1、流域植被覆蓋格局時空演變研究綜述Review: Analysis of Spatial and Temporal Variation of Watershed Vegetation Cover Pattern1前言土地利用/土地覆被變化是全球變化研究的核心內容之一1。植被是土地覆被的最主要部分, 其變化對全球能量循環及物質的生物化學循環具有重要的影響。因此, 植被覆蓋格局變化研究在全球變化研究中具有主要意義。地表植被覆蓋格局變化對地理環境演變產生著巨大影響。對地表植被覆蓋格局變化進行深入、系統研究可以為土地的合理利用、水土流失規律探討、水土保持規劃提供科學依據，對區域社會經濟及生態環境建設都有

2、參考和借鑒意義。植被是連接大氣、土壤和水分的“紐帶”，具有截留降雨、減少雨滴擊濺、減緩地表徑流、增加土壤入滲、保土固土等功能，對削弱侵蝕、減少水土流失起著重要作用2。近20多年來，隨著遙感技術的發展，從不同時相、不同波段等信息可以獲取植被覆蓋動態信息，為研究陸地植被的時空演變提供了強有力的手段，同時由于衛星遙感數據具有空間和時間的連續性，在研究中廣泛應用3。在遙感圖像上，植被信息主要通過綠色植物葉子光譜特征的差異及動態變化來反映。由于不同綠色植被對不同波長光的吸收率不同，光線照射在植物上時，近紅外波段的光大部分被植物反射，而可見光波段的光則大部分被植物吸收，通過對近紅外和紅波段反射率的線性或非

3、線性組合，可以消除地物光譜產生的影響，得到的特征指數稱為植被指數。植被指數是遙感領域中用來表征地表植被覆蓋、生長狀況的一個簡單、有效的度量參數4，是根據遙感的反射波段的特性計算出來的反映地表植被生長情況、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況的間接指標。常用的植被指數有歸一化植被指數(Normal Difference Vegetation Index，NDVI)、比值植被指數(RVI)、增強型植被指數(EVI)等，其中歸一化植被指數(NDVI)是反映植被所吸收的光合有效輻射比例的一個重要指數，也是目前植被監測常用的參數，因為NDVI的變化在一定程度上能代表地表覆被的變化5-6。植被覆蓋格局與水土

4、流失有著密切的聯系，合理的植被覆蓋格局有助于控制水土流失。因此水土流失研究不僅要研究水土流失對土壤理化性質及養分流失的影響，而且要從植被覆蓋格局入手，探討兩者之關系。國內許多研究從景觀生態學的角度全面分析和探討了流域的產沙機制，表明流域土壤侵蝕狀況是由農、林、草地等生態系統之間產流與攔蓄兩種作用相互影響的結果，其中作為地表徑流滯納區的林草植被斑塊起重要作用。根據其對黃土高原小流域進行的研究，發現農田、林地、草地等要素的配置與坡地的土壤侵蝕有密切的關系14-16。國外的有關研究也認為植被覆蓋格局即不同土地利用類型的組成對土壤侵蝕有重要影響，合理的植被覆蓋格局將有利于水分和養分的循環，從而提高生物

5、的生產力和改善區域生態環境問題，而不適宜的植被覆蓋格局將導致水分和養分循環失調，帶來水土流失等生態環境問題17。黃土高原是中國乃至世界上土壤侵蝕最為嚴重的地區，也是引起黃河下游河道淤積的物源區。該區土壤侵蝕和水土流失的發展方向受到不同領域學者和科學家的高度關注，并開展了卓有成效的研究工作18-19。在諸多影響侵蝕的因素中，植被的根本作用得到人們的充分肯定。2國內外研究現狀地表是否有植被及其長勢好壞是干旱區生態環境質量的重要指標。考察植被覆蓋的時空變化規律能直觀地反映生態環境質量隨時間的變化規律，隨著遙感對地觀測技術的發展，利用各種遙感數據進行植被檢測和植被覆蓋變化的研究日益增多。其中，具有高時

6、間分辨率、低空間分辨率且價格低廉的遙感數據在全球及區域等大尺度植被覆蓋變化研究中得到了廣泛的應用，并顯示出無可比擬的優越性，使過去難以實現的大尺度植被動態變化研究成為可能20。常用于植被監測的衛星傳感器包括NOAA-AVHRR，SPOT，SPOT-VEGETATION，MODIS，Landsat TM和ETM+(7)，ASTER，SPOT 4和5，IKONOS，Quick Bird。在時間系列長度上，AVHRR從1980年開始被處理和使用，SPOT-VEGETATION從1998年開始提供完成預處理的數據，MODIS從2000年開始接收數據。由于同時具有時間系列長、周期短、覆蓋范圍廣、成本低、

7、波段寬等優勢，AVHRR數據是目前最常用的進行長時間系列植被年際變化研究的數據源21。SPOT4 與SPOT5 衛星載有植被探測器VEGETATION，具有較高的光譜分辨率和1km 空間分辨率，重復周期1天，可以提供單一的數據集，周期短，覆蓋范圍廣，對植被與大氣敏感，尤其具有多向功能。MODIS則是中尺度遙感的一個重要里程碑，大大提高了人類對地表覆蓋觀測的能力，將在今后的科學和生產中發揮重要作用22。2.1植被覆蓋度變化研究近20年來，學者們開展了大量全球植被活動年際變化及其與侵蝕關系的研究，在這些研究中，遙感成為區域及更大尺度上最為重要的研究手段23。宋怡、馬明國24利用19982004年的

8、SP0T-VEGETATION數據對中國西北植被覆蓋變化進行了分析。李忠峰等25利用1998-2004年的SP0T-VEGETATION數據對榆林地區土地覆蓋變化進行了研究。郭建坤、黃國滿25利用19982003年的SPOT-VEGETATl0N數據對內蒙古地區土地覆被動態變化進行了分析。劉亞玲等27利用19982003年的SPOT-VEGETATION數據對陰山北麓地區植被覆蓋動態進行了分析。李景剛等28利用1983-1999年的NOAA-AVHRR數據和2001年的SPOT-VEGETATION數據對近20年中國北方13省的耕地變化與驅動力進行了研究。Zhou 等29利用1981-1999

9、年NOAA-AVHRR數據, 分析了歐亞大陸和北美洲NDVI 的年、季節變化過程和趨勢; Brogaard等30利用NOAA 數據計算了1982-1999年內蒙古地區草原初級生產力, 并分析了其時空變化規律; Piao等31 利用1982-1999年的NOAA-AVHRR數據, 得出中國溫帶草原NDVI 值呈增加趨勢。李月臣等32基于NOAA-AVHRR數據對北方13省(市、區)l982-1999年植被動態變化進行了分析，結果表明18a間研究區植被總體呈現增加趨勢。此外，為了更好地研究植被覆蓋度的變化趨勢，研究人員還采用了各種分析方法。Lambin和Strahler33利用變化矢量分析法分析了

10、非洲的土地覆蓋變化。Palmer A R和van Rooyen A F34利用Landsat TM數據，采用差值法、均值法和最大合成法對喀拉哈里沙漠南部的植被覆蓋進行了分析。方精云等35利用GIMMS數據采用累積平均法和均值法研究了1982-1999年間中國地區的植被覆蓋度變化，發現我國大多數地區的植被覆蓋度都呈現不同程度的增加趨勢，生長季節的延長和生長加速是我國植被覆蓋度增加的主要原因。樸世龍等36用回歸分析法，采用N0AA-AVHRR數據，研究了中國1982-1999年四季植被活動的變化，發現春季是中國植被平均覆蓋度上升最快的季節。張鐿鋰等37采用趨勢線分析法和影像差異法等利用N0AA-A

11、VHRR數據分析了三江源地區植被指數變化總態勢，通過分析三江源地區植被指數變化狀況及其與主要環境和人類活動因素的空間分析表明，人類活動對植被有著重要的影響，尤其是在人類活動影響區。楊勝天等38利用1982-1999年的NOAA-AVHRR數據通過最大合成法和均值法等對黃河流域的植被覆蓋變化情況進行研究，結果表明，一些重點生態保護區植被覆蓋增長率達到13.8，而一些沒有開展保護的生態區植被覆蓋呈下降趨勢，下降速率最大為3。閻福禮等39利用NOAA-AVHRR數據, 應用圖像差分技術、生物量變化線性方程斜率和主成分分析方法, 對1981-2001年中國西部地區植被變化進行了時間序列分析。2.2植被

12、覆蓋格局變化研究植被覆蓋格局變化研究可以理解為對植被覆蓋格局的時間和空間異質性的研究。利用植被格局指數，開展不同時空尺度植被覆蓋格局演變特征的定量化研究，是植被覆蓋格局變化研究的一個特點。目前研究工作主要借助FRAGSTATS軟件包，從斑塊類型水平和景觀水平上選取景觀指數進行分析71-73。遙感數據的廣泛應用及其與GIS相結合，成為探討植被覆蓋格局演變，揭示空間變化規律，建立植被覆蓋格局演變數量模型的有效手段。景觀的數字化往往以土地利用類型圖作為參照來確定景觀類型。因此，植被格局指數的計算結果不僅受到同一景觀類型圖所帶來的幅度效應和粒度效應的影響，而且會受到不同景觀分類圖所帶來的影響。趙文武等

13、43以延河流域1:25萬和1:50萬土地利用圖為對象，通過比較不同比例尺下景觀指數隨粒度增加(粒度值從25400m)的變化特征發現，除多數景觀指數具有明顯的粒度效應之外，不同比例尺的土地利用類型圖存在進行景觀指數計算的適宜粒度范圍，如1:25萬和1:50萬土地利用圖的適宜粒度范圍分別是7090m，90120m。楊麗等44以涇河流域1:10萬比例尺下的景觀類型圖為研究對象，探討景觀指數計算的適宜粒度范圍。結果表明，基于1:10萬的景觀類型圖進行景觀指數計算的適宜粒度范圍為3040m。土壤侵蝕作為黃土高原地區主要生態環境問題，其發生和發展受植被覆蓋格局演變的影響較為深刻。常規的植被格局指數和泛泛的

14、植被覆蓋格局分析顯然難以揭示這種復雜的關系。許多學者對此進行了積極探索。陳利頂等45提出了“源匯”景觀理論，并構建了源匯景觀空間負荷對比指數，來定性評價一個地區植被覆蓋格局對生態過程影響，已在水土流失、污染物遷移研究方面得到較好的應用和發展46-47。此外，游珍等48從坡面尺度上，提出斑塊順坡連通度、斑塊等高連通度以及斑塊相對位置等指數，并以黃土高原地區黃家二岔流域進行實例研究。研究表明這些指數可以較好地評價坡面景觀空間位置對土壤侵蝕過程的影響。植被覆蓋格局演變特征總是隨著時空尺度的變化而變化，在相同時間尺度下，不同空間尺度的植被覆蓋格局變化特征也會有所不同。一般認為，隨著空間尺度增大，不同景

15、觀類型在各時段的變化幅度變小，但景觀類型之間轉換的復雜性變大。梁峁、溝坡作為流域/區域的基本構成單元，綜合了土地利用演變、水系匯流、地貌發育、土壤生成/退化等過程。黃土高原地形破碎，溝壑縱橫，眾多自然和人文過程都直接發生于坡面，促進和控制著土壤侵蝕的發生和發展程度，因此植被覆蓋格局演變在坡面上的變化將至關重要。在坡面上，地形通過地貌過程，對植被的自然演替及其分布格局生產影響，而人為干擾使得植被乃至土地利用格局演變過程更為復雜。然而，受限于數據精度、觀測手段等因素，常規的方法很難從空間上定量刻畫坡面植被覆蓋格局的多樣化，進而來探究其演變規律。但隨著認識和研究的深入，在高分辨率遙感影像數據和其他環

16、境變量數據的支持下，坡面尺度上植被覆蓋格局的定量化表達精度將不斷被提高，探討坡面尺度上植被覆蓋格局演變與生態過程之間的關系將成為可能。小流域/流域是黃土丘陵溝壑區自然地貌的基本單元，研究其格局演變特征有助于理解流域內部土地利用、水文響應等過程。許多土地利用/覆被變化研究都是從小流域/流域尺度上展開的49-51。盡管小流域/流域尺度上的研究對揭示中小尺度上植被覆蓋格局演變特征更為準確，然而，由于研究目的、時段和評價指標的不同，不同流域間植被覆蓋格局演變特征相差較大，即便是同一流域尺度上，植被覆蓋格局演變特征因植被覆蓋格局分析方法不同而異，因此，如何在數據、指標選取上建立一些標準來提高研究結果的可

17、比性，不僅對小流域/流域尺度，而且對其他尺度上的植被覆蓋格局演變研究都具有重要意義。縣域是區域發展的基本單元，把握縣域尺度景觀格局演變的規律和驅動因素是實現區域可持續發展的重要基礎。張秋菊等52分析了安塞縣1980-2001年間土地利用變化的特點。發現安塞縣耕地、水域與未利用地面積大幅度減少，林地、牧草地與居民點及工礦交通建設用地的快速增加，不同時期土地利用變化的結構、速度有很大差異。王曉峰等53對近14年榆林北6縣土地利用變化進行研究表明，耕地和未利用土地的減少最為明顯，轉變幅度最快的是園地和建設用地，農用地內部各地類轉換劇烈，農用地和建設用地之間的轉換明顯。卞德鵬等54分析了吳起縣1950

18、-2005年50多年來耕地數量變化的過程，發現耕地呈現明顯的下降趨勢。焦峰等55人對黃土丘陵區縣域尺度整體景觀格局分析表明，人類活動對各種景觀類型的優勢度的影響十分顯著，集中體現在坡耕地和荒坡地上，隨著人類活動影響的增強，景觀破碎度指數呈顯著增加趨勢，斑塊形狀受地貌形態因素的影響更為顯著，集中體現在有林地和荒坡地上，其形狀指數值大于其它景觀類型。由于縣域作為一個相對獨立的經濟單元，自然資源、社會統計資料便于獲取，因此定量化分析土地數量變化同其他影響因子之間的關系成為探討土地利用變化驅動機制的主要途徑。然而在分析縣域尺度上土地利用格局空間特征方面存在明顯不足。區域作為人口、資源、環境相互作用較強

19、的單元，其土地利用變化研究不僅能夠揭示區域社會經濟和自然環境之間的相互關系，而且可以為更大尺度或全球環境變化研究提供基礎。郭麗英等56以Landsat TM遙感影像為基本信息，應用景觀格局指數分析法，對榆林市土地利用格局變化進行了研究，結果表明，區域景觀多樣性在下降，景觀優勢度逐漸提高，而破碎化程度在增強。植被覆蓋的時空變化是自然和人類活動交互作用的結果，因此探討植被覆蓋格局變化的時空特征對認識區域土地利用/土地覆被變化具有重要意義。信忠寶等57利用GIMMS和SPOT-VEGETATION兩種歸一化植被指數數據從更大尺度上對黃土高原地區1981-2006年期間植被覆蓋的時空變化進行了研究，研

20、究發現，黃土高原地區植被覆蓋變化存在顯著的空間差異，內蒙古和寧夏沿黃農業灌溉區和鄂爾多斯退耕還林還草生態恢復區的植被覆蓋明顯提高，而黃土丘陵溝壑區和六盤山、秦嶺北坡等山地森林區植被覆蓋明顯退化。區域尺度土地利用格局變化研究是全球變化研究重要內容，然而，目前該領域還存在針對性研究缺乏、空間特征分析不夠深入等問題。在景觀生態學中，時間尺度是指某一現象或事件發生的(或取樣的)頻率或事件間隔。植被覆蓋格局演變在時間尺度上具有明顯的依賴性，表現為各種干擾因素和生態演替驅動下不同景觀斑塊隨時間的變化過程。由于植被覆蓋格局的數據多依賴于各種圖形和影像資料，植被覆蓋格局演變研究時間尺度的選擇與遙感影像數據獲取

21、時相有很大關系。植被覆蓋格局總是處于不斷變化之中，在短時間尺度上植被覆蓋的季節變化特征較為明顯58，如農地蓋度隨季節而變化，一般在8月份達到了最大值59。也可以借助長時間序列植被指數來監測區域的植被覆蓋格局變化狀況60。在黃土高原地區，長期的、大規模的生態建設對植被覆蓋格局改變的影響最為明顯，許多研究都是依此背景來展開。游珍和李占斌61從長時間尺度對紙坊溝流域景觀格局特征進行了研究，發現從20世紀30年代以來，研究區景觀格局變化經歷了急劇破壞(1958年左右)、緩慢恢復(1975-1990年)、基本保持(1991-1997年)和快速恢復(1998-1999年)的4個階段，每個階段景觀格局演變特

22、征鮮明。2.3植被覆蓋格局對地表產流產沙影響植被與水土流失的關系一直是人們研究的重要內容。多數研究認為增加植被覆蓋度是控制水土流失的重要舉措，但不同的植被類型及其搭配組合控制水土流失的效益不同，且裸地與植被鑲嵌構筑成水土流失的源-匯格局，合理的鑲嵌格局可以保持水分、養分和植物種子，有利于植被的生長，進一步增強水土流失控制能力。要想有效控制水土流失，需要合理的植被空間分布格局。而植被與水土流失過程的關系隨著尺度的不同又會發生變化，增加了其復雜性，構成了一個等級體系，要想達到有效控制水土流失的目的，必須從斑塊、坡面到流域區域甚至全球的尺度理解兩者之間的相互作用機制。3.3.1單株植被/斑塊尺度大量

23、研究表明，植被是土壤侵蝕的重要影響因素。植被覆蓋度的增加會攔截降雨，降低降雨能量，進而減少降雨侵蝕力，覆蓋度對土壤侵蝕的影響關系，有些用直線形式或指數形式來表達，很多研究也探討了有效植被蓋度的問題62，認為只有達到一定蓋度之后才能起到減輕土壤侵蝕的作用。植被能夠改善表土的土壤結構、物理化學和水文性質63以及微地形，這些性質的改變會進一步影響水土流失，如降低土壤可蝕性、增加土壤入滲能力。Ziegler和Giambelluca64在Kaho Olawe島測定了土壤的物理和水文性質，評價了植被恢復對產流和加速侵蝕的影響，飽和導水率和土壤吸附力的數據證明植被恢復區和裸地區入滲能力有顯著差異。植被斑塊的

24、分布通常伴有坡面上微地形的改變，往往在植株上坡向形成小土堆，從而打破了坡面的連續性。植被覆蓋格局從對水土流失有著直接或者間接的作用。不同的植被類型，有不同的分層結構，各個層次的形態等特征也有顯著差異，進而對水土流失的影響會有不同。針對單株植被的小環境，Bohe等人65以植株為中心向外到裸地，對表土性質和濺蝕進行了觀測，對比了半干旱地區3種常綠有刺灌叢植被的減蝕效果，結果表明它們的減流減沙方式有所不同。冠層相對稠密的Sipa草叢，具有屏蔽效應，削弱了降雨侵蝕力，減少了濺蝕；Casermeiro等人66在西班牙馬德里對29個自然小區進行了模擬降雨觀測，結果表明植被蓋度是主要的減流減蝕因子。植被的結

25、構也很重要，尤其具有分層結構的植被群落比單層植被更能保護土壤，減輕水蝕程度。Gonzalez Hidalgo等人67在西班牙內陸選擇兩個試驗點，分析了植被覆蓋和泥沙輸移的關系，結果表明植被的個體結構，以及植被之間的組合搭配是泥沙輸移的重要影響因子，控制著侵蝕的過程和格局。斑塊尺度的研究表明要想有效的控制水土流失，必須結合當地環境條件合理選擇物種及其搭配，尤其要注意植被的垂直結構和形態特征。3.3.2坡面尺度坡面是地理過程發生發展的重要地理單元，也是流域/區域的基本構成單元。坡面的物質構成和坡面上物質和能量的流動一直是生態學家、地理學家研究的重要對象，尤其土壤侵蝕研究一直把注意力放在坡面上，而且

26、對坡面的觀測具有可操作性，是數據的重要來源。坡面的坡度、坡向以及土壤性質對植被生長和分布格局都有很大的影響作用，對產流和土壤侵蝕也有著直接影響，坡面上的植被類型、植被在坡面上的位置對水土流失也有直接的控制作用，而水土流失過程和格局又反過來影響植被生長和分布。Sanhez等人68在委內瑞拉安第斯山地區用徑流小區法選擇4種植被類型對土壤侵蝕進行了定量研究，結果表明不同植被類型及其管理措施對土壤侵蝕的影響程度不同。Cerda69在西班牙東南部山區的人工降雨試驗研究表明極端降雨條件下坡位對侵蝕速率沒有影響；由于局部的高入滲特征，使得在整個坡面尺度上沒有產流；坡面內植被是土壤侵蝕和產流的最重要控制因素。

27、Lopez-Bermudez等人70在西班牙Muria利用徑流小區研究了地中海半干旱氣候下的土壤侵蝕與植被之間的關系。兩年的觀測結果表明，在常綠帶刺灌叢的控制下，山坡尺度的產流和土壤流失量較低。Fullen71在英國Shropshire布設了10個徑流觀測小區，用以分析草地的產流侵蝕效應和對土壤有機質的影響。結果表明，伴隨著草地覆蓋的增加，侵蝕速率在不斷降低。侵蝕速率與坡度沒有很好的相關性，說明即使在陡坡條件下這種措施也起到了有效的作用。在植草措施小區里土壤有機質顯著增加，2a后平均0.39，4a后平均0.78。土壤可蝕性顯著降低，試驗證明將裸地植草是一種有效的水保措施。植被的存在往往影響侵蝕

28、產沙過程，影響侵蝕運移的土壤顆粒組成。Martinez-Mena等人72在西班牙東南部，建立了兩種徑流小區，一種是自然植被覆蓋，另一種人工除去自然植被(擾動小區)。通過4a的泥沙取樣，表明兩種小區的徑流對泥沙的運輸都具有選擇性。植被覆蓋對泥沙的粒徑分布有顯著的影響，尤其在高雨強的降雨事件中更為明顯。最大30min降雨強度I30在40mm/h處是擾動小區產沙粒徑分布產生變化的臨界值，超過這個值后，團聚體被破壞，徑流中攜帶的砂粒將會增加1020，而有植被覆蓋的小區產沙粒徑沒有隨雨強變化而變化。自然植被小區中，植被會減少50的產生侵蝕的降雨能量，75的產生徑流的能量，阻止了團聚體的破壞，以及粗顆粒的

29、運移。并且指出對有植被覆蓋的小區，雨滴是主要的侵蝕因子，而對無植被覆蓋的小區，雨滴和徑流都是侵蝕的動力。近年來許多研究表明水分和泥沙的源-匯植被驅動格局與坡面物質流動協同發展，調控著坡面上物質的空間配置73。Reid等人74根據植被覆蓋的不同將斑塊分成3種類型，冠層斑塊(在木本植被冠層正下方)、冠層斑塊之間的植被斑塊、冠層斑塊之間的裸露斑塊。裸露斑塊的產流和侵蝕速率最高，其次是冠層之間的植被斑塊，最小的是冠層斑塊。結果表明，對產流和產沙而言，3種不同的斑塊類型起到了不同的作用，裸露斑塊起到了源的作用，而其他兩種斑塊類型起到了匯的作用，在較小尺度下，這種徑流和泥沙的輸移過程具有重要的生態意義(可

30、以獲取水源)。格局控制過程，過程影響格局，格局與過程是景觀生態學研究的核心內容之一，構建反映生態過程的格局指數一直是景觀生態學家的重要研究方向。Imeson和Prinsen75認為裸地-植被鑲嵌格局可以指示水土流失源-匯格局的幅度、空間分布和連通性，提出了4種景觀格局指數，用來表征水土流失格局和過程，將景觀格局和由其控制的生態過程聯系起來。坡面尺度的不同植被類型、裸地-植被斑塊鑲嵌格局、植被的條帶格局對坡面生態管理具有重要意義，尤其在干旱半干旱地區，是坡面植被恢復格局設計的重要參考。2.3流域/區域尺度流域/區域尺度植被與環境因子、與水土流失的關系更加復雜，更多的受到了地貌特征的影響。因此多數

31、研究是從不同地貌部位的植被及其分布格局、不同植被覆蓋類型及其格局的水土流失效應方面進行探討。Guerrero-Campo等人76在西班牙東北部通過植被調查發現，海拔高度和坡向決定了植物群落的空間格局，這些格局與土壤和土壤侵蝕特征以及某些植被特征有緊密的聯系。較高的多年生植被控制著谷底，灌叢主要控制著山坡和山頂。有效水分、土壤深度和土壤顆粒的下移決定了這種植被隔離格局。許炯心77和Xu78以黃土高原為例研究了降雨-植被-侵蝕的關系，找出了對植被覆蓋度和土壤侵蝕強度及其兩者關系有很大影響的臨界降雨量，為植被恢復和生態建設提供了重要依據。另外，許多研究也表明流域尺度的植被空間變異對水土流失過程和格局

32、會產生很大影響，加上降雨的時空變異使得二者之間關系更加復雜。由于大尺度調查的難度，遙感和地理信息系統技術成為獲取和分析數據的重要手段，許多研究根據植被光譜特征提出了反映植被覆蓋度的植被指數，并構建植被與環境因子的關系模型，土壤侵蝕預報模型中植被指數的參數化也是重要的研究內容。為了服務于流域/區域管理，許多研究提出了流域/區域水土流失預報模型，用于模擬不同土地利用/覆蓋情景下的水土流失效應。流域水土流失預報與評價模型可以作為植被覆蓋格局優化設計的重要工具，使得格局與過程緊密聯系起來，可以深化對景觀生態學的認識。基于數據的可獲得性和模型的簡單易用性，經驗模型得到了很快的發展和廣泛應用。Van Ro

33、mpaey等人79引入了SEDEM模型(Sediment Delivery Model)，在RUSLE土壤侵蝕預報模型的基礎上加入了泥沙輸移的模擬，較好的預測了輸入河流的泥沙量，并且可以模擬土壤侵蝕與泥沙沉積的空間分布。此模型可以模擬不同土地利用/覆蓋格局和水土保持措施的水土流失效應，在其他地區的應用獲得了很好的效果。Fernandez等人80以及Fu和McCool81將RUSLE、SEDD(Sediment Delivery Distributed)和GIS相結合，對流域的土壤侵蝕及泥沙輸移路徑進行了模擬，可以用于模擬不同土地覆蓋情景下的水土流失效應。雖然流域模型得到很大程度的發展，但總體來

34、講，大尺度的水土流失預測尤其空間分布格局的預測仍然是一個熱點也是個難點，需要進一步深入的探討。流域/區域尺度的研究更多的是對一定氣候條件控制下土地(植被)覆蓋-水土流失效應方面的探討，尤其土地覆蓋水土流失效應預測模型更是流域/區域管理的迫切需要，可以為土地利用類型選擇及格局規劃和設計提供服務。尺度不同決定了研究方法的差異。上述研究中，坡面及以下尺度主要使用了定點采樣、室內試驗、小區監測等方法，而在流域/區域尺度主要采用站點(水文、降雨)監測、遙感監測、GIS分析和數學模擬等方法。2.4當前研究不足及今后展望由以上可以看出，近年來在植被覆蓋格局變化及其對植被水土保持功效的影響方面的研究，已經取得

35、了豐富而寶貴的經驗和成果。同時，發現在研究流域植被覆蓋格局對產流產沙的影響時，與侵蝕因子（如坡度、坡向等）結合不夠，這樣所得結果僅能說明某處植被覆蓋在某一特定情況下的試驗結果，而不能代表所有植被在這種條件的結果，也就是說研究成果很難在大范圍內推廣應用。3研究的目的和意義植被是維持區域生態環境健康的重要因素。植被覆蓋可以有效降低雨滴能量、增加土壤入滲、減少徑流量與泥沙量20。由于植被覆蓋度與徑流量、土壤流失量之間的強相關性，我國長期以來主要以植被覆蓋度評價研究植被的水土保持功能21-26，但是由于不同學者研究的對象、區域以及方法和目的的差異，使得研究結果在推廣使用時存在著難以對比的問題27-35

36、。根據地形差異揭示植被空間分布規律，了解相關的自然和人為因素影響是植被生態學研究的一個重點領域36-38。在山地生態研究中，高程、坡度和坡向是衡量地形分異的3個主要特征，也是決定植被生境其他要素分異(如土壤、小氣候和水文等)的主導因子39-41。地形影響一方面可以表現在植被垂直帶譜、群落分布和種群分布等不同生物組建層次上42-44；另一方面也可以表現在生物多樣性分布、群落結構甚至物種的能量結構上43,45-47，是山區植被空間分異的主要因子。黃土高原發生水土流失嚴重的廣大地區，多為天然植被遭到破壞生態環境脆弱地區48，因此，其演變趨勢已經成為相關領域的研究重點。植被在有效控制水土流失、改善生態

37、環境中具有重要作用，是影響土壤侵蝕的重要因素之一，也是加速或者控制土壤侵蝕的敏感因子，植被覆蓋一直是黃土高原生態環境變化的重要指標。同時，植被覆蓋反映了黃土高原地區生態環境的整體狀況。因此，黃土高原植被覆蓋狀況一直被公眾和科學界所關注。自從國家實施退耕還林還草和天然林保護政策以來，僅19992001試點期間西部地區完成退耕還林124.5萬hm2，荒山荒地造林109萬hm249。研究黃土高原植被覆蓋格局的變化對水土流失的防治具有重要意義。加強黃土高原植被覆蓋格局時空變化研究，有助于更好地理解和模擬陸地生態系統的動態變化特征。研究選擇黃河流域水土流失嚴重，植被覆蓋度較低的北洛河流域。北洛河流域是黃

38、河中游地區的二級支流，其上游吳起縣屬于典型的陜北黃土丘陵溝壑區，據統計，全縣25以上坡地面積占全縣總面積的56.86，屬極強度水土流失區。造成如此強烈水土流失的原因，除自然因素以外，人類社會的經濟活動起著主導和決定性作用，植被破壞是其中的重要因素之一。吳起縣自退耕還林以來，植被恢復效果顯著，植被覆蓋率得到了普遍提高；由退耕前的19.2提高到目前的69.8，年土壤侵蝕模數呈逐年減少趨勢，由退耕前的15280.2t/km2a減少到目前的5865.1t/km2a，減少9415.1t/km2a50；土壤的理化性質得到了明顯改善，土壤容重降低，持水能力增強，養分含量增加，成為全國退耕還林第一縣。政策實施

39、對區域植被覆蓋格局帶來了深遠的影響，對植被覆蓋格局的變化導致的該區域生態系統服務功能變化趨勢進行分析，其結果對黃土高原的治理和政策的實施有一定指導意義。因此，分析北洛河流域植被覆蓋格局的演變，對黃土高原地區的環境建設及水沙變化研究提供科技信息支持。4參考文獻1 李秀彬.全球環境變化研究的核心領域土地利用/土地覆被變化的國際研究動向J.地理學報, 1996 ,51 ( 6):553 -5572 孫紅雨，王常耀，牛錚，等. 中國植被覆蓋變化及其與氣候因子的關系基于NOAA 時間序列數據J. 遙感學報,1998,2(3)：204-210. 3 武永利,欒青,趙永強,等.近25年山西植被指數時空變化特

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