王逸男, 孔祥兵, 趙春敬, 姚貴琦, 郭 凱
(1.黃河水利科學(xué)研究院,水利部黃土高原水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003; 2.河南省水土保持監(jiān)測總站,鄭州 450008)
植被是土地覆被的最主要部分,其變化對全球能量循環(huán)及物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)具有重要的影響。植被與氣候、土壤、地下水、生物量等因素密切相關(guān),因此,對植被覆蓋的動態(tài)監(jiān)測研究廣泛應(yīng)用于土壤、水土保持、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域。黨的十八大以來,我國對環(huán)境保護(hù)的重視程度達(dá)到了新的高度,提出良好的生態(tài)環(huán)境與民生福祉、人類生存、生產(chǎn)力密不可分,也是展現(xiàn)我國良好形象的發(fā)力點(diǎn),對生態(tài)環(huán)境的研究提出了新的要求。歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)對綠色植被表現(xiàn)敏感,該指數(shù)常被用來進(jìn)行區(qū)域和全球的植被狀態(tài)研究。李凱等基于像元二分法,利用MODIS數(shù)據(jù)分析了近10年白龍江流域植被覆蓋度變化與滑坡的相關(guān)性;張曉東等利用Landsat影像分析了1989—2014年鹽池縣植被覆蓋度與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)空格局關(guān)系;宋敏敏等利用8年MODIS數(shù)據(jù)分析了延河流域的時(shí)空演變規(guī)律;康滿萍等利用Landsat數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析了蘇干湖濕地植被覆蓋度時(shí)空變化格局;王建國等使用像元二分法和重心遷移模型分析了2000—2019年新疆植被覆蓋度時(shí)空格局及重心變化。以上研究結(jié)果表明,不同地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化特征及驅(qū)動機(jī)制存在明顯差異。黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū),也是我國乃至世界上水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)。研究黃土高原的植被變化及其時(shí)空格局對分析該地區(qū)水土流失狀況具有重要的戰(zhàn)略意義。本研究基于MODIS數(shù)據(jù),運(yùn)用像元二分法、轉(zhuǎn)移矩陣、重心模型等,獲取并分析了黃土高原2000—2020年植被覆蓋信息的時(shí)空分布格局和變化規(guī)律,并結(jié)合氣溫、降水、土壤、地形等因素,通過研究分析20年來對黃土高原植被覆蓋度時(shí)空格局及影響因素,為未來黃土高原生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展工作提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐。
黃土高原在中國北方地區(qū)與西北地區(qū)的交界處,它東起太行山,西至烏鞘嶺,南連秦嶺,北抵長城,主要包括山西、陜西、以及甘肅、青海、寧夏、河南等省部分地區(qū)(圖1)。全區(qū)總面積63.5萬km,是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū),是我國生態(tài)問題集中體現(xiàn)的地區(qū),也是我國水土保持和生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)。黃土高原海拔1 000~2 000 m,黃土厚50~80 m,是世界上最大的黃土覆蓋區(qū)。黃土高原礦產(chǎn)豐富,煤、石油、鋁土儲量大。黃土顆粒細(xì),土質(zhì)松軟,含有豐富的礦物質(zhì)養(yǎng)分,利于耕作,盆地和河谷農(nóng)墾歷史悠久,是中國古代文化的搖籃。黃土高原地區(qū)屬(暖)溫帶(大陸性)季風(fēng)氣候,冬春季受極地干冷氣團(tuán)影響,寒冷干燥多風(fēng)沙;夏秋季受西太平洋副熱帶高壓和印度洋低壓影響,炎熱多暴雨。多年平均降水量466 mm,總的趨勢是從東南向西北遞減,東南部600~700 mm,中部300~400 mm,西北部100~200 mm。以200,400 mm等年降水量線為界,西北部為干旱區(qū),中部為半干旱區(qū),東南部為半濕潤區(qū)。由于缺乏植被保護(hù),在長期流水侵蝕下地面被分割得非常破碎,形成溝壑交錯(cuò)其間的塬、墚、峁。
圖1 黃土高原行政區(qū)邊界
MODIS(moderate-resolution imaging spectroradi-ometer),即中等分辨率成像光譜儀。該數(shù)據(jù)在地表覆蓋變化、自然災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、全球生產(chǎn)力、全球氣候變化等綜合性研究等方面廣泛應(yīng)用。本研究使用的遙感數(shù)據(jù)源為美國地球資源觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)提供的MODIS植被指數(shù)16天合成數(shù)據(jù)(MOD13Q1),獲取時(shí)間為2000—2020年每年6—9月,空間分辨率為250 m,存儲格式為.hdf,共168期影像。通過數(shù)據(jù)提取和最大值合成法生成每月1期共84期植被指數(shù)數(shù)據(jù)。
氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)月值0.5格點(diǎn)數(shù)據(jù)集,時(shí)間范圍2000—2020年每年6—9月,通過格式轉(zhuǎn)換、重采樣等,生成每月1期,共84期,250 m氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)各1套。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)DEM數(shù)據(jù),空間分辨率30 m,通過鑲嵌、裁剪等,生成黃土高原高程數(shù)據(jù),通過坡度計(jì)算并分級(<3°,3°~7°,7°~15°,15°~25°,>25°,分別稱為平地、平坡地、緩坡地、斜坡地、陡坡地,為了更好分析坡度關(guān)系,陡坡地改為25°~60°,增加級別為>60°,稱為極陡坡地),得到黃土高原坡度數(shù)據(jù)(圖2)。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院數(shù)據(jù)中心(http://www.csdb.cn/),空間分辨率為1 km,通過投影、裁剪、重采樣生成黃土高原250 m土壤數(shù)據(jù)(圖3)。
植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面上的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比,是衡量地表植被狀況的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)像元中植被覆蓋結(jié)構(gòu)不同,可分為均一像元和混合像元2類。當(dāng)像元完全由植被覆蓋時(shí),其植被覆蓋度為100%(值為1),為均一像元;如果植被未能覆蓋整個(gè)像元,其植被覆蓋度小于1,即該像元為植被與非植被混合構(gòu)成,為混合像元。因此,用0~1數(shù)值范圍作為衡量研究區(qū)域植被覆蓋指標(biāo),數(shù)值越接近1,表示植被覆蓋程度越接近全覆蓋。
圖2 黃土高原坡度分布
圖3 黃土高原土壤類型分布
植被覆蓋度(FVC)是衡量一個(gè)地區(qū)地表植被覆蓋的重要指標(biāo),與NDVI具有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系?;谙裨帜P停稍贜DVI數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,通過反演模型計(jì)算得到植被覆蓋度,計(jì)算公式為:
FVC=(NDVI-NDVI)/(NDVI-NDVI)
(1)
式中:FVC為植被覆蓋度;NDVI為該時(shí)期某像元NDVI值;NDVI和NDVI分別為該研究區(qū)內(nèi)所有像元NDVI的最小值和最大值;并以5%~95%作為NDVI值置信區(qū)間對NDVI和NDVI進(jìn)行優(yōu)化處理。
根據(jù)FVC變化情況,將FVC變化趨勢等級劃分為:極顯著好轉(zhuǎn)(變化值>0.5)、顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域(0.5≥變化值>0.3)、變化不顯著區(qū)域(0.3≥變化值>-0.3)、顯著惡化區(qū)域(-0.3≥變化值>-0.5)、極顯著惡化區(qū)域(變化值≤-0.5)5 個(gè)等級。在參考已有植被覆蓋度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)植被特點(diǎn),將研究區(qū)植被覆蓋度進(jìn)行了如下分級,即低覆蓋(FVC≤0.3)、中低覆蓋(0.3
圖4 黃土高原2020植被覆蓋度分級
通過計(jì)算不同時(shí)期各級覆蓋度植被的分布重心,可以從空間上描述各級植被覆蓋度隨時(shí)間的變化過程和遷移趨勢。第年植被斑塊重心坐標(biāo)及遷移距離為:
(2)
(3)
(4)
式中:、為第年某級植被斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)(°);、為第年該級植被第個(gè)斑塊的幾何中心坐標(biāo)(°);為第年該級植被第個(gè)斑塊的面積(km);為第年該級植被的斑塊數(shù)(個(gè));為遷移距離(°);Δ、Δ分別為第年該級植被重心的經(jīng)度、緯度變化(°)。
轉(zhuǎn)移矩陣以圖像像元相互之間面積的轉(zhuǎn)移概率為矩陣中的元素,轉(zhuǎn)移矩陣模型為:
(5)
矩陣中每個(gè)元素為植被覆蓋等級轉(zhuǎn)化為等級的轉(zhuǎn)移概率。具有2個(gè)特點(diǎn):各元素非負(fù);每行元素之和為1。
轉(zhuǎn)移矩陣不但可以定量說明植被覆蓋等級之間的相互轉(zhuǎn)化狀況,而且能夠揭示不同植被覆蓋度之間的轉(zhuǎn)移概率,從而更準(zhǔn)確地了解植被覆蓋的時(shí)空變化情況。通過對黃土高原2000年和2020年的植被覆蓋度分級圖進(jìn)行混淆矩陣計(jì)算,可得到各級植被覆蓋度之間相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系,即植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣。
圖5為黃土高原2000—2020年各年FVC均值和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)情況。2020年與2000年相比,F(xiàn)VC值從0.39提高到0.61,2000年以來,黃土高原FVC呈上升趨勢,擬合趨勢斜率為7.60×10,為0.80。其中2000—2004年逐年增加;2004—2007基本不變;2007—2010年略有波動,總體增加;2011年有所降低,2012—2014年有明顯增加;2015—2017年有所下降且總體平穩(wěn);2017年后快速增加。2000—2018年標(biāo)準(zhǔn)差集中在0.62左右,2019—2020年標(biāo)準(zhǔn)差較低,說明區(qū)域內(nèi)FVC值離散程度從2019年起大幅度降低,黃土高原總體植被狀況明顯向好。
圖5 黃土高原2000-2020年植被覆蓋度變化
由圖6可知,2000—2020年黃土高原的植被變化以變化不顯著類型為主,該類型面積比例占到全區(qū)面積的61.98%,其次為顯著好轉(zhuǎn)類型,面積比例占到全區(qū)面積的36.39%??傮w上植被改善(顯著好轉(zhuǎn)類型與極顯著好轉(zhuǎn)類型)面積比例達(dá)37.93%,植被惡化(顯著惡化類型與極顯著惡化類型)面積比例僅為0.08%,其中極顯著惡化類型面積比例不足0.01%。
圖6 黃土高原2000-2020植被覆蓋度變化趨勢
由表1可知,2000—2020年,黃土高原低覆蓋植被面積所占的比例總體上呈下降的趨勢,減少面積為271 627.72 km,降低比例為92.29%;中低覆蓋、中覆蓋、中高覆蓋及高覆蓋植被面積都有所增加,分別為13 210.53,68 245.27,135 411.22,54 760.69 km,增加比例分別為12.79%,82.14%,210.99%,59.47%,中高覆蓋植被面積和比例增加最多;2000—2018年,低覆蓋植被面積所占比例最高,2019—2020年,中高覆蓋植被面積明顯增加,所占比例最高。另外,黃土高原2000—2009年以低覆蓋和中低覆蓋為主,2010—2020年,以中覆蓋及以上等級植被為主。
根據(jù)2000年和2020年2年的植被覆蓋度分布結(jié)果可計(jì)算得到轉(zhuǎn)移矩陣,分析轉(zhuǎn)移矩陣可以得到各級植被覆蓋度相互轉(zhuǎn)化的情況。由表2可知,黃土高原2000年低覆蓋植被轉(zhuǎn)出面積為271 972.92 km,轉(zhuǎn)出比例為93.10%,轉(zhuǎn)為2020年中低覆蓋和中覆蓋植被比例為74.68%,轉(zhuǎn)為中高覆蓋和高覆蓋植被比例為18.42%;2020年低覆蓋植被轉(zhuǎn)入面積為516.82 km,占2020年低覆蓋植被面積比例為2.57%,說明2000年以來由中低、中、中高、高覆蓋植被惡化而轉(zhuǎn)為低覆蓋植被的情況較少。2000年黃土高原中低植被覆蓋區(qū)域的轉(zhuǎn)出面積為100 207.86 km,轉(zhuǎn)為更高覆蓋等級植被面積比例為96.57%,其中轉(zhuǎn)出占比最高的為中高覆蓋,比例為56.16%,其次為轉(zhuǎn)出到中覆蓋,占比為26.10%;2020年中低覆蓋等級區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為113 323.17 km,主要由2000年低覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來,占轉(zhuǎn)入面積比例為98.04%。2000年黃土高原中覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為70 893.33 km,轉(zhuǎn)為更高覆蓋等級植被面積比例為82.99%;2020年中覆蓋等級區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為139 107.83 km,主要為2000年低覆蓋和中低覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來,占轉(zhuǎn)入面積比例為96.37%。
表1 黃土高原不同年份各等級植被覆蓋度
2000年黃土高原中高覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為32 832.21 km,主要轉(zhuǎn)為高覆蓋植被,占比為43.34%,原48.84%的區(qū)域仍為中高覆蓋植被,轉(zhuǎn)為較低等級覆蓋植被比例為7.83%;2020年,中高覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)入面積為168 172.71 km,主要由2000年的低覆蓋、中低覆蓋和中覆蓋植被轉(zhuǎn)化而來,占轉(zhuǎn)入面積比例分別為29.92%,34.54%,29.08%。
2000年高覆蓋植被的轉(zhuǎn)出面積為11 484.34 km,主要轉(zhuǎn)化為2020年的中高覆蓋區(qū)域,占比為11.80%,轉(zhuǎn)為中覆蓋及更低等級覆蓋植被比例為0.67%,87.45%的區(qū)域仍為高覆蓋區(qū)域;2020年高覆蓋區(qū)域中,由2000年的低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋轉(zhuǎn)為而來的比例僅為26.19%。近20年來黃土高原低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋以及中高覆蓋植被向更高覆蓋等級植被轉(zhuǎn)出比例高,大部分區(qū)域植被好轉(zhuǎn)明顯;2000年的高覆蓋區(qū)域植被總體保持了穩(wěn)定。
利用遷移模型,計(jì)算出2000年和2020年各級植被覆蓋度的重心坐標(biāo),并根據(jù)坐標(biāo)繪制出黃土高原各級植被覆蓋度重心遷移圖。由圖7可知,低覆蓋和中低覆蓋植被覆蓋等級區(qū)域主要集中在西北部,而中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋植被覆蓋等級區(qū)域主要集中在東南部,說明黃土高原東南部整體比西北部植被覆蓋狀況要好。具體來看,2000—2020年,低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋、中高覆蓋植被重心均是向西北方向遷移,分別遷移了約161.24,251.13,173.87,107.59 km;而高覆蓋植被重心向東南方向遷移了34.55 km。其中,中低覆蓋植被重心遷移距離最大,高覆蓋植被重心遷移距離最小,從遷移程度分析可知,2000—2020年黃土高原植被覆蓋由低覆蓋、中低覆蓋植被為主逐漸轉(zhuǎn)移為中覆蓋、中高覆蓋植被為主。
由圖8可知,黃土高原6-9月平均降水量變化趨勢總體與植被覆蓋度變化趨勢基本一致,即2000—2003年、2009—2013年、2015—2020年等時(shí)段,隨著月平均降雨量增多,植被總體狀況向好;2004—2006年、2004—2005年等時(shí)段,隨著月平均降雨量減少,植被總體狀況變差;2000—2020年,黃土高原植被覆蓋度與月平均降雨量相關(guān)系數(shù)為0.44。由圖9可知,將植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)與降水量變化數(shù)據(jù)疊加進(jìn)行空間分析,相關(guān)性較高區(qū)域集中在東北至西南一帶,相關(guān)系數(shù)0.4以上面積達(dá)到197 230.13 km,相關(guān)系數(shù)超過0.6面積達(dá)到29 036.98 km,對應(yīng)圖6中植被覆蓋顯著好轉(zhuǎn)和極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域,其他區(qū)域相關(guān)性較低。
表2 黃土高原2000年和2020年植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣
圖7 黃土高原各級植被覆蓋重心遷移
2000—2020年黃土高原植被覆蓋度變化與6—9月平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的關(guān)系不明顯,相關(guān)系數(shù)分別為0.05,0.57,0.33。將植被覆蓋度變化數(shù)據(jù)與氣溫變化數(shù)據(jù)疊加進(jìn)行相關(guān)分析,黃土高原中北部、東部、南部和西部區(qū)域相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)0.4以上面積達(dá)到5 139.92 km,相關(guān)系數(shù)超過0.6面積達(dá)到86.91 km,對應(yīng)圖6中部分顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域和部分變化不顯著區(qū)域。綜合分析黃土高原植被覆蓋變化與氣溫、降水變化的相關(guān)性可知,植被覆蓋顯著好轉(zhuǎn)與極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)?yīng)植被覆蓋度與氣溫、降水相關(guān)性較高,水熱因素對植被覆蓋變化影響顯著。
圖8 黃土高原2000-2020年植被覆蓋度與降水量和氣溫變化
黃土高原地形復(fù)雜,不同坡度、土壤成分對植被覆蓋度的影響程度也不同。為揭示地形及土壤分布特征對植被覆蓋度的影響,根據(jù)黃土高原的DEM數(shù)據(jù)生成坡度分級圖,對2020年植被覆蓋度以及2000—2020年植被覆蓋度變化結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),并疊加土壤類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
由圖10可知,在各級坡度中,陡坡地植被覆蓋度均值最高,為0.72,其次為斜坡地,為0.68,極陡坡地植被覆蓋度均值最低,為0.45,其次為平地,為0.52,緩坡地和平坡地植被覆蓋度均值為0.61和0.54。植被覆蓋度高的地區(qū)主要集中在緩坡地、斜坡地和陡坡地,均高于0.60。近20年來,平地、平坡地、緩坡地和斜坡地等坡度類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯,相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.25,0.24,0.23和0.19;陡坡地和極陡坡地等坡度類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善程度最小,相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.13和0.02。
在土壤類型方面,淋溶土類型下的植被覆蓋度均值最高,為0.85,其次為半淋溶土和高山土,植被覆蓋度均值分別為0.73和0.67,最低為干旱土和漠土,植被覆蓋度均值為0.39和0.37。近20年來,干旱土、漠土、水成土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯,相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為0.31,0.30和0.26;淋溶土、半淋溶土和高山土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善程度最小,相應(yīng)類型區(qū)域FVC變化值分別為-0.01,0.07,0。
圖9 黃土高原植被覆蓋度與降水量和氣溫相關(guān)系數(shù)
圖10 黃土高原植被覆蓋度與坡度等級和土壤類型關(guān)系
近20年來,國家退耕還林、天然林保護(hù)、生態(tài)安全屏障建設(shè)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等諸多政策實(shí)施力度逐漸加大,其結(jié)果對黃土高原地區(qū)植被覆蓋度變化有著重大影響。自2000年以來,國家先后對黃土高原地區(qū)施行了退耕封禁、人工種植、封山禁牧等政策,為該地區(qū)植被恢復(fù)速率加快、植被覆蓋面積增大、覆蓋程度提高起到關(guān)鍵作用。自國家政策頒布實(shí)施以來至2015年間,黃土高原地區(qū)共修建淤地壩5萬余座,其中骨干壩數(shù)量達(dá)到5千余座,梯田面積超過4萬km,封禁面積超過3萬km,造林種草面積超過11萬km,水土保持治理總面積超過19萬km(表3)。諸多水土保持工程措施和生物措施的實(shí)施為黃土高原植被覆蓋度提高創(chuàng)造了優(yōu)越條件,對該地區(qū)植被覆蓋程度改善發(fā)揮重要作用。
表3 截至2015年黃土高原水土保持措施實(shí)施統(tǒng)計(jì)
(1)以2000—2020年MODIS-NDVI作為數(shù)據(jù)源,反演計(jì)算得到植被覆蓋度FVC數(shù)據(jù)。自2000年到2020年,黃土高原FVC均值整體呈上升趨勢,植被生長狀況明顯朝著改善的方向發(fā)展;對比2000年和2020年FVC差值結(jié)果,植被改善面積超過37.93%;2010年以來,黃土高原植被覆蓋以中覆蓋及以上等級覆蓋植被為主。
(2)從黃土高原2000年和2020年的植被覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣和重心遷移分析可知,較低植被覆蓋度向較高植被覆蓋度轉(zhuǎn)移面積較大,體現(xiàn)出了植被覆蓋度逐漸改善的趨勢;東南部植被覆蓋度較高,且高植被覆蓋重心向西北方向遷移。
(3)分析了氣溫、降水、地形、土壤和人為因素與黃土高原植被覆蓋度時(shí)空格局變化的關(guān)系。2000—2020年黃土高原植被覆蓋度變化與水熱變化總體趨勢相關(guān);顯著好轉(zhuǎn)與極顯著好轉(zhuǎn)區(qū)域與水熱因素相關(guān)性較高;2020年,黃土高原較高植被覆蓋度主要分布在斜坡地與陡坡地等坡度類型區(qū)域,與淋溶土、半淋溶土和高山土等土壤類型區(qū)域;2000年以來,平地、平坡地、緩坡地和斜坡地等坡度類型區(qū)域與干旱土、漠土、水成土等土壤類型區(qū)域的植被覆蓋度狀況改善最為明顯;國家政策及水土保持措施實(shí)施等人為因素對植被覆蓋度改善有重要作用。