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地球信息科学学报 >

2022 , Vol. 24 >Issue 11: 2153 - 2170

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2022.220060

地理空间分析综合应用

三北工程区植被恢复对土壤风蚀的影响及植被恢复潜力研究

  • 张雄一 , 1, 2 ,
  • 邵全琴 , 1, 2, * ,
  • 宁佳 1 ,
  • 杨雪清 3 ,
  • 巩国丽 4 ,
  • 刘国波 1
展开
  • 1.中国科学院地理科学与资源研究所 中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京100101
  • 2.中国科学院大学，北京 100049
  • 3.国家林业和草原局调查规划设计院，北京 100714
  • 4.山西能源学院，晋中 030600
*邵全琴（1962— ），女，江苏常州人，研究员，博士生导师，研究方向为生态系统监测与评估。 E-mail:

张雄一（1995— ），男，河南泌阳人，博士生，研究方向为GIS应用与生态环境评估。 E-mail:

收稿日期: 2022-02-09

  修回日期: 2022-03-16

  网络出版日期: 2023-01-25

基金资助

国家重点研发计划项目(2017YFC0506501)

中国科学院战略性先导科技专项项目(XDA23100203)

收起

Effect of Vegetation Restoration on Soil Wind Erosion and Vegetation Restoration Potential in The Three-North Afforestation Program

  • ZHANG Xiongyi , 1, 2 ,
  • SHAO Quanqin , 1, 2 ,
  • NING Jia 1 ,
  • YANG Xueqing 3 ,
  • GONG Guoli 4 ,
  • LIU Guobo 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Investigation, Planning and Design Institute of National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100714, China
  • 4. Shanxi Institute of Energy, Jinzhong 030600, China
*SHAO Quanqin, E-mail:

Received date: 2022-02-09

  Revised date: 2022-03-16

  Online published: 2023-01-25

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2017YFC0506501)

Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences(XDA23100203)

Fold

摘要

三北地区是我国重要的生态屏障，分析2000—2019年三北防护林体系建设工程（简称：三北工程）区植被恢复时空变化状况，厘定人类活动与气候要素对植被恢复的贡献，探究植被恢复对土壤风蚀影响，评估植被恢复潜力空间，可为三北防护林体系建设工程未来规划管理和科学施策提供参考。本文在选取植被覆盖度和植被净初级生产力表征植被恢复状况基础上，利用地面数据，结合模型模拟，定量评估了2000—2019年三北防护林体系建设工程区植被恢复程度及其对土壤风蚀的影响，并对植被恢复潜力进行探究。研究结果表明：① 2000—2019年植被恢复程度高、较高的面积，占总面积的35.29%和13.16%，主要分布在黄土高原区及北部区域和风沙区与东北华北平原农区的部分地区。人类活动与气候因素对植被恢复贡献率为10.45%和89.55%；② 土壤风蚀以轻度侵蚀和微度侵蚀为主，呈逐年下降趋势，剧烈侵蚀面积减少了66.45%，防风固沙服务得到进一步提升。植被恢复程度与土壤风蚀模数呈负相关关系，植被恢复程度较好有助于降低土壤风蚀模数；③ 三北工程区森林、草地和荒漠生态系统仍有8.16%的恢复潜力，内蒙古高原北部部分地区、哈顺戈壁北部和准噶尔盆地西北部及周边区域、黄土高原南部部分区域存在较大恢复潜力。

关键词： 植被覆盖度; 植被净初级生产力; 植被恢复; 恢复程度; 贡献率; 土壤风蚀; 恢复潜力; 三北工程区

本文引用格式

张雄一 , 邵全琴 , 宁佳 , 杨雪清 , 巩国丽 , 刘国波 . 三北工程区植被恢复对土壤风蚀的影响及植被恢复潜力研究[J]. 地球信息科学学报, 2022 , 24(11) : 2153 -2170 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2022.220060

Abstract

The Three-North Afforestation Program (TNAP) is an important ecological barrier in China, a great green wall has been built to resist sandstorms, conserve water and soil, protect agriculture, and promote animal husbandry in the north of China. In 1978, China began to build the Three-North Afforestation Program. After nearly 40 years of construction, the ecological environment has been greatly improved. However, most areas of the TNAP have sparse vegetation, insufficient annual precipitation, large evaporation, strong wind, serious desertification, and an extremely fragile ecological environment. Therefore, the ecological problems are still very prominent in some areas, and the task of ecological construction still has a long way to go. Analyzing the temporal and spatial changes of vegetation restoration in the TNAP from 2000—2019, determining the contribution of human activities and climate factors to vegetation restoration, exploring the impact of vegetation restoration on soil wind erosion, and evaluating the potential space of vegetation restoration can provide a significant reference for the future planning, management, and scientific implementation of the TNAP. In this paper, we chose the vegetation coverage and vegetation net primary productivity as the index to indicate the vegetation restoration status. Using ground data and model simulation to evaluate the degree of vegetation restoration and its impact on soil wind erosion from 2000—2019. This paper also explored the vegetation restoration potential based on the zonal climax background in the TNAP. The results showed that during 2000-2019: (1) The areas with high and higher degree of vegetation restoration accounted for 35.29% and 13.16% of the TNAP, respectively, which were mainly distributed in the Loess Plateau area, and on the north area of Loess Plateau area, and some areas of the sandstorm area and agricultural area of the Northeast-North China Plain. The vegetation restoration was mainly affected by climate factors in TNAP. The contribution rates of human activities and climate factors to vegetation restoration were 10.45% and 89.55%, respectively; (2) The main soil wind erosion degrees were mild erosion degree and micro erosion degree in the TNAP. The soil wind erosion modulus showed a downward trend year by year. The area of severe erosion has decreased by 66.45%, and the service of wind prevention and sand fixation has been further improved. The degree of vegetation restoration had a negative correlation with soil wind erosion modulus. A better degree of vegetation restoration would be helpful to reduce soil wind erosion modulus and reduce the harm of wind erosion; (3) The forest ecosystem, grassland ecosystem, desert ecosystem still had a restoration potential of 8.16% in the TNAP. Some areas in the north of Inner Mongolia Plateau, the north of Hashun Gobi, the northwest and surrounding areas of Junggar Basin, and the south of Loess Plateau had great restoration potential.

Key words： vegetation coverage; vegetation net primary productivity; vegetation restoration; recovery degree; contribution; soil wind erosion; recovery potential; the Three-North Afforestation Program

1 引言

为从根本上解决西北、华北、东北地区风沙危害，遏制水土流失，改善区域生态环境和生产条件，筑牢我国北方地区生态安全屏障，自1978年我国开始正式启动三北防护林建设工程[1]。截止2018年，三北防护林体系建设工程已经实施五期，累计完成造林面积3014万hm2，工程区森林覆盖率由5.05%提升到13.57%，三北地区的生态环境得到了很大改善[2]，主要沙尘源区的生态状况持续向好，北方沙尘次数明显减少，自然生态系统退化趋势得到初步遏制。但三北地区有八大沙漠、四大沙地和广袤的戈壁，大部分地区植被稀疏、年降水不足、蒸发量大、风力大、荒漠化现象严重，生态环境极其脆弱[3-4]，因此局部地区的土地退化、沙尘天气频发等生态问题仍然十分突出，生态建设任务依然任重道远[1]。尤其进入2021年，沙尘暴频繁发生，3月15日北方地区发生的沙尘暴更是近10年来强度最大、影响范围最广的一次。因此定量评估三北防护林生态工程区植被恢复程度及其土壤风蚀模数状况，揭示其变化规律及区域差异，对未来三北工程区的规划建设和管理提供科学依据，有助于筑牢北方生态屏障，持续推进生态文明高效建设，保障国家生态安全。
土壤风蚀是指在风力的作用下，地表土壤结构遭到破坏，土壤细颗粒物或土壤母质发生迁移与沉积的现象[5-6]。早期有关土壤风蚀的研究主要集中在某一特定时段的小尺度区域，通过集沙仪、风蚀风洞等设备野外测量和模拟实验得出[7⇓-9]，随着土壤风蚀理论和模型逐步完善以及地理信息系统和遥感技术的快速发展[10⇓-12]，使得大尺度、低成本、长时间序列的土壤风蚀估算成为可能。由于RWEQ模型综合考虑了气候条件、植被状况、土壤状况等要素，并且各要素获取方便，模拟风蚀结果较好，因此被国内学者广泛应用于土壤风蚀研究[13⇓-15]。植被作为生态系统重要的重要组成部分，通过固定表层土壤、改善土壤结构、增加下垫面粗糙度，减弱水蚀和风蚀影响，降低风沙危害、减少水土流失，起到防风固沙和保持土壤作用[16]。有关植被对土壤风蚀的影响，国内外开展了一系列研究，从定性分析到实验模拟再到多模型定量评估，研究方法趋于复杂化，研究尺度趋于多样化。早期主要通过风洞模拟试验探究植被对土壤风蚀的影响作用[17-18]，后期随着3S技术和野外长期监测等技术发展，大尺度、多模型的植被与风蚀关系研究逐渐展开[5,19-20]。
三北工程主要通过植被恢复措施治理风沙危害和水土流失。作为我国实施较早，投入大量资金的全国重点生态建设工程，近20年建设三北工程区植被恢复和土壤风蚀变化趋势如何，植被恢复对土壤风蚀影响效果如何，哪些区域存在植被退化、土壤风蚀加剧等突出问题?人类活动和气候因素对三北工程区植被恢复的贡献有多少，植被恢复的潜力还有多大空间?这些均是影响三北防工程建设科学开展和进行高效管理的重要问题。目前学者们主要利用残差趋势法来厘定人类活动与气候变化的影响，如利用评价人类活动在土地退化中的作用[21]、量化气候变化和人类活动因素对植被覆盖变化[22]和植被净初级生产力[23]的影响等。虽然已有部分学者对三北工程区的水源涵养、防风固沙服务等生态系统服务及植被覆盖变化进行了探究，利用平均气候初步辨识了生态工程和气候对三北地区的影响[3]，但三北地区的植被恢复潜力目前还没有相关的研究成果，仅有部分学者对黄土高原[24-25]、蒙古国[26]进行了初步探索。本文选取植被覆盖度和植被净初级生产力作为植被恢复的评价指标，利用地面和遥感数据，结合模型模拟，生成了2000—2019年三北工程区指标参数数据集，定量评估了三北工程区植被恢复状况和土壤风蚀模数变化状况，厘定了人类活动与气候因素对植被恢复的贡献率，探究了植被恢复对土壤风蚀的影响，并基于邵全琴等[27]提出的“历史动态本底-恢复现状-恢复指数”+“地带顶极本底-恢复现状-偏离指数”生态工程生态效益评估方法测算出三北工程区植被恢复潜力空间及分布状况，以期为三北防护林体系建设工程的科学规划和管理提供借鉴意义。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

三北工程建设期为1978—2050年，分3个阶段、八期工程进行。三北工程建设40年累计完成总投资933亿元，其中，中央投资242亿元、地方配套资金201亿元、群众投工投劳折资491亿元。本研究以三北防护林体系建设五期工程边界为研究区，涉及西北、华北、东北的陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆、山西、河北、北京、天津、内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江13个省（自治区、直辖市）的725个县（旗、市、区）和新疆生产建设兵团，分为风沙区、西北荒漠区、黄土高原丘陵沟壑区和东北华北平原农区（图1（a））[1]。2000—2019年三北地区实施了包括三北防护林体系建设工程（四期、五期）、退耕还林工程、天然林资源保护工程、京津风沙源综合治理工程、退牧还草工程5个国家重大生态工程。三北地区实施的重大生态工程在空间上重叠（图1（b）），其中重叠实施5个生态工程的面积占三北总面积的5.47%，主要分布在内蒙古中部、陕西北部和青海的部分地区；3个生态工程叠加实施的面积最大，占三北总面积的51.4%（表1）。
图1 三北工程区地理位置及生态工程实施区域叠加分布

Fig. 1 Geographical location and spatial superposition of key ecological projects in the TNAP

表1 三北地区重大生态工程实施重叠数量及面积统计

Tab. 1 Statistics of overlapping number and area of key ecological programs in the TNAP

序号 实施工程数量/个 面积/（×104 km2） 占三北地区总面积/%
1 2 101.49 22.42
2 3 232.69 51.40
3 4 93.75 20.71
4 5 24.76 5.47

2.2 数据来源及处理

2.2.1 植被覆盖度

利用2000—2019年时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m的MODIS MOD13Q1 NDVI数据产品[28]，通过格式转换、投影转换、图像拼接、重采样和Savitzky-Golay滤波处理，得到半月NDVI数据，根据像元二分模型计算得到三北地区2000—2019年半月尺度的植被覆盖度数据集，年植被覆盖度数据采用最大合成法生成。

2.2.2 植被净初级生产力数据来源与验证

采用2000—2019年时间分辨率为1年，空间分辨率500 m的MODIS MOD17A3数据产品[29]。利用课题组2004—2006年在青海、西藏、宁夏、内蒙古所采集的168个草地样方数据[30]，以及中国生态系统网络中心（CERN）森林生态系统通量观测站长期动态监测的中国典型森林生态系统生产力数据集对全国范围内MODIS NPP数据进行精度验证。选取站点（或样方）相同位置、相同年份的MODIS-NPP像元值，得到站点270个年实测NPP数据和MODIS-NPP数据，为消除通量塔碳足迹影响，本研究使用站点（或样方）周围3×3像元窗口内的MODIS-NPP平均值用于和实测NPP数据进行对比验证。R2为0.75（图2）。经重采样、裁剪后生成2000—2019年三北地区1 km植被净初级生产力数据集。
图2 MODIS NPP数据集精度验证

Fig. 2 Accuracy verification of MODIS NPP dataset

2.2.3 土壤风蚀模数估算与验证

利用RWEQ模型估算土壤风蚀模数，公式如下：
${{S}_{w}}=\frac{{{Q}_{x}}}{x}={{Q}_{\text{max}}}\left[ 1-{{e}^{{{\left( \frac{x}{s} \right)}^{2}}}} \right]$
${{Q}_{\text{max}}}=109.8\left( WF\times EF\times SCF\times {K}'\times COG \right)$
$s=150.71{{\left( WF\times EF\times SCF\times {K}'\times COG \right)}^{-0.3711}}$
式中： S w为土壤风蚀模数，x为地块长度； Q x为地块长度x处的风蚀量/（kg/m）； Q m a x为风力最大输沙能力/（kg/m）；s为关键地块长度/m；WF为气象因子；EF为土壤可蚀性成分；SCF为土壤结皮因子；K′为土壤糙度因子；COG为植被因子。模型中各因子计算方法见文献[11]、[31]。
利用RWEQ估算的土壤风蚀模数与137CS测定的土壤风蚀模数[32-33]和风洞实验所得土壤风蚀预报经验模型估算结果[34]对比，R2为0.45，如图3所示。最终得到2000—2019年三北地区1 km的土壤风蚀模数数据集。
图3 RWEQ模型模拟土壤风蚀数据集精度验证

Fig. 3 Accuracy verification of soil wind erosion dataset based on RWEQ model simulation

2.3 研究方法

本文选取植被覆盖度和植被净初级生产力两个指标分别评估植被恢复趋势，分析三北地区植被恢复状况。根据土壤风蚀模数变化与植被变化的相关关系，判断植被恢复对土壤风蚀的影响。选取植被净初级生产力作为指标厘定人类活动与气候因素对植被恢复的影响。基于地带性顶极本底的植被恢复潜力估算方法评估三北地区植被恢复潜力。总体技术路线如图4所示。
图4 三北工程区植被恢复对土壤风蚀的影响及植被恢复潜力的研究框架

Fig. 4 Research framework of the impact of vegetation restoration on soil wind erosion and vegetation restoration potential in the Three-North Afforestation Program

2.3.1 植被恢复程度评估方法

（1）2000—2010年和2010—2019年2个时段趋势判断法
利用最小二乘法分别计算三北地区2000—2010年、2010—2019年2个时段内植被覆盖度、植被净初级生产力和土壤风蚀模数的变化斜率slope，对变化斜率进行分级，其中slope > 0.05为转好， -0.05 < slope <0.05为稳定，slope < -0.05为转差（风蚀模数相反）。根据表2判断三北地区2000—2019年植被恢复趋势。
表2 植被恢复趋势判断依据及结果

Tab. 2 Judgment basis and result of vegetation restoration trend

序号 判断依据 判断结果
2000—2010年 2010—2019年 2000—2019年植被恢复趋势
1 转好 转好 持续转好
2 转差 转差 持续转差
3 基本稳定 基本稳定 保持稳定
4 转好 转差 先转好后转差
5 转好 基本稳定 先转好后稳定
6 转差 转好 先转差后转好
7 转差 基本稳定 先转差后稳定
8 基本稳定 转好 先稳定后转好
9 基本稳定 转差 先稳定后转差
（2） 2000—2019年植被恢复程度判断
利用Sen趋势法计算2000—2019年三北工程区植被覆盖度和植被净初级生产力两个指标的空间变化斜率，并利用Mann—Kenddall方法进行了显著性检验。根据其变化斜率判断转好、转差和基本稳定的三类变化趋势空间分布，并将这两个指标的趋势空间分布进行叠加分析，根据表3判断获得植被恢复程度空间分布。
表3 植被恢复程度判断依据

Tab. 3 Judging basis of vegetation restoration degree

序号 植被恢复程度 判断依据
1 恢复程度高 2个指标均转好
2 恢复程度较高 1个指标稳定与1个转好
3 基本稳定 2个指标均稳定
4 部分恢复与部分转差 1个指标转好与1个转差
5 有所转差 1个指标转差与1个稳定
6 明显转差 2个指标均转差

2.3.2 人类活动与气候因素对植被恢复的贡献率厘定方法

本文选取植被净初级生产力为指标，利用多元回归残差分析方法厘定人类活动与气候因素的贡献率，以探究人类活动和气候因素对植被恢复的影响。① 以三北地区植被NPP（NPPobs）为因变量、气温和降水为自变量，建立二元线性回归模型； ②基于气温和降水数据以及回归模型的参数，计算得到植被NPP的预测值（NPPcc），用来表征气候因素对植被NPP的影响；③ 计算NPPobs与NPPcc之间的差值（NPPha），用来表征人类活动对植被恢复的影响。用NPPcc、NPPha的年际倾斜率与NPPobs的年际倾斜率比值分别表征气候因素和人类活动对植被恢复的贡献率。

2.3.3 基于地带性顶极本底的植被恢复潜力估算方法

基于邵全琴等[27]提出的“地带顶极本底—恢复现状—恢复潜力”生态工程生态效益评估方法，根据调整后中国生态地理分区内自然保护区生态状况进行顶极本底模拟和植被恢复潜力估算。郑度[35]编制的中国生态地理分区分为10个一级区， 21个二级区和49个三级区。考虑到三级分区较多，有些分区中生态状况最好的自然保护地分布较少，本研究选用二级区作为主要研究分区，并对其进行了调整，三北工程区地处11个不同的生态地理分区（图5），以不同生态地理分区内各自然保护区的生态环境状况为顶极本底，将自然保护区内林、草、荒生态系统类型2017—2019年植被覆盖度作为因变量，2017—2019年年均气温和降水作为自变量构建二元线性回归方程（表4），根据拟合的方程，结合2017—2019年年均温度和降水，得到该时段内三北地区森林、草地和荒漠生态系统的顶极植被覆盖度的模拟值，并与2000—2019年的植被覆盖度数据比较，若顶极模拟值小于实际值，则将实际值替代顶极模拟值，并得到最终的顶极本底数据。将2017—2019年年均植被覆盖度作为生态现状实际值，用顶极值减去实际值，得到植被覆盖度的恢复潜力（差距）。
图5 三北地区生态地理分区与自然保护区空间分布

Fig. 5 Spatial distribution of ecological geographical regions and nature reserves in the TNAP

表4 三北地区不同生态系统类型植被覆盖度与气温降水的拟合方程

Tab. 4 Fitting equation between fvc and temperature and precipitation of different ecosystem types in the TNAP

序号 生态地理分区 生态系统类型 拟合方程 R 显著性(P)
1 中温带湿润地区 森林 Fcmax=97.836-0.032×temp+0×pre 0.12 0.89
草地 Fcmax=91.797+0.04×temp+0.001×pre 0.10 0.92
荒漠 Fcmax=10.089+1.935×temp+0.054×pre 0.67 <0.05
2 中温带半湿润地区 森林 Fcmax=88.283+0.158×temp+0.004×pre 0.29 0.49
草地 Fcmax=42.073+1.219×temp+0.04×pre 0.60 <0.05
荒漠 Fcmax=18.759+2.378×temp+0.03×pre 0.50 <0.05
3 中温带半干旱地区 森林 Fcmax=67.312-0.336×temp+0.035×pre 0.58 <0.05
草地 Fcmax=30.25-0.779×temp+0.062×pre 0.71 <0.05
荒漠 Fcmax=22.857-0.512×temp+0.039×pre 0.61 <0.05
4 中温带干旱地区 森林 Fcmax=58.346-0.144×temp+0.018×pre 0.31 0.43
草地 Fcmax=31.223+0.04×temp-0.002×pre 0.06 0.97
荒漠 Fcmax=5.641-0.209×temp-0.002×pre 0.36 <0.05
5 高原亚寒带半干旱地区 森林 Fcmax=29.105-0.026×temp+0.028×pre 0.49 <0.05
草地 Fcmax=9.735+0.101×temp+0.016×pre 0.47 <0.05
荒漠 Fcmax=3.709+0.005×temp+0.006×pre 0.52 <0.05
6 高原亚寒带半湿润地区 森林 Fcmax=71.968+0.099×temp+0.008×pre 0.33 <0.05
草地 Fcmax=54.306+0.175×temp+0.012×pre 0.40 <0.05
荒漠 Fcmax=42.198+0.446×temp+0.004×pre 0.40 <0.05
7 高原温带半干旱地区 森林 Fcmax=70.614+0.136×temp+0.007×pre 0.47 <0.05
草地 Fcmax=28.472+0.148×temp+0.013×pre 0.56 <0.05
荒漠 Fcmax=8.654+0.073×temp+0.008×pre 0.49 <0.05
8 高原温带干旱地区 森林 Fcmax=17.474-0.988×temp+0.015×pre 0.29 0.48
草地 Fcmax=2.730+0.016×temp+0.002×pre 0.30 <0.05
荒漠 Fcmax=0.931+0.014×temp+0×pre 0.13 0.86
9 暖温带半湿润地区 森林 Fcmax=91.432+0.223×temp+0.002×pre 0.37 0.41
草地 Fcmax=71.318+0.479×temp+0.006×pre 0.37 <0.05
10 暖温带半干旱地区 森林 Fcmax=78.465+0.625×temp+0.013×pre 0.53 <0.05
草地 Fcmax=24.621+2.065×temp+0.048×pre 0.69 <0.05
11 暖温带干旱地区 森林 Fcmax=30.948-1.564×temp+0.016×pre 0.60 <0.05
草地 Fcmax=3.810-0.088×temp+0.001×pre 0.23 0.63
荒漠 Fcmax=0.246-0.006×temp+0.001×pre 0.14 0.85

注：Fcmax表示顶极植被覆盖度；temp表示温度；pre表示降水。

3 结果及分析

3.1 2000—2019年三北工程区植被恢复状况

（1）植被覆盖度恢复状况分析
2010—2019年三北地区多年平均植被覆盖度较2000—2010年增加了1.73%（图6（a））。2个时段内植被覆盖度持续转好的面积占11.75%，持续稳定的面积占36.65%，存在4.58%的区域持续转差（图6（b））。2000—2019年三北工程区植被覆盖度年均变化速率为0.18%/a，整体呈现稳定增加趋势。各分区植被覆盖度年均变化速率均呈增长趋势，其中黄土高原丘陵沟壑区年均变化速率最大，西北荒漠区年均变化速率最小。
图6 2000—2010年、2010—2019年三北地区植被覆盖度变化量及恢复态势空间分布

Fig. 6 Spatial distribution of FVC and restoration trend from 2000 to 2010 and 2010 to 2019 in the TNAP

植被覆盖度增加主要位于黄土高原、东北平原、四川盆地和云贵高原的部分地区，植被覆盖度减少主要位于天山山脉、内蒙古东部及华北平原北部的部分区域（图7（a））。对植被覆盖度变化斜率进行显著性检验，减少趋势和增加趋势通过0.05显著性检验的区域面积占比为7.85%和12.28%；未通过显著性检验的区域面积占比为63.62%（图7（b））。
图7 2000—2019年三北地区植被覆盖度变化斜率及显著性检验空间分布

Fig. 7 Spatial distribution of change slope of FVC and its significance test from 2000 to 2019 in the TNAP

（2）植被净初级生产力恢复状况分析
2010—2019年三北地区多年植被净初级生产力较2000—2010年增加了32.71 gC/(m²·a)（图8（a））。2个时段内植被净初级生产力持续转好的面积占29.39%，持续稳定的面积占46.38%，仅0.28%的区域持续转差（图8（b））。2000—2019年三北工程区植被净初级生产力年均变化速率为2.48 gC/(m²·a)，整体呈增加趋势。各分区植被净初级生产力年均变化速率均呈增长趋势，其中黄土高原丘陵沟壑区年均变化速率最大，西北荒漠区年均变化速率最小。
图8 2000—2010年、2010—2019年三北地区植被净初级生产力变化量及恢复态势空间分布

Fig. 8 Spatial distribution of NPP and restoration trend from 2000 to 2010 and 2010 to 2019 in the TNAP

植被净初级生产力增加的区域主要位于东部的东北平原区和中部的黄土高原区，减少区域零星分布在东北华北平原农区和风沙区的部分地区（图9（a））。对植被净初级生产力变化斜率进行显著性检验，减少趋势和增加趋势通过0.05显著性检验的区域面积占比为0.08%和34.14%；未通过显著性检验的区域面积占比为50.67%（图9（b））。
图9 2000—2019年三北地区植被净初级生产力变化斜率及显著性检验空间分布

Fig. 9 Spatial distribution of change slope of NPPand its significance test from 2000 to 2019 in the TNAP

（3）植被恢复程度分析
2000—2019年三北地区植被恢复程度存在明显空间差异（图10）:① 植被恢复程度高的面积最大，占三北地区总面积的35.29%，主要分布在黄土高原区及北部区域和风沙区与东北华北平原农区的交界及周边区域；② 基本稳定的区域，占比为26.76%，主要分布于西北荒漠区的塔里木盆地和柴达木盆地及周边地区；③ 植被恢复程度较高的区域占13.16%，主要分布在东部的东北华北平原部分地区；④ 有所转差面积占8.23%，主要集中在内蒙古高原的西部巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠及周边地区；⑤ 明显转差面积仅占0.88%，主要分布在天山山脉部分区域。
图10 2000—2019年三北地区植被恢复程度空间分布

Fig. 10 Spatial distribution of vegetation restoration degree from 2000 to 2019 in the TNAP

（4）人类活动与气候因素对植被恢复的贡献率
三北工程区人类活动与气候因素对植被恢复贡献率为10.45%和89.55%（表5），人类活动贡献高的区域主要分布在黄土高原区和大兴安岭的东北部（图11（a））。在三北工程区，气候因素均为植被恢复的主要影响因素，但空间上存在明显差异，如图11（b）所示。人类活动对黄土高原丘陵沟壑区植被恢复的贡献率最高，为22.44%，部分地区超过50%；在西北荒漠区的贡献率最低，仅为5.80%。
表5 2000—2019年三北地区人类活动与气候因素对植被恢复贡献率

Tab. 5 Contribution rate of ecological projects and climate to change of vegetation restoration from 2000 to 2019 in the TNAP

区域 人类活动贡献率/（%） 气候贡献率/（%）
三北工程区 10.45 89.55
风沙区 15.05 84.95
东北华北平原农区 15.40 84.60
黄土高原丘陵沟壑区 22.44 77.56
西北荒漠区 5.80 94.20
图11 2000—2019年三北地区植被净初级生产力残差趋势及人类活动贡献率空间分布

Fig. 11 Spatial distribution of residual trend of NPP and human activities contribution rate from 2000 to 2019 in the TNAP

3.2 2000—2019年三北工程区土壤风蚀模数时空变化

三北工程区2010—2019年较2000—2010年 年均土壤风蚀模数下降了28.97%。土壤风蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主，但程度有所降低。除东北华北平原农区年均土壤风蚀模数上升2.54%，其他分区均呈现不同程度的下降趋势（图12（a））。两时段内风蚀模数持续减少的面积占8.65%，主要集中在青藏高原北部、吐鲁番盆地及周边区域、中央戈壁、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙地等部分区域；持续增加的区域仅占0.12%，主要位于甘肃北部及甘肃与内蒙交界区域；持续稳定的区域面积最大，占64.35%（图12（b））。2000—2019年风蚀模数年均变化速率为-0.87 t/(hm²·a)，整体呈现递减趋势，但东北华北平原农区风蚀模数有轻微上升趋势，年均变化速率为0.01 t/(hm²·a)，西北荒漠区有明显的下降趋势，年均下降速率为-1.41 t/(hm²·a)（图13（a））。对风蚀模数变化斜率进行显著性检验，减少和增加趋势通过0.05显著性检验的区域面积占比分别为34.46%和3.63%，未通过显著性检验的区域面积占比为54.98%（图13（b））。
图12 2000—2010年、2010—2019年三北地区土壤风蚀模数变化量及恢复态势空间分布

Fig. 12 Spatial distribution of Soil wind erosion modulus and restoration trend from 2000 to 2010 and 2010 to 2019 in the TNAP

图13 2000—2019年三北地区土壤风蚀模数变化斜率及显著性检验空间分布

Fig. 13 Spatial distribution of change slope of soil wind erosion modulus and its significance test from 2000 to 2019 in the TNAP

3.3 三北工程区植被恢复对土壤风蚀的影响

（1）植被覆盖变化对土壤风蚀的影响
2000—2019年三北工程区整体和分区植被覆盖度均呈稳定增长趋势，土壤风蚀模数除东北华北平原农区外均呈逐渐递减趋势，由图14可以看出植被覆盖度和风蚀模数呈负相关关系，在植被覆盖度有所好转时，土壤风蚀模数有下降趋势。
图14 2000—2019年三北地区植被覆盖度与土壤风蚀模数变化

Fig. 14 Changes of FVC and soil wind erosion modulus from 2000 to 2019 in the TNAP

由植被覆盖度和土壤风蚀模数变化情况可知，随着植被覆盖度增加土壤风蚀模数减少的区域占54.55%，主要集中在黄土高原丘陵沟壑区的北部、风沙区的东北部以及与黄土高原交界区域、西北荒漠区的天山山脉和塔里木盆地的西北部；植被覆盖度降低风蚀模数增加的区域占10.80%，主要分布在风蚀区的浑善达克沙地的北部、呼伦贝尔高原和准噶尔盆地北部的部分区域。植被覆盖度变化与固定气候下（假设气候条件不变）风蚀模数变化呈极显著负相关（p<0.01）和显著负相关（p<0.05）的区域占总面积的25.54%和7.44%，呈极显著正相关（p<0.01）和显著正相关（p<0.05）的区域仅占0.88%和1.95%（图15）。进一步表明植被覆盖度与土壤风蚀模数呈负相关关系。
图15 2000—2019年三北地区植被覆盖度变化与固定气候下土壤风蚀模数变化相关性分布

Fig. 15 Distribution of correlation between vegetation coverage change and soil wind erosion modulus change under fixed climate from 2000 to 2019 in the TNAP

（2）植被恢复对土壤风蚀的影响
综合分析植被恢复程度与土壤风蚀模数变化斜率可知，植被恢复较好（植被恢复程度较高和植被恢复程度高）的区域主要分布在土壤风蚀模数变化斜率下降的区域，占植被恢复转好总面积的77.30%；植被恢复转差（明显转差和有所转差）的区域虽然也集中分布在土壤风蚀模数变化斜率下降区域，但其总面积占比较小，仅占三北工程区总面积的8%（图16）。总体来看，植被恢复有助于降低土壤风蚀模数。
图16 2000—2019年三北地区不同土壤风蚀模数变化斜率下植被恢复程度

Fig. 16 Vegetation restoration degree under different slope of soil wind erosion modulus from 2000 to 2019 in the TNAP

固定气候下内蒙古高原西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠及周边地区土壤风蚀增加明显，与植被恢复程度有所转差的区域基本一致，在黄土高原丘陵沟壑区的北部与风沙区交界的区域，土壤风蚀模数减小的的区域与植被恢复程度高的区域也基本一致（图17（a））。对比分析植被恢复程度和固定气候下风蚀模数变化通过显著性检验（p<0.1）的区域，植被恢复较好引起土壤风蚀模数减少的区域占40.78%，引起风蚀模数增加的区域占9.1%；植被恢复转差引起土壤风蚀模数增加的区域占62.15%，引起风蚀模数减少的区域仅占1.93%，进一步说明植被恢复与风蚀模数呈明显负相关关系（图17（b））。
图17 2000—2019年三北地区固定气候下土壤风蚀模数变化斜率及显著性检验空间分布

Fig. 17 Spatial distribution of change slope of Soil wind erosion modulus under fixed climate and its significance test from 2000 to 2019 in the TNAP

3.4 三北工程区植被恢复潜力

三北工程区森林、草地和荒漠的顶极植被覆盖度为27.29%，顶极植被覆盖度分布趋势与2000—2019年植被覆盖度分布基本一致，均由东南向西北逐渐递减（图18（a））。三北工程区森林、草地和荒漠植被覆盖度与顶极本底仍有8.16%的恢复潜力（图18（b））。恢复潜力最大的区域为风沙区，东北华北平原农区恢复潜力最小。三北工程区大部分区域恢复潜力较小，但风沙区的内蒙古高原北部部分地区、西北荒漠区的哈顺戈壁北部和准噶尔盆地西北部及周边区域、黄土高原南部部分区域与顶极本底尚有超过20%的差距，这部分区域未来的植被恢复潜力有较大空间。
图18 2017—2019年三北地区模拟的顶极植被覆盖度和植被覆盖度恢复潜力空间分布

Fig. 18 Spatial distribution of FVC in climax ecological condition and restoration potential from 2017 to 2019 in the TNAP

4 讨论

本文基于2000—2019年植被覆盖度、植被净初级生产力、土壤风蚀等数据探究了2000—2019年三北工程区植被恢复状况，厘定了人类活动与气候因素对植被恢复的贡献程度，分析了植被恢复对土壤风蚀模数影响，并对未来三北地区的植被恢复潜力进行探究。研究的方法在厘定人类活动和气候因素贡献率方面还存在一定的不足，仅选择气温和降水作为变量建立线性回归方程进行植被净初级生产力的拟合，存在一定的不确定性，未来的研究中可以针对三北工程区不同区域的自然资源禀赋，考虑利用太阳辐射、风速、相对湿度等不同的影响要素进行综合分析。
近20年三北地区实施了一系列重大生态工程，植被恢复态势向好，土壤风蚀模数呈逐年下降趋势，风沙危害得到有效治理。研究结果表明，三北工程区大部分地区实施的重大生态工程数量越多，植被恢复程度越明显，如黄土高原丘陵沟壑区的北部、风沙区的东北部及南部、西北荒漠区准噶尔盆地的南部区域。但仍有部分地区受限于风速、气温、降水等气候要素及自身生态本底条件，虽然实施了较多的生态工程，植被恢复效果依旧不理想，如西北荒漠区的毛乌素沙地和库布齐沙漠及周边区域、天山山脉部分区域。总体来看，植被恢复程度较好的区域，土壤风蚀模数呈现平稳递减态势。但在呼伦贝尔高原、准噶尔盆地的个别区域，植被恢复程度较好，土壤风蚀模数却也呈现略微增加趋势，这部分地区主要受到气候要素的影响，植被恢复对土壤风蚀作用不及气候要素的影响。
本研究的三北工程区黄土高原地区植被覆盖变化提升显著与张琨等[36]的结果一致，三北工程区整体植被覆盖度呈增长趋势和土壤风蚀模数呈降低趋势的研究结果与黄麟等[3]在三北工程区开展的防风固沙效应的研究结果基本一致。三北地区植被覆盖度和风蚀模数呈负相关关系，植被覆盖度的增加会降低土壤风蚀模数的研究结果与赵彩霞等[37]植被覆盖度与土壤风蚀量之间呈负相关、李鑫等[38]植被覆盖度升高土壤风蚀模数下降等结论一致。目前有关植被恢复潜力的研究成果仅有部分学者利用相似生境法在延安[39]、黄土高原区[24]、蒙古国[26]等区域进行了探索。在黄土高原植被恢复潜力评估方面，高海东等[24]基于相似生境法提出约有10%的提升空间与本文黄土高原丘陵沟壑区的恢复潜力仍有11.10%的结果比较接近。但“地带性顶极本底”方法评估植被恢复潜力是在充分考虑生态地理分区的情况下，选择自然保护区为生态本底，并根据气温、降水进行模拟，使得结果更加合理。

5 结论

本文针对2000—2019年三北工程区植被恢复和土壤风蚀变化趋势如何，植被恢复对土壤风蚀影响效果如何，三北地区植被恢复的潜力还有多大空间等科学问题，选取了植被覆盖度和植被净初级生产力作为植被恢复的评价指标，利用地面和遥感数据，结合模型模拟，定量评估了三北工程区植被恢复状况，厘定了人类活动与气候因素对植被恢复的贡献率，分析了植被恢复对土壤风蚀模数的影响，并探究了三北地区的植被恢复潜力。研究的主要结论如下：
（1）植被覆盖度和植被净初级生产力均呈稳定增长态势。植被恢复程度高、较高的区域占总面积的35.29%和13.16%，主要分布在黄土高原区及北部区域和风沙区与东北华北平原农区的部分地区。人类活动与气候因素对植被恢复贡献率为10.45%和89.55%，人类活动贡献高的区域主要分布在黄土高原区、大兴安岭的东北部。
（2）土壤风蚀仍以轻度侵蚀和微度侵蚀为主，土壤风蚀模数呈逐年递减趋势，年均减少速率为0.87t/(hm²·a)，三北工程区的防风固沙服务得到进一步提升，土壤风蚀危害总体呈减弱态势。植被恢复与土壤风蚀模数呈负相关关系，植被恢复有助于降低土壤风蚀。
（3）森林、草地和荒漠生态系统植被覆盖度仍有8.16%的恢复潜力。其中风沙区恢复潜力最大，东北华北平原农区恢复潜力最小。恢复潜力较大的区域主要集中在内蒙古高原北部部分地区、哈顺戈壁北部和准噶尔盆地西北部及周边区域、黄土高原南部部分区域。

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