內蒙古東烏珠穆沁旗草甸草原生態(tài)環(huán)境時空演變分析

蘆 雪 王智勇

（1.北京宇視藍圖信息技術有限公司，北京 100096；2.二十一世紀空間技術應用股份有限公司，北京 100096）

1.引言

草地是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙等方面發(fā)揮著重要作用。然而，《2009年全國草原監(jiān)測報告》顯示，我國草原生態(tài)仍很脆弱，草地退化已經成為草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最嚴重的問題。在草地退化研究中，通過對草原景觀格局的時空演變分析，有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系，為草原生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復提供科學依據。因此，諸多學者、專家開展了針對草原退化過程中景觀格局時空演變的研究，但大多都集中在自然生境差、易受外界干擾的嚴重退化草原區(qū)，對生態(tài)恢復功能相對較好的草甸草原區(qū)則研究較少。

內蒙古錫林郭勒草原的東部，又稱烏珠穆沁草原，是內蒙古保存最完好的天然草甸草原之一。然而自20 世紀50 年代以來，由于墾荒種地造成草原破壞，出現(xiàn)了沙漠化，形成了總面積為5 萬km2的格亥額勒蘇沙地，草原景觀格局的時空演變劇烈。目前，草原墾荒仍未停止，又出現(xiàn)了草原開礦、辦廠等經濟活動，使烏珠穆沁草原面臨著種種威脅。作為天然草甸草原中人類活動干擾嚴重的典型代表區(qū)域，烏珠穆沁草原在自然地理上有其獨特的空間分布格局，在生態(tài)上具有一定的脆弱生境特征和演化規(guī)律。因此，研究該地區(qū)景觀格局空間變化的相關內容，對天然草原生態(tài)系統(tǒng)的治理、恢復具有重要的學術價值和借鑒意義。

2.研究區(qū)概況及數(shù)據來源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)東部，行政區(qū)劃隸屬錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗，地處烏珠穆沁草原，是天然的草甸草原。地理坐標為：東經118°00′～118°45′、北緯46°20′以北至國境線，總面積1970km2。研究區(qū)屬北溫帶大陸性氣候，太陽輻射強烈，大風日數(shù)多，自然條件較為惡劣。區(qū)內地貌以低山丘陵與湖泊凹地相間排列，水系不發(fā)育，多形成湖泊，四周分布有條帶狀的風成沙地。區(qū)內動植物種類繁多，草叢高度為30～80cm，覆蓋度為70%～90%，部分草原荒漠化、沙化，并且存在小面積的裸露沙地。區(qū)內經濟發(fā)展方式以牧業(yè)為主、資源和能源為依托，擁有國內外少有的大型朝不楞多金屬礦床，并開展了草原特色旅游業(yè)、口岸等特色產業(yè)。

1.2 數(shù)據來源

本研究選用Landsat TM/ETM+影像為數(shù)據源，共選取了近15年來四個時期的遙感數(shù)據，各時相遙感影像成像時間及參數(shù)見表1。從1991年開始，每隔5年有一幅影像，保證了數(shù)據的連續(xù)性，每個時期的影像質量符合研究要求，且均能完全覆蓋研究區(qū)域。

表1 研究數(shù)據背景資料及成像參數(shù)

此外，本文所涉及的數(shù)據和資料還包括研究區(qū)1:5萬地形圖、地質圖，以及氣象、地貌、植被、礦產、經濟、社會等資料和報告。

表2 研究區(qū)地物類型及特征

2.研究方法

2.1 遙感影像處理與信息提取

在ENVI軟件的支持下，通過對研究區(qū)4期遙感影像進行幾何校正、波段選擇與合成、圖像裁剪、圖像增強、圖像分類等處理和解譯，結合野外調查數(shù)據及景觀分類原則和方法，對草原生態(tài)環(huán)境信息進行提取，生成遙感影像圖和遙感分類圖（見圖1和圖2）。并在GIS支持下，建立草原環(huán)境信息時空數(shù)據庫。

圖1 研究區(qū)四期TM432、ETM+743遙感影像圖

圖2 研究區(qū)四期遙感分類圖

2.2 景觀格局動態(tài)分析法

運用景觀生態(tài)學原理，通過對草原景觀格局的時空演變分析，有利于了解景觀結構與草原退化過程的關系，為草原生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復提供科學依據。基于研究區(qū)為草原環(huán)境中一個小尺度區(qū)域的考慮，選取景觀空間格局指數(shù)和景觀模擬模型兩種方法來定量描述1991年和2006年兩個年份的草原景觀格局的變化。

通過對兩個年份景觀單元特征指數(shù)和景觀異質性指數(shù)的分析，得出斑塊面積、最大斑塊面積、斑塊平均面積、斑塊數(shù)、邊界密度等景觀要素特征變化及優(yōu)勢度、多樣性、均勻度和分維數(shù)等景觀異質性變化，反映出兩個年份的草原景觀格局具體變化。

2.3 馬爾科夫鏈模型預測法

景觀模型可以建立景觀結構、功能和過程之間的相互關系，是預測景觀未來變化的有效工具。景觀模擬模型可分空間模型（Spatial Model）和非空間模型（Non-spatial Model）。馬爾科夫鏈（Markov Chain）模型是一種常用的景觀空間動態(tài)模型，采用轉移矩陣（Transition Matrix）來模擬景觀斑塊從一種類型轉變?yōu)榱硪环N類型的動態(tài)規(guī)律。

基于Landsat 5、Landsat 7遙感影像，通過遙感信息提取，得到草原環(huán)境時空變化數(shù)據庫。以年為單位，把草原環(huán)境的變化分為一系列離散的過程，根據各景觀類型的年平均轉化率，來確定景觀單元的轉移概率，建立轉移概率矩陣，利用馬爾科夫鏈模型模擬研究區(qū)的景觀動態(tài)演變過程并預測2010年、2015年和2020年的變化趨勢。

3.結果與分析

3.1 研究區(qū)草原環(huán)境動態(tài)變化分析

基于研究區(qū)四期遙感分類圖及草原環(huán)境時空數(shù)據庫中的矢量和屬性數(shù)據，研究區(qū)近15年來草原環(huán)境動態(tài)監(jiān)測結果表明：在1991—1996年間草原環(huán)境狀況良好；而從1996—2001年，草原環(huán)境持續(xù)惡化，表現(xiàn)為草地面積較1991年減少了23.51%，主導地類由較高蓋度草地轉變?yōu)槁愕?，且非草地區(qū)面積增加；從2001—2006年，草原環(huán)境得到改善，草地面積較2001年增加了22.89%，主導地類恢復為較高蓋度草地。

3.2 研究區(qū)草原景觀格局變化分析

通過對研究區(qū)1991年和2006年兩個時期景觀單元特征指數(shù)和景觀異質性指數(shù)的分析，整個研究區(qū)的景觀破碎化程度加大；較高蓋度草地和中蓋度草地的優(yōu)勢度減弱；景觀多樣性和均勻度增加，裸地和高蓋度草地所占比例增大；景觀分維數(shù)降低，人類對草原景觀的干擾增強。

3.3 研究區(qū)草原環(huán)境演變動態(tài)模擬及預測分析

運用馬爾科夫鏈模型模擬和預測研究區(qū)2010年、2015年和2020年環(huán)境的發(fā)展趨勢，結果表明：非草地區(qū)面積持續(xù)擴大，草地區(qū)除高蓋度草地外，其他類型的草地所占面積均下降，整個草原環(huán)境在未來15年內有惡化趨勢。

4.草原環(huán)境的驅動機制及整治措施

研究區(qū)草原環(huán)境變化的驅動機制從自然和人為兩個方面分析，主要驅動因子有地形地貌、氣候、土壤以及過度放牧、墾荒、盲目發(fā)展工礦業(yè)等。主要整治策略有“實行以草定畜、合理規(guī)劃布局工礦業(yè)、建立法律與法規(guī)和草原監(jiān)測體系，并加強宣傳教育、提高牧民的綜合素質和生態(tài)保護意識”。

[1] Seppelt，R.，A.Voinov..Optimization methodology for land use patterns using spatially explicit landscape models [J].Ecological Modeling，2002，151（2-3）： 125-142.

[2] 付博杰，陳利頂，馬克明等.景觀生態(tài)學原理及應用[M].北京： 科學出版社， 2001.

[3] 黃雄偉.基于GIS和RS的城市土地利用時空演化研究——以長沙市為例[D].北京： 中國地質大學，2008.

[4] 景愛.內蒙古烏珠穆沁草原的今昔[J].草原與草坪，2004，（3）： 3-5.

[5] 張宏斌，楊桂霞，黃青等.呼倫貝爾草甸草原景觀格局時空演變分析——以海拉爾及周邊地區(qū)為例[J].草業(yè)學報，2009，18（1）：134-143.

[6] 李振鵬，劉黎明，張虹波等.景觀生態(tài)分類的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].生態(tài)學雜志，2004，23（4）： 150-156.

[7] 葉貴祥，李維青，田源.基于NDVI的干旱區(qū)典型綠洲植被覆蓋動態(tài)變化分析——以策勒綠洲為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（9）： 128-133.