甘南州高寒天然草地生長狀況遙感監(jiān)測

陸 蔭，楊淑霞，李曉紅

（甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730020）

草地地上生物量是表征土壤肥力和調節(jié)氣候的參考指標，在草地生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動過程中起著重要的作用[1]。關于草地地上生物量的研究對于解釋草地植被變化、制定適宜的草地載畜量、分析及評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的意義[2-3]。近年來，遙感技術在草地生態(tài)系統(tǒng)變化監(jiān)測中被廣泛應用[4]。馬青青等[5]結合2016 年的實測數據和同時期的MODIS 影像資料，建立草地地上生物量和NDVI (normalized difference vegetation index)之間的回歸模型，結果發(fā)現，6 月 ? 9 月調查點NDVI 和地上生物量之間相關性較好，隨著NDVI的增加，生物量呈上升趨勢，且9 月的擬合結果(R2= 0.51)達到極顯著水平。其他學者利用Agricultural Digital Camera(ADC)便攜式農業(yè)多光譜相機數據，構建了研究區(qū)草地地上生物量的模型，分析了草地地上生物量的分布特征[6-7]。曾納等[8]、Yang 等[9]結合遙感植被指數、氣象觀測資料、地面實測數據構建了Back Propagation (BP)人工神經網絡模型，表明人工神經網絡方法在草地地上生物量的模擬方面具有很好的優(yōu)勢。張媛等[10]基于神經網絡訓練了瑪納斯河流域植被地上生物量模型，結果表明，Extreme Learning Machine (ELM)反演植被地上生物量，可以獲得較高的模型精度，R2達0.89。Zeng 等[11]的研究基于隨機森林的方法，結合地面實測數據與遙感植被指數、氣象數據和地形數據，構建了青藏高原的草地地上生物量模型，結果表明，該模型可以很好地反映草地地上生物量的變化。除此之外，相關學者就環(huán)境因子對草地地上生物量的影響進行了研究。王紫等[12]對半干旱地區(qū)的甘肅省天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)的東祁連山高寒草地地上生物量的時空變化進行研究，結果表明，受坡向和坡位導致的水熱條件和土層厚度等環(huán)境因子影響，高寒地區(qū)草地地上生物量的時空變化明顯又復雜。趙曉英[13]利用錫林浩特國家基準站、牧業(yè)氣象站和牧業(yè)氣象試驗站2004?2018 年牧草生長季氣象資料和生態(tài)觀測資料，分析了各氣象因子對錫林郭勒典型草原地上生物量在全生育期的潛在影響。

甘肅省甘南州位于青藏高原東緣，是氣候敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，其草地類型主要以高寒草甸和山地草甸為主，甘南州牧區(qū)特殊的地理環(huán)境使其具有比較典型的高寒天然草地特征。在特殊的地理、環(huán)境和氣候條件下，甘南州草地變化趨勢如何？不同區(qū)域草地變化趨勢是否一致？基于以上原因，本研究以甘南州為研究區(qū)，結合地面實測數據，探討了MODIS 植被指數與草地地上生物量之間的關系，探索了甘南州近20 年(2000?2019 年)的草地地上生物量空間分布狀況，對甘南州草地地上生物量的空間分布格局和變化趨勢進行分析，以期為甘南州草地植被動態(tài)監(jiān)測和高寒草地退化修復提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘南州地處青藏高原東部、黃土高原和隴南山地的過渡地帶，不僅具備青藏高原的氣候敏感性，還屬于生態(tài)脆弱帶，是黃河、長江上游的重要水源涵養(yǎng)區(qū)及生物多樣性保護區(qū)[14]。甘南州位于33°06′ ?36°10′ N，100°46′ ? 104°44′ E，平均海拔3 000 m 以上。甘南州境內山巒重迭，溝谷縱橫，地形錯綜復雜。西南部的積石山系、西北部的西傾山系與南部的岷山?迭山山系形成州境地貌的主要構架。甘南藏族自治州具有大陸性季風氣候的特點，其光照充裕，利用率低；熱量不足，垂直差異大；降水較多，地理分布差異顯著。草地調查結果顯示，甘南草地總面積為2.603 × 106hm2，占甘南州總面積的67.64%[15]。

1.2 研究數據

1.2.1 地面實測數據

本研究所用的草地外業(yè)調查數據來自2016?2018 年7 月 ? 8 月盛草期的實地觀測調查。樣區(qū)面積 設 置 為 長 × 寬(3 km × 2 km)，在 此 樣 區(qū) 內 設 置3～5 個樣方，其大小為0.5 m × 0.5 m。樣地調查內容主要記錄樣地的草地類型、地形、坡度、坡向、物種數、葉面積指數、草地植被覆蓋度、草層高度、地上生物量鮮重，以及于65 ℃烘箱中烘干48 h 后測量的干物質產量等特征指標。2016?2018 年甘南州草地監(jiān)測的20 個點位均為定點監(jiān)測，其中合作市2 個點、碌曲縣5 個點、瑪曲縣7 個點、夏河縣4 個點及迭部縣2 個點。2019 年的20 個草地調查監(jiān)測點覆蓋甘南州7 縣1 市(圖1)。

1.2.2 MODIS 植被指數數據

圖 1 甘南州草地群落調查點分布圖Figure 1 The distribution map of grassland community survey points in the Gannan Prefecture

本研究所用的遙感數據為MOD13Q1 產品，包括NDVI 和EVI (enhanced vegetation index)，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。本研究所用的空間位置在全球正弦投影系統(tǒng)中編號為h26v06 的影像，版本為V006，數據格式為EOS-HDF，時間序列為2000?2019 年 生 長 季(5 月 ? 10 月)。使 用MRT(MODIS Reprojection Tools)和ArcGIS (V10.5)軟件，對下載的MOD13Q1 進行格式轉換、拼接和轉投影等預處理。

1.2.3 氣象數據

氣象數據來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)提供的2000?2018 年(由于氣象數據滯后，未獲取到2019 年的氣象數據)甘南州瑪曲和合作氣象站的月、日值數據資料。

1.3 研究方法

1.3.1 草地地上生物量遙感監(jiān)測模型的構建與精度評價

利用SPSS V16.0 軟件的回歸分析方法，統(tǒng)計分析NDVI 和EVI 與地面實測數據之間的相關關系，分別構建基于甘南州草地地上生物量與MODIS植被指數之間的線性、乘冪、指數和對數4 種模型，分別利用均方根誤差(RMSE)和決定系數(R2) 比較分析不同模型的模型精度。

1.3.2 甘南州草地地上生物量時空動態(tài)特征

利用適宜于甘南州草地地上生物量最優(yōu)模型和MODIS EVI，結合草地類型圖和行政區(qū)劃圖，分析了甘南州2000?2019 年生長季最大草地地上生物量多年平均值及甘南州不同草地類型的年際變化趨勢。

1.3.3 草地地上生物量變化動態(tài)分析

采用Theil-Sen Median 趨勢分析和Mann-Kendall趨勢檢驗，研究甘南州草地地上生物量的時空變化動態(tài)。采用Hurst 指數對甘南州草地地上生物量變化趨勢的可持續(xù)性進行分析。具體算法參見文獻[16-24]。

2 結果

2.1 草地地上生物量遙感監(jiān)測模型的構建

基于MODIS 植被指數產品(MOD13Q1 V006)數據，提取與觀測時間、位置相對應的16 d NDVI、EVI 植被指數，結合2016?2019 年甘南州草地生物量監(jiān)測數據，采用最小二乘回歸的方法分別構建了甘南州草地地上生物量與NDVI 和EVI 植被指數之間的線性、指數、對數和乘冪函數模型(表1)，并基于模型R2、RMSE 分析不同模型的模擬精度。通過對比發(fā)現，基于EVI 的指數模型反演精度最高，誤差最小，確定為甘南州草地地上生物量遙感反演最優(yōu)模型(圖2)，其模型為 y=299.82e3.3862x，其中y 為甘南州草地地上生物量(kg·hm?2)，x 為MODIS EVI植被指數，模型決定系數R2= 0.524 9，RMSE =527.9 kg·hm?2。

表 1 甘南州草地地上生物量反演模型精度評價Table 1 Accuracy assessment of the grassland aboveground biomass inversion m odel in the Gannan Prefecture

圖 2 甘南州草地地上生物量遙感反演模型Figure 2 The grassland aboveground biomass remote sensing inversion model of the Gannan Prefecture

2.2 甘南州草地地上生物量年際變化趨勢

基于上述確定的甘南州草地地上生物量最優(yōu)遙感反演模型和MOD13Q1 植被指數產品，反演得到甘南州近20 年(2000?2019 年)草地地上生物量空間分布數據庫(圖3)。對甘南州草地地上生物量的動態(tài)變化進行分析，結果表明，高寒草甸和山地草甸草地的地上生物量在20 年間均表現出增加趨勢，但不顯著(P ＞ 0.05)，而沼澤類的地上生物量呈減少趨勢，就甘南州草地地上生物量而言，整體呈增加趨勢(圖4)。由此可見，20 年間甘南州生態(tài)環(huán)境整體呈改善趨勢，甘南州草地地上生物量介于1 607.51～2 139.72 kg·hm?2。從圖3 可以看出，地上生物量高值區(qū)主要分布在瑪曲縣、碌曲縣和夏河縣西南部，迭部縣和舟曲縣地上生物量值較低。甘南州不同草地類型地上生物量年際變化動態(tài)圖(圖4)表明，高寒草甸地上生物量最大，其次是山地草甸，沼澤類草地的地上生物量最小。

就各縣(市)而言，瑪曲縣平均草地地上生物量最大，為2 021.66 kg·hm?2；迭部縣平均草地地上生物量最小，為1 401.21 kg·hm?2；合作市、臨潭縣、夏河縣、舟曲縣的草地地上生物量空間變異較大，而迭部縣、瑪曲縣和卓尼縣的草地地上生物量空間變異較小。20 年變化趨勢分析顯示，舟曲縣草地地上生物量增加趨勢最明顯，其次是夏河縣、合作市、臨潭縣、碌曲縣、卓尼縣，瑪曲縣草地地上生物量增加幅度較小，而迭部縣草地地上生物量呈減少趨勢(表2)。

2.3 甘南州草地地上生物量變化趨勢分析

基于2000?2019 年生長季MODIS EVI 數據，結合Theil-Sen Median 趨勢分析、Mann-Kendall 檢驗以及Hurst 指數方法，分析了近20 年甘南州草地地上生物量變化趨勢及變化特征的空間分布特征。結果表明，甘南州草地主要以穩(wěn)定和恢復為主，全州20 年間12.35%的草地保持穩(wěn)定，33.95%的草地呈現惡化趨勢，53.70%的草地呈現恢復趨勢(表3)。高寒草甸、山地草甸和沼澤類輕微恢復的草地面積比例分別為44.34%、43.52%和31.07%，明顯恢復的草地面積比例分別為8.70%、11.99%和6.10%，惡化的草地面積比例分別為34.36%、32.74%和46.20%。除迭部縣外，其他縣(市)草地均以穩(wěn)定和恢復為主，其中夏河縣草地呈現穩(wěn)定和恢復狀態(tài)的面積比例最大，達83.90%，其次依次是臨潭縣、舟曲縣、合作市、碌曲縣、卓尼縣和瑪曲縣。就空間分布特征而言，甘南州草地變化空間異質性較高，20 年來呈惡化趨勢的草地大多分布在瑪曲縣、卓尼縣和碌曲縣局部區(qū)域，夏河縣和合作市主要以恢復為主(圖5)。

圖 3 甘南州2000?2019 年草地地上生物量空間分布圖Figure 3 Spatial distribution map of the grassland aboveground biomass from 2000 to 2019 in the Gannan Prefecture

圖 4 甘南州不同草地類型地上生物量年際變化動態(tài)Figure 4 Dynam ics of yearly variation in aboveground biom ass of different types of grasslands in the Gannan Prefecture

草地地上生物量變化特征分析結果表明(表4)，甘南州44.39%的草地變化趨勢不具有可持續(xù)性，18.07%的草地呈持續(xù)性惡化趨勢，而33.08%的草地呈持續(xù)性恢復趨勢。山地草甸和高寒草甸變化趨勢類似，而沼澤類持續(xù)性輕微惡化的草地占比較大。就各縣(市)而言，迭部縣草地呈持續(xù)性惡化趨勢的面積占比最高，達30.00%；其次是瑪曲縣和卓尼縣，舟曲縣、夏河縣、合作市和臨潭縣草地呈持續(xù)性惡化趨勢的面積占比均低于10.00%；臨潭縣、夏河縣和舟曲縣有50.00%以上的草地呈持續(xù)性恢復趨勢。甘南州草地變化特征空間分布圖顯示，甘南州草地變化特征的空間異質性較高，呈持續(xù)性惡化趨勢的草地大多分布在瑪曲縣、卓尼縣、迭部縣和碌曲縣局部區(qū)域，呈持續(xù)性恢復趨勢的草地主要分布在夏河縣和合作市，草地變化趨勢不確定(即變化趨勢不具有可持續(xù)性)的區(qū)域主要集中分布在瑪曲縣、碌曲縣、舟曲縣和合作市(圖6)。

表 2 甘南州各縣市草地地上生物量統(tǒng)計Table 2 Statistics of grassland aboveground biomass of different counties (cities) in the Gannan Prefecture

表 3 2000?2019 年甘南州各類草地變化趨勢的面積比例Table 3 Area rate of different grassland change trends from 2000 to 2019 in the Gannan Prefecture %

圖 5 2000?2019 年甘南州草地變化趨勢空間分布Figure 5 Spatial distribution of the grassland change trend from 2000 to 2019 in the Gannan Prefecture

總體而言，近20 年來甘南州草地恢復的面積比例(53.70%)大于退化的面積比例(33.95%)，但仍有18.07%的草地呈持續(xù)性惡化趨勢，因此甘南州草地整體上以恢復為主，局部地區(qū)仍表現出持續(xù)惡化態(tài)勢。

3 討論

3.1 甘南州草地植被狀況變化影響因素分析

本研究結合MODIS 植被指數和野外調查數據，構建了適合于甘南州草地地上生物量的最優(yōu)模型，并對甘南州2000?2019 年的草地地上生物量時空變化趨勢進行了分析，結果表明，近20 年來甘南州草地呈現出整體恢復、局部惡化的趨勢，其主要原因包括氣候變化和國家政策實施兩方面。相比較而言，高寒地區(qū)高溫有利于植被的生長[25]。通過分析甘南州2000?2014 年的氣象數據發(fā)現，甘南州年均溫和年降水量均呈波動上升趨勢；從月際變化趨勢分析發(fā)現，甘南州降水主要集中在每年的生長季(5 月 ? 9 月)，其中7 月降水最為豐沛，一年中的月平均溫度大于10 ℃的月份也集中在生長季，8 月的溫度最高，達15 ℃[26-27]。本研究通過分析甘南州2000 年以來的溫度、降水變化趨勢可看出，近20 年來甘南州瑪曲縣和合作市的溫度和降水均呈增加趨勢，且降水呈顯著增加趨勢，甘南州氣候變化以暖濕化為主(圖7)。由此表明，高寒地區(qū)植被的生長發(fā)育與水熱條件密切相關，這也是甘南州草地地上生物量不斷增加的因素之一。

甘南牧區(qū)是我國重要的草原畜牧業(yè)生產地和生態(tài)安全屏障，長期以來受自然和人為因素的影響，加劇了甘南州牧區(qū)草地退化程度。為了防止甘南州牧區(qū)草地生態(tài)服務功能減弱，國家推出了一些大的生態(tài)保護和建設項目。1999 年國家開始推行“退耕還林還草”生態(tài)工程；從2003 年開始，國家對“退牧還草”生態(tài)工程進行試點推行，國家相繼推出了若干保護草原的優(yōu)惠政策；2011 年，在“退牧還草”生態(tài)工程建設的基礎上，推出草原生態(tài)獎補機制。這些政策的實施對于草地保護和恢復具有重要的意義。相關研究表明，草原生態(tài)保護政策的實施對甘

南州牧區(qū)退化草地的恢復、牧民生活質量的提高以及牧區(qū)經濟發(fā)展的促進等方面效果顯著。除此之外，草原生態(tài)保護政策的實施有利于牧區(qū)草地資源的可持續(xù)發(fā)展與利用，這為管理部門的決策提供了參考[28-29]。

表 4 2000?2019 年甘南州各類草地變化特征Table 4 Analysis of the changes in the characteristic of different grasslands from 2000 to 2019 in the Gannan Prefecture %

圖 6 2000?2019 年甘南州草地變化特征空間分布Figure 6 Spatial distribution of the changes in grassland characteristics from 2000 to 2019 in the Gannan Prefecture

圖 7 甘南州2000?2018 年瑪曲和合作氣溫、降水變化趨勢Figure 7 Tem perature and precipitation change trends of M aqu and Hezuo from 2000 to 2018 in the Gannan Prefecture

3.2 草地地上生物量遙感監(jiān)測算法

本研究結合遙感數據與野外實測數據，構建了植被指數與地上生物量之間的模型，并對模型精度進行評價，篩選出適合模擬甘南州草地生長狀況的最優(yōu)模型。目前，就草地監(jiān)測的遙感模型研究而言，出現了很多不同的植被指數。遙感模型形式不同，主要是因為草地類型、研究區(qū)域及遙感資料不同，導致基于植被指數和生物量構建的估算模型存在較大差異。梁天剛等[30]以每日地表反射率數據MOD09GA 和地面調查資料，構建了甘南牧區(qū)草地地上生物量最優(yōu)遙感反演模型，并對甘南牧區(qū)草地地上生物量的變化動態(tài)進行了分析，結果表明，基于MODIS EVI 的乘冪模型能夠很好地反映甘南牧區(qū)草地地上生物量鮮重的變化，相關系數達0.797。這種現象的出現主要是因為本研究所用的地面實測數據為干重，而梁天剛等[30]研究所用的實測生物量為鮮重，由于地上生物量鮮重中含有水分，一定程度上會影響模型精度。孟寶平[15]利用MOD13Q1植被指數與實測地上生物量數據構建的草地地上生物量單因子模型，結果與本研究非常接近，前者研究所選用的遙感數據與本研究一致，均為MOD13Q1，兩者所構建的地上生物量模型均為基于MODIS EVI的指數模型。楊榮榮等[1]的研究結果表明，不同區(qū)域由于氣候條件的影響，草地的返青期不同，構建的草地地上生物量反演模型精度存在著不同程度的差異。

4 結論

本研究以甘南州為研究區(qū)，結合遙感資料和野外實測數據，構建了適宜于甘南州草地地上生物量反演的最優(yōu)模型，實現了對2000?2019 年甘南州草地地上生物量的反演分析，并探討分析了不同行政區(qū)和草地類型的草地地上生物量時空變化特征。獲得如下主要結果：

1) 基于MODIS EVI (y =299.82e3.3862x) 構建的甘南州草地地上生物量反演模型適宜于天然草地地上生物量變化監(jiān)測研究，模型決定系數R2= 0.524 9，RMSE = 527.9 kg·hm?2。

2) 20 年間甘南州高寒草甸和山地草甸的地上生物量均呈現增加趨勢，而沼澤類草地的地上生物量呈減少趨勢。多年統(tǒng)計結果顯示，高寒草甸地上生物量最大，其次是山地草甸，沼澤類草地的地上生物量最小。

3)近20 年來甘南州草地呈現出整體恢復、局部惡化的趨勢。全州66.04%的草地呈穩(wěn)定或恢復趨勢，其中37.54%的草地呈持續(xù)性穩(wěn)定或恢復趨勢；33.96%的草地地上生物量呈減少趨勢，其中18.08%的草地呈持續(xù)性惡化趨勢。