內蒙古東烏珠穆沁旗草甸草原生態環境時空演變分析

蘆 雪 王智勇

（1.北京宇視藍圖信息技術有限公司，北京 100096；2.二十一世紀空間技術應用股份有限公司，北京 100096）

1.引言

草地是自然生態系統的重要組成部分，在調節氣候、涵養水源、保持水土、防風固沙等方面發揮著重要作用。然而，《2009年全國草原監測報告》顯示，我國草原生態仍很脆弱，草地退化已經成為草地畜牧業可持續發展所面臨的最嚴重的問題。在草地退化研究中，通過對草原景觀格局的時空演變分析，有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系，為草原生態系統的治理和恢復提供科學依據。因此，諸多學者、專家開展了針對草原退化過程中景觀格局時空演變的研究，但大多都集中在自然生境差、易受外界干擾的嚴重退化草原區，對生態恢復功能相對較好的草甸草原區則研究較少。

內蒙古錫林郭勒草原的東部，又稱烏珠穆沁草原，是內蒙古保存最完好的天然草甸草原之一。然而自20 世紀50 年代以來，由于墾荒種地造成草原破壞，出現了沙漠化，形成了總面積為5 萬km2的格亥額勒蘇沙地，草原景觀格局的時空演變劇烈。目前，草原墾荒仍未停止，又出現了草原開礦、辦廠等經濟活動，使烏珠穆沁草原面臨著種種威脅。作為天然草甸草原中人類活動干擾嚴重的典型代表區域，烏珠穆沁草原在自然地理上有其獨特的空間分布格局，在生態上具有一定的脆弱生境特征和演化規律。因此，研究該地區景觀格局空間變化的相關內容，對天然草原生態系統的治理、恢復具有重要的學術價值和借鑒意義。

2.研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區東部，行政區劃隸屬錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗，地處烏珠穆沁草原，是天然的草甸草原。地理坐標為：東經118°00′～118°45′、北緯46°20′以北至國境線，總面積1970km2。研究區屬北溫帶大陸性氣候，太陽輻射強烈，大風日數多，自然條件較為惡劣。區內地貌以低山丘陵與湖泊凹地相間排列，水系不發育，多形成湖泊，四周分布有條帶狀的風成沙地。區內動植物種類繁多，草叢高度為30～80cm，覆蓋度為70%～90%，部分草原荒漠化、沙化，并且存在小面積的裸露沙地。區內經濟發展方式以牧業為主、資源和能源為依托，擁有國內外少有的大型朝不楞多金屬礦床，并開展了草原特色旅游業、口岸等特色產業。

1.2 數據來源

本研究選用Landsat TM/ETM+影像為數據源，共選取了近15年來四個時期的遙感數據，各時相遙感影像成像時間及參數見表1。從1991年開始，每隔5年有一幅影像，保證了數據的連續性，每個時期的影像質量符合研究要求，且均能完全覆蓋研究區域。

表1 研究數據背景資料及成像參數

此外，本文所涉及的數據和資料還包括研究區1:5萬地形圖、地質圖，以及氣象、地貌、植被、礦產、經濟、社會等資料和報告。

表2 研究區地物類型及特征

2.研究方法

2.1 遙感影像處理與信息提取

在ENVI軟件的支持下，通過對研究區4期遙感影像進行幾何校正、波段選擇與合成、圖像裁剪、圖像增強、圖像分類等處理和解譯，結合野外調查數據及景觀分類原則和方法，對草原生態環境信息進行提取，生成遙感影像圖和遙感分類圖（見圖1和圖2）。并在GIS支持下，建立草原環境信息時空數據庫。

圖1 研究區四期TM432、ETM+743遙感影像圖

圖2 研究區四期遙感分類圖

2.2 景觀格局動態分析法

運用景觀生態學原理，通過對草原景觀格局的時空演變分析，有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系，為草原生態系統的治理和恢復提供科學依據?；谘芯繀^為草原環境中一個小尺度區域的考慮，選取景觀空間格局指數和景觀模擬模型兩種方法來定量描述1991年和2006年兩個年份的草原景觀格局的變化。

通過對兩個年份景觀單元特征指數和景觀異質性指數的分析，得出斑塊面積、最大斑塊面積、斑塊平均面積、斑塊數、邊界密度等景觀要素特征變化及優勢度、多樣性、均勻度和分維數等景觀異質性變化，反映出兩個年份的草原景觀格局具體變化。

2.3 馬爾科夫鏈模型預測法

景觀模型可以建立景觀結構、功能和過程之間的相互關系，是預測景觀未來變化的有效工具。景觀模擬模型可分空間模型（Spatial Model）和非空間模型（Non-spatial Model）。馬爾科夫鏈（Markov Chain）模型是一種常用的景觀空間動態模型，采用轉移矩陣（Transition Matrix）來模擬景觀斑塊從一種類型轉變為另一種類型的動態規律。

基于Landsat 5、Landsat 7遙感影像，通過遙感信息提取，得到草原環境時空變化數據庫。以年為單位，把草原環境的變化分為一系列離散的過程，根據各景觀類型的年平均轉化率，來確定景觀單元的轉移概率，建立轉移概率矩陣，利用馬爾科夫鏈模型模擬研究區的景觀動態演變過程并預測2010年、2015年和2020年的變化趨勢。

3.結果與分析

3.1 研究區草原環境動態變化分析

基于研究區四期遙感分類圖及草原環境時空數據庫中的矢量和屬性數據，研究區近15年來草原環境動態監測結果表明：在1991—1996年間草原環境狀況良好；而從1996—2001年，草原環境持續惡化，表現為草地面積較1991年減少了23.51%，主導地類由較高蓋度草地轉變為裸地，且非草地區面積增加；從2001—2006年，草原環境得到改善，草地面積較2001年增加了22.89%，主導地類恢復為較高蓋度草地。

3.2 研究區草原景觀格局變化分析

通過對研究區1991年和2006年兩個時期景觀單元特征指數和景觀異質性指數的分析，整個研究區的景觀破碎化程度加大；較高蓋度草地和中蓋度草地的優勢度減弱；景觀多樣性和均勻度增加，裸地和高蓋度草地所占比例增大；景觀分維數降低，人類對草原景觀的干擾增強。

3.3 研究區草原環境演變動態模擬及預測分析

運用馬爾科夫鏈模型模擬和預測研究區2010年、2015年和2020年環境的發展趨勢，結果表明：非草地區面積持續擴大，草地區除高蓋度草地外，其他類型的草地所占面積均下降，整個草原環境在未來15年內有惡化趨勢。

4.草原環境的驅動機制及整治措施

研究區草原環境變化的驅動機制從自然和人為兩個方面分析，主要驅動因子有地形地貌、氣候、土壤以及過度放牧、墾荒、盲目發展工礦業等。主要整治策略有“實行以草定畜、合理規劃布局工礦業、建立法律與法規和草原監測體系，并加強宣傳教育、提高牧民的綜合素質和生態保護意識”。

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