黃土高原中部降水梯度帶植被覆蓋度動態變化特征

李杏鮮，連晉姣，黃明斌

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

黃土高原中部降水梯度帶植被覆蓋度動態變化特征

李杏鮮1，2，連晉姣1，2，黃明斌2

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

黃土高原植被生長的水分環境從東南向西北呈現明顯的梯度變化，定量分析各降水梯度帶植被覆蓋度空間分布特征和演變趨勢，對正確評價退耕還林草工程的生態效應具有重要意義。選擇一條垂直于降水梯度變化的樣帶，利用MODIS／NDVI數據，基于像元二分模型獲取了研究區2000—2010年植被覆蓋度空間分布特征，采用斜率法和相關系數法分析了植被覆蓋度的變化趨勢和影響因素。結果表明：（1）研究區植被覆蓋度在空間分布上由東南向西北降低，東南部地區植被覆蓋度達82.6%，北部荒漠地區僅為38.6%；（2）由于退耕還林草工程的實施，該區11a間植被覆蓋度整體呈現上升趨勢，其中2007年植被覆蓋度值最高，為65.3%，與降水年際變化趨勢一致；（3）研究區植被覆蓋度主要受當年4—8月降雨量和氣溫影響，時間序列具有顯著相關性。

植被覆蓋度；NDVI；動態變化；黃土高原

黃土高原是一個具有完整生態屬性，邊界比較清楚的地形單元，氣候、土壤和植被具有明顯的梯度變化。從東南到西北大約600km的范圍內，氣候由半濕潤、半干旱逐步過渡到干旱區，年降水量由700mm逐步減少到200mm，而且黃土高原中部600，500，400，300和200mm降水等值線幾乎平行，土壤質地逐步變粗，依次分布有重壤土、中壤土、輕壤土和沙土，質地分界明顯；與氣候和土壤質地的梯度變化相適應，植被分布類型也呈現明顯的漸變規律，從東南到西北主要的植被類型有闊葉林、灌叢、草原和荒漠草原4種。在700～200mm降水梯度帶內，植物生長的水熱條件逐漸變差，生態系統對氣候變化和人類活動的敏感性逐步增強。國內已有學者利用遙感方法研究植被動態。孫睿等［1］利用8km×8km分辨率NOAA／AVHRR NDVI（歸一化植被指數）數據分析了1982—1999年黃河流域植被覆蓋度變化與降水的關系，發現該時段內降水對森林植被區和農作區的覆蓋度影響小，對草原區植被覆蓋度的影響大；李存珍等［2］同樣利用 NOAA／AVHRR NDVI數據和一元線性趨勢方法，分析了西北地區植被覆蓋度的變化，發現1982—2003年間植被蓋度有退化特征；夏露等［3］基于SPOT4數據以NDVI變化率和年均NDVI值作為指標，研究發現1998—2001年黃土高原植被覆蓋有所減少，2001年后植被覆蓋面積呈增加趨勢。但是NOAA／AVHRR NDVI和SPOT影像分辨率太小，在地形起伏變化較大的黃土高原地區較難準確獲得植被覆蓋度在退耕還林草前后的變化。本研究基于黃土高原中部降水梯度帶植被變化對該區生態環境變化的指示作用，利用MODIS／NDVI的像元二分模型對黃土高原中部降水梯度帶2000—2010年的植被覆蓋度進行估算，并利用綠度變化率和時間序列分析方法確定植被覆蓋度的時間變化趨勢和影響因素，分析植被覆蓋度（Fc）的空間分布特征、時間演變趨勢及其對降水變化和退耕還林草工程的響應，以期為揭示黃土高原生態環境的現狀和演變態勢以及正確評價生態工程的環境效應提供理論依據。

1 研究區概況

本研究所選擇的黃土高原中部降水梯度帶東起洛陽，西至白銀，南靠秦嶺，北抵賀蘭山，涉及陜西、甘肅、寧夏、河南4省區，面積約2.0×105km2，海拔約300～1 500m，地理坐標介于北緯34°61′—39°02′，東經104°71′—112°45′之間。年均氣溫8～14℃，該區年均降水量200～700mm，干燥指數1.5～6.0。該降水梯度帶包含了黃土高原所有植被、土壤和氣候類型，具有典型代表性。為了更直觀反映研究區植被覆蓋的空間分布特征和變化規律，利用350和500mm降水等值線，將研究區域分為東南（陜西黃土高原地區）、中部（六盤山區）和西北（寧夏平原區）3個亞區，分別代表半濕潤區人工喬灌林適生區、半干旱區人工灌喬林適生區和干旱區人工灌林適生區［4］。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

利用的數據包括：（1）2000—2010年NASA提供的研究區MODIS／Terra NDVI產品（MOD13Q1，http：／／wist.echo.nasa.gov），時間分辨率為16d，空間分辨率為250m×250m；（2）2000—2010年梯度帶內所有氣象站點的資料，包括年均降水量、海拔、溫度等（http：／／cdc.cma.gov.cn）；（3）黃土高原土地利用圖和植被類型圖（http：／／www.geodata.cn）。使用MODIS Reprojection Tool（MRT）軟件對 MODIS數據進行拼接、裁切、投影轉換等處理，投影方式為Albers等積投影。

黃土高原地區年NDVI變化較大，利用年內12個月NDVI平均值作為年NDVI值會存在較大誤差。使用最大值合成法（MVC）提取每旬的最大NDVI值，可消除云、大氣、太陽高度角等方面的部分干擾［5］。利用MVC方法將全年23期NDVI數據進行合成，獲取質量可靠的NDVI數據集［6］。利用GIS并結合各氣象站點的經緯度信息對降雨數據進行Kriging插值，獲取象元大小與NDVI數據一致、投影面積相同的氣象要素柵格圖。使用SPSS軟件分析植被覆蓋度與氣象數據的相關性。

2.2 植被覆蓋度分析

2.2.1 植被覆蓋度估算 利用基于NDVI的像元二分模型估算植被覆蓋度。像元二分模型假設遙感傳感器觀測到的一個像元信息S是由植被Sv和裸地Ss兩部分組成，則有：

有植被覆蓋的面積比例為Fc，即該像元的植被覆蓋度，裸地的面積比例則為1－Fc。則混合像元各部分信息可由公式（2）—（3）計算：

式中：Sveg——全由植被覆蓋的像元信息；Ssoil——全部為裸地的像元信息。將公式（2）—（3）代入公式（1）后可得植被覆蓋度的計算公式：

根據像元二分模型原理，一個像元的NDVI值也可以分為植被覆蓋和裸地兩部分。因此，計算植被覆蓋度的公式也可表示為［7］：

式中，NDVIsoil——裸地像元的NDVI值；NDVIveg——完全被植被所覆蓋像元的值。

當獲取研究區、土地利用和土壤等基本信息后，計算圖像中每個像元集合的NDVI累積頻率曲線，分別將累積頻率為0.5%和95%的NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg，再利用公式（5）分別計算各像元的植被覆蓋度。

2.2.2 植被覆蓋度動態變化 采用綠度變化率（GRC）［8－15］采 表 征 研 究 區 植 被 變 化 的 時 間 趨 勢（2000—2010年）。GRC采用公式（6）計算：

式中：n——監測年數；y——第j年的植被覆蓋度。GRC的大小和正負號可反映研究區2000—2010年植被覆蓋度的變化趨勢及變化幅度。斜率為正，表明植被覆蓋度增加，反之則減少；斜率絕對值越大，植被覆蓋度變化的幅度越大，反之則小。

3 結果分析

3.1 研究區2000－2010年平均植被覆蓋度的空間

格局

附圖11為研究區2000—2010年平均植被覆蓋度空間分布狀況。由附圖11可以看出，研究區多年平均植被覆蓋度變化范圍為32.6%～65.3%，平均值是60.8%。平均植被蓋度在空間分布上呈現東南部高西北部低的總趨勢，究其原因主要是水熱條件從東南部向西北逐漸減少所致。3個亞區11a的平均植被覆蓋度分別為：東南部地區82.6%，中部地區71.8%，西北部地區最低，僅38.6%。這種空間分布格局與水熱條件的變化趨勢一致。表1為3個亞區和全區2000—2010年平均植被覆蓋度。由表1可以看出，研究區2000—2010年植被覆蓋度總體呈現波動上升趨勢。2000—2003年研究區植被覆蓋度迅速增長，增幅為5.6%；2004—2006年研究區植被覆蓋度穩定在60%左右；2007—2010年研究區植被覆蓋度變化有所起伏，平均為63.6%。對2000年和2010年植被覆蓋度的空間差異進行了比較分析（附圖12）。由附圖12可得，植被覆蓋度高的區域（深藍）面積明顯增加，植被覆蓋度低的區域（紅色）面積明顯減少。研究區年均植被覆蓋度由2000年的54.8%增加至2010年的63.0%。

3.2 黃土高原中部降水梯度帶植被覆蓋度動態分析

為分析研究區植被覆蓋度的動態變化情況，先利用2000—2010年MODIS影像估算年植被覆蓋度，然后由公式（6）計算GRC值，得出植被覆蓋度的變化趨勢，斜率值為正，表示植被覆蓋度增加；斜率值為負，表植被覆蓋度降低。由分析結果可知，GRC增加的區域主要分布在黃土溝壑區塬面和六盤山地區；降低的區域主要集中在西安、洛陽和銀川市等大中型城市；沒有變化的區域主要是區內農耕地和林地。同時發現，植被覆蓋度小于50%的地域面積在不斷的減少。其中，植被覆蓋度為10%區域減少了34.3km2，主要分布在寧夏地區黃河北部臨近烏蘭布和沙漠地帶；植被覆蓋度為20%～40%區域減少了2.1×104km2，主要集中在寧夏平原以南中溫帶半荒漠地區；植被覆蓋度為40%～50%的面積減少8 000km2，主要分布在寧夏地區南部。主要原因是退耕還林草工程導致林草植被面積增加。同時植被覆蓋度大于50%的面積在增加，其中植被覆蓋度為60%～80%區域約增加1.0×104km2，主要集中在陜西省黃土溝壑區塬面地區；植被覆蓋度為90%～100%區域面積增加1.0×104km2，主要位于六盤山自然保護區。而個別地方植被也呈現出植被覆蓋度下降的現象，下降區域主要集中在大中型城市，主要原因是城鎮化的快速發展。例如，西安市1997年設立臨潼區，2002年設立長安區，至2014年成立西咸新區，城市建設導致其植被覆蓋度大幅度降低。

表1 黃土高原中部降水梯度帶在2000－2010年平均植被覆蓋度

3.3 植被覆蓋度變化原因分析

表1可看出，3個區域和全區的平均植被覆蓋度都是在2007年達到最大值，隨后有所下降。促使植被覆蓋度變化的主要因素有氣候波動和人類活動的影響。黃土高原地區屬溫帶季風性氣候，降水和蒸發是影響植被覆蓋的主要氣候因子?？紤]該區氣候變化的特點，本研究選擇植被生長季4—8月的降水量、氣溫，分析氣候因子對植被覆蓋度的影響。通過對4—8月降雨量、平均氣溫與當年植被覆蓋度進行Pearson相關分析（表2），發現研究區植被蓋度與4—8月降雨量、平均氣溫都呈現出有很好的正相關關系，但與總降水量的平均相關系數大于和同期平均溫度的相關系數。降水量、平均溫度與植被覆蓋度的相關系數在不同年份呈現不同的變化趨勢，后6a的相關系數明顯大于前5a，分析其原因應該與1999年后實施的退耕還林草工程有關。2006年以前，是研究區退耕還林草工程的起步階段，由于人類活動的干預降低了水熱條件對植被覆蓋度的決定作用，表現為降水與植被蓋度之間的相關系數低，且年際間的差異大。2006年后，隨退耕面積的增大，退耕還林草工程進入相對穩定階段，人類活動的干預降低，水熱條件對植被覆蓋度的影響提高，相互間的相關系數變大。

表2 黃土高原降水梯度帶2000－2010年植被覆蓋度與當年4－8月降水量、平均氣溫的相關系數

4 結論

（1）植被覆蓋度在空間上呈現從東南向西北逐漸降低的趨勢。東南部地區植被覆蓋度可達82.6%，中部地區達71.8%，西北部接近荒漠地區植被覆蓋度偏低，僅為38.6%。

（2）植被覆蓋度在時間上存在整體上升的趨勢，2000年植被覆蓋度為54.8%，2003年上升至61.3%，2007年達到最大值65.3%。

（3）退耕還林草工程和氣候因子是研究區植被覆蓋度變化的主要原因，在氣候因子中，4—8月總降水量與植被覆蓋度的正相關系數大于與同期平均氣溫的相關系數。2006年前退耕還林草工程的實施對該區植被覆蓋度的提高具有顯著貢獻，2007年后水熱條件對研究區植被覆蓋度的影響作用增強。

［1］ 孫睿，劉昌明，朱啟疆.黃河流域植被覆蓋度動態變化與降水的關系［J］.地理學報.2001，56（6）：667－672.

［2］ 李存珍，馬明國，張峰，等.1982—2003年中國西北地區植被動態變化格局分析［J］.遙感技術與應用，2006，21（4）：332－337.

［3］ 夏露，劉詠梅，柯長青.基于SPOT4數據的黃土高原植被動態變化研究［J］.遙感技術與應用，2008，23（1）：67－71.

［4］ 楊文治，馬玉璽，韓仕峰，等.黃土高原地區造林土壤水分生態分區研究［J］.水土保持通報.1994，8（1）：1－9.

［5］ 樸世龍，方精云.最近18年中國植被覆蓋的動態變化［J］.第四紀研究，2001，21（4）：294－302.

［6］ 李海亮.基于MODIS數據的石羊河流域植被覆蓋時空變化研究［D］.甘肅 蘭州：西北師范大學，2009.

［7］ 趙英時.遙感應用分析原理與方法［M］.北京：科學出版社，2003：1387－398.

［8］ Stow D A，Hope A，Mc Guire D.Remote sensing of vegetation and land－cover change in Arctic Tundra ecosystems［J］.Remote Sensing of Environment，2004，89（3）：281－308.

［9］ 陳云浩，李曉兵，史培軍，等.北京海淀區植被覆蓋的遙感動態研究［J］.植物生態學報，2001，25（5）：588－593.

［10］ 陳濤，李平湘，張良培.武漢地區1988—2002年植被覆蓋度變化動態分析［J］.遙感技術與應用，2008，5（23）：511－516.

［11］ 何彬方，馮妍，吳文玉，等.安徽省十年植被指數時空變化特征［J］.生態學雜志，2010，29（10）：1912－1918.

［12］ 李苗苗.植被覆蓋度的遙感估算方法研究［D］.北京：中國科學院，2003.

［13］ 吳云，曾源，趙炎，等.基于MODIS數據的海河流域植被覆蓋度估算及動態變化分析［J］.資源科學，2010，32（7）：1417－1423.

［14］ 宋富強，邢開雄，劉陽，等.基于 MODIS／NDVI的陜北地區植被覆蓋動態監測與評價［J］.生態學報，2011，31（2）：354－363.

［15］ 苗正紅，劉志明，王宗明，等.基于 MODIS NDVI的吉林省植被覆蓋度動態遙感監測［J］.遙感技術與應用，2010，25（3）：387－393.

Dynamical Change of Fractional Vegetation Cover in Central Precipitation Gradient Zone of Loess Plateau

LI Xing－xian1，2，LIAN Jin－jiao1，2，HUANG Ming－bin2
（1.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau，Yangling，Shaanxi 712100，China）

Soil water condition for vegetative growth in Loess Plateau presents a gradient change from Southeast to Northwest.Quantitative analyses of spatial distribution and temporal change of fractional vegetative cover（Fc）can offer an important indication for evaluating the regional environmental changes after the implementation of returning farming land to forestry and grass land.The MODIS／NDVI images with 250m×250 m spatial resolution were used as the data source to estimate Fcin the central precipitation gradient zone of Loess Plateau based on a dimidiate pixel method，and the spatial distribution and temporal change of Fcwere obtained for the period from 2000to 2010.The spatial characteristics and temporal trend of Fcwere analyzed，while the relationships of Fcwith climatic factors were discussed.Results showed that：（1）The Fcin the studied zone presented a decreasing trend from southeast to northwest.The maximumFcvalue in southeastern region was 82.6%and the minimumFcvalue in northwestern desert was only 38.6%；（2）The average Fcvalue in the studied zone appeared an increasing trend from 2000to 2010due to implementation of the project of returning farming land to forestry or grass land.The maximum average Fcvalue of 65.3%occurred in 2007because of the maximum annual precipitation during the studied period；（3）The Fcvalue in the studied zone was affected by the precipitation and the temperature during the period of April to August in each year，the regression analyses of time series proved a significantly positive correlation between Fcand total precipitation and between Fcand average temperature.

fractional vegetation cover；NDVI；dynamic change；the Loess Plateau

A

1000－288X（2014）02－0272－04

Q948.156，TP79

10.13961/j.cnki.stbctb.2014.02.056

2014－01－24

2014－02－03

國家自然科學基金項目“黃土高原降水梯度帶生態水文過程演變與最佳植被蓋度研究”（41171186）

李杏鮮（1987—），女（仫佬族），廣西自治區玉林市人，碩士研究生，研究方向為生態水文。E－mail：xingxianli2012＠nwsuaf.edu.cn。

黃明斌（1968—），男（漢族），湖北省鐘祥市人，研究員，博士生導師，主要從事生態水文和土壤物理研究。E－mail：hmbd＠nwsuaf.edu.cn。