朱 霞，鈔振華，楊永順，張曉明

（1.青海省環(huán)境監(jiān)測中心站，青海 西寧810007；2.南通大學地理科學學院，江蘇 南通226007）

“黑土灘”退化草地是青藏高原高寒環(huán)境條件下，以嵩草屬（Kobresia）植物為建群種的高寒草甸嚴重退化后形成的一種大面積次生裸地，或原生植被退化后形成的丘島狀的自然景觀，主要由未破壞草皮和禿斑地組成［1］。素有“江河源”之稱的三江源區(qū)地處青藏高原腹地，是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，是保障整個三江流域中下游地區(qū)乃至東南亞國家水安全極為重要的生態(tài)功能區(qū)。作為源區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的主體，高寒草甸既是支撐高原畜牧業(yè)發(fā)展、維系農牧民生活水平的重要物質基礎，又對涵養(yǎng)水源、保護生物多樣性等生態(tài)功能有著不可替代的作用［2-3］。在氣候變暖和長期超載放牧的影響下，江河源區(qū)的草地退化現象明顯，形成了大面積“黑土灘”型退化草地，主要表現為嵩草屬植物在草群中的比例顯著下降，可食牧草比例及地下根量隨之下降，而毒草比例顯著增加?！昂谕翞毙屯嘶莸厝绮患皶r加以綜合恢復治理，很容易變成風蝕草地，進而失去利用價值［4-8］。及時準確地了解“黑土灘”型退化草地的空間分布及動態(tài)變化，對治理三江源地區(qū)草原退化和推進該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護尤為重要。

遙感技術具有實現大面積同步監(jiān)測和時效性強等特點，在生態(tài)環(huán)境變化、草地資源監(jiān)測等方面的應用得到了肯定［9-12］，在草地類型、草產量、載畜量及草地退化成因等調查方面都起到了重要作用［13-15］。目前，利用遙感技術針對“黑土灘”型退化草地的動態(tài)變化及空間分布的監(jiān)測研究鮮有報道。李永花等［13］利用TM衛(wèi)星遙感圖像，采用人工目視判讀的方法對三江源地區(qū)黑土灘退化草地進行了解譯，形成該地區(qū)黑土灘退化草地本底資料數據。其他研究傾向于從生態(tài)學角度研究不同退化程度黑土灘草地群落特征的變化、危害以及治理方案等方面的探討［14-16］?！昂谕翞碧厥獾亩d斑狀形態(tài)是利用遙感技術對其進行監(jiān)測的難題。本研究利用高分辨率遙感數據QuickBird影像和中分辨率的Landsat TM影像，研究了三江源區(qū)達日縣項目試驗區(qū)典型“黑土灘”退化草地的空間分布范圍，對比了兩種遙感資料在“黑土灘”退化草地監(jiān)測的優(yōu)勢，并利用TM資料分析了研究區(qū)2000-2011年“黑土灘”退化草地的時空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

達日縣位于青海省果洛藏族自治州東南部，98°15′-100°33′E，32°37′-34°15′N，全縣東西長162km，南北寬126km，總面積約1.5萬km2。地形呈蝴蝶狀，地勢西北高，東南低，全縣平均海拔4 000m，巴顏喀拉山脈從西北向東南延伸，將達日分為長江、黃河兩大水系。該縣氣候變化劇烈，晝夜溫差大，冬長夏短，四季不分明，年均降水量569 mm，屬半濕潤高寒氣候［17-18］。天然草地約占全縣土地面積的94%，草地每年5月中旬開始返青，牧草生長期只有120d左右。目前，達日全縣“黑土灘”退化草地面積達到5 488km2，占全縣中度以上退化草地面積的56.8%。為更好地了解三江源生態(tài)恢復保護和建設的成效，本研究在達日縣東部（以滿掌鄉(xiāng)布東牧區(qū)為主）建立了項目研究區(qū)，并利用GPS在項目區(qū)監(jiān)測了90個樣點進行了“黑土灘”退化草地實地調查（圖1）。

2 數據與方法

2.1 數據介紹

QuickBird衛(wèi)星是由美國Digital Global公司于2007年10月18日發(fā)射的，全色波段地面分辨率為0.61m，多光譜波段空間分辨率為2.44m，重訪周期為1～6d，成像幅寬16.5km×16.5km，是目前世界上應用較為廣泛的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星之一。Landsat-5衛(wèi)星是美國于1984年3月發(fā)射的光學對地觀測衛(wèi)星，空間分辨率為30m，掃描帶寬185 km。針對2005年1月26日經國務院常務會議批準的青海三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設總體規(guī)劃以及相應具體生態(tài)工程項目在研究區(qū)的實施，本研究選用的遙感資料主要包括：2007年6月29日QuickBird影像，2000年7月1日、2007年7月14日和2011年8月1日共3期Landsat TM影像，其中QuickBird影像主要用于評價Landsat TM影像對黑土灘的解譯結果。雖然QuickBird影像空間分辨率高、解譯精度高，但其覆蓋范圍小、價格昂貴，而Landsat TM影像覆蓋范圍大，經濟上可行。因此，利用2 0 0 0、2 0 0 7和2 0 1 1年的Landsat TM影像分析以放牧為主要利用方式的試驗區(qū)的“黑土灘”型退化草地的時空變化。

圖1 研究區(qū)及GPS采樣點Fig.1 The study area and GPS sampling points

2.2 研究方法

單景影像往往不能覆蓋項目試驗區(qū)，借助影像鑲嵌技術將多幅遙感圖像拼接在一起，構成試驗區(qū)的整體圖像。為了提高影像目視解譯和自動識別的精度，充分利用全色波段的高空間分辨率和多光譜波段豐富的光譜信息，對遙感影像進行圖像融合以實現增強多光譜圖像空間分辨率。然后利用野外的調查結果建立判讀標志庫，利用人機交互的方式對影像進行目視解譯，并對解譯結果進行驗證修整，最終獲取研究區(qū)“黑土灘”空間分布范圍（圖2）。

另外，依據青海省地方標準《“黑土型”退化草地登記劃分及綜合治理技術規(guī)程》（DB63），將“黑土灘”退化草地的等級劃分為輕度、中度和重度三級。

3 結果與分析

3.1 QuickBird與Landsat TM影像對比分析

高分辨率的QuickBird影像能很好地反映地面真實土地利用狀況（表1），根據紋理、陰影等特征對該試驗區(qū)的QuickBird影像進行遙感解譯，土地利用狀況與GPS采樣點實際調查結果基本吻合（圖3、4），因此，將QuickBird影像解譯結果作為真值。同樣對中分辨率的Landsat TM影像進行遙感解譯，與真值影像對比，發(fā)現Landsat TM影像解譯結果較差，不能很好地識別灌木類植被覆蓋、交通運輸用地及住宅用地等土地利用狀況。

圖2 “黑土灘”退化草地變化分析的遙感監(jiān)測技術路線圖Fig.2 Remote sensing monitoring technology roadmap of Black Soil Type Degraded grassland spatial-temporal variations

表1 2007年7月1日TM影像與6月29日QuickBird影像的試驗區(qū)土地利用類型比較Table 1 Comparing the land-use type of QuickBird image on June 29，2007with the Landsat TM images on July 1，2007

對占地面積較大的土地利用類型，Landsat TM影像的判別誤差較小，相反對占地面積較小的土地類型的判別誤差較大。非黑土灘類中河流水面的判讀誤差最大，為331.03%；沼澤地的判讀誤差最小，為10.19%；對占地面積較小的灌木林地、農村宅基地和農村道路沒有判別出來，天然草地、栽培草地和內陸灘涂判讀誤差介于31%～62%，非黑土灘類整體判讀誤差為20.89%，黑土灘類中度黑土灘的判別誤差最大，為75.15%，重度黑土灘的判別誤差最小，為9.69%，輕度黑土灘的判別誤差為24.39%，黑土灘類整體判讀誤差為4.64%。這表明Landsat TM影像解譯結果對非黑土灘類土地利用類型的判讀誤差較大，對黑土灘類土地利用類型的判讀誤差較小，能夠滿足“黑土灘”型退化草地的監(jiān)測研究。

非黑土灘類中天然草地主要分布于海拔為4 300m左右的試驗區(qū)東南部；栽培草地受人類活動影響較大，主要分布在河谷地；內陸灘涂和沼澤地面積較小，主要分布在河流附近區(qū)域；黑土灘類土地分布較廣，約占研究區(qū)面積的92%；其中輕度黑土灘主要分布在海拔4 100-4 250m，占黑土灘類面積的67%，中度黑土灘零散地分布在各種土地利用類型中，占黑土灘類面積的2%；重度黑土灘廣泛分布于整個試驗區(qū)，占黑土灘類面積的31%（圖3、4）。

3.2 “黑土灘”型退化草地的時空變化

如表2所示，與2000年相比，2007年非黑土灘總面積減小了2.60km2，其中天然草地面積減小了2.93km2，栽培草地面積增大了0.23km2，草地類總面積減小了2.70km2，年均減小0.39km2；灌木林地、農村宅基地、農村道路和河流水面的面積均無變化；內陸灘涂面積增大了0.25km2，沼澤地面積減小了0.15km2。與2000年相比，2011年非黑土灘總面積增大了5.08km2，其中天然草地面積增加了3.99km2，栽培草地面積增大了1.20km2，草地類總面積增大了5.19km2，年均增大0.47km2；灌木林地、農村宅基地、農村道路和河流水面的面積均無變化；內陸灘涂面積減小了0.06km2，沼澤地面積減小了0.05km2。與2007年相比，2011年非黑土灘總面積增大了7.68km2，其中天然草地面積增加了6.92km2，栽培草地面積增大了0.97km2，草地類總面積增大了7.89km2，年均增大1.97km2；灌木林地、農村宅基地、農村道路和河流水面的面積均無變化；內陸灘涂面積減小了0.31km2，沼澤地面積增加了0.10km2。結果顯示，2000-2007年研究區(qū)非黑土灘總面積緩慢減小，草地類總面積緩慢減小，2007-2011年非黑土灘總面積快速增大，表明三江源區(qū)生態(tài)保護和建設工程實施后，研究區(qū)非黑土灘總面積增大，草地退化的趨勢得到了有效遏制，草地覆被狀況有所好轉。

圖3 2007年6月29日QuickBird影像的試驗區(qū)土地利用類型圖Fig.3 The land use type of QuickBird image on June 29，2007

圖4 2000、2007、2011年Landsat TM影像的試驗區(qū)土地利用類型圖Fig.4 The land use type based on the Landsat TM image taken in 2000，2007and 2011

表2 2000、2007及2011年試驗區(qū)“黑土灘”退化草地面積比較變化統(tǒng)計Table 2 The area statistics of Black Soil Type Degraded grassland in 2000，2007，and 2011 km2

與2000年相比，2007年黑土灘類總面積增大了2.60km2，年均增加0.37km2；其中輕度黑土灘面積增加了2.17km2，年均增加0.31km2；中度黑土灘面積減小了0.79km2，年均減小了0.11km2；重度黑土灘面積增加了1.22km2，年均增加了0.17 km2。與2000年相比，2011年黑土灘類總面積減小了5.08km2，年均減小了0.46km2；其中輕度黑土灘面積減小了3.05km2，年均減小0.28km2；中度黑土灘面積減小了0.27km2，年均減小了0.02 km2；重度黑土灘面積減小了1.76km2，年均減小0.16km2。與2007年相比，2011年黑土灘類總面積減小了7.68km2，年均減小1.92km2；其中輕度黑土灘面積減小了5.22km2，年均減小1.31km2；中度黑土灘面積增大了0.52km2，年均增大0.13 km2；重度黑土灘面積減小了2.98km2，年均減小0.75km2。結果顯示，2000-2007年研究區(qū)黑土灘總面積緩慢增大，2007-2011年黑土灘總面積快速縮減，表明三江源區(qū)生態(tài)保護和建設工程實施后，研究區(qū)黑土灘的擴展趨勢得到有效遏制。

4 討論

“黑土灘”是青藏高原高寒草甸草原獨有的草地退化現象，草地退化成“禿斑”狀，易引起毒雜草叢生、鼠害橫行、草皮融凍剝離，造成植被蓋度降低、土壤肥力不斷降低，進而對草地畜牧業(yè)的發(fā)展和人文環(huán)境帶來嚴重的負作用。周強等［19］指出達日縣人口稀少，雖然居民和工礦用地面積增長很快，但總量不大，不會對土地利用結構產生直接影響。雖然三江源區(qū)生態(tài)保護和建設工程的實施有效地保護了草地，植被得到了恢復，“黑土灘”型草地得到了有效改良，其增長趨勢得到了有效遏制，目前共識是三江源地區(qū)的草地退化是自然因素和人類活動共同作用的結果，但對草地退化原因的認知仍不夠全面［20-23］，應針對高原“黑土灘”發(fā)生面積、分布規(guī)律進行深入研究并分析引起高寒草甸退化的原因。此外，草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的社會經濟系統(tǒng)，受多種因素的綜合影響，如何保持草地生態(tài)長期穩(wěn)定恢復和可持續(xù)發(fā)展，仍需進行長期系統(tǒng)的科學監(jiān)測和實時保護。

5 結論

本研究利用高分辨率QuickBird影像分析和中分辨率Landsat TM影像，通過比較2000年、2007年及2011年Landsat TM影像解譯的試驗區(qū)土地利用類型面積，分析2000-2011年試驗區(qū)“黑土灘”型草地的動態(tài)變化。主要結果如下：

1）通過與高分辨率QuickBird影像的對比，中分辨率Landsat TM影像雖然不能很好地反映灌木類植被覆蓋、交通運輸用地及住宅用地等土地利用狀況，但其解譯結果能夠滿足“黑土灘”退化草地的監(jiān)測。雖然QuickBird影像空間分辨率高、解譯精度高，但其覆蓋范圍小、價格昂貴，而Landsat TM影像覆蓋范圍大，經濟上可行。因此，從經濟和實用兩方面來說，本研究選取中分辨率Landsat TM影像作為三江源區(qū)“黑土灘”型退化草地的動態(tài)監(jiān)測的遙感影像數據。

2）2000-2007年，研究區(qū)非黑土灘總面積緩慢減小，草地類總面積緩慢減小，黑土灘類總面積增大。由于受人為破壞等多種因素的影響較大，草地類總面積年均減小，草地呈現退化趨勢；黑土灘總面積年均增大，黑土灘呈現蔓延趨勢。

3）2007-2011年，研究區(qū)非黑土灘總面積增大了7.68km2，其中草地類總面積增大了7.89 km2，年均增大1.97km2；內陸灘涂面積略有減小。黑土灘類總面積減小1.92km2，其中輕度和重度黑土灘面積減小較快。結果表明，三江源區(qū)生態(tài)保護和建設工程實施后，研究區(qū)非黑土灘總面積增大，草地退化的趨勢得到了有效遏制，草地覆被狀況有所好轉；黑土灘總面積減小，其擴展趨勢得到有效遏制。

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