高原植被覆蓋度時空變化，按不同空間尺度分析，得到以下基本結(jié)論：

(1)黃土高原1981—2012年生長季平均植被覆蓋度空間分布表現(xiàn)為從東南向西北逐漸遞減的趨勢。其中，低植被覆蓋度面積比例減少，高植被覆蓋度面積比例增加，黃土高原丘陵溝壑區(qū)增加趨勢最為明顯，植被恢復成效顯著。

(2)1981—2012年黃土高原各省區(qū)、典型支流和土壤侵蝕類型及強度分區(qū)生長季植被覆蓋度呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。大規(guī)模植被建設(shè)開始前，黃土高原植被覆蓋度以小幅波動為主，個別地區(qū)有所好轉(zhuǎn)，但大部分區(qū)域無顯著變化，2001年以后各分區(qū)生長季年平均植被覆蓋度增加顯著。

(3)黃土高原各分區(qū)生長季植被覆蓋變化明顯，這與1999年以來陜北退耕還林(草)政策的實施有著密切關(guān)系。

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(責任編輯徐素霞)

[中圖分類號]TP79

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)07-0052-05

[基金項目]中國科學院重點部署項目(KZZD-EW-04-03)；國家自然科學基金資助項目(41271295)

[作者簡介]高健健(1990—)，女，陜西榆林市人，碩士研究生，主要研究方向為水土保持與荒漠化防治；通信作者穆興民(1961—)，男，陜西華陰市人，研究員，博士，主要從事水土保持生態(tài)水文研究工作。

[收稿日期]2015-05-21

[關(guān)鍵詞]植被覆蓋度；像元二分模型；時空變化；黃土高原