三江源區(qū)“黑土灘”型退化草地時(shí)空變化

朱 霞，鈔振華，楊永順，張曉明

（1.青海省環(huán)境監(jiān)測中心站，青海 西寧810007；2.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通226007）

“黑土灘”退化草地是青藏高原高寒環(huán)境條件下，以嵩草屬（Kobresia）植物為建群種的高寒草甸嚴(yán)重退化后形成的一種大面積次生裸地，或原生植被退化后形成的丘島狀的自然景觀，主要由未破壞草皮和禿斑地組成［1］。素有“江河源”之稱的三江源區(qū)地處青藏高原腹地，是長江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地，是保障整個(gè)三江流域中下游地區(qū)乃至東南亞國家水安全極為重要的生態(tài)功能區(qū)。作為源區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的主體，高寒草甸既是支撐高原畜牧業(yè)發(fā)展、維系農(nóng)牧民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，又對涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性等生態(tài)功能有著不可替代的作用［2-3］。在氣候變暖和長期超載放牧的影響下，江河源區(qū)的草地退化現(xiàn)象明顯，形成了大面積“黑土灘”型退化草地，主要表現(xiàn)為嵩草屬植物在草群中的比例顯著下降，可食牧草比例及地下根量隨之下降，而毒草比例顯著增加。“黑土灘”型退化草地如不及時(shí)加以綜合恢復(fù)治理，很容易變成風(fēng)蝕草地，進(jìn)而失去利用價(jià)值［4-8］。及時(shí)準(zhǔn)確地了解“黑土灘”型退化草地的空間分布及動(dòng)態(tài)變化，對治理三江源地區(qū)草原退化和推進(jìn)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為重要。

遙感技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)大面積同步監(jiān)測和時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，在生態(tài)環(huán)境變化、草地資源監(jiān)測等方面的應(yīng)用得到了肯定［9-12］，在草地類型、草產(chǎn)量、載畜量及草地退化成因等調(diào)查方面都起到了重要作用［13-15］。目前，利用遙感技術(shù)針對“黑土灘”型退化草地的動(dòng)態(tài)變化及空間分布的監(jiān)測研究鮮有報(bào)道。李永花等［13］利用TM衛(wèi)星遙感圖像，采用人工目視判讀的方法對三江源地區(qū)黑土灘退化草地進(jìn)行了解譯，形成該地區(qū)黑土灘退化草地本底資料數(shù)據(jù)。其他研究傾向于從生態(tài)學(xué)角度研究不同退化程度黑土灘草地群落特征的變化、危害以及治理方案等方面的探討［14-16］。“黑土灘”特殊的禿斑狀形態(tài)是利用遙感技術(shù)對其進(jìn)行監(jiān)測的難題。本研究利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)QuickBird影像和中分辨率的Landsat TM影像，研究了三江源區(qū)達(dá)日縣項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)典型“黑土灘”退化草地的空間分布范圍，對比了兩種遙感資料在“黑土灘”退化草地監(jiān)測的優(yōu)勢，并利用TM資料分析了研究區(qū)2000-2011年“黑土灘”退化草地的時(shí)空變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

達(dá)日縣位于青海省果洛藏族自治州東南部，98°15′-100°33′E，32°37′-34°15′N，全縣東西長162km，南北寬126km，總面積約1.5萬km2。地形呈蝴蝶狀，地勢西北高，東南低，全縣平均海拔4 000m，巴顏喀拉山脈從西北向東南延伸，將達(dá)日分為長江、黃河兩大水系。該縣氣候變化劇烈，晝夜溫差大，冬長夏短，四季不分明，年均降水量569 mm，屬半濕潤高寒氣候［17-18］。天然草地約占全縣土地面積的94%，草地每年5月中旬開始返青，牧草生長期只有120d左右。目前，達(dá)日全縣“黑土灘”退化草地面積達(dá)到5 488km2，占全縣中度以上退化草地面積的56.8%。為更好地了解三江源生態(tài)恢復(fù)保護(hù)和建設(shè)的成效，本研究在達(dá)日縣東部（以滿掌鄉(xiāng)布東牧區(qū)為主）建立了項(xiàng)目研究區(qū)，并利用GPS在項(xiàng)目區(qū)監(jiān)測了90個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行了“黑土灘”退化草地實(shí)地調(diào)查（圖1）。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)介紹

QuickBird衛(wèi)星是由美國Digital Global公司于2007年10月18日發(fā)射的，全色波段地面分辨率為0.61m，多光譜波段空間分辨率為2.44m，重訪周期為1～6d，成像幅寬16.5km×16.5km，是目前世界上應(yīng)用較為廣泛的高分辨率商業(yè)衛(wèi)星之一。Landsat-5衛(wèi)星是美國于1984年3月發(fā)射的光學(xué)對地觀測衛(wèi)星，空間分辨率為30m，掃描帶寬185 km。針對2005年1月26日經(jīng)國務(wù)院常務(wù)會(huì)議批準(zhǔn)的青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃以及相應(yīng)具體生態(tài)工程項(xiàng)目在研究區(qū)的實(shí)施，本研究選用的遙感資料主要包括：2007年6月29日QuickBird影像，2000年7月1日、2007年7月14日和2011年8月1日共3期Landsat TM影像，其中QuickBird影像主要用于評價(jià)Landsat TM影像對黑土灘的解譯結(jié)果。雖然QuickBird影像空間分辨率高、解譯精度高，但其覆蓋范圍小、價(jià)格昂貴，而Landsat TM影像覆蓋范圍大，經(jīng)濟(jì)上可行。因此，利用2 0 0 0、2 0 0 7和2 0 1 1年的Landsat TM影像分析以放牧為主要利用方式的試驗(yàn)區(qū)的“黑土灘”型退化草地的時(shí)空變化。

圖1 研究區(qū)及GPS采樣點(diǎn)Fig.1 The study area and GPS sampling points

2.2 研究方法

單景影像往往不能覆蓋項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)，借助影像鑲嵌技術(shù)將多幅遙感圖像拼接在一起，構(gòu)成試驗(yàn)區(qū)的整體圖像。為了提高影像目視解譯和自動(dòng)識別的精度，充分利用全色波段的高空間分辨率和多光譜波段豐富的光譜信息，對遙感影像進(jìn)行圖像融合以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)多光譜圖像空間分辨率。然后利用野外的調(diào)查結(jié)果建立判讀標(biāo)志庫，利用人機(jī)交互的方式對影像進(jìn)行目視解譯，并對解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證修整，最終獲取研究區(qū)“黑土灘”空間分布范圍（圖2）。

另外，依據(jù)青海省地方標(biāo)準(zhǔn)《“黑土型”退化草地登記劃分及綜合治理技術(shù)規(guī)程》（DB63），將“黑土灘”退化草地的等級劃分為輕度、中度和重度三級。

3 結(jié)果與分析

3.1 QuickBird與Landsat TM影像對比分析

高分辨率的QuickBird影像能很好地反映地面真實(shí)土地利用狀況（表1），根據(jù)紋理、陰影等特征對該試驗(yàn)區(qū)的QuickBird影像進(jìn)行遙感解譯，土地利用狀況與GPS采樣點(diǎn)實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本吻合（圖3、4），因此，將QuickBird影像解譯結(jié)果作為真值。同樣對中分辨率的Landsat TM影像進(jìn)行遙感解譯，與真值影像對比，發(fā)現(xiàn)Landsat TM影像解譯結(jié)果較差，不能很好地識別灌木類植被覆蓋、交通運(yùn)輸用地及住宅用地等土地利用狀況。

圖2 “黑土灘”退化草地變化分析的遙感監(jiān)測技術(shù)路線圖Fig.2 Remote sensing monitoring technology roadmap of Black Soil Type Degraded grassland spatial-temporal variations

表1 2007年7月1日TM影像與6月29日QuickBird影像的試驗(yàn)區(qū)土地利用類型比較Table 1 Comparing the land-use type of QuickBird image on June 29，2007with the Landsat TM images on July 1，2007

對占地面積較大的土地利用類型，Landsat TM影像的判別誤差較小，相反對占地面積較小的土地類型的判別誤差較大。非黑土灘類中河流水面的判讀誤差最大，為331.03%；沼澤地的判讀誤差最小，為10.19%；對占地面積較小的灌木林地、農(nóng)村宅基地和農(nóng)村道路沒有判別出來，天然草地、栽培草地和內(nèi)陸灘涂判讀誤差介于31%～62%，非黑土灘類整體判讀誤差為20.89%，黑土灘類中度黑土灘的判別誤差最大，為75.15%，重度黑土灘的判別誤差最小，為9.69%，輕度黑土灘的判別誤差為24.39%，黑土灘類整體判讀誤差為4.64%。這表明Landsat TM影像解譯結(jié)果對非黑土灘類土地利用類型的判讀誤差較大，對黑土灘類土地利用類型的判讀誤差較小，能夠滿足“黑土灘”型退化草地的監(jiān)測研究。

非黑土灘類中天然草地主要分布于海拔為4 300m左右的試驗(yàn)區(qū)東南部；栽培草地受人類活動(dòng)影響較大，主要分布在河谷地；內(nèi)陸灘涂和沼澤地面積較小，主要分布在河流附近區(qū)域；黑土灘類土地分布較廣，約占研究區(qū)面積的92%；其中輕度黑土灘主要分布在海拔4 100-4 250m，占黑土灘類面積的67%，中度黑土灘零散地分布在各種土地利用類型中，占黑土灘類面積的2%；重度黑土灘廣泛分布于整個(gè)試驗(yàn)區(qū)，占黑土灘類面積的31%（圖3、4）。

3.2 “黑土灘”型退化草地的時(shí)空變化

如表2所示，與2000年相比，2007年非黑土灘總面積減小了2.60km2，其中天然草地面積減小了2.93km2，栽培草地面積增大了0.23km2，草地類總面積減小了2.70km2，年均減小0.39km2；灌木林地、農(nóng)村宅基地、農(nóng)村道路和河流水面的面積均無變化；內(nèi)陸灘涂面積增大了0.25km2，沼澤地面積減小了0.15km2。與2000年相比，2011年非黑土灘總面積增大了5.08km2，其中天然草地面積增加了3.99km2，栽培草地面積增大了1.20km2，草地類總面積增大了5.19km2，年均增大0.47km2；灌木林地、農(nóng)村宅基地、農(nóng)村道路和河流水面的面積均無變化；內(nèi)陸灘涂面積減小了0.06km2，沼澤地面積減小了0.05km2。與2007年相比，2011年非黑土灘總面積增大了7.68km2，其中天然草地面積增加了6.92km2，栽培草地面積增大了0.97km2，草地類總面積增大了7.89km2，年均增大1.97km2；灌木林地、農(nóng)村宅基地、農(nóng)村道路和河流水面的面積均無變化；內(nèi)陸灘涂面積減小了0.31km2，沼澤地面積增加了0.10km2。結(jié)果顯示，2000-2007年研究區(qū)非黑土灘總面積緩慢減小，草地類總面積緩慢減小，2007-2011年非黑土灘總面積快速增大，表明三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施后，研究區(qū)非黑土灘總面積增大，草地退化的趨勢得到了有效遏制，草地覆被狀況有所好轉(zhuǎn)。

圖3 2007年6月29日QuickBird影像的試驗(yàn)區(qū)土地利用類型圖Fig.3 The land use type of QuickBird image on June 29，2007

圖4 2000、2007、2011年Landsat TM影像的試驗(yàn)區(qū)土地利用類型圖Fig.4 The land use type based on the Landsat TM image taken in 2000，2007and 2011

表2 2000、2007及2011年試驗(yàn)區(qū)“黑土灘”退化草地面積比較變化統(tǒng)計(jì)Table 2 The area statistics of Black Soil Type Degraded grassland in 2000，2007，and 2011 km2

與2000年相比，2007年黑土灘類總面積增大了2.60km2，年均增加0.37km2；其中輕度黑土灘面積增加了2.17km2，年均增加0.31km2；中度黑土灘面積減小了0.79km2，年均減小了0.11km2；重度黑土灘面積增加了1.22km2，年均增加了0.17 km2。與2000年相比，2011年黑土灘類總面積減小了5.08km2，年均減小了0.46km2；其中輕度黑土灘面積減小了3.05km2，年均減小0.28km2；中度黑土灘面積減小了0.27km2，年均減小了0.02 km2；重度黑土灘面積減小了1.76km2，年均減小0.16km2。與2007年相比，2011年黑土灘類總面積減小了7.68km2，年均減小1.92km2；其中輕度黑土灘面積減小了5.22km2，年均減小1.31km2；中度黑土灘面積增大了0.52km2，年均增大0.13 km2；重度黑土灘面積減小了2.98km2，年均減小0.75km2。結(jié)果顯示，2000-2007年研究區(qū)黑土灘總面積緩慢增大，2007-2011年黑土灘總面積快速縮減，表明三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施后，研究區(qū)黑土灘的擴(kuò)展趨勢得到有效遏制。

4 討論

“黑土灘”是青藏高原高寒草甸草原獨(dú)有的草地退化現(xiàn)象，草地退化成“禿斑”狀，易引起毒雜草叢生、鼠害橫行、草皮融凍剝離，造成植被蓋度降低、土壤肥力不斷降低，進(jìn)而對草地畜牧業(yè)的發(fā)展和人文環(huán)境帶來嚴(yán)重的負(fù)作用。周強(qiáng)等［19］指出達(dá)日縣人口稀少，雖然居民和工礦用地面積增長很快，但總量不大，不會(huì)對土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響。雖然三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的實(shí)施有效地保護(hù)了草地，植被得到了恢復(fù)，“黑土灘”型草地得到了有效改良，其增長趨勢得到了有效遏制，目前共識是三江源地區(qū)的草地退化是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，但對草地退化原因的認(rèn)知仍不夠全面［20-23］，應(yīng)針對高原“黑土灘”發(fā)生面積、分布規(guī)律進(jìn)行深入研究并分析引起高寒草甸退化的原因。此外，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，受多種因素的綜合影響，如何保持草地生態(tài)長期穩(wěn)定恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展，仍需進(jìn)行長期系統(tǒng)的科學(xué)監(jiān)測和實(shí)時(shí)保護(hù)。

5 結(jié)論

本研究利用高分辨率QuickBird影像分析和中分辨率Landsat TM影像，通過比較2000年、2007年及2011年Landsat TM影像解譯的試驗(yàn)區(qū)土地利用類型面積，分析2000-2011年試驗(yàn)區(qū)“黑土灘”型草地的動(dòng)態(tài)變化。主要結(jié)果如下：

1）通過與高分辨率QuickBird影像的對比，中分辨率Landsat TM影像雖然不能很好地反映灌木類植被覆蓋、交通運(yùn)輸用地及住宅用地等土地利用狀況，但其解譯結(jié)果能夠滿足“黑土灘”退化草地的監(jiān)測。雖然QuickBird影像空間分辨率高、解譯精度高，但其覆蓋范圍小、價(jià)格昂貴，而Landsat TM影像覆蓋范圍大，經(jīng)濟(jì)上可行。因此，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用兩方面來說，本研究選取中分辨率Landsat TM影像作為三江源區(qū)“黑土灘”型退化草地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測的遙感影像數(shù)據(jù)。

2）2000-2007年，研究區(qū)非黑土灘總面積緩慢減小，草地類總面積緩慢減小，黑土灘類總面積增大。由于受人為破壞等多種因素的影響較大，草地類總面積年均減小，草地呈現(xiàn)退化趨勢；黑土灘總面積年均增大，黑土灘呈現(xiàn)蔓延趨勢。

3）2007-2011年，研究區(qū)非黑土灘總面積增大了7.68km2，其中草地類總面積增大了7.89 km2，年均增大1.97km2；內(nèi)陸灘涂面積略有減小。黑土灘類總面積減小1.92km2，其中輕度和重度黑土灘面積減小較快。結(jié)果表明，三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施后，研究區(qū)非黑土灘總面積增大，草地退化的趨勢得到了有效遏制，草地覆被狀況有所好轉(zhuǎn)；黑土灘總面積減小，其擴(kuò)展趨勢得到有效遏制。

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