黃河流域內(nèi)流區(qū)土地利用與植被覆蓋時空演變規(guī)律

張金良，王 煒，付 健，張 超

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室（籌），河南 鄭州 450003；3.清華大學(xué)，北京 100084）

黃河流域內(nèi)流區(qū)位于河套地區(qū)以南，總面積46 505 km2，涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市、陜西省榆林市和寧夏回族自治區(qū)吳忠市，區(qū)內(nèi)河湖水體與黃河水系不連通，構(gòu)成相對獨立的地理單元。內(nèi)流區(qū)處于風蝕與水蝕交錯地帶，荒漠草原構(gòu)成其典型地貌景觀，植被稀疏，北部毗鄰庫布齊沙漠南緣，中部和東部大部分被毛烏素沙地穿過，生態(tài)環(huán)境極其脆弱［1－2］。區(qū)內(nèi)降水稀少、蒸發(fā)強烈，河流稀少，地表徑流貧乏，零星有湖泊分布（西部和北部湖泊多為鹽堿湖，東部和南部湖泊多為淡水湖）。內(nèi)流區(qū)大部分被現(xiàn)代風積沙覆蓋，經(jīng)常發(fā)生沙塵暴，是黃河流域風沙和北方沙塵暴的主要來源區(qū)［1］。惡劣且脆弱的生態(tài)環(huán)境，不僅危害區(qū)內(nèi)人類生產(chǎn)生活，而且威脅華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和黃河中下游的生態(tài)安全［3］。在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展背景下，內(nèi)流區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理意義重大。

近幾十年來，學(xué)者們針對黃河流域內(nèi)流區(qū)進行了多方面研究，主要集中于內(nèi)流區(qū)定義、水文循環(huán)和水資源利用等方面，或毛烏素沙地、鄂爾多斯高原和庫布齊沙漠等地區(qū)的土地利用和植被變化研究［6－13］。過去30 a，毛烏素沙地沙漠化程度處于逆轉(zhuǎn)趨勢，平均每年約62.37 km2的沙漠化土地得到有效治理，極重和重度沙漠化土地重心逐漸向北部和西北部遷移［6］，近年來政策驅(qū)動的大規(guī)模生態(tài)建設(shè)對氣候惡劣地區(qū)的植被恢復(fù)產(chǎn)生了積極影響［8］，而植被恢復(fù)對減少風力侵蝕有重要作用［13］。但是，針對內(nèi)流區(qū)這一獨特地理單元的土地利用和植被覆蓋變化研究不足。

在生態(tài)系統(tǒng)中，山、水、林、田、湖、草、沙等各要素之間互為依托、互相影響，形成一個生命共同體［14］。對于生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱的內(nèi)流區(qū)而言，需在生態(tài)保護和綜合治理的過程中堅持生態(tài)系統(tǒng)的完整性。此外，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出要針對水土脆弱、缺林少綠等問題，進一步重點強化治理，補齊生態(tài)系統(tǒng)的短板。在北方防沙帶地區(qū)，可通過合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、加強防護林建設(shè)、草原修復(fù)、退耕還林還草等措施，繼續(xù)推進荒漠化治理。因此，全面了解內(nèi)流區(qū)土地利用演變狀況和影響因素，對于生態(tài)系統(tǒng)保護和綜合治理具有重要指導(dǎo)意義。本文利用多期土地利用數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，分析土地利用和植被覆蓋的時空演變規(guī)律，并探討影響植被變化的因素，以期為黃河流域內(nèi)流區(qū)生態(tài)保護和治理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域內(nèi)流區(qū)86.2%的面積屬鄂爾多斯市，包括杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗、伊金霍洛旗和東勝區(qū)；10.5%的面積屬榆林市，包括神木縣、定邊縣和靖邊縣；3.3%的面積屬吳忠市鹽池縣。內(nèi)流區(qū)大部分位于鄂爾多斯高原，地勢中間高、四周低，平均海拔為1 361 m。內(nèi)流區(qū)多年平均降水量為275.3 mm，僅為黃河流域平均降水量的61.4%；多年平均水面蒸發(fā)量為2 338 mm，平均干旱指數(shù)為7.7，屬典型的干旱區(qū)。內(nèi)流區(qū)位于風蝕水蝕交錯區(qū)，以風蝕為主（約占總面積的83.6%），其中超過60%的地區(qū)為中等及以上干旱強度，生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱。內(nèi)流區(qū)60.7%的面積為草地，草地中約1／3的面積為中覆蓋度草地；28.7%的面積為未利用地，絕大部分為沙地（主要分布在西北部的庫布齊沙漠及中部和南部的毛烏素沙地），鹽堿地零星分布；耕地面積占6.7%，集中分布在南部的定邊縣；水域面積僅占1.7%，主要為河流、湖泊和坑塘，流域面積大于1 000 km2的河流（摩林河、陶來溝、察哈爾溝和黑炭淖爾溝）和面積大于5 km2的湖泊（4個）集中分布于內(nèi)流區(qū)北部［1］；林地、城鄉(xiāng)居民和工礦用地分別占內(nèi)流區(qū)總面積的1.7%和0.5%。內(nèi)流區(qū)土壤侵蝕和土地利用狀況見圖1。

圖1 內(nèi)流區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)為1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2018年中國土地覆被遙感影像（空間分辨率為1 km）數(shù)據(jù)，來源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)（https：／／www.resdc.cn／DOI）［15］。數(shù)據(jù)采用三級分類體系，根據(jù)土地資源及其利用屬性，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類。

中國季度歸一化植被指數(shù)（NDVI）空間分布數(shù)據(jù)集來源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊與出版系統(tǒng)，是基于長時間序列的Spot／VegetationNDVI衛(wèi)星遙感影像（空間分辨率為1 km）、采用最大合成法生成的2000—2018年逐月NDVI數(shù)據(jù)［16］。

1980—2018年國家氣象站點逐日氣象數(shù)據(jù)（降水量、最高溫度、最低溫度、平均溫度、相對濕度、2 m高處風速和日照時長等）來自國家氣象信息中心（http：／／data.cma.cn）。潛在蒸散發(fā)量利用Penman－Monteith方法進行計算［17］。將日降水量和日潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計至年尺度，采用ANUSPLIN 4.3將其插值到研究區(qū)范圍內(nèi)，空間分辨率為500 m。

1.3 研究方法

（1）土地利用變化。利用轉(zhuǎn)移矩陣方法辨識研究時段內(nèi)不同土地利用類型之間的變化規(guī)律［18］，并采用土地利用類型面積變化率和綜合土地利用動態(tài)度，分析研究時段內(nèi)土地利用類型面積變化幅度和各類土地利用類型綜合變化程度。

土地利用類型面積變化率（Ev）計算公式為

式中：EUa和EUb分別為研究期初和研究期末某一土地利用類型的面積。

綜合土地利用動態(tài)度（EC）計算公式為

式中：ECOi為初期第i類土地利用類型面積；ΔECOi－j為第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為第j類土地利用類型的面積。

（2）NDVI變化。在柵格單元上采用線性回歸方法分析長時間尺度的NDVI變化趨勢，用斜率表征植被變化速率（β），計算公式［19］為

式中：n為研究時段長度；ti為年序號；yi為第ti年的NDVI值。

由式（3）計算出的斜率為絕對變化率，直接受植被類型影響，由于不便在不同土地利用類型間比較，因此進一步利用絕對變化率和NDVI序列的平均值計算相對變化率（β＿R）。此外采用相關(guān)分析方法，揭示降水和潛在蒸散發(fā)對NDVI的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃河流域內(nèi)流區(qū)土地利用變化

1980—2018年，黃河流域內(nèi)流區(qū)植被（包括草地、林地和耕地）總面積增加了719 km2，增加幅度約為2.4%（其中：草地、林地和耕地面積分別增加460、193、66 km2，分別占植被總增加面積的64.0%、26.8%、9.2%）；沙地和鹽堿地面積大幅減小，分別減小542、308 km2；水域面積減小103 km2，減幅為12.7%，湖泊萎縮是其重要原因之一［20］；隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)居民和工礦用地大幅增加，總增加面積244 km2。1980—1999年各類土地利用類型面積變化不大，2000—2018年土地利用變化加快（見圖2），2000年前、后綜合土地利用動態(tài)度分別為1.5%、12.6%。

圖2 1980—2018年黃河流域內(nèi)流區(qū)土地利用類型面積年際變化情況

2000—2018年，內(nèi)流區(qū)有25.7%的土地利用類型發(fā)生不同程度變化（見表1）。未利用地轉(zhuǎn)化為植被覆蓋類型的面積約占變化面積的36.8%，通過造林種草和農(nóng)田開墾等措施，未利用地大量轉(zhuǎn)化為耕地、林地和草地，這在一定程度上反映了近20 a來治沙工作的成效。但內(nèi)流區(qū)土壤貧瘠、干旱缺水、沙多風大，植被生態(tài)系統(tǒng)被破壞后難以恢復(fù)，因此在此自然環(huán)境下大規(guī)模發(fā)展農(nóng)業(yè)可能存在隱患［21］。

表1 2000—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 NDVI的變化

內(nèi)流區(qū)2000—2018年NDVI平均為0.29，庫布齊沙漠和毛烏素沙地NDVI偏低（僅0.16），研究區(qū)南部、東部NDVI較大（見圖3（a））。2000—2018年，內(nèi)流區(qū)約94%的區(qū)域年均NDVI呈增大趨勢，平均增速為1.5%／a，其中約1／3的地區(qū)植被增加趨勢顯著，主要分布在內(nèi)流區(qū)北部摩林河流域、東部紅堿淖流域、南部農(nóng)田分布地區(qū)和毛烏素沙地北部，平均NDVI變化率大于3%／a（見圖3（b））。NDVI減小的地區(qū)主要分布在北部庫布齊沙漠和內(nèi)流區(qū)最西端，表明庫布齊沙漠和西部極端缺水地區(qū)目前存在程度較輕的植被退化趨勢，但在未來氣候暖干化的背景下［22］，該退化程度可能加劇。

圖3 2000—2018年內(nèi)流區(qū)NDVI空間分布特征

為深入辨識2000—2018年黃河流域內(nèi)流區(qū)不同土地利用植被變化規(guī)律，將2000年和2018年土地利用圖疊置，識別未變化的土地利用類型（耕地、林地、草地和未利用地）和未利用地轉(zhuǎn)化類型（未利用地→耕地、未利用地→林地、未利用地→草地），分析不同土地利用類型的NDVI變化趨勢（見圖4，直線表示趨勢線，括號內(nèi)數(shù)據(jù)表示年際變化率）。對未變化的土地利用類型而言，農(nóng)田NDVI增長最為顯著，增長率為0.009／a，面積增速為2.05%／a；內(nèi)流區(qū)通過實施建設(shè)沙漠鎖邊防護林、圍封禁牧休牧、天然林保護等生態(tài)恢復(fù)措施，林地、草地和未利用地植被得到逐步恢復(fù)，NDVI增長率為（0.004～0.007）／a，植被面積增速為（1.37%～1.85%）／a。隨著三北防護林、退耕還林還草等國家重點工程的相繼啟動，治沙成為毛烏素沙地的重要任務(wù)，在此過程中創(chuàng)造性地使用了飛播造林、草格固沙等措施，通過人工種植小型灌木林和植草等方式提高沙漠植被覆蓋率［23］。未利用地（主要為沙地）轉(zhuǎn)型為耕地、林地和草地的NDVI年增長率分別為0.008／a、0.006／a、0.004／a，面積增速分別為2.14%／a、2.52%／a、1.50%／a。未利用地轉(zhuǎn)型為林地的NDVI增長率最快，表明小型灌木固沙林（如花棒、檸條和沙蒿等）作為毛烏素沙地重要的治理手段之一效果良好，該措施可有效防止揚沙、促進沙地壤化、加速沙丘固定、減少土壤侵蝕。

圖4 不同土地利用類型NDVI變化趨勢

2.3 降水和潛在蒸散發(fā)量對NDVI的影響

干旱地區(qū)土壤水是影響植被生長的關(guān)鍵因素。研究區(qū)內(nèi)，土壤水最主要的水分來源為降水，而土壤水分損失受潛在蒸散發(fā)的強烈影響。因此，年均NDVI整體上表現(xiàn)出與年降水量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，降水每增加100 mm，NDVI平均可增大0.11；與年潛在蒸散發(fā)量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，潛在蒸散發(fā)量增加100 mm，NDVI平均下降0.14（見圖5（a）和圖6（a））。從年際變化上來看，降水增加越快，NDVI增加也越快，而NDVI的變化與潛在蒸散發(fā)呈現(xiàn)相反趨勢（見圖5（b）和圖6（b））。內(nèi)流區(qū)水資源的匱乏是限制植被修復(fù)和生態(tài)改善的關(guān)鍵因素，水資源增加勢必促進區(qū)域生態(tài)改善。2000年以來，內(nèi)流區(qū)NDVI呈現(xiàn)增大趨勢，但相較于黃河流域其他地區(qū)植被明顯偏稀疏［24－26］。根據(jù)張亞玲等［7］的研究，1998—2012年多年平均NDVI黃河下游（0.70）＞上游（0.55）＞中游（0.48），內(nèi)流區(qū)NDVI明顯偏小。喬木林地蒸騰作用強烈，比灌木林地和草地耗水量更大，在黃土高原退耕還林還草過程中因抗旱性強、生長速度快等諸多優(yōu)點而被廣泛栽種的刺槐、油松等喬木被證明耗水較大，在缺水的干旱－半干旱地區(qū)栽種會造成土壤水過度消耗，最終可能形成“小老頭”樹甚至導(dǎo)致因缺水而成片死亡［27］。因此，在降水稀少的內(nèi)流區(qū)進行沙區(qū)治理和生態(tài)恢復(fù)的過程中，需要選擇合適的植被類型（如耗水量較小的灌木和草本植物），使土壤供水量和耗水量達到相對平衡，從而維持植被的可持續(xù)性，促進生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定向好發(fā)展。

圖5 NDVI與年降水量的關(guān)系

圖6 NDVI與潛在蒸散發(fā)的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文利用長時間序列土地利用數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù)，分析了1980—2018年黃河流域內(nèi)流區(qū)不同時段的土地利用時空動態(tài)以及未轉(zhuǎn)化和未利用地轉(zhuǎn)化后植被的變化趨勢，結(jié)論如下。

（1）1980—2018年，隨著生態(tài)恢復(fù)工程的實施和城鎮(zhèn)化發(fā)展，土地利用變化總體呈現(xiàn)植被（耕地、草地和林地）、城鄉(xiāng)居民和工礦用地面積增加，未利用地和水域面積下降的趨勢。其中：2000—2018年土地利用變化比2000年以前更為顯著，內(nèi)流區(qū)25.7%的地區(qū)土地利用類型發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為未利用地轉(zhuǎn)化為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)居民和工礦用地。

（2）2000年以來，內(nèi)流區(qū)NDVI普遍呈增大趨勢，平均增長率為1.5%／a，東部和南部NDVI增長較快。2000—2018年，受益于農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善以及天然林保護、圍封禁牧休牧、退耕還林還草等生態(tài)恢復(fù)工程的實施，內(nèi)流區(qū)耕地、草地、林地和未利用地NDVI均有不同程度的增大，增長率為耕地＞林地＞草地＞未利用地；未利用地轉(zhuǎn)化為耕地、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區(qū)生態(tài)治理和恢復(fù)成效顯著。

（3）內(nèi)流區(qū)NDVI變化與降水量呈顯著正相關(guān)，與潛在蒸散發(fā)量呈顯著負相關(guān)，水資源的增加能促進植被恢復(fù)。