黃文廣，劉曉東，于 釗，馬曉明，馬 澤，王 蕾

(1.寧夏草原工作站，寧夏 銀川 750002；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

草地植被覆蓋下降是土地退化的一種表現(xiàn)形式，是植被自然振蕩、氣候變化和人為干擾等綜合作用而導(dǎo)致的植被逆向演替的現(xiàn)象[1]。近年來，遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展及遙感數(shù)據(jù)源和評(píng)價(jià)方法不斷推陳出新，為草地植被覆蓋監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的選擇提供了很大的空間[2-4]。常用的草地遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)方法有遙感影像目視解譯法、遙感影像分類法、遙感植被指數(shù)法以及其他指標(biāo)法等[5-9]。不管采取何種方法，獲取可靠的遙感數(shù)據(jù)，并通過有效的提取途徑獲得專題信息是草地監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)成功的關(guān)鍵[10]。

草地植被覆蓋度下降是半干旱地區(qū)草地退化的一種變化形式，是植被自然震蕩、氣候變化和人為干擾等綜合作用而導(dǎo)致植被逆向演替的現(xiàn)象。作為植被覆蓋的直接指示因子，植被覆蓋度被頻繁用于植被覆蓋的變化監(jiān)測(cè)。本研究從鹽池縣草地特征、遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)等問題出發(fā)，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)草地蓋度定義、級(jí)別和指標(biāo)等分級(jí)方法，選擇草地蓋度作為主要遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以“天然草原禁牧封育”、“退牧還草工程”實(shí)施縣——寧夏鹽池為例，研究寧夏鹽池植被覆蓋的動(dòng)態(tài)變化，揭示禁牧草原植被覆蓋變化規(guī)律，從而為科學(xué)合理地利用、保護(hù)草地資源及維持畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，106°30′～107°41′ E，37°04′～38°10′ N。北與毛烏素沙地相連，南靠黃土高原，在地理位置上屬于一個(gè)典型的過渡地帶，即自南向北，地形上是從黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地過渡地帶[6];氣候上是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶;植被上是從干草原向荒漠的過渡地帶。這種地理上的過渡性造成了鹽池縣自然條件資源的多樣和脆弱的特點(diǎn)，具典型代表性，保護(hù)并恢復(fù)草地生態(tài)環(huán)境意義重大[11]。

鹽池縣地勢(shì)南高北低，海拔1 295～1 951 m，屬于典型中溫帶大陸性氣候，年均氣溫8.1 ℃，極端最高溫34.9 ℃，極端最低溫-24.2 ℃，年均無霜期165 d；年均降水量250～350 mm，且從南向北，從東南向西北遞減。全縣總面積8 661.3 km2，天然草原面積5 190.71 km2，其中可利用草原面積4 440.7 km2，占全縣土地面積的55%[12]。草地是鹽池縣最重要的生態(tài)系統(tǒng)，以溫性草原類和溫性荒漠類草原為主。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)源及處理方法

2.1.1數(shù)據(jù)源 采用了全球植被指數(shù)變化數(shù)據(jù)集(global inventory modeling and mapping studies,GIMMS)和來自美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的MODIS植被指數(shù)的MOD13Q1數(shù)據(jù)集。GIMMS選用1981-1984年的時(shí)間分辨率為15 d、空間分辨率為8 km的最大值法合成的GIMMS-NDVI數(shù)據(jù)；MOD13Q1選用2000、2005和2009年的時(shí)間分辨率為16 d、空間分辨率為250 m的最大值法合成的NDVI數(shù)據(jù)，兩類數(shù)據(jù)都選取植被生長(zhǎng)季7-8月底的NDVI圖像。

2.1.2處理方法 將1981-1984年的GIMMS-NDVI生長(zhǎng)季(7-8月)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，算出一幅20世紀(jì)80年代草地植被生長(zhǎng)季平均NDVI圖像；然后，把2000、2005和2009年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)拉伸處理；最后用中國(guó)草地資源類型圖的草原界限將鹽池縣的草地進(jìn)行裁切，分區(qū)根據(jù)模型反演蓋度。

2.2草地覆蓋度的估算模型 植被蓋度與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間存在著極顯著直線相關(guān)關(guān)系[13-16]。在遙感監(jiān)測(cè)植被蓋度中，通常利用植被蓋度與NDVI之間的關(guān)系估算區(qū)域植被蓋度[17-19]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，VC為草地植被蓋度，NDVIS為研究區(qū)裸土最小NDVI值。運(yùn)用象元二分法，確定NDVIS為象元累積置信度達(dá)到1%的值，NDVIV為象元累積置信度達(dá)到99%的值。

2.3鹽池縣草地植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立 以20世紀(jì)80年代初(1981-1984年)的草地植被覆蓋度作為正常草地植被覆蓋度，以此為基準(zhǔn)，劃分鹽池縣草地植被覆蓋度等級(jí)，并分為5級(jí)：優(yōu)等覆蓋草地、良等覆蓋草地、中等覆蓋草地、差等覆蓋草地及劣等覆蓋草地，并確定監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)以及等級(jí)劃分(表1)[20]。

利用GIMMS-NDVI及MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，通過遙感反演獲得逐年草地植被蓋度的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ERDAS編寫運(yùn)算程序，獲得研究區(qū)草地植被蓋度的空間格局，并逐年計(jì)算草地植被覆蓋度，判別和分析其時(shí)空格局(表2)。

2.4草地變化動(dòng)態(tài)研究——馬爾科夫鏈 在自然及人為干擾下，不同草地植被覆蓋的面積和等級(jí)都在不斷演變，研究其草地植被等級(jí)在空間上的動(dòng)態(tài)變化可用馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)法。該方法的關(guān)鍵在于確定各草地覆蓋狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的初始轉(zhuǎn)移概率矩陣。大量研究[21]表明，馬爾柯夫鏈已經(jīng)能夠得出相當(dāng)可靠的轉(zhuǎn)移結(jié)果。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

表1 鹽池縣草地植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及等級(jí)劃分方法

(2)

本研究以2000、2005和2009年3期草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用草地植被覆蓋類型年均轉(zhuǎn)化率替代其轉(zhuǎn)移概率，計(jì)算這3期草地植被覆蓋等級(jí)之間的相互動(dòng)態(tài)變化情況及草地植被覆蓋空間分布狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1草地覆蓋空間分布 根據(jù)公式(1)估算鹽池縣2000、2005和2009年3個(gè)不同時(shí)期草地覆蓋度，并分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2000、2005和2009年中高覆蓋草地分別占總面積的3.43%、20.91%和24.57%；中覆蓋度草地分別占總面積的7.11%、20.88%和28.14%；低覆蓋度草地分別占總面積的35.66%、21.83%和19.40%(表2)。

結(jié)果表明，鹽池縣草地覆蓋整體狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，且整體處于中等程度覆蓋度。從2005年和2009年兩期數(shù)據(jù)整體來看，高覆蓋、中高覆蓋和中覆蓋草地面積在持續(xù)增加，而增加部分恰源于低覆蓋和極低覆蓋草地面積的減少(表2)，鹽池縣草地覆蓋狀況在明顯、持續(xù)好轉(zhuǎn)，但除高覆蓋草地外，2005年好轉(zhuǎn)程度高于2009年，這也說明當(dāng)草地覆蓋狀況恢復(fù)到一定程度后，好轉(zhuǎn)趨勢(shì)不變，程度減緩。覆蓋狀況較好的草地繼續(xù)保護(hù)，低和極低覆蓋草地持續(xù)加大力度治理，保護(hù)與治理需齊抓。

表2 鹽池不同草地植被覆蓋狀態(tài)面積

3.2草地植被覆蓋的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)

3.2.12000-2005年草地覆蓋變化 根據(jù)2000和2005年草地植被蓋度，計(jì)算得到兩個(gè)階段的草地覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。

2000-2005年，鹽池草地植被覆蓋經(jīng)歷了復(fù)雜的變化，草地植被覆蓋在5年中波動(dòng)較大，總體呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：在前兩個(gè)覆蓋級(jí)別都明顯的向下一級(jí)別轉(zhuǎn)化，分別是高覆蓋草地轉(zhuǎn)移52.09%進(jìn)入中高覆蓋草地，而中高覆蓋草地轉(zhuǎn)移20.75%進(jìn)入下一級(jí)，但是其保留部分為54.95%；中覆蓋草地卻顯示向上兩個(gè)級(jí)別轉(zhuǎn)移面積為129.36 km2，向下轉(zhuǎn)移面積為120.24 km2，但是保留只占29.06%，這個(gè)級(jí)別草地覆蓋狀況波動(dòng)大，導(dǎo)致整體草地覆蓋狀況不穩(wěn)定；后兩個(gè)級(jí)別都明顯向上級(jí)別草地轉(zhuǎn)化，但極低覆蓋草地保留為44.43%，面積較大。

3.2.22005-2009年草地覆蓋變化 根據(jù)2005和2009年的草地植被蓋度，計(jì)算得到兩個(gè)階段草地覆蓋度轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。2005-2009年鹽池縣草地植被覆蓋依然延續(xù)上一期的趨勢(shì)繼續(xù)改善，但速度放緩。其主要表現(xiàn)為前兩個(gè)級(jí)別面積都分別向下級(jí)別轉(zhuǎn)移，高覆蓋草地分別有29.56%、26.26%轉(zhuǎn)移到中高和中覆蓋草地，雖總面積不大，但是趨勢(shì)顯著；中高覆蓋草地分別轉(zhuǎn)移了33.86%，面積為347.55 km2，中覆蓋草地中有62.72%保留，其余向上下級(jí)別分別轉(zhuǎn)移，但向上級(jí)轉(zhuǎn)移面積明顯大于向下級(jí)轉(zhuǎn)移面積。中覆蓋草地的變化具有指示性，明確的表示為草地持續(xù)好轉(zhuǎn)。低覆蓋和極低覆蓋草地面積依次有力度的向上級(jí)別轉(zhuǎn)移，且面積較前一期相比都增加近10百分點(diǎn)，這部分草地主要為荒漠化區(qū)，從這個(gè)側(cè)面可反映出該縣荒漠化在此期間發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

3.3變化因素分析 分析影響草地植被覆蓋度變化因素，可將其分為兩大類：有利因素和不利因素。有利因素包括政府重視、法律保證、工程治理、投入加大等方面，不利因素包括人口壓力、執(zhí)法、管理、利益驅(qū)動(dòng)等方面。近十年來，鹽池縣降水量呈波動(dòng)式上升，蒸發(fā)量則反之，這也是草地覆蓋狀況逆轉(zhuǎn)的內(nèi)在自然因素[10]。而人為方面，采取有節(jié)奏地禁、休牧及大規(guī)模的治沙活動(dòng)；國(guó)家的“退牧還草工程”、“無鼠害示范區(qū)建設(shè)”、“天然草原禁牧封育”項(xiàng)目等活動(dòng)對(duì)草地治理起到極大作用。根據(jù)寧夏草原工作站統(tǒng)計(jì)，截止2009年底，鹽池縣全境完成退牧還草工程圍欄封育3 356.20 km2，嚴(yán)重退化草原補(bǔ)播改良792.87 km2，對(duì)鹽池縣天然草地植被改良起到極大推動(dòng)作用。加之宣傳力度加大、執(zhí)法嚴(yán)肅、管理有效，極大促進(jìn)了草原生態(tài)建設(shè)，提高草地覆蓋狀況，也有效遏制了草地退化。有針對(duì)性的治理，中覆蓋以下草地均為重點(diǎn)治理，以上為重點(diǎn)保護(hù)，明確治、護(hù)范圍，“禁、休、放”在時(shí)間、空間上動(dòng)態(tài)“三位一體”結(jié)合，在合理利用范圍內(nèi)，使其生態(tài)系統(tǒng)自行恢復(fù)。近十年來，草地覆蓋提高趨勢(shì)明顯，說明草地在逐步好轉(zhuǎn)，要有效保持現(xiàn)有成果，形式仍不容樂觀。

表3 2000-2005年草地植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2005-2009年草地植被覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié)論

1)通過建立鹽池縣草地植被覆蓋遙感監(jiān)測(cè)體系，并利用植被指數(shù)及象元二分模型設(shè)計(jì)的植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)法評(píng)價(jià)寧夏鹽池縣草地覆蓋變化顯示：鹽池縣2009年草地極低植被覆蓋度明顯減少，較禁牧前2000年相比減少1 637.98 km2，中、高植被覆蓋度分別增加了1 091.70和293.31 km2。說明通過實(shí)施全境禁牧封育及實(shí)施退牧還草工程，鹽池縣草地覆蓋轉(zhuǎn)化以植被恢復(fù)為主，草地覆蓋度提高趨勢(shì)明顯。應(yīng)用此方法對(duì)寧夏鹽池縣植被覆蓋度監(jiān)測(cè)取得了較高精度，這一結(jié)果與喬峰等[22-23]基于植被指數(shù)和運(yùn)用象元二分模型設(shè)計(jì)的植被覆蓋度遙感監(jiān)測(cè)方法，研究寧夏鹽池縣草地覆蓋度變化的結(jié)果基本一致。

2)分析鹽池縣近年來植被恢復(fù)較好的原因，主要是自2002年起全境實(shí)施禁牧封育以及2003年起實(shí)施國(guó)家退牧還草工程等治理措施，再加上國(guó)家投入水平大幅度提高，使草地群落逐步趨于穩(wěn)定，植被覆蓋度明顯提高。

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