張金良，王 煒，付 健，張 超

（1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003；3.清華大學，北京 100084）

黃河流域內流區(qū)位于河套地區(qū)以南，總面積46 505 km2，涉及內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市、陜西省榆林市和寧夏回族自治區(qū)吳忠市，區(qū)內河湖水體與黃河水系不連通，構成相對獨立的地理單元。內流區(qū)處于風蝕與水蝕交錯地帶，荒漠草原構成其典型地貌景觀，植被稀疏，北部毗鄰庫布齊沙漠南緣，中部和東部大部分被毛烏素沙地穿過，生態(tài)環(huán)境極其脆弱［1－2］。區(qū)內降水稀少、蒸發(fā)強烈，河流稀少，地表徑流貧乏，零星有湖泊分布（西部和北部湖泊多為鹽堿湖，東部和南部湖泊多為淡水湖）。內流區(qū)大部分被現(xiàn)代風積沙覆蓋，經常發(fā)生沙塵暴，是黃河流域風沙和北方沙塵暴的主要來源區(qū)［1］。惡劣且脆弱的生態(tài)環(huán)境，不僅危害區(qū)內人類生產生活，而且威脅華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量和黃河中下游的生態(tài)安全［3］。在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展背景下，內流區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理意義重大。

近幾十年來，學者們針對黃河流域內流區(qū)進行了多方面研究，主要集中于內流區(qū)定義、水文循環(huán)和水資源利用等方面，或毛烏素沙地、鄂爾多斯高原和庫布齊沙漠等地區(qū)的土地利用和植被變化研究［6－13］。過去30 a，毛烏素沙地沙漠化程度處于逆轉趨勢，平均每年約62.37 km2的沙漠化土地得到有效治理，極重和重度沙漠化土地重心逐漸向北部和西北部遷移［6］，近年來政策驅動的大規(guī)模生態(tài)建設對氣候惡劣地區(qū)的植被恢復產生了積極影響［8］，而植被恢復對減少風力侵蝕有重要作用［13］。但是，針對內流區(qū)這一獨特地理單元的土地利用和植被覆蓋變化研究不足。

在生態(tài)系統(tǒng)中，山、水、林、田、湖、草、沙等各要素之間互為依托、互相影響，形成一個生命共同體［14］。對于生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱的內流區(qū)而言，需在生態(tài)保護和綜合治理的過程中堅持生態(tài)系統(tǒng)的完整性。此外，《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出要針對水土脆弱、缺林少綠等問題，進一步重點強化治理，補齊生態(tài)系統(tǒng)的短板。在北方防沙帶地區(qū)，可通過合理調整土地利用結構、加強防護林建設、草原修復、退耕還林還草等措施，繼續(xù)推進荒漠化治理。因此，全面了解內流區(qū)土地利用演變狀況和影響因素，對于生態(tài)系統(tǒng)保護和綜合治理具有重要指導意義。本文利用多期土地利用數據和歸一化植被指數（NDVI）數據，分析土地利用和植被覆蓋的時空演變規(guī)律，并探討影響植被變化的因素，以期為黃河流域內流區(qū)生態(tài)保護和治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域內流區(qū)86.2%的面積屬鄂爾多斯市，包括杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗、伊金霍洛旗和東勝區(qū)；10.5%的面積屬榆林市，包括神木縣、定邊縣和靖邊縣；3.3%的面積屬吳忠市鹽池縣。內流區(qū)大部分位于鄂爾多斯高原，地勢中間高、四周低，平均海拔為1 361 m。內流區(qū)多年平均降水量為275.3 mm，僅為黃河流域平均降水量的61.4%；多年平均水面蒸發(fā)量為2 338 mm，平均干旱指數為7.7，屬典型的干旱區(qū)。內流區(qū)位于風蝕水蝕交錯區(qū)，以風蝕為主（約占總面積的83.6%），其中超過60%的地區(qū)為中等及以上干旱強度，生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱。內流區(qū)60.7%的面積為草地，草地中約1／3的面積為中覆蓋度草地；28.7%的面積為未利用地，絕大部分為沙地（主要分布在西北部的庫布齊沙漠及中部和南部的毛烏素沙地），鹽堿地零星分布；耕地面積占6.7%，集中分布在南部的定邊縣；水域面積僅占1.7%，主要為河流、湖泊和坑塘，流域面積大于1 000 km2的河流（摩林河、陶來溝、察哈爾溝和黑炭淖爾溝）和面積大于5 km2的湖泊（4個）集中分布于內流區(qū)北部［1］；林地、城鄉(xiāng)居民和工礦用地分別占內流區(qū)總面積的1.7%和0.5%。內流區(qū)土壤侵蝕和土地利用狀況見圖1。

圖1 內流區(qū)概況

1.2 數據來源

土地利用數據為1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2018年中國土地覆被遙感影像（空間分辨率為1 km）數據，來源于資源環(huán)境科學數據注冊與出版系統(tǒng)（https：／／www.resdc.cn／DOI）［15］。數據采用三級分類體系，根據土地資源及其利用屬性，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類。

中國季度歸一化植被指數（NDVI）空間分布數據集來源于資源環(huán)境科學數據注冊與出版系統(tǒng)，是基于長時間序列的Spot／VegetationNDVI衛(wèi)星遙感影像（空間分辨率為1 km）、采用最大合成法生成的2000—2018年逐月NDVI數據［16］。

1980—2018年國家氣象站點逐日氣象數據（降水量、最高溫度、最低溫度、平均溫度、相對濕度、2 m高處風速和日照時長等）來自國家氣象信息中心（http：／／data.cma.cn）。潛在蒸散發(fā)量利用Penman－Monteith方法進行計算［17］。將日降水量和日潛在蒸散發(fā)數據統(tǒng)計至年尺度，采用ANUSPLIN 4.3將其插值到研究區(qū)范圍內，空間分辨率為500 m。

1.3 研究方法

（1）土地利用變化。利用轉移矩陣方法辨識研究時段內不同土地利用類型之間的變化規(guī)律［18］，并采用土地利用類型面積變化率和綜合土地利用動態(tài)度，分析研究時段內土地利用類型面積變化幅度和各類土地利用類型綜合變化程度。

土地利用類型面積變化率（Ev）計算公式為

式中：EUa和EUb分別為研究期初和研究期末某一土地利用類型的面積。

綜合土地利用動態(tài)度（EC）計算公式為

式中：ECOi為初期第i類土地利用類型面積；ΔECOi－j為第i類土地利用類型轉為第j類土地利用類型的面積。

（2）NDVI變化。在柵格單元上采用線性回歸方法分析長時間尺度的NDVI變化趨勢，用斜率表征植被變化速率（β），計算公式［19］為

式中：n為研究時段長度；ti為年序號；yi為第ti年的NDVI值。

由式（3）計算出的斜率為絕對變化率，直接受植被類型影響，由于不便在不同土地利用類型間比較，因此進一步利用絕對變化率和NDVI序列的平均值計算相對變化率（β＿R）。此外采用相關分析方法，揭示降水和潛在蒸散發(fā)對NDVI的影響。

2 結果與討論

2.1 黃河流域內流區(qū)土地利用變化

1980—2018年，黃河流域內流區(qū)植被（包括草地、林地和耕地）總面積增加了719 km2，增加幅度約為2.4%（其中：草地、林地和耕地面積分別增加460、193、66 km2，分別占植被總增加面積的64.0%、26.8%、9.2%）；沙地和鹽堿地面積大幅減小，分別減小542、308 km2；水域面積減小103 km2，減幅為12.7%，湖泊萎縮是其重要原因之一［20］；隨著城鎮(zhèn)化和經濟社會的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)居民和工礦用地大幅增加，總增加面積244 km2。1980—1999年各類土地利用類型面積變化不大，2000—2018年土地利用變化加快（見圖2），2000年前、后綜合土地利用動態(tài)度分別為1.5%、12.6%。

圖2 1980—2018年黃河流域內流區(qū)土地利用類型面積年際變化情況

2000—2018年，內流區(qū)有25.7%的土地利用類型發(fā)生不同程度變化（見表1）。未利用地轉化為植被覆蓋類型的面積約占變化面積的36.8%，通過造林種草和農田開墾等措施，未利用地大量轉化為耕地、林地和草地，這在一定程度上反映了近20 a來治沙工作的成效。但內流區(qū)土壤貧瘠、干旱缺水、沙多風大，植被生態(tài)系統(tǒng)被破壞后難以恢復，因此在此自然環(huán)境下大規(guī)模發(fā)展農業(yè)可能存在隱患［21］。

表1 2000—2018年土地利用轉移矩陣 km2

2.2 NDVI的變化

內流區(qū)2000—2018年NDVI平均為0.29，庫布齊沙漠和毛烏素沙地NDVI偏低（僅0.16），研究區(qū)南部、東部NDVI較大（見圖3（a））。2000—2018年，內流區(qū)約94%的區(qū)域年均NDVI呈增大趨勢，平均增速為1.5%／a，其中約1／3的地區(qū)植被增加趨勢顯著，主要分布在內流區(qū)北部摩林河流域、東部紅堿淖流域、南部農田分布地區(qū)和毛烏素沙地北部，平均NDVI變化率大于3%／a（見圖3（b））。NDVI減小的地區(qū)主要分布在北部庫布齊沙漠和內流區(qū)最西端，表明庫布齊沙漠和西部極端缺水地區(qū)目前存在程度較輕的植被退化趨勢，但在未來氣候暖干化的背景下［22］，該退化程度可能加劇。

圖3 2000—2018年內流區(qū)NDVI空間分布特征

為深入辨識2000—2018年黃河流域內流區(qū)不同土地利用植被變化規(guī)律，將2000年和2018年土地利用圖疊置，識別未變化的土地利用類型（耕地、林地、草地和未利用地）和未利用地轉化類型（未利用地→耕地、未利用地→林地、未利用地→草地），分析不同土地利用類型的NDVI變化趨勢（見圖4，直線表示趨勢線，括號內數據表示年際變化率）。對未變化的土地利用類型而言，農田NDVI增長最為顯著，增長率為0.009／a，面積增速為2.05%／a；內流區(qū)通過實施建設沙漠鎖邊防護林、圍封禁牧休牧、天然林保護等生態(tài)恢復措施，林地、草地和未利用地植被得到逐步恢復，NDVI增長率為（0.004～0.007）／a，植被面積增速為（1.37%～1.85%）／a。隨著三北防護林、退耕還林還草等國家重點工程的相繼啟動，治沙成為毛烏素沙地的重要任務，在此過程中創(chuàng)造性地使用了飛播造林、草格固沙等措施，通過人工種植小型灌木林和植草等方式提高沙漠植被覆蓋率［23］。未利用地（主要為沙地）轉型為耕地、林地和草地的NDVI年增長率分別為0.008／a、0.006／a、0.004／a，面積增速分別為2.14%／a、2.52%／a、1.50%／a。未利用地轉型為林地的NDVI增長率最快，表明小型灌木固沙林（如花棒、檸條和沙蒿等）作為毛烏素沙地重要的治理手段之一效果良好，該措施可有效防止揚沙、促進沙地壤化、加速沙丘固定、減少土壤侵蝕。

圖4 不同土地利用類型NDVI變化趨勢

2.3 降水和潛在蒸散發(fā)量對NDVI的影響

干旱地區(qū)土壤水是影響植被生長的關鍵因素。研究區(qū)內，土壤水最主要的水分來源為降水，而土壤水分損失受潛在蒸散發(fā)的強烈影響。因此，年均NDVI整體上表現(xiàn)出與年降水量呈現(xiàn)顯著正相關，降水每增加100 mm，NDVI平均可增大0.11；與年潛在蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著負相關關系，潛在蒸散發(fā)量增加100 mm，NDVI平均下降0.14（見圖5（a）和圖6（a））。從年際變化上來看，降水增加越快，NDVI增加也越快，而NDVI的變化與潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)相反趨勢（見圖5（b）和圖6（b））。內流區(qū)水資源的匱乏是限制植被修復和生態(tài)改善的關鍵因素，水資源增加勢必促進區(qū)域生態(tài)改善。2000年以來，內流區(qū)NDVI呈現(xiàn)增大趨勢，但相較于黃河流域其他地區(qū)植被明顯偏稀疏［24－26］。根據張亞玲等［7］的研究，1998—2012年多年平均NDVI黃河下游（0.70）＞上游（0.55）＞中游（0.48），內流區(qū)NDVI明顯偏小。喬木林地蒸騰作用強烈，比灌木林地和草地耗水量更大，在黃土高原退耕還林還草過程中因抗旱性強、生長速度快等諸多優(yōu)點而被廣泛栽種的刺槐、油松等喬木被證明耗水較大，在缺水的干旱－半干旱地區(qū)栽種會造成土壤水過度消耗，最終可能形成“小老頭”樹甚至導致因缺水而成片死亡［27］。因此，在降水稀少的內流區(qū)進行沙區(qū)治理和生態(tài)恢復的過程中，需要選擇合適的植被類型（如耗水量較小的灌木和草本植物），使土壤供水量和耗水量達到相對平衡，從而維持植被的可持續(xù)性，促進生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定向好發(fā)展。

圖5 NDVI與年降水量的關系

圖6 NDVI與潛在蒸散發(fā)的關系

3 結 論

本文利用長時間序列土地利用數據和NDVI數據，分析了1980—2018年黃河流域內流區(qū)不同時段的土地利用時空動態(tài)以及未轉化和未利用地轉化后植被的變化趨勢，結論如下。

（1）1980—2018年，隨著生態(tài)恢復工程的實施和城鎮(zhèn)化發(fā)展，土地利用變化總體呈現(xiàn)植被（耕地、草地和林地）、城鄉(xiāng)居民和工礦用地面積增加，未利用地和水域面積下降的趨勢。其中：2000—2018年土地利用變化比2000年以前更為顯著，內流區(qū)25.7%的地區(qū)土地利用類型發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為未利用地轉化為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民和工礦用地。

（2）2000年以來，內流區(qū)NDVI普遍呈增大趨勢，平均增長率為1.5%／a，東部和南部NDVI增長較快。2000—2018年，受益于農田基礎設施逐步完善以及天然林保護、圍封禁牧休牧、退耕還林還草等生態(tài)恢復工程的實施，內流區(qū)耕地、草地、林地和未利用地NDVI均有不同程度的增大，增長率為耕地＞林地＞草地＞未利用地；未利用地轉化為耕地、草地和林地后，NDVI增幅均大于未利用地的，一定程度上反映了沙區(qū)生態(tài)治理和恢復成效顯著。

（3）內流區(qū)NDVI變化與降水量呈顯著正相關，與潛在蒸散發(fā)量呈顯著負相關，水資源的增加能促進植被恢復。