管亞兵 ,趙長(zhǎng)森 ,楊勝天 ,※,白 娟 ,彭睿文
(1. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京100875;2. 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京100875;3. 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴陽(yáng)550001)
作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組分,植被是影響土壤侵蝕與水土流失的重要因子。植被具有顯著的減水減沙效益,主要體現(xiàn)在:(1)植被冠層通過(guò)截留降雨減小降雨侵蝕力,同時(shí)增加地表糙度降低徑流對(duì)地表沖刷能力;(2)植被根系可以改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤抗沖性能和入滲能力[1-2]。大量研究已經(jīng)證明植被對(duì)流域水沙變化有深刻影響,表征植被長(zhǎng)勢(shì)的植被覆蓋度指標(biāo)與產(chǎn)沙系數(shù)之間存在較好的相關(guān)性[3-7]。基于以上認(rèn)識(shí),植被生長(zhǎng)狀況現(xiàn)已被廣泛用來(lái)作為土壤侵蝕估算和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[7-10]。
黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一,約60%以上的土地已經(jīng)遭受水土流失[11],土壤侵蝕模數(shù)可達(dá)15 000 t/km2/yr。 土壤侵蝕可能導(dǎo)致嚴(yán)重的土地問(wèn)題,如耕地蠶食、土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分流失[12]、土壤物理性質(zhì)退化[13]。 進(jìn)入河道的泥沙又將在下游不斷淤積,抬高河床形成地上河,危害水壩和水庫(kù)安全。因此,黃土高原水土流失不僅限制了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,而且威脅到黃河下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全[14]。
自1999 年退耕還林草政策實(shí)施以來(lái),黃土高原植被覆蓋率從1999 年的31.6%增加到2013 年的59.6%,增幅達(dá)88%,植被覆蓋呈明顯增加趨勢(shì)[15]。同期黃河水沙銳減現(xiàn)象日益明顯。黃河天然來(lái)沙量 16 億t,天然徑流量560 億m3,但在2003—2013 年降雨略偏豐情況下,潼關(guān)實(shí)測(cè)年均來(lái)沙量只有2.6 億t(其中河潼間偏少85%),花園口站天然徑流量只有488 億m3(其中河潼間偏少40%)[6]。在此背景下,很多學(xué)者研究了黃河流域林草植被變化特征[16]、林草植被變化對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響機(jī)制[6]、林草植被減沙方程構(gòu)建[4-5]、林草植被減蝕臨界效應(yīng)[17]。然而,以往黃河流域植被變化與地表產(chǎn)沙關(guān)系研究多在試驗(yàn)小區(qū)或流域尺度上開展,以不同地貌分區(qū)為單元的研究還鮮有報(bào)道。該文基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算了1980 年、2000 年、2010 年、2016 年黃河流域植被覆蓋度,通過(guò)分析黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被覆蓋度的時(shí)空變化特征識(shí)別植被變化背景下不同地貌分區(qū)侵蝕產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)變化,試圖回答對(duì)黃河減水減沙有重要貢獻(xiàn)的潛在區(qū)域。
中國(guó)黃土高原是地球上最集中最大的黃土地區(qū),總面積達(dá) 64 萬(wàn)km2。 由于土壤松散、地形破碎、植被稀疏、溝壑縱橫,黃土高原是黃河流域主要的泥沙來(lái)源,也是世界上水土流失最為嚴(yán)重的和生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一[18-19]。已有研究表明,黃土高原約 9.12 萬(wàn) km2土地土壤侵蝕速率超過(guò) 8 000 t/km2/yr[20]。為改善黃土高原水土流失現(xiàn)狀,自1999 年起,國(guó)家開始提出并實(shí)施退耕還林(草)、荒山造林等一系列大規(guī)模生態(tài)修復(fù)工程,黃土高原地區(qū)成為政府首批“退耕還林還草”工程試點(diǎn)區(qū)域之一[4,21]。
該文以黃土高原中部區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)研究區(qū)(圖1),該區(qū)域水土流失嚴(yán)重,是黃河流域的主要產(chǎn)沙區(qū),面積約為20.4 萬(wàn)km2,氣候多為干旱半干旱類型。在地貌類型上,該重點(diǎn)研究區(qū)覆蓋了平原、黃土塬、黃土破碎塬、片沙黃土丘陵、峁?fàn)铧S土丘陵、梁狀黃土丘陵、寬谷長(zhǎng)梁丘陵、沙丘、風(fēng)蝕沙化丘陵、石質(zhì)山地、黃土低山、隴西丘陵12 種類型。
研究所用的數(shù)據(jù)主要包括1 980 年前后MSS、2000 年前后TM、2010 年前后TM 和2016 年前后Landsat-8 OLI 多源遙感數(shù)據(jù)(表1)。這些數(shù)據(jù)均來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/),獲取時(shí)間均為植被生長(zhǎng)季,較好代表了一年中植被生長(zhǎng)狀況。此外,還使用到1∶100 萬(wàn)土壤類型圖、四期(1980 年、2000 年、2010 年、2016 年)目視解譯的土地利用圖和黃土高原地貌分區(qū)圖,分別輔助植被蓋度信息提取和區(qū)域分析。
圖1 黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)域空間位置Fig.1 Location of the key study area on the Loess Plateau
表1 遙感數(shù)據(jù)成像信息Table 1 Information of the data sources
景可[22]認(rèn)為無(wú)論植被類型、降雨條件和其它下墊面條件如何,當(dāng)植被覆蓋度大于70%,地表侵蝕量都極其微弱。該文運(yùn)用≥70%植被蓋度面積變化指數(shù)揭示對(duì)地表侵蝕產(chǎn)沙有較強(qiáng)控制作用的林草植被變化情況,公式為:
式(1)中,VC≥70%表示≥70%植被蓋度變化指數(shù);2016VC≥70%表示2016 年植被蓋度≥70%的面積百分比;1980VC≥70%表示1980 年植被蓋度≥70%的面積百分比。VC≥70%越大,表示對(duì)地表侵蝕產(chǎn)沙有較強(qiáng)控制作用的林草植被面積增加越多。
對(duì)于植被蓋度信息提取,由于歸一化植被指數(shù)(NDVI)與植被長(zhǎng)勢(shì)、生物量、蓋度和葉面積指數(shù)等有較強(qiáng)相關(guān)性,而且能部分消除輻照條件變化對(duì)反演參數(shù)的影響,該文采用式(2)所示像元二分模型反演植被蓋度[23-24]。
式(2)中,VC為像元植被蓋度;NDVI為像元?dú)w一化植被指數(shù)值;NDVIsoil為裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)NDVI 值;NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)NDVI 值;NIR為近紅外波段反射值;R為紅光波段反射值。
為保證多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)NDVI 有可比性,原始影像數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標(biāo)、簡(jiǎn)單大氣校正和幾何精校正后,生成的NDVI 用式3 所示相鄰圖幅遞進(jìn)回歸分析法消除時(shí)相差異[25]。
式(3)中,Image′i為校正后影像數(shù)據(jù)矩陣,Imagei為原始影像數(shù)據(jù)矩陣,ki-1和qi-1分別為影像數(shù)據(jù)矩陣Image′i-1⌒Imagei的回歸分析斜率與截距,n為影像圖幅數(shù)量。
由于受大氣效應(yīng)、地表水分和植被類型等影響,NDVIsoil和NDVIveg會(huì)隨時(shí)間和空間而改變。因此,使用土壤類型圖分圖斑統(tǒng)計(jì)NDVI 的累積頻率,選取土種單元內(nèi)累積頻率為5%的NDVI 值作為NDVIsoil;使用土地利用圖分類型統(tǒng)計(jì)NDVI 的累積頻率,選取林地和草地累積頻率為95%的NDVI 值作為NDVIveg。
3.1.1 植被蓋度均值變化特征
使用像元二分模型計(jì)算得到1980 年、2000 年、2010 年和2016 年黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被蓋度。經(jīng)多次野外考察GPS 定位拍攝典型樣地照片,在植被蓋度無(wú)顯著變化區(qū)域內(nèi),用照相法植被覆蓋度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取樣地植被蓋度。其中,“十二五”期間獲取126 個(gè)樣地植被蓋度,2015—2017 年4 次野外考察獲取78 個(gè)樣地植被蓋度。檢驗(yàn)植被蓋度遙感反演精度達(dá)90.18%,表明遙感反演植被蓋度結(jié)果能滿足研究需求。統(tǒng)計(jì)得到黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)1980 年全區(qū)植被蓋度均值為34.99%、2000 年為36.24%、2010 年為58.86%、2016 年為63.64%。表明黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被蓋度均值呈增加趨勢(shì),尤其是2000 年退耕還林(草)工程實(shí)施后增加的速度更為顯著,且2010—2016 年間增速相對(duì)于2000—2010 年間較緩(圖 2)。
3.1.2 植被蓋度分級(jí)變化特征
為了集中反映黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被變化特征,將研究區(qū)1980 年、2000 年、2010 年和2016 年植被蓋度值從0~100%等距分為10 個(gè)等級(jí),用GIS 空間分析方法分別統(tǒng)計(jì)4 個(gè)時(shí)期的植被蓋度等級(jí)變化,如圖3 和圖4 所示。低等級(jí)植被蓋度主要分布在研究區(qū)的北部和西北區(qū)域,高等級(jí)植被蓋度主要分布在研究區(qū)東南部,呈現(xiàn)出由西北至東南方向的植被狀況變好的空間趨勢(shì)。
圖2 黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)全區(qū)植被蓋度均值統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistical characteristics of the mean value of vegetation coverage in the whole region
圖3 黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被蓋度空間分布Fig.3 Spatial distribution of vegetation coverage in key study area on Loess Plateau
統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)各等級(jí)植被蓋度面積占比情況由圖4 所示,1980 年植被蓋度值主要集中在0~50%,共占全區(qū)面積比例為80.14%;2000 年植被蓋度值主要集中在10%~60%,共占全區(qū)面積比例為86.47%;2010 年植被蓋度值主要集中在30%~80%,共占全區(qū)面積比例為68.46%;2016 年植被蓋度值主要集中在40%~90%,共占全區(qū)面積比例為74.56%??梢钥闯鰪?980—2016 年,峰值植被蓋度等級(jí)由1980 年和2000 年的20%~30%過(guò)渡到2010年的50%~60%,再到2016 年的60%~70%,呈現(xiàn)出由低等級(jí)向高等級(jí)逐漸過(guò)渡的趨勢(shì);低值植被蓋度區(qū)間0~20%占全區(qū)面積百分比呈現(xiàn)出持續(xù)減小的趨勢(shì),高值植被蓋度區(qū)間50%~100%呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),較低值植被蓋度區(qū)間20%~40%呈現(xiàn)出先增加后銳減的趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō),黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)植被蓋度等級(jí)向著植被持續(xù)恢復(fù)的趨勢(shì)發(fā)展。
圖4 黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)全區(qū)植被蓋度分級(jí)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistical characteristics of different vegetation coverage intervals in the whole region
該文根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查確定產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。 黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)1980 年、2000 年、2010 年和2016 年4 期產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如圖5 所示。可以看出4 期產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖均是產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)和易產(chǎn)沙區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部和西北部,不產(chǎn)沙區(qū)和產(chǎn)沙微弱區(qū)主要分布在研究區(qū)東南部。
表2 產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Criteria for classification of sediment yield risk
各產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型面積占比變化趨勢(shì)如圖6 所示。4 個(gè)時(shí)期均為易產(chǎn)沙區(qū)面積比例最高,1980 年和2000 年易產(chǎn)沙區(qū)面積比例均遠(yuǎn)高于產(chǎn)沙微弱區(qū);2010 年和2016 年產(chǎn)沙微弱區(qū)面積比例與易產(chǎn)沙區(qū)面積比例差距逐漸縮小。1980—2016 年,產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比例持續(xù)減小;易產(chǎn)沙區(qū)面積比例先小幅增加,后顯著減?。划a(chǎn)沙微弱區(qū)面積比例先小幅減小,后顯著增加;不產(chǎn)沙區(qū)面積比例先小幅減小,后增大至穩(wěn)定。表明由于退耕還林(草)工程實(shí)施,植被狀況改善,研究區(qū)產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比例顯著減小。
圖5 產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分區(qū)圖Fig.5 Spatial distribution of different sediment yield risk zones
圖6 各產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類型面積占比變化趨勢(shì)Fig.6 The trend of the proportion of the area of each sediment yield risk class
3.3.1 植被蓋度變化特征
圖7 展示了不同地貌區(qū)的平均植被蓋度變化情況。4 個(gè)時(shí)期均為黃土低山地貌區(qū)植被蓋度均值最高,植被蓋度均值均在70%以上;2000 年、2010 年和2016 年均為風(fēng)蝕沙化丘陵植被蓋度均值最低;2010 年和2016 年黃土塬和黃土破碎塬植被蓋度均值均在70%以上;2016 年峁?fàn)铧S土丘陵地貌區(qū)植被蓋度也達(dá)到了70%以上;1980 年和2000 年除黃土低山外的所有地貌類型植被蓋度均值均在70%以下;各地貌區(qū)均呈現(xiàn)2016 年植被蓋度均值最高,2010 年植被蓋度均值次之。表明自1999 年實(shí)施退耕還林(草)工程以來(lái),不同地貌分區(qū)的植被狀況均持續(xù)好轉(zhuǎn)。
圖7 不同地貌區(qū)平均植被蓋度變化Fig.7 Variations of the mean value of vegetation coverage in different landforms
3.3.2 ≥70%植被蓋度變化
圖8 和圖9 展示了不同產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在不同地貌區(qū)的歷年絕對(duì)面積變化情況和不同地貌分區(qū)≥70%植被蓋度變化指數(shù)。對(duì)于不產(chǎn)沙區(qū)(VC>90),黃土低山該類型面積比例較高,2010 年和2016 年面積占比均達(dá)到了70%;其余所有地貌區(qū)內(nèi)該類型面積比例均較低,在30%以下。對(duì)于產(chǎn)沙微弱區(qū)(VC ≥70),黃土低山、黃土塬、黃土破碎塬、峁?fàn)铧S土丘陵、梁狀黃土丘陵、隴西丘陵該類型面積比例顯著增加,至2016 年均達(dá)到了40%以上。對(duì)于易產(chǎn)沙區(qū)(VC<70),除黃土低山外,其余地貌區(qū)1980 年和2000 年該類型面積比例均在80%以上,說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)期研究區(qū)整體產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)很高;至2016 年,各地貌類型區(qū)該類型面積比例均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),其中黃土塬、黃土破碎塬、峁?fàn)铧S土丘陵、隴西丘陵降幅比較大,均在40%以上。對(duì)于產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(VC<30),1980 年和2000 年平原區(qū)、片沙黃土丘陵、沙丘、風(fēng)蝕沙化丘陵該類型占比比較高,約在60%以上;各地貌類型區(qū)植被狀況均有所改善,至2016 年,該類型面積比例降幅比較大的有平原區(qū)、片沙黃土丘陵、寬谷長(zhǎng)梁丘陵、沙丘和風(fēng)蝕沙化丘陵,約在50%以上。
圖9 可知,1980—2016 年,≥70%植被蓋度變化指數(shù)最高的為黃土塬,其次為黃土破碎塬,最低的為沙丘?!?0%植被蓋度變化指數(shù)小于30%的地貌區(qū)排序?yàn)椋荷城穑硷L(fēng)蝕沙化丘陵<平原<黃土低山<片沙黃土丘陵。由于黃土低山4 期植被蓋度均值均在70%以上,因此沙丘、風(fēng)蝕沙化丘陵、平原、片沙黃土丘陵地貌區(qū)是未來(lái)水土保持工作需要關(guān)注的區(qū)域,植被改善工作仍需加強(qiáng)。
圖8 各地貌類型區(qū)不同產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積變化趨勢(shì)Fig.8 Trends of variations of area of different sediment yield risk classes in each landform
圖9 1980—2016 年不同地貌區(qū)≥70%植被蓋度變化指數(shù)(VC≥70%)Fig.9 Variations of VC≥70% index in different landforms during the study period
基于多源遙感數(shù)據(jù)利用像元二分模型可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域尺度長(zhǎng)時(shí)間序列的植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)分析黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)1980 年、2000 年、2010 年及2016 年的植被覆蓋度狀況,得到結(jié)論如下。
(1)黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)全區(qū)植被蓋度均值呈增加趨勢(shì),由1980 年的34.99%提升至2016 年的63.64%,且2000 年退耕還林(草)工程實(shí)施后增加的速度更為顯著,2010—2016 年間增速相對(duì)于2000—2010 年間較緩。在空間上,植被狀況呈現(xiàn)出由西北至東南方向逐漸變好的趨勢(shì)。
(2)4 期產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖均是產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)和易產(chǎn)沙區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部和西北部,不產(chǎn)沙區(qū)和產(chǎn)沙微弱區(qū)主要分布在研究區(qū)東南部。由于退耕還林(草)工程實(shí)施,植被狀況改善,研究區(qū)產(chǎn)沙高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比例顯著減小。
(3)自1999 年實(shí)施退耕還林(草)工程以來(lái),不同地貌分區(qū)的植被狀況均持續(xù)好轉(zhuǎn)。沙丘、風(fēng)蝕沙化丘陵、平原、片沙黃土丘陵地貌區(qū)是未來(lái)水土保持工作需要關(guān)注的區(qū)域,植被改善工作仍需加強(qiáng)。
相關(guān)研究表明黃土高原不同地貌類型區(qū)遏制侵蝕產(chǎn)沙的林草植被覆蓋率存在不同閾值[17]。此外,王萬(wàn)忠基于水文站年輸沙量數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)比分析近50 年來(lái)黃土高原治理前、一期治理、二期治理和退耕后( 2000—2009 年)4 個(gè)階段侵蝕產(chǎn)沙的時(shí)間變化特征,表明受坡改梯、退耕還林(草)、淤地壩建設(shè)等多種水土保持措施的綜合影響,侵蝕產(chǎn)沙量和減水減沙效益均表現(xiàn)出不同的區(qū)域分布特征[26]。該文采用了不同于上述研究的空間尺度,受研究觀測(cè)資料的限制,進(jìn)行了概化處理,主要包括:(1)在整個(gè)黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)均按照景可等人提出的70%的植被覆蓋度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)等級(jí);(2)僅考慮了植被覆蓋度這一指標(biāo),分析了植被恢復(fù)背景下黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空變化。這些概化處理勢(shì)必會(huì)對(duì)黃土高原重點(diǎn)研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域時(shí)空分布特征造成一定影響,在未來(lái)的研究中需要構(gòu)建考慮植被減沙閾值差異性、多水土保持措施綜合影響下的區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法,全面評(píng)估今后黃土高原治理的重點(diǎn)區(qū)域。