李 霞，潘冬榮，孫 斌，姜佳昌，俞慧云，王紅霞，杜笑村，吳丹丹

（甘肅省草原技術(shù)推廣總站, 甘肅 蘭州 730010）

草地退化是指由過(guò)度放牧、不合理開(kāi)墾等人類活動(dòng)或氣候變化造成草地生態(tài)功能、畜牧業(yè)利用價(jià)值出現(xiàn)短期內(nèi)不可恢復(fù)的降低[1]。我國(guó)草地面積占國(guó)土面積的41.7%，不僅是構(gòu)建“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略的重要部分，也是我國(guó)牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[2-3]，大面積可利用天然草地退化已成為草地經(jīng)營(yíng)管理和草地生態(tài)治理修復(fù)中倍受關(guān)注的問(wèn)題[4-10]。

近年來(lái)，有關(guān)我國(guó)草地退化的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)已有很多研究[2-13]。目前草地退化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)普遍使用生態(tài)學(xué)分析方法，通過(guò)野外調(diào)查對(duì)待評(píng)價(jià)草地進(jìn)行指標(biāo)提取，與未退化草地進(jìn)行比較，確定退化與否及退化程度。但當(dāng)前草地退化研究主要存在幾個(gè)問(wèn)題。第一，獲得退化評(píng)價(jià)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)有困難，評(píng)定草地退化的參照系一般選擇采樣地附近未退化的頂級(jí)群落植被指標(biāo)，或者附近自然保護(hù)區(qū)的相同類型未退化植被指標(biāo)，或者首次草地調(diào)查資料的未退化草地指標(biāo)。第二，退化評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇有困難，基于草原退化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如《草原健康狀況評(píng)價(jià)》[14]和《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[15]，均為多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。前者有涵蓋水文、土壤、生物三方面的12 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，而后者則有13 個(gè)必須監(jiān)測(cè)指標(biāo)和5 個(gè)輔助監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在實(shí)際操作中，許多基于遙感技術(shù)的草地退化評(píng)價(jià)僅僅以植被地上生物量或植被覆蓋度為指標(biāo)。涉及到某些毒草叢生、優(yōu)質(zhì)牧草比例下降，但植被覆蓋度和地上生物量不減反增的退化草地類型，遙感手段目前只可以做到小范圍的毒雜草、可食牧草識(shí)別。大范圍的草地退化監(jiān)測(cè)研究需要引入可食草產(chǎn)量將草地退化區(qū)別于植被長(zhǎng)勢(shì)，且只能依靠大量的地面調(diào)查數(shù)據(jù)[16-17]。第三，退化等級(jí)劃分不一致，得到的結(jié)論難以進(jìn)行比較研究。第四，坡度、坡向、海拔是影響山地環(huán)境變化的主要內(nèi)容[18-19]，對(duì)一些毒害草的分布、草地生態(tài)恢復(fù)效果均有一定影響[19-23]。但現(xiàn)有研究對(duì)草地退化的空間分布與地形的關(guān)系分析不足。

為此，利用20 世紀(jì)80 年代甘肅省第一次草原普查的歷史資料和2014-2017 年甘肅省第二次草原普查的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，采用較常用且可操作性強(qiáng)的地上產(chǎn)草量、植被覆蓋度和可食草產(chǎn)量作為甘肅省草原退化的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[1,11]。采用專家打分法確定指標(biāo)權(quán)重，選取與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相符合的退化參數(shù)，能夠掌握甘肅省草地近40 年來(lái)的退化狀況，有利于甘肅省草原長(zhǎng)期退化監(jiān)測(cè)的比較研究。對(duì)不同坡度、坡向、海拔的草地退化程度量化分析，可以在接下來(lái)的工作中深入研究地形因素對(duì)草地退化以及草地生態(tài)恢復(fù)效果的影響機(jī)制、為提供更加精準(zhǔn)的草原生態(tài)修復(fù)治理措施提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及研究方法

甘肅省(92°13′～108°46′ E， 32°11′～42°57′ N)地處我國(guó)黃土高原、內(nèi)蒙古高原、青藏高原的交匯地帶，是我國(guó)唯一有東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高寒區(qū)三大自然區(qū)的省份。甘肅省草地資源豐富，是我國(guó)傳統(tǒng)畜牧業(yè)的生產(chǎn)基地和重要的生態(tài)屏障，其草地資源主要分布在甘南高原、祁連山地、北部河西走廊和隴中黃土高原，占全省土地面積的56.50%。其中甘南高原是黃河、洮河的重要水源涵養(yǎng)區(qū)，祁連山地是河西綠洲的源泉，而河西走廊是甘肅省重要的防風(fēng)固沙生態(tài)屏障，隴中黃土高原是重要的水土保持區(qū)[24]。

1.1 地面調(diào)查

20 世紀(jì)80 年代，第一次全國(guó)草原資源普查采用《中國(guó)草地類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)草地類型分類系統(tǒng)》，按類(亞類)、組、型三級(jí)分類單位進(jìn)行劃分。第二次外業(yè)調(diào)查依照甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《草原資源調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[25]執(zhí)行。采用隨機(jī)系統(tǒng)法在1 ∶ 50 000地形圖每4 500 hm2均勻布設(shè)一個(gè)調(diào)查樣地，并參照20 世紀(jì)80 年代甘肅省第一次草地資源調(diào)查產(chǎn)生的草原類型圖、國(guó)家級(jí)草原固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布等基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)，對(duì)樣地位置進(jìn)行調(diào)整。樣方設(shè)置參照《草原資源與生態(tài)監(jiān)測(cè)地面調(diào)查技術(shù)規(guī)范》[26]，在樣方內(nèi)測(cè)定蓋度、產(chǎn)草量、可食草產(chǎn)量、高度、頻度、植物種類等信息。外業(yè)調(diào)查工作完成后，采用合并簡(jiǎn)化后的《草地分類》標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 2997-2016)[27]，將首次調(diào)查的18 類歸并為9 類，全省共劃分出8 個(gè)類。草地分類標(biāo)準(zhǔn)與首次草地調(diào)查分類系統(tǒng)草地類的歸并如表1 所列。

表1 第一、二次草地調(diào)查分類系統(tǒng)的歸并Table 1 Merge table of the classification systems of the first and second grassland surveys

采用2014-2017 年甘肅省第二次草原資源普查外業(yè)調(diào)查的樣地點(diǎn)數(shù)據(jù)。將漏記或錯(cuò)記的樣地表去除，并對(duì)第二次草原資源普查外業(yè)調(diào)查未落在第一次調(diào)查類型圖上的樣地點(diǎn)作無(wú)效處理，最終采用的有效樣地點(diǎn)數(shù)為6 347 個(gè)(圖1)。

圖1 樣地點(diǎn)分布圖Figure 1 Field survey sites

1.2 退化參照系統(tǒng)的選擇

根據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[15]，未退化的植被參照基準(zhǔn)選用20 世紀(jì)80 年代甘肅省首次草原資源調(diào)查的本底數(shù)據(jù)，共14 個(gè)類，包括88 個(gè)型的總產(chǎn)量、可食草產(chǎn)量、蓋度數(shù)據(jù)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和指標(biāo)權(quán)重確定

甘肅天然草原具有過(guò)渡性明顯、類型多樣、區(qū)系復(fù)雜、牧草種類成分豐富、地域差異性顯著等特點(diǎn)[24]，單一指標(biāo)無(wú)法很好地反映草地退化程度[28]，本研究綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的代表性、可操作性、科學(xué)性以及長(zhǎng)期性等原則，最終選取蓋度、總產(chǎn)量和可食草產(chǎn)量3 個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)甘肅省草地退化的指標(biāo)。由于這3 個(gè)指標(biāo)在不同植被類型的草原上退化表現(xiàn)程度差異較大，為提高評(píng)價(jià)指數(shù)反映草原退化狀況的敏感性，在計(jì)算退化指數(shù)時(shí)給3 個(gè)指標(biāo)加入權(quán)重?；诟魇?州)草原站長(zhǎng)期從事野外調(diào)查人員的專家打分值確定各指標(biāo)權(quán)重(表2)。

表2 不同植被類型草原退化指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Table 2 Weight coefficients of grassland degradation indices in different vegetation types

1.4 退化指數(shù)計(jì)算

將第二次草原普查的樣地?cái)?shù)據(jù)疊加到第一次草原調(diào)查的草原類型圖上，基于各樣地?cái)?shù)據(jù)蓋度、總產(chǎn)量、可食草產(chǎn)量的未退化基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各樣地點(diǎn)上蓋度、總產(chǎn)量、可食草產(chǎn)量的減少率，得到無(wú)量綱的指標(biāo)。由以下公式得到草原退化指數(shù)：退化指數(shù) = 蓋度減少率 ×Wc+ 總產(chǎn)量減少率 ×Wy+可食草產(chǎn)量減少率 ×Wi。

1.5 退化等級(jí)的劃分

為了客觀評(píng)價(jià)草原退化程度，參照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[15]的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將草地分為未退化(退化指數(shù)小于等于0.10)、輕度退化(退化指數(shù)大于0.10 小于等于0.20)、中度退化(退化指數(shù)大于0.20 小于等于0.43)和重度退化(退化指數(shù)大于0.43)。

1.6 插值方法的選擇

本研究使用臨近樣地點(diǎn)退化指數(shù)來(lái)估計(jì)未知點(diǎn)退化指數(shù)，并且需要估計(jì)值與樣地點(diǎn)值一樣，因此既屬于局部插值法又屬于精確插值法的插值方法才能滿足本研究的要求。本研究在進(jìn)行插值之前比較了反距離權(quán)重插值法和樣條函數(shù)插值法的精度(表3)。將樣地?cái)?shù)據(jù)在ArcGⅠS 10.2 軟件子集要素工具中分成兩個(gè)子集，一個(gè)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集用來(lái)插值生成表面，一個(gè)作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集，用來(lái)計(jì)算插值誤差。其中訓(xùn)練數(shù)據(jù)集占總樣地?cái)?shù)據(jù)的70%，分別用訓(xùn)練數(shù)據(jù)插值生成反距離權(quán)重插值圖與樣條函數(shù)插值圖。提取檢驗(yàn)樣點(diǎn)處的差值結(jié)果，計(jì)算預(yù)測(cè)值與真值間誤差的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

表3 反距離權(quán)重插值法與樣條函數(shù)插值法誤差統(tǒng)計(jì)Table 3 Error statistics of inverse distance weighted interpolation method and spline function interpolation method

結(jié)果證實(shí)反距離權(quán)重插值方法更適用于本研究。反距離插值法的公式如下：

式中：Z(S0)為S0處的預(yù)測(cè)值；λi為各點(diǎn)的權(quán)重；Z(Si)為Si處的采樣值。12 為要使用的差值點(diǎn)周?chē)蓸狱c(diǎn)的默認(rèn)數(shù)量；p為指數(shù)值，是控制內(nèi)插值周?chē)c(diǎn)的顯著性，p值越高遠(yuǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響會(huì)越小，默認(rèn)設(shè)為2；di0為差值點(diǎn)S0與樣地點(diǎn)Si之間的距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省退化草地的空間分布

2.1.1 退化草地的空間分布

采用反距離插值法，對(duì)6 347 個(gè)樣地點(diǎn)的草原退化指數(shù)進(jìn)行空間插值，得到甘肅省草地退化空間分布(圖2)。甘肅草原總面積2.58 × 107hm2，退化草原面積1.79 × 107hm2，占全省草原總面積的69.65%。輕度退化面積4.27 × 106hm2，占草原總面積的16.58%，占退化總面積的23.81%；中度退化面積8.48 × 106hm2，占草原總面積的32.92%，占退化總面積的47.27%；重度退化面積5.19 × 106hm2，占草原總面積的20.14%，占退化總面積的28.92%。

不同退化等級(jí)的草原在各市(州)均有分布(圖3)。總體上看，中度退化草原面積較大，輕度和重度退化面積相對(duì)較小。以各市(州)退化草原面積占其草原總面積的比例計(jì)，全省14 個(gè)市(州)中，輕度退化草原面積占比在20%以上的有6 個(gè)，中度退化草原占比在20%以上的有12 個(gè)，重度退化草原占比在20%以上的有6 個(gè)。退化草原面積占本市(州)草原總面積的比例在80%以上的市(州)依次是平?jīng)鍪小⑽渫?、張掖市、隴南市、白銀市，占比分別為87.04%、84.84%、82.46%、81.81%和80.79%。

圖 2 甘肅省草地退化空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of grassland degradation in Gansu Province

圖3 甘肅省各市(州)的草地退化面積Figure 3 Statistics of grassland degradation area in each city in Gansu Province

2.1.2 不同草原類型的退化情況

不同退化等級(jí)的草原在8 個(gè)類均有分布(圖4)，其中重度退化占比最高的為溫性荒漠和高寒草原，分別占總草原面積的7.44%和4.21%；中度退化占比最高的為溫性荒漠和溫性草原，分別占總草原面積的14.95%和6.99%；輕度退化占比最高的為溫性荒漠和溫性草原，分別占總草原面積的7.46%和4.09%?？傮w來(lái)說(shuō)，退化最嚴(yán)重的草原類型為高寒荒漠和高寒草原，中度和重度退化總面積分別占高寒荒漠和高寒草原總面積的85.42%和81.94%。退化情況較輕的草原類型為山地草甸和溫性荒漠，其未退化和輕度退化總面積分別占山地草甸和溫性荒漠總面積的55.91%和54.60%。

圖4 甘肅省不同類型的草地退化面積Figure 4 Statistics of degraded areas of various grassland types in Gansu Province

2.2 不同海拔梯度草地的退化情況

不同退化等級(jí)的草地在各海拔均有分布(圖5)，隨海拔升高退化狀況呈先劇烈后稍有緩和而后更加劇烈變化的現(xiàn)象，海拔由低到高，退化面積占該高程段草地總面積的25.51%、37.67%、67.80%、64.47%、63.18%、66.39%、74.31%、80.06%、86.69%和93.64%。隨海拔升高，重度退化草地面積占該高程段退化草地總面積的比例呈先增加后小幅減小而后大幅增加的趨勢(shì)；中度退化草地面積占該高程段退化草地總面積的比例呈先劇烈增大后小幅減??；輕度退化草地面積占該高程段退化草地總面積的比例呈現(xiàn)先變小后小幅增加而后迅速減小的現(xiàn)象，總體來(lái)說(shuō)海拔越高重度退化比例越大，輕度退化比例越小。

圖5 甘肅省不同海拔梯度的草地退化面積Figure 5 Statistics of grassland degradation area at various altitudes in Gansu Province

2.3 不同坡向草地的退化情況

不同退化等級(jí)的草地在各坡向均有分布(圖6)。北坡(0° ± 22.5°)分布的草地面積最多，占總草地面積的18.35%，北坡的退化面積也最多，占總草地面積的13.15%；南坡(180° ± 22.5°)分布的草地面積僅次于北坡，占總草地面積的16.01%，退化面積也次之，占總草地面積的10.14%?？傮w來(lái)說(shuō)退化狀況由重到輕的坡向依次為東北坡(45° ± 22.5°) (73.95%的草地處于退化狀態(tài))、東坡(90° ± 22.5°) (73.01%的草地處于退化狀態(tài))、北坡 (0° ± 22.5°) (71.65%的草地處于退化狀態(tài))、西南坡(225° ± 22.5°) (70.55%的草地處于退化狀態(tài))、西坡(270° ± 22.5°) (70.09%的草地處于退化狀態(tài))、東南坡(135° ± 22.5°) (69.05%的草地處于退化狀態(tài))、西北坡(315° ± 22.5°) (67.69%的草地處于退化狀態(tài))、南坡 (180° ± 22.5°) (63.30%的草地處于退化狀態(tài))、無(wú)坡向(59.02%的草地處于退化狀態(tài))。

圖6 甘肅省不同坡向的草地退化面積Figure 6 Statistics of grassland degradation area at each aspect in Gansu Province

2.4 不同坡度草地的退化情況

不同退化等級(jí)的草地在各坡度均有分布(圖7)。平坡(≤ 5°)分布的草地面積最多，占總草地面積的53.43%?？傮w來(lái)說(shuō)退化狀況由坡度的降低而減輕，由重到輕的坡度依次為急坡(36°～45°) (占急坡總草地面積的86.22%)、險(xiǎn)坡(≥ 46°) (占險(xiǎn)坡總草地面積的85.11%)、陡坡(26°～35°) (占陡坡總草地面積的80.71%)、斜坡(16°～25°) (占斜坡總草地面積的76.21%)、緩坡(6°～15°) (占緩坡總草地面積的75.74%)、平坡(占平坡總草地面積的62.70%)。

圖7 甘肅省不同坡度的草地退化面積Figure 7 Statistics of grassland degradation area at each slope in Gansu Province

3 結(jié)論

依據(jù)甘肅省的實(shí)際情況，未退化的頂級(jí)群落植被指標(biāo)和祁連山自然保護(hù)區(qū)的未退化植被指標(biāo)無(wú)法滿足甘肅省整體草地退化的研究需要，而甘肅省草地首次調(diào)查資料描述了甘肅省14 個(gè)類88 個(gè)型的平均草地狀況，雖然有些草地型在80 年代已處于退化狀態(tài)，但通過(guò)第二次草原普查的地面調(diào)查數(shù)據(jù)與20 世紀(jì)80 年代甘肅省首次草原資源調(diào)查平均草地狀況進(jìn)行比較，能夠反映甘肅省草地近40 年來(lái)的退化狀況。選擇地上產(chǎn)草量、植被覆蓋度和可食草產(chǎn)量作為甘肅省草原退化的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可以有效地利用甘肅省每年國(guó)家級(jí)和省級(jí)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行長(zhǎng)期退化監(jiān)測(cè)的比較研究，對(duì)甘肅省草原可持續(xù)發(fā)展以及提高生產(chǎn)力水平有重要意義。

本研究通過(guò)插值法得到甘肅省總體退化狀況。比較樣地點(diǎn)的退化狀況與插值后總體退化狀況較為一致：插值后總體退化情況為重度退化草原占總草原面積的20.14%；中度退化草原占總草原面積的32.92%；輕度退化草原占總草原面積的16.58%。造成差異的主要原因是草原邊界處的部分樣地點(diǎn)控制面積與預(yù)設(shè)面積不符，其差值影響的實(shí)際面積也與預(yù)設(shè)面積不符。但總體來(lái)說(shuō)插值后的退化狀況與樣地點(diǎn)的大致相符，可信度高。

對(duì)草地畜牧業(yè)而言，可食草產(chǎn)量的引入更具有實(shí)際意義。第一次草原普查中可食草產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比值最大的草原類為高寒荒漠(0.97)，最小的為高寒草甸(0.92)，平均值為(0.95)。第二次草原普查中可食草產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比值最大的草原類為溫性荒漠(0.98)，最小的為高寒草甸(0.90)，平均值為(0.94)。其中高寒草原、高寒荒漠、高寒草甸較第一次普查可食率有所減小，溫性草原與溫性荒漠可食率有所提高，總體來(lái)說(shuō)各草原類可食率變化幅度不大，其退化面積與強(qiáng)度并沒(méi)有呈規(guī)律性分布。

草地的退化與自身的環(huán)境以及人類活動(dòng)息息相關(guān)，對(duì)不同坡度、坡向、海拔高度的草地退化程度量化分析，可以對(duì)各類草原在不同地形條件的退化情況進(jìn)行初步掌握。在接下來(lái)的工作中，需要深入研究地形因素對(duì)草地退化以及草地生態(tài)恢復(fù)效果的影響機(jī)制、準(zhǔn)確揭示不同類型草地退化及修復(fù)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因素，有針對(duì)性地為不同類型草地修復(fù)提供更加精準(zhǔn)的草原生態(tài)修復(fù)治理措施。同時(shí)應(yīng)加大退化草原修復(fù)治理效果的監(jiān)測(cè)評(píng)估。既要保護(hù)好草原生態(tài)，又要通過(guò)轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，推動(dòng)草原畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，達(dá)到提質(zhì)增效的目的。