黄土高原退耕还林(草)植被恢复状况调查与分析

黄土高原退耕还林(草)植被恢复状况调查与分析

洛杉矶高原的生态环境和植被恢复是一项长期而艰难的任务。目前,以植被恢复为核心的生态建设及其效益的研究已成为国内、外学者研究的重要问题。在水土流失严重的黄土丘陵沟壑区,退耕还林(草)已成为植被恢复、改善生态环境的重要工程吴起县作为退耕还林(草)示范县,经过10a的退耕还林(草)、封山禁牧,植被覆盖度明显提高,植被群落已基本恢复成能与环境相适应的稳定群落,封禁效果基本稳定黄土高原半干旱区生态环境较为恶劣,关于退耕还林(草)以来的植被恢复状况,仍有许多问题亟待探讨,如:目前植被恢复中存在哪些问题,复杂地貌类型中植被恢复的程度存在哪些差异等。针对这类问题,深入研究将会对当地生态建设起到积极作用,但目前与此相关的定量分析尚不多见。本文旨在通过实地调查,利用遥感影像、数字高程等数据信息,深入分析退耕还林(草)以来植被覆盖度变化、植被类型变化以及立地类型差异对植被恢复的影响,提出植被恢复过程中存在的问题,为黄土丘陵沟壑区的退耕还林(草)成果的巩固以及进一步提出有针对性的生态环境治理措施提供参考。1洛河上游上的山地吴起县位于陕西省延安县西北部,地处毛乌索沙地南缘农牧过渡地带,属黄河中游、北洛河和无定河上游,黄土高原梁峁沟壑区,西北邻定边县,东南接志丹县,东北连靖边县,西南毗甘肃省华池县。地理位置东经107°38′57″~108°32′49″,北纬36°33′33″~37°24′27″,总面积3791.5km2数据和方法2.1数据来源及整理本研究使用的数据有吴起县1∶10000地形图、吴起县行政区划图以及2009年吴起县部分小流域土地利用详查数据。采用的遥感影像为:2000年吴起县LANDSATETM影像(分辨率17.3m),以及2009年吴起县SPOT5影像(分辨率12m)。2.2处理数据2.2.1遥感影像预处理使用1∶10000数字化地形图生成数字高程模型(DEM),提取坡度、坡向、海拔等地形要素。选取ETM全色和多光谱数据、SPOT5多光谱遥感数据,利用ArcGIS以及Erdas等地理信息系统软件,对遥感数据进行影像校正、影像镶嵌、影像裁剪、影像增强和融合等预处理。将预处理之后的遥感影像,用于解译流域土地利用/覆盖信息。在获得植被、地形、土地利用等基础数据后,建立主要包括矢量和栅格两种形式的地理信息数据库。2.2.2fvc/ndvi植被覆盖度及其变化是区域生态系统环境变化的重要指标式中:FVC——植被盖度;NDVI——像元NDVI值;k——经验系数,在此取值为1。NDVI2.2.3空间分析指标在黄土丘陵区,坡位(地貌部位)是影响植被分布的主导因子之一,梁守伦等本文选取吴起县DEM图,利用ArcGIS软件中的空间分析模块,分别提取坡度、坡向等信息,坡度分别按照0~15°,15°~35°,大于35°的标准进行分级;坡向按照阳坡(112.5°~292.5°)和阴坡分为两级。之后根据坡度、坡向分级标准,利用栅格计算功能,将吴起县立地条件划分以下几种类型:沟顶/底、阳向缓坡、阴向缓坡、阳向陡坡、阴向陡坡。2.2.4影像基本组件及解译卡的编制2000年ETM影像土地利用类型解译参考了1998年陕西省10万分之一土地利用图。2009年SPOT影像土地利用类型解译主要依据2009年小流域调查编制的遥感解译卡片。利用ArcGIS当中的Overlay功能对2000年和2009年两期土地利用矢量图进行叠加,得到2000年和2009年吴起县植被类型的变化。2.2.5不同植被类型的转出和入库速率计算方法为了能更好的反映植被类型的动态变化过程和趋势,计算了2000年至2009年吴起县不同植被类型的转移矩阵,并计算不同植被类型的转出和转入速率,引入归一化处理的变化指数D3结果与分析3.1植被覆盖度分析基于NDVI计算出植被覆盖度,计算出各级覆盖度面积比例(表1)并绘制植被盖度分级统计图(图1)。在盖度分级时,采用了土壤侵蚀强度分级中对盖度的分级方法。从图1中可以看出,2000年植被盖度多在15%以下,从东南向西北方向植被盖度越来越小,南部和东部零星分布着盖度在30%以上的植被。从2000年到2009年植被盖度显著增加。结合表1可以看出,2009年吴起县大部分县植被覆盖度在30%以上,其中44%的县域面积上植被覆盖度大于45%,而2000年还不到1%。盖度在15%以下的面积比例由89.18%锐减到0.01%。3.2遥感影像分辨率低表2给出了吴起县2000年与2009年各主要植被类型的面积、比例及其变化的面积和比例。其中吴起县2000年的高覆盖草地数据为零值,原因有:(1)吴起县的退耕还林(草)始于1998年,根据10万分之一土地利用图,1998年的高覆盖草地面积为零,2000年的高覆盖草地尚为少数;(2)2000年吴起县遥感影像为ETM影像,分辨率较低,难以区分中覆盖度草地与高覆盖草地。从表2可以看出,对比2000年和2009年各主要植被类型所占吴起县总面积的比例中,林地面积大幅度增加,其中以灌木林和疏林地面积增加最为明显;高覆盖草地面积增加,中、低覆盖草地面积均减少;农用地水域、建设用地等面积均增加。2000年各类土地利用类型面积大小顺序为:中覆盖度草地>坡耕地>低覆盖度草地>灌木林地>梯田和川地>疏林地>有林地>其他;2009年各类土地利用类型面积大小顺序为:中覆盖度草地>灌木林地>疏林地>低覆盖度草地>坡耕地>高覆盖度草地>有林地>梯田和川地>其他。若将有林地、灌木林地、疏林地合并为林地类型,高、中、低覆盖草地合并为草地类型,坡耕地、梯田和川地合并为农用地类型。2000年至2009年,林地所占总面积的比例从6.17%上升到35.19%。草地面积从69.86%减少到51.61%,农用地面积从23.75%减少到12.26%。可见退耕还林(草)的效果非常明显。3.3阴向缓坡各立地类型植被类型变化的趋势吴起县5种立地条件下2000年和2009年各种植被类型的面积以及变化情况如图2所示。从图2a可以看出,梁峁顶/沟底是吴起县生境条件较好的立地类型。灌木林由2000年占梁峁顶/沟底植被总面积的2.84%上升至2009年的18.07%;其次是疏林地,由3.21%增加至2009年的12.10%;高覆盖度草地增加至2009年的5.52%,而中覆盖度草由38.70%大幅降低至18.45%。阳向缓坡灌木林地和疏林地皆有一定幅度的增加(图2b),2009年有林地的面积达到4.3%;中覆盖度草地仍旧是阳向缓坡主要植被类型,但从2000年的55.89%降低至2009年的30.42%,低覆盖草地由19.69%减少至15.18%,而高覆盖度草地增加至9.47%;阴向缓坡上(图2c),植被类型变化的趋势与阳向梁峁坡上植被类型变化趋势基本相同。灌木林地由2000年占阴向缓坡植被总面积的3.79%增至2009的19.16%,有林地由0.80%增至的5.72%,疏林地由2.50%增至的16.27%;中覆盖草地仍旧是面积最大的植被类型,但由2000年的47.71%降至2009年的28.35%,高覆盖度草地面积增加至9.17%;坡耕地面积由25.03%减至8.43%。阳向陡坡是吴起县生境条件最差的立地类型。从图2d中可以看出在阳向沟坡,除了中低覆盖度草地以外的各种植被类型面积的面积比例都明显低于其他立地类型;有林地、灌木林、疏林地的增幅不大,2009年分别只占阳向陡坡总面积的0.51%、2.85%和1.95%;高覆盖度草地面积占2009年阳向陡坡植被总面积的13.50%,中覆盖度草地由64.97%降至42.03%,低覆盖度草地变化水平几乎持平,变化及其微小;坡耕地由10.86%降至4.09%。说明退耕还林(草)以来,阳向陡坡中覆盖度草地自然恢复效果较好,但生长在极其恶劣生境的低覆盖度草地几乎难以恢复。阴向沟坡的植被变化趋势好于阳向陡坡(图2e);林地类型中,增幅最大为疏林地,2000年占阴向沟坡总面积2.37%,2009年增至14.96%,灌木林由3.86%增至9.78%,有林地由0.74%增至3.82%;高覆盖度草地增至12.80%,中覆盖草地由54.81%减至41.36%,低覆盖度草地由19.52%减至14.35%。3.42植被类型转变速率和状态指数根据植被类型转移矩阵的数据,进行统计,获得2000年至2009年植被类型转变速率和状态指数表,如表3。可以看出,2000年至2009年期间,转出量最大的是中覆盖度草地,转出面积达到104842.18hm根据变化状态的取值范围及其含义4植被恢复基本情况通过对吴起县植被恢复情况的分析,可以得出以下结论:1)2000年全县植被建设尚处于起步阶段,截至2009年植被建设获得显著成效。2000年,植被盖度低于15%的面积占全县总面积的89.18%;2009年,植被盖度低于15%的面积已很少。2000年至2009年,植被覆盖度大于30%的面积在全县总面积中的比例由不足1%上升至91.96%。2)2000年至2009年,植被类型发生显著变化。林地面积占全县植被总面积的比例从6.17%上升至35.19%,草地面积所占比例从69.86%降低至51.61%,耕地面积所占比例从23.75%降低到12.26%。3)不同立地类型条件下,植被恢复状况存在较大差异。在沟底、阴向/阳向缓坡这些生境较好的立地类型,林地和高覆盖度草地的面积大幅度增加,中低覆盖度草地面积大幅度减少;而在阳向阴向陡坡中,林地面积增加缓慢,低覆盖度草地难以恢复,但中覆盖度草地恢复较好。4)林地和高覆盖度草