溫麗娜,周波,2,王立,張富

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2 甘肅省水利科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730070)

嚴重缺水是限制黃土高原丘陵溝壑區(qū)流域整體功能的關(guān)鍵性因素。近年來，淤地壩成為黃土高原溝道治理的主要措施。高海東等[1]研究表明，淤地壩的修筑對增加流域植被覆蓋度和提高物種多樣性有利。在干旱環(huán)境下，土地利用類型和植被覆蓋度對水分的變化影響特別復(fù)雜[2]。楊松等[3]研究表明植被覆蓋度越高抑制切溝發(fā)育的效果越明顯。土地利用類型的變化是黃土高原地區(qū)植被覆蓋度改變的主要驅(qū)動方式[4]。國外學(xué)者Lenzi[5]和Castillo等[6]研究了淤地壩對溝道形態(tài)和周邊植被的影響，尤其特別重視建壩對侵蝕速率的影響。

植被覆蓋度(fractional vegetation cover，F(xiàn)VC)是單位面積內(nèi)植物(包括葉、莖、枝)在地表垂直投影面積占區(qū)域總面積的比例，是能夠較好地反映出植被生長的繁茂程度及進行光合作用的面積的指標[7-8]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)是近紅外波段與紅光波段反射率的比值，通常用來反映植被變化情況[9]。NDVI與FVC之間存在較好的相關(guān)性，此研究已日趨成熟[10]，且被廣泛應(yīng)用[11-12]。通常測算FVC的方法有人工實地測量和遙感估算兩種方法[13]。人工測量方法雖然對測算條件要求較低，但卻耗時耗力，成本較高[14]。高分二號(GF-2)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)可以及時、高效、精準地獲取影像信息，在眾多行業(yè)已被廣泛應(yīng)用[15-17]。近年來，對黃土區(qū)淤地壩的研究多集中于土壤侵蝕，對植被覆蓋度、土地利用類型以及土壤水分方面的研究較為少見，本文基于GF-2衛(wèi)星遙感影像，在ENVI軟件中采用頻率累計法獲取NDVI在5%和95%的值分別作為NDVIsoil、NDVIveg的參考值，結(jié)合像元二分模型估算莊浪縣榆林溝流域15條有壩溝道和15條無壩溝道的植被覆蓋度狀況，針對此狀況研究淤地壩對溝道植被的影響，以期為溝道水土流失的治理提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省平?jīng)鍪星f浪縣西北部的榆林溝，距縣城約5 km，總面積為1 553 km2，地理坐標E 105°58′～106°22′，N 35°12′～35°29′，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第Ⅲ副區(qū)，海拔在1 405～2 680 m，氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，夏季7月為該地最熱月，平均氣溫20℃，冬季1月為該地最冷月，平均氣溫-5℃，年均降水量僅450 mm，但年均蒸發(fā)量達1 349 mm。土壤類型以黃綿土、灰褐土、紅黏土為主。植被類型為森林草原到半干旱植被過渡類型，自然植被多為稀樹灌叢草坡，草本以禾本科植物為主，群落中夾雜著柳樹(salixmatsudana)、榆樹(Ulmuspumila)和山杏(Prunussibirica)等，生態(tài)效益和經(jīng)濟效益不能合理有效利用；水保生態(tài)林以沙棘(Hippophaerhamnoides)、刺槐(Robiniapsendoacacia)為主。土地利用率在70%以上，梯田化程度高達90%，研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域圖

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，有壩溝道陰坡植被長勢優(yōu)于陽坡，有壩溝道周邊以草地為主，下游喬灌木居多，有壩溝道附近出現(xiàn)部分樺樹(Betula)整株死亡。無壩溝道中植被正常生長，但空間分布不均勻，草地分布較多。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用2015年9月4日成像的GF-2號衛(wèi)星影像，空間分辨率優(yōu)于1 m，其期號為GF2_PMS2_E106.0_N35.2_20150904_L1A0001019934。在91衛(wèi)圖助手5.3.1軟件的支持下，通過影像結(jié)合目視解譯的方法勾繪出溝道。在Arc Map 10.5中勾繪出溝道邊界，運用ENVI 5.3軟件平臺分別對15條有壩溝道和15條無壩溝道影像進行裁剪。

1.3 植被覆蓋度計算

在ENVI 5.3軟件toolbox中通過波段計算工具Band Math，計算出NDVI，分別取NDVIsoil和NDVIveg的參考值，并結(jié)合像元二分模型計算FVC；像元二分模型作為計算植被覆蓋度簡單可靠的遙感估算模型，常被廣泛應(yīng)用[19]。計算植被覆蓋度的公式為：

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

(1)

式中：FVC為植被覆蓋度；NDVI為混合像元的NDVI值，NDVIsoil為無植被覆蓋部分所對應(yīng)的NDVI值；NDVIveg為有植被覆蓋部分的NDVI值。

本研究在利用公式估算植被覆蓋度時，將圖像中NDVI累計概率為5%和95%的值分別作為NDVIsoil、NDVIveg的參考值[20]。理論上，NDVIsoil值是接近0的定值，變化范圍很小，NDVIsoil會隨著無植被覆蓋區(qū)的土壤類型在-0.1～0.2波動[21-22]。依據(jù)淤地壩控制區(qū)域有壩溝道和無壩溝道植被覆蓋度的值，參照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)[18]，在Arc Map 10.5軟件中對柵格數(shù)據(jù)進行分類，將植被覆蓋度分為5類：<30%為極低覆蓋度，30%～45%為低覆蓋度，45%～60%為中覆蓋度，60%～75%為中高覆蓋度，>75%為高覆蓋度。同樣，將15條有壩溝道和無壩溝道分別合并后進行植被覆蓋度等級分類得到各溝道的面積。把所得混合像元的NDVI參數(shù)代入公式計算，獲得各溝道的植被覆蓋度分級圖。

1.4 土地利用類型提取

在eCognition 9.0中對GF-2號遙感影像進行RGB(3、2、1)真彩色合成方式顯示，使影像更接近真實的地物現(xiàn)狀。在process tree窗口中對影像先進行多尺度分割，后閾值分類。參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GBT 21010-2017)進行分類并提取土地利用類型，劃分為林地、草地、水域及水利設(shè)施用地、其他土地，共4類。對分錯的個別地類糾正后將所得的土地利用分類結(jié)果導(dǎo)出。最后，在Arc Map 10.5中將導(dǎo)出的分類結(jié)果與有壩溝道和無壩溝道的植被覆蓋度圖、土地利用類型圖進行疊加分析并在Excel中分別統(tǒng)計出各地類占各級植被覆蓋度總面積的比例，用SPSS軟件進行差異顯著性分析。

1.5 土壤水分含量測定

于2019年5月30日在試驗地采用土鉆法，分別取深度為10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～140、140～180、180～200 cm的土層進行采樣。采樣時將去除雜質(zhì)的土樣立即置于鋁盒并密封蓋子進行稱重，記為w1；帶回實驗室后打開鋁盒蓋，放入105℃的烘箱中烘8 h，然后測定干土和鋁盒的重量，記為w2，其計算公式為[23]：

W=(w1-w2)/(w2-w3)×100%

(2)

式中：W為所測的土壤重量含水量，w1為濕土及鋁盒的重量；w2為烘干后干土及鋁盒的重量；w3為空鋁盒重量，重復(fù)測定3次，取平均值作為土壤含水量的結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 有壩溝道和無壩溝道植被覆蓋度的差異

通過植被覆蓋度分級后得出有壩溝道和無壩溝道的植被覆蓋度，見圖2。

圖2 兩類溝道典型原始影像及植被覆蓋度

隨著植被覆蓋度的升高，各溝道在各植被覆蓋度下所占的面積均在不同程度上表現(xiàn)出先大幅下降后迅速上升的現(xiàn)象(圖3)。無壩溝道中各類植被覆蓋度占總面積比例的大小順序為：極低覆蓋度>高覆蓋度>中覆蓋度>低覆蓋度>中高覆蓋度；而有壩溝道為：高覆蓋度>極低覆蓋度>中覆蓋度>中高覆蓋度>低覆蓋度。無壩溝道極低覆蓋度植被的面積比比有壩溝道高出9.72%；低覆蓋度時，有壩溝道的植被覆蓋面積比無壩溝道低1.8%；中覆蓋度時有壩溝道比無壩溝道高1.76%；中高覆蓋度時，無壩溝道面積下降到8.81%，此時存在明顯的變化。無壩溝道高覆蓋度植被面積比有壩溝道低5.89%。整體來看，有壩溝道植被覆蓋度高于無壩溝道，有壩溝道以高覆蓋度為主，占總面積的31.82%，無壩溝道以極低覆蓋度為主，占總面積的27.53%；說明有壩溝道植被質(zhì)量高于無壩溝道。

圖3 不同溝道植被覆蓋度面積變化

有壩溝道各植被覆蓋度間草地覆蓋面積均值為0.94～7.49 hm2，不同等級間差異極顯著(P<0.01)；林地覆蓋面積均值為1.50～16.45 hm2，不同等級間差異極顯著(P<0.01)(圖4)。有壩溝道各等級間植被覆蓋面積隨覆蓋度的增加草地比例逐漸下降，林地逐漸升高。有壩草地的面積最高值出現(xiàn)在極低覆蓋度，為7.49 hm2，有壩林地的最高值出現(xiàn)在高覆蓋度，為16.44 hm2。無壩溝道各植被覆蓋度間草地覆蓋面積均值為1.61～12.02 hm2，不同等級間差異極顯著(P<0.01)，林地覆蓋面積均值為1.67～11.40 hm2，不同等級間差異極顯著(P<0.01)。無壩溝道各等級間植被覆蓋面積呈現(xiàn)出隨覆蓋度的增加草地逐漸減少，林地大幅增加的趨勢。無壩草地的最高值也出現(xiàn)在極低覆蓋度，但覆蓋面積為12.02 hm2，高于有壩草地。無壩林地的最高值也出現(xiàn)在高覆蓋度，覆蓋面積為11.40 hm2，比有壩溝道低?？傮w看來，有壩溝道內(nèi)以高覆蓋度林地為主，不同等級間差異極顯著；無壩溝道以極低覆蓋度草地為主，不同等級間差異極顯著。

圖4 各植被覆蓋度等級的植被覆蓋面積均值

2.2 有壩溝道和無壩溝道土地利用的差異

利用重分類后各溝道的植被覆蓋度柵格圖與其土地利用柵格圖疊加分析，并分區(qū)統(tǒng)計得到有壩溝道與無壩溝道各級植被覆蓋度在不同土地利用類型下的面積比例(表1)。

表1 有壩溝道和無壩溝道各土地利用類型的植被覆蓋度面積比

有壩溝道中林地為主要的土地利用類型，草地、其他土地次之，水域及水利設(shè)施用地位于最后。林地占總面積的58.31%。高覆蓋度林地所占面積最大，占總面積的30.10%；表明淤地壩中的蓄水對周邊環(huán)境的濕度起到了增加作用，蒸發(fā)減少，為淤地壩周邊植被的生長提供了有利條件。草地占總面積的33.33%；其中，極低覆蓋度所占面積最大，為總面積的13.72%。其他土地和水域及水利設(shè)施用地占總面積的比例明顯偏低，分別為5.91%和2.45%。

無壩溝道中草地為主要的土地利用類型，林地次之，其他土地最后。草地覆蓋面積占總面積的48.25%；極低覆蓋度下草地所占面積最大，占總面積的22.27%。林地占總面積的41.22%，其中，高覆蓋度下林地所占面積最大，占總面積的21.12%。

2.3 有壩溝道和無壩溝道土壤水分的差異

隨著土層深度的增加，無壩溝道土壤含水量呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(圖5)；有壩溝道則表現(xiàn)出波動上升的趨勢。在10～20、80～100 cm土層，兩溝道土壤水分含量基本一致；20～40、40～60 cm土層，有壩溝道土壤水分含量均高于無壩溝道；60～80 cm土層，有壩溝道土壤水分含量有下降趨勢；100～200 cm土層，有壩溝道土壤水分含量逐漸升高，無壩溝道土壤水分含量則呈現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象；在180～200 cm土層，有壩溝道與無壩溝道之間土壤水分含量變化最明顯。究其原因可能是有壩溝道林地植被根系分布密集且扎根至深層土壤，土壤孔隙度較高，加劇了土壤水分入滲速率；在土層深度為180～200 cm處，有壩溝道的土壤含水量增加較多，一方面說明有壩溝道有效截留的降水下滲后補充了土壤水分，另一方面說明有壩溝道的水域及水利設(shè)施用地對該層的土壤水分產(chǎn)生了較為明顯的補充效應(yīng)，植被覆蓋度和增加使凝結(jié)水對土壤水分進行有效補給，這也是過多水分導(dǎo)致部分樺樹根系腐爛甚至整株死亡的原因。對無壩溝道來講，表層土壤含水量較低一方面可能與該地降水量的再分配有關(guān)，另一方面可能是該地以極低覆蓋度草地為主，草地質(zhì)量較低導(dǎo)致持水能力較弱，導(dǎo)致降水以地表水或者徑流水的形式直接流走，滲入到土壤中的有效水較低；中層土壤水分基本穩(wěn)定，可能與下層土壤水分補給和上層土壤水分下滲的共同作用有關(guān)；深層土壤含水量急劇下降與草地根系分布淺，土壤水分向下傳導(dǎo)速度慢有關(guān)。

圖5 不同土壤深度下各溝道的土壤水分

3 討論

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，有壩溝道總體植被覆蓋度比無壩溝道高2.17%，說明有壩溝道內(nèi)的水對土壤深層水分有一定的補給作用，同時根系發(fā)達的植物種優(yōu)先吸收和利用土壤深層水分，充足的土壤水分和植被根系的共同作用反饋在了植被覆蓋度；另一方面說明了由于淤地壩控制區(qū)域地勢較低，地形相對平整，地形因子對土壤水分變動的影響較小，植被因子的影響相對突出。有壩溝道中土地利用類型在各級植被覆蓋度下所占面積的大小依次為：林地>草地>其他土地>水域及水利設(shè)施用地，無壩溝道中為：草地>林地>其他土地，這主要是有壩溝道的蓄水為提高植被質(zhì)量創(chuàng)造了條件，其他土地發(fā)展成草地或林地，草地逐漸演變?yōu)榱值?，極低覆蓋度演變?yōu)榈透采w度，進而提高了極高覆蓋度；有壩溝道內(nèi)的蓄水補給影響了植被覆蓋度的變化，這與溫都日娜等[24]的結(jié)論相一致。同時，有壩溝道中草地總覆蓋面積比無壩溝道低了14.92%，且無壩溝道草地的覆蓋面積均值高于有壩草地，而有壩林地覆蓋度較無壩高17.09%，有壩林地高覆蓋度面積均值高于無壩林地，植被質(zhì)量較高。有壩溝道植被覆蓋度高于無壩溝道的原因有以下兩點：一是在黃土高原區(qū)林地土壤養(yǎng)分含量相對較高。而且淤地壩周邊水熱條件較好，水分對植被生長起到了促進作用，枯枝落葉分解的有機質(zhì)養(yǎng)分含量較多[25]，可以有效地被植被吸收利用，對高植被覆蓋起到促進作用；二是草地耗水量低于林地，蒸發(fā)小，有壩溝道中部分草地演變?yōu)榱值?，林地的土壤團穩(wěn)性較高，其入滲性能及抗沖性也比荒草地高，林地優(yōu)先爭奪了草地的土壤水分是造成草地在無壩溝道中占有較高比例的主要原因之一。有壩溝道土層越深，土壤水分含量越高，與淤地壩的蓄水對深層土壤的水分補給有關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過對淤地壩控制區(qū)域有壩溝道和無壩溝道的植被覆蓋度及土地利用類型進行疊加分析，對比有壩溝道和無壩溝道的植被覆蓋度變化趨勢，得出結(jié)論如下：

(1)總體表現(xiàn)，有壩溝道植被覆蓋度比無壩溝道植被覆蓋度高2.17%，有壩溝道植被類型以高覆蓋度下的林地為主，而無壩溝道以極低覆蓋度下的草地為主。

(2)有壩溝道在高覆蓋度下林地覆蓋率最高，占總面積的31.82%。無壩溝道在極低覆蓋度下草地覆蓋度最高，占總面積的 27.53%。各植被覆蓋度下有壩草地和無壩草地均在極低覆蓋度時達到最高值，但有壩草地面積較低，大部分面積被林地占有，說明有壩溝道林地植被生長更有優(yōu)勢。

(3)隨著土壤深度的增加，有壩溝道土壤含水量逐漸上升，無壩溝道逐漸下降。土層深度除60～80 cm外，其余深度其有壩溝道土壤含水量均高于無壩溝道，這是有壩溝道總體植被覆蓋度高于無壩溝道的主要原因。