近15年新疆伊犁河谷草地退化時(shí)空變化特征

閆俊杰，劉海軍，崔 東，陳 晨(1.伊犁師范學(xué)院污染物化學(xué)與環(huán)境治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 伊寧 835000； 2.伊犁師范學(xué)院生物與地理科學(xué)學(xué)院，新疆 伊寧 835000； 3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011； 4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

伊犁河谷位于新疆西北部，我國邊陲，由于其特殊的地形特征，可以截留陸地西風(fēng)帶來的濕潤(rùn)水汽，使其成為新疆最大的綠洲，以及跨國河流伊犁河的重要水源地。豐沛的降水為植被生長(zhǎng)創(chuàng)造了有利條件，伊犁河谷內(nèi)草地發(fā)育，是該區(qū)分布面積最廣的地表覆被類型[1]，為區(qū)域生物多樣性保護(hù)、水源涵養(yǎng)、生態(tài)平衡的維持提供了重要保障[2]。同時(shí)，河谷內(nèi)草地資源優(yōu)質(zhì)，也使其成為全國著名的牧區(qū)[3]。然而，隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人口增加，人類對(duì)草地干擾強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，由此引發(fā)的草地面積減小[4-5]和生產(chǎn)力降低等草地退化[6]問題正在逐步惡化，嚴(yán)重影響了該區(qū)生態(tài)穩(wěn)定和畜牧業(yè)的健康發(fā)展。因而，研究伊犁河谷草地退化定量特征，分析其時(shí)空變化及其影響因素對(duì)該區(qū)草地生態(tài)保護(hù)措施的制定和實(shí)施具有重要指導(dǎo)意義。近年來，隨著國家及當(dāng)?shù)卣畬?duì)伊犁河谷生態(tài)環(huán)境問題認(rèn)識(shí)的提高，多位學(xué)者對(duì)伊犁河谷植被動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了相關(guān)研究[7-11]，但缺乏對(duì)草地退化問題的深入研究。

遙感技術(shù)是大尺度地表植被覆蓋度定量化研究的主要手段。歸一化植被指數(shù)(normalized differential vegetation index,NDVI)與地表植被覆蓋度呈線性相關(guān)[12]，可以定量反映植被動(dòng)態(tài)特征[13-14]，因此被廣泛用于植被動(dòng)態(tài)及草地退化監(jiān)測(cè)[7,14-15]。目前，常用的長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)主要有NOAA-AVHRR NDVI 和TERRA-MODIS NDVI。相對(duì)于AVHRR數(shù)據(jù)，MODIS數(shù)據(jù)雖然時(shí)間序列較短，但其空間分辨率較高，能更詳盡地反映地表植被的空間差異，因而在量化空間尺度較小的流域尺度植被覆蓋時(shí)更具優(yōu)勢(shì)[7,16-18]。

本研究針對(duì)伊犁河谷地區(qū)草地退化的現(xiàn)實(shí)問題，利用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，反演伊犁河谷2001-2015年草地植被覆蓋度，參考國家制定的基于植被覆蓋度的草地退化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)伊犁河谷草地退化程度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并結(jié)合數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)地形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)草地退化的時(shí)空變化規(guī)律，以期為伊犁河谷草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)及可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于80°09′42″-84°56′50″ E，42°14′16″-44°53′30″ N，地處歐亞大陸中心，整個(gè)區(qū)域東、南、北三面高山環(huán)繞，地形復(fù)雜，河流綜合，分布有伊犁谷地、鞏乃斯谷地、特克斯谷地、喀什河谷丘陵和昭蘇盆地5個(gè)地域單元(圖1)。伊犁河谷地勢(shì)東高西低，東窄西寬，呈喇叭型向西敞開，西風(fēng)帶濕潤(rùn)水汽受此地形影響被迫抬升凝結(jié)，形成豐沛降水，使其成為西域濕島。全區(qū)受中溫帶大陸性氣候和高山氣候控制，年均降水量200～800 mm，年平均氣溫 2.9～9.1 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 700～3 000 h[19]。植被分布受地形影響，發(fā)育有荒漠、草原、草甸、森林和隱域植被五大植被類型，草甸植被發(fā)育良好，是新疆優(yōu)質(zhì)草地，主要的草地植物有伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)、木地膚(Kochiaprostrata)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、鴨茅(Dactylisglomerata)、黃花委陵菜(Potentillachrysantha)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、針茅(Stipacapillata)、草原苔草(Carexliparocarpos)、早熟禾(Poapratensis)、紫花鳶尾(Irisruthenica)等。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

NDVI數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)地球觀測(cè)系統(tǒng)(Earth Observing System，EOS)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的MODIS MOD13Q1產(chǎn)品，其空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d，每年23期，時(shí)間序列為2001年1月-2015年12月，共計(jì)345期數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)據(jù)為NASA和美國國防部國家測(cè)繪局(National Imagery and Mapping Agency，NIMA)聯(lián)合測(cè)量的90 m空間分辨率的SRTM 數(shù)據(jù)。草地分布范圍通過對(duì)研究區(qū)2015年6-9月Landsat 8 OLI影像目視解譯獲得。伊寧、昭蘇和尼勒克3個(gè)國家基準(zhǔn)氣象站的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，包括氣溫和降水的月合成數(shù)據(jù)。牲畜存欄數(shù)據(jù)來自《伊犁哈薩克自治州統(tǒng)計(jì)年鑒》[20]和《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]；為將牲畜存欄量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)綿羊單位，對(duì)山羊、驢、牛和馬數(shù)量分別按0.8、3、5和6的比例進(jìn)行折算。

對(duì)獲得的NDVI和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等處理。為降低云覆蓋等噪音信息的干擾，對(duì)每年23期NDVI序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了Savitzky-Golay濾波處理，并利用最大值合成法(MVC法)合成年NDVI數(shù)據(jù)，用年內(nèi)植被NDVI最大值代表年植被生長(zhǎng)狀況。最后，為保持?jǐn)?shù)據(jù)精度并使NDVI數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)像元大小一致，將年NDVI數(shù)據(jù)和DEM重采樣為50 m×50 m。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig. 1 Location of the study area

遙感空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理及制圖借助于Arcgis 10.2軟件及IDL8.5開發(fā)平臺(tái)完成，其他數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)制表及制圖借助于Excel 2010軟件完成。

2.2 研究方法

2.2.1植被蓋度反演 利用像元二分模型及IDL8.5開發(fā)平臺(tái)逐像元反演研究區(qū)草地植被覆蓋度[22]，獲得草地植被覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Fc表示草地植被覆蓋度，NDVIsoil為研究區(qū)純裸土像元的NDVI值，NDVIveg為純植被覆蓋像元的NDVI值[22]。根據(jù)研究區(qū)NDVI圖像直方圖特點(diǎn)，并參考前人經(jīng)驗(yàn)[22-23]，在NDVI與覆蓋度轉(zhuǎn)化過程中，取研究區(qū)NDVI圖像直方圖5%處的NDVI值為NDVIsoil值，取95%處NDVI值為NDVIveg值[23]。

2.2.2草地退化等級(jí)劃分 草地退化是一個(gè)相對(duì)概念[24]，吳志豐等[25]指出用前后兩個(gè)單一年份植被覆蓋度的變化來計(jì)算草地退化程度會(huì)因植被覆蓋度的隨機(jī)波動(dòng)而給草地退化評(píng)價(jià)帶來較大誤差。受干濕影響，伊犁河谷植被覆蓋存在較大的年際波動(dòng)[7]，為削弱單個(gè)年份水熱條件好壞而產(chǎn)生的植被生長(zhǎng)隨機(jī)波動(dòng)對(duì)草地退化估算的影響，將2001-2015年的草地覆蓋度時(shí)間序列數(shù)據(jù)分為3個(gè)時(shí)間段，即2001-2005年、2006-2010年及2011-2015年，以5年平均值代表各個(gè)時(shí)段植被覆蓋水平，并分別以2001-2005年時(shí)段及2006-2010年時(shí)段植被覆蓋水平作為判斷基準(zhǔn)，對(duì)2001-2010年間(2006-2010年相對(duì)2001-2005年)和2001-2015年間(2011-2015相對(duì)2001-2005年)以及2006-2015年間(2011-2015年相對(duì)2006-2010年)3個(gè)時(shí)期伊犁河谷草地空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，分析3個(gè)時(shí)期草地退化時(shí)空變化。

本研究在借鑒《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》[26]的基礎(chǔ)上，按草地植被蓋度相對(duì)于未退化草地植被蓋度的百分比對(duì)草地退化進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)合伊犁草地覆蓋度變化特征，并參考曹旭娟等[27]的方法，將伊犁河谷草地退化等級(jí)劃分為極重度退化、重度退化、中度退化、輕度退化、未變化及改善6個(gè)等級(jí)，詳細(xì)的等級(jí)及劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。

表1 草地退化等級(jí)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grades and grading standard of grassland degradation

2.2.3草地退化冷/熱點(diǎn)分析 冷/熱分析用于識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的高值(熱點(diǎn))和低值(冷點(diǎn))的空間聚類[28]。本研究利用Getis-Ord Gi*分析來識(shí)別退化草地“熱點(diǎn)”和“冷點(diǎn)”的空間格局，分析其演變特征。計(jì)算公式為：

(2)

式中：Xj是像元j的草地退化等級(jí)代碼，Wi,j為像元i和j之間以距離規(guī)則定義的空間權(quán)重，同樣空間范圍相鄰為1，不相鄰為0，n為像元總數(shù)，此外：

(3)

(4)

式中：Gi*統(tǒng)計(jì)的是Z值得分，Z得分越高，高值(熱點(diǎn))像元就越聚集，Z得分越低，低值(冷點(diǎn))像元就越聚集。Z值空間分布數(shù)據(jù)的計(jì)算借助于Arcgis10.0軟件的熱點(diǎn)分析工具完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 伊犁河谷草地退化時(shí)空變化分析

依據(jù)草地退化等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其計(jì)算方法，借助Arcgis 10.2軟件及IDL 8.5開發(fā)平臺(tái)制作了2001-2015年3個(gè)時(shí)期伊犁河谷草地退化等級(jí)空間分布圖(圖2)，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)時(shí)期不同退化等級(jí)草地的面積和比例(表2)?？梢钥闯?，2001-2015年的整個(gè)時(shí)期伊犁河谷退化草地占據(jù)了很大范圍(圖2)，河谷內(nèi)伊犁河、鞏乃斯河、喀什河、特克斯河4條河流兩側(cè)的洪積平原、低山或中高山區(qū)，以及昭蘇盆地周邊是草地退化的主體分布區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，15年內(nèi)伊犁河谷退化草地面積為144.25萬hm2，占草地總面積的46.18%，其中以輕度退化比例最高，面積為104.10萬hm2，占草地總面積的33.33%，退化草地主體分布在區(qū)域內(nèi)的低山或中高山區(qū)；其他等級(jí)比例較小，中度、重度和極重度退化的比例分別為8.80%、3.33%和0.72%，主要分布在河流下游河谷兩側(cè)的洪積平原和低山區(qū)；改善草地的面積占1.41%，分布在伊犁河北岸出國境口附近區(qū)域。

對(duì)于2001-2010年間及2006-2015年間兩個(gè)不同時(shí)期，未變化草地比例由72.84%增加到了75.71%，退化草地總比例也由25.78%降低到17.50%，但這不表示草地退化趨勢(shì)得到扭轉(zhuǎn)，而僅表明大面積的草地維持了2001-2010年間狀況，退化草地的面積仍在繼續(xù)擴(kuò)張，凈增的退化面積達(dá)54.65萬hm2，占到草地總面積的17.50%。在空間上，喀什河下游南岸的阿吾勒拉山西段中高山區(qū)草地維持了前期狀態(tài)，而特克斯河下游河谷兩側(cè)的低山區(qū)草地則開始發(fā)生退化(圖2)。此外，2006-2015年，在鞏乃斯河下游南側(cè)及伊犁河全程河谷兩側(cè)的草地退化程度得到了改善，改善面積達(dá)到21.22萬hm2，比例達(dá)到草地總面積的6.79%。退化草地面積比例的縮小以及改善草地面積的增加表明，雖然草地退化趨勢(shì)沒有變化，但2006-2015年與2001-2010年相比，草地退化的速度明顯減小，說明退耕還草、圍欄及禁牧等草地恢復(fù)措施的效益逐步開始顯現(xiàn)。

圖2 伊犁河谷2001-2015年草地退化等級(jí)圖Fig. 2 Maps of grassland degradation in Yili valley from 2001 to 2015

表2 2001-2015年不同時(shí)期不同退化等級(jí)草地面積和比例Table 2 The area and percentage of grassland of different degradation grades in different periods from 2001 to 2015

此外，根據(jù)伊犁河谷地形特征，對(duì)比2001-2010年及2001-2015年的退化草地空間分布(圖2)可以看出，伊犁河谷退化草地的空間分布逐步由河流下游向中游和上游擴(kuò)張，由河谷兩側(cè)的河谷平原和低山區(qū)域向中山和中高山區(qū)域擴(kuò)張，退化草地面積逐步擴(kuò)大，未變化草地不僅面積逐步減少，且各等級(jí)草地斑塊也逐步離散和破碎。這表明伊犁河谷草地退化的趨勢(shì)尚未遏止，掠奪式的草地資源利用方式尚未發(fā)生重大改變，草地生態(tài)保護(hù)及草地資源可持續(xù)開發(fā)利用依舊承受著很大壓力。

3.2 伊犁河谷退化草地冷/熱點(diǎn)分布與演化

冷/熱點(diǎn)分析可以更為直觀地展現(xiàn)伊犁河谷退化草地空間特征及其動(dòng)態(tài)。在進(jìn)行冷/熱點(diǎn)分析之前，為增強(qiáng)“高值”與“低值”的對(duì)比度，便于對(duì)“冷點(diǎn)”區(qū)域和“熱點(diǎn)”區(qū)域的對(duì)比分析，將草地退化6個(gè)等級(jí)中的改善這一等級(jí)進(jìn)一步細(xì)分為輕度改善、中度改善、高度改善和極高度改善4個(gè)等級(jí)。詳細(xì)的等級(jí)、等級(jí)代碼及劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所列。

根據(jù)表1和表3中的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)伊犁河谷退化草地進(jìn)行了等級(jí)劃分，利用9個(gè)等級(jí)的代碼計(jì)算了逐個(gè)像元的Gi*值，獲得退化草地冷/熱點(diǎn)分布圖(圖3)。可以看出，2001-2010年及2001-2015年，“冷點(diǎn)”與“熱點(diǎn)”聚集特征明顯，且主要由極冷區(qū)域(Z<-2.58)與極熱區(qū)域(Z>2.58)組成，兩個(gè)時(shí)段，極冷區(qū)域分別占草地總面積的24.41%和31.75%，極熱區(qū)域分別占68.04%和52.97%；在空間上，“冷點(diǎn)”與退化草地的分布區(qū)重疊，其擴(kuò)展方向也與退化草地的擴(kuò)展一致；而“熱點(diǎn)”卻未聚集在改善草地的分布區(qū)，而與未變化草地的分布區(qū)重疊，兩個(gè)時(shí)段“熱點(diǎn)”區(qū)內(nèi)改善草地的比例分別僅占1.02%和1.35%，而未變化的比例卻分別占91.98%和73.53%。對(duì)于2006-2015年時(shí)段，“熱點(diǎn)”比例明顯縮小，但卻與改善草地的分布區(qū)一致，“熱點(diǎn)”聚集內(nèi)改善草地比例占33.63%；“冷點(diǎn)”分布與退化草地分布一致，但包含了67.12%未變化草地。

可以看出，在2001-2015年，伊犁河谷退化草地呈現(xiàn)“冷點(diǎn)”增強(qiáng)與“熱點(diǎn)”減弱的動(dòng)態(tài)演變，演變過程與退化草地的時(shí)空變化一致；但冷/熱點(diǎn)分析結(jié)果中的“熱點(diǎn)”分布并不代表“高值”(草地改善區(qū))的聚集特征，而是反映了未變化草地的聚集特征，這是由于在2001-2015年伊犁河谷改善草地面積所占比例太小(僅占1.41%)，絕大部分被未變化草地(占52.41%)和退化草地(占46.18%)所占據(jù)，形成的是“退化”與“未變化”的冷熱對(duì)比格局；然而在2006-2015年，“熱點(diǎn)”分布區(qū)的33.63%被改善草地的“高值”所占據(jù)，且“冷點(diǎn)”分布區(qū)中“低值”所代表的退化草地的面積比例也有所減少，“冷點(diǎn)”與“熱點(diǎn)”的格局展現(xiàn)的是“退化”與“改善”的對(duì)比，冷熱格局特征發(fā)生了轉(zhuǎn)變。由此可以看出，在2006-2015年，伊犁河谷草地的退化特征不僅表現(xiàn)在退化速度有所減小，而且不同于2001-2010年間及2001-2015年間以退化為主的變化趨勢(shì)，出現(xiàn)了退化與改善的空間差異，說明以退化為主的單一變化趨勢(shì)發(fā)生改變，變化趨勢(shì)更為多元。

3.3 伊犁河谷草地退化的海拔分異

伊犁河谷草地退化存在明顯的海拔分異(圖2，圖3)，為探明草地退化隨海拔變化的分異規(guī)律，借助Arcgis 10.2軟件提取研究區(qū)所有像素點(diǎn)海拔高程值及其2001-2010年、2006-2015年及2001-2015年植被覆蓋度變化比例值，并制作3個(gè)時(shí)期草地植被覆蓋度變化比例隨海拔變化的散點(diǎn)圖(圖4)。不同草地退化等級(jí)的邊界線與各海拔高度所對(duì)應(yīng)的植被蓋度變化比例最小值的交點(diǎn)即為該退化等級(jí)的臨界海拔高度，各退化等級(jí)的臨界海拔高度在不同年份的變化，反映了草地退化隨海拔的時(shí)空分異。可以看出，極重度退化草地在3個(gè)時(shí)段均處在海拔1 100 m之下，與改善草地的臨界海拔高度相差無幾；而其他等級(jí)的臨界海拔高度均有所升高，其中重度退化草地臨界海拔高度由1 250 m擴(kuò)展到了1 500 m的高度，中度退化草地分布由1 500 m擴(kuò)展到了2 100 m左右，輕度退化在2001-2010年主體分布在750-2 250 m及3 000-3 500 m，之后擴(kuò)展到了750-3 600 m的整個(gè)范圍。

圖3 伊犁河谷退化草地冷/熱點(diǎn)分布圖Fig. 3 Maps of cold/hot spots of grassland degradation in Yili Valley

隨各退化等級(jí)草地臨界海拔高度的提高，各海拔帶內(nèi)退化草地的分布面積也逐步增加。根據(jù)表4中的計(jì)算結(jié)果，在低于1 500 m的海拔帶內(nèi)，退化草地總面積由54.13 萬hm2逐步增加到了61.32萬hm2，增加了7.19萬hm2，增加比例為13.28%；在1 500-3 000 m海拔帶內(nèi)，退化草地由23.45萬hm2逐步增加到了76.71萬hm2，面積增加了53.26萬hm2，增加2.27倍，增加面積和比例均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海拔1 500 m以下區(qū)域，成為草地退化擴(kuò)張最明顯的區(qū)域；海拔高度大于3 000 m的區(qū)域，退化草地分布面積雖然較小，但也有大幅度增加，面積由2.99萬hm2增加到了6.22 萬hm2，增加了3.23萬hm2，增加了1.08倍。

4 討論

4.1 NDVI的飽和缺陷對(duì)草地退化評(píng)價(jià)的影響

Gu等[29]和Li等[30]指出，NDVI存在植被高覆蓋區(qū)域容易飽和的不足，使其在作物估產(chǎn)和草地生物量反演等應(yīng)用時(shí)降低估算結(jié)果?；诖?，借助于Arcgis 10.2軟件提取研究區(qū)所有像素2001-2015年草地覆蓋度變化比例值及其草地覆蓋度值，利用Excel 2010軟件制作草地退化與草地覆蓋度的關(guān)系圖(圖5)，并將植被蓋度按20%、40%、60%和80%的閾值劃分為低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋、中高覆蓋和高覆蓋5個(gè)等級(jí)，對(duì)各退化等級(jí)內(nèi)的各覆蓋度等級(jí)草地的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)，分析草地退化與草地覆蓋度的關(guān)系，并探討NDVI的飽和缺陷對(duì)草地退化評(píng)價(jià)的影響。

圖4 2001-2015年草地植被覆蓋度變化比例隨海拔變化散點(diǎn)圖Fig. 4 Scatter diagram of variation in percent of change in grassland vegetation coverage with increasing altitude from 2001 to 2015

表4 2001-2015年不同海拔帶內(nèi)退化草地面積及比例Table 4 Changes of area and percent of degraded grassland at different altitude levels from 2001 to 2015

圖5 草地植被覆蓋度變化比例隨植被覆蓋度變化散點(diǎn)圖Fig. 5 Scatter diagram of variation in percent of changes in grassland vegetation coverage with increasing coverage

可以看出，隨植被覆蓋的提高，草地退化程度逐步降低(圖5)。發(fā)生極重度退化、重度退化和改善草地主要為蓋度小于20%的低覆蓋草地和蓋度為20%～40%的中覆蓋草地，其中，88.41%的極重度退化草地為低覆蓋草地，30.94%和54.48%的重度退化及52.13%和34.75%的改善草地為低和中低覆蓋草地；而發(fā)生輕度退化和未變化草地則主要為蓋度為60%～80%的中高覆蓋草地和蓋度大于80%的高覆蓋草地，其中，輕度退化的30.01%和46.25%為中高和高覆蓋草地，未變化草地的20.94%和68.40%為中高覆蓋草地和高覆蓋草地；發(fā)生中度退化的主要為中低、中覆蓋及中高覆蓋草地，三者的比例分別為35.61%、33.16%和17.18%。草地退化程度隨植被變化的特征表明，相對(duì)于覆蓋度高的草地，覆蓋度低的草地退化更為嚴(yán)重。

從不同蓋度變化比例的離散程度(圖5)還可以看出，植被蓋度越低，離散程度越高，表明相對(duì)于覆蓋度低的草地，覆蓋度高的草地對(duì)草地退化的反應(yīng)較弱。這一方面是由于在等量產(chǎn)草量減少的情況下，覆蓋度高的草地的變化比例小于覆蓋度低的草地的原因，另一方面是由于NDVI的飽和缺陷會(huì)使覆蓋度高的草地產(chǎn)草量的減少量不能被完全表達(dá)出來而使其退化程度被低估的原因。

綜合上述分析，利用NDVI反演植被覆蓋度對(duì)草地退化進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法會(huì)因覆蓋度高的草地對(duì)產(chǎn)草量的減少反應(yīng)弱而使其退化被低估，影響其對(duì)植被高覆蓋區(qū)域草地退化評(píng)估的靈敏性。

4.2 伊犁河谷草地退化影響因素

水熱條件是影響草地植被生長(zhǎng)的決定因素，水熱條件的年際變化必將影響草地植被的生長(zhǎng)狀況。通過對(duì)伊犁河谷3個(gè)國家基準(zhǔn)氣象站氣溫和降水量的分析發(fā)現(xiàn)(圖6)，2001-2005年、2006-2010年及2011-2015年這3個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均降水量分別為463.02、422.22及392.37 mm，平均氣溫分別為7.15、7.60及7.05 ℃，降水量呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢(shì)，氣溫也有所降低，水熱條件向冷干方向演變，水熱條件的惡化在一定程度上促使了伊犁河谷草地的退化。此外，伊犁河谷高海拔區(qū)降水充沛，而溫度較低，溫度脅迫強(qiáng)于降水脅迫，而低海拔區(qū)則是降水脅迫強(qiáng)于溫度脅迫。根據(jù)3個(gè)時(shí)段平均溫度和降水的變化(圖6)，相對(duì)于2001-2005年，2006-2010年溫度升高而降水減少，水熱條件的變化雖使高海拔區(qū)植被生長(zhǎng)條件有所改善，但卻加劇了對(duì)低海拔區(qū)植被生長(zhǎng)的脅迫，在一定程度上促使了低海拔區(qū)所分布的低覆蓋草地的退化；2011-2015年溫度和降水均有所下降，伊犁河谷全區(qū)植被生長(zhǎng)條件惡化，草地退化加劇。

表5 不同覆蓋等級(jí)草地中各退化等級(jí)比例 Table 5 Percent of each degradation grade at different coverages %

伊犁河谷是我國重要的畜牧生產(chǎn)基地，然而傳統(tǒng)放牧仍在其生產(chǎn)方式中占絕對(duì)比例，因此牲畜數(shù)量的增加意味著草地實(shí)際載畜量的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001-2015年伊犁河谷的牲畜存欄量由1 146.89萬個(gè)綿羊單位增加到了1 369.77萬個(gè)綿羊單位，15年內(nèi)增加了19.43%(圖7)。據(jù)相關(guān)研究[1]，伊犁河谷平均1個(gè)綿羊單位的牲畜需要0.52 hm2草地供養(yǎng)，即平均每公頃草地的載畜能力為1.92個(gè)綿羊單位，而根據(jù)伊犁河谷2001年和2015年的牲畜存欄數(shù)和草地總面積的計(jì)算結(jié)果，2001年伊犁河谷平均每公頃草地實(shí)際供養(yǎng)的牲畜量為3.54個(gè)綿羊單位(草地總面積按王秀紅等[31]統(tǒng)計(jì)的2000年的面積計(jì)算，面積為324.40萬hm2)，到2015年時(shí)則增加到了4.39個(gè)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了草地的載畜能力。過度放牧與草地退化有直接關(guān)系?？梢?，粗放的畜牧生產(chǎn)方式、牲畜存欄的快速增長(zhǎng)以及由此而產(chǎn)生的長(zhǎng)期過度放牧是導(dǎo)致伊犁河谷草地退化持續(xù)加劇的主要原因。

此外，中國政府決定從2011年開始在新疆等8個(gè)省(區(qū))實(shí)施5年一個(gè)周期的草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，對(duì)草畜平衡、草原禁牧和牧民生產(chǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)和補(bǔ)助?；诖隧?xiàng)政策，伊犁州在2011-2013年對(duì)15.88萬hm2的荒漠類草地和重要水源地實(shí)行了禁牧，并對(duì)292.73萬hm2草地實(shí)行牲畜轉(zhuǎn)移安置，期望實(shí)現(xiàn)草畜平衡[32]。禁牧和牲畜轉(zhuǎn)移安置等措施的實(shí)施，為草地生態(tài)的恢復(fù)創(chuàng)造了有利條件，使得2006-2015年時(shí)期相對(duì)2001-2010年時(shí)期的草地退化面積明顯減小，發(fā)生改善的草地面積也大幅增加。

圖6 2001-2015年伊犁河谷氣溫和降水變化曲線圖Fig. 6 Variation curve for temperature and precipitation in Yili Valley from 2001 to 2015

圖7 2001-2015年伊犁河谷牲畜存欄量變化曲線圖Fig.7 Variation curve for breeding stock in Yili Valley from 2001 to 2015

本研究分析顯示，2006-2015年時(shí)期伊犁河谷退化草地的面積明顯縮小，且改善草地的面積大幅增加，然而在此期間伊犁河谷草地載畜壓力并未減輕，而是在加重(圖7)，之所以出現(xiàn)草地載畜壓力增加而草地退化減速的情況，本研究推斷應(yīng)該是由于草地放牧強(qiáng)度的空間分布發(fā)生變化。得出上述推斷是因?yàn)椋?011-2015年，草地改善的分布區(qū)主要分布在低海拔的在河谷平原及山前洪基扇區(qū)(圖2中2006-2015年時(shí)期圖)，這些區(qū)域分布的主要是荒漠和荒漠草原等低覆蓋類草地，而覆蓋度低的草地對(duì)放牧壓力的變化反應(yīng)敏感，草地的改善只能是因?yàn)榉拍翂毫Φ臏p小，因此該區(qū)域植被覆蓋的改善必然是由于此處放牧壓力轉(zhuǎn)移到了別處，即轉(zhuǎn)移到了海拔相對(duì)較高的區(qū)域，而海拔相對(duì)較高的區(qū)域是山地草甸、草甸草原及溫性草原等高覆蓋草地分布區(qū)，高覆蓋草地植被的NDVI容易飽和，使草地覆蓋度的減少量容易低估產(chǎn)草量的減少量，從而出現(xiàn)在放牧壓力增加的情況下，即使草地產(chǎn)草量明顯減少而植被覆蓋度的減少量卻有限，甚至出現(xiàn)未變的情況，這也與2006-2015年時(shí)期與2001-2015年時(shí)期草地退化空間分布(圖2)的相對(duì)變化一致；2011-2015年時(shí)段相對(duì)2006-2010年時(shí)段草地蓋度未發(fā)生變化的區(qū)域相對(duì)于2001-2005年時(shí)段卻表現(xiàn)為退化，表明在放牧壓力增加的情況下，草地植被蓋度相對(duì)于2006-2010年時(shí)段的減少量隨未超過退化標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為未變化，但相對(duì)于2001-2005年時(shí)段的減少量卻超過退化標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)為繼續(xù)退化。

伊犁河谷草地出現(xiàn)放牧壓力增大而草地覆蓋度減少量有限的情況，這也再次驗(yàn)證了利用NDVI反演植被覆蓋度對(duì)草地退化進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法存在對(duì)高植被覆蓋區(qū)域草地退化敏感性弱的缺陷。

5 結(jié)論

本研究利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)及像元二分模型，反演植被覆蓋度，對(duì)伊犁河谷2001-2015年草地退化的時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究。得出如下結(jié)論：

1)2001-2015年伊犁河谷草地呈現(xiàn)持續(xù)退化的趨勢(shì)，15年間46.18%的草地發(fā)生不同程度退化，但總體以輕度退化為主；空間上輕度退化草地主要分布在河流兩側(cè)中山和中高山區(qū)，其他退化等級(jí)主要分布在河流下游河谷兩側(cè)的洪積平原和低山區(qū)。草地退化速度在2010-2015年時(shí)段明顯減緩，位于鞏乃斯河下游南側(cè)及伊犁河全程河谷兩側(cè)洪積平原大面積草地甚至有所改善。

2)冷/熱點(diǎn)分析表明，伊犁河谷草地退化的冷/熱格局由“退化”與“未變化”的對(duì)比轉(zhuǎn)變?yōu)椤巴嘶迸c“改善”的對(duì)比，草地退化與改善的空間差異逐漸明顯，以退化為主的單一變化趨勢(shì)有所改變。

3)在海拔分異方面，草地退化程度隨海拔增高逐步減小，分布范圍向高海拔區(qū)域逐步擴(kuò)展。海拔1 500 m以下區(qū)域草地退化以極重度、重度和中度為主，1 500 m以上區(qū)域以輕度為主；低于1 500 m海拔帶內(nèi)退化草地增加13.28%，而1 500-3 000 m海拔帶退化草地增加2.27倍，為伊犁河谷內(nèi)草地退化擴(kuò)張最明顯的區(qū)域，海拔3 000 m以上的區(qū)域，退化草地分布面積雖然較小，但也增加了1.08倍。

4)不同覆蓋等級(jí)的草地的退化特征存在較大差異，隨植被覆蓋度的增加，草地退化程度逐步降低；NDVI的光飽和缺陷以及覆蓋度在高植被覆蓋區(qū)對(duì)載畜壓力增加的弱靈敏性限制了通過利用NDVI反演植被覆蓋度來評(píng)價(jià)草地退化的方法對(duì)高植被覆蓋區(qū)草地退化的定量表達(dá)。

5)長(zhǎng)期過度放牧是導(dǎo)致伊犁河谷草地退化持續(xù)加劇的主要原因，不斷惡化的氣候條件及其波動(dòng)變化也是促使草地退化的重要因素；草地保護(hù)政策的實(shí)施為草地恢復(fù)提供了有利條件，是草地退化變緩及變化趨勢(shì)多元化的主要原因。

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