基于NDVI的藏北地區(qū)草地退化時空分布特征分析

曹旭娟，干珠扎布，梁艷，高清竹*，張勇，李玉娥，萬運帆，旦久羅布

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點實驗室，北京 100081；

3.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875；4.西藏自治區(qū)那曲地區(qū)草原站，西藏 那曲 852100)

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基于NDVI的藏北地區(qū)草地退化時空分布特征分析

曹旭娟1,2，干珠扎布1,2，梁艷1,2，高清竹1,2*，張勇3，李玉娥1,2，萬運帆1,2，旦久羅布4

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點實驗室，北京 100081；

3.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100875；4.西藏自治區(qū)那曲地區(qū)草原站，西藏 那曲 852100)

摘要：本文以藏北地區(qū)為研究區(qū)域，基于歸一化植被指數(shù)(NDVI)反演草地植被蓋度，以植被蓋度作為判斷草地退化的標(biāo)準(zhǔn)，綜合計算藏北地區(qū)2000-2010年逐年草地退化指數(shù)(grassland degradation index)，定量揭示藏北地區(qū)草地退化的時空分布規(guī)律。結(jié)果表明，截至2010年，藏北地區(qū)草地退化現(xiàn)狀仍然較為嚴(yán)重，退化草地的面積占全區(qū)面積的58.2%。其中，重度退化和極重度退化草地面積的比例分別為19.0%和6.5%，區(qū)域草地退化指數(shù)為1.97，接近中等退化水平。分區(qū)結(jié)果顯示，藏北地區(qū)中部、東部、北部草地退化情況較為嚴(yán)重，均處于中等退化等級，西部地區(qū)的退化情況最輕，處于輕度退化等級。分析2000-2010年藏北地區(qū)全區(qū)及各個分區(qū)的草地退化趨勢表明，只有北部地區(qū)有減緩趨勢；2000-2010年間與1981-1985年間對比結(jié)果顯示，重度退化及極重度退化草地面積比例上升幅度較大。2000-2010年間藏北地區(qū)平均草地退化指數(shù)為1.84，草地退化等級在輕度退化到中度退化之間波動。

關(guān)鍵詞：草地退化；NDVI；植被蓋度；藏北地區(qū)

草地資源不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的自然資源之一，也是畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且在防風(fēng)固沙、保持水土及涵養(yǎng)水源等方面起著重要的作用[1]。藏北地區(qū)是全國五大牧區(qū)之一的西藏自治區(qū)主要畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。在藏北地區(qū)，草地是最重要、面積最大的自然生態(tài)系統(tǒng)，是廣大牧民生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)條件[2]。近年來，在自然和人為雙重因素的影響下，該地區(qū)草地表現(xiàn)出不同程度的退化，草地生產(chǎn)力明顯下降[3-5]。隨著草地生態(tài)系統(tǒng)的退化，該區(qū)域荒漠化、沙化面積逐年擴(kuò)大，水土流失加重，加速了江河源區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，甚至對生態(tài)環(huán)境造成了災(zāi)難性的破壞[6-8]。此外，草地退化也將影響藏北地區(qū)的畜牧業(yè)發(fā)展，阻礙當(dāng)?shù)啬撩衩撠氈赂?，進(jìn)而影響藏北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)、穩(wěn)定和健康發(fā)展[9]。監(jiān)測和分析藏北地區(qū)草地退化的空間分布規(guī)律有助于針對不同區(qū)域的分布特征實施相應(yīng)的恢復(fù)措施及管理手段，而揭示時間分布規(guī)律則反映和驗證了藏北地區(qū)草地恢復(fù)措施及管理方式的有效性。

遙感技術(shù)可從多時相、多波段提取地表覆蓋狀況[10]，隨著其技術(shù)的發(fā)展，陸地表面空間特征的研究在空間數(shù)據(jù)的支持下在空間變化和定量化研究方面有了長足的發(fā)展，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化提供了定量化的可研究途徑[11]。歸一化植被指數(shù)NDVI能夠較好的反映植被的生長分布特征及變化情況[5]。高清竹等[12]選擇草地植被蓋度作為評價草地退化的遙感監(jiān)測指標(biāo)，建立了藏北地區(qū)草地退化遙感監(jiān)測與評價的指標(biāo)體系，對藏北地區(qū)1981-2004年草地退化的時空分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，截止到2004年，藏北地區(qū)草地退化局勢十分嚴(yán)重。馮琦勝等[13]使用遙感動態(tài)監(jiān)測的方法，利用地上生物量作為草地生長狀況的檢測指標(biāo)研究了青藏高原2001-2010年的草地生長狀況，表明青藏高原地區(qū)2001-2010年草地地上生物量總體有增加的趨勢。21世紀(jì)以來，藏北地區(qū)草地退化表現(xiàn)出新的特征和趨勢，而以往研究的結(jié)果頗具差異。本文基于植被蓋度以草地退化指數(shù)作為草地退化指標(biāo)，定量分析自21世紀(jì)以來藏北地區(qū)草地退化時空特征，為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本文所研究的藏北地區(qū)與那曲地區(qū)的行政區(qū)劃基本吻合，土地總面積約為44.6萬km2。藏北地區(qū)位于西藏自治區(qū)的北部，是青藏高原的腹地，平均海拔4500 m以上，其地理坐標(biāo)為E 83°41′14″至95°10′46″，N 30°27′25″至35°39′13″。該地區(qū)是我國長江、怒江、瀾滄江等主要河流的發(fā)源地。全地區(qū)下轄那曲、安多、聶榮、比如、嘉黎、巴青、索縣、班戈、申扎、尼瑪、雙湖等11個縣。根據(jù)本文的研究需要，將全區(qū)分為東部、西部、北部和中部4個區(qū)域，具體分區(qū)情況見圖1。

1.2數(shù)據(jù)來源

1981-1985年AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)，來自美國國家海洋大氣局的NOAA衛(wèi)星，空間分辨率為8 km×8 km； 2000-2010年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，來源于美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)MODIS陸地產(chǎn)品按照統(tǒng)一算法開發(fā)的16d最大合成植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13Q1)，空間分辨率為250 m×250 m；藏北地區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)。

圖1　藏北地區(qū)(那曲)行政區(qū)劃與分區(qū)圖Fig.1　Location and subarea of northern Tibet (Naqu)

1.3研究方法

1.3.1植被蓋度的計算已有研究表明，植被蓋度與歸一化植被指數(shù)NDVI之間存在著極顯著線性相關(guān)關(guān)系[14]。在遙感監(jiān)測地表植被蓋度時，通常利用植被蓋度與NDVI之間的關(guān)系反演植被蓋度，其計算公式如下[12]：

(1)

式中，VC為植被蓋度，NDVIS為研究區(qū)最小NDVI值(即裸土的NDVI值)，NDVIV為研究區(qū)域最大NDVI值或純植被像元的NDVI值。

1.3.2草地退化評價指標(biāo)體系國家標(biāo)準(zhǔn)“天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)(GB19377-2003)”明確提出了以20 世紀(jì)80 年代初的監(jiān)測區(qū)域相同草地類型的未退化草地植被特征與地表、土壤狀況為未退化草地基準(zhǔn)[12,15]。因此，本文以1981-1985年間的最大草地植被蓋度作為基準(zhǔn)(即未退化草地植被蓋度)，將草地退化程度分為5級，即未退化草地、輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地及極重度退化草地。以草地植被蓋度作為評價指標(biāo)，評價標(biāo)準(zhǔn)為未退化草地植被蓋度[12,15]，具體的草地退化等級劃分方法見表1。

表1　藏北地區(qū)草地退化遙感監(jiān)測等級劃分方法

在以上草地退化等級劃分的基礎(chǔ)上，采用草地退化指數(shù)(grassland degradation index)來表示藏北地區(qū)的草地退化情況[12]。草地退化指數(shù)的計算公式為：

(2)

式中，GDI為草地退化指數(shù)；Di為草地退化等級i的評分(表1)；Ai為草地退化等級i的分布面積；A為研究區(qū)草地總面積。

通過結(jié)合草地退化等級和草地退化指數(shù)，綜合判定藏北地區(qū)2000至2010年草地退化情況及其時空分布規(guī)律(表2)。

1.4數(shù)據(jù)分析

本文采用3年滑動平均法得到2000-2010年研究區(qū)逐年NDVI數(shù)據(jù)，用遙感反演的方法，基于ENVI5.1平臺的Band Math工具，通過公式(1)計算得到2000-2010年研究區(qū)各像元植被蓋度。根據(jù)上述建立的草地退化分級指標(biāo)和評價體系，基于ENVI5.1，計算得到研究區(qū)各像元草地退化級別進(jìn)而統(tǒng)計得到各退化級別草地的面積及比例。最后，通過Excel軟件利用公式(2)計算得到全區(qū)及各分區(qū)的草地退化指數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1藏北地區(qū)草地退化現(xiàn)狀及空間分布特征

表2　藏北地區(qū)草地退化評價指標(biāo)綜合判別[12]

圖2　2010年藏北地區(qū)草地退化分布圖Fig.2　Grassland degradation in northern Tibet in 2010

2010年，藏北地區(qū)未退化的草地面積為18.74萬km2，占全區(qū)總面積的41.8%；輕度退化的草地面積為5.45萬km2，占全區(qū)面積的12.1%；中度、重度和極重度退化的草地面積分別為6.76，8.52和2.92萬km2，分別占藏北地區(qū)總面積的15.1%，19.0%和6.5%(圖2和圖3)。

截至2010年，藏北地區(qū)的GDI為1.97，接近中等退化水平。藏北地區(qū)的草地退化狀況存在著較為明顯的空間差異。從不同區(qū)域來看，北部地區(qū)的退化最為嚴(yán)重，其GDI為2.16；其次是中部地區(qū)和東部地區(qū)，GDI分別為2.10和2.01；退化程度最輕的為西部地區(qū)，GDI為1.89。中部、北部和東部3個區(qū)域的草地退化指數(shù)均處在中等退化等級，而西部地區(qū)的草地退化指數(shù)處于輕度退化級別。如圖2所示，退化草地在尼瑪縣北部、雙湖特區(qū)北部及安多縣北部分布較為集中；此外，那曲縣、安多縣、聶榮縣三縣交界處，及班戈縣、申扎縣和尼瑪縣中部的部分區(qū)域退化草地分布也較為集中(圖4)。

圖3　2010年藏北地區(qū)不同草地退化等級分布比例Fig.3　Proportion of different degree of grassland degradation in northern Tibet in 2010

2.2藏北地區(qū)草地退化趨勢分析

圖4　2010年藏北地區(qū)全區(qū)及各分區(qū)草地退化指數(shù)Fig.4　Grassland degradation index of different areas in northern Tibet in 2010

2.2.1草地退化指數(shù)的變化趨勢2000-2010年，藏北地區(qū)草地退化指數(shù)存在年際間的浮動，草地退化變化趨勢不明顯。從各分區(qū)來看，北部地區(qū)草地退化具有明顯的減緩趨勢(P<0.05)，但減緩的幅度較??；此外，東部、西部及中部地區(qū)均無明顯的變化趨勢(圖5)。

分時段來看，2005-2010年間藏北地區(qū)全區(qū)的GDI與2000-2004年間相比無顯著變化，北部地區(qū)略有下降，從2000-2004年間的2.23下降到2005-2010年間的2.02；東部、中部和西部3個地區(qū)的都略有上升，但上升的幅度較小，分別從2000-2004年間的1.92，1.90和1.79到2005-2010年間的1.98，1.92和1.82。

圖5　藏北地區(qū)全區(qū)及各分區(qū)草地

2000-2010年間的GDI與1981-1985年間的數(shù)據(jù)對比分析表明，全區(qū)的GDI表現(xiàn)為下降，由1981-1985年間的1.95到2000-2010年間的1.84，表明21世紀(jì)以來的草地退化程度相較80年代初期的結(jié)果有所改善；北部、東部和中部地區(qū)的GDI均表現(xiàn)為上升，由1981-1985年間的1.86，1.61和1.51上升到2000-2010年間的2.03，1.92和1.86；西部地區(qū)的GDI表現(xiàn)為下降，且下降幅度較大，由1981-1985年間的2.10下降為2000-2010年間的1.77(表 3)。

表3　不同時段藏北地區(qū)草地退化指數(shù)變化特征

2.2.2草地退化等級的分布比例及變化趨勢藏北地區(qū)2000-2010年各年份退化草地所占面積的比例均較高，介于37.65%～55.20%之間。退化草地面積所占比例的最大值出現(xiàn)在2005年，最小值出現(xiàn)在2008年。處于極嚴(yán)重退化草地等級和嚴(yán)重退化草地等級的面積所占比例略高，介于14.57%～28.19%之間。最高值出現(xiàn)在2000年，最小值出現(xiàn)在2008年(圖6)。

圖6　藏北地區(qū)2000-2010年不同草地退化等級的分布特征Fig.6　Distribution of different grassland degradation grade from 2000 to 2010 in northern Tibet

對比2000-2010年和1981-1985年兩個時間段(表4)，發(fā)現(xiàn)藏北地區(qū)極嚴(yán)重和重度退化草地面積的比例均大幅度增加；極重度退化面積由1981-1985年間的0.5%增長到2000-2010年間的7.2%，極嚴(yán)重退化草地面積增加約2.84萬km2；重度退化草地的面積由1981-1985年間的10.0%增加到2000-2010年間的18.0%，其增加面積約為3.39萬km2。中度退化草地面積比例浮動較小，由16.1%減少到15.9%，其減少面積約為0.08萬km2。輕度退化草地面積的比例由28.1%減少到14.1%，其減少面積約為5.94萬km2。未退化草地面積的比例也略有減少，由45.3%到44.8%，其減少面積約為0.21萬km2。

3討論

草地退化是影響草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要原因，并且嚴(yán)重制約草地畜牧業(yè)發(fā)展。草地退化是氣候變化和人類活動綜合作用的結(jié)果[9]。時間變化特征顯示，藏北西部地區(qū)草地較20世紀(jì)80年代初有明顯的恢復(fù)趨勢。草地退化指數(shù)由2.10下降到1.77，即由中度退化水平恢復(fù)到輕度退化水平。近年來，藏北西部地區(qū)氣溫明顯升高，大部分區(qū)域降水量增多，氣候呈暖濕化趨勢，氣候變化趨勢對藏北西部地區(qū)草地十分有利[16]。對禁牧草地和自由放牧草地的對比調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域禁牧草地的地上生物量顯著高于自由放牧草地[17]。因此，藏北西部地區(qū)的禁牧休牧措施對近年來的草地恢復(fù)起到了積極作用。除西部地區(qū)外，從80年代初期到21世紀(jì)初藏北地區(qū)其他區(qū)域草地均表現(xiàn)出退化的趨勢。李亞楠等[18]研究表明與20世紀(jì)90年代相比，藏北中部地區(qū)2000-2010年間草地退化加劇，鼠害、過度放牧以及草地建設(shè)與管護(hù)力度不夠等人為因素是造成藏北中部地區(qū)草地退化的重要原因。段敏杰等[19]對藏北地區(qū)北部安多縣紫花針茅(Stipapurpurea)草原的研究表明過度放牧使植物群落的蓋度、地上生物量均呈現(xiàn)顯著降低的趨勢。藏北中部和東部地區(qū)人口逐年增加，人類活動進(jìn)一步加劇。對該區(qū)域禁牧草地和自由放牧草地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地上生物量并沒有顯著差異[17]。而噴灌在干旱年份對該區(qū)域草地生產(chǎn)力和物種多樣性影響顯著[20]。氮磷配施能顯著提高植被蓋度及地上、地下生物量[21]。因此，禁牧措施對于該區(qū)域草地恢復(fù)的效果并不明顯，禁牧休牧和灌溉、施肥相結(jié)合可能是該區(qū)域草地恢復(fù)更為有效的方法。

表4　不同時段藏北地區(qū)草地退化等級分布比例變化特征

截至2010年，藏北地區(qū)的草地退化局勢仍然較為嚴(yán)峻。其空間分布特征顯示，退化草地在尼瑪縣北部、雙湖特區(qū)北部及安多縣北部分布較為集中，該區(qū)域為江河源區(qū)，冰川與雪山集中分布，對氣候變化極度敏感；此外，那曲縣、安多縣、聶榮縣三縣交界處，及班戈縣、申扎縣和尼瑪縣中部的部分區(qū)域退化草地分布也較為集中，該區(qū)域人口分布較為集中，或者為交通沿線，人類活動對該區(qū)域草地退化的影響較大。藏北地區(qū)干旱、大風(fēng)等多種不利氣候因素相互配合為草地退化提供了外在動力條件，而過度放牧等人為干預(yù)強(qiáng)度的不斷提高則是藏北高原草地退化發(fā)生、發(fā)展的主要因素[18]。目前，禁牧是世界上普遍應(yīng)用于退化草地恢復(fù)的管理方法，禁牧可以通過自然作用力使退化草地的植被與土壤得到恢復(fù)，使植被的地上和地下生物量增加[22-23]。高寒草甸實施全年禁牧、生長季休牧均顯著提高草地生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分含量[24]。21世紀(jì)以來，國家和自治區(qū)政府為保護(hù)藏北地區(qū)草地資源，促進(jìn)退化草地的恢復(fù)，在藏北地區(qū)實施了一系列禁牧休牧的政策。建議在以后的草地恢復(fù)工程中，應(yīng)結(jié)合藏北地區(qū)草地退化分布及原因的空間異質(zhì)性，因地制宜，制定符合不同區(qū)域的草地恢復(fù)措施。

4結(jié)論

1)截至2010年，藏北地區(qū)退化草地面積為22.59萬km2，占藏北地區(qū)面積的58.2%，其中重度和極重度退化草地面積所占比例較大，分別為19.0%和6.5%。藏北地區(qū)草地退化局勢仍然嚴(yán)重。

2)2000-2010年期間，藏北地區(qū)草地退化趨勢無顯著變化。分區(qū)來看，僅北部地區(qū)有顯著的恢復(fù)趨勢，但恢復(fù)的幅度較小，截至2010年仍處于中度退化水平；其余各區(qū)均無顯著的變化趨勢。

3)藏北地區(qū)近十年間草地退化情況與1981-1985年間相比，未退化草地面積變化較??；輕度退化草地比例由28.1%下降到14.1 %，重度和極重度退化草地比例分別由10.0%和0.5%上升到18.0%和7.2%。分區(qū)來看，與1981-1985年間相比，只有西部地區(qū)草地退化指數(shù)有所下降，其他地區(qū)的草地退化指數(shù)均表現(xiàn)為上升。

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Temporal and spatial distribution of grassland degradation in northern Tibet based on NDVI

CAO Xu-Juan1,2, Ganjurjav H1,2, LIANG Yan1,2, GAO Qing-Zhu1,2*, ZHANG Yong3, LI Yu-E1,2, WAN Yun-Fan1,2, DANJIU-Luobu4

1.InstitudeofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgricultureScience,Beijing100081,China; 2.KeyLaboratoryforAgro-Environment&ClimateChange,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 3.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 4.NaquGrasslandStation,TibetAutonomousRegion,Naqu852100,China

Abstract:An expansive alpine grassland ecosystem dominates the landscape in Northern Tibet, and the status of this grassland has significant implications for the major Asian rivers, and for the climate and eco-environment of Tibet and the wider region. The harsh natural environment and fragile ecosystem, together with increasing frequency and intensity of human activities such as pastoralism, and climate change, have resulted in increasing reports of degradation of the grassland ecosystem. We used vegetation cover as main indicator of ecosystem health, and with remote sensing monitoring, calculated the grassland degradation index (GDI) and evaluated grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010. The analysis was based on the Normalized Differential Vegetation Index (NDVI) data from the Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR) with a spatial resolution of 8 km from 1981 to 1985 and from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) with a spatial resolution of 0.25 km of 2000-2010. Then, we have analyzed the temporal and spatial distribution of grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010. It was found that grassland degradation in Northern Tibet was still severe. The GDI was 1.97 in 2010, near to seriously degraded status. The extremely seriously degraded and seriously degraded categories occupied 6.5% and 19.0% of the study area, respectively. The moderately and slightly degraded grassland categories accounted for 15.1% and 12.1%, respectively. Undegraded grassland occupied 41.8% of the total grassland area in 2010. The extent of extremely seriously degraded and seriously degraded categories was greatly increased in the data from 2000-2010, compared with the period from 1981-1985. However, the increase in grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010 was slight, with the mean value of the GDI being 1.84 in 2010, representing a change from light degradation to moderate degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010.

Key words:grassland degradation; NDVI; vegetation cover; northern Tibet

*通信作者

Corresponding author. E-mail: gaoqingzhu@caas.cn

作者簡介：曹旭娟(1989-)，女，山西太原人，碩士。E-mail：caoxujuan@sina.com

基金項目：國家科技支撐課題(2012BAC01B02)，國家自然科學(xué)基金項目(31170460)和西藏那曲地區(qū)與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作項目資助。

收稿日期：2015-08-30；改回日期：2015-11-16

DOI：10.11686/cyxb2015378

http://cyxb.lzu.edu.cn

曹旭娟，干珠扎布，梁艷，高清竹，張勇，李玉娥，萬運帆，旦久羅布. 基于NDVI的藏北地區(qū)草地退化時空分布特征分析. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(3): 1-8.

CAO Xu-Juan, Ganjurjav H, LIANG Yan, GAO Qing-Zhu, ZHANG Yong, LI Yu-E, WAN Yun-Fan, DANJIU-Luobu. Temporal and spatial distribution of grassland degradation in northern Tibet based on NDVI. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 1-8.