蒙古高原草地退化程度时空分布定量研究

张艳珍,王钊齐,杨 悦,李建龙,张 颖,章超斌

(南京大学生命科学学院生态学系，江苏 南京 210023)

草地是陆地生态系统的组成成分,在全球碳循环中扮演重要角色,不仅有保持水土、防风固沙等生态功能,更是草原区畜牧业生产发展、经济进步的重要环节[1-3]。蒙古高原作为东北亚地区的一个特殊地貌单元,远离海洋,草地是其主要植被覆盖类型,荒漠化是其重要的地貌特征,是全球变化研究中的必要环节[4-7]。近40年来，由气候变化和人类活动引起的蒙古高原草地退化形式加剧,裸地面积有扩大趋势,荒漠化十分严重[8-11]。草地退化一方面直接影响内外蒙古广大牧民群众的生活水平和社会经济的健康发展;另一方面,作为我国北方重要的生态屏障,草地退化会加重高原荒漠化、沙化和水土流失,造成严重的生态环境问题。

草地植被覆盖变化可表征草地植被长势、生态系统健康程度以及植被退化状况，获取草地植被覆盖度变化特征在区域生态环境评价中有重要意义[12]。遥感监测手段随着计算机和遥感等技术的发展已经成为大尺度区域乃至全球范围植被覆盖变化监测研究的主要手段[10]。归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)由于与植被覆盖度存在极显著线性相关关系[13],是可以反映植被生长分布及其年际变化且可用来进行植被变化监测的一种遥感数据[14]。在现有的NDVI数据中,EOS/MODIS NDVI 的光谱性能稳定,辐射定标精度优越,空间相关性高,能较好地估算出高原地区的草地生长状况[15-18]。

草地退化是一种人为因素和气候因素等对草地生态系统进行干扰超过自我调节阈值,使其出现逆向演替的现象[19]。目前，关于草地退化监测和评价的方法主要有实测法和遥感监测法等。实测法适用于小范围内的植被退化监测,而针对大尺度区域,遥感技术则成为了重要手段。近年来,有不少针对我国重要牧区的草地退化状况研究。薛存芳等[20]利用实测法选择了种群自然生殖枝高度、草地植被覆盖度和草地生物量3个评价指标,加权得到草地退化指数GDI,结果显示,与2002年相比，2006年中国内蒙古地区草地植被退化状况呈现出整体改善、局部恶化的状况。曹旭娟等[21]利用遥感监测法基于NDVI反演藏北地区草地植被覆盖度,以覆盖度作为判断草地退化的标准,综合计算逐年草地退化指数,得出该地区草地退化程度分布结果。由于蒙古高原覆盖面积较大,涉及到两个行政单元,本研究采用遥感监测法,以草地植被覆盖度为指标监测草地退化,建立蒙古高原草地退化评价指标,参照国家标准(GB19377-2003)[22],以1982-1985年植被状况为基准,研究蒙古高原1986-1999年和2000-2013年(2000年以来，我国陆续实施了“退牧还草”、“京津源风沙治理”等工程,蒙古国则实施草地管理及土地法等举措，为判断生态治理工程的实际意义选择了2000年为前后两段时期的节点)的植被退化时空分布特征,通过精确定量监测和分析蒙古高原草地退化程度及其时空分布,积累蒙古高原草地退化基本数据,有利于高原草地资源的可持续发展和生态环境的改善。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区是蒙古高原主体部分(图1)，包括蒙古国和中国内蒙古自治区两个行政单元33个行政区(蒙古国21个省市，中国内蒙古12个盟市),位于87°43′-126°04′ E和37°22′-53°20′ N,面积约为2.74×106km2,其中蒙古国和中国内蒙古自治区的面积分别为1.56×106和1.18×106km2。蒙古高原位于欧亚大陆中部,东抵大兴安岭西麓,西达阿尔泰山脉和萨彦岭,南部以阴山山脉为界，北临萨彦岭、肯特山脉和亚布洛夫山脉[23]。平均海拔约1 580 m,地势西高东低，年降水量约269 mm,各地分布不均,东北部地区最多,年总量300～400 mm,降水量随着离海洋距离的增加由东北向西南逐渐减小,西南部地区降水量仅约100 mm。蒙古高原年均温是4.12 ℃,分布特征基本与降水量一致。高原自然植被覆盖受气候因子影响,由东向西南依次有森林、森林草原、草甸草原、典型草原、荒漠草原和戈壁荒漠,生态环境多样且脆弱[24]。

图1 研究区位置图及国际生物圈计划(IGBP)植被类型Fig. 1 Location of the study area and the land use map from International Geosphere-Biosphere Programme(IGBP)

1.2 数据来源

1982-2006年GIMMS NDVI数据来自美国国家航天航空局(NASA),时间分辨率为15 d,空间分辨率为8 km,该数据集制作过程中已经经过辐射校正、图像几何精校正、除云和除坏线等处理,数据误差小且精度较高,已被广泛应用于大尺度区域植被覆盖变化研究中;2001-2013年EOS/MODIS NDVI数据来自NASA地球观测系统EOS/MODIS NDVI数据中的MOD13A2级数据产品,时间分辨率为16 d,空间分辨率1 km。土地覆盖分类数据采用MODIS数据MOD12C1产品中的IGBP 2001年数据,通过投影变换、重采样、裁剪和类型合并等预处理,生成空间分辨率1 km的,包括林地、灌丛、草地、农耕地和稀疏植被5类,并提取草地覆盖类型用于分析草地植被覆盖度面积动态和草地退化程度分析。

1.3 研究方法

1.3.1植被覆盖度(vegetation fraction,Fv)的计算 植被覆盖度是反映草地资源是否发生退化的直观指标,由于植被盖度与归一化植被指数(NDVI)存在极显著线性相关关系[18],本研究利用像元二分模型近似估算植被覆盖度,具体计算公式如下:

(1)

式(1)中:Fv表示草地的覆盖度,NDVImin代表研究范围内的NDVI最小值(或裸地NDVI值),NDVImax代表研究范围内的NDVI最大值(或纯植被NDVI值)。

1.3.2草地覆盖度的变化趋势计算 本研究利用线性回归方程在像元基础上分析蒙古高原1986-1999年和2000-2013年最大草地覆盖度的变化趋势,具体的计算公式如下:

(2)

式(2)中:S代表趋势斜率,n为研究年限14,i=1为1986或2000年,i=2为1999或2013年,Ci为第i年的最大覆盖度值,S为正值则草地覆盖度呈上升趋势,若为负值则草地覆盖度呈下降趋势。关于变化趋势显著性分析则使用F检验,显著性检验结果仅代表变化趋势可置信程度的高低,而与其变化的快慢没有关系[25]。显著性分析计算公式为:

(3)

(4)

(5)

1.3.3草地退化评价指标 建立基于遥感监测草地退化的评价指标选择原则既要考虑遥感原理和数据特点,也要有科学性、可行性和针对性。由于尚未有针对蒙古高原整体或是蒙古国内的草地退化评价,而内、外蒙古植被类型和环境条件具有区域延伸性,参照我国国家标准(GB 19377-2003)，将20世纪80年代初研究区域未退化草地植被特征定为未退化草地标准[20，26]。本研究以蒙古高原1982-1985年间的最大草地植被覆盖度为未退化草地基准,将草地退化程度分为5个级别,覆盖度高于未退化草地覆盖度的90%的退化程度评分为1分,覆盖度为未退化草地覆盖度的75%～90%评分为2分,覆盖度为未退化草地覆盖度的60%～75%评分为3分,覆盖度为未退化草地覆盖度的30%～60%评分为4分,覆盖度小于未退化草地覆盖度的30%为评分为5分。在此基础上,选用草地退化指数(grassland degradation index，GDI)判断并监测蒙古高原的草地退化情况[26]。GDI的具体计算公式如下:

(6)

式(6)中:GDI为草地退化指数;Di为草地退化等级i的评分;Ai为草地退化等级i的分布面积;A为研究区的草地植被总面积。根据计算得出的GDI值,参照蒙古高原草地退化总和判别指标(表1),得出草地退化等级结果。

1.4 数据分析

采用MODIS Reprojection Tools(MRT)软件对下载的数据进行格式转换、数据拼接和裁剪,采用最大值合成法消除部分大气、云和太阳高度角的干扰,为进一步消除干扰,采用三点平滑方法对两种NDVI数据进行进一步修正,得到研究区逐年NDVI数据。植被覆盖度的反演以及草地退化程度级别等利用ENVI 5.1中的Band Math工具计算;遥感制图在ArcGIS 10.2中进行;统计数据的统计分析和图表制作利用Excel 2010和Sigma Plot 12 .5实现。

表1 蒙古高原草地退化综合判别指标Table 1 Integrated evaluation indices of grassland degradation on the Mongolia Plateau

2 结果与分析

2.1 蒙古高原草地植被覆盖度时空分布特征和变化趋势分析

蒙古高原1986-1999年和2000-2013年草地植被覆盖度空间分布整体呈现由东北向西南逐渐减小的趋势(图2)。1986-1999年和2000-2013年平均覆盖度分别为15.60%和18.43%,总体呈增加趋势。其中，1986-1999年草地覆盖度显著和极显著增加的区域主要分布在蒙中国杭爱山南麓、中国阴山山脉地区、中国赤峰市中南部和通辽市南部少数区域;2000-2013年草地覆盖度显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)增加的区域主要分布在蒙古国杭爱山脉东部、中国肯特山脉区域、中国东方省东部地区、中国兴安盟东部和中国鄂尔多斯南部和东部一带。从变化率来看，2000年前变化率较大区域主要集中分布于中国呼和浩特及其邻近区域和通辽市、赤峰市南部地带，2000年后变化率较大区域则主要分布在蒙古国东方省和苏赫巴托尔省地区。在年际变化过程中(表2),1986-1999年间,草地覆盖度面积最大的是30%～60%,在中国内蒙古、蒙古国和蒙古高原分别达到1 225.74、2 193.53和3 415.42 km2;面积最小的是90%～100%,中国内蒙古、蒙古国和蒙古高原面积分别为14.24、1.36和15.60 km2。2000-2013年间,草地覆盖度面积较大的是30%～60%和60%～75%,蒙古高原分别达到2 487.42和2 237.61 km2;其次依次是75%～90%、0～30%和90%～100%,面积分别为1 357.53、455.07和82.06 km2。整体来看,草地植被覆盖度0～30%和30%～60%呈下降趋势,60%以上覆盖度的面积均呈上升趋势。从变化速率显著性分析的面积统计可以看出(表3),两个研究时段草地覆盖度均呈现上升趋势,1986-1999年无显著(P>0.05)增加、显著(P<0.05)增加和极显著(P<0.01)增加的草地面积分别为3 706.37、298.86和189.67 km2;2000-2013年无显著增加、显著增加和极显著增加的面积分别为4 526.06、443.32和92.46 km2。

图2 蒙古高原草地覆盖度时空分布、变化趋势和显著性分析分析Fig. 2 The space distribution features and change trend analysis of grassland vegetation coverage in the Mongolia Plateau

ESD：极显著减少(P<0.01)；SD：显著减少(P<0.05)；NSD：减少不显著(P>0.05)；NSI：增加不显著(P>0.05)；SI：显著增加(P<0.05)；ESI：极显著增加(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盖度的面积变化Table 2 Change of area statistics of grassland coverage in the Mongolia Plateau

表3 蒙古高原草地植被覆盖度变化率显著性面积统计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盖度差值分析

研究时段为1986-2013年,为达到蒙古高原草地覆盖在不同时段变化情况直观判断的目的,选择1986年作为基准比较年,将1995、2001、2007和2013年的草地覆盖度分别与1986年的草地覆盖度进行差值计算(图3)。然后，根据实际情况将草地覆盖度变动幅度进行区间面积统计(表4)。相对于1986年,1995、2001和2007年草地覆盖度依次变差,而2013年草地覆盖度最好,且高于1995基准比较年差值,表现为初期一般、中期变差、后期变好且好于初期的情况(图3)。空间分布来看,变化最为剧烈的草地区域主要集古中在蒙国肯特山脉附近、东方省、扎布汗省和苏赫巴托尔省东部,中国内蒙古呼伦贝尔西部、兴安盟东部扎赉特旗附近区域和锡林浩特中东部地区;相对稳定的草地区域集中于蒙古国高原北部蒙古国萨彦岭、南部阴山山脉区域以及中国赤峰市和通辽市南部。

图3 1986年与1999、2001、2007、2013年蒙古高原草地植被覆盖度差值图Fig. 3 The differential chart of grassland vegetation coverage in the Mongolia Plateau between 1986 and 1999, 2001, 2007 and 2013

从覆盖度变动幅度来看(表4),相对1986年,草地覆盖度面积负变化区域主要集中于[-0.1,-0.001),少数集中在[-0.2,-0.1),特定时期少数区域集中表现为[-0.3,-0.2);草地覆盖度面积正变化区域主要集中于[0.001,0.1)和[0.1,0.2)。其中,2001年较1986年草地覆盖度负变化的面积最大,达到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年较1986年草地覆盖度正变化面积最大,达到8 496.5 km2,其次依次为1995年、2007年和2001年,面积分别为7 972.93、5 813.99和4 926.23 km2。

2.3 蒙古高原草地退化状况时空分布特征

通过计算草地退化指数GDI,得出1986-1999年和2000-2013年蒙古高原草地退化程度分布特征(图4)。从空间分布来看,退化程度区域性明显,两阶段草地植被退化均呈现东北向西南依次逐渐严重趋势。未退化和轻度退化区域主要集中于高原北部蒙古国萨彦岭区域、中国大兴安岭区域;高原中部区域主要表现出中度和重度退化,极重度退化出现在草地与非草地过渡区域。

1986-1999年重度退化草地面积所占百分比最大,为50.35%,其次依次为极重度退化、中度退化、轻度退化和未退化,面积比例分别是20.37%、18.88%、9.50%和0.90%(图5);2000-2013年中度和重度退化草地面积百分比超过了30%,分别是39.42%和30.34%,未退化草地面积最小,仅占1.95%。结果表明，草地退化状况由极重度、重度向中度和轻度变化,草地退化状况转好。

3 讨论和结论

本研究以覆盖度作为表征草地退化的主要指标,从2000年前后14年蒙古高原草地年际变化可以看出,草地有明显的恢复趋势，中国内蒙古、蒙古国和蒙古高原覆盖度上升斜率分别为0.23、0.28和0.26。中国内蒙古大兴安岭地区、蒙古国肯特山脉及萨彦岭东部山区主要植被类型是森林，植被覆盖度最高,均高于60%;南部和西南部与荒漠区过渡带草地覆盖度最低,小于30%。近年来，针对蒙古高原植被覆盖状况的研究已有不少(表5),张宏斌等[27]利用NDVI分析中国内蒙古植被的研究结果表明，2000-2008年草原植被总体趋于恢复。包刚等[28]基于GIMMS NDVI 分析蒙古高原植被覆盖状况认为，1982-2006年高原植被年平均上升趋势为0.000 4，蒙古国的年均上升趋势(0.000 5)比中国内蒙古的年均上升趋势(0.000 3)更加显著。周锡饮等[29]研究蒙古高原地区1981-2006年植被覆盖的时空变化显示,草原区呈现上升趋势,森林区和荒漠区植被有下降趋势。本研究1986-1999年草地植被覆盖度显著和极显著增加的高原面积分别为2 98.86和189.67 km2;2000-2013年分别为443.32和92.46 km2，增加面积也呈现出上升趋势。

表4 蒙古高原草地植被覆盖度正负变化面积统计Table 4 Positive and negative variation statistics of grassland vegetation coverage area in the Mongolia Plateau km2

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

图5 1986-1999和2000-2013年蒙古高原草地退化程度面积百分比统计图Fig. 5 Statistics of grassland degradation degree areas on the Mongolia Plateau during the periods 1987-1999 and 2000-2013

研究区 Studyarea 研究时段Timescale覆盖度Fv归一化植被指数NDVI净初级生产力NPP植被状况描述 Vegetationdescription 参考文献Reference蒙古高原MongoliaPlateau2002-20120．32-0．52先退化后改善趋势Atreadtoimproveafterdegradation[30]蒙古高原MongoliaPlateau1982-20060．26-0．30植被整体呈改善趋势Atrendofimprovement[10]蒙古高原MongoliaPlateau1982-20060．2038高原植被覆盖呈上升趋势Atrendofimprovement[28]中国内蒙古InnerMongolia，China2000-2010草原区Grassland0．4Fv整体上呈现上升趋势Fvshowedanoverallascendanttrend[31]中国内蒙古InnerMongolia，China2001-2010281．3g·(m2·a)-1NPP呈上升趋势NPPshowedanoverallascendanttrend[32]中国鄂尔多斯Ordos，China2001-20130．14-0．20生长季呈增加趋势Anincreasetrendinthegrowingseason[33]中国锡林郭勒草原XilinGolgrassland，China2000-20100～0．5kg·m-2波动变化，呈现增加趋势Fluctuationchange，showedatrendofincrease[34]中国浑善达克沙地OtindagSandyLand，China2000-20140．2-0．4生长季平均值呈上升趋势Thelengthofthegrowingseasonisincreasing[35]

从草地退化程度的空间分布特征来看,草地退化区域性较为明显,极重度退化区域主要集中在高原西南部草地植被和荒漠区的过渡地带,调查发现,该区有大量矿产资源,是主要矿区;草地退化程度由西南向东北方向逐渐减弱,除人为因素外,另一方面是由于蒙古高原典型的干旱半干旱气候类型,水热分布不均,地带性明显。高原东部和北部分别受太平洋和北冰洋水汽影响,年降水量最多,随着离两个海洋距离的增加,降水量逐渐减少[36]。蒙古高原草地退化程度区域性明显,1986-1999年和2000-2013年两阶段草地植被退化程度均呈现东北向西南依次逐渐严重趋势。未退化和轻度退化区域主要集中于高原北部蒙古国萨彦岭区域、中国大兴安岭区域;高原中部区域主要表现出中度和重度退化,极重度退化出现在草地与非草地过渡区域。草地植被退化程度明显改善与21世纪以来我国实施退耕还林还草、退牧还草和京津风沙源治理、蒙古国实施土地法等一系列环境治理工程的实施息息相关[31]。本研究结果表明，草地退化状况有由极重度、重度向中度和轻度变化的趋势,退化状况转好,在蒙古高原草地地带性植被条件下,利用草地退化指数方法可以评估草地退化基况和程度，不过，鉴于评价因子相对单一，今后研究中应该考虑多因子综合评价，从土壤、植被和生产力等多方面着手分析。

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