基于凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的草地退化監(jiān)測(cè)研究

吳 紅，安 如，李曉雪，曲春梅，陸 玲，楊仁敏，龔天宇

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

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[1]，其實(shí)質(zhì)是草地生產(chǎn)力的下降。據(jù)調(diào)查，三江源區(qū)的草地已呈現(xiàn)全面退化的趨勢(shì)。其中，中度以上退化草地面積達(dá)120 000 km2，占本區(qū)可利用草地面積的58%。黃河源區(qū)作為三江源區(qū)重要生態(tài)區(qū)域，近年來草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞非常嚴(yán)重?，敹嗫h地處黃河源頭，是黃河重要的水源涵養(yǎng)地，其生態(tài)作用對(duì)整個(gè)三江源區(qū)域有著直接重要的影響。在20世紀(jì)70年代，瑪多縣由于草地資源豐富，畜牧業(yè)發(fā)達(dá),曾是有名的富?？h，但是隨著自然因素及人為因素的變化和破壞，草地資源急劇減少，畜牧業(yè)受到很大影響，導(dǎo)致現(xiàn)在的瑪多淪為全國(guó)有名的貧困縣[2-4]。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行草地退化遙感監(jiān)測(cè)，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。近年來，草地資源的監(jiān)測(cè)方法得到很大的改進(jìn)，遙感影像的應(yīng)用使草地資源的監(jiān)測(cè)范圍更大，也更具時(shí)效性。李昀等[5]以TM影像為數(shù)據(jù)源，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)構(gòu)建草地產(chǎn)草量模型，評(píng)價(jià)了景泰縣草地資源現(xiàn)狀；李文娟等[6]利用MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)建立天然草地資源產(chǎn)量反演模型，估算了青海省草地草地資源載畜量。

目前基于遙感的草地退化信息提取主要方法有：基于草地退化監(jiān)測(cè)指標(biāo)與植被指數(shù)的相關(guān)性，建立退化指數(shù)的反演模型；基于遙感影像的草地退化信息直接目視綜合判讀法。前者受到遙感可反演參數(shù)與草地退化指標(biāo)不能直接對(duì)應(yīng)的限制，信息提取的精度差；后者對(duì)遙感影像的選取、時(shí)相的選擇和后期處理具有嚴(yán)格的要求，而且要求解譯人員對(duì)研究區(qū)草地退化狀況有比較完整的認(rèn)識(shí)，分析精度較高[7]。對(duì)于草地退化指標(biāo)的選取，李輝霞和劉淑[8]基于NDVI建立了西藏自治區(qū)草地退化評(píng)價(jià)模型。高清竹等[9]選擇草地的植被蓋度為草地退化的遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，研究了藏北地區(qū)草地退化的時(shí)空分布特征。王根緒和程國(guó)棟[10]研究發(fā)現(xiàn)，江河源區(qū)6縣(達(dá)日、瑪多、瑪沁、治多、曲麻萊、雜多)草地退化面積占草地總面積的34.34%，其中草地退化及重度草地退化多發(fā)生在瑪多和達(dá)日，表明黃河源區(qū)草地退化比較嚴(yán)重。草地退化的實(shí)質(zhì)是草地生產(chǎn)力的下降，而凈第一性生產(chǎn)力是表征草地生產(chǎn)力狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本研究采用基于草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的方法，對(duì)瑪多地區(qū)的草地退化信息進(jìn)行提取。

植被NPP的估算模型主要有：氣候統(tǒng)計(jì)模型、過程模型和光能利用率模型3種。氣候統(tǒng)計(jì)模型通過建立NPP與地面氣候資料(如年降水量、年平均溫度及年蒸散量等)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來估計(jì)NPP；過程模型從機(jī)理上對(duì)植物的生物物理過程以及影響因子進(jìn)行分析和模擬，更能揭示生物生產(chǎn)過程，但模型復(fù)雜，涉及的參數(shù)多而且不易獲得；光能利用率模型是基于資源平衡觀點(diǎn)來估算NPP。模型形式簡(jiǎn)單且可以直接利用遙感數(shù)據(jù)，克服了氣候統(tǒng)計(jì)模型以點(diǎn)帶面的缺點(diǎn)，比較適合快速、大范圍地監(jiān)測(cè)草地NPP。本研究以光能利用率模型CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)[11]為基礎(chǔ)，考慮溫度和大氣水汽對(duì)植被的影響，構(gòu)建基于TM數(shù)據(jù)的草地NPP的遙感反演模型。在此基礎(chǔ)上通過計(jì)算草地潛在NPP作為未退化草地的NPP，獲取草地NPP減少的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，以此作為監(jiān)測(cè)草地退化的指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)的草地退化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

瑪多縣位于青海省的南部，三江源的中東部(圖1)，位于96°50′～99°32′ E，33°52′～35°39′ N，全縣土地總面積約24 500 km2，行政區(qū)劃上分為3個(gè)鄉(xiāng)(扎陵湖鄉(xiāng)、黃河鄉(xiāng)和黑河鄉(xiāng))和1個(gè)鎮(zhèn)(花石峽鎮(zhèn))?，敹嗫h屬高寒半干旱氣候區(qū)，年均氣溫-4℃，全縣平均海拔在4 000 m以上，地形起伏不大，地勢(shì)平坦，多湖泊、沼澤地、平坦地[12]。多年平均降水量321 mm，但年際變化大，最多的年份434.18 mm，最少的年份84.0 mm?，敹嗫h主要土地覆被類型為草地，全縣草地面積約22 526 km2。草地類型包括高寒草甸、高寒沼澤草甸和高寒草原類草地。沼澤化草甸具有典型的高原濕地生態(tài)特征，是區(qū)域內(nèi)最具有生物多樣性的草地生態(tài)系統(tǒng)之一[13]；高山草甸亞類草地分布在該縣山地陽坡、陰坡、圓頂山、灘地和河谷高階地上。高寒沼澤草甸亞類草地分布在排水不暢的平緩灘地、山間盆地、碟形洼地、湖畔、河濱、高山鞍部、山麓溢出帶。高寒草原類草地常分布在灘地、寬谷、高原湖盆外緣、河流高階地、剝蝕高原面以及干旱山地[14-16]。

圖1 三江源區(qū)瑪多縣位置示意圖

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本研究采用瑪多縣2008年夏季(草場(chǎng)生長(zhǎng)最好時(shí)期)Landsat TM影像共5景(影像獲取時(shí)間為2008年6月12號(hào))，并輔以瑪多縣草地類型分布圖、土地覆被類型圖、瑪多縣地形圖和該區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)(水汽壓、日照百分率及地表溫度)。首先將遙感影像進(jìn)行預(yù)處理：分別對(duì)5景影像進(jìn)行假彩色合成，利用瑪多縣1∶10萬地形圖對(duì)影像進(jìn)行幾何精度糾正，在ENVI中利用FLASSH模塊進(jìn)行大氣輻射校正，然后將影像拼接再根據(jù)瑪多縣行政邊界進(jìn)行剪裁，得到瑪多縣整個(gè)行政區(qū)域影像。利用光能利用率模型CASA模型進(jìn)行草地NPP反演。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17]中提出的草地退化評(píng)價(jià)依據(jù)：“未退化草地以監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近相同水熱條件草地自然保護(hù)區(qū)中合理利用示范區(qū)相同草地類型的植被特征與地表、土壤狀況為基準(zhǔn)”，實(shí)質(zhì)上就是以監(jiān)測(cè)區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地類型中長(zhǎng)勢(shì)最好的草地狀況為基準(zhǔn)。潛在NPP是指草地在水熱等生長(zhǎng)條件適宜、沒有自然或人為因素破壞情況下的凈第一性生產(chǎn)力，它是評(píng)價(jià)草地退化程度的基準(zhǔn)與依據(jù)。因此，可以把監(jiān)測(cè)區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地類型草地的最大NPP作為該區(qū)域的潛在NPP，即未退化草地的NPP值[18]。

2.1草地退化指標(biāo)及等級(jí)劃分 草地退化遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)選取，既要考慮草地退化以及遙感原理和數(shù)據(jù)特點(diǎn),又要有科學(xué)性、系統(tǒng)性、相對(duì)獨(dú)立性、可行性和可操作性。在參考文獻(xiàn)[7,18-19]及綜合研究區(qū)可獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用草地NPP減少的相對(duì)百分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)草地退化的指標(biāo)：

(1)

式中，D為草地NPP減少的相對(duì)百分?jǐn)?shù)；NPP潛在為草地的潛在NPP，即草地沒有發(fā)生退化時(shí)的NPP。草地退化指數(shù)D取值為0～1，值越大說明草地退化越嚴(yán)重。參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[17]提出的草地退化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將退化指數(shù)值分為4個(gè)等級(jí)：未退化0～10%、輕度退化10%～20%、中度退化20%～50%和重度退化>50%[18]。

2.2草地NPP的反演 國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用CASA模型進(jìn)行了NPP估算研究，如樸世龍等[19]利用CASA模型估算了1997年中國(guó)的NPP及其分布；陳利軍等[20]使用1990年每旬的NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，采用光能利用率模型對(duì)中國(guó)該年每旬的NPP進(jìn)行了估算，然后進(jìn)行累加得到了1990年的NPP分布，并分析了其空間分布規(guī)律；樸世龍和方精云[21]利用1982-1999年NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合植被和土壤質(zhì)地等資料，應(yīng)用CASA模型研究了青藏高原植被的NPP及其動(dòng)態(tài)變化。

本研究以研究區(qū)2008年的地面氣象數(shù)據(jù)(氣溫、日照百分率、地面水汽壓等)和TM遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，氣象數(shù)據(jù)是從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)下載。NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)與光能轉(zhuǎn)化率(ε)2個(gè)變量來確定。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中，t表示時(shí)間，x表示空間位置；APAR(x,t)表示像元x在t時(shí)間吸收的光合有效輻射；ε(x,t)表示像元x在t時(shí)間的實(shí)際光利用率。

2.2.1光合有效輻射 植被所吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例，用下列公式表示：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(3)

式中,SOL(x,t)是t月份象元x處的太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長(zhǎng)為0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例。光合有效輻射比例與比值植被指數(shù)(VI)存在以下關(guān)系：

(4)

式中，F(xiàn)PARmax=0.950，F(xiàn)PARmin=0.001；VImax和VImin分別表示草地的最大和最小比值植被指數(shù)，分別取值為1.08和4.41[22]。

由于所獲取的地面氣象數(shù)據(jù)沒有太陽總輻射SOL(x,t)，需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

SOL(x,t)=Q0(a+bS)

(5)

式中，a和b是常數(shù)，分別取0.248和0.752；S為日照百分率，由氣象數(shù)據(jù)獲得；Q0表示最大晴天總輻射量，由地理緯度、海拔高度及平均地面水汽壓估算。

Q0=0.418 675(C0+C1φ+C2H+C3e)

(6)

式中，φ為地理緯度；H為海拔高度(m)；e為地面水汽壓(hPa)，由瑪多氣象站地面觀測(cè)數(shù)據(jù)可獲??；7月份：C0=22 397.100、C1=26.478、C2=0.876、C3=-11.659，4個(gè)回歸系數(shù)值在不同月份其取值也不相同[23]。

2.2.2光能轉(zhuǎn)化率(ε)的確定 光能轉(zhuǎn)化率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率。一般認(rèn)為在理想條件下植被具有最大光能轉(zhuǎn)化率，而在現(xiàn)實(shí)條件下光能轉(zhuǎn)化率主要受溫度和水分的影響，用式(7)表示：

ε(x,t)=σE×σT×ε*

(7)

式中，σE和σT分別為大氣水分含量和溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù)[24]，ε*是理想條件下的最大光能轉(zhuǎn)化率。CASA模型中采用的最大光能利用率0.389 g/MJ，并不適用于中國(guó)的植被[25]。Running等[26]根據(jù)生態(tài)生理過程模型BIOME-BGC模擬了不同的植被覆蓋類型的最大光能利用率，其模擬結(jié)果更符合實(shí)際情況。本研究中采用Running等對(duì)草地的模擬結(jié)果0.608 g/MJ作為草地的最大光能利用率。溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù)，可以通過下式計(jì)算[24]。

式中，Ts為近地層氣溫或地表溫度，由氣象數(shù)據(jù)直接獲得。

大氣水分含量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù)[24]：

σE=1.2exp(-0.35Ev)-0.2

(9)

式中，σE為大氣水汽壓差對(duì)草的光能利用率影響系數(shù)；Ev為大氣水汽壓差,由下式計(jì)算：

式中,Ts為近地層氣溫或地表溫度(K)；Td為近地層露點(diǎn)溫度(K)，可根據(jù)整層大氣水汽含量w(g/cm2)來計(jì)算：

(11)

w=α0+α1e+α2e2

(12)

式中，α0、α1、α2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);e為地面水汽壓(hPa)。對(duì)于我國(guó)大部分地區(qū),經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α2≈0，α0、α1的計(jì)算公式因海拔高度和地理緯度的不同而不同,瑪多地區(qū)α0=-0.005 6、α1=0.167 7[27]。根據(jù)2.2介紹的方法，得到瑪多縣2008年夏季草地NPP分布圖(圖2)。

圖2 瑪多縣2008年夏季草地NPP

2.3草地潛在NPP 本研究把監(jiān)測(cè)區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地覆被類型草地的最大NPP值作為該區(qū)域的潛在NPP。對(duì)于子區(qū)域的劃分，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)草地類型圖在制作過程中考慮水熱條件同等性因素，并且其中型一級(jí)草地面積較小、屬于同種草地類型。因而實(shí)際應(yīng)用中可直接根據(jù)草地類型圖進(jìn)行子區(qū)域的劃分[18]。

具體步驟為：1)為消除由于遙感數(shù)據(jù)噪音，或者混有其他類型植被等因素造成的NPP異常值，需對(duì)所得NPP圖像進(jìn)行5×5窗口中值濾波，以去除異常值[18]；2)本研究中采用的草地分類圖具體到型一級(jí)， 在ERDAS中利用Vector模塊將草地覆被類型圖與草地NPP圖疊加，計(jì)算草地類型分布圖中每個(gè)多邊形的最大NPP值，得到潛在NPP分布矢量圖；3)將潛在NPP矢量圖轉(zhuǎn)換成與TM一致的30 m×30 m分辨率的柵格圖，即是草地潛在NPP。

3 結(jié)果與分析

3.1草地退化結(jié)果分析 瑪多縣草地退化等級(jí)分布如圖3所示。2008年瑪多縣全區(qū)草地退化狀況仍然比較嚴(yán)峻，全區(qū)草地以中度退化(D值20%～50%)為主，面積為9 535.13 km2，占全區(qū)草地面積50.13%；輕度退化(10%～20%)草地面積占22.34%；重度退化面積3 256.34 km2，達(dá)17.18%，主要分布于北部地區(qū)(表1)。

文獻(xiàn)[4]中指出：20世紀(jì)90年代至2004年，瑪多南部草地大范圍屬于中、輕度持續(xù)退化區(qū)，瑪多縣北部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū)?，敹嗫h1987年與1997年兩次草地調(diào)查統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)80年代全縣草地退化面積為10 702 km2，占全區(qū)草地面積46.55%；90年代退化草地面積達(dá)16 082 km2占全區(qū)草地面積69.95%，其中，重度退化草地面積達(dá)9 200 km2呈上升趨勢(shì)[28]。

將本研究所得2008年瑪多縣草地退化信息與該縣20世紀(jì)90年代和80年代兩次草地資源調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。2008年重度退化草地面積較1997年減少了5 944 km2，中度退化面積增加了3 965 km2，輕度退化草地面積增加了2 933 km2(表2)?？梢园l(fā)現(xiàn)，1997年到2008年，重度退化草地向輕度、重度退化轉(zhuǎn)變，草地退化現(xiàn)象得到緩解。青海省政府于2003年開始，在瑪多縣劃分自然保護(hù)區(qū)并實(shí)行生態(tài)移民工程，消除草地超載對(duì)草地的危害。瑪多縣境內(nèi)共有2個(gè)保護(hù)區(qū)：約古宗列保護(hù)區(qū)、扎陵湖和鄂陵湖保護(hù)區(qū)?？梢?，青海省采取的一系列政策措施很有成效。

3.2草地退化與草地類型 瑪多縣主要草地類型包括高寒草原類、高寒草甸類(高寒草甸亞類和沼澤類高寒草甸類)沼澤類草地。其中，高寒草原類草地為9 200.66 km2，占草地總面積的48.1%；高寒草甸類草地面積為8 873.56 km2，占草地總面積的46.4%，其中高寒草甸亞類為7 826.41 km2，沼澤化高寒草甸類1 047.15 km2；沼澤類草地所占面積很小，只有48.59 km2。利用不同草地類型對(duì)草地退化等級(jí)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖4)：草地退化等級(jí)的分布狀況與草地類型存在一定的關(guān)系。高寒草原類和高寒草甸類草地均以中度退化為主，沼澤類草地則以輕度退化為主，同時(shí)中度退化比例也很高。高寒草原類草地退化較其他類型草地嚴(yán)重，重度退化面積為2 852.03 km2，占高寒草原類草地總面積的31%，而高寒草甸類和沼澤類草地重度退化比例分別為2.7%和0.6%。

圖3 2008年瑪多草地退化等級(jí)分布圖

表1 瑪多縣2008年草地退化面積統(tǒng)計(jì)

表2 瑪多縣3個(gè)時(shí)期草地退化面積統(tǒng)計(jì)

圖4 不同草地類型退化等級(jí)示意圖

高寒草甸類草地包括高寒草甸亞類和沼澤化高寒草甸亞類，這兩種亞類高寒草甸草地的退化情況也存在差異。其中高寒草甸亞類以中度退化為主，占該類草地面積的54.8%，而沼澤類高寒草甸亞類以輕度退化為主，占該類草地面積的46.8%(圖5)。

4 結(jié)論

本研究利用瑪多縣2008年夏季Landsat TM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，并輔以研究區(qū)草地類型圖、土地覆被類型圖、地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用CASA模型反演草地NPP并結(jié)合草地類型圖計(jì)算潛在NPP。以草地NPP減少的相對(duì)百分?jǐn)?shù)作為監(jiān)測(cè)草地退化的指標(biāo)，可操作性強(qiáng)，數(shù)據(jù)類型要求簡(jiǎn)單且易獲取。利用ArcMap軟件平臺(tái)，疊加草地退化等級(jí)分布圖與草地類型圖，進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)高寒草原類草地退化較其它類型草地嚴(yán)重，重度退化草地達(dá)到該類草地面積的31%。針對(duì)高寒草原類草地的保護(hù)措施有待加強(qiáng)。

圖5 兩種高寒草甸亞類退化面積示意圖

利用該方法所提取草地退化信息與其他學(xué)者所研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果可信。與瑪多縣1987年與1997年兩次草地調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：瑪多縣草地退化現(xiàn)象仍然比較嚴(yán)重。從20世紀(jì)80年代至90年代，未退化草地面積急劇減少，中度、重度退化草地面積大幅增加，退化呈現(xiàn)加速的趨勢(shì)；從20世紀(jì)90年代至2008年，重度退化草地面積大幅減少，并向輕度、中度退化轉(zhuǎn)變，草地退化情況得到一定緩解。可能的原因是青海省政府于2003年開始，在瑪多縣劃分自然保護(hù)區(qū)并實(shí)行的生態(tài)移民工程，減輕了畜牧超載對(duì)草地的危害。同時(shí)瑪多縣保護(hù)區(qū)的建設(shè)也起到一定的積極作用。

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