陜西省榆林市植被生態演變及其驅動機制

馬 鋒, 卓 靜, 何慧娟, 韓姍姍

(1.榆林市氣象局, 陜西 榆林 719099; 2.陜西省農業遙感與經濟作物氣象服務中心,陜西 西安 710016; 3榆林市能源化工氣象服務重點實驗室, 陜西 榆林 719099)

植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標。植被覆蓋度不僅對區域生態系統環境變化有著重要指示作用[1]，也是生態、水文和氣候模型中的關鍵參數[2]。區域生態環境狀況一般通過植被覆蓋度來評價，植被覆蓋度變化能夠反映植被的生長態勢及其進行光合作用的強度[3]。歸一化植被指數(normalized difference vegetation index， NDVI)作為植被覆蓋度和生長狀況的最佳指示因子[4]，在沒有大的人為干擾和自然災害的情況下，能較好的代表一個區域隨溫度和水分變化的植被生長發育狀況。

榆林市位于陜西省最北部，南部是黃土高原丘陵溝壑區，北部是毛烏素沙地，生態環境復雜脆弱，土地可利用性和承載力較差；同時榆林還是陜西省乃至全國的能源化工基地，隨著榆林經濟的快速發展和能源化工基地建設，能源開發利用與生態環境承載力約束的矛盾日益突出。1999年開始，陜西省實施退耕還林等一系列生態環境恢復工程，恢復工程如何影響研究區植被覆蓋已經成為學者們研究的重點領域。涉及到研究區的已有研究結果表明，西北五省[5]、黃土高原地區[6-7]、陜西省[8]和陜北地區退耕還林區等[9-11]區域的植被覆蓋均有明顯改善的趨勢，顯著增加的區域主要分布在榆林至延安周邊；植被覆蓋度波動上升趨勢反映了氣候因素和人為因素交互作用的結果，其中降水和溫度對植被恢復起到了促進作用，以退耕和植樹造林為主的生態建設才是導致NDVI變化的主導因素。現有研究結果同時還表明：毛烏素沙地植被覆蓋度偏低，南部植被覆蓋度明顯高于北部區域；植被覆蓋度好轉趨勢明顯；沙地南部和東部地區植被覆蓋度變化速率大于中部和北部地區。毛烏素沙地增強植被指數(EVI)年最大值與降水呈正相關，與氣溫呈弱負相關；EVI年最小值與降水呈強正相關，與氣溫呈弱正相關。農作物種植面積的增加、大規模人工造林以及大牲畜規模的控制等人類活動有助于植被覆蓋度的提高[12-13]。2000—2013年榆林市植被的變化特征表現為NDVI年平均值呈上升趨勢，整體上植被覆蓋情況在逐漸變好。這是由于多年來開展生態環境保護的積極效果[14]。

綜合分析現有研究結果可以發現，現有的研究工作大多數集中在黃土高原和全省這些大范圍區域，缺少最新的專門針對陜西北部榆林市的專項植被生態恢復的專題研究，現有研究成果不能滿足該區域生態恢復工程成效評估，不能為相關政府決定提供詳細的支撐數據。因此，本文利用MODIS衛星植被指數產品，采用像元二分模型從NDVI反演植被覆蓋度，分析2000—2018年陜西北部生態脆弱區榆林市的植被生態變化情況，同時詳細分析了榆林市所轄區縣和南北不同區域的植被覆蓋度演化規律，并從自然和人類活動兩方面研究植被生態的驅動機制，對退耕還林和防沙治沙等生態建設工程的作用進行客觀評價，為政府后續資源開發利用、生態環境建設提供科學依據和支撐。

1 研究區概況

研究區榆林市位于陜西省最北部，西鄰甘肅、寧夏，北連內蒙古，東隔黃河與山西相望，南與陜西省延安市接壤，下轄2區(榆陽、橫山)、1市(神木)和9縣(見圖1)。地理位置北緯36°57′—39°35′，東經107°28′—111°15′，總面積約為4.40×104km2，約占陜西省21%。地貌大體以長城為分界線，北部風沙草灘區，占總面積的42%，南部黃土丘陵溝壑區，占總面積的58%，風蝕沙化和水土流失嚴重，是全國土地荒漠化和沙化危害嚴重地區之一。研究區屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，氣溫四季明顯，年降水量400 mm左右，氣象災害較多，每年都有不同程度的干旱、暴雨、冰雹、大風、沙塵和高溫等災害發生，立地條件較差，水土流失嚴重。

2 數據源與研究方法

2.1 數據源

數據來源主要有3大類：觀測資料、遙感圖像和統計數據。觀測數據主要來源于氣象部門各氣象站觀測數據，包括榆林市12個國家氣象站2000—2018年年降水量和年均氣溫數據，主要用于氣候背景分析及其與植被變化的相關性研究。遙感數據采用美國NASA LP DAAC 2000—2018年MODIS衛星250 m分辨率晴空資料16 d合成植被指數產品MOD13Q1，主要用于植被生態演化規律分析。統計數據采用的是榆林市退耕還林等生態恢復工程實施數據，來源于榆林市林草局，用于植被生態變化驅動機制分析研究。

圖1 研究區地理位置

2.2 研究方法

本文采用歸一化植被指數(NDVI)進行植被覆蓋度遙感估算，結合混合像元分解模型的像元二分法，構建定量估算植被覆蓋度模型，分析榆林市植被覆蓋度時空變化特征。

利用最大值合成法對各年NDVI進行最大值合成，來客觀反映一年中植被生長的最好狀況。混合像元的NDVI是兩部分植被指數值的加權平均和，權重為各部分在像元中的面積比例，表達式[8]為：

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

(1)

式中：NDVI為混合像元的植被指數值; NDVIveg為純植被像元的植被指數值; NDVIsoil為純土壤像元的植被指數值;C為植被覆蓋度。變換可得NDVIsoil變化范圍一般在-0.1～0.2之間，代表著純土壤像元的最小值，它應該是不隨時間改變。NDVIveg代表著純植被像元的最大值，理論值為1。在應用中，多數研究采用研究區域NDVI最大值和最小值，即NDVIveg=NDVImax，NDVIsoil=NDVImin。

按照李登科等人的研究成果，將研究區的植被覆蓋度分為11級，fveg=0%定義為無植被，其余每間隔10%分一級。把植被覆蓋度定義為3個等級，即低覆蓋度0%～30%，中覆蓋度30%～60%，高覆蓋度60%～100%。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度時空變化分析

研究區2000—2018年植被覆蓋度在波動中呈現極顯著增加趨勢(p<0.001。見表1，圖2)，平均每年增加速率1.47%/a。2018年全市植被覆蓋度46.1%，創21世紀以來最高值，較2000年增加34%，較2017年增加5.5%。近19 a全市植被覆蓋度平均值29.7%，有8 a高于平均值，主要集中在2009—2013，2016—2018年兩個時段。2014年和2015年植被覆蓋度出現低值區，主要原因為這兩個年份年降雨量的大幅減少。

表1 研究區及各區縣植被覆蓋度及其與時間相關性分析

圖2 2000-2018年研究區植被覆蓋度變化

附圖13—14(見封3)是研究區2000年與2018年植被覆蓋度的空間分布圖，從圖中可以看出，2000年榆林市植被覆蓋度整體較低，絕大多數地區數值集中在0%～20%這一區間；2018年植被覆蓋度整體大幅提高，全市范圍內黃色區域顯著減小，綠色區域明顯增大，植被覆蓋度基本集中在50%～60%這一區間；南部黃土高原丘陵溝壑區植被覆蓋度增加較北部風沙草灘區明顯。

詳細分析研究區內不同區域的植被覆蓋度變化數據，可以看出(見表1)：2000—2018年研究區所轄兩區一市九縣的植被覆蓋度均呈持續極顯著增加趨勢。2000年除綏德和米脂兩縣植被覆蓋度大于20%，其余各區縣均小于20%，其中橫山區及榆陽區甚至小于10%。2018年植被覆蓋度除榆陽區小于40%以外，其余各區縣均大于40%，米脂縣更是超過了60%。19 a間所轄各區縣中，吳堡縣增加最大，由11.4%增加至57.6%，增加了46.3%；佳縣次之，從12.4%增加至57.4%，增加了45%。就增加幅度而言，橫山區增加幅度最大，增幅高達754.4%，吳堡縣次之，增幅為406.4%。

北部風沙草灘區是中國4大沙地——毛烏素沙地南緣地帶，該區域位于中國北方半干旱區的農牧交錯帶，處于森林—草原—荒漠的生態應力帶上，是中國重要的生態屏障區，其生態環境具有較強的敏感性和脆弱性[14]。研究結果表明(見圖3)，2000—2018年該區域植被覆蓋度呈現極顯著增加趨勢(p<0.001)，2018年植被覆蓋度達38.03%，較2000年增加28.04%，年平均增加1.17%/a，增長較快的區域集中在定邊、靖邊、橫山及神木等市縣。

南部黃土丘陵溝壑區，風蝕沙化和水土流失嚴重，是全國土地荒漠化和沙化危害嚴重地區之一，也是退耕還林等生態恢復工程實施的重點區域。研究結果表明(見圖4)：2000—2018年該區域植被覆蓋度呈現極顯著增加趨勢(p<0.001)，2018年植被覆蓋度51.55%，較2000年增加38.10%，年平均增加1.66%/a，高于北部風沙草灘區的增速，增加區域主要集中在黃河沿岸吳堡、佳縣、綏德和米脂等縣。

圖3 風沙草灘區植被覆蓋度數據

圖4 黃土高原丘陵溝壑區植被覆蓋度數據

3.2 驅動機制分析

3.2.1 自然因素的影響分析 氣候要素是影響植被在地表分布的重要因素，分析氣候要素對植被覆蓋度時空分布格局變化的驅動作用，對預測未來情景下的植被覆蓋度具有重要意義[15]。本文將年降水量和年均氣溫作為主要氣候要素，分析其對植被覆蓋度時空格局變化的驅動作用。

根據氣象監測數據結果顯示(見圖5—6，表2)：2000—2018年研究區年降水量呈現很顯著上升趨勢，年降水量從294.7 mm增加至526.9 mm，增加232.2 mm，增幅78.8%，年均增速10.70 mm/a；研究時段內多年年均降水量為456.1 mm，高于30 a平均值(404.4 mm)；2017年降水量最多，為637.1 mm。年降水量和植被覆蓋度呈現極顯著正相關性，相關系數高達0.725。研究區年均氣溫呈現不顯著增加趨勢，年均溫度增加0.3 ℃，增幅2.8%，年均增速0.11 ℃/a。研究時段內多年平均氣溫為10.1 ℃，其中2001，2002，2006，2007，2013，2015—2018年9 a的年均氣溫高于平均值；2006年和2015年最高，為10.7 ℃，2012年最低，僅為9.2 ℃。年均氣溫與植被覆蓋度也呈現正相關性，但相關系數僅為0.027，未通過顯著性檢驗。

綜合分析以上結果，可以看出：在研究時段內，研究區的整體氣候條件表現為暖濕化，對于植被生長和植被恢復呈現利好趨勢，這一分析結論與現有研究結果[16]一致。

表2 氣象條件與時間和植被覆蓋度的相關性分析

圖5 2000-2018年研究區年平均降水量變化

圖6 2000-2018年研究區年均氣溫變化

3.2.2 人類活動的影響分析 退耕還林主要是把山高坡陡、水土流失嚴重、土地貧瘠、產量低的坡耕地實施退耕，而把土地平緩、土質肥沃的留作耕地。根據榆林市林草局統計數據顯示：1999年陜西榆林市開始實施退耕還林工程試點，2002年開始大面積實施退耕還林，截止2018年各級政府共完成全市退耕地還林223 966.7 hm2，宜林荒山荒地造林348 013.3 hm2，封山育林8 446.7 hm2。工程實施范圍涉及12個市區(縣)，166個鄉鎮(辦事處)，2 925個行政村，3.9萬戶，130萬人，退耕還林工程實施區生態環境得到了有效治理。

2003年，榆林市被列為毛烏素沙地防沙治沙綜合示范區，各級政府啟動實施了防沙治沙綜合示范區建設工程。16 a的時間里，研究區以加快區域生態環境改善為目標，在所轄兩區、一市和9縣范圍內開展防風治沙建設[17]，截至2018年營造防風固沙林、水土保持林、經濟林7 426.6 hm2，造林成活率、保存率均超過85%。通過防沙治沙示范區工程建設，使境內沙區573 333 hm2流沙全部得到治理。第五次荒漠化和沙化監測結果顯示：研究區沙化土地治理率93.24%，荒漠化土地面積比1999年減少314 666.6 hm2。沙區流沙全部得到固定和半固定，實現了區域性的荒漠化逆轉。因此，退耕還林和防沙治沙等生態工程的實施是2000年以來研究區植被覆蓋度顯著增加的主導因素。

4 結 論

(1) 2000—2018年研究區整體植被覆蓋度波動中呈現極顯著增加趨勢，平均每年增加速率1.47%；南部黃土高原丘陵溝壑區和北部風沙草灘區植被覆蓋度均呈現極顯著增加趨勢，南部年均增速高于北部地區。各區縣植被覆蓋度吳堡縣增加最大，增加了46.3%；佳縣次之，增加了45%。

(2) 2000—2018年榆林市年降水量呈現很顯著增加趨勢，而氣溫增加不明顯，整體氣候表現為暖濕化，有利于植被的恢復和生長。年降水量與植被覆蓋度呈現極顯著正相關，年均氣溫與植被覆蓋度顯著性不明顯。

(3) 生態恢復工程是榆林市植被生態改善的主要驅動機制，氣候條件起到了促進作用。實施退耕還林和防沙治沙示范工程以來，榆林市林木保存面積達到1 498 666 hm2，林木覆蓋率提升到34.8%，沙化土地治理率達93.24%，土地沙化和水土流失明顯減輕。