基于遙感技術(shù)的色林錯國家級自然保護區(qū)草地退化問題分析

仙麥龍，呂俊娥

（中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西西安，710199）

0 引言

草地是山水林田湖草生命共同體中不可或缺的重要組成部分，具有增加碳匯、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、維護生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等多方面功能［1］。然而，由于農(nóng)牧業(yè)發(fā)展、城市化、物種入侵、氣候變化和其他人為的因素的影響，全球接近一半的草地出現(xiàn)了不同程度的退化，這已成為世界性生態(tài)環(huán)境問題之一。據(jù)統(tǒng)計估算，1994年全球草地面積約為33.95億公頃，而2020年全球草地總面積為32 億公頃，減少了5.7%。我國的草地退化尤為嚴重，據(jù)1980年全國草地資源調(diào)查，我國草地面積約有4 億公頃，而2023 年4 月12日自然資源部發(fā)布的《2022 年中國自然資源統(tǒng)計公報》中顯示，我國草地面積僅有2.64 億公頃，呈明顯下降趨勢。

西藏自治區(qū)地處青藏高原，野生動植物資源、水資源和礦產(chǎn)資源豐富，素有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱，是“亞洲水塔”，也是全國的“江河源”和“生態(tài)源”。但由于西藏地區(qū)的自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之人為因素的影響，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)逐年惡化趨勢，表現(xiàn)在水土流失、土地沙化、地質(zhì)災(zāi)害、森林減少、大氣污染、草地退化等方面［2］。據(jù)統(tǒng)計，西藏有草地8205 萬公頃，占全國草地面積的21.4%，占自治區(qū)國土總面積的68.1%［3］。草地退化面積已經(jīng)超出4 266.67 萬公頃，占全區(qū)草地總面積一半以上，其中重度、中度退化面積已超出2 680 萬公頃［4］。位于西藏北部的那曲市有草地3 417 萬公頃，占自治區(qū)草地總面積的42.15 %，是西藏自治區(qū)主要草地畜牧業(yè)基地之一［5］，但該區(qū)的草地退化問題依然存在。西藏色林錯國家級自然保護區(qū)草地分布于那曲市的高海拔地區(qū)，也出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象。雖然從2004 年開始西藏自治區(qū)在那曲市開展了退牧還草工程試點，取得了一定的成效，但那曲中部、東部及北部地區(qū)草地退化仍較為嚴重，西部地區(qū)草地退化狀況略有減緩。

利用多時相、多傳感器結(jié)合的遙感對地觀測技術(shù)使得大面積監(jiān)測評估地表生物量實現(xiàn)了低成本、高時效、高分辨率的效果，通過對生物量的反演計算進而評估地表生態(tài)環(huán)境狀態(tài)［6］。草地退化遙感監(jiān)測是通過Landsat TM、MODIS、GF 遙感圖像數(shù)據(jù)計算地表植被指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）等，進而用于草地測量、草地資源估算、草地退化監(jiān)測、草地多樣性評估等多個方向［7-8］。利用遙感技術(shù)可進行大尺度的草原生長狀態(tài)監(jiān)測調(diào)查，據(jù)其時空變化指導(dǎo)草地資源規(guī)劃與利用，維護草原生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展［9-11］。

本研究基于多源遙感數(shù)據(jù)對2000 年、2010 年和2020 年色林錯國家級自然保護區(qū)草地的植被覆蓋度進行解譯計算，分析過去20 年間保護區(qū)草地生長狀況的變化及其發(fā)展退化特征。同時，對1990 年以來影響區(qū)域草業(yè)生長的農(nóng)牧業(yè)、降水、氣溫和湖泊面積變化進行分析，研究各因素對保護區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

色林錯保護區(qū)具有大面積保護完好的高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)，為大型野生動物自然保護區(qū)，起初由西藏自治區(qū)人民政府于1993年設(shè)立，2003年經(jīng)國務(wù)院批準確定為國家級自然保護區(qū)。研究區(qū)位于西藏自治區(qū)西北部的藏北高原，分為東區(qū)和西區(qū)兩部分，東區(qū)包括安多縣、色尼區(qū)和班戈縣東部，西區(qū)包括雙湖縣、申扎縣、尼瑪縣、班戈縣西部，總面積18 936.36 km2。主要土壤類型包括高山草原土、高山草甸土、高山寒凍土和高山沼澤草甸土四種，整體上土壤粗骨性強，發(fā)育原始，發(fā)生層淺，除沼澤草甸外，土層厚度僅10～15 cm。保護區(qū)由于降水集中，地勢平緩，地表徑流不暢，分布大面積的湖泊群和沼澤地。

圖1 研究區(qū)地理位置Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

草地與湖泊數(shù)據(jù)：草地NDVI 值的計算及湖泊面積的統(tǒng)計是基于遙感數(shù)據(jù)包括1990 年TM、2000年ETM+、2010 年ETM+、2020 年LandSat8 遙感圖像，及12.5m 的DEM 高程數(shù)據(jù)的解譯計算，結(jié)合第三次全國國土調(diào)查成果進行獲取。圖像數(shù)據(jù)以6—10 月時相為主。農(nóng)牧業(yè)數(shù)據(jù)：農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值、大牲畜和羊的數(shù)量數(shù)據(jù)均來自西藏自治區(qū)統(tǒng)計年鑒。降水與氣溫數(shù)據(jù)：國家氣象觀測站申扎站、班戈站、安多站、那曲站四個站點監(jiān)測資料支撐色林錯保護區(qū)的氣象數(shù)據(jù)需求。

1.3 植被覆蓋度遙感估算模型

植被覆蓋度（VFC）為植被冠層垂直投影的面積占基準地表單位面積的比例或者百分數(shù)。植被覆蓋度VFC與植被指數(shù)NDVI之間存在著極顯著的線性相關(guān)性，利用植被指數(shù)NDVI 可以近似估算植被覆蓋度，其基準計算公式如下：

式中：NDVIsoil為裸土或無植被覆蓋的像元NDVI值；NDVIveg為被植被所覆蓋像元的NDVI 值，即純植被像元的NDVI值。

對于特定研究區(qū)，公式（1）中VFC的計算可以轉(zhuǎn)為公式（2）。

式中：NDVImax和NDVImin分別為區(qū)域內(nèi)最大NDVI值和最小NDVI值。

由于遙感影像不可避免存在噪聲，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范圍內(nèi)的最大值與最小值，置信度的取值主要根據(jù)圖像實際情況來定［12-13］。當(dāng)有實測數(shù)據(jù)的情況下，取實測數(shù)據(jù)中的植被覆蓋度的最大值和最小值作為VFCmax和VFCmin，這兩個實測數(shù)據(jù)所對應(yīng)圖像的NDVI值作為NDVImax和NDVImin。當(dāng)沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，取一定置信度范圍內(nèi)的NDVImax和NDVImin。

利用ENVI 軟件對研究區(qū)2000 年和2010 年的ETM+數(shù)據(jù)及2020年的Landsat 8數(shù)據(jù)的三期植物生長季遙感圖像進行解譯，反演計算NDVI 值，取累積概率在5% 和95% 的NDVI值分別作為區(qū)域的NDVImin和NDVImax（表1），進而通過公式（2）計算區(qū)域VFC值。當(dāng)通過計算獲取的像元NDVI值小于NDVImin時，VFC取值為0；當(dāng)NDVI值大于NDVImax時，VFC取值為1；當(dāng)其介于NDVImin與NDVImax之間時使用公式（2）計算對應(yīng)像元VFC值。

表1 反演計算NDVImin和NDVImaxTable 1 Inversion calculation of NDVImin and NDVImax

1.4 遙感監(jiān)測評價指標

通過對多期可獲取的遙感影像數(shù)據(jù)解譯，計算區(qū)域的VFC值，將研究區(qū)草原的退化程度分為未退化（＞90%）、輕度退化（70%～90%）、中度退化（50%～70%）、重度退化（30%～50%）和極重度退化（＜30%）5級。

2 結(jié)果與原因分析

2.1 區(qū)域草地面積變化

據(jù)研究區(qū)2000 年、2010 年及2020 年的植被覆蓋度VFC值分布可以看出其整體上在西部地區(qū)，特別是西北部區(qū)域有明顯的上升，也就是說西部區(qū)域的草地覆蓋度處于向好的發(fā)展（圖2）。從時間序列上可以看出在2010—2020 年陸地面積的VFC值基本上都變?yōu)榇笥?0%，西部區(qū)域草地均處于恢復(fù)狀態(tài)。然而，東部村莊分布較密集的區(qū)域，VFC值大于90%的區(qū)域面積存在一定程度的減少，所以，色林錯地區(qū)草地的退化主要出現(xiàn)在東部區(qū)域。

從2000 年到2020 年研究區(qū)的草地未退化面積始終在1.7×103km2左右波動，沒有明顯的變化（圖3）。對于輕度和中度退化面積，2010年與2000年相比沒有太大變化，而2020 年的輕度退化面積為3.4×103km2，中度退化面積為7.2×103km2，相比于2000 年的輕度退化面積（1.9×103km2）和中度退化面積（3.8×103km2）增加了將近一倍。重度退化面積在2000 年和2010 年之間變化也不明顯，但是在2020 年減少了三倍多的面積。類似地，極重度退化面積從2000 年到2010 年處于直線減少，2020 年相比于2000 年減少了五倍多。因此，2020 年相比于2000 年其輕度和中度退化面積增加主要是由于重度和極重度退化面積的減少轉(zhuǎn)化而來，色林錯國家保護區(qū)草原植被覆蓋度從2010年后處于恢復(fù)狀態(tài)，特別是植被覆蓋度非常低的重度和極重度退化面積銳減?？梢姡皱e在2003年被列為國家級自然保護區(qū)后，一系列的調(diào)查研究與保護管理措施對區(qū)域草原恢復(fù)及相關(guān)環(huán)境因素都產(chǎn)生了顯著的積極效果。

圖3 研究區(qū)不同植被覆蓋度草地面積的變化Figure 3 Changes in grassland area with different vegetation coverage in the study area

2.2 原因分析

2.2.1 農(nóng)牧業(yè)發(fā)展

耕地的開墾對草地的占用以及發(fā)展畜牧業(yè)都會在一定程度上影響草地面積的分布及草地質(zhì)量。色林錯地區(qū)多年以畜牧業(yè)為其支柱產(chǎn)業(yè)，其畜牧業(yè)產(chǎn)值從1990 年的19 275 萬元增長到了2019 年的108 946 萬元，大牲畜的數(shù)量從1990 年的91.35 萬頭增長到2019 年的113.13 萬頭，同期羊的數(shù)量從428.08 萬只下降到了317.69 萬只（圖4）?？傮w上來說，大牲畜數(shù)量的增加與羊數(shù)量的減少對區(qū)域草量的消耗存在一定的互補，即牲畜數(shù)量的變化對區(qū)域草量消耗不會產(chǎn)生大幅度的變化。由此說明，畜牧業(yè)產(chǎn)值的增加主要來自物價上漲以及對畜牧產(chǎn)品的加工和銷售，當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)對保護區(qū)草原的影響較弱。另外，自1990 年以來，該區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)值從127萬元增長到12 748萬元，增長了大約100倍，產(chǎn)值的大幅度增長可以倒推出區(qū)域耕地面積存在著一定的增加。

圖4 研究區(qū)農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值的變化（a）及牲畜數(shù)量的變化（b）Figure 4 Production value in agriculture and animal husbandry（a）and the number of livestocks（b）in the study area

2.2.2 氣象變化

區(qū)域氣候條件如降水量和氣溫等因素與生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性存在密切關(guān)系，特別是西藏高原高海拔地區(qū)的土壤濕度和溫度是地表植物生長的重要控制因素之一。本研究收集了保護區(qū)四個國家級氣象監(jiān)測站點（那曲站、安多縣、班戈縣和申扎站）1990—2016 年的年平均降水量和年平均氣溫數(shù)據(jù)，分析其對區(qū)域草原生態(tài)環(huán)境可能存在的影響（圖5）。區(qū)域多年平均降水量在400 mm，線性回歸分析27 年間降水量呈小幅度的上升趨勢，說明降水量對區(qū)域過去幾十年的草原生態(tài)未產(chǎn)生明顯的限制作用。然而，保護區(qū)在27 年間出現(xiàn)了明顯的升溫趨勢，氣溫升高幅度在1.5 ℃左右，此升溫幅度對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)物種結(jié)構(gòu)可能會存在一定的影響，但是升溫會在一定程度上減少寒冷對區(qū)域地表植被生長的限制作用，促進草業(yè)的生長。因此，降水量和氣溫變化對當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)發(fā)展可能存在積極的影響。

圖5 研究區(qū)1990—2016年降水量（a）和氣溫（b）Figure 5 Precipitation（a）and temperature（b）in the study area from 1990 to 2016

2.2.3 湖泊面積的變化

色林錯保護區(qū)分布大量的湖泊，其中，面積大于10 km2的湖泊23個，面積大于1 km2的湖泊46個，湖泊面積和水量的變化對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。本研究通過對1990 年、2000 年、2010年和2020年四期遙感圖像數(shù)據(jù)進行解譯，計算保護區(qū)永久性淡水湖、永久性咸水湖、季節(jié)性淡水湖、季節(jié)性咸水湖的面積變化（圖6），分析當(dāng)?shù)厮Y源量的變化及其對草原生態(tài)環(huán)境存在的可能影響。永久性湖泊面積從1990—2020 年期間存在一定的增長，特別是永久性咸水湖的面積從2.21×103km2增長到3.02×103km2，增長了將近一半，湖泊面積的增加有利于改善湖區(qū)周邊的土壤墑情，促進區(qū)域植被的生長，其應(yīng)該是保護區(qū)草地重度和極重度退化面積減少的主要原因之一。對于季節(jié)性淡水湖和咸水湖，其面積變化波動較大，淡水湖面積從1990年的1.09 km2增加到了2000 年的22.25 km2，隨后直線下降到2020 年的6.03 km2，而咸水湖面積1990 年到2020 年期間在1～4 km2來回波動。然而，由于季節(jié)性湖泊總面積不到永久性湖面的1/100，所以相對永久性湖面來說季節(jié)性湖泊水面的變化對保護區(qū)草原的演化影響較小。

圖6 研究區(qū)湖泊面積變化，永久性湖泊（左側(cè)坐標軸），季節(jié)性湖泊（右側(cè)坐標軸）Figure 6 Changes in lake area in the study area，permanent lakes（left coordinate axis），seasonal lakes（right coordinate axis）

3 結(jié)論

利用遙感技術(shù)對色林錯國家自然保護區(qū)過去20 年的草地面積變化及其草地植被覆蓋度指數(shù)解譯計算，結(jié)果表明研究區(qū)未退化面積保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，特別是2010年以來草地重度退化和極重度退化區(qū)域大面積轉(zhuǎn)為輕度和中度退化，色林錯區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)整體上處于向好發(fā)展?fàn)顟B(tài)。通過對可能影響草地生長的農(nóng)牧業(yè)、降水、氣溫、湖泊面積的變化進行分析，研究各因素對草地生態(tài)變化的影響。農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)值雖然大幅度提升，但根據(jù)牲畜數(shù)量的變化推測其對草量的消耗處于大致持平狀態(tài)，應(yīng)該不會對草原生態(tài)產(chǎn)生太大影響。降水、氣溫和湖泊面積都處于不同程度的增長，對草業(yè)生長具有積極的促進作用，其應(yīng)該是保護區(qū)草地重度和極重度退化面積減少及草原生態(tài)恢復(fù)的主要貢獻因素之一。