魏瑞琪， 邵懷勇， 李林峰， 仙 巍， 周穎智

(1.成都理工大學 a.地球科學學院 b.地學空間信息技術國土資源部重點實驗室，成都 6100592.成都信息工程大學 資源環(huán)境學院 成都 610225)

0 引言

川西北江河源區(qū)地處長江、黃河上游水源涵養(yǎng)區(qū)域，位于青藏高原東南緣，是世界高海拔地區(qū)生物多樣性特點最顯著的地區(qū)，也是全國水源最重要的組成部分。其良好的生態(tài)環(huán)境在促進經(jīng)濟發(fā)展方式轉變，維護藏區(qū)穩(wěn)定團結和跨越發(fā)展方面具有重要的戰(zhàn)略意義。然而近十幾年來，在氣候變化、自然災害頻發(fā)以及超載放牧、亂采濫伐等因素影響下，川西北江河源區(qū)存在草場嚴重退化、土地荒漠化過程加劇、水土流失加重以及濕地生態(tài)衰退等以草地生態(tài)系統(tǒng)為主的生態(tài)環(huán)境問題[1-3]。因而，當?shù)卣鼻械匦枰莆战釉磪^(qū)草地近年來的變化狀況以及其空間分布的差異性，以便依據(jù)實際情況做出正確的改善措施。目前，國外學者對草地退化的研究發(fā)展較快，先后提出了均衡理論(EquilibriumTheory)[4-5]、非均衡理論(Nonequilibrium Theory)[6]，并對非均衡理論進行了補充和修正[7]。但我國在草地資源管理和草地退化等方面的研究卻還處于相對滯后的狀態(tài)[8-10]，在國內(nèi)外比較常用的草地退化遙感評價指標為植被指數(shù)和草地植被蓋度[11-12]。許多研究者僅選取單個指標來開展草地退化狀況的評價[13]，但卻難以全面反映草地的生長狀況。因此，筆者將采用多指標相結合的方法來展開江河源區(qū)草地退化狀況的評價，即首先采用一元回歸分析方法對研究區(qū)草地植被覆蓋度和生物量變化趨勢分別進行統(tǒng)計分析，然后根據(jù)兩者的變化特點，建立該地區(qū)草地退化綜合評價體系，并對研究區(qū)的草地退化狀況進行時間和空間尺度上的對比分析。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)概況

川西北江河源區(qū)位于四川省西北部，按照四川省生態(tài)功能區(qū)劃，川西北江河源區(qū)從西至東依次包含石渠縣、色達縣、甘孜縣、壤塘縣、阿壩縣、紅原縣和若爾蓋縣共7個縣，涵蓋區(qū)域面積約71 542 km2。川西北江河源區(qū)整體地勢由西向東傾斜。此外，該地區(qū)氣溫低，日照長，晝夜溫差大，無絕對無霜期，其主要自然災害為暴風雪。

1.2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)源

1)MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)。選用美國對地觀測系統(tǒng)EROS MODIS的產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13A1，為16日最大值合成方法生成的NDVI值，采用Sinusoidal投影方式的3級網(wǎng)格數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為500 m，數(shù)據(jù)存儲格式為HDF格式，數(shù)據(jù)版本號為V004，數(shù)據(jù)時間序列為2001年-2010年間每年6月～8月，總計60幅。

2)SRMT DEM 90 m分辨率影像。SRTM地形數(shù)據(jù)有SRTM1和SRTM3兩種不同精度數(shù)據(jù)，分辨率精度分別為30 m和90 m，目前公開為90 m分辨率數(shù)據(jù)。

3)2000年全球土地覆蓋計劃(Global Land Cover 2000, GLC2000)1 km分辨率土地覆蓋數(shù)據(jù)。由GLC2000項目開發(fā)的基于SPOT4遙感數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國子集，數(shù)據(jù)名稱為GLC2000。

1.2.2 數(shù)據(jù)預處理

1)MODIS NDVI數(shù)據(jù)預處理：①數(shù)據(jù)格式及坐標變換,利用MODIS數(shù)據(jù)處理工具軟件(MODIS Reprojection Tools,MRT),對M0D13A1 NDVI產(chǎn)品進行波段合成及投影轉換處理，處理后數(shù)據(jù)采用GeoTiff格式，并選用1984(World Geodetic System,WGS84)作為投影方式，以最鄰近法作為重采樣方式；②圖像裁剪,利用川西北江河源區(qū)矢量數(shù)據(jù)裁剪出投影轉化后的MODIS植被指數(shù)圖像；③NDVI真實值還原,MOD13A1數(shù)據(jù)產(chǎn)品的值實際為真實NDVI值的10 000倍，因此使用ArcMap中柵格計算器工具將該數(shù)據(jù)象元值做除法運算，以得到真實的NDVI值；④年最大值合成,M0D13A1原始數(shù)據(jù)為NDVI的16日最大合成值，而筆者的研究需要年最大值數(shù)據(jù)，所以使用ArcMap中Cell Statistics統(tǒng)計工具，對M0D13A1數(shù)據(jù)每年的6個NDVI數(shù)據(jù)進行最大值合成處理，以得到每年最大合成值數(shù)據(jù)。

2)DEM影像數(shù)據(jù)與GLC2000土地覆蓋數(shù)據(jù)的同步處理：①利用ArcMap鑲嵌至柵格方法進行影像拼接；②轉換投影后進行重采樣，與MODIS數(shù)據(jù)像元大小一致；③利用研究區(qū)邊界對重采樣后的影像進行裁剪得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)及土地覆蓋數(shù)據(jù)。

1.3 草地植被覆蓋指標提取方法

1.3.1 象元二分模型原理

遙感圖像中一個像元的NDVI值可以表達為由植被覆蓋部分所貢獻的信息NDVIv與由裸土部分所貢獻的信息NDVIs兩部分組合。因此，可以得出基于NDVI的植被覆蓋度計算公式如下：

式中:NDVIv為僅有植被的純凈像元的NDVI值;NDVIs為僅有裸地(無植被)覆蓋的純凈象元的NDVI值。

1.3.2 NDVIv與NDVIs的計算方法

NDVIv和NDVIs的計算在植被覆蓋度研究中存在著多種方法。我們采用置信區(qū)間的方法[14]依據(jù)研究區(qū)NDVI最大值與最小值所構造的總體參數(shù)的估計區(qū)間確定NDVIv和NDVIs值。

1.4 草地生物量指標提取方法

草地地上部分的生物量(干物質含量)等于產(chǎn)草量中減去風干草中的含水量[15]。因此，在本文中風干草含水百分比取15%。

由圖2可以看出，川西北江河源區(qū)土地覆蓋主要為高寒草甸草地類。通過對圖幅的區(qū)域面積進行分類幾何統(tǒng)計，高寒草甸草地類面積達到75%以上。因此，選取傅新宇等[16]針對高寒草甸草地類型500 m分辨率的優(yōu)選模型(式(2))，對年NDVI最大值進行相關計算得到研究區(qū)單元產(chǎn)草量鮮重值。再通過鮮重值與草地生物量的關系進行計算得到研究所需要的草地生物量。

Y=234.6334.326x

(2)

式中:x表示單元年NDVI最大值；Y表示單元產(chǎn)草量鮮重。

圖1 川西北江河源區(qū)土地覆蓋圖Fig.1 Land cover map of the source region of river in Northwestern Sichuan

1.5 研究區(qū)草地退化評價方法

一元線性回歸預測法，可以用來分析以時間序列為因變量與該時間序列對應的每個象元為自變量之間的線性關系，則可使用該方法預測一段時間序列下植被覆蓋度及草地生物量的變化趨勢。植被覆蓋度變化趨勢Vslope計算公式為式(3)。

(3)

式中：n為統(tǒng)計年數(shù)；i為統(tǒng)計年份序列號；MVC為格網(wǎng)單元第i年的平均植被覆蓋度；Vslope為單個象元的植被覆蓋度變化趨勢，是將該象元連續(xù)n年的平均植被覆蓋度值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢。如果Vslope>0，則說明在n年間的植被覆蓋度的變化具有增加趨勢，反之則有減少趨勢。

草地生物量變化趨勢(Gslope)計算公式為式為(4)。

(4)

式中：n為統(tǒng)計年數(shù)；i為統(tǒng)計年份序列號；MGB為單元格上第i年的平均草地生物量值；Gslope為單個象元上的草地生物量變化趨勢，是將該象元連續(xù)n年的平均草地生物量值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢。如果Gslope>0則說明此n年間的草地生物量的變化具有增加趨勢，反之則有減少趨勢。

1.6 研究區(qū)草地退化評價體系建立與分析

1.6.1 草地植被覆蓋度指標提取與分析

通過對置信區(qū)間方法確定的二分法模型中2001年-2010年間6月～8月份各幅圖像的NDVIv與NDVIs數(shù)值的分析，表明川西北江河源區(qū)6月至8月的NDVIv值介于0.75～0.91之間(圖3)，其總體趨勢是第161天開始持續(xù)增大，在第193天或209天達到最大，之后便開始減小。而6月至8月的NDVIs值介于-0.1～0.3之間(圖4)，其總體趨勢與NDVIv值一致，先增后減。

圖2 川西北江河源區(qū)2001年-2010年NDVIv值Fig.2 Diagram of NDVIv of the source region of river in Northwestern Sichuan

圖3 川西北江河源區(qū)2001年-2010年NDVIs值Fig.3 Diagram of NDVIs of the source region of river in northwestern Sichuan

圖4 2001年-2010年川西北江河源區(qū)植被 蓋度變化趨勢圖Fig.4 Vegetation coverage trend of change in study area from 2001 to 2010

利用ArcMap柵格計算器功能，得到逐年草地植被覆蓋度。再依據(jù)川西北江河源區(qū)植被覆蓋度的變化特征，結合宋怡等[17]提出的根據(jù)坡度大小評價草地長勢狀況的標準，得出研究區(qū)草地產(chǎn)草量變化趨勢標準(表1),從而生成草地植被覆蓋度變化趨勢圖(圖4)。

表1 植被覆蓋度和產(chǎn)草量分級關系表

對已進行象元二分模型模擬的植被覆蓋度進行一元線性回歸處理，并以表1中的標準對植被蓋度變化程度進行分級。結果表明，2001年-2010年，川西北江河源區(qū)植被蓋度變化趨勢以降低為主。草地蓋度降低的區(qū)域面積為28 920.45 km2，其中明顯降低的區(qū)域面積為5 335.75 km2，輕度降低的區(qū)域面積為23 584.27 km2；草地蓋度無明顯變化區(qū)域面積為19 526.3 km2；草地蓋度增加的面積為23 095.05 km2，其中明顯增加的區(qū)域面積為4 717.25 km2，輕度增加的面積為18 377.8 km2。

1.6.2 草地生物量指標提取與分析

通過對MODIS植被指數(shù)的反演，得到歸一化的逐年草地生物量。對反演得到的研究區(qū)2001年-2010年草地生物量進行一元線性回歸預測趨勢，并利用草地長勢狀況評價分級標準(表1)對草地生物量變化趨勢進行分級。結果表明，2001年-2010年間，研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)的草地生物量表現(xiàn)為增加趨勢。得出草地生物量增加的區(qū)域面積為42 263.2 km2，其中明顯增加區(qū)域面積為12 391.2 km2，輕度增加區(qū)域面積為29 872 km2；草地生物量無變化區(qū)域面積為16 932.2 km2；草地生物量降低區(qū)域面積為12 346.25 km2，其中明顯降低區(qū)域面積為1 497.75 km2，輕度降低區(qū)域面積為10 848.5 km2。

圖5 2001年-2010年川西北江河源區(qū)草地 生物量變化趨勢圖Fig.5 Grassland biomass trend of change in study area from 2001 to 2010

1.6.3 研究區(qū)草地退化狀況評價體系

在研究以往諸多學者針對草地退化狀況評價指標體系的基礎上，將研究區(qū)植被覆蓋度和草地生物量變化特征兩個指標綜合，建立川西北江河源區(qū)草地退化狀況時空分析評價體系。將研究區(qū)草地退化狀況分為9個級別(表2)，依次為輕度改善、輕微改善、中度改善、明顯改善、未退化、輕微退化、輕度退化、中度退化、嚴重退化。

表2 川西北江河源區(qū)草地退化狀況評價規(guī)則表

2 結果與分析

2.1 草地退化的時間分異特征

綜上所述，雖然川西北江河源區(qū)2001年-2010年間草地蓋度變化整體呈現(xiàn)降低趨勢(圖4)，但是草地生物量變化呈現(xiàn)出比較明顯的增加趨勢(圖5)，所以二者綜合評價得出的川西北江河源區(qū)草地退狀況(圖6)整體呈現(xiàn)出改善的結果。

圖6 2001年-2010年川西北江河源區(qū)草地退化狀況圖Fig.6 Grassland degradation map in study area from 2001 to 2010

圖7 2001年-2010年川西北江河源區(qū)草地 退化分級面積統(tǒng)計圖Fig.7 Statistical chart of classification area of grassland degradation in study area from 2001 to 2010

研究區(qū)草地退化分級面積統(tǒng)計結果(圖7)顯示，在2001年-2010年期間，研究區(qū)草地退化總面積為21 255.75 km2，其中輕微退化面積為10 358.25 km2，輕度退化面積為7 377.25 km2，中度退化面積為2 791.25 km2及嚴重退化面積729 km2。

2.2 草地退化的高程分異特征

從高程來看,研究區(qū)草地主要分布于海拔高度3 047.6 m～4 954.4 m之間，特別是4 318.8 m～4 954.5 m之間為草地密集分布區(qū)域，高于5 000 m的區(qū)域幾乎無草地分布。就退化率而言，最高值出現(xiàn)在2 412 m～3 047.6 m，次之為3 047.6 m～3 683.2 m之間(圖8)。分析海拔高度與草地退化率之間關系：海拔高度與退化率呈反比關系，海拔越高，退化率越低；反之，退化率越高。這是因為高海拔地區(qū)人類活動稀少，草地覆被受人為因素影響較小，這也直接說明研究區(qū)的草地退化與人類活動有著密切的關系。

圖8 川西北江河源區(qū)草地退化與高程關系圖Fig.8 Relational graph of grassland degradation and altitude in study area

圖9 川西北江河源區(qū)草地退化與坡度關系圖Fig.9 Relational graph of grassland degradation and slope in study area

圖10 川西北江河源區(qū)草地退化與坡向關系圖Fig.10 Relational graph of grassland degradation and aspect in study area

2.3 草地退化的坡度分異特征

坡度決定了地表單元陡緩的程度，也直接影響人類活動的主要區(qū)域。所以，坡度大小的差異必然會影響到草地退化分布的空間差異。如圖9所示，研究區(qū)草地主要集中于坡度≤20.18°的區(qū)域，并且隨著坡度的增大，草地面積逐漸減小。而退化率則隨著坡度的增大呈現(xiàn)緩慢升高狀態(tài)，于32.28°達到最大，當坡度≥32.28°之后退化率開始出現(xiàn)降低趨勢。

2.4 草地退化的坡向分異特征

溫度和降水是影響天然草場氣候生產(chǎn)力的主要因素，而不同的坡向具有不同的氣溫和水分狀況，因此必然會影響到草地的生長和發(fā)育，進而影響其載畜能力。從圖10可以看出，半陰半陽坡(東坡、西坡)草地面積明顯大于陰坡(北坡、東北坡和西北坡)和陽坡(包括南坡、東南坡和西南坡)。因為在季風氣候影響下，陰坡降水少、溫度低，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，對人類活動干擾更為敏感[1]。

3 結論與討論

1)2001年-2010年，川西北江河源區(qū)草地蓋度變化趨勢以降低為主。草地蓋度降低的區(qū)域面積為28 920.45 km2，其中明顯降低的區(qū)域面積為5 335.75 km2，輕度降低的區(qū)域面積為23 584.27 km2。川西北江河源區(qū)境內(nèi)的草地有著十分高的生態(tài)服務和社會服務價值，植被狀況的退化必定會影響區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境。

2)2001年-2010年間，川西北江河源區(qū)大部分地區(qū)的草地生物量呈現(xiàn)增加趨勢。草地生物量增加的區(qū)域面積為42 263.2 km2，其中明顯增加區(qū)域面積為12 391.2 km2，輕度增加區(qū)域面積為29 872 km2。這就說明，最近年來當?shù)卣畬τ诟纳茀^(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境所做出的工作是具有一定成效的。

3)結合研究區(qū)2001年-2010年期間草地植被覆蓋度和草地生物量變化特征兩大指標，建立了川西北江河源區(qū)草地退化評價體系，對研究區(qū)進行草地退化的評價，結果表明，研究區(qū)10年間草地狀況呈現(xiàn)改善的區(qū)域面積大于呈現(xiàn)出退化的面積。

4)從草地退化程度就空間分布分析：草地退化的高程分異顯示，海拔高度與退化率呈反比關系，海拔高度越高，草地退化率越低；反之，草地退化率越高。這是由于隨著海拔升高，人類活動減少，草地受人為因素影響就越小。草地退化的坡度分異表明，隨著坡度的增大呈現(xiàn)草地退化率緩慢升高狀況，于32.28°達到最大，坡度大于32.28°之后草地退化率隨之出現(xiàn)降低趨勢。草地在不同坡向地表的分布面積雖然存在一定差異，但總體草地退化率變化不大；而平地草地面積最少，退化率顯著高于其他坡向，這也說明平地區(qū)域開發(fā)歷史悠久，受人類活動影響強烈，大部分草地被開墾為耕地或其他建設用地等，致使該區(qū)草地面積急劇減少。因此，當?shù)卣C布一些有益于生態(tài)環(huán)境的規(guī)章制度是十分必要的。

5)研究區(qū)草地退化狀況應該是由諸多的因素綜合影響的，而本只選取了草地植被覆蓋度和草地生物量兩個指標來構建評價體系，沒有考慮草地植被類型變化等因素。因此，后續(xù)還需考察更多因素進行進一步深入研究。

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