甘肃省草地退化概况分析
——基于甘肃省第一、二次草原普查数据

李 霞，潘冬荣，孙 斌，姜佳昌，俞慧云，王红霞，杜笑村，吴丹丹

（甘肃省草原技术推广总站, 甘肃 兰州 730010）

草地退化是指由过度放牧、不合理开垦等人类活动或气候变化造成草地生态功能、畜牧业利用价值出现短期内不可恢复的降低[1]。我国草地面积占国土面积的41.7%，不仅是构建“两屏三带”生态安全战略的重要部分，也是我国牧业发展的基础[2-3]，大面积可利用天然草地退化已成为草地经营管理和草地生态治理修复中倍受关注的问题[4-10]。

近年来，有关我国草地退化的监测评价已有很多研究[2-13]。目前草地退化监测评价普遍使用生态学分析方法，通过野外调查对待评价草地进行指标提取，与未退化草地进行比较，确定退化与否及退化程度。但当前草地退化研究主要存在几个问题。第一，获得退化评价基准数据有困难，评定草地退化的参照系一般选择采样地附近未退化的顶级群落植被指标，或者附近自然保护区的相同类型未退化植被指标，或者首次草地调查资料的未退化草地指标。第二，退化评价指标选择有困难，基于草原退化的评价指标，如《草原健康状况评价》[14]和《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》[15]，均为多指标评价体系。前者有涵盖水文、土壤、生物三方面的12 个评价指标，而后者则有13 个必须监测指标和5 个辅助监测指标。在实际操作中，许多基于遥感技术的草地退化评价仅仅以植被地上生物量或植被覆盖度为指标。涉及到某些毒草丛生、优质牧草比例下降，但植被覆盖度和地上生物量不减反增的退化草地类型，遥感手段目前只可以做到小范围的毒杂草、可食牧草识别。大范围的草地退化监测研究需要引入可食草产量将草地退化区别于植被长势，且只能依靠大量的地面调查数据[16-17]。第三，退化等级划分不一致，得到的结论难以进行比较研究。第四，坡度、坡向、海拔是影响山地环境变化的主要内容[18-19]，对一些毒害草的分布、草地生态恢复效果均有一定影响[19-23]。但现有研究对草地退化的空间分布与地形的关系分析不足。

为此，利用20 世纪80 年代甘肃省第一次草原普查的历史资料和2014-2017 年甘肃省第二次草原普查的外业调查数据，采用较常用且可操作性强的地上产草量、植被覆盖度和可食草产量作为甘肃省草原退化的监测指标[1,11]。采用专家打分法确定指标权重，选取与国家标准相符合的退化参数，能够掌握甘肃省草地近40 年来的退化状况，有利于甘肃省草原长期退化监测的比较研究。对不同坡度、坡向、海拔的草地退化程度量化分析，可以在接下来的工作中深入研究地形因素对草地退化以及草地生态恢复效果的影响机制、为提供更加精准的草原生态修复治理措施提供技术支持。

1 研究区概况及研究方法

甘肃省(92°13′～108°46′ E， 32°11′～42°57′ N)地处我国黄土高原、内蒙古高原、青藏高原的交汇地带，是我国唯一有东部季风区、西北干旱区和青藏高寒区三大自然区的省份。甘肃省草地资源丰富，是我国传统畜牧业的生产基地和重要的生态屏障，其草地资源主要分布在甘南高原、祁连山地、北部河西走廊和陇中黄土高原，占全省土地面积的56.50%。其中甘南高原是黄河、洮河的重要水源涵养区，祁连山地是河西绿洲的源泉，而河西走廊是甘肃省重要的防风固沙生态屏障，陇中黄土高原是重要的水土保持区[24]。

1.1 地面调查

20 世纪80 年代，第一次全国草原资源普查采用《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》，按类(亚类)、组、型三级分类单位进行划分。第二次外业调查依照甘肃省地方标准《草原资源调查技术规程》[25]执行。采用随机系统法在1 ∶ 50 000地形图每4 500 hm2均匀布设一个调查样地，并参照20 世纪80 年代甘肃省第一次草地资源调查产生的草原类型图、国家级草原固定监测点分布等基础资料和数据，对样地位置进行调整。样方设置参照《草原资源与生态监测地面调查技术规范》[26]，在样方内测定盖度、产草量、可食草产量、高度、频度、植物种类等信息。外业调查工作完成后，采用合并简化后的《草地分类》标准(NY/T 2997-2016)[27]，将首次调查的18 类归并为9 类，全省共划分出8 个类。草地分类标准与首次草地调查分类系统草地类的归并如表1 所列。

表1 第一、二次草地调查分类系统的归并Table 1 Merge table of the classification systems of the first and second grassland surveys

采用2014-2017 年甘肃省第二次草原资源普查外业调查的样地点数据。将漏记或错记的样地表去除，并对第二次草原资源普查外业调查未落在第一次调查类型图上的样地点作无效处理，最终采用的有效样地点数为6 347 个(图1)。

图1 样地点分布图Figure 1 Field survey sites

1.2 退化参照系统的选择

根据《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》[15]，未退化的植被参照基准选用20 世纪80 年代甘肃省首次草原资源调查的本底数据，共14 个类，包括88 个型的总产量、可食草产量、盖度数据。

1.3 评价指标选取和指标权重确定

甘肃天然草原具有过渡性明显、类型多样、区系复杂、牧草种类成分丰富、地域差异性显著等特点[24]，单一指标无法很好地反映草地退化程度[28]，本研究综合考虑评价指标的代表性、可操作性、科学性以及长期性等原则，最终选取盖度、总产量和可食草产量3 个指标作为评价甘肃省草地退化的指标。由于这3 个指标在不同植被类型的草原上退化表现程度差异较大，为提高评价指数反映草原退化状况的敏感性，在计算退化指数时给3 个指标加入权重。基于各市(州)草原站长期从事野外调查人员的专家打分值确定各指标权重(表2)。

表2 不同植被类型草原退化指标权重系数Table 2 Weight coefficients of grassland degradation indices in different vegetation types

1.4 退化指数计算

将第二次草原普查的样地数据叠加到第一次草原调查的草原类型图上，基于各样地数据盖度、总产量、可食草产量的未退化基准数据，计算得到各样地点上盖度、总产量、可食草产量的减少率，得到无量纲的指标。由以下公式得到草原退化指数：退化指数 = 盖度减少率 ×Wc+ 总产量减少率 ×Wy+可食草产量减少率 ×Wi。

1.5 退化等级的划分

为了客观评价草原退化程度，参照《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》[15]的评价标准，将草地分为未退化(退化指数小于等于0.10)、轻度退化(退化指数大于0.10 小于等于0.20)、中度退化(退化指数大于0.20 小于等于0.43)和重度退化(退化指数大于0.43)。

1.6 插值方法的选择

本研究使用临近样地点退化指数来估计未知点退化指数，并且需要估计值与样地点值一样，因此既属于局部插值法又属于精确插值法的插值方法才能满足本研究的要求。本研究在进行插值之前比较了反距离权重插值法和样条函数插值法的精度(表3)。将样地数据在ArcGⅠS 10.2 软件子集要素工具中分成两个子集，一个作为训练数据集用来插值生成表面，一个作为检验数据集，用来计算插值误差。其中训练数据集占总样地数据的70%，分别用训练数据插值生成反距离权重插值图与样条函数插值图。提取检验样点处的差值结果，计算预测值与真值间误差的各项统计参数。

表3 反距离权重插值法与样条函数插值法误差统计Table 3 Error statistics of inverse distance weighted interpolation method and spline function interpolation method

结果证实反距离权重插值方法更适用于本研究。反距离插值法的公式如下：

式中：Z(S0)为S0处的预测值；λi为各点的权重；Z(Si)为Si处的采样值。12 为要使用的差值点周围采样点的默认数量；p为指数值，是控制内插值周围点的显著性，p值越高远数据点的影响会越小，默认设为2；di0为差值点S0与样地点Si之间的距离。

2 结果与分析

2.1 甘肃省退化草地的空间分布

2.1.1 退化草地的空间分布

采用反距离插值法，对6 347 个样地点的草原退化指数进行空间插值，得到甘肃省草地退化空间分布(图2)。甘肃草原总面积2.58 × 107hm2，退化草原面积1.79 × 107hm2，占全省草原总面积的69.65%。轻度退化面积4.27 × 106hm2，占草原总面积的16.58%，占退化总面积的23.81%；中度退化面积8.48 × 106hm2，占草原总面积的32.92%，占退化总面积的47.27%；重度退化面积5.19 × 106hm2，占草原总面积的20.14%，占退化总面积的28.92%。

不同退化等级的草原在各市(州)均有分布(图3)。总体上看，中度退化草原面积较大，轻度和重度退化面积相对较小。以各市(州)退化草原面积占其草原总面积的比例计，全省14 个市(州)中，轻度退化草原面积占比在20%以上的有6 个，中度退化草原占比在20%以上的有12 个，重度退化草原占比在20%以上的有6 个。退化草原面积占本市(州)草原总面积的比例在80%以上的市(州)依次是平凉市、武威市、张掖市、陇南市、白银市，占比分别为87.04%、84.84%、82.46%、81.81%和80.79%。

图 2 甘肃省草地退化空间分布图Figure 2 Spatial distribution of grassland degradation in Gansu Province

图3 甘肃省各市(州)的草地退化面积Figure 3 Statistics of grassland degradation area in each city in Gansu Province

2.1.2 不同草原类型的退化情况

不同退化等级的草原在8 个类均有分布(图4)，其中重度退化占比最高的为温性荒漠和高寒草原，分别占总草原面积的7.44%和4.21%；中度退化占比最高的为温性荒漠和温性草原，分别占总草原面积的14.95%和6.99%；轻度退化占比最高的为温性荒漠和温性草原，分别占总草原面积的7.46%和4.09%。总体来说，退化最严重的草原类型为高寒荒漠和高寒草原，中度和重度退化总面积分别占高寒荒漠和高寒草原总面积的85.42%和81.94%。退化情况较轻的草原类型为山地草甸和温性荒漠，其未退化和轻度退化总面积分别占山地草甸和温性荒漠总面积的55.91%和54.60%。

图4 甘肃省不同类型的草地退化面积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况

不同退化等级的草地在各海拔均有分布(图5)，随海拔升高退化状况呈先剧烈后稍有缓和而后更加剧烈变化的现象，海拔由低到高，退化面积占该高程段草地总面积的25.51%、37.67%、67.80%、64.47%、63.18%、66.39%、74.31%、80.06%、86.69%和93.64%。随海拔升高，重度退化草地面积占该高程段退化草地总面积的比例呈先增加后小幅减小而后大幅增加的趋势；中度退化草地面积占该高程段退化草地总面积的比例呈先剧烈增大后小幅减小；轻度退化草地面积占该高程段退化草地总面积的比例呈现先变小后小幅增加而后迅速减小的现象，总体来说海拔越高重度退化比例越大，轻度退化比例越小。

图5 甘肃省不同海拔梯度的草地退化面积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况

不同退化等级的草地在各坡向均有分布(图6)。北坡(0° ± 22.5°)分布的草地面积最多，占总草地面积的18.35%，北坡的退化面积也最多，占总草地面积的13.15%；南坡(180° ± 22.5°)分布的草地面积仅次于北坡，占总草地面积的16.01%，退化面积也次之，占总草地面积的10.14%。总体来说退化状况由重到轻的坡向依次为东北坡(45° ± 22.5°) (73.95%的草地处于退化状态)、东坡(90° ± 22.5°) (73.01%的草地处于退化状态)、北坡 (0° ± 22.5°) (71.65%的草地处于退化状态)、西南坡(225° ± 22.5°) (70.55%的草地处于退化状态)、西坡(270° ± 22.5°) (70.09%的草地处于退化状态)、东南坡(135° ± 22.5°) (69.05%的草地处于退化状态)、西北坡(315° ± 22.5°) (67.69%的草地处于退化状态)、南坡 (180° ± 22.5°) (63.30%的草地处于退化状态)、无坡向(59.02%的草地处于退化状态)。

图6 甘肃省不同坡向的草地退化面积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况

不同退化等级的草地在各坡度均有分布(图7)。平坡(≤ 5°)分布的草地面积最多，占总草地面积的53.43%。总体来说退化状况由坡度的降低而减轻，由重到轻的坡度依次为急坡(36°～45°) (占急坡总草地面积的86.22%)、险坡(≥ 46°) (占险坡总草地面积的85.11%)、陡坡(26°～35°) (占陡坡总草地面积的80.71%)、斜坡(16°～25°) (占斜坡总草地面积的76.21%)、缓坡(6°～15°) (占缓坡总草地面积的75.74%)、平坡(占平坡总草地面积的62.70%)。

图7 甘肃省不同坡度的草地退化面积Figure 7 Statistics of grassland degradation area at each slope in Gansu Province

3 结论

依据甘肃省的实际情况，未退化的顶级群落植被指标和祁连山自然保护区的未退化植被指标无法满足甘肃省整体草地退化的研究需要，而甘肃省草地首次调查资料描述了甘肃省14 个类88 个型的平均草地状况，虽然有些草地型在80 年代已处于退化状态，但通过第二次草原普查的地面调查数据与20 世纪80 年代甘肃省首次草原资源调查平均草地状况进行比较，能够反映甘肃省草地近40 年来的退化状况。选择地上产草量、植被覆盖度和可食草产量作为甘肃省草原退化的监测指标，可以有效地利用甘肃省每年国家级和省级固定监测点数据，进行长期退化监测的比较研究，对甘肃省草原可持续发展以及提高生产力水平有重要意义。

本研究通过插值法得到甘肃省总体退化状况。比较样地点的退化状况与插值后总体退化状况较为一致：插值后总体退化情况为重度退化草原占总草原面积的20.14%；中度退化草原占总草原面积的32.92%；轻度退化草原占总草原面积的16.58%。造成差异的主要原因是草原边界处的部分样地点控制面积与预设面积不符，其差值影响的实际面积也与预设面积不符。但总体来说插值后的退化状况与样地点的大致相符，可信度高。

对草地畜牧业而言，可食草产量的引入更具有实际意义。第一次草原普查中可食草产量占总产量的比值最大的草原类为高寒荒漠(0.97)，最小的为高寒草甸(0.92)，平均值为(0.95)。第二次草原普查中可食草产量占总产量的比值最大的草原类为温性荒漠(0.98)，最小的为高寒草甸(0.90)，平均值为(0.94)。其中高寒草原、高寒荒漠、高寒草甸较第一次普查可食率有所减小，温性草原与温性荒漠可食率有所提高，总体来说各草原类可食率变化幅度不大，其退化面积与强度并没有呈规律性分布。

草地的退化与自身的环境以及人类活动息息相关，对不同坡度、坡向、海拔高度的草地退化程度量化分析，可以对各类草原在不同地形条件的退化情况进行初步掌握。在接下来的工作中，需要深入研究地形因素对草地退化以及草地生态恢复效果的影响机制、准确揭示不同类型草地退化及修复过程的驱动因素，有针对性地为不同类型草地修复提供更加精准的草原生态修复治理措施。同时应加大退化草原修复治理效果的监测评估。既要保护好草原生态，又要通过转变发展方式，推动草原畜牧业转型升级，达到提质增效的目的。