張艷珍,王釗齊,楊 悅,李建龍,張 穎,章超斌

(南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)學(xué)系，江蘇 南京 210023)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成成分,在全球碳循環(huán)中扮演重要角色,不僅有保持水土、防風(fēng)固沙等生態(tài)功能,更是草原區(qū)畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、經(jīng)濟進步的重要環(huán)節(jié)[1-3]。蒙古高原作為東北亞地區(qū)的一個特殊地貌單元,遠離海洋,草地是其主要植被覆蓋類型,荒漠化是其重要的地貌特征,是全球變化研究中的必要環(huán)節(jié)[4-7]。近40年來，由氣候變化和人類活動引起的蒙古高原草地退化形式加劇,裸地面積有擴大趨勢,荒漠化十分嚴重[8-11]。草地退化一方面直接影響內(nèi)外蒙古廣大牧民群眾的生活水平和社會經(jīng)濟的健康發(fā)展;另一方面,作為我國北方重要的生態(tài)屏障,草地退化會加重高原荒漠化、沙化和水土流失,造成嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。

草地植被覆蓋變化可表征草地植被長勢、生態(tài)系統(tǒng)健康程度以及植被退化狀況，獲取草地植被覆蓋度變化特征在區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價中有重要意義[12]。遙感監(jiān)測手段隨著計算機和遙感等技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)成為大尺度區(qū)域乃至全球范圍植被覆蓋變化監(jiān)測研究的主要手段[10]。歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)由于與植被覆蓋度存在極顯著線性相關(guān)關(guān)系[13],是可以反映植被生長分布及其年際變化且可用來進行植被變化監(jiān)測的一種遙感數(shù)據(jù)[14]。在現(xiàn)有的NDVI數(shù)據(jù)中,EOS/MODIS NDVI 的光譜性能穩(wěn)定,輻射定標精度優(yōu)越,空間相關(guān)性高,能較好地估算出高原地區(qū)的草地生長狀況[15-18]。

草地退化是一種人為因素和氣候因素等對草地生態(tài)系統(tǒng)進行干擾超過自我調(diào)節(jié)閾值,使其出現(xiàn)逆向演替的現(xiàn)象[19]。目前，關(guān)于草地退化監(jiān)測和評價的方法主要有實測法和遙感監(jiān)測法等。實測法適用于小范圍內(nèi)的植被退化監(jiān)測,而針對大尺度區(qū)域,遙感技術(shù)則成為了重要手段。近年來,有不少針對我國重要牧區(qū)的草地退化狀況研究。薛存芳等[20]利用實測法選擇了種群自然生殖枝高度、草地植被覆蓋度和草地生物量3個評價指標,加權(quán)得到草地退化指數(shù)GDI,結(jié)果顯示,與2002年相比，2006年中國內(nèi)蒙古地區(qū)草地植被退化狀況呈現(xiàn)出整體改善、局部惡化的狀況。曹旭娟等[21]利用遙感監(jiān)測法基于NDVI反演藏北地區(qū)草地植被覆蓋度,以覆蓋度作為判斷草地退化的標準,綜合計算逐年草地退化指數(shù),得出該地區(qū)草地退化程度分布結(jié)果。由于蒙古高原覆蓋面積較大,涉及到兩個行政單元,本研究采用遙感監(jiān)測法,以草地植被覆蓋度為指標監(jiān)測草地退化,建立蒙古高原草地退化評價指標,參照國家標準(GB19377-2003)[22],以1982-1985年植被狀況為基準,研究蒙古高原1986-1999年和2000-2013年(2000年以來，我國陸續(xù)實施了“退牧還草”、“京津源風(fēng)沙治理”等工程,蒙古國則實施草地管理及土地法等舉措，為判斷生態(tài)治理工程的實際意義選擇了2000年為前后兩段時期的節(jié)點)的植被退化時空分布特征,通過精確定量監(jiān)測和分析蒙古高原草地退化程度及其時空分布,積累蒙古高原草地退化基本數(shù)據(jù),有利于高原草地資源的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是蒙古高原主體部分(圖1)，包括蒙古國和中國內(nèi)蒙古自治區(qū)兩個行政單元33個行政區(qū)(蒙古國21個省市，中國內(nèi)蒙古12個盟市),位于87°43′-126°04′ E和37°22′-53°20′ N,面積約為2.74×106km2,其中蒙古國和中國內(nèi)蒙古自治區(qū)的面積分別為1.56×106和1.18×106km2。蒙古高原位于歐亞大陸中部,東抵大興安嶺西麓,西達阿爾泰山脈和薩彥嶺,南部以陰山山脈為界，北臨薩彥嶺、肯特山脈和亞布洛夫山脈[23]。平均海拔約1 580 m,地勢西高東低，年降水量約269 mm,各地分布不均,東北部地區(qū)最多,年總量300～400 mm,降水量隨著離海洋距離的增加由東北向西南逐漸減小,西南部地區(qū)降水量僅約100 mm。蒙古高原年均溫是4.12 ℃,分布特征基本與降水量一致。高原自然植被覆蓋受氣候因子影響,由東向西南依次有森林、森林草原、草甸草原、典型草原、荒漠草原和戈壁荒漠,生態(tài)環(huán)境多樣且脆弱[24]。

圖1 研究區(qū)位置圖及國際生物圈計劃(IGBP)植被類型Fig. 1 Location of the study area and the land use map from International Geosphere-Biosphere Programme(IGBP)

1.2 數(shù)據(jù)來源

1982-2006年GIMMS NDVI數(shù)據(jù)來自美國國家航天航空局(NASA),時間分辨率為15 d,空間分辨率為8 km,該數(shù)據(jù)集制作過程中已經(jīng)經(jīng)過輻射校正、圖像幾何精校正、除云和除壞線等處理,數(shù)據(jù)誤差小且精度較高,已被廣泛應(yīng)用于大尺度區(qū)域植被覆蓋變化研究中;2001-2013年EOS/MODIS NDVI數(shù)據(jù)來自NASA地球觀測系統(tǒng)EOS/MODIS NDVI數(shù)據(jù)中的MOD13A2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品,時間分辨率為16 d,空間分辨率1 km。土地覆蓋分類數(shù)據(jù)采用MODIS數(shù)據(jù)MOD12C1產(chǎn)品中的IGBP 2001年數(shù)據(jù),通過投影變換、重采樣、裁剪和類型合并等預(yù)處理,生成空間分辨率1 km的,包括林地、灌叢、草地、農(nóng)耕地和稀疏植被5類,并提取草地覆蓋類型用于分析草地植被覆蓋度面積動態(tài)和草地退化程度分析。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆蓋度(vegetation fraction,Fv)的計算 植被覆蓋度是反映草地資源是否發(fā)生退化的直觀指標,由于植被蓋度與歸一化植被指數(shù)(NDVI)存在極顯著線性相關(guān)關(guān)系[18],本研究利用像元二分模型近似估算植被覆蓋度,具體計算公式如下:

(1)

式(1)中:Fv表示草地的覆蓋度,NDVImin代表研究范圍內(nèi)的NDVI最小值(或裸地NDVI值),NDVImax代表研究范圍內(nèi)的NDVI最大值(或純植被NDVI值)。

1.3.2草地覆蓋度的變化趨勢計算 本研究利用線性回歸方程在像元基礎(chǔ)上分析蒙古高原1986-1999年和2000-2013年最大草地覆蓋度的變化趨勢,具體的計算公式如下:

(2)

式(2)中:S代表趨勢斜率,n為研究年限14,i=1為1986或2000年,i=2為1999或2013年,Ci為第i年的最大覆蓋度值,S為正值則草地覆蓋度呈上升趨勢,若為負值則草地覆蓋度呈下降趨勢。關(guān)于變化趨勢顯著性分析則使用F檢驗,顯著性檢驗結(jié)果僅代表變化趨勢可置信程度的高低,而與其變化的快慢沒有關(guān)系[25]。顯著性分析計算公式為:

(3)

(4)

(5)

1.3.3草地退化評價指標 建立基于遙感監(jiān)測草地退化的評價指標選擇原則既要考慮遙感原理和數(shù)據(jù)特點,也要有科學(xué)性、可行性和針對性。由于尚未有針對蒙古高原整體或是蒙古國內(nèi)的草地退化評價,而內(nèi)、外蒙古植被類型和環(huán)境條件具有區(qū)域延伸性,參照我國國家標準(GB 19377-2003)，將20世紀80年代初研究區(qū)域未退化草地植被特征定為未退化草地標準[20，26]。本研究以蒙古高原1982-1985年間的最大草地植被覆蓋度為未退化草地基準,將草地退化程度分為5個級別,覆蓋度高于未退化草地覆蓋度的90%的退化程度評分為1分,覆蓋度為未退化草地覆蓋度的75%～90%評分為2分,覆蓋度為未退化草地覆蓋度的60%～75%評分為3分,覆蓋度為未退化草地覆蓋度的30%～60%評分為4分,覆蓋度小于未退化草地覆蓋度的30%為評分為5分。在此基礎(chǔ)上,選用草地退化指數(shù)(grassland degradation index，GDI)判斷并監(jiān)測蒙古高原的草地退化情況[26]。GDI的具體計算公式如下:

(6)

式(6)中:GDI為草地退化指數(shù);Di為草地退化等級i的評分;Ai為草地退化等級i的分布面積;A為研究區(qū)的草地植被總面積。根據(jù)計算得出的GDI值,參照蒙古高原草地退化總和判別指標(表1),得出草地退化等級結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用MODIS Reprojection Tools(MRT)軟件對下載的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接和裁剪,采用最大值合成法消除部分大氣、云和太陽高度角的干擾,為進一步消除干擾,采用三點平滑方法對兩種NDVI數(shù)據(jù)進行進一步修正,得到研究區(qū)逐年NDVI數(shù)據(jù)。植被覆蓋度的反演以及草地退化程度級別等利用ENVI 5.1中的Band Math工具計算;遙感制圖在ArcGIS 10.2中進行;統(tǒng)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和圖表制作利用Excel 2010和Sigma Plot 12 .5實現(xiàn)。

表1 蒙古高原草地退化綜合判別指標Table 1 Integrated evaluation indices of grassland degradation on the Mongolia Plateau

2 結(jié)果與分析

2.1 蒙古高原草地植被覆蓋度時空分布特征和變化趨勢分析

蒙古高原1986-1999年和2000-2013年草地植被覆蓋度空間分布整體呈現(xiàn)由東北向西南逐漸減小的趨勢(圖2)。1986-1999年和2000-2013年平均覆蓋度分別為15.60%和18.43%,總體呈增加趨勢。其中，1986-1999年草地覆蓋度顯著和極顯著增加的區(qū)域主要分布在蒙中國杭愛山南麓、中國陰山山脈地區(qū)、中國赤峰市中南部和通遼市南部少數(shù)區(qū)域;2000-2013年草地覆蓋度顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)增加的區(qū)域主要分布在蒙古國杭愛山脈東部、中國肯特山脈區(qū)域、中國東方省東部地區(qū)、中國興安盟東部和中國鄂爾多斯南部和東部一帶。從變化率來看，2000年前變化率較大區(qū)域主要集中分布于中國呼和浩特及其鄰近區(qū)域和通遼市、赤峰市南部地帶，2000年后變化率較大區(qū)域則主要分布在蒙古國東方省和蘇赫巴托爾省地區(qū)。在年際變化過程中(表2),1986-1999年間,草地覆蓋度面積最大的是30%～60%,在中國內(nèi)蒙古、蒙古國和蒙古高原分別達到1 225.74、2 193.53和3 415.42 km2;面積最小的是90%～100%,中國內(nèi)蒙古、蒙古國和蒙古高原面積分別為14.24、1.36和15.60 km2。2000-2013年間,草地覆蓋度面積較大的是30%～60%和60%～75%,蒙古高原分別達到2 487.42和2 237.61 km2;其次依次是75%～90%、0～30%和90%～100%,面積分別為1 357.53、455.07和82.06 km2。整體來看,草地植被覆蓋度0～30%和30%～60%呈下降趨勢,60%以上覆蓋度的面積均呈上升趨勢。從變化速率顯著性分析的面積統(tǒng)計可以看出(表3),兩個研究時段草地覆蓋度均呈現(xiàn)上升趨勢,1986-1999年無顯著(P>0.05)增加、顯著(P<0.05)增加和極顯著(P<0.01)增加的草地面積分別為3 706.37、298.86和189.67 km2;2000-2013年無顯著增加、顯著增加和極顯著增加的面積分別為4 526.06、443.32和92.46 km2。

圖2 蒙古高原草地覆蓋度時空分布、變化趨勢和顯著性分析分析Fig. 2 The space distribution features and change trend analysis of grassland vegetation coverage in the Mongolia Plateau

ESD：極顯著減少(P<0.01)；SD：顯著減少(P<0.05)；NSD：減少不顯著(P>0.05)；NSI：增加不顯著(P>0.05)；SI：顯著增加(P<0.05)；ESI：極顯著增加(P<0.01)。

ESD: Extreme significantly decrease(P<0.01); SD: Significantly decrease(P<0.05); NSD: No significantly decrease(P>0.05); NSI: No significantly increase(P>0.05); SI: Significantly increase(P<0.05); ESI: Extreme significantly increase(P<0.01).

表2 蒙古高原不同草地植被覆蓋度的面積變化Table 2 Change of area statistics of grassland coverage in the Mongolia Plateau

表3 蒙古高原草地植被覆蓋度變化率顯著性面積統(tǒng)計Table 3 Area statistics of grassland coverage about different significance levels in the Mongolia Plateau

2.2 蒙古高原草地植被覆蓋度差值分析

研究時段為1986-2013年,為達到蒙古高原草地覆蓋在不同時段變化情況直觀判斷的目的,選擇1986年作為基準比較年,將1995、2001、2007和2013年的草地覆蓋度分別與1986年的草地覆蓋度進行差值計算(圖3)。然后，根據(jù)實際情況將草地覆蓋度變動幅度進行區(qū)間面積統(tǒng)計(表4)。相對于1986年,1995、2001和2007年草地覆蓋度依次變差,而2013年草地覆蓋度最好,且高于1995基準比較年差值,表現(xiàn)為初期一般、中期變差、后期變好且好于初期的情況(圖3)?？臻g分布來看,變化最為劇烈的草地區(qū)域主要集古中在蒙國肯特山脈附近、東方省、扎布汗省和蘇赫巴托爾省東部,中國內(nèi)蒙古呼倫貝爾西部、興安盟東部扎賚特旗附近區(qū)域和錫林浩特中東部地區(qū);相對穩(wěn)定的草地區(qū)域集中于蒙古國高原北部蒙古國薩彥嶺、南部陰山山脈區(qū)域以及中國赤峰市和通遼市南部。

圖3 1986年與1999、2001、2007、2013年蒙古高原草地植被覆蓋度差值圖Fig. 3 The differential chart of grassland vegetation coverage in the Mongolia Plateau between 1986 and 1999, 2001, 2007 and 2013

從覆蓋度變動幅度來看(表4),相對1986年,草地覆蓋度面積負變化區(qū)域主要集中于[-0.1,-0.001),少數(shù)集中在[-0.2,-0.1),特定時期少數(shù)區(qū)域集中表現(xiàn)為[-0.3,-0.2);草地覆蓋度面積正變化區(qū)域主要集中于[0.001,0.1)和[0.1,0.2)。其中,2001年較1986年草地覆蓋度負變化的面積最大,達到16 730.99 km2,其次依次是2007年的15 843.23 km2、1995年的13 684.29 km2和2013年的13 160.72 km2;2013年較1986年草地覆蓋度正變化面積最大,達到8 496.5 km2,其次依次為1995年、2007年和2001年,面積分別為7 972.93、5 813.99和4 926.23 km2。

2.3 蒙古高原草地退化狀況時空分布特征

通過計算草地退化指數(shù)GDI,得出1986-1999年和2000-2013年蒙古高原草地退化程度分布特征(圖4)。從空間分布來看,退化程度區(qū)域性明顯,兩階段草地植被退化均呈現(xiàn)東北向西南依次逐漸嚴重趨勢。未退化和輕度退化區(qū)域主要集中于高原北部蒙古國薩彥嶺區(qū)域、中國大興安嶺區(qū)域;高原中部區(qū)域主要表現(xiàn)出中度和重度退化,極重度退化出現(xiàn)在草地與非草地過渡區(qū)域。

1986-1999年重度退化草地面積所占百分比最大,為50.35%,其次依次為極重度退化、中度退化、輕度退化和未退化,面積比例分別是20.37%、18.88%、9.50%和0.90%(圖5);2000-2013年中度和重度退化草地面積百分比超過了30%,分別是39.42%和30.34%,未退化草地面積最小,僅占1.95%。結(jié)果表明，草地退化狀況由極重度、重度向中度和輕度變化,草地退化狀況轉(zhuǎn)好。

3 討論和結(jié)論

本研究以覆蓋度作為表征草地退化的主要指標,從2000年前后14年蒙古高原草地年際變化可以看出,草地有明顯的恢復(fù)趨勢，中國內(nèi)蒙古、蒙古國和蒙古高原覆蓋度上升斜率分別為0.23、0.28和0.26。中國內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)、蒙古國肯特山脈及薩彥嶺東部山區(qū)主要植被類型是森林，植被覆蓋度最高,均高于60%;南部和西南部與荒漠區(qū)過渡帶草地覆蓋度最低,小于30%。近年來，針對蒙古高原植被覆蓋狀況的研究已有不少(表5),張宏斌等[27]利用NDVI分析中國內(nèi)蒙古植被的研究結(jié)果表明，2000-2008年草原植被總體趨于恢復(fù)。包剛等[28]基于GIMMS NDVI 分析蒙古高原植被覆蓋狀況認為，1982-2006年高原植被年平均上升趨勢為0.000 4，蒙古國的年均上升趨勢(0.000 5)比中國內(nèi)蒙古的年均上升趨勢(0.000 3)更加顯著。周錫飲等[29]研究蒙古高原地區(qū)1981-2006年植被覆蓋的時空變化顯示,草原區(qū)呈現(xiàn)上升趨勢,森林區(qū)和荒漠區(qū)植被有下降趨勢。本研究1986-1999年草地植被覆蓋度顯著和極顯著增加的高原面積分別為2 98.86和189.67 km2;2000-2013年分別為443.32和92.46 km2，增加面積也呈現(xiàn)出上升趨勢。

表4 蒙古高原草地植被覆蓋度正負變化面積統(tǒng)計Table 4 Positive and negative variation statistics of grassland vegetation coverage area in the Mongolia Plateau km2

圖4 1986-1999年和2000-2013年蒙古高原草地退化分布圖Fig. 4 Grassland degradation on the Mongolia Plateau during the periods 1986-1999 and 2000-2013

圖5 1986-1999和2000-2013年蒙古高原草地退化程度面積百分比統(tǒng)計圖Fig. 5 Statistics of grassland degradation degree areas on the Mongolia Plateau during the periods 1987-1999 and 2000-2013

研究區(qū) Studyarea 研究時段Timescale覆蓋度Fv歸一化植被指數(shù)NDVI凈初級生產(chǎn)力NPP植被狀況描述 Vegetationdescription 參考文獻Reference蒙古高原MongoliaPlateau2002-20120．32-0．52先退化后改善趨勢Atreadtoimproveafterdegradation[30]蒙古高原MongoliaPlateau1982-20060．26-0．30植被整體呈改善趨勢Atrendofimprovement[10]蒙古高原MongoliaPlateau1982-20060．2038高原植被覆蓋呈上升趨勢Atrendofimprovement[28]中國內(nèi)蒙古InnerMongolia，China2000-2010草原區(qū)Grassland0．4Fv整體上呈現(xiàn)上升趨勢Fvshowedanoverallascendanttrend[31]中國內(nèi)蒙古InnerMongolia，China2001-2010281．3g·(m2·a)-1NPP呈上升趨勢NPPshowedanoverallascendanttrend[32]中國鄂爾多斯Ordos，China2001-20130．14-0．20生長季呈增加趨勢Anincreasetrendinthegrowingseason[33]中國錫林郭勒草原XilinGolgrassland，China2000-20100～0．5kg·m-2波動變化，呈現(xiàn)增加趨勢Fluctuationchange，showedatrendofincrease[34]中國渾善達克沙地OtindagSandyLand，China2000-20140．2-0．4生長季平均值呈上升趨勢Thelengthofthegrowingseasonisincreasing[35]

從草地退化程度的空間分布特征來看,草地退化區(qū)域性較為明顯,極重度退化區(qū)域主要集中在高原西南部草地植被和荒漠區(qū)的過渡地帶,調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)有大量礦產(chǎn)資源,是主要礦區(qū);草地退化程度由西南向東北方向逐漸減弱,除人為因素外,另一方面是由于蒙古高原典型的干旱半干旱氣候類型,水熱分布不均,地帶性明顯。高原東部和北部分別受太平洋和北冰洋水汽影響,年降水量最多,隨著離兩個海洋距離的增加,降水量逐漸減少[36]。蒙古高原草地退化程度區(qū)域性明顯,1986-1999年和2000-2013年兩階段草地植被退化程度均呈現(xiàn)東北向西南依次逐漸嚴重趨勢。未退化和輕度退化區(qū)域主要集中于高原北部蒙古國薩彥嶺區(qū)域、中國大興安嶺區(qū)域;高原中部區(qū)域主要表現(xiàn)出中度和重度退化,極重度退化出現(xiàn)在草地與非草地過渡區(qū)域。草地植被退化程度明顯改善與21世紀以來我國實施退耕還林還草、退牧還草和京津風(fēng)沙源治理、蒙古國實施土地法等一系列環(huán)境治理工程的實施息息相關(guān)[31]。本研究結(jié)果表明，草地退化狀況有由極重度、重度向中度和輕度變化的趨勢,退化狀況轉(zhuǎn)好,在蒙古高原草地地帶性植被條件下,利用草地退化指數(shù)方法可以評估草地退化基況和程度，不過，鑒于評價因子相對單一，今后研究中應(yīng)該考慮多因子綜合評價，從土壤、植被和生產(chǎn)力等多方面著手分析。

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