青海湖流域草地退化時(shí)空分布特征

張 明，崔 軍，曹學(xué)章①

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所/ 生態(tài)保護(hù)與氣候變化研究中心,江蘇 南京 210042；2.鹽城師范學(xué)院江蘇省鹽土生物資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鹽城 224002)

青海湖流域草地退化時(shí)空分布特征

張 明1，崔 軍2，曹學(xué)章1①

(1.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所/ 生態(tài)保護(hù)與氣候變化研究中心,江蘇 南京 210042；2.鹽城師范學(xué)院江蘇省鹽土生物資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鹽城 224002)

青海湖地區(qū)是我國青藏高原的生態(tài)脆弱區(qū)，草地退化狀況是反映該流域生態(tài)環(huán)境狀況的有效指標(biāo)。在對(duì)青海湖流域退化草地進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，利用遙感手段獲得流域退化草地的空間分布和空間動(dòng)態(tài)。在草地退化重點(diǎn)區(qū)域選取8個(gè)樣地來反映流域不同區(qū)域、不同類型草地的退化情況。結(jié)果表明，1977—2000年青海湖流域草地退化情況十分嚴(yán)重，流域內(nèi)草地共減少206.68 km2，其中，大部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蜕车?。草地退化主要集中在湖區(qū)南岸、共和縣的黑馬河鄉(xiāng)及布哈河口的鳥島3個(gè)區(qū)域。2000年以后，流域內(nèi)草地退化情況得到明顯改善，草地總面積開始有所增加，主要原因是2000年之后溫度升高和降水增加為草地的生長(zhǎng)和改善提供了有利的自然條件，以及政府和相關(guān)部門在流域內(nèi)實(shí)行了一系列草地保護(hù)政策。2004年是青海湖流域氣候轉(zhuǎn)折年，流域氣溫明顯升高，降水明顯增加，青海湖水位下降趨勢(shì)有所緩解，流域草地退化現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。青海湖流域草地是該流域生態(tài)系統(tǒng)的重要指示植被，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)流域植被變化情況。

青海湖流域；草地退化；時(shí)空分布；植被指數(shù)

全國草原面積近4億hm2,約占國土面積的41.7%,是面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)安全屏障[1]。草地退化是由于人為活動(dòng)或不利自然因素所引起的草地(包括植物及土壤)衰退,生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)潛力及服務(wù)功能降低,環(huán)境變劣以及生物多樣性或復(fù)雜程度降低,恢復(fù)功能減弱或失去恢復(fù)功能的過程[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)是青海湖流域的主體生態(tài)系統(tǒng),主要包括溫性草原、高寒草原、高寒草甸和沼澤草甸等類型。近年來,受全球氣候變暖及日趨頻繁的人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的共同影響,青海湖流域草地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化,已引起各方面的高度關(guān)注[3-7]。近年來,對(duì)青海湖流域的研究主要集中于對(duì)土地利用/土地覆蓋、景觀結(jié)構(gòu)、濕地、植被覆蓋、草地類型、蒸發(fā)量等生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[8-12],或者研究該流域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系[13-15]。以青海湖流域退化草地為對(duì)象進(jìn)行的時(shí)空變化研究較少。因此,對(duì)青海湖流域草地退化面積、程度和速率開展監(jiān)測(cè)研究,將為相關(guān)部門提供有效的草地資源變化數(shù)據(jù),對(duì)于整個(gè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和人民生活水平的提高都具有重要意義。

在眾多遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)是植被生長(zhǎng)狀態(tài)和植被覆蓋度的最佳指示因子[16-20]。以MODIS-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,對(duì)青海湖流域歷年的植被覆蓋度進(jìn)行反演,依據(jù)GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》以及相關(guān)資料,在定量確定草地退化評(píng)價(jià)“基準(zhǔn)”的基礎(chǔ)上,對(duì)青海湖流域草地退化的時(shí)空特征進(jìn)行分析,以期對(duì)當(dāng)?shù)丶捌渲苓叺貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 青海湖流域概況

青海湖位于青藏高原東北端,祁連山地的東南部,四周高山環(huán)繞。地理位置介于北緯36°32′～37°15′,東經(jīng) 99°36′～100°46′之間。該湖東西長(zhǎng)106 km,南北最寬63 km,周長(zhǎng)約360 km,湖面海拔3 194 m,湖水最深處26 m,平均深度16 m。近年來,青海湖水位經(jīng)歷了一個(gè)不斷下降的過程,2010年湖面面積為4 331 km2。青海湖流域由青海湖及直接注入青海湖的50多條河流子域組成,面積為29 661 km2。從流域最高處海拔5 291 m的崗格爾肖合力山到海拔3 194 m的青海湖,流域高差2 097 m,山地面積約占68.6%,平原約占31.4%。

青海湖地區(qū)屬高原大陸性氣候區(qū),光照充足,干濕季分明,年均溫在0.3～1.1 ℃之間。湖區(qū)全年降水偏少,主要集中在5—9月,雨熱同季,每年從11月中旬開始到翌年1月氣溫較低。此時(shí),全湖形成穩(wěn)定的冰蓋,冰封期年平均為108～116 d。青海湖湖水補(bǔ)給來源為河水、雨水及地下水,每年獲得徑流補(bǔ)給主要來自布哈河、沙柳河、烏哈阿蘭河和哈爾蓋河。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

利用1982—2006年美國航空航天局全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(global inventory modelling and mapping studies,GIMMS)的年NDVI數(shù)據(jù)和2001—2010年中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)的年NDVI數(shù)據(jù),從空間分布和時(shí)間變化2個(gè)方面對(duì)整個(gè)青海湖流域1982—2010年草地的NDVI變化進(jìn)行詳細(xì)的空間格局和時(shí)間特征分析。為了保證影像的高質(zhì)量和同時(shí)相,均選擇夏季影像,云層覆蓋度小于10%。利用ENVI 4.8軟件對(duì)影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色波段組合、彩色增強(qiáng),并借助1∶5萬地形圖對(duì)影像進(jìn)行二項(xiàng)式幾何精校正,空間誤差保證在正負(fù)2個(gè)像元內(nèi),然后在ArcGIS 9.3軟件支持下,結(jié)合青海湖流域土壤、植被分布和土地利用等相關(guān)資料,采用人機(jī)交互解譯方法提取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括條紋去除、數(shù)據(jù)定標(biāo)、幾何精校正、投影變換和數(shù)據(jù)融合等。

1.3 研究方法

依據(jù)GB 19377—2003和相關(guān)資料[7,20],以3 a滑動(dòng)平均后的值作為基準(zhǔn),認(rèn)為其是未退化的植被覆蓋度,按草地退化程度分為基本不變、輕度退化、中度退化和重度退化4級(jí),同樣,按草地改善程度分為基本不變、輕度改善、中度改善和明顯改善4級(jí)(表1)。

表1 草地退化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)劃分

Table 1 Indices and criteria for remote sensing monitoring and evaluation of grassland degradation and for grading of grassland degradation

評(píng)價(jià)指標(biāo)變化情況變化程度占比1)/%草地植被覆蓋度退化 輕度退化>70～90中度退化>50～70重度退化≤50基本不變基本不變>90～110改善 輕度改善>110～130中度改善>130～160明顯改善>160

1)草地植被覆蓋度占未退化草地植被覆蓋度的比例。

STOW等[21]和HOPE等[22]采用一元線性回歸來分析每個(gè)柵格點(diǎn)的變化趨勢(shì),從而計(jì)算植被的綠度變化率(greenness rate of change,GRC,CGR),CGR被定義為某時(shí)間段內(nèi)的季節(jié)合成NDVI年際變化的一元線性回歸方程的斜率。采用此方法來模擬流域內(nèi)每個(gè)柵格NDVI的年際變化趨勢(shì),計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,i為年序號(hào);ISINDV,i為第i年生長(zhǎng)季合成的年NDVI值。變化趨勢(shì)圖則反映了1982—2010年這29 a的時(shí)間序列中青海湖流域植被ISINDV的變化趨勢(shì)。每一個(gè)像元的趨勢(shì)線是這個(gè)像元29 a的ISINDV值用一元線性回歸模擬獲得的一個(gè)總的變化趨勢(shì)。S為這條趨勢(shì)線的斜率,這個(gè)趨勢(shì)線并不是簡(jiǎn)單的最后1 a與第1年的連線。其中,如果S>0,則說明此像元ISINDV在這29 a間的變化趨勢(shì)是增加,反之則是減少。

為更具體地分析青海湖流域草地退化特征,綜合考慮地形、海拔、草地類型等因素后,在草地退化重點(diǎn)區(qū)域選取8個(gè)樣地(圖1)。樣地包括溫性草原、高寒草原、高寒草甸等流域主要草地類型,以此來反映流域不同區(qū)域、不同類型草地的退化情況。利用1982—2006年GIMMS的生長(zhǎng)季數(shù)據(jù)合成年ISINDV變化圖,利用2001—2010年MODIS的生長(zhǎng)季數(shù)據(jù)合成年ISINDV圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域草地變化

由表2可知,1977—1987年,流域內(nèi)草地共減少120.88 km2,其中,大部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾蜕车?其他一部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)和灘地;1987—2000年,流域內(nèi)草地共減少85.80 km2,其中,大部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?其他一部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯车?、沼澤、城?zhèn)和灘地;2000—2004年,流域內(nèi)草地面積共增加29.01 km2,其中,大部分由水體、沙地和沼澤轉(zhuǎn)來;2004—2010年,流域內(nèi)草地共減少8.83 km2,其中,一部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、城?zhèn)和沼澤,另一部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、水體和灘地。歷年青海湖流域草地面積見表3。

由表2～3可知,1977—1987年和1987—2000年這2個(gè)時(shí)間段流域內(nèi)草地退化較為嚴(yán)重,其主要原因是在這2個(gè)時(shí)期,人口發(fā)展迅速,大量草地被開墾為耕地,加上過度放牧、青海湖水位的下降及湖區(qū)周邊沙漠化的加重,使得大量草地變?yōu)楦?、沙地和未利用地?/p>

圖1 NDVI樣地空間分布

表2 1977—2010年青海湖流域不同類型草地減少面積

Table 2 Area of grassland lost in the Qinghai-Lake Valley during 1977-2010 relative to type of grassland km2

表3 1977—2010年青海湖流域草地面積

Table 3 Area of grasslands in the Qinghai-Lake Valley during 1977-2010 km2

在2000年之后,流域內(nèi)草地退化情況得到明顯改善,草地總面積開始有所增加,其原因有2個(gè)方面:一是流域內(nèi)氣候在2000年之后相對(duì)暖濕,尤其是2004年之后,溫度升高和降水增加為草地的生長(zhǎng)和改善提供了有利的自然條件;二是政府和相關(guān)部門在流域內(nèi)實(shí)行了一系列保護(hù)草地的政策, 耕地?cái)U(kuò)張和過度放牧都得到了有效控制。但是,隨著近幾年青海湖流域旅游的大力開發(fā),人類活動(dòng)開始加劇,加之,青海湖水位的持續(xù)下降,流域內(nèi)草地面積尤其是湖區(qū)周邊草地面積又呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

2.2 草地退化的空間格局特征

由圖2(a)可知,1982—2000年,流域內(nèi)草地退化區(qū)域主要位于湖區(qū)南岸、共和縣的黑馬河鄉(xiāng)及布哈河口的鳥島附近,而流域西北部天峻縣山區(qū)的草地質(zhì)量改善明顯;圖2(b)顯示,2001—2010年,湖區(qū)南岸的草地退化仍在加劇,湖區(qū)北岸、剛察北部及天峻北部山區(qū)的草地出現(xiàn)大面積退化,但布哈河中段河流兩邊草地質(zhì)量改善明顯。對(duì)比可以看出,青海湖流域草地退化的空間分布格局在2000年以前就已經(jīng)基本形成,2000年以后,空間分布格局總體上變化不大,流域北部呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)。

圖2 青海湖流域1982—2010年NDVI變化趨勢(shì)

2.3 重點(diǎn)區(qū)域草地年度變化特征

由圖3可知,基于8個(gè)樣地GIMMS數(shù)據(jù)的ISINDV從1982—2006年總體上變化規(guī)律比較一致。1982—1990年前后,8個(gè)樣地的ISINDV都呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì);1990—2000年前后,大部分樣地呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢(shì);2000—2006年,多數(shù)樣地表現(xiàn)出波動(dòng)狀態(tài),上升和下降趨勢(shì)不明顯。

圖3 基于1982—2006年樣地GIMMS數(shù)據(jù)的生長(zhǎng)季合成的年NDVI(ISINDV)的年際變化

8個(gè)樣地MODIS數(shù)據(jù)的ISINDV在2001—2010年變化規(guī)律也比較一致(圖4)。2001—2004年,除了樣地1呈明顯下降趨勢(shì)外,其余樣地處于波動(dòng)狀態(tài),上升或下降趨勢(shì)不明顯;2004年之后,8個(gè)樣地ISINDV都呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。

綜上所述,青海湖流域草地NDVI年際變化可分為1982—1990年上升、1990—2000年下降、2000—2004年波動(dòng)和2004—2010年上升4個(gè)階段。

圖4 基于2001—2010年樣地MODIS數(shù)據(jù)的生長(zhǎng)季合成的年NDVI(ISINDV)的年際變化

3 討論與結(jié)論

綜合流域草地宏觀調(diào)查、植被指數(shù)年際變化結(jié)果,青海湖流域草地退化空間格局在2000年之前就已經(jīng)形成,2000—2010年在此基礎(chǔ)上有所發(fā)展。草地退化嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在3個(gè)區(qū)域:(1)湖區(qū)東南側(cè)共和縣石乃亥鄉(xiāng)至黑馬河鄉(xiāng)一帶為持續(xù)退化區(qū),是流域內(nèi)草地退化最嚴(yán)重的區(qū)域;(2)天峻縣快爾瑪鄉(xiāng)布哈河的南側(cè)表現(xiàn)為先退化后明顯好轉(zhuǎn),2000年之前草地退化嚴(yán)重,但隨著流域氣候的轉(zhuǎn)變,近幾年該區(qū)域草地得到明顯改善;(3)流域北部山區(qū)剛察縣吉爾孟鄉(xiāng)、泉吉鄉(xiāng)和伊克烏蘭鄉(xiāng)交界一帶屬于輕度退化區(qū),草地退化程度雖不太嚴(yán)重,但退化情況在2000年之后有向北部繼續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)。

1977—2000年,青海湖流域草地退化情況十分嚴(yán)重,其主要原因有2個(gè)。一是流域人口發(fā)展,大量草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾统擎?zhèn),過度放牧加劇,草地質(zhì)量進(jìn)一步退化。近60 a來,青海湖流域人口增長(zhǎng)迅速,由建國初期不足2萬人,增加到2010年13.23萬人。二是流域這段時(shí)期氣候冷干,降水較少,青海湖水位持續(xù)下降,湖區(qū)周邊沙漠化現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致湖區(qū)周邊草地退化為沙地。在2個(gè)方面因素的共同影響下,這段時(shí)期流域內(nèi)草地面積大量減少,草地質(zhì)量退化嚴(yán)重,草地種類、草地產(chǎn)草量等各方面都呈明顯下降趨勢(shì)。這段時(shí)期是青海湖流域草地嚴(yán)重退化時(shí)期。

2000—2004年,流域氣候進(jìn)入暖濕期,氣溫逐漸升高，降水逐漸增加,為草地恢復(fù)生長(zhǎng)提供了條件,加上流域開始重視對(duì)草地的保護(hù),耕地?cái)U(kuò)張、過度放牧得到很好控制,草地退化情況逐漸得到減緩,草地面積和產(chǎn)草量在一定程度上得到恢復(fù)。這段時(shí)期是青海湖流域草地退化的波動(dòng)時(shí)期,草地退化情況在這段時(shí)期逐漸有所改善。

2004年是青海湖流域氣候轉(zhuǎn)折年,流域氣溫升高，降水明顯增加,青海湖水位下降趨勢(shì)有所緩解,流域草地退化現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn),大部分地區(qū)草地質(zhì)量得到改善,草地產(chǎn)草量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但由于近幾年大力開發(fā)湖區(qū)旅游,使得湖區(qū)周邊草地受人類活動(dòng)的破壞較為嚴(yán)重,退化現(xiàn)象較為明顯。湖區(qū)周邊草地是今后青海湖流域草地保護(hù)的重點(diǎn)。

青海湖流域退化草地的變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。2000 年以后青海湖流域暖濕的氣候特征更加明顯[23],這是流域草地向良好狀況發(fā)展的有利自然條件,此與前人利用增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)進(jìn)行反演的結(jié)果一致[24]。由于青海湖流域生態(tài)環(huán)境的脆弱性和容易受氣候變化的影響等特點(diǎn),在今后的研究中,應(yīng)通過多種途徑和方法對(duì)青海湖流域植被(特別是草地)進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究分析植被變化的影響因素,為保護(hù)青海湖流域脆弱的生態(tài)系統(tǒng)提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Spatio-Temporal Distribution of Grassland Degradation in Qinghai-Lake Valley.

ZHANGMing1,CUIJun2,CAOXue-zhang1

(1.Research Center for Ecological Protection and Climate Change Response, Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China;2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Bioresources in Coastal Saline Soils, Yancheng Teachers University, Yancheng 224002, China)

Grassland degradation is an effective indicator of eco-environment in the Qinghai-Lake Valley, an ecologically vulnerable area of the Qinghai-Tibetan Plateau. Eight sample plots representing different types of grasslands different in degradation degree in different regions in the valley were set up within the key grassland degradation region and based on grading of grassland degradations in the Qinghai-Lake Valley, spatial distribution and temporal dynamics of the degraded grasslands in the valley were obtained by means of remote sensing. Results show that during the period between 1977 and 2000, grassland degradation was very serious in the valley, with the total area of grassland cut by 206.68 km2, most of which turned into farmlands and sand lands. Grassland degradation occurred mainly in three regions, i. e. the south shore of the Qinghai Lake, Heimahe Township of the Gonghe County, and the Bird Island in the estuary of the Buha River. In the years after 2000, grassland degradation altered in trend with grassland beginning to increase in area, which was attributed to the changes in climate. Increased temperature and precipitation was favorable to growth of grasses and development of grassland. Besides, the government promulgated and enforced a series of grassland protection policies. The year of 2004 was a turning point for the valley, where air temperature and precipitation increased significantly, and consequently, the declining tendency of the water table of the lake was somewhat retarded and grassland degradation lost its momentum. Overall, grassland is the important indicator vegetation of the Qinghai-Lake Valley, and normalized difference vegetation index (NDVI) can be used to accurately monitor vegetation dynamics in the valley.

Qinghai-Lake Valley; grassland degradation; spatial and temporal distribution; NDVI

2016-07-29

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)

Q14;P9

A

1673-4831(2017)05-0426-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.05.006

張明(1982—),男,福建順昌人,助理研究員,碩士,主要從事生態(tài)保護(hù)與修復(fù)方面的研究。E-mail: zhangming@nies.org

① 通信作者E-mail: caoxuezhang@126.com