引言

黄土高原严重恶化的生态环境已经成为当地社会经济可持续发展的极大障碍，日趋严重的沙漠化、水土流失以及水资源短缺等问题，使土地生产力不断降低，甚至使土地资源遭到彻底破坏。造成这种结果的主要原因除了自然因素外，人类活动是主要因素，其影响方式主要是不合理的土地利用，特别是陡坡地开垦^[1]。20世纪90年代末，国家相继提出退耕还林等生态恢复六大工程，而退耕还林工程是中国迄今政策性最强、实施范围最广、投资量最大的生态建设工程。围绕工程的监测、评估及其产生的经济、社会和生态效益越来越广泛地受到政府、科技界，乃至平民的密切关注，已经发表了大量研究成果^[2-10]。退耕还林后土地利用改变对气候产生什么影响，程度如何，是目前研究的一个重点和难点。通过数值模拟表明土地利用变化对中国区域降水、温度有明显的影响。植被覆盖变化对当地气温的影响比对降水的影响更为显著，植被退化可使当地气温除冬季外表现出明显升高，相反大面积植树造林则有利于当地及周围地区冬季偏暖、夏季偏凉，使温度变化趋于缓和^[11-13]。姜艳等^[14-15]在中国科学院安塞野外站人工植被区，选取相同坡向、坡度的三种林草配置的人工植被为研究对象，共设四个观测点对温度、湿度、日照等气象要素进行短时间的观测，得出退耕还林不同植被恢复模式下小气候明显不同。以混交林地生态环境最好，灌木林次之，这是因为林、灌树冠的存在起到屏障的保护作用，充分利用了小气候条件，改善了气候，形成良好的生态环境。草丛在各种功能上较林木大为逊色，表现出较差的小气候条件。但由于场地、设施等限制，观测时间短，研究结果不够系统，有一定的局限性。目前还未见利用气象站长期观测资料分析退耕还林后植被覆盖增加引起的气候变化。本文以全国退耕还林典型县吴起为例，利用TM遥感影像解译土地利用状况、植被覆盖度的变化。利用吴起及周边5个气象站资料较细致地揭示吴起县退耕还林生态建设工程对该县温度变化的影响。

1 研究区域概况

吴起县位于延安市西北部(36°33′33″~37°24′27″N、107°38′57″~108°32′49″E)，北与榆林市的定边、靖边县毗邻，东南与志丹县相连，南与甘肃省的华池接壤，海拔高度1233~1809 m，总面积3791.5 km²。境内地势为山川峁梁多，川塬涧地少，黄土梁状丘陵面积占全县总土地面积的85%，属于典型的黄土高原梁状丘陵沟壑区。气候属半干旱温带大陆性季风气候, 年平均气温8.0 ℃，平均日照时数为2400 h，平均降雨量483.4 mm，无霜期152 d，干旱、冰雹、大风、暴雨以及霜冻等自然灾害频繁。境内以白于山为界，东北部地处内蒙古毛乌素沙漠南缘，属无定河流域，约占全县总面积的15%；白于山以南属洛河流域，约占全县总面积的85%^[16-17]。土壤以黄土性土壤黄绵土为主。植被间于森林草原和蒙古草原之间，为典型草原。地带性植被以灌木和草本为主^[18]。过去这里曾是林茂草丰之地，随着人口与社会经济发展状况的变化，林草植被出现了“破坏—恢复—破坏—恢复(重建)”的过程，水土流失最严重时其水土流失面积为3677.7 km²，占97%^[19]。生态环境日趋恶化，严重制约了该县域社会经济的发展。从1998年，吴起县就把治理水土流失、改善生态环境、振兴农业和农村经济、实现可持续发展作为农村经济发展的总目标，以封山禁牧为突破口，解决林牧矛盾，调整农业产业结构，确立了“封山退耕、植树种草、舍饲养畜、林牧主导、强农富民”的开发战略，率先启动了退耕还林工程，一次性退耕103666.7 hm²。截至2004年底，吴起县完成国家退耕还林计划任务158193.4 hm^2[20]。

利用1999—2007年SPOT VEGETETION NDVI资料分析^[21]，近9年来该县植被覆盖在起伏波动中逐年增加，其线性增加趋势极其显著(P＜0.001)，NDVI的增长率高达为37.9%。低覆盖率植被面积在减少，高覆盖率植被面积在增加，植被覆盖状况明显转好。退耕还林后植物群落达到了稳定阶段，能够有效地遏制水土流失的发生^[22-24]。

2 资料和方法 2.1 资料

TM影像为LANDSAT全波段遥感数据，共4景影像，其空间分辨率为30 m，2景影像(12834、12835) 时相为1997年8月23日，另2景影像12834、12835时相分别为2007年8月3日和9月20日。基础地理信息数据包括1:25万吴起县全要素数字地图、1:5万数字高程模型，这些辅助数据主要用于图像精校正、辅助分类、综合制图和地学分析。地面调查资料用于监督分类训练样本和精度验证。1998年、2003年AVHRR遥感影像和2007年的MODIS遥感影像取自国家卫星气象中心遥感数据服务网，未做过大气校正，所以用作定性分析。

地面气象资料为1971年1月至2007年12月逐月最高、最低和平均气温、地面温度和浅层土壤温度，分别由陕西省气象档案馆和庆阳市气象局提供。

2.2 方法 2.2.1 TM影像的解译和分析方法

地表植被空间演变规律及土地利用动态变化研究所采用的技术流程是：遥感图像预处理和几何精校正、野外调查、训练样区建立及分类模板评价筛选、计算机监督分类、精度验证、三维分析、土壤侵蚀分析、制图及数据统计等，这些过程是在ERDAS IMAGINE 8.7遥感图像处理和ARCMAP 9.2地理信息系统软件的支持下实现的。

(1) 土地利用类型解译

综合考虑国家土地利用分类标准并结合实际使用情况，先将图像解译出13个二级类，然后将13个二级类合并成7个一级类，即水体、林地(有林地、灌木、针叶林)、草地、未利用地(沙地、盐碱地、裸岩)、耕地(旱地、水田、菜地)、居民地和工矿用地、果园。

(2) 植被覆盖度计算方法

植被覆盖度指植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，即植土比。可以用下式计算^[25]：

$f = (NDVI - NDV{{\mathop{\rm I}\nolimits} _{{\rm{min}}}})/(NDV{{\mathop{\rm I}\nolimits} _{{\rm{max}}}} - NDV{{\mathop{\rm I}\nolimits} _{{\rm{min}}}})$

(1)

式中，NDVI为所求像元的植被指数，NDVI_max和NDVI_min分别为纯植被和纯土壤的植被指数。在研究区域，既有风沙滩地，又有桥山、黄龙山等天然林区，植被生长茂盛，符合裸地和纯植被的要求。可以通过计算监测区NDVI的最大和最小近似值作为NDVI_max和NDVI_min。通过计算得到了1997年、2007年吴起县的植被覆盖度图。

2.2.2 温度变化分析方法

利用线性倾向估计对温度变化进行趋势分析，采用相关系数的统计检验方法进行显著性检验。温度随时间变化可以看作是时间的一元线性回归，线性倾向值用最小二乘法估计。如果回归方程的相关系数的显著性水平(P＜0.05，P＜0.001) 为0.05或0.001，则分别认为温度变化显著。

计算2001—2007年温度平均值与气候值的距平，分析土地覆盖变化后对温度的影响。

3 结果与分析 3.1 遥感影像分析

图 1是1998、2001、2003年NOAA/AVHRR4、2、1通道和2007年EOS/MODIS7、2、1通道经过RGB合成的假彩色图像。从图像上可以看出，退耕还林前的遥感影像吴起县与周围区域无差异，县域版图于2001年清晰出现，这就是吴起县通过实施退耕还林留在大地上的绿色印记。

3.2 土地利用类型变化

20世纪70年代到90年代前期，为了增加粮食生产，吴起县开发扩大耕地面积。近年来，通过实施退耕还林还草的生态环境建设工程，减少作物播种面积，大力种植人工苜蓿，营造沙棘林和山杏，发展设施养殖和林果产业，使土地利用发生了很大的变化。表 1是吴起县退耕前后不同土地利用类型面积占国土面积百分比的变化情况。从表 1可以看出，吴起县1997年耕地面积占国土面积的61.42%，到2007年减少到15.26%，原有耕地的75.15%不再进行耕种。退出的耕地主要变为草地、林地和果园，这3种地类所占比例2007年分别比1997年增长了300.49%、35.71%和4017.04%。

表 2是吴起县退耕前后不同类型植被覆盖率的变化情况。表中森林覆盖率为有林地面积占国土面积的百分比，林木覆盖率为有林地和灌木林面积占国土面积的百分比，林草覆盖率为有林地、灌木林和草地面积占国土面积的百分比。由表 2可以看出，吴起县森林覆盖率由1997年的0.95%提高到2007年的34.76%，增长了33.81个百分点；林木覆盖率由1997年的25.62%提高到2007年的34.76%，增长了9.15个百分点；林草覆盖率增加最为显著，由1997年的37.06%提高到2007年的80.60%，增长了43.54个百分点。这主要是由于吴起县的自然环境适宜草类生长，该县大力推广牧草种植，使牧草种植面积得到大幅度的扩展。

3.3 植被覆盖度变化

表 3是吴起县退耕前后不同等级植被覆盖度面积占国土面积百分点的变化情况。由表 3可以看出，与退耕前的1997年相比，低植被覆盖度的土地面积在大幅度减少，相反高植被覆盖度的土地面积在大幅度增加；植被覆盖度10%~30%的面积所占比例由1997年的66.67%减少到2007年的32.25%，减少幅度达51.62%；植被覆盖度30%~50%的面积所占比例由1997年的11.06%增加到2007年的44.07%，增加幅度达298.28%。

3.4 对温度的影响 3.4.1 对地温的影响

地温包括地面温度、浅层地下温度(包括5、10、15、20 cm)和深层地下温度(40、80、160、320 cm)。多数气象站不观测深层地温，而地表温度的观测由于对温度表感应球部的埋放要求严格，人为因素较大，因此只对浅层地温进行分析。图 2可看出，6站10 cm地温曲线均呈上升趋势，线性回归得到的趋势线斜率为正，吴起趋势线斜率为0.0041，其他站线性斜率在0.021~0.0575之间，是吴起的5~14倍，相关系数其他县显著性水平均达到0.01，而吴起未通过α=0.01的显著性水平检验。用2001—2007年平均地温与30年气候值比较，吴起5~20 cm地温在7—10月差值均为负，而其他县全为正值(图 3，表 4)。4—10月平均地温差值吴起明显小于其他县。计算吴起县植被指数与4—10月不同层次平均地温的相关系数，9月NDVI与5、10、15、20 cm地温相关系数分别为-0.3364、-0.4534、-0.4490、-0.3425，5 cm、20 cm地温通过α=0.1显著性检验，10和15 cm地温通过0.01显著性水平检验。9月NDVI代表一年植被生长茂盛程度，植被对地温有影响，植被越茂盛地温越低。

3.4.2 对气温的影响

在全球气候变暖的大环境下，吴起及周边县属于全国增温明显的地区，气温变化曲线呈上升趋势(表 5)，年平均温度与时间的线性回归方程斜率为正，并通过0.01的显著性水平检验。将年平均气温曲线按两个阶段分析，2000年前，吴起的年平均气温线性趋势与其他县相同，斜率值还大于华池和志丹，2000年后，6个县的年平均气温线性趋势仍为正，吴起周边5个县气温上升斜率值大于前30年，说明后7年温度升高更加明显；但周边县斜率是吴起的5~11倍，吴起的斜率也远远小于前30年的上升斜率，说明2001年以来，吴起气温上升趋势明显低于周边县，上升势头得到明显减缓。分析年平均气温最大值出现年份，吴起最大值出现在1998年，为9.2 ℃，周边县年平均气温最大值出现在2006年，与1998年气温比较，平均高出0.34 ℃；吴起2006年气温为8.9 ℃，与1998年相比，降低0.3 ℃。通过年气温最大值出现时间及对比差值分析，更加明确说明2001年以来，植被改善，吴起冷岛效应显现。

按照当地气候特点，将一年划分为冬季和夏季，冬季为当年11月至翌年3月，夏季为4—10月。在冬季植被处于落叶期，生长停止，而夏季植被经过返青生长枯黄完成一年的生命周期。植被生长季节，吸收热量，消耗水分，改变了地表反照率、土壤湿度、地表粗糙度等地表属性，对气候产生一定的影响。吴起及其周边县温度变化受大的环流背景影响，趋势一致，各县温度序列的相关系数冬季在0.92~0.99之间，夏季在0.86~0.96之间。用M-K法进行突变分析，1997年出现突变，以后进入一个相对温暖时段。相应地在1997年以后，吴起也开始实行大规模的生态恢复工程，用1997年以后的气温演变能说明土地利用变化造成的差异。

吴起及周边县1997年以后的冬季温度变化趋势一致，均为弱的下降趋势，没有通过显著性水平检验。夏季温度只有吴起为弱的下降趋势，但周边县为弱的上升趋势，也未能通过显著性水平检验。但在夏季温度变化曲线中，1998年与2006年出现两个峰值点，用2006年温度减去1998年温度，吴起差值为-0.2 ℃，而周边县差值在0.2~1.0 ℃，平均为0.6 ℃。一正一负形成的反差对比可以说明增加植被覆盖使夏季温度偏凉，这与众多数值模拟的结果是一致的。也与人工绿州的温度变化分析结果是一致的^[26]。

对吴起及周边县夏季平均最高温度和平均最低温度的变化分别进行分析。平均最高温度2006年与1998年的差值吴起为0.2 ℃，周边县在0.2~0.9之间，平均为0.5 ℃，吴起与周边县有差异，但不明显。夏季平均最低温度，2006年与1998年的差值吴起为-0.6 ℃，呈下降趋势，周边县环县为-0.3 ℃，其他县在0.3~1.5 ℃之间，平均为0.5 ℃，呈上升趋势，吴起与周边县差异比较明显。植被覆盖增加对夜间温度影响大于白天，这是山地气候的显著特点，与一些研究成果是一致的^[27-28]。主要是因为山区林草地逆温时间持续时间延长，尤其是夏季持续时间要长得多。

4 结论

1998—2007年NOAA/AVHRR和EOS/MODIS遥感监测显示，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，县域版图在遥感影像上明显凸现。

从1997年和2007年TM影像解译得到土地利用类型和植被覆盖率等两个方面的数据变化来看，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2007年吴起县有75.15%耕地不再耕种，退出的耕地主要变为草地、林地和果园；林草覆盖率增加显著，由1997年的37.06%提高到2007年的80.60%；高坡度耕地绝大部分实现退耕，＞25°的坡耕地80%~90%实现了退耕；低植被覆盖度的土地面积在大幅度减少，相反高植被覆盖度的土地面积在大幅度增加。

吴起土地利用改变后，对气温和地温产生了明显影响。浅层地温2001—2007年平均值与30年气候均值比较，吴起保持不变，周边县5 cm、10 cm、15 cm、20 cm平均升高了0.9 ℃、1.0 ℃、0.8 ℃、0.8 ℃。吴起植被覆盖变化后起到了降低地温的作用，降温幅度在0.8 ℃。1971—2000年平均气温线性回归方程斜率，吴起与周边县基本相同，而2001年以后的气温线性回归方程斜率，周边县的数值是吴起的5~11倍，吴起的升温趋势明显缓和。吴起植被覆盖变化，对温度变化已产生影响。

土地利用变化对冬季的温度影响较小，对夏季的温度影响明显，夏季温度偏凉，与数值模拟结果相同。对夏季最低温度的影响大于最高温度，这是由山地地形气候造成的。