近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預(yù)測(cè)

趙宇豪，戎戰(zhàn)磊，張玉鳳，葉苗，蔣暉，趙傳燕*

(1.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

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近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預(yù)測(cè)

趙宇豪1,2，戎戰(zhàn)磊2，張玉鳳1，葉苗1，蔣暉1，趙傳燕2*

(1.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

草地是人類生存的基本資源和條件，在全球變化、全球循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起著非常關(guān)鍵的作用。本文基于GIS技術(shù)和1986、2000和2011年黑河流域草地分布數(shù)據(jù)，采用轉(zhuǎn)移矩陣、草地動(dòng)態(tài)變化度、空間動(dòng)態(tài)度和CA-Markov模型等方法，分析了黑河流域近30年的草地變化，并對(duì)其未來分布格局做出預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，(1) 黑河流域1986年草地面積為32997.71 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為4290.02、6371.80和22335.89 km2；2000年草地面積為23939.46 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5508.78、5540.01和12890.67 km2；2011年草地面積為24272.50 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5561.31、5715.01和12996.18 km2，近30年間黑河流域草地面積呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。(2) 1986-2000年期間，黑河流域草地面積大幅減少，且退化嚴(yán)重，高覆被草地主要向中低覆被草地轉(zhuǎn)換，中覆被草地主要向低覆被草地轉(zhuǎn)換，低覆被草地主要向未利用地轉(zhuǎn)換。(3) 2000-2011年期間，黑河流域草地面積小幅增加，各類型草地轉(zhuǎn)化面積較少，保持小幅緩慢上升趨勢(shì)。(4) 在現(xiàn)行趨勢(shì)下，預(yù)測(cè)2022年黑河流域草地面積為24449.58 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5560.28、5657.65和13231.65 km2，與2011年相比呈增加趨勢(shì)，但下游地區(qū)草地面積和覆蓋度依然較低。

黑河流域；草地；動(dòng)態(tài)變化；CA-Markov模型；LUCC；GIS

草原是地球上分布最廣的植被類型，總面積約為3.2×107km2，占陸地總面積的20%左右，我國是世界第二大草原國，擁有極為豐富的草地資源，面積約為 4×106km2，約占國土面積的41.7%，世界草地面積的12.5%[1-2]，主要分布在西北干旱、半干旱氣候區(qū)以及青藏高原高寒氣候區(qū)[3]，是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的天然屏障[4]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要的子系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)在全球變化、全球循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起著非常關(guān)鍵的作用[6-10]，同時(shí)，草地資源是自然資源中可再生的一種，蘊(yùn)藏著豐富的動(dòng)植物資源，是農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，不同的利用方式、管理方式對(duì)草地資源的可持續(xù)利用有重要影響[11-12]。

近年來，隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)干擾的增加，草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生明顯退化，現(xiàn)今草地退化已經(jīng)成為一個(gè)全球性問題，而中國是世界上草地退化最為嚴(yán)重的國家之一[13]。由于長(zhǎng)期以來人們對(duì)草地資源采取自然粗放的經(jīng)營方式，目前，我國約90%的可利用天然草原呈現(xiàn)不同程度地退化，每年還以2×104km2的速度遞增[13]，由此產(chǎn)生的區(qū)域生態(tài)問題越來越突出[14]。隨著草地退化程度加劇，對(duì)草地退化過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、定量化描述與分析變得尤為必要。而傳統(tǒng)的草地監(jiān)測(cè)主要采用野外實(shí)地采樣法，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、成本高，還受諸多人為因素的限制，無法快速地在大范圍內(nèi)對(duì)草地生長(zhǎng)狀況和覆蓋度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。此外，這種方法常常用數(shù)量有限的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)代表一個(gè)區(qū)域，難以客觀描述整個(gè)研究區(qū)內(nèi)植被變化狀況[15]。近年來，遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等空間信息技術(shù)的迅速發(fā)展，為研究地球表面的動(dòng)態(tài)變化提供了良好的手段，與傳統(tǒng)方法相比,其具有準(zhǔn)確、快速、覆蓋面積大、價(jià)格低和周期性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，將RS和GIS等空間信息技術(shù)應(yīng)用于草地退化研究是一種行之有效的方法，已經(jīng)在全球不同地區(qū)草地植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)研究中廣泛應(yīng)用[16-22]。但是，目前人們多利用NDVI數(shù)據(jù)研究草地變化[23-28]，而在我國,草地的變化主要表現(xiàn)在草地向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)換[29]。

黑河流域內(nèi)草原廣布，面積約為9.5×104km2，占流域面積的60%以上，主要分為祁連山草地區(qū)，河西走廊中部草原區(qū)，河西走廊以北荒漠草場(chǎng)和額濟(jì)納三角洲荒漠草場(chǎng)。近年來隨著氣候變化以及人類活動(dòng)的影響，黑河流域草地覆蓋發(fā)生明顯變化[30]。黑河上游和下游地區(qū)以牧業(yè)為主，中游地區(qū)以農(nóng)業(yè)經(jīng)營為主，地域經(jīng)濟(jì)類型呈現(xiàn)出山地牧業(yè)區(qū)—走廊綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)—高原牧業(yè)區(qū)組合特征，具有典型的農(nóng)牧業(yè)分異和農(nóng)牧交錯(cuò)特色，對(duì)草地資源的利用度較高，故而對(duì)黑河草地變化的研究不僅具有重要的理論意義，還具有深遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。因此本文采用1986、2000和2011年三期土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)數(shù)據(jù)，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、草地動(dòng)態(tài)變化度、空間變化度和CA-Markov模型等方法，對(duì)近30年黑河流域草地動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要對(duì)黑河流域草地變化特征和主要因素進(jìn)行探討，并預(yù)測(cè)其未來變化趨勢(shì)，試圖在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上展現(xiàn)黑河草地植被的時(shí)空變化特征，揭示黑河流域草地時(shí)空變化的特征和規(guī)律，為合理利用與保護(hù)草地資源提供重要理論依據(jù)，同時(shí)為黑河流域草地生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

圖1 黑河流域土地利用及行政區(qū)劃圖Fig.1 Land use and administration districts of Heihe River Basin

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國第二大內(nèi)陸河流域，橫跨高山濕冷及半干旱區(qū)、溫帶和暖溫帶干旱區(qū)3個(gè)自然地理帶，介于37°45′-42°40′ N，96°42′-102°4′ E之間(圖1)，南北跨度大，流域內(nèi)自然環(huán)境條件差異顯著。其發(fā)源于南部祁連山區(qū)，全長(zhǎng)821 km，流域面積約14.29萬km2，主要覆蓋三省區(qū)的11個(gè)縣市，上游包括青海省祁連縣和甘肅省肅南裕固族自治縣，中游為甘肅嘉峪關(guān)、山丹、民樂、張掖、臨澤、高臺(tái)、肅南、金塔和肅州等市縣，下游含甘肅肅北蒙古族自治縣和內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗。流域受大陸性氣候和青藏高原氣候的綜合控制，降水少、蒸發(fā)量大，氣候干燥，太陽輻射強(qiáng)烈，晝夜溫差大，氣候具有明顯的東西差異和南北差異。上游多年平均降水量大于350 mm，降水量由東向西遞減，年平均蒸發(fā)量為800～1200 mm，年平均氣溫-5～4 ℃。中游降水由東部的250 mm降低至西部的50 mm，蒸發(fā)量則從東部的2000 mm增加至西部的4000 mm以上，年平均氣溫2.8～7.6 ℃。下游屬于干旱荒漠氣候，年降水量小于50 mm，年蒸發(fā)量大于3500 mm，年平均氣溫8～10 ℃。巨大的自然條件差異，導(dǎo)致自東南向西北形成了鏈狀山地—斑塊綠洲—廣域荒漠的生態(tài)系統(tǒng)，由此導(dǎo)致植被的地帶性和非地帶性的分布并存，也為草地類型的多樣性奠定了環(huán)境基礎(chǔ)，由北向南，草原類型依次為荒漠、草原化荒漠、荒漠化草原、山地森林草原、山地高寒草甸草原和高寒草甸。

1.2 土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)數(shù)據(jù)

土地利用/土地覆蓋是生態(tài)環(huán)境中的一個(gè)敏感因子，受自然因素和人類活動(dòng)的雙重影響，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和可持續(xù)發(fā)展研究中占有非常重要的地位[31]。土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)不僅客觀地記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，再現(xiàn)了地球表面景觀的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過程，而且與區(qū)域和全球環(huán)境變化、生物多樣性減少，生態(tài)安全等問題息息相關(guān)[32-36]。目前，在國際地圈與生物圈計(jì)劃(IGBP) 和國際全球環(huán)境變化的人文因素計(jì)劃(IHDP)的推動(dòng)下，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究[37-40]。

黑河流域LUCC數(shù)據(jù)[41-43]來源于黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心(http://westdc.westgis.ac.cn),所有數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的投影和坐標(biāo)系，分辨率為1∶10萬。采用國家土地分類系統(tǒng)，包括6個(gè)一級(jí)分類(耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民及工礦用地和未利用土地)，25個(gè)二級(jí)分類。其中草地分類體系為：高覆蓋草地，指覆蓋度>50%的天然草地、改良草地和割草地，此類草地一般水分條件較好，草被生長(zhǎng)茂密，一般分布在山區(qū)、丘陵及河間灘地、沙地丘間等；中覆蓋草地指覆蓋度20%～50%的天然草地和改良草地，此類草地一般水分不足，草被較稀疏主要分布在較干燥地方；低覆蓋草地指覆蓋度 5%～20%的天然草地，此類草地水分缺乏，草被稀疏，牧業(yè)利用條件差 主要生長(zhǎng)在干燥地方。草地向未利用地轉(zhuǎn)換，以及高覆被草地向中低覆被草地轉(zhuǎn)換，中覆被草地向低覆被草地轉(zhuǎn)換意味著草地退化。

1.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是國內(nèi)外常用的一種揭示土地利用/覆被類型間變化方向的方法[44-49]，其將土地利用變化的類型轉(zhuǎn)移面積按矩陣的形式加以列出，不但包括靜態(tài)的一定區(qū)域某時(shí)間點(diǎn)的各地類面積數(shù)據(jù)，而且能夠細(xì)致地反映某一區(qū)域某一時(shí)段起止各土地類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程信息，具有豐富的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在土地利用變化分析和地類模擬方面具有重要作用，具體形式如下。

A代表面積；n,m代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)；ij(i,j=1,2,…,n)分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型；Aij表示轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成以后的j地類的面積。矩陣中的每一行元素代表轉(zhuǎn)移前的i地類向轉(zhuǎn)移后的各地類的流向信息，矩陣中的每一列元素代表轉(zhuǎn)換以后的j地類面積從轉(zhuǎn)移前的各地類的來源信息。為方便研究，通常轉(zhuǎn)移前后采用相同的分類體系和分類精度，這樣Aij的行數(shù)列數(shù)相同，為一個(gè)n階方陣。本文運(yùn)用ArcGIS對(duì)黑河流域3期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和疊加分析，建立黑河流域1986-2000年，2000-2011年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析近30年間草地轉(zhuǎn)化情況。

1.4 草地動(dòng)態(tài)變化度

單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度指某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化[50]，本研究根據(jù)其定義，采用草地動(dòng)態(tài)變化度來衡量草地變化的速率，計(jì)算公式如下。

LT=ΔP×Pa-1×T-1×100%

式中,LT為研究時(shí)段內(nèi)草地動(dòng)態(tài)變化度，ΔP為研究期內(nèi)草地面積變化,Pa為研究期初期草地面積，T為研究時(shí)期長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)變化度越大說明在研究期間內(nèi)草地面積相對(duì)于自身的面積變化幅度越大。

1.5 草地空間動(dòng)態(tài)度

空間動(dòng)態(tài)度表示土地利用動(dòng)態(tài)變化的空間過程和強(qiáng)烈程度[51],參考其定義,本研究使用草地空間動(dòng)態(tài)度來衡量草地變化的強(qiáng)烈程度，計(jì)算公式可表示為：

式中，Li為研究時(shí)段內(nèi)草地空間動(dòng)態(tài)度；C1為研究期內(nèi)草地轉(zhuǎn)換為其他土地利用類型的面積，C2為研究期內(nèi)非草地土地利用類型轉(zhuǎn)換為草地的面積，C0為研究初期的草地面積，(C1+C2)/C0為研究期內(nèi)草地的總變化量與研究初期草地面積的比值。

1.6 CA-Markov模型

馬爾可夫鏈?zhǔn)怯糜谕恋乩米兓５膫鹘y(tǒng)方法，系統(tǒng)的將來狀態(tài)僅依賴于當(dāng)前狀態(tài),通過創(chuàng)建從時(shí)期1到時(shí)期2的土地利用變化轉(zhuǎn)換概率矩陣來實(shí)現(xiàn)未來預(yù)測(cè),其表達(dá)式為。

S(t+1)=Pij×S(t)

式中：S(t+1)和S(t)分別表示t+1和t時(shí)刻土地利用系統(tǒng)的狀態(tài),Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

元胞自動(dòng)機(jī)(CA)是時(shí)間、空間和狀態(tài)都離散的動(dòng)力學(xué)模型。具有強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，可以有效地模擬復(fù)雜系統(tǒng)的空間變化。CA 模型可用下式表示[52]。

S(t+1)=f(S(t),N)

式中：S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t、t+1為不同時(shí)刻；N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則。

CA 和 Markov 模型兩者均為時(shí)間、狀態(tài)離散型的動(dòng)力學(xué)模型，都被廣泛應(yīng)用于空間模擬中。 CA模型與Markov模型各具特色，但是又都存在局限，Markov模型側(cè)重于數(shù)量方面的預(yù)測(cè)能力，而其空間參數(shù)比較弱，不能對(duì)空間上的變化進(jìn)行表達(dá)，CA模型則具有較強(qiáng)的空間概念，可以模擬復(fù)雜的空間演變能力，但其局限于局部元胞間的相互作用，整體估算能力較差。將二者結(jié)合，既提高了土地利用類型轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè)精度,又可以有效地模擬土地利用格局的空間變化，被廣泛探討和應(yīng)用[53-56]。本文在軟件IDRISI 17.0中使用CA-Markov模型,以2000和2011年土地利用類型為基準(zhǔn)，對(duì)2022年草地分布進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1.7 統(tǒng)計(jì)年鑒

各省統(tǒng)計(jì)年鑒是一部按年度連續(xù)出版的大型統(tǒng)計(jì)資料書，其中含有大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以全面反映省內(nèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展變化情況。本研究查閱了1987、2001和2012年青海省、甘肅省和內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，挑出包含在黑河流域中各區(qū)縣的人口與牲畜存欄量情況，用以分析草地變化的驅(qū)動(dòng)因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地動(dòng)態(tài)變化度和空間動(dòng)態(tài)度

近30年間，黑河流域草地面積呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，1986、2000和2011年的草地面積如圖2所示。1986年,流域內(nèi)草地面積為32997.71 km2，占流域面積的23.14%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為4290.02、6371.80和22335.89 km2；2000年流域內(nèi)草地面積為23939.46 km2，占流域面積的16.79%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5508.78、5540.01和12890.67 km2，2011年流域內(nèi)草地面積為24272.50 km2，占流域面積的17.02%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5561.31、5715.01和12996.18 km2。

1986-2011年，流域內(nèi)草地面積減少8725.21 km2，動(dòng)態(tài)變化度為-1.06%，空間動(dòng)態(tài)度3.51%。其中高覆被草地面積增加1271.29 km2，動(dòng)態(tài)變化度為1.19%，空間動(dòng)態(tài)度為6.36%，表明其年均面積改變不大，但年均空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)較為劇烈。中覆被草地面積減少656.79 km2，動(dòng)態(tài)變化度為-0.41%，空間動(dòng)態(tài)度為5.86%，年均面積改變程度和空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)與高覆被草地類似。低覆被草地面積變化最大，減少了9339.71 km2，降幅達(dá)到了41.82%，動(dòng)態(tài)變化度和空間動(dòng)態(tài)度分別為-1.67%和4.86%，表明其年均面積改變和空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)程度一般。1986-2000年，流域內(nèi)草地面積減少9058.25 km2，動(dòng)態(tài)變化度為-1.96%，空間動(dòng)態(tài)度6.28%。高覆被草地面積增加1218.76 km2，動(dòng)態(tài)變化度為2.03%，空間動(dòng)態(tài)度為11.22%，表明其年均面積變化和空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)均較為劇烈，中覆被草地面積減少831.80 km2，動(dòng)態(tài)變化度為-0.93%，空間動(dòng)態(tài)度為10.27%，表明其年均面積改變不大，但其年均空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)較為劇烈，低覆被草地面積變化最大，減少了9445.26 km2，降幅高達(dá)57.71%，動(dòng)態(tài)變化度為-3.02%，空間動(dòng)態(tài)度8.69%，表明其年均面積變化較為劇烈，空間轉(zhuǎn)換活動(dòng)程度一般；2000-2011年間，所有草地類型面積均比2000年有所上升，但均未回升到1986年的水平，所有草地類型的空間動(dòng)態(tài)度和動(dòng)態(tài)變化度值均較小，表明近10年來，草地面積變化和空間轉(zhuǎn)換較為平緩(圖3)。

2.2 各區(qū)縣草地變化

由表1可知，近30年期間，黑河上游各區(qū)縣高覆被和低覆被草地面積均有增長(zhǎng)，中覆被草地面積均有下降，其中肅南縣的低覆被草地面積增加較多；在中游地區(qū)，玉門市和嘉峪關(guān)市境內(nèi)無高覆被草地，臨澤縣和甘州區(qū)高覆被草地呈大幅下降趨勢(shì)，其余區(qū)縣呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中民樂縣增長(zhǎng)較多。中覆被草地面積在中游各區(qū)縣中有增有減，在甘州區(qū)、肅州區(qū)、高臺(tái)縣和金塔縣中面積增加，在其余區(qū)縣中面積減少。低覆被草地面積除在金塔縣和山丹縣有較大幅度的增加外，在其余區(qū)縣面積減少；下游地區(qū)，肅北縣境內(nèi)依然無高覆被草地，而額濟(jì)納旗境內(nèi)開始出現(xiàn)高覆被草地。中覆被草地在額濟(jì)納旗中面積增加，在肅北縣中減少。下游各區(qū)縣中的低覆被草地均有較大程度的減少。

1986-2000年期間，黑河上游除祁連縣中覆被草地有所減少外，草地面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而在中游，除山丹縣、民樂縣和金塔縣草地面積有小幅增加以外，其余區(qū)縣草地面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；黑河下游額濟(jì)納旗、肅北蒙古族自治縣草地面積大幅縮減，其中額濟(jì)納旗草地面積由11766.71 km2減小到1840.44 km2，降幅達(dá)到84.36%，肅北蒙古族自治縣草地面積由1324.37 km2降至70.23 km2，降幅高達(dá)94.70%。上述草地面積大幅下降的主要原因是因?yàn)槠渚硟?nèi)低覆被草地的劇烈減少。2000-2011年期間，黑河上游祁連縣草地面積小幅下降，基本與2000年持平，其中高覆被草地與低覆被草地面積小幅降低，中覆被草地面積小幅升高，肅南縣各類草地面積均有增加；中游區(qū)縣中，甘州區(qū)、金塔縣和玉門市草地面積有小幅上升，其余各區(qū)縣草地面積均呈下降趨勢(shì)，其中肅州區(qū)下降趨勢(shì)比較明顯；下游地區(qū)，各區(qū)縣草地總面積均有所升高，且各類草地面積均有增加。

圖2 1986,2000,2011年黑河流域草地分布Fig.2 1986,2000,2011 Heihe River Basin grassland distribution

圖3 近30年各類草地面積空間變化分布Fig.3 Grassland types change spatial variation distribution over past 30 years

表1 1986,2000,2011年黑河流域主要區(qū)縣草地面積Table 1 1986,2000,2011 grassland area of primary districts in Heihe River Basin km2

黑河上游地區(qū)因缺少祁連縣數(shù)據(jù)，以肅南縣數(shù)據(jù)為代表分析上游情況，由表2可知，1986-2011年期間，全流域內(nèi)各區(qū)縣人口和牲畜存欄量均有大幅增加。1986-2000年期間，上游地區(qū)人口增加，牲畜存欄量減少，中游地區(qū)，各區(qū)縣人口和牲畜存欄量均呈增加趨勢(shì)，下游地區(qū)各區(qū)縣人口均呈增加趨勢(shì)，除肅北蒙古族自治縣牲畜存欄量略有下降之外，其余各縣市牲畜存欄量增加，其中額濟(jì)納旗牲畜存欄量增幅巨大，2000年牲畜存欄量是1986年的2.9倍。2000-2011年期間，上游人口和牲畜存欄量呈增加趨勢(shì)，中游地區(qū)，山丹縣、民樂縣、高臺(tái)縣、臨澤縣和玉門市人口減少，但其牲畜存欄量都有較大程度的增加，甘州區(qū)和肅州區(qū)人口和牲畜存欄量均有上升，且牲畜存欄量增幅較大。下游地區(qū)各縣市人口增加牲畜存欄量降低，其中額濟(jì)納旗牲畜存欄量減少較多，減少了一半左右。

2.3 草地轉(zhuǎn)化

由表3可知，1986-2011年期間，高覆被草地主要向中低覆被草地轉(zhuǎn)化，剩余轉(zhuǎn)出面積由大到小依次為未利用地、水域、林地、耕地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中，最多的為林地，面積為1933.04 km2。其次依次為中覆被草地，未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地；中覆被草地向低覆被草地和未利用地的轉(zhuǎn)化較多，轉(zhuǎn)出面積分別為2403.32和1175.09 km2，剩余轉(zhuǎn)換面積依次為高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中，最多的為低覆被草地，面積為1396 km2；其次依次為未利用地、林地、高覆被草地、水域、耕地和居民地；低覆被草地絕大部分面積向未利用地轉(zhuǎn)換，草地變?yōu)槲蠢玫?，是指其向沙地、戈壁、沼澤地、裸土地、裸巖等轉(zhuǎn)換，表明低覆被草地退化明顯，剩余轉(zhuǎn)換面積為中覆被草地、耕地、水域、高覆被草地、林地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中最多的未利用地，其次依次為中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

由表4可知，1986-2000年期間，高覆被草地主要向中低覆被草地轉(zhuǎn)化，剩余轉(zhuǎn)換面積由大到小依次為未利用地、水域、林地、耕地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中，最多的為林地，面積為1903.39 km2。其次依次為中覆被草地，未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地；中覆被草主要向低覆被草地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積高達(dá)2347.42 km2，同時(shí)未變化和向未利用地轉(zhuǎn)換的也較多，剩余轉(zhuǎn)換面積依次為高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中，最多的為低覆被草地，面積為1364.48 km2；其次依次為林地，未利用地、高覆被草地、水域、耕地和居民地；低覆被草地絕大部分面積向未利用地轉(zhuǎn)換，剩余轉(zhuǎn)換面積為中覆被草地、水域、耕地、高覆被草地、林地和居民地，轉(zhuǎn)入面積中最多的未利用地，其次依次為中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

表2 1986-2011黑河主要區(qū)縣人口和牲畜存欄量Table 2 1986-2011 population and grazing capacity of primary districts in Heihe River Basin

注：祁連縣無1986年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用1987年數(shù)據(jù)代替。牲畜存欄量為當(dāng)年年末大牲畜和羊的存欄量，大牲畜包括牛，馬，驢，騾和駱駝等。
Note:The 1986 statistical data lacked in Qilian county,which was replaced by the 1987 statistical data.Cattle stocks refer to the stocks of sheep and large livestock which includes cows,horses,donkeys,mules and camels,etc.at the end of year.

表 3 1986-2011年黑河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2011 years km2

表4 1986-2000年黑河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2000 years km2

由表5可知，2000-2011年期間，絕大部分高覆被草地沒有變化，剩余主要向中低覆被草地轉(zhuǎn)換，向水域、林地、耕地和居民地轉(zhuǎn)換較少，轉(zhuǎn)入面積中，主要為中低覆被草地和未利用地、其余土地類型轉(zhuǎn)入較少。中覆被草地絕大部分沒有變化，其主要向低覆被草地和高覆被草地轉(zhuǎn)換，剩余轉(zhuǎn)換面積由大到小依次為未利用地、耕地、林地、水域和居民地，轉(zhuǎn)入面積中未利用地最多，其次主要為低覆被草地和高覆被草地，其余土地利用類型轉(zhuǎn)入中覆被草地較少；低覆被草地絕大部分未變化，轉(zhuǎn)換面積由大到小依次為未利用地、耕地、中覆被草地、高覆被草地、林地、水域和居民地。

表5 2000-2011年黑河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 5 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 2000-2011 years km2

2.4 草地分布格局

運(yùn)用CA-Markov模型，預(yù)測(cè)黑河流域2022年草地面積，結(jié)果如圖4所示，草地總面積為24449.58 km2，高覆被草地、中覆被草地面積和低覆被草地面積分別為5560.28、5657.65和13231.65 km2，其草地總面積大于2000和2011年面積，但不及1986年草地總面積。2022年高覆被草地面積，中覆被草地面積低于1986和2011年的面積，較2000年草地面積略有升高，低覆被草地面積較2000和2011年有所升高，但是遠(yuǎn)不及1986年的水平。表明在此趨勢(shì)下，2022年黑河流域草地面積呈現(xiàn)總體好轉(zhuǎn)，局部下降的趨勢(shì)。

圖4 黑河流域2022年草地分布Fig.4 Grassland distribution of Heihe River Basin in 2022 years

3 討論

1986-2000年期間，黑河流域草地總面積減少，但其高覆被草地面積增加，這主要可能因?yàn)闅夂?、政策和人為因素的?qū)動(dòng)。高覆被草地主要位于黑河上游地區(qū)，1987年以來西北氣候開始由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型，黑河上游位于氣候顯著轉(zhuǎn)型和輕度轉(zhuǎn)型區(qū)，氣溫升高，降水量增加[57-58]，在高寒草甸地區(qū)，溫度的升高有利于草地的生長(zhǎng)[59]，且1988年祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)成立，黑河上游大部分地區(qū)位于保護(hù)區(qū)內(nèi)，其實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施，如封山育林、退耕還林還草工程等，使人類對(duì)黑河上游草地干擾程度大幅降低。期間雖然上游區(qū)縣人口有所增加，但牲畜存欄量有顯著降低，所以這些因素共同造成了1986-2000年間高覆被草地面積增加的情況。中覆被草地面積降低比例不大，主要向低覆被草地轉(zhuǎn)換，減少區(qū)域與周偉等[30]的研究結(jié)果相似，這可能是因?yàn)樯嫌蔚貐^(qū)非保護(hù)區(qū)域內(nèi)過度放牧所致[60-62]。低覆被草地面積減少較多，這主要是因?yàn)轭~濟(jì)納旗境內(nèi)低覆被草地的大量減少，這與鄒亞榮等[29]的研究結(jié)果相似，主要的驅(qū)動(dòng)因素可能是由于人為的干擾。黑河流域中上游攔壩蓄水，中游地區(qū)工農(nóng)業(yè)用水激增[63-64]，導(dǎo)致河流下泄量日趨減少，使下游河床、湖泊干涸[65]，地下水位下降，植被衰退[66]。其次下游地區(qū)人口和牲畜存欄量大量增加，額濟(jì)納旗尤為明顯，其牲畜存欄量增加了將近3倍，地表原始植被在牲畜的過度踐踏和啃食下，喪失了再生能力,逐漸退化并且消失。同時(shí)，下游地區(qū)草原有豐富的野生食用和藥用植物資源，因其較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值使人們過度挖采[67]，使本來很脆弱的草原生態(tài)系統(tǒng)又遭到嚴(yán)重破壞。

2000-2011年期間，黑河流域草地總面積和各類草地面積均小幅上升，這主要是由政策因素驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致。2000年以來國家在上游地區(qū)實(shí)行的一系列生態(tài)治理政策[39]，中游地區(qū)草地面積呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣顯示期間低覆被草地轉(zhuǎn)向耕地的占比有所增加，這可能是因?yàn)橹杏蔚貐^(qū)人口稠密，是我國西北主要的商品糧基地，較大的農(nóng)墾壓力占用了一部分草地，同時(shí)據(jù)年鑒統(tǒng)計(jì)，2000-2011年期間中游地區(qū)牲畜存欄量大幅增加，過度放牧也使得草地面積有所減小。下游地區(qū)草地面積有所上升，這可能是因?yàn)?000年以來，國家相繼實(shí)施了退耕還林還草工程、退牧還草工程以及草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策，期間額濟(jì)納旗的牲畜存欄量下降了近一半，這極大地減輕了草地的負(fù)擔(dān)，同時(shí)國家在黑河中游啟動(dòng)了水量統(tǒng)一調(diào)度方案[39]，使得下游地區(qū)的水資源短缺問題得到了一定程度的緩解，因此，草原面積有一定程度的回升。

黑河流域以農(nóng)牧業(yè)為主,草地面積與蓋度的減少會(huì)對(duì)其經(jīng)濟(jì)帶來制約[48]，根據(jù)目前的趨勢(shì)發(fā)展，黑河流域的草地面積會(huì)逐漸得到恢復(fù)，但其恢復(fù)程度還不夠，尤其是下游地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間的植被退化，使得下游沙漠化嚴(yán)重，植被恢復(fù)困難，因此應(yīng)該在保證中上游正常生產(chǎn)工作的同時(shí)，適當(dāng)削減水壩數(shù)量和用水量，嚴(yán)禁過度建壩蓄水，盡量加大下游地區(qū)的供水量，使下游地區(qū)年過水量增大，令自然植被得以恢復(fù)，同時(shí)加大草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策，盡量降低放牧對(duì)草原的破壞。

4 結(jié)論

(1) 近30年間黑河流域草地呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，但遠(yuǎn)未到達(dá)1986年的草地面積，這主要是由低覆蓋草地大量減少導(dǎo)致。

(2) 1986-2000年期間，黑河流域草地面積大幅減少，且退化嚴(yán)重，高覆被草地主要向中低覆被草地轉(zhuǎn)換，中覆被草地主要向低覆被草地轉(zhuǎn)換，低覆被草地主要向未利用地轉(zhuǎn)換。

(3) 2000-2011年期間，黑河流域草地面積小幅增加，各類型草地轉(zhuǎn)出面積較少，保持小幅緩慢上升趨勢(shì)。

(4) 在現(xiàn)行趨勢(shì)下，未來黑河流域草地面積呈增加趨勢(shì)，但下游地區(qū)草地面積和覆蓋度依然較低，國家應(yīng)制定相關(guān)政策加大下游地區(qū)草地的恢復(fù)和保護(hù)力度。

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Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends

ZHAO Yu-Hao1,2,RONG Zhan-Lei2,ZHANG Yu-Feng1,YE Miao1,JIANG Hui1,ZHAO Chuan-Yan2*

1.SchoolofLifeSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

Grassland,is one of the most widespread vegetation types in the world,and accounts for nearly 20% of the global land surface.China has abundant grassland resources,and the second largest grassland area of any country.However,in recent years,China’s grassland ecosystem has suffered dramatic impairment through human activities and climate change.Grassland in the Heihe River Basin provides necessary resources for the livelihood of local communities.It is therefore important to monitor grassland change.In this study,we assessed historical grassland cover in Heihe River Basin using GIS technology and evaluated land use and land cover change (LUCC) since 1986.We also predicted the future grassland distribution pattern using a CA-Markov Model and land-use transfer matrix,reflecting change in spatial distribution and metabolic indices of grassland.In 1986,the total area of grassland in the Heihe River Basin was 32998 km2,of which 4290 km2were classed as having high coverage,6372 km2were classed as having medium coverage and 22336 km2were classed as having low coverage.In 2000,the grassland area was 23939 km2,and areas with high,medium and low coverage were,respectively,5509,5540 and 12891 km2.In 2011,the grassland area was 24273 km2,and areas with high medium and low coverage were,respectively,5561,5715 and 12996 km2.During the period 1986-2000,the area of grassland in the Heihe River Basin was considerably reduced and severe degeneration occurred.During this period,there was substantial transformation of grassland from high to medium coverage,from medium to low coverage,and from low coverage to unutilized land.During the period 2000-2011,the grassland area in Heihe River Basin increased slightly and transition between the three coverage classes was small.Finally,in 2022 the predicted grassland area of the Heihe River Basin is 24450 km2with,respectively,5560,5658 and 13232 km2with high,medium,and low coverage,respectively.

Heihe River Basin;grassland;dynamic change;CA-Markov model;LUCC;GIS

10.11686/cyxb2016294 http://cyxb.lzu.edu.cn

趙宇豪,戎戰(zhàn)磊,張玉鳳,葉苗,蔣暉,趙傳燕.近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預(yù)測(cè).草業(yè)學(xué)報(bào),2017,26(6):1-15.

ZHAO Yu-Hao,RONG Zhan-Lei,ZHANG Yu-Feng,YE Miao,JIANG Hui,ZHAO Chuan-Yan.Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):1-15.

2016-07-19；改回日期：2016-12-23

干旱氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目(IAM201608)資助。

趙宇豪(1991-)，男，山東淄博人，在讀碩士。E-mail:zyhcn@hotmail.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:nanzhr@lzb.ac.cn