青海省瑪多縣草地退化現狀及動態變化研究

徐劍波，陳進發，胡月明，趙之重

(1.華南農業大學信息學院，廣東 廣州 510642； 2.青海大學農牧學院，青海 西寧 430072)

我國是世界第二草原大國，草原面積4億hm2[1]。近年來，由于自然因素與不合理人類活動的共同影響，草地生態系統受到嚴重破壞，江河湖泊日漸干涸，大片沼澤濕地消失，鼠害泛濫，草地退化、土地沙化、水土流失日益嚴重，自然生態環境惡化形勢十分嚴峻。

目前，草地退化在全國草地生態系統中占據著主導位置[2]，已成為制約全國草地畜牧業持續發展及生態環境改善的重要因素[3]。隨著3S技術的不斷完善，遙感監測法已成為區域大面積草地退化研究的主要手段[4]。因此，通過建立遙感信息與地理信息的關系模型，從TM影像上獲得草地退化的數量、結構和空間分布，并分析對比研究區域20世紀80年代至今草地退化動態變化狀況，從而為該區草地退化的綜合治理和區域可持續發展提供參考。

青海省瑪多縣，地處三江源核心區，是黃河的發祥地，素有“千湖之縣”的美譽。曾經富甲一方的瑪多縣，在20世紀60、70年代以水草豐美、牛羊遍野而聞名全國，在80年代初是全國三年連冠的首富縣，然而到90年代后期卻變成了貧困縣。全縣4 000多個湖泊大半萎縮干枯，草地退化面積達70%。2000年以來，隨著三江源國家級自然保護區的建立，以及《青海三江源自然保護區生態保護和建設總體規劃》和大量生態環境保護建設工程的實施，如今黃河源頭地區已重現“千湖美景”，瑪多縣境內的湖泊又增加為3 700多個，基本恢復了原貌，扎陵湖和鄂陵湖的水域面積也達到了40年來的最大值。

瑪多縣近幾年的生態變遷，已成為果洛藏族自治州退牧還草和生態保護工程取得實效的縮影。因此，對瑪多縣草地退化的研究，具有巨大的實際意義和研究價值。

1 研究區域概況

瑪多縣轄屬于青海省果洛藏族自治州，位于33°50′～35°40′ N，96°50′～99°20′ E，北與都蘭縣相接，西靠曲麻萊縣，西南以巴顏喀拉山為界，與稱多縣相連，南北寬約207 km，東西長約228 km，總面積25 253 km2。平均海拔在4 200 m以上，空氣稀薄，氣候寒冷，四季不分明，沒有絕對的無霜期，年平均氣溫-4 ℃，屬高寒草原氣候。目前，瑪多縣轄2個鎮(瑪查里鎮、花石峽鎮)、2個鄉(黃河鄉、扎陵湖鄉)。2009年總人口13 565人，其中牧業人口10 528人，占總人口的77.6%。地區生產總值10 076萬元，全社會固定資產投資額10 778萬元。

2 研究方法

2.1地面調查數據 數據調查時間為2009年7-8月。調查采樣11個綜合監測樣區，每個樣區取6個樣方，共計66個樣方，每個樣方大小為1 m2。每個樣區獲得的數據主要包括經緯度、海拔、地貌特征、土壤特征、水文地質、草地類型、草地覆蓋度、植株平均高度、地上生物量(鮮質量)和植物頻度等。

2.2影像數據 由于瑪多縣面積較大，縣界范圍包括三景TM影像，中心點坐標分別為：主體部分(34.6° N，98.0° E)、北部(36.0° N，98.4° E)、東部(34.6° N，99.5° E)。三景影像經過大氣校正、幾何校正后，疊加鑲嵌，再利用矢量化的瑪多縣行政范圍裁剪，得到研究區域TM影像圖(圖1)。TM影像時間為2009年7月17日，與地面調查數據同步。

圖1 研究區域獲取流程(影像為321真彩色合成)

2.3草地退化指數計算方法

2.3.1地面評價指標的選擇與數據處理 草地退化從量的角度看，主要反映在草地植株的矮化、草地植被蓋度的降低以及草地植被生物量的下降[5]。因此，選擇樣點植株平均高度、植被覆蓋度和地上生物量作為評價指標。為了消除不同量綱的影響，需要對各指標值進行歸一化處理(公式1)。

(1)

式中，Vi是指標中第i個樣點測量值的歸一化值；Xi是第i個樣點的測量值；Xmin是樣點測量值中的最小值；Xmax是樣點測量值中的最大值。

2.3.2指標權重的確定方法 由于植株高度、覆蓋度和地上生物量在表征草地退化程度的能力上是有區別的，在草地植被退化評價中應賦予不同的權重。

為了避免人為打分確定評價因子權重帶來的主觀性和弊端，本研究采用多元統計分析中的主成分分析法計算各評價因子方差，通過計算各個因子方差占其總方差的比例，作為單項評價指標的權重值(U)，其計算公式以及過程如下。

在表1中，對n個指標進行主成分分析，便可得到n個主因子，同時這n個主因子也對應n個由上往下依次減少的方差貢獻率。按各指標對于方差的貢獻率取最大值的原則，其計算公式為：

U=max{W11P1,W21P2,W31P3,…,Wn1Pn}+

max{W12P1,W22P2,W32P3,…,Wn2Pn}+…+

max{Wn1P1,W2nP2,W3nP3,…,WnnPn

(2)

表1 指標權重分配

(3)

式中，Wi為該因子的權重。

2.3.3草地退化指數的計算 草地退化指數設定為高度、覆蓋度和生物量的加權綜合[3]，其計算公式為：

GDI=∑ViWi

(4)

式中，GDI為草地退化指數；Vi為樣點測量值的歸一化值；Wi為各指標權重。GDI作為地面綜合評價指標，值越大，草地植被長勢越好，表示草地退化程度越輕。

2.4植被指數計算方法 在計算草地退化指數的基礎上，采用統計分析方法在多種常用植被指數中優選出最佳的植被指數，建立草地退化指數與影像植被指數的遙感評價模型。植被指數的計算方法與參數的選擇，如公式(5)～公式(9)所示。

歸一化植被指數(NDVI)：

(5)

垂直植被指數(PVI)：

(6)

差值植被指數(DVI)：

DVI=TM4-A×TM3

(7)

土壤調整植被指數(SAVI)：

(8)

修改型土壤調整植被指數(MSAVI)：

式中，TM3、TM4分別為Landsat TM的紅光波段和近紅外波段；A、B和L的取值分別為0.969 16、0.084 726和0.5[5-6]。

3 結果與分析

3.1評價指標權重 在SPSS中采用主成分分析法來確定草地高度、覆蓋度和生物量的權重[7-8]。將原始數據標準化后進行因子分析，得到評價因子的載荷矩陣和方差貢獻率(表2)。覆蓋度和生物量在第一主成分因子中有很高的載荷，說明第一主成分基本反映了覆蓋度和生物量的信息，而高度信息則主要在第二主成分中體現。最后，得出評價指標中高度、覆蓋度和生物量權重分別為0.21、0.39和0.40。

表2 主成分載荷矩陣和方差貢獻率

3.2遙感評價模型 利用SPSS軟件對草地退化指數與多種常用植被指數進行相關性分析時發現，草地退化指數與修改型土壤調整植被指數(MSAVI)的相關性最高，相關系數達0.736，呈顯著相關關系，并通過了0.01水平的顯著性檢驗(表3)。因此，采用MSAVI作為草地植被退化遙感評價模型的變量，建立模型為Y=1.02+0.50 lnX(R2=0.665，F=11.7，Sig=0.008)。

另外，結果中MSAVI的相關性比NDVI的高，也反映出MSAVI修正了NDVI對土壤背景的敏感，降低了土壤背景的影響，從而更好地體現出研究區域低矮稀疏植被的覆蓋狀況[9]。

表3 植被指數與草地退化指數相關性分析

3.3草地退化現狀分析 在MSAVI分布圖(圖2)和遙感評價模型的基礎上，在ENVI軟件中進行模型運算，影像中每個像元的草地退化指數值被一一算出，得到2009年瑪多縣草地退化分布圖。

根據國家《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(GB19377-2003)》，草地退化程度可分為重度退化、中度退化、輕度退化和未退化4個等級。結合實測樣方的最大值、最小值和均值等，參照前人研究成果[3,10-12]，將草地退化指數劃分為4個等級，并從草地退化分布圖中得出各退化等級數量、結構和空間分布(圖3、表4)。

2009年瑪多縣草地覆蓋面積約222萬hm2(表4)，與《青海省瑪多縣2009年社會經濟統計資料》(瑪多縣統計局2010年6月)的統計結果相符。其中草地退化面積共計176萬hm2，占草地總面積的79%；以輕度退化和中度退化為主，占草地總面積的66.5%；其次為無明顯退化，占草地總面積的20.6%；而重度退化最少，占草地總面積的12.93%。

圖2 2009年瑪多縣MSAVI分布圖

圖3 2009年瑪多縣草地退化狀況分布圖

表4 2009年瑪多縣草地退化狀況

從空間分布上看，中度和重度退化草地主要分布在扎陵湖、鄂陵湖以北和花石峽鎮東北部地區；未退化草地主要分布在扎陵湖鄉、瑪查里鎮和黃河鄉南部地區；輕度退化草地廣泛分布于各鄉鎮。

3.4草地退化動態變化分析 瑪多縣在1987年和1997年進行了兩次大的草地資源調查，統計結果[2]如表5所示。

1987年，瑪多縣草地退化面積約107萬hm2，占草地總面積的46.55%，其中以輕度退化為主，占草地總面積的31.44%。

過渡到20世紀90年代，草地退化狀況日益加劇。1997年草地退化面積約160萬hm2，約占草地總面積的70%，比80年代增加了約53萬hm2。退化程度以重度和中度退化為主，二者之和占草地總面積的64%。

地處三江源核心區的瑪多縣，由于其特殊的生態地位，土地退化狀況和生態環境狀況受到高度重視。2000年以來，隨著三江源國家級自然保護區的建立，以及《三江源保護總體規劃》和大量生態環境保護建設工程的實施，土地退化狀況有了很大改觀，黃河源頭地區也重現“千湖美景”。

2009年，瑪多縣草地退化程度以輕度和中度退化為主，占草地總面積的66%。特別是重度退化程度也改善到了20世紀80年代的水平，退化面積約29萬hm2，占草地總面積的12.93%。但草地退化形勢依然較為嚴峻，2009年草地退化面積約176萬hm2，較90年代增加了15 hm2左右，12年間增加了10%。

表5 不同時期瑪多縣草地退化狀況對比

4 小結

草地退化地面綜合評價指標中植株高度、植被覆蓋度和生物量權重分別為0.21、0.39和0.40。

草地退化指數與多種常用植被指數的相關性分析中，修改型土壤調整植被指數(MSAVI)的相關性最高，相關系數達0.736，呈顯著相關關系，并且模型可定量表達為:Y=1.02+0.50 lnX。

2009年瑪多縣草地覆蓋面積約222萬hm2，其中草地退化面積達176萬hm2，占草地總面積79%，以輕度和中度退化為主，占草地總面積66.5%。從空間分布上看，中度和重度退化草地主要分布在扎陵湖、鄂陵湖以北和花石峽鎮東北部地區；未退化草地主要分布在扎陵湖鄉、瑪查里鎮和黃河鄉南部地區；輕度退化草地廣泛分布于各鄉鎮。

隨著三江源自然保護區的建立，大量生態保護建設工程的實施，瑪多縣草地退化由20世紀90年代的以重度和中度退化為主，轉變為以輕度和中度退化為主，重度退化程度也改善到了80年代的水平。但草地退化依然在不斷擴張，2009年草地退化面積比1997年增加了15萬hm2，12年間增加了10%。

由于未能獲得20世紀80年代與90年代的植株高度、植被覆蓋度和生物量等歷史數據，而直接借助了前人的草地調查結果，因此，在草地調查與統計方法上不能完全一樣。

[1] 李海亮,趙軍.草地遙感估產的原理與方法[J].草地科學,2009,26(3):34-38.

[2] 周華坤,周立,劉偉,等.青海省瑪多縣草地退化原因及畜牧業可持續發展[J].中國草地,2003,25(6):63-67.

[3] 杜自強,王建,李建龍,等.黑河中上游典型地區草地植被退化遙感動態監測[J].農業工程學報,2010,26(4):180-185.

[4] 查勇,Gao J,倪紹祥.國際草地資源遙感研究新進展[J].地理科學進展,2003,22(6):607-617.

[5] 李輝霞,鄢燕,劉淑珍,等.西藏高原草地退化遙感分析——以藏北高原典型區為例[M].北京：科學出版社,2008.

[6] 趙英時.遙感應用分析原理與方法[M].北京:科學出版社,2008.

[7] 宋理明,馬曉虹,魏永林,等.海北州天然草地退化沙化成因與對策[J].草業科學,2009,26(7):186-190.

[8] 左萬慶,王玉輝,王風玉,等.圍欄封育措施對退化羊草草原植物群落特征影響研究[J].草業學報,2009,18(3):12-19.

[9] 董永平,吳新宏,戎郁萍,等.草原遙感監測技術[M].北京:化學工業出版社,2005.

[10] 李博.中國北方草地退化及其防治對策[J].中國農業科學,1997,30(6):1-9.

[11] 仝川.草地退化指數的研究[J].內蒙古大學學報：自然科學版,2000,31(5):508-512.

[12] 李輝霞,劉淑珍.基于ETM+影像的草地退化評價模型研究:以西藏自治區那曲縣為例[J].中國沙漠.2007,27(3):412-418.