基于高分影像的黃河源青海片區退化草地識別

張宇鵬，吳笑天，李希來，張 鋒，董心普，王 苑，張 輝

(1.青海大學 農牧學院，西寧 810016；2.韶關學院 英東生物與農業學院，廣東韶關 512005；3.青海省自然資源綜合調查監測院，西寧 810001；4.青海省地理空間和自然資源大數據中心，西寧 810001)

草地是地球上最大的生態系統之一，是自然生態系統的重要組成部分，約占陸地表面的25%，儲存全球約34%的陸地碳儲量[1-2]。青藏高原是中國的重要牧區，高寒草地是高寒畜牧業的重要載體，但高寒草地生態系統的脆弱性也是不容忽視的生態問題，由于高寒草地生態系統脆弱性所導致的敏感性，也使其成為全球生態系統變化的“警報器”[3-5]。黃河源青海片區海拔高，氣候條件惡劣，日均、年均氣溫低，植被積溫不足，生物量低，再加上人為因素影響，近年來草地退化日趨明顯。“黑土灘”是高寒草地退化在黃河源乃至三江源區域特有的表現形式，其具體表現為草地覆蓋度降低，發生禿斑化，進而導致水土流失。有關于“黑土灘”退化草地面積目前尚無明確而具體的結論，需要更詳細和精準的調查工作。草地沙化也是黃河源草地退化的重要表現，黃河源青海片區沙化草地面積在20世紀80-90年代不斷擴大，在90年代沙化草地由東南向西北逐步擴張，主要集中在都蘭、共和、貴南、瑪多等縣域內[6-8]，但目前沙化草地更為詳細的面積與分布狀況并不明確。草地退化的極端狀況是形成完全裸露的地表，據統計，青海省地表裸露化草地目前占全省國土面積不少于17.4%，主要分布在柴達木、共和、青海湖3 個盆地以及長江、黃河源青海片區[9-12]，而退化程度不同所產生的不同類型裸露地的面積及其分布也不明確。

前人研究多是基于草地監測，從草地面積變化狀況分析草地變化趨勢，或者針對較小區域內草地退化后所引發的一系列變化展開研究，對較大區域內草地退化類型及分布研究較少。基于此，本研究結合遙感技術進行快速、全面監測退化高寒草地的分布狀況，開展黃河源青海片區退化高寒草地類型的識別研究，以期探明黃河源青海片區退化高寒草地的數量與分布狀況。

1 材料與方法

1.1 研究區域概括

研究區域為黃河源青海片區(圖1)，涉及青海省東南部17個縣域(表1)，黃河源青海片區以高山為界，不以縣域行政界線，因此部分縣域只包含部分區域，總面積合計11.70萬 km2。區域內自然資源種類豐富，主要包括草地、濕地、林地、農田、荒漠等生態系統。區域內河流眾多，湖泊密布，濕地類型主要有河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地。草地資源以高寒草甸、高寒草原為主，農業區占比較少。大部分區域海拔在3 000 m以上，氣候寒冷干燥，多年平均溫度-3.98 ℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生長期70～90 d。

圖1 研究區域區位圖

表1 研究區面積統計表

1.2 退化草地類型釋義

黑土型“黑土灘”：原生植被覆蓋度<70%的禿斑化高寒草甸、低地草甸、山地草甸。

礫石型“黑土灘”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸區域內，水土流失嚴重，土壤比例較少，以小塊狀礫石為主，幾乎無原生植被覆蓋的“黑土灘”。

巖石型“黑土灘”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸較大坡度區域內，水土流失嚴重，無土壤，塊狀礫石較多，可見巖石且幾乎無原生植被覆蓋的“黑土灘”。

沙化草地：原生植被覆蓋度<70%的禿斑化高寒草原、溫性草原。

重度沙化草地：主要分布于溫性草原、溫性荒漠草原區域內，水土流失嚴重，土壤比例較少，以沙粒為主，幾乎無原生植被覆蓋的沙化草地。

1.3 數據來源

多源高分辨率遙感影像由青海省自然資源綜合調查監測院提供，其中優于1.0 m分辨率主影像為高分2號衛星多源航空航天遙感影像數據，優于2.0 m分辨率副影像來源于高分1號、資源3號、天繪1號衛星影像數據。航片由中海達V10型無人機拍攝，拍攝高度300 m，地面分辨率優于0.1 m。

1.4 數據處理

所使用的軟件版本為ArcGIS 10.7和ENVI 5.4/IDL 8.6，用Excel 2016進行數據整理與制表。

1.5 退化草地識別方法

高分辨率遙感影像數據經幾何校正、影像融合等預處理，形成影像底圖，收集、整合基礎地理信息數據及多行業專題數據，形成輔助判讀知識庫。在此基礎上，通過實地踏勘、典型地類影像分析等方式建立不同類型退化草地的典型解譯標志。根據典型解譯標志和輔助專題數據庫，采用計算機算法自動分類識別和人機交互目視解譯相結合的方式，開展不同類型退化草地的內業判讀和解譯；對內業判讀解譯成果質量及內業判讀難度較大的區域，通過實地踏勘、拍照取證等方式進行精度驗證和補充判讀修正，得到退化草地地表覆蓋數據(圖2)。

圖2 退化草地識別流程圖

1.6 識別精度驗證方法

基于2020年購買的“珠海1號”優于1.0 m高分辨率遙感影像，在研究區內隨機選取和劃分6個觀測樣區，每個樣區400 km2，通過目視解譯獲得草地退化圖斑主要驗證數據集；選取研究區內典型退化草地樣區，通過無人機航攝獲得研究區內優于0.1 m高分辨率航拍影像，并進行目視解譯獲得草地退化圖斑輔助驗證數據集。將本研究所使用的退化草地覆蓋數據集與主要驗證數據集和輔助驗證數據集進行比對以驗證數據質量(圖3)。

圖3 數據驗證流程圖

2 結果與分析

2.1 黃河源青海片區草地類型識別

黃河源青海片區草地有溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、沼澤類、高寒草甸類、低地草甸類、山地草甸類、高寒草原類、溫性草原類等8個類型。其中，高寒草甸類面積最大，為 82 937.51 km2；其次為高寒草原類和溫性草原類，面積分別為 15 592.38 km2和9 386.52 km2；溫性荒漠類和山地草甸類面積分別為2 758.41 km2和 2 485.28 km2；低地草甸類和溫性草原化荒漠類面積分別為1 861.10 km2和1 693.46 km2；沼澤類面積316.24 km2。高寒草甸類在瑪沁縣、瑪多縣、達日縣分布面積最大，分別為12 526.88 km2、12 027.40 km2、11 268.44 km2；高寒草原類在瑪多縣分布最多，為7 407.68 km2，其次為興海縣，為2 869.95 km2；溫性草原類在共和縣分布最多，面積為4 291.36 km2，其次為貴南縣和興海縣，面積分別達到2 071.62 km2和1 343.27 km2；溫性荒漠類在貴南縣最多，面積為1 377.37 km2；山地草甸類在河南蒙古族自治縣分布最多，為683.70 km2；低地草甸類在曲麻萊縣分布最多，為1 357.78 km2；溫性草原化荒漠類在共和縣分布最多，為1 021.43 km2。沼澤類僅分布于曲麻萊縣(圖4，表2)。經統計，黃河源青海片區總面積117 030.92 km2，有植被覆蓋草地面積合計96 489.84 km2。

表2 黃河源青海片區草地分縣統計表

圖4 黃河源青海片區草地類型圖

2.2 黑土型“黑土灘”識別

黃河源青海片區黑土型“黑土灘”退化草地斑塊合計45 804個，面積14 239.47 km2，占黃河源青海片區總面積的12.17%，占黃河源青海片區草地總面積的14.76%。黃河源青海片區所涉及的17個縣域黑土型“黑土灘”均有分布，總體趨勢是區域內西北和西南部明顯較東北和東南部分布廣(圖5)。其中瑪多縣分布最廣，斑塊10 482個，總面積4 245.47 km2，占黃河源青海片區黑土型“黑土灘”總面積的29.81%；其次是曲麻萊縣，斑塊2 823個，總面積3 338.19 km2。稱多縣和達日縣面積分別為1 913.13 km2和1 677.98 km2，黑土型“黑土灘”分布范圍也較廣。河南蒙古族自治縣、同仁縣、久治縣分布最少(表3)。其分布與草地類型(高寒草甸、低地草甸、山地草甸)、高程密切相關，分布范圍最低海拔3 117.50 m，最高海拔5 121.49 m，平均海拔(4 301.17± 1 456.98)m，主要分布在瑪多縣、曲麻萊縣、稱多縣和達日縣等高海拔區域。

圖5 黃河源青海片區黑土型“黑土灘”分布圖

表3 黃河源青海片區黑土型“黑土灘”分縣統計表

2.3 礫石型“黑土灘”識別

礫石型“黑土灘”在黃河源青海片區17個縣域中均有分布，斑塊23 309個，面積2 445.37 km2，占黃河源青海片區總面積的2.09%，占黃河源青海片區草地總面積的2.53%，在黃河源青海片區中部及東部區域分布較廣(圖6)。在興海縣與瑪沁縣分布最多，斑塊分別為2 696和3 017個，面積分別為715.75 km2和505.70 km2，占黃河源青海片區礫石型“黑土灘”總面積的29.27%和20.68%。其次是甘德縣，2 006個斑塊面積239.29 km2，占黃河源青海片區礫石型“黑土灘”總面積的9.79%。瑪多縣斑塊最多，達到3 100個，面積為190.22 km2，占黃河源青海片區礫石型“黑土灘”總面積的7.78%。貴德縣雖然斑塊為979個，面積157.25 km2。共和縣、澤庫縣、曲麻萊縣分布面積也達到103.78～145.97 km2，貴南縣、達日縣等9個其他縣域分布面積均少于85 km2，面積合計281.57 km2，合計占黃河源青海片區礫石型“黑土灘”總面積的11.51%(表4)。礫石型“黑土灘”分布范圍最低海拔3 010.75 m，最高海拔4 490.43 m，平均海拔(3 859.21± 1 094.65)m，其分布高程較黑土型“黑土灘”相對低，可能與分布區域人畜活動頻率增加導致退化加劇有關。

圖6 黃河源青海片區礫石型“黑土灘”分布圖

表4 黃河源青海片區礫石型“黑土灘”分縣統計表

2.4 巖石型“黑土灘”識別

除班瑪縣、稱多縣和曲麻萊縣之外的其他14個縣域均有巖石型“黑土灘”的分布。斑塊合計 1 841個，面積376.07 km2，占黃河源青海片區總面積的0.32%，占黃河源青海片區草地總面積的0.39%，在區域內分布較為分散，中部和東南部區域的分布相對較為集中(圖7)。分布最多的是瑪沁縣和久治縣，斑塊分別為566和181個，面積分別為139.50和118.68 km2，占黃河源青海片區巖石型“黑土灘”總面積的37.09%和31.56%。其次是興海縣和達日縣，面積分別為39.47 km2和36.47 km2，占黃河源青海片區巖石型“黑土灘”總面積的10.50%和9.70%。甘德縣分布面積為13.51 km2，其他縣域分布面積均小于9 km2，其中澤庫縣斑塊破碎化趨勢明顯，444個斑塊面積合計7.17 km2(表5)。巖石型“黑土灘”分布范圍最低海拔2 502.99 m，最高海拔5 432.99 m，平均海拔(4 377.99±1 568.56)m。分布海拔較黑土型“黑土灘”和礫石型“黑土灘”都高，但與礫石型“黑土灘”分布范圍重合度較高，可能與隨著高程增加坡度增大，礫石型“黑土灘”水土流失加劇有關。

圖7 黃河源青海片區巖石型“黑土灘”分布圖

表5 黃河源青海片區巖石型“黑土灘”分縣統計表

2.5 沙化草地識別

黃河源青海片區沙化草地斑塊3 353個，面積合計5 739.75 km2，主要分布于黃河源青海片區東北部和西北部，涉及11個縣域，占黃河源青海片區總面積的4.90%，占黃河源青海片區草地總面積的5.95%(圖8)。瑪多縣沙化草地分布最廣，面積達到2 086.29 km2，占黃河源青海片區沙化草地總面積的36.35%；其次是共和縣，沙化草地面積達到1 746.84 km2，占黃河源青海片區沙化草地總面積的30.43%；貴南縣和貴德縣面積分別為673.35 km2和498.09 km2，占黃河源青海片區沙化草地總面積的11.73%和8.68%；興海縣和曲麻萊縣縣域內分布也較多，占黃河源青海片區沙化草地總面積的4.88%和4.69%。瑪沁縣、尖扎縣、同德縣、同仁縣、澤庫縣雖然也有一定的分布，但所占比例相對較小(表6)。其分布主要受到高寒草原、溫性草原分布的影響。分布最低海拔2 011.75 m，最高海拔4 833.24 m，平均海拔(3 478.05±1 368.84)m。

表6 黃河源青海片區沙化草地分縣統計表

圖8 黃河源青海片區沙化草地分布圖

2.6 重度沙化草地識別

識別黃河源青海片區重度沙化草地斑塊合計1 446個，面積合計1 516.35 km2，占黃河源青海片區總面積的1.30%，占黃河源青海片區草地總面積的1.57%，涉及黃河源青海片區共和縣、貴南縣等11個縣域，主要分布于東北部的共和縣、貴南縣、澤庫縣，以及西北部的瑪多縣和瑪沁縣，主要沿黃河流域干流兩側區域分布(圖9)。分布最多的是共和縣，斑塊399個，總面積645.95 km2；其次是貴南縣，斑塊297個，總面積533.85 km2。瑪多縣與瑪沁縣沙化草地面積相近，分別為164.46和163.44 km2，但瑪多縣呈破碎化趨勢，斑塊達292個，瑪沁縣95個。雖然澤庫縣斑塊達324個，但面積為6.33 km2；貴德縣斑塊為24個，面積2.12 km2。雖然興海縣、河南蒙古族自治縣、同仁縣、尖扎縣、達日縣也有分布，但斑塊數量和面積均較小(表7)。重度沙化草地分布范圍最低海拔2 182.99 m，最高海拔4 492.62 m，平均海拔(2 489.58±1 156.98)m。主要分布于農業生產區域，可能與氣候以及人類活動關系較為密切。

表7 黃河源青海片區重度沙化草地分縣統計表

圖9 黃河源青海片區重度沙化草地分布圖

2.7 識別精度檢驗

基于2020年優于1.0 m“珠海1號”高分辨率遙感影像及優于0.1 m無人機航拍影像，在研究區內隨機選取和劃分6個觀測樣區，通過目視解譯獲得草地退化圖斑主要驗證數據集和輔助驗證數據集(圖10、圖11)。選取地類識別圖斑樣本，構建感興趣區ROI，驗證數據集包含49個沙化草地樣本、183個黑土型“黑土灘”樣本、161個礫石型“黑土灘”樣本、61個重度沙化草地樣本、40個巖石型“黑土灘”樣本。應用ENVI 5.4/IDL 8.6平臺精度混淆矩陣(Confusion Matrix Using Ground Truth ROIs)進行退化草地圖斑數據集精度評價，計算草地圖斑總體分類結果精度(OA值)和Kappa系數。OA值是被正確分類類別像元數與總類別個數的比值。Kappa系數是分類與完全隨機分類產生錯誤減少的比例。kappa計算結果為-1～1，但通常是0～1，可分為5組來表示不同級別的一致性(表8)。本次識別總體分類精度為98.93%，Kappa系數為0.9772，退化草地圖斑數據集的總體分類精度較高，Kappa系數為 0.80～1.00，表明高寒退化草地圖斑分類結果精度非常好。

圖10 驗證樣地分布圖

圖11 輔助航拍影像解譯示意圖

表8 Kappa統計值與分類精度對應關系

3 討 論

根據《青海省第二次草地資源調查》項目結果，青海省9個類型草地類面積3 636.97萬hm2，其中高寒草甸類面積最大，為2 366.16萬hm2，其次為高寒草原類，面積582.01萬hm2，二者面積之和占全省草地面積的80.88%。本研究的結果也表明黃河源青海片區高寒草甸的面積最大，其次為高寒草原類，二者面積合計占黃河源青海片區草地面積的84.19%。

關于退化草地的分類，前人做了大量研究，大多根據植被覆蓋度劃分退化程度，不同程度退化草地的具體恢復措施有所不同，“禿斑化”退化草地注重植被群落的恢復，“裸露化”退化草地還需注重水土保持與恢復，根據恢復原則劃分退化草地類型是研究的熱點問題。關于退化草地的詳細分類目前研究較少，多數以“退化草地”統稱開展研究，這不利于分類指導黃河源區退化草地的恢復治理。本研究中礫石型“黑土灘”、巖石型“黑土灘”、重度沙化草地是“禿斑化”退化草地發展為“裸露化”退化草地后類型的初步補充。

目前關于草地退化的評價標準也并不統一。《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》(GB 19377-2003)中，植被覆蓋度為80%～90%時為輕度退化，植被覆蓋度為70%～80%時為中度退化，植被覆蓋度為小于70%時為重度退化。《地理國情監測標準指南》中，高覆蓋度草地一般指覆蓋度大于50%的天然草地，中覆蓋度草地一般指覆蓋度為 20%～50%的天然草地，低覆蓋度草地是指覆蓋度為10%～20%的天然草地，認為草地覆蓋度>50%時一般水分條件較好，草被生長茂密。《內蒙古天然草地退化標準》(DB15/T 321999)中，植被覆蓋度為>70%時為輕度退化，植被覆蓋度為40%～70%時為中度退化，植被覆蓋度為<40%時為重度退化。關于“黑土灘”退化草地的分類標準，馬玉壽等[13]根據江河源區草地現狀初步擬定了草地退化分級標準，植被覆蓋度為70%～85%時為輕度退化，植被覆蓋度為 50%～70%時為中度退化，植被覆蓋度30%～50%時為重度退化，植被覆蓋度為<30%時為極度退化。Xue等[14]劃分標準則是植被覆蓋度為70%～80%時為輕度退化，植被覆蓋度為50%～80%時為中度退化，植被覆蓋度15%～50%時為重度退化，植被覆蓋度<15%時為極度退化。李希來等[9]認為植被覆蓋度為50%～80%時為輕度退化，植被覆蓋度為20%～50%時為重度退化，植被覆蓋度<20%時為極度退化。而關于沙化退化草地，同樣以植被覆蓋度作為草地沙化程度劃分標準,將植被覆蓋率為70%～100%、50%～70%、30%～50%、10%～30%、0～10%分別劃分為未沙化地、輕度沙化草地、中度沙化草地、重度沙化草地、極度沙化草地[15-16]。由于評價標準不統一，因此目前關于黃河源青海片區內退化草地的面積與比例暫時沒有統一的結果，不同學者根據自己的標準所得出的結論有所不同。因此，本研究通過綜合各方面的評價標準，選擇植被覆蓋度<70%作為禿斑化“黑土灘”退化高寒草甸識別標準和禿斑化沙化草地的識別標準，植被覆蓋度為0%作為裸露化退化草地識別標準。

同時《青海省第二次草地資源調查》項目結果也表明青海省輕度退化草地面積為1 318.10萬 hm2，占天然草地的36.24%，是第一次調查時的3.61倍；中度退化草地面積為805.36萬 hm2，占全省天然草地總面積的22.14%，是第一次調查時的4.20倍；重度退化草地面積為1 010.59萬 hm2，占天然草地總面積的27.79%，是第一次調查時的6.48倍[17]。李積蘭等[18]的研究結果表明青海省“黑土灘”退化草地占可利用草地總面積的15%，本研究結果表明，黃河源青海片區黑土型“黑土灘”退化高寒草地面積14 239.47 km2，占黃河源青海片區草地總面積的14.76%，與其結果基本吻合。黃河源地處青藏高原東南端，氣候條件相對長江源與瀾滄江源較好，因此“黑土灘”面積與比例近年來變化不顯著。黃河源青海片區所涉及的17個縣域均有黑土型“黑土灘”分布，總體趨勢是分布于黃河源青海片區的西北和西南部高海拔區域，一方面與高寒草甸、低地草甸、山地草甸草地類型分布區域有關，另一方面可能與海拔越高氣候越惡劣有關。據統計青海全省沙化土地面積 1 246.2萬公頃，主要集中于青海湖沿岸地區，占青海全省國土面積的17.4%[19]，而本研究結果表明黃河源青海片區沙化草地面積合計 5 739.75 km2，占黃河源青海片區草地總面積的 5.95%。

“禿斑化”退化草地進一步發展可成為幾乎無植被覆蓋且水土流失嚴重的“裸露化”退化草地，本研究結果顯示黃河源青海片區幾乎無植被覆蓋的退化草地類型主要有礫石型“黑土灘”、巖石型“黑土灘”、重度沙化草地。其中礫石型“黑土灘”面積合計2 445.37 km2，占黃河源青海片區草地總面積的2.53%；巖石型“黑土灘”面積376.07 km2，占黃河源青海片區草地總面積的0.39%；重度沙化草地面積1 516.35 km2，占黃河源青海片區草地總面積的1.57%。由此可見對黃河源青海片區影響較大的幾乎無植被覆蓋的退化草地類型主要是礫石型“黑土灘”。這可能主要是由于黑土型“黑土灘”形成后，在低海拔人類活動頻繁區域退化進一步加劇形成礫石型“黑土灘”，而巖石型“黑土灘”是礫石型“黑土灘”進一步退化的結果；重度沙化草地是沙化草地進一步退化的結果，二者面積與比例較“黑土灘”型退化草地小。

對于黃河源區草地退化的過程和原因，國內外學者已有較多研究和分析。大多數學者認為，自然因素和人為因素是導致草地退化的主要原因。在自然因素中以氣候因素對草地影響最大，大量研究表明溫度、降水量、蒸發量是影響黃河源區草地退化的重要因素[20-21]。鼠害對天然草地退化的影響主要體現為與家畜進行食物爭奪，特別是在造穴打洞時刨掘產生的沙石泥土掩埋牧草，同時挖掘洞穴時致使地表土壤疏松，引起水土大量流失造成土壤侵蝕[22-25]。本研究的結果也表明，黃河源青海片區東北、西北、西南高海拔區域由于氣候條件的影響退化草地分布較多，而東南部低海拔區域雖然退化草地分布面積與比例較少，但隨著區域人口數量增加，加劇了片面追求牲畜數量而不考慮出欄率，致使區域內家畜數量超過草地的承載力，質量變劣，進而導致退化、沙化草地的退化程度進一步加劇。

黃河源區域內河流密布，不同流域內由于氣候等條件的影響導致流域內生態景觀的多樣性和多變性，在探討生態問題時需要將以往平面層次的研究擴展到將流域內各個要素聯系起來的立體空間范疇內的研究。因此黃河源區草地退化的驅動機制需要在以后的研究中基于“流域單元”開展。而不同區域不同類型的退化草地必然需要不同的恢復措施，對于“禿斑化”類型的退化高寒草地，人工補播等措施可能可以達到遏制其進一步退化的趨勢[26]，但對于“裸露化”等類型的退化高寒草地則可能需要工程措施才可以使其逐步恢復。

4 結 論

受草地類型影響，黃河源青海片區在高寒草甸、低地草甸、山地草甸等草地類型中發生“黑土灘”退化，而在高寒草原、溫性草原等草地類型中發生“沙化”退化。根據退化程度，黃河源青海片區退化高寒草地可分為“禿斑化”和“裸露化”兩個類型，“禿斑化”退化高寒草地主要包括黑土型“黑土灘”和沙化草地兩個類型，而“裸露化”退化高寒草地主要包括礫石型“黑土灘”、巖石型“黑土灘”和重度沙化草地 3 個類型。

受草地類型面積分布影響，黃河源青海片區“禿斑化”退化高寒草地黑土型“黑土灘”面積是沙化草地的2.48倍，“裸露化”退化高寒草地主要以礫石型“黑土灘”為主，其次為重度沙化草地，巖石型“黑土灘”面積相對較小。