2000～2010年陜北地區(qū)草地退化狀況時空分析

宋 輝，劉 康，古 超

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127)

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2000～2010年陜北地區(qū)草地退化狀況時空分析

宋 輝，劉 康*，古 超

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710127)

摘要[目的]研究陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)提供理論依據(jù)。[方法]在對2000～2010年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)變化狀況進(jìn)行遙感解譯的基礎(chǔ)上，運用GIS技術(shù)分析退化草地生態(tài)系統(tǒng)時空分布狀況。采用退化草地動態(tài)變化度、轉(zhuǎn)類指數(shù)、景觀指數(shù)，多角度、多層次地對陜北地區(qū)退化草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析。[結(jié)果] 2010年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)狀況較差，退化草地總面積為38 005.77 km2，占該地區(qū)草地總面積的88.28%。2000～2005、2005～2010年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)向著改善的方向發(fā)展，2000～2005年極度退化草地面積減少了14 693.37 km2，未退化草地面積增加了793.79 km2，2005～2010年極度退化草地面積減少了11 306.56 km2，未退化草地面積增加了4 247.21 km2。[結(jié)論] 2000～2010年陜北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)呈改良趨勢，但是2010年草地生態(tài)系統(tǒng)狀況仍較差。后續(xù)需繼續(xù)加大對陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與保護(hù)力度，構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能健康的草地生態(tài)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞草地退化；時空變化；轉(zhuǎn)移矩陣；景觀格局指數(shù)；陜北地區(qū)

草地(原)退化是指草地生態(tài)系統(tǒng)在不合理人為或自然因素的干擾下，所產(chǎn)生的逆行演替，即草地(原)植被與該生境的頂極或亞頂極植被狀態(tài)下的背離，主要表現(xiàn)為植物生產(chǎn)力下降、質(zhì)量降級、土壤理化和生物性狀惡化及動物產(chǎn)品品質(zhì)下降等[1-2]。近年來，隨著人類對土地開發(fā)強(qiáng)度的不斷加大，陜北地區(qū)草地退化的生態(tài)環(huán)境問題突出[3]。因此，研究2000～2010年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)時空變化情況，對于評價該地區(qū)草地退化狀況具有重要的理論和現(xiàn)實意義。陜北地區(qū)地理位置與生態(tài)環(huán)境特殊，對該地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測是了解生態(tài)環(huán)境的重要手段。陜北地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化引起了我國學(xué)者的高度關(guān)注，1990年馬乃喜等[4]分析了陜北黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化趨勢，并提出了相關(guān)對策；2006年楊慶實[5]從解決陜北黃土高原生態(tài)超載問題入手，提出了解決黃土高原生態(tài)環(huán)境問題的途徑；2007年周輝[6]對1997和2004年陜北地區(qū)28個縣(區(qū))生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價，結(jié)果表明：該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，退耕還林還草工程取得了明顯成效。筆者在對陜北地區(qū)2000、2005、2010年3期MODIS遙感影像進(jìn)行解譯的基礎(chǔ)上，運用ARGIS數(shù)據(jù)分析平臺對2000～2010年陜北地區(qū)土地利用類型變化進(jìn)行分析，研究了該時期陜北地區(qū)退化草地的時空特征，以期為該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況陜北地處黃土高原中部，地理坐標(biāo)為34°49′～39°35′ N，107°10′～111°14′ E，屬于溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春秋季干旱少雨，夏季炎熱多雨，冬季干旱寒冷，年均氣溫7～12 ℃，無霜期140～180 d，年均降水量350～600 mm。該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型屬于暖溫性草原、荒漠、荒漠草原向森林草原的過渡地帶。陜北地區(qū)包括榆林市與延安市2個地級市以及所轄25個縣區(qū)，東隔黃河峽谷與晉西黃土高原相望，西以子午嶺與隴東黃土高原為界，南與關(guān)中盆地毗鄰，北接鄂爾多斯高原。

1.2數(shù)據(jù)來源該研究使用的遙感數(shù)據(jù)源是2000、2005年Landsat TM及2010年的HJ-1數(shù)據(jù)。為提高遙感解譯的精度，以陜北地區(qū)第2次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、陜北地區(qū)植被覆蓋圖為參考，在大量野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用30 m分辨率的遙感解譯數(shù)據(jù)。

1.3研究方法

1.3.1轉(zhuǎn)移概率矩陣。Markov模型是基于Markov過程理論形成的模擬事件發(fā)生概率的一種方法，具有“無后效性”的特點，常被生態(tài)學(xué)家用于模擬植被動態(tài)和土地利用/覆被格局變化[7]。為了定量分析研究區(qū)極度退化、重度退化、中度退化、輕度退化[5]草地之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，采用Markov模型將退化草地類別轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)模擬。

1.3.2景觀格局指數(shù)。退化草地的景觀指數(shù)可以用來反映景觀格局的變化。根據(jù)景觀指數(shù)分類體系和指數(shù)之間的相關(guān)性，結(jié)合研究區(qū)的實際情況，主要從等級類型景觀和整體景觀2個角度出發(fā)[8]，選擇Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻性指標(biāo)(SIEI)、面積周長分維比(PAFRAC)、破碎化指數(shù)(LFI)4個景觀指數(shù)反映陜北地區(qū)草地退化的景觀格局變化。

1.3.3生態(tài)系統(tǒng)類型面積變化率計算。主要用于定量分析研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)某種生態(tài)系統(tǒng)類型的面積變化情況，評價研究區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)之間相互轉(zhuǎn)化的速率。

Ev=(EUb-EUa)/EUa×100%

式中，Ev為研究區(qū)某一時間段生態(tài)系統(tǒng)變化率，EUb為研究某一時段末生態(tài)系統(tǒng)的面積，EUa為研究某一時段初生態(tài)系統(tǒng)的面積。

2結(jié)果與分析

2.1退化草地現(xiàn)狀2010年陜北地區(qū)草地為主要地表覆蓋類型，占陜北地區(qū)總面積的53.84%，林地面積占21.61%，耕地面積占20.21%，城鎮(zhèn)及工礦用地、水域、交通用地等占4.34%。從圖1可見，未退化草地主要分布于榆林地域東部和南部，總面積為5 044.81 km2，占陜北地區(qū)總面積的6.31%，占該地區(qū)草地面積的11.72%，草地狀況較差。退化草地總面積為38 005.77 km2，占該地區(qū)草地總面積的88.28%，其中，極度退化草地面積為12 503.85 km2，占陜北地區(qū)總面積的15.63%，主要分布于榆林地區(qū)西北部和延安地區(qū)大部分區(qū)域；重度退化草地面積為16 229.63 km2，占陜北地區(qū)總面積的20.29%；中度退化草地面積為5 109.07 km2，占陜北地區(qū)總面積的6.39%；輕度退化草地面積為4 163.22 km2，占陜北地區(qū)總面積的5.21%。

圖1　2010年陜北地區(qū)退化草地地理空間分布Fig.1　The distribution of grassland degradation in northern Shaanxi Province

2.2退化草地數(shù)量特征2000～2010年陜北地區(qū)各類草地面積變化較為明顯，與2000年相比，2010年極度退化草地面積減少了25 999.24 km2，變化率高達(dá)-207.94%；重度退化面積增加了14 534.04 km2，變化率為89.55%；中度退化面積增加了4 924.21 km2，變化率為96.38%；輕度退化面積增加了4 114.92 km2，變化率為98.84%；未退化面積增加了5 041.01 km2，變化率為99.92%。從面積變化來看，2010年陜北地區(qū)草地質(zhì)量較2000年有較為明顯的改善，有由極度草地退化向重度、中度、輕度改善的趨勢，同時未退化草地面積增加，這說明陜北地區(qū)草地退化存在由中輕度草地退化向未退化草地演替的趨勢。整體來看，2000～2010年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)向著改善的方向發(fā)展。

從圖2可見，陜北地區(qū)在2000～2005、2005～2010年2個時間段草地變化差異明顯。在2000～2005年極度退化草地面積減少了14 693.37 km2，未退化草地面積增加了793.79 km2，重度、中度與輕度草地退化面積均有所增加，這說明2000～2005年陜北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)有著從極度退化向重度、中度草地退化演替，中度、輕度草地退化狀態(tài)向未退化演替的趨勢。2005～2010年極度退化草地面積減少了11 306.56 km2，重度退化草地面積增加了2 884.52 km2，中度退化草地面積增加了1 909.94 km2，輕度退化草地面積增加了2 607.25 km2，未退化草地面積增加了4 247.21 km2，這說明2005～2010年草地生態(tài)系統(tǒng)演替呈良性態(tài)勢，在這一時間段有極度退化草地向重度、中度轉(zhuǎn)化的趨勢，未退化草地面積增加幅度較大，草地生態(tài)系統(tǒng)改良趨勢明顯。

2.3退化草地類型轉(zhuǎn)化特征利用概率轉(zhuǎn)移矩陣計算2000～2010年陜北地區(qū)各類退化草地之間的轉(zhuǎn)化面積，以面積為依據(jù)，分析草地生態(tài)系統(tǒng)的演替變化趨勢。由表1可知，2000～2010年陜北地區(qū)各類退化草地變化明顯的是極度和重度退化草地，其中極度退化草地轉(zhuǎn)化為重度、中度、輕度、未退化草地的面積總計為25 352.27 km2，由其他類型轉(zhuǎn)化為極度退化草地的面積僅為18.76 km2，11年間陜北地區(qū)極度退化草地面積減少了25 333.51 km2；重度退化草地轉(zhuǎn)化為中度、輕度、未退化草地總面積為1 183.66 km2，由未退化、輕度、重度轉(zhuǎn)化為中度退化草地的面積為9.08 km2，重度退化草地轉(zhuǎn)化為極度的面積為17.96 km2，11年間陜北地區(qū)重度退化草地面積減少了1 156.62 km2。中度、輕度及未退化草地面積變化很小，總體來看，陜北地區(qū)在11年間草地生態(tài)系統(tǒng)向著改善的趨勢發(fā)展。

由表2可知，2000～2005年陜北地區(qū)退化草地類型轉(zhuǎn)化主要集中在極度退化草地與其他退化草地類型的相互轉(zhuǎn)化，其他退化草地類型之間的轉(zhuǎn)化面積較小。極度退化草地轉(zhuǎn)化為重度、中度、輕度、未退化草地總面積為15 385.18 km2，其他退化草地類型轉(zhuǎn)化為極度退化草地面積為10.61 km2。整體來看，退化草地向著改善的趨勢發(fā)展。

由表3可知，2005～2010年陜北地區(qū)退化草地轉(zhuǎn)化類型主要集中在極度和重度退化草地，其他退化草地類型之間轉(zhuǎn)化面積較小。極重度退化草地轉(zhuǎn)化為重度、中度、輕度、未退化草地總面積為11 064.85 km2，其他退化草地類型轉(zhuǎn)化為極重度的面積為283.08 km2；重度退化草地轉(zhuǎn)化為中度、輕度、未退化的總面積為6 921.01 km2，其他退化草地類型轉(zhuǎn)化為

圖2　2000～2010年陜北地區(qū)退化草地變化情況Fig.2　The main variation of degraded grassland in northern Shaanxi during 2000-2010

km2

表2　2000～2005年陜北地區(qū)退化草地類型轉(zhuǎn)換面積

表3　2005～2010年陜北地區(qū)退化草地類型轉(zhuǎn)換面積

重度退化草地面積為9 822.07 km2。整體來看，2005～2010年陜北地區(qū)退化草地向改良趨勢發(fā)展。

2.4退化草地景觀格局變化特征SHDI指數(shù)反映景觀異質(zhì)性，對景觀中各斑塊類型非均衡分布較為敏感，即強(qiáng)調(diào)稀有斑塊類型對信息的貢獻(xiàn)。由表4可知，2010年陜北地區(qū)退化草地的SHDI最高，說明2010年陜北地區(qū)退化草地的景觀異質(zhì)性較2000、2005年高，但差異較小。SIEI指標(biāo)反映各斑塊在面積上分布的不均勻程度。由表4可知，2000年較2005年的SIEI略大，2005年較2010年的SIEI略大，但變化幅度較小，這說明2005～2010年陜北地區(qū)未出現(xiàn)明顯的草地退化與改善。PAFRAC指數(shù)反映了不同景觀尺度形狀的復(fù)雜程度[9]。由表4可知2000～2010年陜北地區(qū)的PAFRAC幾乎無變化，說明陜北地區(qū)斑塊的形狀變化相當(dāng)微弱。LFI指數(shù)反映景觀被分割的破碎程度，在一定程度上反映了人為因素對景觀格局的擾動情況。由表4可知2000～2010年陜北地區(qū)景觀的破碎化程度變化很小，說明景觀結(jié)構(gòu)均質(zhì)、連續(xù)性良好，生物多樣性較為穩(wěn)定。

表42000～2010年陜北地區(qū)景觀格局指數(shù)變化

Table 4The change of landscape pattern index in northern Shaanxi during 2000-2010

年份Year景觀格局指數(shù)LandscapepatternindexPAFRACSHDISIEILFI20001.49631.28451.39760.012720051.44711.07851.25000.013020101.46391.45700.90530.0147

3結(jié)論與討論

(1)該研究表明，2000～2010年陜北地區(qū)草地退化呈現(xiàn)改善趨勢，且2005～2010年的改良程度較2000～2005大，整體來看，陜北地區(qū)退化草地生態(tài)系統(tǒng)呈良性演替過程。不同時間段內(nèi)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局較為穩(wěn)定。

(2)該研究在RS與ARGIS平臺上建立各種數(shù)學(xué)模型，為從定性研究到定量研究草地退化奠定了理論基礎(chǔ)，但是由于采用遙感技術(shù)對研究區(qū)草地類型進(jìn)行識別，常會因為分辨率問題產(chǎn)生退化草地識別的誤差。因此，在今后的研究中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀笮畔⒓按罅靠辈鞌?shù)據(jù)，對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)度矯正。同時近幾年來隨著3S技術(shù)的發(fā)展，基于3S技術(shù)開發(fā)的草地動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為管理部門提供了快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的草地動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，也為科學(xué)評價與宏觀監(jiān)測草地退化提供了新的途徑，草地動態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)將是未來草地退化新的研究方向。

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Temporal and Spatial Variation of Grassland Degradation in Northern Shaanxi during 2000-2010

SONG Hui, LIU Kang*, GU Chao

(College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an, Shaanxi 710127)

Abstract[Objective] The aim was to study ecosystem health status in northern Shaanxi, and provide theoretical basis and practical guidance for restoration and protection of the grassland ecosystem. [Method] On the basis of remote sensing interpretation of grassland ecosystem variation status in northern Shaanxi during 2000-2010, using GIS technology, the spatial and temporal distribution of grassland degradation was analyzed by using dynamic degree, transfer index, landscape index. [Result] The status of grassland ecosystem in northern Shaanxi in 2010 was relatively poor, total area of grassland degradation was 38 005.77 km2, accounting for 88.28%. During 2000-2005, extreme degradation area was decreased 14 693.37 km2, non degradation area was increased 793.79 km2; during 2005-2010, extreme degradation area was decreased 11 306.56 km2, non degradation area was increased 4 247.21 km2. [Conclusion] From 2000-2010, ecosystem in northern Shaanxi was improved, but the situation of system in 2010 was still poor. So we should increase ecological restoration and protection in northern Shaanxi, construct grassland ecosystem with stable structure and healthy functions.

Key wordsGrassland degradation; Temporal and spatial variation; Transfer matrix; Landscape pattern index;Northern Shaanxi region

作者簡介宋輝(1978- )，男，河南孟州人，碩士，從事環(huán)境生態(tài)研究。*通訊作者，教授，碩士，博士生導(dǎo)師，從事生態(tài)評價與規(guī)劃研究。

收稿日期2016-03-14

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-066-03