黄土高原植被降水利用效率对植被恢复/退化的响应

基于2000-2014年MODIS NDVI数据及气象数据,运用累计降水利用效率变化差异（CRD,cumulative rain use efficiency differences）估算模型和基于地形要素降水量插值法,探讨2000-2014年黄土高原RUE（降水利用效率rain use efficiency）对植被变化的响应,以期为黄土高原生态可持续发展提供数据支撑。结果表明：黄土高原大部分地区植被覆盖得以改善,其面积约占总面积的81%,区域边缘植被覆盖退化严重。黄土高原降水利用效率RUE与累计NDVI的相关性总体表现为“东南呈正相关,西北为负相关”的空间格局,全区相关系数以正相关为主。黄土高原CRD与植被变化趋势的相关性显著,其中,植被退化背景下,植被退化程度越严重,RUE越低;植被恢复背景下,RUE受“退耕还林还草”作用显著,2000-2005年,RUE呈上升趋势,2007年后,随着退耕还林还草政策的工作重心转移,RUE呈波动变化。     

黄土高原植被覆盖度变化的地形分异及土地利用/覆被变化的影响

基于16 d合成MODIS NDVI数据提取的时间序列植被覆盖度数据,采用一元线性回归趋势分析,对黄土高原2000-2008年植被覆盖度的时空变化及其地形分异、土地利用/覆被变化的影响进行了定量分析。结果表明：（1）研究时段黄土高原植被覆盖度整体呈快速上升趋势,局部下降;（2）黄土高原植被覆盖度变化存在明显的地形分异,陡坡等植被恢复、重建和保育的主要区域植被覆盖度增速显著;（3）土地利用/覆被变化对植被覆盖度的增加影响突出,土地利用/覆被类型变更区植被覆盖度增速显著高于未变化区域,退耕还林还草区增速尤其突出;（4）土地利用/覆被类型未变化区域植被覆盖度总体上也呈增加趋势,但因植被覆盖度水平相对较高,增速明显低于土地利用/覆被类型变化区。上述结果表明,黄土高原植被保育、植被恢复和重建在植被覆盖度提升方面取得了明显成效。     

近10 年陕甘宁黄土高原区植被覆盖时空变化特征

基于2000-2009 年MODIS-NDVI 植被覆盖指数, 采用线性趋势分析、Hurst 指数和偏相关系数等数理分析方法, 对陕甘宁地区“退耕还林还草”实施10a 来植被覆盖时空变化特征、影响因素及其未来变化趋势进行分析。结果表明:① 2000-2009 年陕甘宁地区植被覆盖呈现明显增加趋势0.032/10a, 远快于三北防护林工程区1982-2006 年植被覆盖平均增速0.007/10a;② 陕甘宁地区植被恢复具有阶段性, 整体呈“S”型增长, 具有两次明显的植被高恢复期;③ 陕甘宁地区植被恢复以轻微改善为主, 中度改善次之, 呈退化趋势区域比重较小(2.38%), 零星分布于宁南八县、定边东部、甘肃陇东的环县和镇原;④ 陕甘宁地区植被覆盖度逐年提高、生态环境持续改善是人类活动和气候变化共同驱动, 其中人类经济活动作用明显;⑤ 陕甘宁地区植被恢复具有一定的持续性, 未来大部分区域将持续改善, 退化区集中分布于陕北中东部、“彭阳-镇原”南部以及盐池北部。     

黄土高原植被覆盖变化对生态系统服务影响及其阈值

黄土高原是退耕还林工程的核心区域,是中国生态恢复成效最显著的区域。明确黄土高原植被恢复对生态系统服务的影响,识别植被影响的阈值效应,是学术研究和管理实践共同的需求。然而,目前相关研究仍存在研究空缺,特别是在区域尺度对生态系统服务随植被变化阈值进行识别的研究较少。本文选择植被覆盖度（FVC）为指标表征2000—2015年黄土高原植被恢复情况,以土壤保持服务、产水服务和碳固定服务为指标表征研究区生态系统服务情况,对二者的时空变化及交互作用进行分析,评估植被覆盖变化对生态系统服务的影响,并对影响的阈值进行定量识别。结果显示：① 2000—2015年黄土高原植被显著恢复;生态系统服务变化差异明显,碳固定服务明显增强,土壤保持服务得到一定改善,产水服务较为稳定。② 植被覆盖变化与生态系统服务变化的相关程度存在差异,植被覆盖与碳固定服务的关联性最强,其次为土壤保持服务。③ 植被覆盖增加能够促进区域生态系统服务总体提升,但促进作用存在阈值效应。植被覆盖影响的阈值在林地区、林地—草地区、草地区和草地—沙漠区分别为44%、32%、34%和34%,超过上述阈值,植被覆盖增加的促进作用趋于减弱。     

中国东部典型沙地植被覆盖度对降水变化的响应

降水对中国东部沙地植被覆盖度产生重要影响,了解植被覆盖度对降水量变化的响应,对制定植被恢复策略具有重要意义。选择毛乌素沙地和科尔沁沙地,使用Landsat系列数据和MODIS数据得到2000—2020年归一化植被指数（NDVI）数据集,用像元二分法分别计算了年内最大和生长季平均的植被覆盖度。结合地面气象站在1999—2020年观测的逐日降水数据,分析了植被覆盖度对降水变化的响应。结果表明：（1）毛乌素沙地和科尔沁沙地的年内最大和生长季平均植被覆盖度均有增长趋势,其中毛乌素沙地的生长季平均植被覆盖度>30%的面积增加最显著,科尔沁沙地>50%的面积增加最显著。（2）这两个沙地的年降水量和四季降水量都呈增加趋势,且有降水变率大和夏季增幅最大的共同特点。（3）毛乌素沙地的年内最大和生长季平均植被覆盖度都对前一年夏季降水量变化的响应最敏感,而在科尔沁沙地则是对当年夏季降水量变化的响应最敏感。（4）不同植被类型对降水量变化发生响应的滞后时间不同。     

陕北吴起县退耕还林（草）成效的遥感监测分析

利用GIS综合解译分析NOAA/AVHRR、TM和DEM数据,揭示吴起县退耕还林（草）生态建设工程所取得的实效。1998—2003年NOAA/AVHRR遥感监测表明,吴起县域版图在遥感影像上凸现,这就是该县通过实施退耕还林（草）工程留在大地上的绿色印记,表明吴起县植被状况正在逐年改善,而且植被恢复情况明显好于周围区域。退耕前后的LANDSAT TM影像解译结果对比分析说明,吴起县近年来退耕还林（草）的成绩是显著的,生态环境有了明显的改善。与1997年相比,到2004年该县有81.31%耕地不再耕种,退出的耕地主要变为草地、林地和果园;林草覆盖度增加显著,由1997年的37.06%提高到2004年的83.63%;高坡度耕地绝大部分实现退耕,大于25°的坡耕地89.36%实现了退耕;低植被覆盖度的土地面积在大幅度减少,植被覆盖度小于10%的面积减少了90.91%。土壤侵蚀强度总体上降低,但土壤侵蚀状况仍然严重,需要继续加强治理。     

黄土高原植被对水热状况的响应研究

利用1999~2010年植被覆盖数据、气温与降水量数据,结合经验正交函数、时滞互相关法与奇异值分解法对黄土高原植被覆盖和水热状况进行研究。结果表明,水热组合状况主成分较多且时间变化规律性差,即水热综合状况比较复杂;植被覆盖特征明显。最大时滞相关反映出黄土高原南部小麦等作物对水热响应最快,其次为林木-温性植物-寒性、盐生、旱生植物-强旱生植物,滞后时间0~30 d。奇异值分解得出黄土高原绝大部分区域植被覆盖与水热变化一致,也存在明显负相关区。     

2000-2015年毛乌素沙区植被覆盖度变化趋势

毛乌素沙区是中国生态安全屏障的重要组成部分,土地沙漠化严重,近年来国家和地方政府实施了一系列生态保护与建设工程。利用2000-2015年MODIS13Q1 NDVI产品、年平均气温、年降水量数据,采用回归分析方法和显著性检验,对毛乌素沙区植被覆盖度变化趋势及其对气温、降水变化的响应进行了分析研究。结果表明：（1）毛乌素沙区植被覆盖度总体由东向西呈减少趋势,大部分区域植被覆盖度在30%以下,沙地腹地依然明显存在极低植被覆盖的流沙区。（2）21世纪以来毛乌素沙区植被覆盖度总体呈增加趋势,但空间差异明显。中东部大部分地区及腹地流动沙带之间植被覆盖度呈显著、极显著增加趋势;西部西鄂尔多斯荒漠草原区植被覆盖度变化不显著;植被覆盖度变化显著或极显著减小的地区极少,呈点状零散分布。（3）毛乌素沙区植被覆盖度对气温和降水响应的敏感性存在空间差异,且存在时滞性差异。东部黄土高原过渡区和西部西鄂尔多斯荒漠草原区植被对降水和气温的响应敏感,植被覆盖度的变化与气温和降水因子呈显著相关关系;毛乌素沙地主体区植被覆盖度变化与当年总降水量和年平均气温相关性不强,但与时滞降水的相关系数显著增大,可能与毛乌素沙地土壤质地和植被类型对降水的分配与利用方式有关。     

黄河头道拐—潼关区间植被恢复及其对水沙过程影响

黄河头道拐—潼关区间是黄河泥沙的主要来源区,也是中国植被恢复最快的地区。植被的快速恢复对径流和输沙过程产生了深远影响。本文基于250 m分辨率的归一化植被指数数据（MOD13Q1 NDVI）,使用统计分析和趋势分析技术,分析了头道拐—潼关区间不同景观单元植被恢复特点、影响因素以及其对水沙过程的影响,并对头道拐—潼关区间植被未来发展趋势进行了预测。研究结果显示：头道拐—潼关区间82.87%区域的植被呈显著增加趋势（p < 0.05）,且植被恢复速度最快的区域为半湿润的黄土丘陵沟壑区,坡度和降水量在不同景观单元下对植被恢复的影响不同。随着降水量的增加,头道拐—潼关区间NDVI和年降水量的相关性降低。在植被恢复背景下,黄河中游主要河流径流的主要影响因素仍然是降水量,输沙量同时受到降水量和植被恢复的影响,含沙量与NDVI呈现出较强的负相关关系,而与降水量的相关性较弱。随着植被覆盖度的增加,流域土壤侵蚀量降低,河流输沙量也呈降低趋势,土壤侵蚀量对河流输沙量的贡献率变化于39%~88%之间。基于植被恢复潜力和恢复速度,本文预测头道拐—潼关区间2020年、2030年、2040年以及2050年的NDVI平均值将分别达到0.68、0.75、0.79以及0.80。     

降水和植被变化对径流影响的尺度效应——以陕北黄土丘陵沟壑区为例

自黄土高原退耕还林还草政策实施以来,在水源涵养功能明显提升的同时径流显著减少,导致该区域出现了水源涵养服务与水供给服务间的权衡问题。为探究径流减少的原因,进而为不同空间尺度的生态系统服务权衡提供支撑,本文分析了陕北黄土丘陵沟壑区2006-2011年降水和植被变化对径流影响的尺度效应。结果表明:研究区域内汛期降水量呈现出由东南向西北逐渐减少的空间分异特征;在研究时段内,植被恢复效果明显,近8成地区植被覆盖状况得到了改善,尤其是植被覆盖较差的地区恢复效果更为显著;在各子流域中,降水与径流间呈现出显著的正相关性,二者的相关系数随着子流域面积的增加而增大,表现出明显的尺度效应。随着子流域面积增大,15°以上土地比例增加,陡坡植被覆盖类型趋于均一化,具有显著截流功能的林地呈现减少趋势是尺度效应形成的主要原因。NDVI与径流的相关性不显著,二者的相关系数随着子流域面积变化的规律性不强,植被对径流影响没有明显的尺度效应。     

近15 a黄土高原植被覆盖时空变化及驱动力分析

研究黄土高原地区植被覆盖变化及其驱动因素可以揭示研究区气候变化和人工生态调节过程对植被变化的影响。基于500 m分辨率的MODIS-NDVI数据和同期气象数据,运用均值法、斜率分析法、相关分析法及残差法,分析了2001-2015年黄土高原的植被时空演变变化特征及其驱动因素。结果表明：近15 a黄土高原植被在季度上总体都呈现增加趋势且存在一定差异,夏、秋季植被增加最为明显;黄土高原植被覆盖在空间上呈现自东南向西北递减的分布特征;植被NDVI变化在不同季节上都存在明显的空间差异;黄土高原植被NDVI对气温、降水的响应关系有明显的季节差异,并在空间上与降水的相关性显著,与温度相关性不明显;人类活动对植被覆盖变化有双重影响,其中生态恢复工程是黄土高原中部地区植被覆盖快速增加的重要因素。     

2000—2016年黄土高原不同土地覆盖类型植被NDVI时空变化

了解植被覆盖的时空变化对区域环境保护及生态环境建设具有重要意义。基于MOD13A1数据,辅以Sen+Mann-Kendall、变异系数、Hurst指数,通过分析2000—2016年间黄土高原NDVI年最大值(NDVI_ymax)和生长季均值(NDVI_gsmean)时空变化特征及趋势,以了解黄土高原实施退耕还林(草)等生态工程后的植被覆盖恢复情况。结果表明：① 2000—2016年植被NDVI_ymax和NDVI_gsmean呈现波动式增长趋势,增长率分别为0.0070/a(P<0.01)和0.0063/a(P<0.01),生态环境整体不断改善。② NDVI_ymax和NDVI_gsmean显示黄土高原植被覆盖呈增加趋势的面积远高于呈减少趋势的面积(93.42%和96.22%、6.58%和3.78%),植被覆盖状态正在不断改善。2种数据变化趋势下,不同土地覆盖类型表现略有差异,森林极显著增加趋势面积最大(73.02%和82.60%),其次为耕地(47.87%和67.43%),再次为裸地(47.03%和61.68%)。③ NDVI_gsmean的变异系数小于NDVI_ymax的变异系数,相对稳定区域面积比分别为63.31%与56.64%,2种数据分析下森林变异系数最小,植被稳定性最好。④ 从植被NDVI变化趋势与Hurst组合结果得出,NDVI_ymax未来呈现改善趋势面积占41.35%,退化趋势面积占58.65%;NDVI_gsmean呈现改善趋势面积占49.19%,退化趋势面积占50.81%。2种数据下,灌木地未来发展趋势最好,森林和耕地退化趋势面积超过了50%。研究人员应持续关注退化趋势地区的植被状态。     

2001—2018年黄土高原植被覆盖人为影响时空演变及归因分析

基于2001—2018年的MODIS-NDVI和MODIS-LST以及土地利用、交通、人口等多种人文社会数据,通过温度植被干旱指数反映黄土高原土壤水分状况,利用残差法剔除土壤水分得到植被覆盖变化的人为影响,辅以趋势分析、Hurst指数、地理探测器等方法探讨了黄土高原植被覆盖的人为影响变化特征、未来变化趋势以及人为影响的...     

Soil erosion and its response to the changes of precipitation and vegetation cover on the Loess Plateau

Soil erosion is a major threat to our terrestrial ecosystems and an important global environmental problem. The Loess Plateau in China is one of the regions that suffered more severe soil erosion and undergoing climate warming and drying in the past decades. The vegetation restoration named Grain-to-Green Program has now been operating for more than 10 years. It is necessary to assess the variation of soil erosion and the response of precipita- tion and vegetation restoration to soil erosion on the Loess Plateau. In the study, the Revised Universal Soil Loss Equation （RUSLE） was applied to evaluate annual soil loss caused by water erosion. The results showed as follows. The soil erosion on the Loess Plateau between 2000 and 2010 averaged for 15.2 t hm-2 a 1 and was characterized as light for the value less than 25 t hm-2 a-1. The severe soil erosion higher than 25 t hm-2 a-~ was mainly distributed in the gully and hilly regions in the central, southwestern, and some scattered areas of earth-rocky mountainous areas on the Loess Plateau. The soil erosion on the Loess Plateau showed a deceasing trend in recent decade and reduced more at rates more than 1 t hm 2 a 1 in the areas suffering severe soil loss. Benefited from the improved vegetation cover and ecological construction, the soil erosion on the Loess Plateau was significantly declined, es- pecially in the east of Yulin, most parts of Yah＇an prefectures in Shaanxi Province, and the west of Luliang and Linfen prefectures in Shanxi Province in the hilly and gully regions. The variation of vegetation cover responding to soil erosion in these areas showed the relatively higher contribution than the precipitation. However, most areas in Qingyang and Dingxi pre- fectures in Gansu Province and Guyuan in Ningxia Hui Autonomous Region were predomi- nantly related to precipitation.     

黄土丘陵区坡面尺度上不同植被格局下植物群落和土壤性质研究

通过对黄土丘陵沟壑区陕西延安羊圈沟小流域坡面上退耕还林还草后形成的林地(单一种植刺槐人工林)、草地(单一的撂荒草地)、草地-林地-草地(上坡位和下坡位撂荒草地,中坡位种植刺槐人工林)及林地-草地-林地(上坡位和下坡位种植刺槐人工林,中坡位为撂荒草地)四种不同的植被格局下植物物种多样性及土壤理化性质变化的研究,旨在揭示植被恢复过程中,坡面上植被不同的空间配置模式对植物物种的组成及土壤环境变化的影响.研究发现,4种植被格局下植物物种的多样性以单一的撂荒草地坡面最高,人工林的种植一定程度上影响了林下植物物种多样性的恢复,但整个灌木和草本的群落结构4种植被格局之间均未达到极不相似水平.土壤有机碳及总氮含量均以坡面上草地-林地-草地的空间配置格局最高且有机碳存在显著差异,而撂荒草地则在土壤水分的保持及改善土壤pH值上优于其他3种植被格局.     

Remote-sensing data reveals the response of soil erosion intensity to land use change in Loess Plateau,China

Developing an effective approach to rapidly assess the effects of restoration projects on soil erosion intensity and their extensive spatial and temporal dynamics is important for regional ecosystem management and the development of soil conservation strategies in the future. This study applied a model that was developed at the pixel scale using water soil erosion indicators (land use, vegetation coverage and slope) to assess the soil erosion intensity in the Loess Plateau, China. Landsat TM/ETM+ images in 2000, 2005 and 2010 were used to produce land use maps based on the object-oriented classification method. The MODIS product MOD13Q1 was adopted to derive the vegetation coverage maps. The slope gradient maps were calculated based on data from the digital elevation model. The area of water soil-eroded land was classified into six grades by integrating slope gradients, land use and vegetation coverage. Results show that the Grain-To-Green Project in the Loess Plateau worked based on the land use changes from 2000 to 2010 and enhanced vegetation restoration and ecological conservation. These projects effectively prevented soil erosion. During this period, lands with moderate, severe, more severe and extremely severe soil erosion intensities significantly decreased and changed into less severe levels, respectively. Lands with slight and light soil erosion intensities increased. However, the total soil-eroded area in the Loess Plateau was reduced. The contributions of the seven provinces to the total soil-eroded area in the Loess Plateau and the composition of the soil erosion intensity level in each province are different. Lands with severe, more severe and extremely severe soil erosion intensities are mainly distributed in Qinghai, Ningxia, Gansu and Inner Mongolia. These areas, although relatively small, must be prioritised and preferentially treated.     

Net Primary Productivity Increased on the Loess Plateau Following Implementation of the Grain to Green Program

The spatio-temporal characteristics of net primary productivity (NPP) since implementation of the Grain to Green Program (GTGP) are important for understanding ecological restoration of the Loess Plateau in China. Here, we conduct spatio-temporal analysis of NPP using MODIS datasets (500 m, 8-day intervals) and VPM (Vegetation Photosynthesis Model) from 2000-2015. We found that NPP on the Loess Plateau increased significantly from 2000 to 2015 (p<0.05). Significant increases in NPP were observed in core areas of the GTGP, including northern Shaanxi and Lüliang Mountain in Shanxi. NPP in alluvial plains decreased due to urban expansion into cropland. Significant increases in NPP from 2006-2010 were located north of the area of change in 2000-2005. NPP increased across three vegetation types and four slope gradients. In hilly-gully regions prone to soil erosion, such as central and southeastern parts of the Loess Plateau, obvious vegetation restoration was detected.