黄土高原中部降水梯度带植被覆盖度动态变化特征

李杏鲜，连晋姣，黄明斌

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

黄土高原中部降水梯度带植被覆盖度动态变化特征

李杏鲜1，2，连晋姣1，2，黄明斌2

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

黄土高原植被生长的水分环境从东南向西北呈现明显的梯度变化，定量分析各降水梯度带植被覆盖度空间分布特征和演变趋势，对正确评价退耕还林草工程的生态效应具有重要意义。选择一条垂直于降水梯度变化的样带，利用MODIS／NDVI数据，基于像元二分模型获取了研究区2000—2010年植被覆盖度空间分布特征，采用斜率法和相关系数法分析了植被覆盖度的变化趋势和影响因素。结果表明：（1）研究区植被覆盖度在空间分布上由东南向西北降低，东南部地区植被覆盖度达82.6%，北部荒漠地区仅为38.6%；（2）由于退耕还林草工程的实施，该区11a间植被覆盖度整体呈现上升趋势，其中2007年植被覆盖度值最高，为65.3%，与降水年际变化趋势一致；（3）研究区植被覆盖度主要受当年4—8月降雨量和气温影响，时间序列具有显著相关性。

植被覆盖度；NDVI；动态变化；黄土高原

黄土高原是一个具有完整生态属性，边界比较清楚的地形单元，气候、土壤和植被具有明显的梯度变化。从东南到西北大约600km的范围内，气候由半湿润、半干旱逐步过渡到干旱区，年降水量由700mm逐步减少到200mm，而且黄土高原中部600，500，400，300和200mm降水等值线几乎平行，土壤质地逐步变粗，依次分布有重壤土、中壤土、轻壤土和沙土，质地分界明显；与气候和土壤质地的梯度变化相适应，植被分布类型也呈现明显的渐变规律，从东南到西北主要的植被类型有阔叶林、灌丛、草原和荒漠草原4种。在700～200mm降水梯度带内，植物生长的水热条件逐渐变差，生态系统对气候变化和人类活动的敏感性逐步增强。国内已有学者利用遥感方法研究植被动态。孙睿等［1］利用8km×8km分辨率NOAA／AVHRR NDVI（归一化植被指数）数据分析了1982—1999年黄河流域植被覆盖度变化与降水的关系，发现该时段内降水对森林植被区和农作区的覆盖度影响小，对草原区植被覆盖度的影响大；李存珍等［2］同样利用 NOAA／AVHRR NDVI数据和一元线性趋势方法，分析了西北地区植被覆盖度的变化，发现1982—2003年间植被盖度有退化特征；夏露等［3］基于SPOT4数据以NDVI变化率和年均NDVI值作为指标，研究发现1998—2001年黄土高原植被覆盖有所减少，2001年后植被覆盖面积呈增加趋势。但是NOAA／AVHRR NDVI和SPOT影像分辨率太小，在地形起伏变化较大的黄土高原地区较难准确获得植被覆盖度在退耕还林草前后的变化。本研究基于黄土高原中部降水梯度带植被变化对该区生态环境变化的指示作用，利用MODIS／NDVI的像元二分模型对黄土高原中部降水梯度带2000—2010年的植被覆盖度进行估算，并利用绿度变化率和时间序列分析方法确定植被覆盖度的时间变化趋势和影响因素，分析植被覆盖度（Fc）的空间分布特征、时间演变趋势及其对降水变化和退耕还林草工程的响应，以期为揭示黄土高原生态环境的现状和演变态势以及正确评价生态工程的环境效应提供理论依据。

1 研究区概况

本研究所选择的黄土高原中部降水梯度带东起洛阳，西至白银，南靠秦岭，北抵贺兰山，涉及陕西、甘肃、宁夏、河南4省区，面积约2.0×105km2，海拔约300～1 500m，地理坐标介于北纬34°61′—39°02′，东经104°71′—112°45′之间。年均气温8～14℃，该区年均降水量200～700mm，干燥指数1.5～6.0。该降水梯度带包含了黄土高原所有植被、土壤和气候类型，具有典型代表性。为了更直观反映研究区植被覆盖的空间分布特征和变化规律，利用350和500mm降水等值线，将研究区域分为东南（陕西黄土高原地区）、中部（六盘山区）和西北（宁夏平原区）3个亚区，分别代表半湿润区人工乔灌林适生区、半干旱区人工灌乔林适生区和干旱区人工灌林适生区［4］。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

利用的数据包括：（1）2000—2010年NASA提供的研究区MODIS／Terra NDVI产品（MOD13Q1，http：／／wist.echo.nasa.gov），时间分辨率为16d，空间分辨率为250m×250m；（2）2000—2010年梯度带内所有气象站点的资料，包括年均降水量、海拔、温度等（http：／／cdc.cma.gov.cn）；（3）黄土高原土地利用图和植被类型图（http：／／www.geodata.cn）。使用MODIS Reprojection Tool（MRT）软件对 MODIS数据进行拼接、裁切、投影转换等处理，投影方式为Albers等积投影。

黄土高原地区年NDVI变化较大，利用年内12个月NDVI平均值作为年NDVI值会存在较大误差。使用最大值合成法（MVC）提取每旬的最大NDVI值，可消除云、大气、太阳高度角等方面的部分干扰［5］。利用MVC方法将全年23期NDVI数据进行合成，获取质量可靠的NDVI数据集［6］。利用GIS并结合各气象站点的经纬度信息对降雨数据进行Kriging插值，获取象元大小与NDVI数据一致、投影面积相同的气象要素栅格图。使用SPSS软件分析植被覆盖度与气象数据的相关性。

2.2 植被覆盖度分析

2.2.1 植被覆盖度估算 利用基于NDVI的像元二分模型估算植被覆盖度。像元二分模型假设遥感传感器观测到的一个像元信息S是由植被Sv和裸地Ss两部分组成，则有：

有植被覆盖的面积比例为Fc，即该像元的植被覆盖度，裸地的面积比例则为1－Fc。则混合像元各部分信息可由公式（2）—（3）计算：

式中：Sveg——全由植被覆盖的像元信息；Ssoil——全部为裸地的像元信息。将公式（2）—（3）代入公式（1）后可得植被覆盖度的计算公式：

根据像元二分模型原理，一个像元的NDVI值也可以分为植被覆盖和裸地两部分。因此，计算植被覆盖度的公式也可表示为［7］：

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

当获取研究区、土地利用和土壤等基本信息后，计算图像中每个像元集合的NDVI累积频率曲线，分别将累积频率为0.5%和95%的NDVI值作为NDVIsoil和NDVIveg，再利用公式（5）分别计算各像元的植被覆盖度。

2.2.2 植被覆盖度动态变化 采用绿度变化率（GRC）［8－15］采 表 征 研 究 区 植 被 变 化 的 时 间 趋 势（2000—2010年）。GRC采用公式（6）计算：

式中：n——监测年数；y——第j年的植被覆盖度。GRC的大小和正负号可反映研究区2000—2010年植被覆盖度的变化趋势及变化幅度。斜率为正，表明植被覆盖度增加，反之则减少；斜率绝对值越大，植被覆盖度变化的幅度越大，反之则小。

3 结果分析

3.1 研究区2000－2010年平均植被覆盖度的空间

格局

附图11为研究区2000—2010年平均植被覆盖度空间分布状况。由附图11可以看出，研究区多年平均植被覆盖度变化范围为32.6%～65.3%，平均值是60.8%。平均植被盖度在空间分布上呈现东南部高西北部低的总趋势，究其原因主要是水热条件从东南部向西北逐渐减少所致。3个亚区11a的平均植被覆盖度分别为：东南部地区82.6%，中部地区71.8%，西北部地区最低，仅38.6%。这种空间分布格局与水热条件的变化趋势一致。表1为3个亚区和全区2000—2010年平均植被覆盖度。由表1可以看出，研究区2000—2010年植被覆盖度总体呈现波动上升趋势。2000—2003年研究区植被覆盖度迅速增长，增幅为5.6%；2004—2006年研究区植被覆盖度稳定在60%左右；2007—2010年研究区植被覆盖度变化有所起伏，平均为63.6%。对2000年和2010年植被覆盖度的空间差异进行了比较分析（附图12）。由附图12可得，植被覆盖度高的区域（深蓝）面积明显增加，植被覆盖度低的区域（红色）面积明显减少。研究区年均植被覆盖度由2000年的54.8%增加至2010年的63.0%。

3.2 黄土高原中部降水梯度带植被覆盖度动态分析

为分析研究区植被覆盖度的动态变化情况，先利用2000—2010年MODIS影像估算年植被覆盖度，然后由公式（6）计算GRC值，得出植被覆盖度的变化趋势，斜率值为正，表示植被覆盖度增加；斜率值为负，表植被覆盖度降低。由分析结果可知，GRC增加的区域主要分布在黄土沟壑区塬面和六盘山地区；降低的区域主要集中在西安、洛阳和银川市等大中型城市；没有变化的区域主要是区内农耕地和林地。同时发现，植被覆盖度小于50%的地域面积在不断的减少。其中，植被覆盖度为10%区域减少了34.3km2，主要分布在宁夏地区黄河北部临近乌兰布和沙漠地带；植被覆盖度为20%～40%区域减少了2.1×104km2，主要集中在宁夏平原以南中温带半荒漠地区；植被覆盖度为40%～50%的面积减少8 000km2，主要分布在宁夏地区南部。主要原因是退耕还林草工程导致林草植被面积增加。同时植被覆盖度大于50%的面积在增加，其中植被覆盖度为60%～80%区域约增加1.0×104km2，主要集中在陕西省黄土沟壑区塬面地区；植被覆盖度为90%～100%区域面积增加1.0×104km2，主要位于六盘山自然保护区。而个别地方植被也呈现出植被覆盖度下降的现象，下降区域主要集中在大中型城市，主要原因是城镇化的快速发展。例如，西安市1997年设立临潼区，2002年设立长安区，至2014年成立西咸新区，城市建设导致其植被覆盖度大幅度降低。

表1 黄土高原中部降水梯度带在2000－2010年平均植被覆盖度

3.3 植被覆盖度变化原因分析

表1可看出，3个区域和全区的平均植被覆盖度都是在2007年达到最大值，随后有所下降。促使植被覆盖度变化的主要因素有气候波动和人类活动的影响。黄土高原地区属温带季风性气候，降水和蒸发是影响植被覆盖的主要气候因子。考虑该区气候变化的特点，本研究选择植被生长季4—8月的降水量、气温，分析气候因子对植被覆盖度的影响。通过对4—8月降雨量、平均气温与当年植被覆盖度进行Pearson相关分析（表2），发现研究区植被盖度与4—8月降雨量、平均气温都呈现出有很好的正相关关系，但与总降水量的平均相关系数大于和同期平均温度的相关系数。降水量、平均温度与植被覆盖度的相关系数在不同年份呈现不同的变化趋势，后6a的相关系数明显大于前5a，分析其原因应该与1999年后实施的退耕还林草工程有关。2006年以前，是研究区退耕还林草工程的起步阶段，由于人类活动的干预降低了水热条件对植被覆盖度的决定作用，表现为降水与植被盖度之间的相关系数低，且年际间的差异大。2006年后，随退耕面积的增大，退耕还林草工程进入相对稳定阶段，人类活动的干预降低，水热条件对植被覆盖度的影响提高，相互间的相关系数变大。

表2 黄土高原降水梯度带2000－2010年植被覆盖度与当年4－8月降水量、平均气温的相关系数

4 结论

（1）植被覆盖度在空间上呈现从东南向西北逐渐降低的趋势。东南部地区植被覆盖度可达82.6%，中部地区达71.8%，西北部接近荒漠地区植被覆盖度偏低，仅为38.6%。

（2）植被覆盖度在时间上存在整体上升的趋势，2000年植被覆盖度为54.8%，2003年上升至61.3%，2007年达到最大值65.3%。

（3）退耕还林草工程和气候因子是研究区植被覆盖度变化的主要原因，在气候因子中，4—8月总降水量与植被覆盖度的正相关系数大于与同期平均气温的相关系数。2006年前退耕还林草工程的实施对该区植被覆盖度的提高具有显著贡献，2007年后水热条件对研究区植被覆盖度的影响作用增强。

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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

国家自然科学基金项目“黄土高原降水梯度带生态水文过程演变与最佳植被盖度研究”（41171186）

李杏鲜（1987—），女（仫佬族），广西自治区玉林市人，硕士研究生，研究方向为生态水文。E－mail：xingxianli2012＠nwsuaf.edu.cn。

黄明斌（1968—），男（汉族），湖北省钟祥市人，研究员，博士生导师，主要从事生态水文和土壤物理研究。E－mail：hmbd＠nwsuaf.edu.cn。