蘆 雪 王智勇
(1.北京宇視藍圖信息技術有限公司,北京 100096;2.二十一世紀空間技術應用股份有限公司,北京 100096)
草地是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙等方面發(fā)揮著重要作用。然而,《2009年全國草原監(jiān)測報告》顯示,我國草原生態(tài)仍很脆弱,草地退化已經成為草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最嚴重的問題。在草地退化研究中,通過對草原景觀格局的時空演變分析,有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系,為草原生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復提供科學依據。因此,諸多學者、專家開展了針對草原退化過程中景觀格局時空演變的研究,但大多都集中在自然生境差、易受外界干擾的嚴重退化草原區(qū),對生態(tài)恢復功能相對較好的草甸草原區(qū)則研究較少。
內蒙古錫林郭勒草原的東部,又稱烏珠穆沁草原,是內蒙古保存最完好的天然草甸草原之一。然而自20 世紀50 年代以來,由于墾荒種地造成草原破壞,出現(xiàn)了沙漠化,形成了總面積為5 萬km2的格亥額勒蘇沙地,草原景觀格局的時空演變劇烈。目前,草原墾荒仍未停止,又出現(xiàn)了草原開礦、辦廠等經濟活動,使烏珠穆沁草原面臨著種種威脅。作為天然草甸草原中人類活動干擾嚴重的典型代表區(qū)域,烏珠穆沁草原在自然地理上有其獨特的空間分布格局,在生態(tài)上具有一定的脆弱生境特征和演化規(guī)律。因此,研究該地區(qū)景觀格局空間變化的相關內容,對天然草原生態(tài)系統(tǒng)的治理、恢復具有重要的學術價值和借鑒意義。
研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)東部,行政區(qū)劃隸屬錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗,地處烏珠穆沁草原,是天然的草甸草原。地理坐標為:東經118°00′~118°45′、北緯46°20′以北至國境線,總面積1970km2。研究區(qū)屬北溫帶大陸性氣候,太陽輻射強烈,大風日數(shù)多,自然條件較為惡劣。區(qū)內地貌以低山丘陵與湖泊凹地相間排列,水系不發(fā)育,多形成湖泊,四周分布有條帶狀的風成沙地。區(qū)內動植物種類繁多,草叢高度為30~80cm,覆蓋度為70%~90%,部分草原荒漠化、沙化,并且存在小面積的裸露沙地。區(qū)內經濟發(fā)展方式以牧業(yè)為主、資源和能源為依托,擁有國內外少有的大型朝不楞多金屬礦床,并開展了草原特色旅游業(yè)、口岸等特色產業(yè)。
本研究選用Landsat TM/ETM+影像為數(shù)據源,共選取了近15年來四個時期的遙感數(shù)據,各時相遙感影像成像時間及參數(shù)見表1。從1991年開始,每隔5年有一幅影像,保證了數(shù)據的連續(xù)性,每個時期的影像質量符合研究要求,且均能完全覆蓋研究區(qū)域。
表1 研究數(shù)據背景資料及成像參數(shù)
此外,本文所涉及的數(shù)據和資料還包括研究區(qū)1:5萬地形圖、地質圖,以及氣象、地貌、植被、礦產、經濟、社會等資料和報告。
表2 研究區(qū)地物類型及特征
在ENVI軟件的支持下,通過對研究區(qū)4期遙感影像進行幾何校正、波段選擇與合成、圖像裁剪、圖像增強、圖像分類等處理和解譯,結合野外調查數(shù)據及景觀分類原則和方法,對草原生態(tài)環(huán)境信息進行提取,生成遙感影像圖和遙感分類圖(見圖1和圖2)。并在GIS支持下,建立草原環(huán)境信息時空數(shù)據庫。
圖1 研究區(qū)四期TM432、ETM+743遙感影像圖
圖2 研究區(qū)四期遙感分類圖
運用景觀生態(tài)學原理,通過對草原景觀格局的時空演變分析,有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系,為草原生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復提供科學依據。基于研究區(qū)為草原環(huán)境中一個小尺度區(qū)域的考慮,選取景觀空間格局指數(shù)和景觀模擬模型兩種方法來定量描述1991年和2006年兩個年份的草原景觀格局的變化。
通過對兩個年份景觀單元特征指數(shù)和景觀異質性指數(shù)的分析,得出斑塊面積、最大斑塊面積、斑塊平均面積、斑塊數(shù)、邊界密度等景觀要素特征變化及優(yōu)勢度、多樣性、均勻度和分維數(shù)等景觀異質性變化,反映出兩個年份的草原景觀格局具體變化。
景觀模型可以建立景觀結構、功能和過程之間的相互關系,是預測景觀未來變化的有效工具。景觀模擬模型可分空間模型(Spatial Model)和非空間模型(Non-spatial Model)。馬爾科夫鏈(Markov Chain)模型是一種常用的景觀空間動態(tài)模型,采用轉移矩陣(Transition Matrix)來模擬景觀斑塊從一種類型轉變?yōu)榱硪环N類型的動態(tài)規(guī)律。
基于Landsat 5、Landsat 7遙感影像,通過遙感信息提取,得到草原環(huán)境時空變化數(shù)據庫。以年為單位,把草原環(huán)境的變化分為一系列離散的過程,根據各景觀類型的年平均轉化率,來確定景觀單元的轉移概率,建立轉移概率矩陣,利用馬爾科夫鏈模型模擬研究區(qū)的景觀動態(tài)演變過程并預測2010年、2015年和2020年的變化趨勢。
基于研究區(qū)四期遙感分類圖及草原環(huán)境時空數(shù)據庫中的矢量和屬性數(shù)據,研究區(qū)近15年來草原環(huán)境動態(tài)監(jiān)測結果表明:在1991—1996年間草原環(huán)境狀況良好;而從1996—2001年,草原環(huán)境持續(xù)惡化,表現(xiàn)為草地面積較1991年減少了23.51%,主導地類由較高蓋度草地轉變?yōu)槁愕?,且非草地區(qū)面積增加;從2001—2006年,草原環(huán)境得到改善,草地面積較2001年增加了22.89%,主導地類恢復為較高蓋度草地。
通過對研究區(qū)1991年和2006年兩個時期景觀單元特征指數(shù)和景觀異質性指數(shù)的分析,整個研究區(qū)的景觀破碎化程度加大;較高蓋度草地和中蓋度草地的優(yōu)勢度減弱;景觀多樣性和均勻度增加,裸地和高蓋度草地所占比例增大;景觀分維數(shù)降低,人類對草原景觀的干擾增強。
運用馬爾科夫鏈模型模擬和預測研究區(qū)2010年、2015年和2020年環(huán)境的發(fā)展趨勢,結果表明:非草地區(qū)面積持續(xù)擴大,草地區(qū)除高蓋度草地外,其他類型的草地所占面積均下降,整個草原環(huán)境在未來15年內有惡化趨勢。
研究區(qū)草原環(huán)境變化的驅動機制從自然和人為兩個方面分析,主要驅動因子有地形地貌、氣候、土壤以及過度放牧、墾荒、盲目發(fā)展工礦業(yè)等。主要整治策略有“實行以草定畜、合理規(guī)劃布局工礦業(yè)、建立法律與法規(guī)和草原監(jiān)測體系,并加強宣傳教育、提高牧民的綜合素質和生態(tài)保護意識”。
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