陕北地区退耕还林十年植被恢复变化分析:以子长县为例

杨亚娟，刘政鸿

(1.黄河上中游管理局，陕西 西安710021;2.陕西省水土保持局，陕西 西安710004)

黄土高原是中国生态环境最为脆弱的地区之一，黄土高原的生态恢复和环境治理是一项长期而艰巨的任务。1999年起实施的退耕还林工程成为恢复植被、改善生态环境的重要手段［1］。曹世雄［2］研究表明，陕北地区1999年到2005年植被覆盖率呈逐步上升趋势。

子长县作为全国退耕还林示范县，自1999年实施退耕还林以来植被恢复状况明显好转，林地面积、植被覆盖度均有明显提高，获得了较为明显的生态和经济效益。本研究利用遥感影像，分析退耕还林实施以来全县植被的覆盖度变化、主要植被变化以及生态环境质量变化，旨在为陕北地区退耕还林成果巩固及进一步提出有针对性的生态环境治理措施提供参考。

1 研究区概况

子长县位于陕西省延安市北部，地处黄土高原腹地，清涧河上游，北依横山，东接子洲、清涧，南连延川、延安市区，西邻安塞、靖边，地理位置为东经109°11'58″—110°01'22″、北纬 36°59'30″—37°30'00″，地势由西北向东南倾斜，海拔930—1562 m，全年平均气温9.1℃，年均降水量514 mm。全县东西长72 km，南北宽55.70 km，面积2405 km2，下辖 13 个乡(镇)，人口27万(2010年)。子长县1999年开始实施退耕还林，2000年被列为全国退耕还林示范县。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究采用了成像时间分别为2000年6月29日和2010年8月28日的两景Landsat－7 ETM+遥感影像(127/34)，子长县行政区划图，1∶30万的地形图，2000年和2008年子长县土地利用现状图。

2.2 数据处理

借助ArcGIS和ERDAS软件平台对遥感影像进行校正、影像增强、影像融合处理、影像裁剪，并对遥感影像进行反射率转换。植被指数的计算需要使用遥感影像的反射率，从影像上直接读取灰度值进行计算是不严密和不精确的［3］，因此在进行计算前需利用ERDAS的反射率变换模块对所进行的两个波段进行反射率变换。

2.3 植被覆盖度的计算

植被覆盖度是地表植被覆盖情况的直接反映。植被覆盖度及其变化信息对于分析评价区域生态环境具有重要的现实意义［4－5］，其计算公式为

式中:fv为植被覆盖度;NDVI为归一化植被指数;NDVIs为无植被覆盖像元的NDVI值;NDVIg为植被覆盖像元的NDVI值。

为便于计算和显示，对公式(1)计算结果进行线性拉伸，即 fv×255。

2.4 植被类型变化提取

借助ERDAS软件对2000年和2010年子长县遥感影像进行分类，分类过程参照子长县2000年和2008年的土地利用现状图，从中提取主要植被变化情况。

2.5 区域生态环境指数计算

退耕还林工程首要追求的是生态环境效益［6－7］，因此引入区域生态环境指数这一指标，以定量测度子长县2000—2010年全县生态环境整体变化情况。区域生态环境指数是综合考虑区域内各土地利用类型所具有的生态环境质量及面积比例，以定量表征某一区域(县级行政单位)生态环境的总体质量状况的指标［8］，其表达式为

式中:EVt为该区域内t时期生态环境指数;LUi为该区域内t时期第i种土地利用类型所具有的面积;Ci为该区域内t时期第i种土地利用类型的生态环境指数;TA为研究区域总面积;n为区域内所有土地利用类型的数量。

在对公式(2)计算之前，首先要对各土地利用类型所具有的生态环境指数进行赋值，也就是得到Ci值。本研究参照李晓文等人［9］的研究方法，基于专家评分和层次分析对各个土地利用类型所具有的生态环境质量进行模糊赋值，结果见表1。

表1 土地利用类型及生态环境指数赋值

3 结果分析

3.1 植被覆盖度变化分析

参考土壤侵蚀强度分级中对植被盖度分级的方法，并结合研究区域实际情况，将植被盖度进行密度分割:像元灰度值在191～250间为优等盖度，156～190为良等盖度，139～155为中等盖度，129～138为差等盖度，128以下为劣等盖度。根据上述分级方法进行面积统计，结果见表2。

表2 子长县2000年和2010年植被盖度对比

从表2可看出，2000—2010年间子长县境内植被盖度发生了明显变化:2000年子长县全境39.78%为劣等盖度，41.52%为差等盖度，劣等和差等盖度面积超过总面积的80%，中等盖度只占16.24%;到2010年，劣等和差等盖度面积占总面积的比例不到11%，中等盖度较2000年增加了近1倍，盖度面积变化最大的为良等盖度，由2000年的2.30%增加到51.30%。整体来看，10年间子长县植被盖度由劣等和差等向中等和良等转变。

变化量只能整体衡量变化情况。无法说明各个变量之间的变化情况，为了定量描述各盖度级别的转移状况，运用ArcGIS的空间分析模块对两期盖度图进行运算，得到2000—2010年各个植被盖度等级的面积转移矩阵，结果见表3。由表3可知:劣等盖度输出明显，转出915.64 km2，占总面积的38.07%，主要转出为中等和良等;差等盖度转出 916.08 km2，占总面积的38.09%，同样主要转出为中等和良等。这说明在2000—2010年间子长县全境植被覆盖有明显的好转，植被覆盖状况由之前的劣等和差等转为中等和良等盖度，表明退耕还林的实施对子长县植被恢复起到了显著效果。

表3 2000—2010年各植被盖度等级面积转移矩阵 km2

3.2 植被类型变化分析

通过对遥感影像分类结果进行统计，得到子长县2000年和2010年各个土地利用类型的面积及其占总面积比例、变化值，见表4。从表4看出:2000—2010年间子长县各土地利用类型变化最大的为林地，其面积大幅度增长，由 252.50 km2增加到 823.11 km2，增加570.61 km2;草地面积减少幅度最大，由占总面积的69.40%减少到48.28%，这是因为2000年的草地面积统计中，多数为低等盖度的草地，随着退耕还林的实施，低等盖度的草地被改造，大部分转向林地和高盖度的草地，所以总草地面积有所下降;耕地面积变化较小。

3.3 生态环境质量变化分析

通过公式(2)计算得到子长县2000年和2010年的生态环境质量指数分别为0.4484和0.5012，10年生态环境质量指数上升了0.0528，说明退耕还林的实施对于子长县生态环境的整体质量起到了改善作用，退耕还林的生态效益基本达到。

表4 子长县2000—2010年主要植被面积变化

4 结论

通过分析子长县植被恢复情况，得到以下结论:

(1)2000年到2010年子长县植被恢复效果显著。2000年植被盖度中的劣等和差等盖度面积占全县总面积的81.31%，到2010年植被盖度中的劣等和差等盖度面积占总面积的10.88%，劣等和差等盖度面积大幅度减少。

(2)植被类型变化差异较大，林地面积比例从10.50%上升到34.22%，草地面积比例从69.40%减少到48.28%，耕地面积比例从16.35%减少到13.74%。

(3)生态环境质量指数10年间上升了0.0528，退耕还林对子长县生态环境的整体改善效果显著。

本研究主要使用两景ETM+遥感数据分析了子长县2000—2010年的植被恢复状况，由于所用遥感数据分辨率的限制，因此本研究只解译了一级土地利用类型变化。在今后的研究中，若采用更高分辨率的遥感影像，将可以更加准确、客观地评价植被恢复动态，对进一步深入分析植被恢复状况有很大帮助。

［1］许智超，张岩，刘宪春，等.半干旱黄土区退耕还林十年植被恢复变化分析——以陕西吴起县为例［J］.生态环境学报，2011，20(1):91 －96.

［2］Wang C，Ouyang H，Maclaren V，et al.Evaluation of the economic and environmental impact of converting cropland to forest:A case study in Dunhua County，China［J］.Journal of Environmental Management，2007，85(3):746 －756.

［3］孙智辉，刘志超，雷延鹏，等.延安北部丘陵沟壑区植被指数变化及其与气候的关系［J］.生态学报，2010，30(2):533－540.

［4］牛宝茹，刘俊蓉，王政伟.干旱半干旱地区植被覆盖度遥感信息提取研究［J］.武汉大学学报，2005，30(1):27 －30.

［5］李苗苗，吴炳方，颜长珍，等.密云水库上游植被覆盖度的遥感估算［J］.资源科学，2004，26(4):153 －159.

［6］杨述河，闫海利，郭丽英.北方农牧交错带土地利用变化及其生态环境效应——以陕北榆林市为例［J］.地理科学进展，2004，23(6):49 －55.

［7］朱战强，刘黎明，张军连.退耕还林对宁南黄土丘陵区景观格局的影响——以中庄村典型小流域为例［J］.生态学报，2010，30(1):146 －154.

［8］刘二伟，赵艺学.山西省西山地区退耕还林效益评价［J］.水土保持通报，2011，31(3):184 －189.

［9］李晓文，方创琳，黄金川，等.西北干旱区城市土地利用变化及其区域生态环境效应——以甘肃河西地区为例［J］.第四纪研究，2003，23(3):280 －289.