近40a河龙间西北片林草植被变化及其驱动力

马思远 刘晓燕 董国涛 高云飞

摘要：1999年以来黄河河龙区间西北片入黄沙量减少约94%，分析植被变化及其驱动力对科学认识该区来沙锐减原因具有重要意义。利用遥感调查数据，分析了该区1978-2017年林草植被变化程度和变化过程，并对这一时段植被变化的主要驱动力进行了研究。结果表明：过去40a该区植被一直处于不断改善的过程中，其中1998-2017年的贡献接近80%；2016年研究区林草地植被盖度平均达59.7%、区域林草覆盖率为48.8%，均约为 1978年的3倍；2000年以前，人类对林草植被的破坏是该区林草覆盖状况恶化的决定性因素；近十几年来，人类对植被的破坏很小，降雨是影响林草植被状况的关健因素。

关键词：植被；变化；驱动力；河龙区间；黄土高原

中图分类号：S714.7；TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.022

1 研究区概况

黄河河口镇至龙门区间西北片（简称河龙间西北片）属黄土高原水土流失最严重的地区，包括皇甫川、孤山川、窟野河和秃尾河等支流，涉及内蒙古和陕西两省（区）的准格尔、伊金霍洛、东胜、府谷、神木、佳县、榆阳等7个县（旗、区）[1]，总面积19 444km2。受人类活动干扰较少的1954-1979年研究区4条支流把口断面输沙量为2.47亿t/a，1999年以来人黄沙量急剧减少，较1954-1979年减少94%，引起人们高度关注。

研究区多年平均降水量390mm，其中4-9月降雨量344mm，地表土壤有黄绵土、风积沙、砒砂岩和沙砾石等多种类型，林草植被类型主要为草本植物和灌木。土地利用类型主要为植被盖度不同的灌草地，耕地面积占总面积的比例只有20%，主要分布在沿黄的黄土丘陵区和河川，其中梯田面积占总面积的比例不足1%[2]。

众所周知，土壤、地形和植被是决定区域水土流失程度的关键下垫面因素，其中植被是最活跃、最容易受人类干扰的因素。有关研究表明，20世纪80年代以来黄土高原地区气候变化趋势明显[3]；植被生長与气候变化具有密切的相关性，特别是在干旱半干旱地区，水资源是影响生态恢复和生态建设的根本因素[4]；张翀等认为，降水量增加促使黄土高原地区植被改善、干旱程度降低[5]；沈斌等指出，生长季内植被NDVI与同期气温和降水量均成高度正相关，时滞尺度为1个月，植被NDVI对月平均气温及降水响应最为强烈[6]；植被覆盖的时空变化与人类活动有密切的关系，它深刻反映了人类活动的过程[7-10]。不过，现有文献很少聚焦在河龙间西北片，且研究时段大多截至2010年前后，对河龙间西北片植被变化的原因也鲜见深入分析。鉴于研究区耕地不多、土地利用类型主要为灌草地的特点，本文对该区植被变化及其驱动力进行分析，为科学认识人黄泥沙锐减原因提供参考。

2 数据采集与处理

（1）植被数据。植被数据全部来源于卫星遥感影像，利用空间分辨率为30～56m的卫星遥感影像，结合地面样方调查，提取相关支流1978年、1998年、2016年的土地利用数据和林草地植被盖度数据[2]。为阐明流域林草植被覆盖状况，引入“林草覆盖率”概念，即林草叶茎正投影面积占易侵蚀区面积的比例，其中“易侵蚀区面积”指流域内剔除地面坡度小于30的河川地、平原区、建设用地、石山区后的山丘区土地面积，主要由不同植被盖度的林草地（荒草地）、坡耕地和梯田组成，该区域显然是入河泥沙的主要来源地。

利用卫星遥感影像，得到了研究区1981-2017年的植被归一化指数（NDVI）。NDVI是遥感影像的近红外波段和红外波段反射率的比值，它与植被长势、生物量、盖度和叶面积指数等有极强相关性，可以在相当程度上反映植被覆盖状况，且有逐年数据、能部分消除辐射条件变化对反演参数的影响[6]。研究采用的各年NDVI值均为年最大值，数据源为第三代GIMMS NDVI数据集（NDV13g，v1.0）。

（2）气象数据。降雨数据主要源自黄河水文年鉴，个别气象数据源自国家气象科学数据共享服务平台，气温数据全部源自国家气象科学数据共享服务平台。

（3）社会经济数据。利用1981-2016年《陕西区域统计年鉴》《榆林统计年鉴》《中国县（市）社会经济统计年鉴》《中国分县农村经济统计概要》和《神木县国民经济和社会发展统计公报》等，结合实地问卷调查，得到研究区国内生产总值（GDP）、总人口、农业人口和耕地面积等数据。

3 植被的时空变化分析

基于遥感影像提取的研究区3个典型年份的林草地植被盖度和林草覆盖率见表1。由表1可知，无论是林草地植被盖度还是流域的林草覆盖率，2016年的数值都达到1978年的3倍左右。1978年，研究区林草地植被盖度平均为20.0%，其中盖度≤30%的低盖度林草地面积占比高达90%；而在2016年，林草地植被盖度平均为59.7%，其中盖度≤30%的低盖度林草地面积占比只有1%、盖度≥50%的高盖度林草地面积占比约为78%。

图1为研究区1978年、2016年林草覆盖率空间格局，可以看出，1978年研究区林草覆盖率大都不足20%，其中窟野河中部和秃尾河上中游的风沙区甚至不足10%，而2016年大部分地区的林草覆盖率为40%～60%，只有降雨和土壤条件均较差的西北部、耕地面积占比大的秃尾河下游仍不足40%。事实上，秃尾河下游2016年林草地的植被盖度已超过60%，有些区域林草覆盖率不足40%的原因主要是耕地面积较大、林草地面积的占比较小。

由表1可知，近40 a研究区林草覆盖状况的巨大改善主要发生在1998年以后，前20a（1978-1998年）的改善幅度仅占1/4，这与1981-2017年研究区NDVI的变化过程（见图2）大体一致。由图2可以看出，研究区植被一直处于不断改善过程中，但2005年以前改善幅度不大，2006年以后改善幅度较大。土地利用情况分析表明[2]，研究区耕地不多，林草地面积占比20世纪70年代末为70%、2016年约为82%。因此，图2揭示的1981-2017年NDVI变化情况可以大体反映研究区林草植被覆盖变化情况。

研究区1978年以来的植被覆盖变化过程可大体划分成3个阶段：一是1978-1985年，二是1986-2005年，三是2006-2017年。显然，1986-2005年是植被的缓慢改善期，2006年以来是快速改善期。

4 近年来植被改善的原因分析

降雨和气温是影响植被生长的关键气候因素，在植被生长发育的关键期，降雨越多、气温越高植被生长越茂盛（相应的NDVI值越大）。在气温低、降雨少的河龙间西北片，4-9月降雨对植被生长发育非常重要[4]。由图3可以看出：研究区4-9月降雨1981-1996年略偏枯，1997-2011年偏枯，2012-2016年明显偏丰；4-9月平均气温与降雨变化有所不同，20世纪后半期研究区气温一直处于缓慢上升状态，其中1998-2016年气温较70年代以前偏高2.1℃；2012年以来的降雨和气温条件均有利于研究区植被生长。有关研究结果表明，水热条件有利于植被生长是近年来黄土高原植被改善的主要原因[11]。值得注意的是，降雨明显偏枯的2006-2011年恰恰是研究区植被覆盖状况快速改善的时期（见图2），这说明2006年以来除降雨因素外，还有其他因素促使植被覆盖状况大幅改善。

研究区1981-2017年不同时段NDVI与4-9月降雨量的关系见图4。由图4可以看出，1981年以来NDVI与4-9月降雨量关系线的斜率越来越大，其中：NDVI与1981-1995年降雨量几乎无关，表明该时段降雨对植被的促生作用基本上被人类对植被的破坏所抵消，扩耕、过度放牧和砍伐等人类活动是该时段植被覆盖状况恶化的决定性因素；2006年以来NDVI与4-9月降雨量之间成显著正相关，相关系数高达0.77，表明该时期人类对植被的破坏活动很少，降雨条件是影响植被覆盖状况的关键因素。

以神木县为典型，分析NDVI和人均GDP的变化过程，见图5。2004年以前，神木县人均GDP虽然一直在增加但增幅不大，2004-2011年快速增加，2011年以来基本稳定，NDVI值与人均GDP相呼应，在2006年以后增幅较大。这样的良好呼应关系，揭示了以煤炭产业为主的经济拉动促使越来越多的农民进城或进矿务工，进而使人类对植被的干扰破坏越来越少、植被自然修复的环境越来越好。

为证明上述推论的合理性，2017年上半年对研究区陕西省境内的神木、府谷和佳县等地进行了社会调查，结果见表2。由表2可以看出，目前三县农民有80%左右外出务工，留守在农村的基本上是60岁以上的老人。当地村民说，这样的外出务工状况已经持续10多a。实际务农人口减少，使很多耕地撂荒，牛羊数量大幅减少，很多村甚至不再养殖。

表2反映的情况在研究区内蒙古境内更为突出，2003年以来在农牧民进城务工的同时，内蒙古相关旗（区）还实施了生态移民，因而现在不少村庄几乎无人居住。

综上分析认为，研究区近年来植被的大幅改善，主要原因是大量农牧民外出务工，减少了对植被的干扰和破坏，为植被自然修复创造了良好环境。此外，4-9月降雨偏丰也为近年植被恢复提供了有利条件。

5 结论

（1）20世纪70年代末以来，河龙间西北片林草植被不断改善，到2016年林草地植被盖度已由20.0%提高到59.7%，林草覆盖率由14.0%提高到48.8%。2005年以前，该区植被改善程度不大，林草植被大幅改善主要发生在2006年以来。

（2）20世纪90年代及其以前，降雨对林草植被的促生作用基本上被人类破坏所抵消，人类的扩耕、过度放牧和砍伐等活动是该区植被覆盖状况恶化的决定性因素。近十几年来，80%的农村人口进城、进矿务工，大幅减少了对土地的干扰和破坏，进而使降雨成为改善植被覆盖状况的关键因素。

参考文献：

[1]黄河上中游管理局.黄河流域水土保持图集[M].北京：地震出版社，2012；92-93.

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[4]吴丽丽，任志远，张翀.陕北地区植被指数对水热条件变化的响应及其时滞分析[J].中国农业气象，2014，35（1）：103-108.

[5]张翀，任志远，李小燕.黄土高原植被对气温和降水的响应[J].中国农业科学，2012，45（20）：4205-4215.

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[11]张翀，任志远，韦振锋.近12年来黄土高原植被覆盖对年内水热条件的响应[J].资源科学，2013，35（10）：2017-2023.