駱成鳳 ，許長軍，游浩妍，靳生洪

(1.中國測繪科學研究院，對地觀測技術(shù)國家測繪局重點實驗室，北京 100830;2.青海省基礎(chǔ)地理信息中心，西寧 810001)

青海湖流域是一個完整的內(nèi)陸盆地，位于季風濕潤區(qū)和內(nèi)陸干旱區(qū)的過渡地帶，屬于脆弱生態(tài)系統(tǒng)典型地區(qū)，對全球氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)十分敏感［1-5］。青海湖及其整個流域的生態(tài)功能顯著，草地和水域構(gòu)成了流域生態(tài)系統(tǒng)的主體，草地生態(tài)系統(tǒng)不僅對青海湖流域生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的控制及調(diào)節(jié)作用，而且對保護東部生態(tài)環(huán)境具有重要作用［6］。近幾十年來，受自然環(huán)境條件變化和人為不合理的社會經(jīng)濟活動影響，本來就很脆弱的高寒生態(tài)環(huán)境遭到破壞，土地沙化和草原退化嚴重［7-9］。青海湖流域的生態(tài)環(huán)境問題引起了研究者的密切關(guān)注，這些研究充分利用遙感技術(shù)手段，對青海湖流域的土地利用/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)境要素進行動態(tài)監(jiān)測［2-4，10-12］，主要監(jiān)測這些要素在近幾十年內(nèi)的變化狀況和趨勢。也有研究者從可持續(xù)發(fā)展著手，研究該流域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系［7，9，13］。以青海湖流域退化草地為對象進行的時空變化研究比較少。

青海湖流域的地表覆蓋狀況以草地為主，2010年占整個流域面積近75%，草地狀況(包括植被蓋度、植被群落、產(chǎn)草量、土壤理化狀況、草場質(zhì)量等)是衡量該流域生態(tài)環(huán)境狀況的關(guān)鍵指標。該區(qū)域的草地退化問題已經(jīng)引起了政府部門的重視，2008年5月政府啟動了“青海湖流域生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理項目”，旨在維護青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［14］。本研究以青海湖流域退化草地為研究對象，基于中高遙感影像解譯數(shù)據(jù)，主要對2000年以來青海湖流域草地退化特征、不同退化草地類型相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及退化結(jié)構(gòu)空間分異特征進行分析。以期能為青海湖流域生態(tài)環(huán)境退化問題、具體生態(tài)環(huán)境治理方案的制定，以及政府決策提供參考。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域

青海湖流域位于青海省東北部，亦稱青海湖盆地，地處北緯36.25°—38.33°，東經(jīng)97.83°—101.33°，北起大通山，南至青海南山，西臨阿木尼尼庫山，東靠日月山，總面積約2.96萬km2，是一個四周群山環(huán)繞的封閉式內(nèi)陸盆地。整個流域近似織梭形，地形西北高、東南低，海拔范圍在3194—5174m之間［15］。流域深處內(nèi)陸，屬典型的高寒干旱大陸性氣候，多年平均氣溫-14—17℃，平均年降水量為340 mm。青海湖地區(qū)特殊的自然地理條件造就了以草原為主的植被類型，溫性草原、高寒草原以及高寒草甸構(gòu)成了流域主要的草地資源，是青海湖流域發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要基礎(chǔ)和物質(zhì)保障［16］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)源為2000年、2006年Landsat TM，以及2010年RapidEye數(shù)據(jù)。為了提高影像解譯的效率和質(zhì)量，以全國第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、青海湖流域地表植被分布圖、1∶5萬數(shù)字柵格地圖(DRG)作為輔助參考。在大量野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立解譯圖譜庫。解譯過程中的最小解譯圖斑控制在25個像素。

1.3 研究方法

1.3.1 退化草地類別定義

草地退化指在不合理人為或自然因素的干擾下，草地結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生與其原有的平衡狀態(tài)或進化方向相反的逆行演替。具體表現(xiàn)為草地生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和固有功能的破壞或喪失，生物多樣性下降，穩(wěn)定性和抗逆能力減弱，草地系統(tǒng)生產(chǎn)力下降［16-18］。對草地退化的評估指標，國內(nèi)外沒有一致的體系和標準。李博依據(jù)能量、質(zhì)量、環(huán)境、草地、草地恢復能力5個指標，將我國北方的草地退化分為四級:輕度、中度、重度與極度［19］。這種分級標準體系被我國多數(shù)學者沿用，但在分級指標方面，還沒有一個公認的量化指標范圍。這也許和不同生態(tài)環(huán)境中退化草地的具體狀況千差萬別有關(guān)。

青海湖流域的草地類型主要包括:以芨芨草、克氏針茅、疏花針茅草為優(yōu)勢種的溫性草原，以紫花針茅為優(yōu)勢種高寒草原，以高山嵩草、矮生嵩草、線葉嵩草、喜馬拉雅嵩草、藏嵩草為優(yōu)勢種的高寒草甸［11］。本研究在草地退化的分級分類方面參照了任海、李博等［16，19］的研究成果。在分級指標方面主要采用了可直接利用遙感技術(shù)監(jiān)測的原生植被覆蓋度，馬玉壽、孫小弟［20-21］等人的相關(guān)研究都將植被覆蓋度放在優(yōu)先指標范圍內(nèi)。這個指標雖然不能反映土壤養(yǎng)分、土壤含水量、生物量等指標，但能從側(cè)面反映李博所提出的5個方面的狀況。本研究從遙感監(jiān)測草地退化的角度出發(fā)，結(jié)合青海湖流域?qū)嶋H情況，將青海湖流域的草地分為10個類別，具體類別與定義見表1。

表1 青海湖流域退化草地類別定義Table 1 Definition of degraded Grassland types in QLB

1.3.2 轉(zhuǎn)移概率矩陣

Markov模型是基于Markov過程理論形成的模擬事件發(fā)生概率的一種方法［22］，具有“無后效性”的特點，常被生態(tài)學家用于模擬植被動態(tài)和土地利用/覆被格局變化。為定量分析各退化草地類型之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用Markov模型對退化草地類別轉(zhuǎn)變進行動態(tài)模擬。各退化草地類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即為轉(zhuǎn)移概率矩陣，公式表達如下:

式中，n為退化草地類型數(shù)目，Pij為退化草地類型i變?yōu)閖的轉(zhuǎn)移概率。Pij需要滿足以下條件:0≤Pij≤1和=1(i，j=1，2，…，n)。

1.3.3 動態(tài)變化度

參照土地利用動態(tài)變化度［23］的定義，這里利用動態(tài)變化度來度量退化草地類別變化的速率。動態(tài)變化度的計算公式如下式所示:

式中，Si為監(jiān)測開始時間第i類退化草地面積總和，ΔSi為監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束時段內(nèi)第i類退化草地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愅恋仡悇e的面積總和，t為監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束時間段S為在t時段退化草地的變化速率。動態(tài)變化度越大說明在監(jiān)測時間段內(nèi)退化草地相對于自身的面積變化幅度越大。

1.3.4 景觀指數(shù)

退化草地的景觀指數(shù)可以用來反映景觀格局的變化。景觀生態(tài)學研究中采用的景觀格局指數(shù)較多，由于自然景觀的復雜性，許多景觀指數(shù)之間高度相關(guān)。根據(jù)景觀指數(shù)分類體系和指數(shù)之間的相關(guān)性［24］，本研究主要從等級類型景觀和整體景觀兩個角度出發(fā)，選擇Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、破碎化指數(shù)(FI)、均勻度指數(shù)(EN)、面積周長比分維數(shù)(FD)、形狀指數(shù)(MSI)等5個景觀指數(shù)反映青海湖流域退化草地的景觀格局變化。

1.3.5 轉(zhuǎn)類指數(shù)

參照土地利用轉(zhuǎn)類指數(shù)［25］，構(gòu)建退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)來定量描述青海湖流域退化草地改善或者退化的程度。退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)的計算公式如下:

式中，L表示目標區(qū)域退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)，k=1，…，n表示類別，Ak為目標區(qū)域K類別轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌悇e的面積，Da為類別K轉(zhuǎn)類前級別，Db為轉(zhuǎn)類后級別，A為目標區(qū)域總面積。

2 流域退化草地變化特征

圖1 青海湖流域2010年退化草地分布圖Fig．1 Area Histogram of Degraded Grassland in QLB in 2010

2.1 2010年退化草地現(xiàn)狀

青海湖流域2010年地表覆蓋狀況以草地為主，占整個區(qū)域面積近75%;耕地、灌木林地較少，共占流域總面積2%;裸露地占流域面積8.27%，主要分布在流域西北部及環(huán)湖流域西部。青海湖流域2010年退化草地空間分布狀況如圖1所示。其中草甸為177.28萬hm2，占整個區(qū)域面積近60%，草原面積為42.05萬hm2(圖2)。青海湖水域面積占整個流域面積的14.73%，分布在流域東南部。該流域草地狀況良好，未退化草甸與未退化草原占整個區(qū)域面積38%。分布在中部、東部及環(huán)湖流域西南部的未退化草甸在整個流域占絕對優(yōu)勢，未退化草原主要分布在青海湖的西北側(cè)。退化草甸主要分布在流域的西北部，其中重度退化草甸占流域總面積10.46%，輕度退化草甸占流域總面積7.2%，中度退化草原占流域總面積5.34%，極度退化草甸占流域總面積3.87%。重度退化草原占流域總面積2.99%，主要分布于環(huán)湖流域東北部。

圖2 青海湖流域2010年退化草地面積柱狀圖Fig．2 Area Histogram of Degraded Grassland in QLB in 2010

2.2 退化草地數(shù)量變化

2000—2010年退化草地面積變化見表2，青海湖流域的人工草地面積變化顯著，面積增加近0.8萬hm2，變化率達到131.69%。中度退化草甸面積減少13.03萬hm2，變化率為-50.76%;與此同時重度、極度退化草甸面積增加11.87萬hm2，極度退化草甸面積增加了一半。草原類別中變化最大的是重度退化草原，減少了3.95萬hm2，變化率為-30.83%。從面積數(shù)量變化角度看，整個流域的草甸退化程度由輕中度同時向改善和退化兩個方向發(fā)展;整個流域草原向改善方向發(fā)展。

青海湖流域退化草地面積變化在2000—2006年、2006—2010年兩個時間段內(nèi)差異明顯。在2000—2006年時間段內(nèi)，未退化草甸面積減少6.92萬hm2，輕度退化草甸面積增加5.18萬hm2，重度、極度退化草甸面積增加30.47萬hm2，草甸退化趨勢明顯，輕度退化面積大于重度、極度退化面積。在2006—2010年時間段內(nèi)，未退化草甸面積增加14.56萬hm2，輕度、中度退化草甸面積減少19.79萬hm2，重度、極度退化草甸面積增加8.39萬hm2，草甸退化趨勢同時向改善和退化趨勢發(fā)展，向重度、極度草甸退化面積大于前一個時間段。在2000—2006年時間段內(nèi)，人工草地面積增加很小，未退化草原和中度退化草原面積減少2.76萬hm2，重度、極度退化草原面積增加2.00萬hm2，流域草原明顯呈現(xiàn)退化趨勢。在2006—2010年時間段內(nèi)，人工草地面積增加近0.8萬hm2，未退化草原增加1.41萬hm2，中度退化草原面積增加0.88萬hm2，重度、極度退化草原面積減少5.57萬hm2，流域草原明顯呈現(xiàn)改善趨勢。

表2 青海湖流域2000—2010年退化草地面積變化統(tǒng)計表/hm2Table 2 Area Change of Different Degraded Grassland Types in QLB during 2000—2010

2.3 退化草地類型轉(zhuǎn)化

2000—2010年青海湖流域地表覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)化以退化草地類別之間的轉(zhuǎn)化為主，其次是裸露地與草地之間的轉(zhuǎn)換，相對而言，水域、耕地、灌木林地之間的轉(zhuǎn)換面積非常小。退化草地類型變化與空間分布如圖3所示。從圖上可以看出，流域在這11a中草地退化程度發(fā)生變化的區(qū)域主要集中在3個地方:青海湖北部偏東未退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度退化草甸，流域西北部中度退化草甸轉(zhuǎn)為重度退化草甸，流域中部偏西輕度退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸?。流域中部的零散變化主要表現(xiàn)為退化程度得到改善。在2000—2006年時間段內(nèi)，流域退化草地變化主要表現(xiàn)為退化程度加劇，只有少數(shù)零散地區(qū)表現(xiàn)為退化程度改善。草地退化區(qū)域主要分布在青海湖北部及偏東地區(qū)，由未退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度退化草甸;流域中部以西地區(qū)輕度、中度退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟韧嘶莸椋莸赝嘶闆r嚴重。在2006—2010年時間段內(nèi)，流域退化草地變化主要表現(xiàn)為退化程度改善，只有西北部分地區(qū)表現(xiàn)為退化程度加劇。其中青海湖北部由輕度退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸?，呈改善狀況;流域中部以西地區(qū)由輕度、中度退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸?，改善趨勢明顯;流域東北部有少部分地區(qū)由中度到重度、重度到極度退化草地轉(zhuǎn)變。

圖3 2000—2010年青海湖流域退化草地主要變化分布圖Fig．3 The changes of spatial distribution for degenerated grassland in QLB during 2000 — 2010

利用轉(zhuǎn)移概率矩陣計算各類退化草地之間轉(zhuǎn)換面積，并以面積為依據(jù)，選擇變化面積最大的類別和主要的轉(zhuǎn)變類別進行分析。2000—2010年主要退化草地類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積如表3所示。面積變化最大的前3種類別分別為:中度退化草甸、重度退化草甸、未退化草甸。除未退化草甸外，其他類別之間的轉(zhuǎn)變主要呈現(xiàn)退化趨勢。發(fā)生變化的中度退化草甸轉(zhuǎn)化為重度退化草甸的面積達9.51萬hm2，由輕度退化草甸轉(zhuǎn)來的面積為2.75萬hm2，同時轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸榈拿娣e為6.19萬hm2。發(fā)生變化的重度退化草甸主要由中度退化草甸轉(zhuǎn)變而來，同時轉(zhuǎn)變?yōu)闃O度退化草甸。未退化草甸主要轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度退化草甸，面積達9.93萬hm2，同時有18.10萬hm2輕度和中度退化草甸轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸?，總體呈極輕微退化趨勢。

表3 青海湖流域2000—2010年主要退化草地類型轉(zhuǎn)換面積/hm2Table 3 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2000—2010

2000—2006年主要退化草地類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積如表4所示。從表4可以看出，主要退化草地類別之間的轉(zhuǎn)變呈明顯的退化趨勢。主要變化類別向退化類別轉(zhuǎn)變的面積都大于向改善類別轉(zhuǎn)變的面積。面積變化最大的未退化草甸主要和輕度、中度退化草甸之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，退化程度比較明顯。

表4 青海湖流域2000—2006年主要退化草地類型轉(zhuǎn)換面積/hm2Table 4 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2000—2006

2006—2010年主要退化草地類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積如表5所示。面積變化最大的前3種類別分別為:未退化草甸、中度退化草甸、輕度退化草甸。與表3、表4相比較，表5中的面積變化幅度最大。未退化草甸變化面積為14.56萬hm2，主要由輕度、中度、重度退化草甸轉(zhuǎn)變而來，其中輕度退化草甸面積為14.18萬hm2，中度退化草甸面積為6.87萬hm2，重度退化草甸為2.67萬hm2，明顯呈改善趨勢。中度退化草甸主要轉(zhuǎn)變?yōu)槲赐嘶莸楹椭囟韧嘶莸?，其中?.40萬hm2轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟韧嘶莸椤?/p>

表5 青海湖流域2006—2010年主要退化草地類型轉(zhuǎn)換面積/hm2Table 5 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2006—2010

2.4 退化草地動態(tài)度分析

與2000—2006年時間段內(nèi)的退化草地動態(tài)變化度相比較，除了極度退化草甸、草原，以及重度退化草原外，其他類別退化草地動態(tài)度在2000—2010年時間段均比較小，這種差異在未退化草甸、草原，人工草地及重度退化草地等4種類別上比較明顯，而輕度、重度退化草地的動態(tài)變化率差異比較小。這兩個時間段退化草地動態(tài)度的計算基于同一個基準，這種差異可以從側(cè)面說明青海湖流域2006—2010年，退化草地呈改善趨勢。與此同時，重度、極度退化草地也處于動態(tài)變化過程中。2006—2010年時間段內(nèi)的退化草地動態(tài)變化度明顯高于2000—2010年時間段，也高于2000—2006年時間段。這種變化間接說明青海湖流域的退化草地在2006—2010年的變化活動比2000—2006年明顯。

2000—2010年時間段內(nèi)，輕度、中度、極度退化草甸，以及重度、極度退化草原的動態(tài)變化度明顯高于其他類別退化草地。其中輕度、中度退化草甸，及重度退化草原面積基數(shù)大，是整個流域退化草地類型轉(zhuǎn)變的主體。

3 退化草地景觀格局變化分析

Shannon多樣性指數(shù)反映不同景觀類型分布的均勻化和復雜化程度。2006年青海湖流域SHDI值最大，說明與2010年和2000年比較，2006年退化草地空間分布復雜程度比較大，但這種差異比較小。破碎度表征景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復雜性，在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度。2000、2006、2010年的破碎度沒有發(fā)生變化，說明青海湖流域退化草地景觀的單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體性保持的比較好，生物多樣性比較穩(wěn)定。均勻度描述了景觀由少數(shù)幾個主要景觀類型控制的程度，退化草地空間分布的均勻度在2000—2010年期間變化幅度在0.03以內(nèi)很小，說明在這期間流域的退化草地沒有發(fā)生大范圍明顯的改善或者退化。面積周長比分維數(shù)值越大，表明斑塊形狀越復雜，2000—2010年期間該值越來越大，但變幅很小。說明流域退化草地的斑塊形狀趨向復雜，但這種變化很緩慢。形狀指數(shù)描述景觀形狀及景觀規(guī)則化程度，MSI=1，表示越接近圓形，MSI越大表示景觀形狀越不規(guī)則、越復雜和扁長。2000—2010年期間流域形狀指數(shù)變幅不大，且比較接近1，說明流域退化草地的空間形狀變化不大。

表6 青海湖流域2000—2010年退化草地動態(tài)變化度/%Table 6 The dynamic variation degree of degraded grassland in QLB during 2000—2010

表7 青海湖流域景觀格局指數(shù)變化Table 7 The landscape pattern index in QLB

4 流域退化草地變化程度分析

為了定量描述青海湖流域退化草地的變化程度，依據(jù)生態(tài)意義對流域地表類型定級。去除受人類活動影響變化較劇烈且無規(guī)律的耕地和居民地，將青海湖流域的地表覆蓋類型分為8個生態(tài)級別，如表8所示。生態(tài)級別越接近1級，該類型的生態(tài)意義越高。定義退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)大于5表明改善趨勢明顯;轉(zhuǎn)類指數(shù)小于-5表明退化趨勢明顯。

表8 青海湖流域地表覆蓋的生態(tài)級別列表Table 8 The ecological grades for landcover types in QLB

利用公式(3)計算青海湖流域2000—2010年期間的退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)如表9所示。青海湖流域2000—2010年期間退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)為-0.0384，與退化趨勢明顯時轉(zhuǎn)類指數(shù)小于-5比較，這個數(shù)值非常小，而且很接近零值。如果退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)小于零就意味著草地變化呈退化趨勢，那么青海湖流域2000—2010年期間草地變化呈極輕微退化趨勢。其中2000—2006年期間退化草地變化狀況同樣為極輕微退化，但比2000—2010年期間退化程度稍大。2006—2010年期間退化草地變化狀況為極輕微改善。

表9 青海湖流域退化草地轉(zhuǎn)類指數(shù)Table 9 The grassland change index of QLB

5 結(jié)論與討論

由于青海湖流域獨特的地理位置及環(huán)境特點，對流域的主要生態(tài)環(huán)境問題——草地退化進行連續(xù)監(jiān)測，是掌握流域生態(tài)環(huán)境變化狀況并且制定具體生態(tài)環(huán)境治理方案的有效手段。利用遙感技術(shù)對青海湖流域近10a的退化草地進行連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn):2000—2010年期間流域草地變化非常小，呈極輕微退化趨勢;草地變化經(jīng)歷了變化幅度很小的先退化、后改善階段，2006—2010年期間流域草地呈極輕微改善趨勢，但還沒有恢復到2000年的狀況。流域內(nèi)不同退化草地類別的空間景觀格局表現(xiàn)比較穩(wěn)定。

青海湖流域的退化草地變化是氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果。2000年以后青海湖流域暖濕的氣候特征更加明顯［26］，這是流域草地向良好狀況發(fā)展的有利自然條件。2000—2006年期間流域草地退化，可能主要由長期不合理的畜牧業(yè)生產(chǎn)及管理方式不善導致。2006—2010年期間人工草地面積由660hm2增加到8593hm2，與政府實施的生態(tài)環(huán)境保護與綜合治理工程緊密相關(guān)。近年來青海湖的旅游資源得到了有效的開發(fā)，在促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對環(huán)湖區(qū)域的草原生態(tài)環(huán)境造成了很大的壓力。

本研究結(jié)果雖然對2000—2010年期間青海湖流域草地退化狀況進行了詳細的時空分析。但受獲取數(shù)據(jù)本身的限制，在監(jiān)測階段的劃分上有一定的跨度，不能和政府進行大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境保護治理工程時間完全對應(yīng)，不能明確工程治理是否是流域2006—2010年期間流域草地呈極輕微改善趨勢的主導原因。另外對草地類型的定義與識別主要從遙感監(jiān)測出發(fā)，對由于雜草類增加導致的退化不能精確識別。在今后的研究中，可以進一步結(jié)合氣象信息、大量的實地調(diào)查資料、以及同步的遙感數(shù)據(jù)對青海湖流域退化草地變化原因進行深入分析。

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