黄河流域内流区土地利用与植被覆盖时空演变规律

张金良，王 炜，付 健，张 超

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003；3.清华大学，北京 100084）

黄河流域内流区位于河套地区以南，总面积46 505 km2，涉及内蒙古自治区鄂尔多斯市、陕西省榆林市和宁夏回族自治区吴忠市，区内河湖水体与黄河水系不连通，构成相对独立的地理单元。内流区处于风蚀与水蚀交错地带，荒漠草原构成其典型地貌景观，植被稀疏，北部毗邻库布齐沙漠南缘，中部和东部大部分被毛乌素沙地穿过，生态环境极其脆弱［1－2］。区内降水稀少、蒸发强烈，河流稀少，地表径流贫乏，零星有湖泊分布（西部和北部湖泊多为盐碱湖，东部和南部湖泊多为淡水湖）。内流区大部分被现代风积沙覆盖，经常发生沙尘暴，是黄河流域风沙和北方沙尘暴的主要来源区［1］。恶劣且脆弱的生态环境，不仅危害区内人类生产生活，而且威胁华北地区的生态环境质量和黄河中下游的生态安全［3］。在黄河流域生态保护和高质量发展背景下，内流区生态环境保护和综合治理意义重大。

近几十年来，学者们针对黄河流域内流区进行了多方面研究，主要集中于内流区定义、水文循环和水资源利用等方面，或毛乌素沙地、鄂尔多斯高原和库布齐沙漠等地区的土地利用和植被变化研究［6－13］。过去30 a，毛乌素沙地沙漠化程度处于逆转趋势，平均每年约62.37 km2的沙漠化土地得到有效治理，极重和重度沙漠化土地重心逐渐向北部和西北部迁移［6］，近年来政策驱动的大规模生态建设对气候恶劣地区的植被恢复产生了积极影响［8］，而植被恢复对减少风力侵蚀有重要作用［13］。但是，针对内流区这一独特地理单元的土地利用和植被覆盖变化研究不足。

在生态系统中，山、水、林、田、湖、草、沙等各要素之间互为依托、互相影响，形成一个生命共同体［14］。对于生态系统极其脆弱的内流区而言，需在生态保护和综合治理的过程中坚持生态系统的完整性。此外，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出要针对水土脆弱、缺林少绿等问题，进一步重点强化治理，补齐生态系统的短板。在北方防沙带地区，可通过合理调整土地利用结构、加强防护林建设、草原修复、退耕还林还草等措施，继续推进荒漠化治理。因此，全面了解内流区土地利用演变状况和影响因素，对于生态系统保护和综合治理具有重要指导意义。本文利用多期土地利用数据和归一化植被指数（NDVI）数据，分析土地利用和植被覆盖的时空演变规律，并探讨影响植被变化的因素，以期为黄河流域内流区生态保护和治理提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

黄河流域内流区86.2%的面积属鄂尔多斯市，包括杭锦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗、伊金霍洛旗和东胜区；10.5%的面积属榆林市，包括神木县、定边县和靖边县；3.3%的面积属吴忠市盐池县。内流区大部分位于鄂尔多斯高原，地势中间高、四周低，平均海拔为1 361 m。内流区多年平均降水量为275.3 mm，仅为黄河流域平均降水量的61.4%；多年平均水面蒸发量为2 338 mm，平均干旱指数为7.7，属典型的干旱区。内流区位于风蚀水蚀交错区，以风蚀为主（约占总面积的83.6%），其中超过60%的地区为中等及以上干旱强度，生态系统极为脆弱。内流区60.7%的面积为草地，草地中约1／3的面积为中覆盖度草地；28.7%的面积为未利用地，绝大部分为沙地（主要分布在西北部的库布齐沙漠及中部和南部的毛乌素沙地），盐碱地零星分布；耕地面积占6.7%，集中分布在南部的定边县；水域面积仅占1.7%，主要为河流、湖泊和坑塘，流域面积大于1 000 km2的河流（摩林河、陶来沟、察哈尔沟和黑炭淖尔沟）和面积大于5 km2的湖泊（4个）集中分布于内流区北部［1］；林地、城乡居民和工矿用地分别占内流区总面积的1.7%和0.5%。内流区土壤侵蚀和土地利用状况见图1。

图1 内流区概况

1.2 数据来源

土地利用数据为1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2018年中国土地覆被遥感影像（空间分辨率为1 km）数据，来源于资源环境科学数据注册与出版系统（https：／／www.resdc.cn／DOI）［15］。数据采用三级分类体系，根据土地资源及其利用属性，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6类。

中国季度归一化植被指数（NDVI）空间分布数据集来源于资源环境科学数据注册与出版系统，是基于长时间序列的Spot／VegetationNDVI卫星遥感影像（空间分辨率为1 km）、采用最大合成法生成的2000—2018年逐月NDVI数据［16］。

1980—2018年国家气象站点逐日气象数据（降水量、最高温度、最低温度、平均温度、相对湿度、2 m高处风速和日照时长等）来自国家气象信息中心（http：／／data.cma.cn）。潜在蒸散发量利用Penman－Monteith方法进行计算［17］。将日降水量和日潜在蒸散发数据统计至年尺度，采用ANUSPLIN 4.3将其插值到研究区范围内，空间分辨率为500 m。

1.3 研究方法

（1）土地利用变化。利用转移矩阵方法辨识研究时段内不同土地利用类型之间的变化规律［18］，并采用土地利用类型面积变化率和综合土地利用动态度，分析研究时段内土地利用类型面积变化幅度和各类土地利用类型综合变化程度。

土地利用类型面积变化率（Ev）计算公式为

式中：EUa和EUb分别为研究期初和研究期末某一土地利用类型的面积。

综合土地利用动态度（EC）计算公式为

式中：ECOi为初期第i类土地利用类型面积；ΔECOi－j为第i类土地利用类型转为第j类土地利用类型的面积。

（2）NDVI变化。在栅格单元上采用线性回归方法分析长时间尺度的NDVI变化趋势，用斜率表征植被变化速率（β），计算公式［19］为

式中：n为研究时段长度；ti为年序号；yi为第ti年的NDVI值。

由式（3）计算出的斜率为绝对变化率，直接受植被类型影响，由于不便在不同土地利用类型间比较，因此进一步利用绝对变化率和NDVI序列的平均值计算相对变化率（β＿R）。此外采用相关分析方法，揭示降水和潜在蒸散发对NDVI的影响。

2 结果与讨论

2.1 黄河流域内流区土地利用变化

1980—2018年，黄河流域内流区植被（包括草地、林地和耕地）总面积增加了719 km2，增加幅度约为2.4%（其中：草地、林地和耕地面积分别增加460、193、66 km2，分别占植被总增加面积的64.0%、26.8%、9.2%）；沙地和盐碱地面积大幅减小，分别减小542、308 km2；水域面积减小103 km2，减幅为12.7%，湖泊萎缩是其重要原因之一［20］；随着城镇化和经济社会的快速发展，城乡居民和工矿用地大幅增加，总增加面积244 km2。1980—1999年各类土地利用类型面积变化不大，2000—2018年土地利用变化加快（见图2），2000年前、后综合土地利用动态度分别为1.5%、12.6%。

图2 1980—2018年黄河流域内流区土地利用类型面积年际变化情况

2000—2018年，内流区有25.7%的土地利用类型发生不同程度变化（见表1）。未利用地转化为植被覆盖类型的面积约占变化面积的36.8%，通过造林种草和农田开垦等措施，未利用地大量转化为耕地、林地和草地，这在一定程度上反映了近20 a来治沙工作的成效。但内流区土壤贫瘠、干旱缺水、沙多风大，植被生态系统被破坏后难以恢复，因此在此自然环境下大规模发展农业可能存在隐患［21］。

表1 2000—2018年土地利用转移矩阵 km2

2.2 NDVI的变化

内流区2000—2018年NDVI平均为0.29，库布齐沙漠和毛乌素沙地NDVI偏低（仅0.16），研究区南部、东部NDVI较大（见图3（a））。2000—2018年，内流区约94%的区域年均NDVI呈增大趋势，平均增速为1.5%／a，其中约1／3的地区植被增加趋势显著，主要分布在内流区北部摩林河流域、东部红碱淖流域、南部农田分布地区和毛乌素沙地北部，平均NDVI变化率大于3%／a（见图3（b））。NDVI减小的地区主要分布在北部库布齐沙漠和内流区最西端，表明库布齐沙漠和西部极端缺水地区目前存在程度较轻的植被退化趋势，但在未来气候暖干化的背景下［22］，该退化程度可能加剧。

图3 2000—2018年内流区NDVI空间分布特征

为深入辨识2000—2018年黄河流域内流区不同土地利用植被变化规律，将2000年和2018年土地利用图叠置，识别未变化的土地利用类型（耕地、林地、草地和未利用地）和未利用地转化类型（未利用地→耕地、未利用地→林地、未利用地→草地），分析不同土地利用类型的NDVI变化趋势（见图4，直线表示趋势线，括号内数据表示年际变化率）。对未变化的土地利用类型而言，农田NDVI增长最为显著，增长率为0.009／a，面积增速为2.05%／a；内流区通过实施建设沙漠锁边防护林、围封禁牧休牧、天然林保护等生态恢复措施，林地、草地和未利用地植被得到逐步恢复，NDVI增长率为（0.004～0.007）／a，植被面积增速为（1.37%～1.85%）／a。随着三北防护林、退耕还林还草等国家重点工程的相继启动，治沙成为毛乌素沙地的重要任务，在此过程中创造性地使用了飞播造林、草格固沙等措施，通过人工种植小型灌木林和植草等方式提高沙漠植被覆盖率［23］。未利用地（主要为沙地）转型为耕地、林地和草地的NDVI年增长率分别为0.008／a、0.006／a、0.004／a，面积增速分别为2.14%／a、2.52%／a、1.50%／a。未利用地转型为林地的NDVI增长率最快，表明小型灌木固沙林（如花棒、柠条和沙蒿等）作为毛乌素沙地重要的治理手段之一效果良好，该措施可有效防止扬沙、促进沙地壤化、加速沙丘固定、减少土壤侵蚀。

图4 不同土地利用类型NDVI变化趋势

2.3 降水和潜在蒸散发量对NDVI的影响

干旱地区土壤水是影响植被生长的关键因素。研究区内，土壤水最主要的水分来源为降水，而土壤水分损失受潜在蒸散发的强烈影响。因此，年均NDVI整体上表现出与年降水量呈现显著正相关，降水每增加100 mm，NDVI平均可增大0.11；与年潜在蒸散发量呈现显著负相关关系，潜在蒸散发量增加100 mm，NDVI平均下降0.14（见图5（a）和图6（a））。从年际变化上来看，降水增加越快，NDVI增加也越快，而NDVI的变化与潜在蒸散发呈现相反趋势（见图5（b）和图6（b））。内流区水资源的匮乏是限制植被修复和生态改善的关键因素，水资源增加势必促进区域生态改善。2000年以来，内流区NDVI呈现增大趋势，但相较于黄河流域其他地区植被明显偏稀疏［24－26］。根据张亚玲等［7］的研究，1998—2012年多年平均NDVI黄河下游（0.70）＞上游（0.55）＞中游（0.48），内流区NDVI明显偏小。乔木林地蒸腾作用强烈，比灌木林地和草地耗水量更大，在黄土高原退耕还林还草过程中因抗旱性强、生长速度快等诸多优点而被广泛栽种的刺槐、油松等乔木被证明耗水较大，在缺水的干旱－半干旱地区栽种会造成土壤水过度消耗，最终可能形成“小老头”树甚至导致因缺水而成片死亡［27］。因此，在降水稀少的内流区进行沙区治理和生态恢复的过程中，需要选择合适的植被类型（如耗水量较小的灌木和草本植物），使土壤供水量和耗水量达到相对平衡，从而维持植被的可持续性，促进生态系统持续稳定向好发展。

图5 NDVI与年降水量的关系

图6 NDVI与潜在蒸散发的关系

3 结 论

本文利用长时间序列土地利用数据和NDVI数据，分析了1980—2018年黄河流域内流区不同时段的土地利用时空动态以及未转化和未利用地转化后植被的变化趋势，结论如下。

（1）1980—2018年，随着生态恢复工程的实施和城镇化发展，土地利用变化总体呈现植被（耕地、草地和林地）、城乡居民和工矿用地面积增加，未利用地和水域面积下降的趋势。其中：2000—2018年土地利用变化比2000年以前更为显著，内流区25.7%的地区土地利用类型发生变化，主要表现为未利用地转化为耕地、林地、草地、城乡居民和工矿用地。

（2）2000年以来，内流区NDVI普遍呈增大趋势，平均增长率为1.5%／a，东部和南部NDVI增长较快。2000—2018年，受益于农田基础设施逐步完善以及天然林保护、围封禁牧休牧、退耕还林还草等生态恢复工程的实施，内流区耕地、草地、林地和未利用地NDVI均有不同程度的增大，增长率为耕地＞林地＞草地＞未利用地；未利用地转化为耕地、草地和林地后，NDVI增幅均大于未利用地的，一定程度上反映了沙区生态治理和恢复成效显著。

（3）内流区NDVI变化与降水量呈显著正相关，与潜在蒸散发量呈显著负相关，水资源的增加能促进植被恢复。