基于植被覆蓋度的藏羚羊棲息地時空變化研究

趙海迪，劉世梁,*，董世魁，蘇旭坤，張 翔

(1.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室， 北京 100875; 2.阿爾金山國家級自然保護區(qū)管理局，庫爾勒 841000)

基于植被覆蓋度的藏羚羊棲息地時空變化研究

趙海迪1，劉世梁1,*，董世魁1，蘇旭坤1，張 翔2

(1.北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室， 北京 100875; 2.阿爾金山國家級自然保護區(qū)管理局，庫爾勒 841000)

植被的分布及動態(tài)變化在一定程度上反映了動物棲息地的分布與變化。基于植被遙感影像數(shù)據(jù)及GIS空間分析，對阿爾金山國家級自然保護區(qū)植被景觀的變化進行分析，同時通過植被類型要素識別出適宜藏羚羊生存的主要區(qū)域，對其植被覆蓋度的時空變化進行分析。結果表明：保護區(qū)的植被覆蓋度處于較低水平，低覆蓋度植被區(qū)域占總植被覆蓋區(qū)的50%左右，且植被覆蓋度高的區(qū)域均集中在卡爾墩檢查站的東南部。植被覆蓋度在2000年、2005年、2010年間的增長趨勢表明保護區(qū)植被對于動物的承載能力不斷增大，植被的分布表明藏羚羊的活動區(qū)域植被覆蓋度較高，而產(chǎn)羔區(qū)域的植被覆蓋度較低且海拔較高。對藏羚羊取食植被針茅草原植被覆蓋度的變化分析表明，針茅草原植被覆蓋度隨時間而有所提高，藏羚羊棲息地的面積可能有所增大，覆蓋度分布的變化表明藏羚羊棲息地有向保護區(qū)西南方向擴散的趨勢。對植被覆蓋度與海拔關系的分析表明，高海拔區(qū)域植被覆蓋度較低，中度海拔區(qū)域植被覆蓋度較高，但是兩者并不存在顯著地相關性。

藏羚羊；阿爾金山自然保護區(qū)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)；植被覆蓋度；針茅草原

被譽為‘高原精靈’的藏羚羊是一重要的野生動物物種[1]，該物種主要分布于我國的青海、西藏、新疆三省3700—5500 m的高山荒漠草甸草原和高原草原等環(huán)境中[2- 3]。然而由于環(huán)境的破壞以及非法的狩獵活動[4- 5]，使得藏羚羊的數(shù)量和分布在20世紀均出現(xiàn)明顯的降低，作為國家I級保護動物已被列入《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約》(CITES)公約附錄I[6]。藏羚羊的保護引起了政府以及科研人員的廣泛關注[7- 8]，目前關于藏羚羊的研究主要集中于其行為習性、生理、季節(jié)性的遷徙及繁殖等領域[9- 12]，然而有關藏羚羊棲息地的研究卻相對較少。尤其在阿爾金山保護區(qū)，藏羚羊棲息地的分布情況至今仍未知。

植被條件決定著動物的數(shù)量及品質(zhì)，而且也體現(xiàn)了氣候、土壤等其他環(huán)境要素的狀況，因此植被的分布可以在一定程度上決定棲息地的分布。近些年來，許多學者運用植被的分布預測了動物棲息地的分布狀況。Vina等通過MODIS數(shù)據(jù)指示植被的分布從而成功的預測了臥龍保護區(qū)大熊貓的分布情況[13]。Ito等通過利用NDVI預測蒙古瞪羚的分布，指出NDVI可以作為動物棲息地的有效指示指標[14]。張軍等通過分析多個植被性狀與高原鼢鼠棲息地適宜度的相關關系得出植被的覆蓋度可以用于棲息地的預測[15]。而且有的學者指出植被的動態(tài)變化可以有效的指示動物棲息地的變化情況[16]。遙感歸一化植被指數(shù)(NDVI)與生物量、葉面積指數(shù)有較好的相關關系，是反映區(qū)域植被動態(tài)變化的最敏感指標，能夠相當精確地反映植被的季節(jié)和年際變化，常用于大尺度的植被動態(tài)監(jiān)測[17- 19]。因此，本文綜合利用遙感影像NDVI數(shù)據(jù)及GIS空間分析，對阿爾金山自然保護區(qū)內(nèi)總體植被及符合藏羚羊食性的植被覆蓋度進行年際間的動態(tài)變化分析，進而初步預測棲息地及該區(qū)承載力的變化情況。該研究能夠為阿爾金山保護區(qū)藏羚羊的保護提供理論基礎和科學依據(jù)，以期更好地保護瀕危珍稀的藏羚羊。

1 研究區(qū)概況

阿爾金山國家級自然保護區(qū)(36°00′—37°49′N，87°10′—91°18′E)位于我國新疆維吾爾自治區(qū)、青海省與西藏自治區(qū)三省的交界處，地處青藏高原的西北邊緣地帶，連接可可西里和羌塘自然保護區(qū)，位置示意圖見圖1。該保護區(qū)是世界上內(nèi)陸面積最大的保護區(qū)之一，總面積45000 km2，其南北距離為190 km，東西為360 km，海拔在3748 m至6948 m之間變化。保護區(qū)于1983年5月正式建立，1985年3月被列為國家級自然保護區(qū)。保護區(qū)內(nèi)全年無絕對無霜期，無明顯四季之分，年平均氣溫在0 ℃以下，降水量在300 mm左右，高原多風特征明顯，日照輻射強、地溫變化大。由于地處偏遠、自然條件惡劣的亞歐大陸高寒腹地，加之道路艱險、高原缺氧，使這里人跡罕至[20]，是我國四大無人區(qū)域之一，同時也使得保護區(qū)保留了豐富的自然資源及珍稀的野生動植物，是我國少有的高原生態(tài)系統(tǒng)保存完好的地區(qū)，為中外學者所矚目[5]。

圖1 阿爾金山自然保護區(qū)位置Fig.1 The location of Altun Nature Reserve

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的植被景觀數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)2000年、2005年、2010年3期的LANDSAT TM影像，該影像來源于美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心，影像的條帶號/行編號(Path/Row)為139/34、139/35、140/34、140/35、141/34、141/35，成像時間均在植被覆蓋度較高的7—9月份，并利用ERDAS IMAGE圖像處理軟件結合野外調(diào)查對3期影像進行人工目視判讀和監(jiān)督分類，結合實地調(diào)研驗證獲得3個時期的保護區(qū)土地利用類型圖，其影像的分類精度達到80%。然后提取出各期植被景觀類型并進行合并，從而對3期中有植被覆蓋的區(qū)域進行植被覆蓋度的變化分析，以預測保護區(qū)整體動物棲息地的變化。為了以植被的動態(tài)變化更好地反應藏羚羊棲息地的變化，該研究提取適合藏羚羊捕食的植被類型區(qū)域，進一步基于NDVI進行藏羚羊適宜植被區(qū)域的植被覆蓋度動態(tài)變化分析。植被類型數(shù)據(jù)由阿爾金山保護區(qū)管理中心提供。研究利用2000、2005、2010年的SPOT-VEGETATION逐旬NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”網(wǎng)站下載，其空間分辨率為1 km×1 km。該數(shù)據(jù)集由比利時佛萊芒技術研究所VEGETATION影像處理中心經(jīng)輻射定標、大氣校正、云檢測和幾何校正等預處理，最后生成10 d最大化合成的NDVI數(shù)據(jù)，再通過DN=([NDVI]+0.1)/0.004轉(zhuǎn)換為0—250的DN值[21]。

2.2 植被覆蓋度動態(tài)變化分析

首先提取3期土地利用圖中的植被景觀部分并對3期植被進行植被覆蓋度的計算與比較，分析植被覆蓋度的變化情況。然后提取適宜藏羚羊捕食的植被類型區(qū)域進行主要棲息地的植被動態(tài)分析。藏羚羊適宜的海拔為3700—5500 m[22]，其捕食植被類型有禾本科、豆科、菊科、薔薇科、玄參科、莎草科[23- 24]，而根據(jù)保護區(qū)所提供的植被類型圖及相關文獻[20]可知阿爾金山保護區(qū)的優(yōu)勢植被類型為針茅草原，且根據(jù)實地野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)藏羚羊大多分布于針茅草原區(qū)域內(nèi)。因此，本研究選取了針茅草原進行植被覆蓋度的變化分析，進而對藏羚羊棲息地的變化進行預測，針茅草原在保護區(qū)的分布見圖2。

圖2 研究區(qū)針茅草原分布Fig.2 Distribution of feather grass steppe in the study area

要使植被指數(shù)能夠定量的反映植被信息，需要賦予NDVI值以相應的植被覆蓋含義，將植被指數(shù)轉(zhuǎn)換為植被覆蓋等級使得對于植被變化的定量評價更加直觀[25]。利用NDVI提取植被覆蓋度的方法主要有經(jīng)驗模型法、植被指數(shù)法和混合像元分解法[26]，而目前應用比較廣泛的是Gutman所提出的混合像元分解法[27]。其基本原理為假定每個像元所對應的地表單元上只有植被和裸地兩種覆蓋類型，每個像元的NDVI為植被和裸地所對應的NDVI值的加權和，其權值即為兩種覆蓋類型在像元中的面積百分比[28]。由此可知植被覆蓋度的計算公式為[29]：

(1)

式中,fc為植被覆蓋度，NDVIi為像元的歸一化植被指數(shù)，NDVIsoil為純裸地覆蓋像元的最小值，NDVIveg為純植被覆蓋像元的最大值。本研究中NDVIsoil值根據(jù)實際值及相關文獻[27]，各年均取統(tǒng)一值0.01，NDVIveg為每年所有植被柵格中的最大值。由于年最大NDVI可以較好的反映該年度植被長勢最好季節(jié)的植被覆蓋狀況，本研究采用每年各柵格最大化合成的值進行植被覆蓋度的分析[30]。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度動態(tài)變化

利用2000年、2005年、2010年植被覆蓋區(qū)域每個柵格中年最大合成的NDVI值計算相應年份的植被覆蓋度，然后根據(jù)水利部2008年頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》中植被覆蓋度分級標準，將植被覆蓋度劃分為5個等級：<30%(低覆蓋度)、30%—45%(中低覆蓋度)、45%—60%(中等覆蓋度)、60%—75%(中高覆蓋度)和>75%(高覆蓋度)[29]。保護區(qū)內(nèi)大部分的植被覆蓋區(qū)域具有較低的覆蓋度，低覆蓋度植被占總植被覆蓋區(qū)域的一半左右，而中高覆蓋度區(qū)域所占比例較少，且主要分布于卡爾墩檢查站的西南部及依協(xié)克帕提管護站附近(圖3)。

圖3 不同植被覆蓋度的空間分布Fig.3 The spatial distribution of different vegetation coverage

植被覆蓋度整體上由低覆蓋度向高覆蓋度轉(zhuǎn)移，呈增加的趨勢(圖3)，其中，低覆蓋度植被逐年減少，而其余4類覆蓋度植被均出現(xiàn)增加的趨勢(表1)。這表明保護區(qū)內(nèi)植被面積隨著時間而增加，即保護區(qū)對于動物的植被承載能力在增大。這也在另一方面反映出動物生存的棲息地有可能在逐年增多。根據(jù)野外調(diào)查及相關文獻[31]可知，位于保護區(qū)東北部的阿牙克庫木湖流域是藏羚羊的主要棲息地，而大部分的中、高植被覆蓋像元均在該流域內(nèi)(圖3)，這表明藏羚羊?qū)τ跅⒌氐倪x擇與植被的狀況具有很大的相關性。另外藏羚羊在保護區(qū)內(nèi)的產(chǎn)羔地主要位于保護區(qū)的西南部[32- 33]，而該區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度較低，這表明藏羚羊選擇的產(chǎn)羔地植被比較稀疏，其對產(chǎn)羔地的植被要求較低。

表1 各植被覆蓋度所占比例

3.2針茅草原區(qū)植被覆蓋度變化分析

對比針茅草原分布及不同覆蓋度植被的分布(圖2，圖3)，可以發(fā)現(xiàn)與保護區(qū)整體植被覆蓋度相似，針茅草原多處于低覆蓋度區(qū)域。為對比針茅草原在年際間的變化，對2000年、2005年、2010年針茅草原植被類型區(qū)進行植被覆蓋度的變化分析。針茅草原中植被覆蓋度相對較高的區(qū)域集中于卡爾墩檢查站的西南部區(qū)域(圖4)，同時該區(qū)域也是整個保護區(qū)內(nèi)植被覆蓋度較高的區(qū)域，且處于藏羚羊主要的活動區(qū)阿牙克庫木湖流域。這表明藏羚羊?qū)τ跅⒌氐倪x擇與植被的覆蓋情況具有很大相關性。

圖4 針茅草原植被覆蓋度Fig.4 Vegetation coverage of feather grass steppe

對比3期針茅草原的植被覆蓋度，可以發(fā)現(xiàn)針茅草原植被覆蓋度整體上隨著時間呈增加的趨勢(圖4)，3期平均植被覆蓋度分別為23.32%、24.38%、24.68%，植被覆蓋度非常低的區(qū)域逐漸減少，由針茅草原內(nèi)低覆蓋度向中覆蓋度以及相對較高的覆蓋度轉(zhuǎn)變。適宜藏羚羊取食的針茅草原覆蓋度的增大表明阿爾金山保護區(qū)適宜藏羚羊取食的植被面積加大，保護區(qū)對于藏羚羊的承載能力增強。同時針茅草原覆蓋度的增加將使得藏羚羊棲息地的分布范圍擴大，藏羚羊的分布將由保護區(qū)東部向西南部覆蓋度提高區(qū)域擴散。該結果與中國環(huán)境報等所報道的阿爾金山自然保護區(qū)的科考結果相吻合。

3.3 植被覆蓋度與海拔關系分析

為進一步通過植被覆蓋度隨海拔的分布情況預測分析動物棲息地的海拔分布，對植被覆蓋度與海拔的關系進行了分析。對比植被覆蓋分布與海拔分布的情況(圖3，圖5)，可以看出低覆蓋度植被大多處于高海拔或低海拔區(qū)域，而中、高植被覆蓋度區(qū)域的海拔高度大多處于中間水平，這表明動物的棲息地在中度海拔區(qū)域分布的可能性較大。由不同植被覆蓋度區(qū)域的平均海拔可以看出(表2)，植被覆蓋度與平均海拔沒有顯著地相關性，從總體上看低覆蓋度植被及中、高覆蓋度植被的平均海拔較低，中、高覆蓋度植被的海拔分布比較集中。藏羚羊的主要棲息地阿牙克庫木湖流域，平均海拔相對較低，而在藏羚羊的產(chǎn)羔地西南部地區(qū)海拔較高(圖5)。

圖5 植被覆蓋區(qū)域的海拔分布Fig.5 The altitude distribution of areas with vegetation covered

Table2Averageelevationofdifferentvegetationcoveragearea

覆蓋度Coverage年份Year200020052010低Low451844294466中低Mediumlow463746464632中等Medium456846174561中高Mediumhigh449544794432高High460145344416

4 結論與討論

植被的變化在一定程度上可以反映動物棲息地的變化，對棲息地內(nèi)的植被動態(tài)進行分析，可以預測棲息地在空間及面積上的變化。本研究主要從植被覆蓋度的角度分析了阿爾金山保護區(qū)植被及適宜藏羚羊生存的針茅草原覆蓋度的空間分布及動態(tài)變化情況。基于2000、2005、2010年植被覆蓋區(qū)域，對研究區(qū)植被覆蓋度的分析表明整個保護區(qū)的植被覆蓋度處于較低水平，且覆蓋較高的區(qū)域集中分布在卡爾墩檢查站及依協(xié)克帕提管護站附近。由實地的野外調(diào)查及相關資料表明藏羚羊在阿爾金山的阿牙克庫木湖流域分布較多，而在本文的研究中植被覆蓋度相對高的區(qū)域均處于該流域內(nèi)，再次驗證了通過植被覆蓋度指示棲息地分布的可行性。研究還發(fā)現(xiàn)藏羚羊主要活動區(qū)域的植被覆蓋度較高，而產(chǎn)羔地的植被覆蓋度較低，且海拔較高，表明藏羚羊在產(chǎn)羔時對于植被的要求較低而更注重的是安全性。對植被覆蓋度動態(tài)變化的研究表明，保護區(qū)植被覆蓋度隨時間呈增大的趨勢，從一定程度上反映了保護區(qū)對動物承載能力的增強。針茅草原植被覆蓋度也隨著時間而增大，表明保護區(qū)對于藏羚羊的承載能力有所提高，且由植被覆蓋度的分布變化可以預測藏羚羊棲息地可能會由東部向西南部方向分散。同時，對海拔高度與植被覆蓋度的關系進行了分析，結果表明兩者沒有顯著地相關性，中、高植被覆蓋度區(qū)域大多分布于中度海拔區(qū)，高海拔區(qū)域植被覆蓋度較低，從而可以推測出動物偏好的海拔高度應為中度海拔。

阿爾金山自然保護區(qū)藏羚羊的棲息地分布狀況仍然不為人知，通過藏羚羊適宜生存的環(huán)境要素識別出其適宜的植被景觀區(qū)域，對其進行動態(tài)變化的分析具有十分重要的意義。根據(jù)本研究的結果，建議保護區(qū)加強對卡爾墩檢查站及依協(xié)克帕提管護站附近的集中保護工作，同時由于藏羚羊棲息地可能向西南部擴散，因此還需適當?shù)財U大保護的范圍。對于藏羚羊棲息地的識別，還需要綜合考慮人類活動干擾以及坡度、離水源距離等環(huán)境因素，從而與植被覆蓋度的分布相結合更加準確的識別出藏羚羊的棲息地，為基于植被覆蓋度的棲息地動態(tài)變化分析提供基礎。另外，實地的野外監(jiān)測也需要進一步實施，從而更好地驗證植被遙感數(shù)據(jù)以及研究結果。

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Studyonspatio-temperalchangeofTibetanAntelope′shabitatbasedonvegetationcoverage

ZHAO Haidi1, LIU Shiliang1,*, DONG Shikui1, SU Xukun1, ZHANG Xiang2

1SchoolofEnvironment,StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2NatureReserveAdministrationofAltunNationalNatureReserve,Korla841000,China

The distribution and dynamics of vegetation can reflect the distribution and changes of wildlife habitat to some extent.Tibetan Antelope, well-known as ‘the numen of plateau′, is an endemic animal on the Qinghai-Tibetan Plateau.However, the survival and distribution of Tibetan Antelope have been threatened by environmental deterioration and illegal poaching.This animal has been listed as an Class I species by the Convention on International Trade in Endangered Species (CITES) and as Category I by the Key Protected Wildlife List of China.This situation has attracted a great deal of attentions from government and conservation professionals.The population distribution of Tibetan Antelope remains unkown in Altun National Nature Reserve.The Altun National Nature Reserve, the largest inland nature reserve of China established in May of 1983, is one of the four “no man′s-lands” in China.Due to its unique natural conditions, this reserve is preserving the rich natural resources, rare wild animals and plants.

In this study, we analyzed the dynamics of vegetation in Altun National Nature Reserve based on remote sensing image data and GIS tool.The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data were collected in 2000, 2005 and 2010.We merged the regions, which were covered by vegetation in the study years and the suitable habitats were identified through interpreting vegetation types, which can be used by Tibetan Antelopes as grazing pastures.Based on NDVI datasets collected in different years, we calculated the vegetation coverage and analyzed the spatial and temporal variations of vegetation coverage.Moreover, the changes of habitat were analyzed on the basis of vegetation coverage variations.The results showed that the vegetation coverage of the reserve was at a low level, and grids with low vegetation coverage took up about 50% of the regions that were covered by vegetation.The grids with high vegetation coverage were mainly distributed in the southwest of Kardun inspection station.The vegetation coverage in the regions where Tibetan Antelopes mainly lived was relatively higher, and that in the regions where the animal lambed was lower.The upward trends of vegetation coverage over time reflected the increase of the reserve′s carrying capacity for animals, and it may also imply that the area of suitable habitat of this animal increased.The vegetation coverage of alpine steppe dominated by feather grass experienced a significant upward trend, also suggesting that carrying capacity of the reserve for Tibetan Antelope increased.The change of spatial distribution of feather grass steppe coverage indicated that habitat of Tibetan Antelopes might spread from east to southwest.The relationship between the altitude and vegetation coverage was not significant correlated.The study of habitat variations based on vegetation coverage is meaningful and can be used for better protecting this wildlife.Furthermore, we suggested that more factors could be integrated with vegetation coverage to precisely identify suitable habitat for animals, and more field surveys and monitoring should be conducted in the future.

tibetan antelope; Altun National Nature Reserve; NDVI; vegetation coverage; feather grass steppe

環(huán)保公益項目(201209033); “十二五”科技支撐項目(2012BAC01B02)

2013- 09- 19;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201309192309

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

趙海迪，劉世梁，董世魁，蘇旭坤，張翔.基于植被覆蓋度的藏羚羊棲息地時空變化研究.生態(tài)學報,2014,34(12):3285- 3292.

Zhao H D, Liu S L, Dong S K, Su X K, Zhang X.Study on spatio-temperal change of Tibetan Antelope′s habitat based on vegetation coverage.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3285- 3292.