杜鵬川, 許 強, 趙寬耀, 郭 鵬, 彭雙麒, 郭 晨

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

陜西省延安市治溝造地工程是針對黃土丘陵溝壑地區(qū)特殊地貌，以小流域作為治溝造地工程單元，利用現(xiàn)代化機械快速填溝覆土，通過壩系修筑、舊壩修復、鹽堿地改造、荒溝閑置土地開發(fā)利用等一系列工程措施和生態(tài)措施來實現(xiàn)“治溝保生態(tài)、造地惠民生”的一種溝道土地整治系統(tǒng)工程[1-3]。治溝造地工程是黃土丘陵地區(qū)補充耕地，保障民生，改善生態(tài)環(huán)境等方面的有效措施之一[4-5]，該項工程對區(qū)域的耕地及植被情況產生了較大影響。延安顧屯流域是治溝造地工程的重點區(qū)域，“山上退耕還林，山下治溝造地”在當?shù)匾堰_成共識。工程前后耕地和植被特征均發(fā)生了巨大變化，而相關研究鮮有報道。耕地是最基本的自然資源，保持一定數(shù)量的耕地是人類生存的基本條件[6]。同時，植被作為連接土壤、大氣和水分等的自然紐帶[7-8]，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是生態(tài)系統(tǒng)中的生產者，還具有防風固沙、減少地表徑流、防塵、減少噪聲、吸收有害氣體等功能[9-12]，在水土保持及道路護坡中扮演著重要角色。因此，研究耕地及植被的變化特征對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展、人地關系協(xié)調等方面具有重要意義。本文以位于陜北地區(qū)的延安市寶塔區(qū)顧屯流域為研究，選取2012和2016年Google Earth遙感影像數(shù)據(jù)并結合無人機攝影測量數(shù)據(jù)，借助ArcGIS平臺，通過目視解譯，對其進行分析。利用耕地集中度指數(shù)、核密度估算、耕地破碎度指數(shù)、斑塊邊界密度指數(shù)等參數(shù)分析了研究區(qū)耕地變化情況，為研究區(qū)耕地整治方向及優(yōu)化布局提供參考。本文還選取了2014和2018年夏季的高分影像數(shù)據(jù)，借助于ENVI及ArcGIS平臺，采用歸一化植被指數(shù)NDVI(normalized difference vegetation index)，對流域內的植被變化情況進行相關分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土高原中部，大地構造位置在鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶上[13]，行政區(qū)劃隸屬于陜西省延安市寶塔區(qū)甘谷驛鎮(zhèn)，經(jīng)緯度坐標范圍為109°46′—109°51′E，36°45′—36°51′N，流域面積約為42 km2；屬于中溫帶半干旱季風氣候，海拔900～1 282 m；顧屯流域地表為第四系黃土覆蓋，侵蝕嚴重，溝深坡陡，地形復雜多變，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)[14]。治溝造地工程對研究區(qū)內的耕地、植被影響頗大，本文根據(jù)現(xiàn)有資料對顧屯流域的耕地以及植被變化情況進行分析。為了相關工作的順利開展，在該區(qū)域進行了現(xiàn)場作業(yè)，包括相關目視解譯結果的核查、無人機航拍等工作。

1.2 工程前后耕地變化分析方法

研究區(qū)在2013年開展了治溝造地工程，治溝造地工程使研究區(qū)的耕地發(fā)生了巨大的變化。為研究治溝造地前后耕地變化特征，達到耕地對比分析的目的，本文選取了兩期質量較好的遙感影像數(shù)據(jù)展開相關研究。治溝造地工程前選用2012年Google Earth遙感影像，治溝造地工程后選用2016年的Google Earth遙感影像。利用Google Earth遙感影像，通過目視解譯的方法在ArcGIS中進行研究區(qū)耕地的解譯，結合無人機攝影測量得到的數(shù)據(jù)進行相關分析，以此為基礎來對研究區(qū)治溝造地工程前后耕地類型的變化特征展開分析。

1.2.1耕地集中指數(shù) 耕地集中指數(shù)概念源于地理集中指數(shù)[15-17]，表征了耕地在空間地域中的集中程度，主要用于分析耕地在空間上的分布。耕地集中指數(shù)越大，耕地在空間上的分布就越集中。反之，耕地分布就越分散。耕地集中指數(shù)的計算模型為[18]：

(1)

式中：G——耕地集中指數(shù)；n——空間區(qū)域的總數(shù)；Xi——第i空間區(qū)域的耕地面積；T——耕地總面積。本文為研究耕地往溝谷中的集中程度，將溝谷耕地或坡耕地連成一片的地塊視為一個空間區(qū)域。

1.2.2 核密度估計 核密度估計(KDE)是一種非參數(shù)密度估計的統(tǒng)計方法，是識別和分析熱點和冷點的一種良好的探測方法[19]。KDE法的具體原理是：以每個樣點xi為中心，用核函數(shù)計算每個樣點在指定半徑范圍內(即帶寬)的密度貢獻值，搜索半徑范圍的柵格單元越靠近中心點，密度值越大。通常將核密度定義為：設x1,x2,…，xn是從分布密度函數(shù)f的總體中提取的獨立的同分布樣本，并估計某點x的f值[20]。

在耕地空間分布研究中，根據(jù)輸入的耕地數(shù)據(jù)，估算耕地核密度來測算整個研究區(qū)耕地地塊的集聚狀況。核密度估算值越大，耕地空間分布密度越高。其估算模型[20]為：

(2)

式中：fn——耕地核密度測算值；n——耕地地塊的數(shù)量；h——核密度測算帶塊的平滑參數(shù)；k——核密度函數(shù)；x-xi——測算耕地地塊x到樣本耕地地塊xi之間的距離。

1.2.3 耕地破碎度指數(shù) 耕地破碎度指數(shù)(C)代表了耕地的破碎化程度，反映了耕地空間結構的復雜性，在一定程度上也反映了人類對景觀的干擾程度[21]。C值越大，耕地破碎化程度也就越高，其計算公式為：

C=N/A

(3)

式中：N——耕地田塊數(shù)量；A——耕地面積。為方便本文對比研究，將耕地面積擴大了100倍，即C=N/(A×100)。

1.2.4 斑塊邊界密度指數(shù) 斑塊邊界密度指數(shù)(ED)是評價單元內耕地斑塊邊界的長度與耕地的面積的比值。ED越大，表明單位面積耕地類型的邊界長度越大，其分割程度越高，破碎化程度也就越大[22]，計算公式為：

ED=L/A

(4)

式中：L——評價范圍內耕地斑塊的邊界總長度。為方便本文對比研究分析，將耕地面積擴大100倍，即ED=E/(A×100)。

1.3 工程后植被變化分析方法

治溝造地工程對研究區(qū)植被產生了顯著影響。為探討植被變化情況，本研究采用高分一號影像數(shù)據(jù)并借助ENVI，ArcGIS平臺以及Origin進行圖像處理、NDVI指數(shù)計算、數(shù)據(jù)分析等。高分一號數(shù)據(jù)每一景中包含有多光譜和全色圖，其具有高空間分辨率、多光譜等優(yōu)勢，為眾多行業(yè)提供了高質量的影像數(shù)據(jù)。采用高分一號影像數(shù)據(jù)有利于獲取研究區(qū)治溝造地后小尺度的植被NDVI變化情況的詳細信息。

植被指數(shù)是根據(jù)植被反射波段特征計算出來的，它能夠反映地表植被生長情況、覆蓋情況等，是一種間接性指標，目前已經(jīng)定義的植被指數(shù)有40余種[23]。在眾多的植被指數(shù)中，Deering[24-25]在1978年提出的歸一化植被指數(shù)(NDVI)是一種有效的監(jiān)測區(qū)域植被和生態(tài)環(huán)境的指標，是植被生長狀況和植被覆蓋度的最佳指標，它被廣泛應用于植被的時空動態(tài)監(jiān)測和植被恢復的研究中。NDVI是反映植物生長狀況和空間分布密度的最佳指標，與植被覆蓋分布密度呈線性相關[7]。NDVI值越大則就表示植被覆蓋度越高，長勢也就越好，因而可以利用NDVI大小來表征植被活動強弱[26]。NDVI計算公式為：

NDVI=(P1-P2)/(P1+P2)

(5)

式中：NDVI——歸一化植被指數(shù)；P1——近紅外波段反射率；P2——紅外波段反射率。

根據(jù)已有高分一號影像數(shù)據(jù)，在ENVI軟件中經(jīng)人工篩選發(fā)現(xiàn)，2014年5月和2018年6月的影像質量較好，有利于分析陜西省延安市甘谷驛鎮(zhèn)顧屯地區(qū)的NDVI情況。將篩選出的影像在ENVI軟件中進行預處理(圖像預處理流程如圖1所示)。將所得高分影像預處理結果在ENVI中進行NDVI值計算、去異常值等一系列操作，最后將其導入ArcGIS 10.3中進行整理、出圖。此外，還利用高分影像預處理結果通過目視解譯的方法解譯出研究區(qū)退耕還林地、未退耕還林坡耕地和邊坡治溝造地工程段的邊界，以便進行相關區(qū)域植被恢復情況的分析。

圖1 高分影像預處理流程[27]

2 結果與討論

2.1 耕地變化特征

2.1.1 基于目視解譯結果分析 研究區(qū)主張“山上退耕還林，山下治溝造地”，本研究以此為據(jù)，將耕地類型分為“山下”的溝谷耕地與“山上”的坡耕地，對選取的兩期Google Earth遙感影像進行目視解譯工作，其治溝造地工程前后耕地分布情況如圖2所示，局部區(qū)域耕地分布情況如圖3所示。

圖2 顧屯流域治溝造地工程前后耕地分布情況

圖3 顧屯流域治溝造地工程前后局部區(qū)域耕地分布情況

根據(jù)圖2—3，不難發(fā)現(xiàn)研究區(qū)治溝造地工程后耕地的空間分布發(fā)生了顯著的變化，坡耕地面積明顯減少，溝谷耕地面積增加，在主溝道內還修建有大壩等水利設施，用以儲水供灌溉和生活生產等方面使用。利用ArcGIS平臺的統(tǒng)計功能，對研究區(qū)兩期耕地圖形數(shù)據(jù)進行面積統(tǒng)計，得到研究區(qū)治溝造地前后耕地面積情況。治溝造地工程后，耕地總面積由5.61 km2下降至4.86 km2，耕地總面積下降了約13%；坡耕地面積由3.00 km2減少至1.59 km2，減少了47%左右，坡耕地面積縮減幅度大，但仍有較大一部分面積；溝谷耕地面積由2.61 km2增加至3.27 km2，增加了25%左右，增幅明顯。根據(jù)耕地集中度指數(shù)計算結果，2012—2016年耕地集中度指數(shù)由11.37升至24.66，耕地集中度指數(shù)大幅上升，這表明研究區(qū)耕地在空間地域中的分布更加集中分布于溝谷區(qū)域。

借助ArcGIS平臺的分析功能，根據(jù)《第三次全國土地調查技術規(guī)程》中規(guī)定的坡度分類標準，對研究區(qū)耕地進行坡度分級，分為5個坡度等級：0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°和>25°，統(tǒng)計得到的各個坡度耕地面積比例如圖4所示。不難發(fā)現(xiàn)，治溝造地工程后，0°～15°的耕地比例增加，大于15°的耕地面積比例降低，說明緩坡耕地的面積增加，陡坡耕地面積減小。從坡度方面看，耕地結構向緩坡耕地發(fā)展，緩坡耕地比例增加，有利于開展機械化農業(yè)生產。此外，整個區(qū)域的耕地破碎度由3.17降至2.95，斑塊邊界密度指數(shù)由0.85降至0.78，表明耕地整體上的破碎程度有所降低，邊界分割程度也有所降低，反映了治溝造地工程對土地整治的積極作用。由于研究區(qū)溝道整治工作以及坡耕地的退耕還林工作，使得坡耕地面積減少、溝谷耕地面積增加、緩坡耕地面積比例明顯提升，這有利于開展現(xiàn)代化農業(yè)生產。但由于新增溝谷耕地或緩坡耕地資源的面積有限，還存在相當一部分面積的經(jīng)濟效益較低的坡耕地、陡坡耕地仍被用于農業(yè)生產。在實地考察時，筆者發(fā)現(xiàn)部分田坎上也種植了一些農作物以及許多未利用的耕地，說明治溝造地工程雖然平整了耕地，但是由于其他因素的影響使得部分耕地未被利用起來而導致當前耕地數(shù)量未能滿足農戶需求。

圖4 顧屯流域治溝造地工程前后各坡度等級耕地面積比例

2.1.2 基于耕地核密度估計結果分析 在ArcGIS 10.3中，利用Feature to point工具，將耕地的面數(shù)據(jù)轉為點數(shù)據(jù)，再使用Kernel Density工具測算耕地核密度值。為了方便對比分析，本文以2012年為基礎年，采用Natural Breaks(自然斷點法)的方法對2012年耕地地塊空間分布核密度估算值進行分級，最終分為5個評價等級，分別為低密度區(qū)(0～19.16個/km2)，中低密度區(qū)(19.16～48.4個/km2)，中密度區(qū)(48.40～92.77個/km2)，中高密度區(qū)(92.77～155.29個/km2)，高密度區(qū)(155.29～257.14個/km2)。2016年以此為據(jù)將19.16，48.4，92.77，155.29，257.14作為分界點進行等級劃分，最終便得到研究區(qū)治溝造地工程前后的耕地核密度估算值的空間分布圖，其結果如圖5所示。由圖5可以看出，中高—高密度區(qū)主要集中分布在研究區(qū)的中部。治溝造地工程前后相比，治溝造地工程后的中高—高密度區(qū)面積減小，中—低密度區(qū)面積增加。

圖5 顧屯流域治溝造地工程前后耕地核密度估計值空間分布

根據(jù)上述5個評價等級，分析不同密度區(qū)的耕地破碎程度。計算不同密度區(qū)的耕地破碎度指數(shù)、耕地斑塊邊界密度指數(shù)，以此來分析不同密度區(qū)耕地破碎化程度的變化，結果如圖6所示。結合研究區(qū)的地形條件分析，中—低密度區(qū)集中在地形起伏小的溝谷區(qū)域，其單個田塊面積大，邊界分割度低，破碎化程度低，耕地質量高，是人為改造的結果；中高—高密度區(qū)集中在地形起伏較大的山坡，其單個田塊面積小，邊界分割度高，破碎化程度較高，這些耕地主要是山上的坡耕地，其生態(tài)條件及耕地質量都相對較差。治溝造地工程后耕地質量及生態(tài)條件較好的中—低密度區(qū)面積增加，耕地質量及生態(tài)條件較差的中高—高密度區(qū)面積有所減少但其在區(qū)域內的分布范圍仍然較廣，導致此現(xiàn)象的原因是治溝造地工程后研究區(qū)內還有許多坡耕地仍然存在。

2.2 植被變化情況

2.2.1 植被整體變化情況 將2014和2018年高分影像在ENVI中進行預處理，再利用高分影像預處理結果計算出研究區(qū)2014和2018年的NDVI分布圖，其結果如圖7所示。由于流域內“山下”經(jīng)常遭受人類活動的影響，導致流域內NDVI值均呈現(xiàn)出“山下低，山上高”的一般規(guī)律，即“山上”植被情況較“山下”好。對比兩幅NDVI情況，流域內整體NDVI增量明顯，植被整體情況得到良好改善。但是，耕地及人類工程活動區(qū)(如延長石油)等區(qū)域的植被長期受人類活動影響，侵蝕嚴重，NDVI值低，常年無植被覆蓋。

圖6 顧屯流域治溝造地工程前后耕地破碎度指數(shù)(左)與耕地斑塊邊界密度指數(shù)(右)雷達圖

圖7 2014,2018年顧屯流域NDVI空間分布

經(jīng)過統(tǒng)計得到的研究區(qū)NDVI情況如圖8所示。2014年研究區(qū)NDVI值在0～0.773之間，主要集中在0.125～0.625之間，NDVI均值為0.388，植被整體覆蓋程度低、植被狀況不好；2018年研究區(qū)NDVI值在0～0.888之間，主要集中在0.375～0.875之間，NDVI平均值為0.597，植被整體覆蓋程度較高、植被情況良好。在統(tǒng)計直方圖中NDVI分布區(qū)間整體向坐標軸右移，NDVI均值增加了約54%，NDVI整體上升幅度大，治溝造地工程后流域內植被整體改善情況良好。在短短的幾年間植被整體的改善情況在研究區(qū)得到了顯著體現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境面貌煥然一新，這得益于治溝造地工程進展中開展的退耕還林還草、植樹造林等工作在當?shù)氐姆e極響應與配合。

2.2.2 退耕還林區(qū)植被變化情況 在ArcGIS中經(jīng)統(tǒng)計得到的研究區(qū)全部未退耕還林坡耕地NDVI情況如圖9所示。未退耕還林坡耕地2014年的NDVI值在0～0.577之間，NDVI超過0.5僅占0.03%，NDVI主要集中分布在0～0.375之間，NDVI平均值為0.215；未退耕還林坡耕地2018年NDVI最低值為0.012，最高值為0.700，NDVI超過0.5占2.27%，幾乎沒有，NDVI平均值為0.260。對比2014年夏季和2018年夏季，未退耕還林坡耕地的植被改善主要受控于人類活動，人類活動對其改造頻繁，侵蝕嚴重，NDVI基本未變，僅有微小的增幅，NDVI增量不明顯，植被覆蓋差，植被情況沒有得到改善。

圖8 2014,2018年顧屯流域NDVI統(tǒng)計

圖9 2014,2018年顧屯流域未退耕還林坡耕地NDVI值統(tǒng)計

統(tǒng)計得到的研究區(qū)全部退耕還林地NDVI情況如圖10所示。退耕還林區(qū)2014年NDVI最低值0.026，最高值0.617，主要集中于0.125～0.375之間，占92.65%，平均值為0.250，說明退耕還林前植被覆蓋度低，植被情況差；2018年NDVI最低值0.038，最高值0.827，NDVI集中分布于0.375～0.827之間，達到了90%左右，其中NDVI超過0.5的區(qū)域占65%，NDVI平均值為0.552，說明植被覆蓋度高，植被情況良好。比較2014與2018年NDVI情況，坐標軸上NDVI分布明顯右移，NDVI均值上升了約120%，增幅巨大，退耕還林區(qū)的植被得到高度改善，植被恢復情況良好，退耕還林工作在當?shù)氐玫搅己玫穆鋵崱?/p>

圖10 2014,2018年顧屯流域退耕還林區(qū)NDVI統(tǒng)計

2.2.3 邊坡治理區(qū)植被變化情況 為了保持邊坡穩(wěn)定性，有效防治邊坡失穩(wěn)，治溝造地過程中對邊坡進行了工程削坡治理，邊坡治理段沿溝谷分布，主要針對溝旁較陡的邊坡進行治理，有利于邊坡穩(wěn)定性的提高，從而有效避免一些地質災害。但是對邊坡進行工程削坡治理的過程中其上的植被遭到了破環(huán)，而治溝造地工程段植被情況的好壞對其穩(wěn)定性也具有重要意義。本小節(jié)針對治溝造地工程段的植被恢復情況展開分析。

統(tǒng)計得到的流域內全部邊坡治理段NDVI情況如圖11所示。2014年研究區(qū)邊坡治理段NDVI最低值為0.020，最高值為0.507，NDVI主要集中分布在0.020～0.375之間，占到了98.9%，邊坡治理段NDVI平均值為0.192，植被覆蓋度低，植被狀況差；2018年研究區(qū)邊坡治理段NDVI最低值為0.125，最高值為0.841，NDVI值大于0.5的達到了76.4%，NDVI平均值為0.592，植被覆蓋度高，植被長勢狀況良好。對比邊坡治理段NDVI變化情況，在NDVI統(tǒng)計直方圖中，NDVI分布明顯往坐標軸右移，均值增加了約200%，邊坡治理段NDVI增幅巨大，表明治溝造地工程后邊坡治理段植被情況得到高度改善，對邊坡穩(wěn)定性的提高具有重要促進作用。邊坡削坡治理區(qū)域的植被之所以能夠得到高度改善是由于在削坡處理之后，開展植樹種草，并保證植被在削坡區(qū)域的基本生長條件，以此來提高邊坡穩(wěn)定性、減少水土流失。

圖11 2014,2018年顧屯流域治溝造地工程段NDVI統(tǒng)計

3 結 論

(1) 治溝造地工程使流域面貌發(fā)生了明顯的變化，耕地空間分布狀況變化尤其顯著。由于溝道整治和山上退耕還林還草工作的開展，使得坡耕地面積減少，溝谷耕地面積增加。耕地更加集中分布于溝谷區(qū)域，耕地整體破碎度降低，可以提高耕作的便利程度，節(jié)約勞動力資源。

(2) 從耕地的坡度方面看，緩坡耕地面積比例增加，陡坡耕地面積比例降低，耕地結構向緩坡耕地發(fā)展，有效提高了耕地整體平整度，有利于機械化農業(yè)生產的開展。

(3) 基于耕地核密度分析結果表明，中高—高密度區(qū)耕地的耕地質量及生態(tài)條件較差，主要集中分布在地形起伏較大的山坡；而中—低密度區(qū)耕地的耕地質量及生態(tài)條件較好，主要集中分布在形起伏小的溝谷區(qū)域；治溝造地工程縮減了中高—高密度區(qū)面積，增加了中—低密度區(qū)面積，耕地整體質量得到提高。

(4) 顧屯流域NDVI整體上呈現(xiàn)出“山下低，山上高”的規(guī)律，在短短的幾年間植被狀況顯著改善，生態(tài)環(huán)境質量進一步提高。這得益于當?shù)赝烁€林還草和植樹造林等植被維護工作的積極響應與配合。

(5) 退耕還林工程以及工程邊坡治理區(qū)域的植樹種草工作使得退耕還林區(qū)域、邊坡治理段的植被均得到了良好的改善，對水土保持工作具有重要促進作用，而未退耕還林區(qū)常年無植被覆蓋，侵蝕嚴重，主要受控于人類活動。

治溝造地工程在一定程度上有利于區(qū)域整體耕地質量及生態(tài)環(huán)境質量的提升，但研究區(qū)一些耕地質量較差且經(jīng)濟效益較低的耕地仍然有較大面積范圍的分布。為了合理利用與開發(fā)土地資源，應重點進行這些區(qū)域的治溝造地工程工作，實施退耕還林或者土地平整，最大限度地發(fā)揮土地利用價值。治溝造地工程雖然平整了耕地，對植被的恢復也起到了一定促進作用，但不可避免地引發(fā)了一些問題。例如水庫附近的鹽漬化導致耕地難以利用，農作物多樣性降低，部分田坎出現(xiàn)較大侵蝕溝，邊坡開挖改變邊坡穩(wěn)定性等。開展治溝造地工程應立足于生態(tài)文明建設，權衡各方面利弊，為黃土高原的高質量發(fā)展服務。