近40a河龍間西北片林草植被變化及其驅(qū)動(dòng)力

馬思遠(yuǎn) 劉曉燕 董國(guó)濤 高云飛

摘要：1999年以來(lái)黃河河龍區(qū)間西北片入黃沙量減少約94%，分析植被變化及其驅(qū)動(dòng)力對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)該區(qū)來(lái)沙銳減原因具有重要意義。利用遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)1978-2017年林草植被變化程度和變化過(guò)程，并對(duì)這一時(shí)段植被變化的主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：過(guò)去40a該區(qū)植被一直處于不斷改善的過(guò)程中，其中1998-2017年的貢獻(xiàn)接近80%；2016年研究區(qū)林草地植被蓋度平均達(dá)59.7%、區(qū)域林草覆蓋率為48.8%，均約為 1978年的3倍；2000年以前，人類對(duì)林草植被的破壞是該區(qū)林草覆蓋狀況惡化的決定性因素；近十幾年來(lái)，人類對(duì)植被的破壞很小，降雨是影響林草植被狀況的關(guān)健因素。

關(guān)鍵詞：植被；變化；驅(qū)動(dòng)力；河龍區(qū)間；黃土高原

中圖分類號(hào)：S714.7；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.022

1 研究區(qū)概況

黃河河口鎮(zhèn)至龍門(mén)區(qū)間西北片（簡(jiǎn)稱河龍間西北片）屬黃土高原水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，包括皇甫川、孤山川、窟野河和禿尾河等支流，涉及內(nèi)蒙古和陜西兩?。▍^(qū)）的準(zhǔn)格爾、伊金霍洛、東勝、府谷、神木、佳縣、榆陽(yáng)等7個(gè)縣（旗、區(qū)）[1]，總面積19 444km2。受人類活動(dòng)干擾較少的1954-1979年研究區(qū)4條支流把口斷面輸沙量為2.47億t/a，1999年以來(lái)人黃沙量急劇減少，較1954-1979年減少94%，引起人們高度關(guān)注。

研究區(qū)多年平均降水量390mm，其中4-9月降雨量344mm，地表土壤有黃綿土、風(fēng)積沙、砒砂巖和沙礫石等多種類型，林草植被類型主要為草本植物和灌木。土地利用類型主要為植被蓋度不同的灌草地，耕地面積占總面積的比例只有20%，主要分布在沿黃的黃土丘陵區(qū)和河川，其中梯田面積占總面積的比例不足1%[2]。

眾所周知，土壤、地形和植被是決定區(qū)域水土流失程度的關(guān)鍵下墊面因素，其中植被是最活躍、最容易受人類干擾的因素。有關(guān)研究表明，20世紀(jì)80年代以來(lái)黃土高原地區(qū)氣候變化趨勢(shì)明顯[3]；植被生長(zhǎng)與氣候變化具有密切的相關(guān)性，特別是在干旱半干旱地區(qū)，水資源是影響生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)的根本因素[4]；張翀等認(rèn)為，降水量增加促使黃土高原地區(qū)植被改善、干旱程度降低[5]；沈斌等指出，生長(zhǎng)季內(nèi)植被NDVI與同期氣溫和降水量均成高度正相關(guān)，時(shí)滯尺度為1個(gè)月，植被NDVI對(duì)月平均氣溫及降水響應(yīng)最為強(qiáng)烈[6]；植被覆蓋的時(shí)空變化與人類活動(dòng)有密切的關(guān)系，它深刻反映了人類活動(dòng)的過(guò)程[7-10]。不過(guò)，現(xiàn)有文獻(xiàn)很少聚焦在河龍間西北片，且研究時(shí)段大多截至2010年前后，對(duì)河龍間西北片植被變化的原因也鮮見(jiàn)深入分析。鑒于研究區(qū)耕地不多、土地利用類型主要為灌草地的特點(diǎn)，本文對(duì)該區(qū)植被變化及其驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，為科學(xué)認(rèn)識(shí)人黃泥沙銳減原因提供參考。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

（1）植被數(shù)據(jù)。植被數(shù)據(jù)全部來(lái)源于衛(wèi)星遙感影像，利用空間分辨率為30～56m的衛(wèi)星遙感影像，結(jié)合地面樣方調(diào)查，提取相關(guān)支流1978年、1998年、2016年的土地利用數(shù)據(jù)和林草地植被蓋度數(shù)據(jù)[2]。為闡明流域林草植被覆蓋狀況，引入“林草覆蓋率”概念，即林草葉莖正投影面積占易侵蝕區(qū)面積的比例，其中“易侵蝕區(qū)面積”指流域內(nèi)剔除地面坡度小于30的河川地、平原區(qū)、建設(shè)用地、石山區(qū)后的山丘區(qū)土地面積，主要由不同植被蓋度的林草地（荒草地）、坡耕地和梯田組成，該區(qū)域顯然是入河泥沙的主要來(lái)源地。

利用衛(wèi)星遙感影像，得到了研究區(qū)1981-2017年的植被歸一化指數(shù)（NDVI）。NDVI是遙感影像的近紅外波段和紅外波段反射率的比值，它與植被長(zhǎng)勢(shì)、生物量、蓋度和葉面積指數(shù)等有極強(qiáng)相關(guān)性，可以在相當(dāng)程度上反映植被覆蓋狀況，且有逐年數(shù)據(jù)、能部分消除輻射條件變化對(duì)反演參數(shù)的影響[6]。研究采用的各年NDVI值均為年最大值，數(shù)據(jù)源為第三代GIMMS NDVI數(shù)據(jù)集（NDV13g，v1.0）。

（2）氣象數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)主要源自黃河水文年鑒，個(gè)別氣象數(shù)據(jù)源自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，氣溫?cái)?shù)據(jù)全部源自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)。

（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。利用1981-2016年《陜西區(qū)域統(tǒng)計(jì)年鑒》《榆林統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)縣（市）社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)分縣農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)概要》和《神木縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等，結(jié)合實(shí)地問(wèn)卷調(diào)查，得到研究區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、總?cè)丝凇⑥r(nóng)業(yè)人口和耕地面積等數(shù)據(jù)。

3 植被的時(shí)空變化分析

基于遙感影像提取的研究區(qū)3個(gè)典型年份的林草地植被蓋度和林草覆蓋率見(jiàn)表1。由表1可知，無(wú)論是林草地植被蓋度還是流域的林草覆蓋率，2016年的數(shù)值都達(dá)到1978年的3倍左右。1978年，研究區(qū)林草地植被蓋度平均為20.0%，其中蓋度≤30%的低蓋度林草地面積占比高達(dá)90%；而在2016年，林草地植被蓋度平均為59.7%，其中蓋度≤30%的低蓋度林草地面積占比只有1%、蓋度≥50%的高蓋度林草地面積占比約為78%。

圖1為研究區(qū)1978年、2016年林草覆蓋率空間格局，可以看出，1978年研究區(qū)林草覆蓋率大都不足20%，其中窟野河中部和禿尾河上中游的風(fēng)沙區(qū)甚至不足10%，而2016年大部分地區(qū)的林草覆蓋率為40%～60%，只有降雨和土壤條件均較差的西北部、耕地面積占比大的禿尾河下游仍不足40%。事實(shí)上，禿尾河下游2016年林草地的植被蓋度已超過(guò)60%，有些區(qū)域林草覆蓋率不足40%的原因主要是耕地面積較大、林草地面積的占比較小。

由表1可知，近40 a研究區(qū)林草覆蓋狀況的巨大改善主要發(fā)生在1998年以后，前20a（1978-1998年）的改善幅度僅占1/4，這與1981-2017年研究區(qū)NDVI的變化過(guò)程（見(jiàn)圖2）大體一致。由圖2可以看出，研究區(qū)植被一直處于不斷改善過(guò)程中，但2005年以前改善幅度不大，2006年以后改善幅度較大。土地利用情況分析表明[2]，研究區(qū)耕地不多，林草地面積占比20世紀(jì)70年代末為70%、2016年約為82%。因此，圖2揭示的1981-2017年NDVI變化情況可以大體反映研究區(qū)林草植被覆蓋變化情況。

研究區(qū)1978年以來(lái)的植被覆蓋變化過(guò)程可大體劃分成3個(gè)階段：一是1978-1985年，二是1986-2005年，三是2006-2017年。顯然，1986-2005年是植被的緩慢改善期，2006年以來(lái)是快速改善期。

4 近年來(lái)植被改善的原因分析

降雨和氣溫是影響植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣候因素，在植被生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵期，降雨越多、氣溫越高植被生長(zhǎng)越茂盛（相應(yīng)的NDVI值越大）。在氣溫低、降雨少的河龍間西北片，4-9月降雨對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育非常重要[4]。由圖3可以看出：研究區(qū)4-9月降雨1981-1996年略偏枯，1997-2011年偏枯，2012-2016年明顯偏豐；4-9月平均氣溫與降雨變化有所不同，20世紀(jì)后半期研究區(qū)氣溫一直處于緩慢上升狀態(tài)，其中1998-2016年氣溫較70年代以前偏高2.1℃；2012年以來(lái)的降雨和氣溫條件均有利于研究區(qū)植被生長(zhǎng)。有關(guān)研究結(jié)果表明，水熱條件有利于植被生長(zhǎng)是近年來(lái)黃土高原植被改善的主要原因[11]。值得注意的是，降雨明顯偏枯的2006-2011年恰恰是研究區(qū)植被覆蓋狀況快速改善的時(shí)期（見(jiàn)圖2），這說(shuō)明2006年以來(lái)除降雨因素外，還有其他因素促使植被覆蓋狀況大幅改善。

研究區(qū)1981-2017年不同時(shí)段NDVI與4-9月降雨量的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，1981年以來(lái)NDVI與4-9月降雨量關(guān)系線的斜率越來(lái)越大，其中：NDVI與1981-1995年降雨量幾乎無(wú)關(guān)，表明該時(shí)段降雨對(duì)植被的促生作用基本上被人類對(duì)植被的破壞所抵消，擴(kuò)耕、過(guò)度放牧和砍伐等人類活動(dòng)是該時(shí)段植被覆蓋狀況惡化的決定性因素；2006年以來(lái)NDVI與4-9月降雨量之間成顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.77，表明該時(shí)期人類對(duì)植被的破壞活動(dòng)很少，降雨條件是影響植被覆蓋狀況的關(guān)鍵因素。

以神木縣為典型，分析NDVI和人均GDP的變化過(guò)程，見(jiàn)圖5。2004年以前，神木縣人均GDP雖然一直在增加但增幅不大，2004-2011年快速增加，2011年以來(lái)基本穩(wěn)定，NDVI值與人均GDP相呼應(yīng)，在2006年以后增幅較大。這樣的良好呼應(yīng)關(guān)系，揭示了以煤炭產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)拉動(dòng)促使越來(lái)越多的農(nóng)民進(jìn)城或進(jìn)礦務(wù)工，進(jìn)而使人類對(duì)植被的干擾破壞越來(lái)越少、植被自然修復(fù)的環(huán)境越來(lái)越好。

為證明上述推論的合理性，2017年上半年對(duì)研究區(qū)陜西省境內(nèi)的神木、府谷和佳縣等地進(jìn)行了社會(huì)調(diào)查，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，目前三縣農(nóng)民有80%左右外出務(wù)工，留守在農(nóng)村的基本上是60歲以上的老人。當(dāng)?shù)卮迕裾f(shuō)，這樣的外出務(wù)工狀況已經(jīng)持續(xù)10多a。實(shí)際務(wù)農(nóng)人口減少，使很多耕地撂荒，牛羊數(shù)量大幅減少，很多村甚至不再養(yǎng)殖。

表2反映的情況在研究區(qū)內(nèi)蒙古境內(nèi)更為突出，2003年以來(lái)在農(nóng)牧民進(jìn)城務(wù)工的同時(shí)，內(nèi)蒙古相關(guān)旗（區(qū)）還實(shí)施了生態(tài)移民，因而現(xiàn)在不少村莊幾乎無(wú)人居住。

綜上分析認(rèn)為，研究區(qū)近年來(lái)植被的大幅改善，主要原因是大量農(nóng)牧民外出務(wù)工，減少了對(duì)植被的干擾和破壞，為植被自然修復(fù)創(chuàng)造了良好環(huán)境。此外，4-9月降雨偏豐也為近年植被恢復(fù)提供了有利條件。

5 結(jié)論

（1）20世紀(jì)70年代末以來(lái)，河龍間西北片林草植被不斷改善，到2016年林草地植被蓋度已由20.0%提高到59.7%，林草覆蓋率由14.0%提高到48.8%。2005年以前，該區(qū)植被改善程度不大，林草植被大幅改善主要發(fā)生在2006年以來(lái)。

（2）20世紀(jì)90年代及其以前，降雨對(duì)林草植被的促生作用基本上被人類破壞所抵消，人類的擴(kuò)耕、過(guò)度放牧和砍伐等活動(dòng)是該區(qū)植被覆蓋狀況惡化的決定性因素。近十幾年來(lái)，80%的農(nóng)村人口進(jìn)城、進(jìn)礦務(wù)工，大幅減少了對(duì)土地的干擾和破壞，進(jìn)而使降雨成為改善植被覆蓋狀況的關(guān)鍵因素。

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