三江源自然保護(hù)區(qū)高寒草地草情診斷研究

王穗子, 張雅嫻,2, 樊江文,*, 張海燕

三江源自然保護(hù)區(qū)高寒草地草情診斷研究

王穗子1, 張雅嫻1,2, 樊江文1,*, 張海燕1

1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 2. 西南民族大學(xué)青藏高原研究院, 成都 610041

三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的實(shí)施對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響, 草地是該地區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型, 準(zhǔn)確的草情診斷對(duì)該地區(qū)的生態(tài)穩(wěn)定和畜牧業(yè)發(fā)展具重要意義, 可更好的指導(dǎo)三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和發(fā)展。基于長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感觀測(cè)資料和野外采樣數(shù)據(jù), 通過構(gòu)建草情診斷基準(zhǔn)值, 結(jié)合草地覆蓋度和產(chǎn)草量的變化率, 根據(jù)加權(quán)求和計(jì)算出草情指數(shù), 診斷分析三江源生態(tài)工程實(shí)施后草地植被生長(zhǎng)變化狀況。結(jié)果表明: 自2005年工程實(shí)施后, 三江源自然保護(hù)區(qū)多年平均草情指數(shù)是3.47, 草情狀況較好, 空間上呈現(xiàn)西南向東北方向變好的格局。草情狀況極好、較好和中等的草地面積占比均顯著高于草情極差和較差的草地面積占比。12年間草情指數(shù)變異系數(shù)為12.47%, 草情年間變化呈現(xiàn)輕微波動(dòng)。其中80.32%的草地草情狀況無顯著變化(> 0.05), 14.61%的草情狀況下降趨勢(shì)顯著, 5.07%的草地草情狀況上升趨勢(shì)顯著(<0.05)。三江源國(guó)家公園的各園區(qū)的年均草情指數(shù)為黃河源園區(qū)(3.78)>長(zhǎng)江源園區(qū)(3.61)>瀾滄江源園區(qū)(3.15), 草情狀況較好。三個(gè)園區(qū)2/3以上的草地的草情無顯著變化趨勢(shì); 黃河源園區(qū)變化趨勢(shì)顯著變差的面積占比最高(17.74%), 瀾滄江源園區(qū)最低(13.49%); 變化趨勢(shì)顯著變好的面積占比最高的為長(zhǎng)江源園區(qū)(6.46%), 最低的為瀾滄江源園區(qū)(3.46%)。自生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施后, 草情呈現(xiàn)較好狀況, 但部分區(qū)域呈現(xiàn)下降的趨勢(shì), 應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)三江源自然保護(hù)區(qū)草情狀況的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè), 進(jìn)行合理的草情診斷, 加大草情狀況較差區(qū)域的生態(tài)保護(hù)。

草情指數(shù); 基準(zhǔn)值; 遙感; 高寒草地; 三江源

0 前言

作為分布最廣泛的植被類型之一, 草地具有保持水土、凈化空氣、控制溫室氣體排放和防風(fēng)固沙等功能[1-3]。我國(guó)草地資源極為豐富, 天然草地面積大, 總面積約為400×104km2, 占據(jù)世界草地面積的8%[4]和我國(guó)國(guó)土面積的41.7%[5]。草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源地區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型, 其面積大約占源區(qū)總面積的65%, 且主要為高寒草地[6]。受全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響, 三江源地區(qū)草地呈現(xiàn)持續(xù)退化狀態(tài)[7], 而三江源自然保護(hù)區(qū)工程實(shí)施以來, 生態(tài)狀況有所好轉(zhuǎn)[8]。對(duì)草情進(jìn)行監(jiān)測(cè), 及時(shí)掌握草地生長(zhǎng)狀況, 并快速進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警, 可以更好的指導(dǎo)三江源區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和發(fā)展。因此進(jìn)行合理的草情診斷, 將對(duì)該地區(qū)的草地動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、畜牧業(yè)平衡分析、生態(tài)環(huán)境變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[9]。

草地地上生物量監(jiān)測(cè)研究主要分為地面測(cè)量和遙感兩個(gè)主要方法[10]。目前有關(guān)部門對(duì)草情監(jiān)測(cè)的手段, 主要以縣為單位逐月進(jìn)行采樣并上報(bào), 均是以點(diǎn)為單位, 但我國(guó)草地資源分布廣泛, 且空間異質(zhì)性高, 極易受到地形、可獲得性和區(qū)域環(huán)境的影響, 使用傳統(tǒng)手段進(jìn)行草地監(jiān)測(cè)存在一定滯后性和不全面性[11]。遙感方法是基于植物冠葉的可見和近紅外波段的強(qiáng)光譜特征, 具有覆蓋范圍廣, 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、重訪周期短等優(yōu)點(diǎn), 目前草地遙感監(jiān)測(cè)比較常用的方法是利用植被指數(shù), 如NDVI[12]。綜合植被指數(shù)和野外采樣數(shù)據(jù)共同判斷草情狀況更具有科學(xué)性, 產(chǎn)草量和植被覆蓋度是度量和評(píng)價(jià)草地植被狀況的重要指標(biāo)[13]。雖已有關(guān)于三江源草地覆蓋度或產(chǎn)草量的多年動(dòng)態(tài)變化的研究[14,15], 但均僅闡述多年的覆蓋度/產(chǎn)草量動(dòng)態(tài)變化, 無法明確闡釋草情的變化狀況(如草情呈現(xiàn)變好/變壞趨勢(shì))。本研究試圖結(jié)合多年野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù), 選擇三江源生態(tài)工程實(shí)施前5年的數(shù)據(jù)構(gòu)建基準(zhǔn)值, 通過分別計(jì)算生態(tài)工程實(shí)施后逐年產(chǎn)草量和植被覆蓋度的變化情況, 通過加權(quán)求和產(chǎn)草量和覆蓋度的變化率計(jì)算出草情指數(shù), 進(jìn)而綜合判斷生態(tài)工程實(shí)施后的草地生長(zhǎng)變化情況。以期為生態(tài)工程實(shí)施后效果和大范圍的草情監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù), 對(duì)政府進(jìn)行區(qū)域規(guī)劃與決策具有重要作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)地處青藏高原腹地青海省南部, 介于東經(jīng)89°45′—102°23′, 北緯31°39′—36°12′, 海拔2800—6564 m, 素有“中華水塔”之稱, 是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江的發(fā)源地, 是高原生物多樣性最為集中的區(qū)域, 是全球氣候變化的敏感區(qū)和啟動(dòng)區(qū), 是我國(guó)生態(tài)安全的重要屏障[16]。三江源區(qū)屬于典型高原大陸性氣候, 降水量集中且降水地域差異較大, 溫度日較差大但年較差小, 年均降水量262.2—772.8 mm, 年均氣溫-5.38—4.14℃, 年蒸發(fā)量為730—1700 mm[17]。行政區(qū)域包括果洛、海南、黃南、玉樹四個(gè)藏族自治州的21個(gè)縣, 以及格爾木市的唐古拉山鄉(xiāng)。源區(qū)總面積為36.3×104km2, 其中草地面積占三江源地區(qū)總面積1/2以上, 為20.3×104km2[18]。三江源地區(qū)草地類型主要為高寒草甸類和高寒草原類, 其面積分別為源區(qū)草地總面積的76.2 %和23.4 %(圖1, 圖2)。

圖1 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)示意圖

Figure 1 The geographic location and sampling points of the study area

圖2 三江源地區(qū)多年年降水(A)和年均溫(B)空間分布圖

Figure 2 The spatial of annual precipitation (A) and annual average temperature (B) during 1990-2016

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)數(shù)據(jù)是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS) MODIS-NDVI 16天合成產(chǎn)品(MOD13A1), 數(shù)據(jù)采集為2000—2016年, 空間分辨率為500 m。通過幾何校正、拼接、最大值合成(MVC)每年生長(zhǎng)季的10期影像, 并根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[19]提出的土地利用/土地覆被變化(LUCC)數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜, 得到研究區(qū)2000—2016年每年的草地NDVI最大值合成影像。

1.2.2 野外采樣數(shù)據(jù)

于研究年限的每年7月中旬到8月中旬在三江源地區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查與采樣, 共251個(gè)樣地, 為了增加樣本的代表性, 每個(gè)樣地選擇3個(gè)間隔5 m的樣方(1 m × 1 m)(圖1)。采用標(biāo)準(zhǔn)收獲法將樣方內(nèi)所有植物齊地面刈割, 裝進(jìn)信封袋, 帶回室內(nèi)在65 ℃下烘干至恒重進(jìn)行稱重, 得到樣方內(nèi)地上生物量干重。

1.2.3 草地產(chǎn)草量估算

根據(jù)Grubbs檢驗(yàn)剔除異常值, 鑒于樣方的空間分布和草地類型的代表性, 最終有效數(shù)據(jù)為234個(gè), 將數(shù)據(jù)集隨機(jī)劃分為構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?67%,=157)和驗(yàn)證(33%,=77)的數(shù)據(jù)集。將NDVI與地上生物量進(jìn)行相關(guān)回歸分析, 建立的地面-遙感相結(jié)合的三江源產(chǎn)草量估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 計(jì)算2000-2016年的年均產(chǎn)草量。產(chǎn)草量估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?

=56.629×4.185NDVI(1)

其中,: 產(chǎn)草量干重, 單位為kg·hm-2。

根據(jù)預(yù)留的地上生物量數(shù)據(jù)來驗(yàn)證該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?2較高(0.69), 說明估計(jì)值和實(shí)測(cè)值具有良好的一致性, 且均方根誤差(344.37 kg·hm-2), 平均相對(duì)誤差(26.38%)和平均絕對(duì)誤差(207.39 kg·hm-2)相對(duì)較低。因此, 該草地產(chǎn)草量估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果具有可信性。

1.2.4 草地覆蓋度

草地覆蓋度采用遙感方法計(jì)算, 得到2000—2016年草地覆蓋度。

計(jì)算公式如下:

其中,F為草地覆蓋度, NDVI和NDVI分別為區(qū)域內(nèi)最小和最大的NDVI值。由于不可避免的存在噪聲, 故NDVI和NDVI取一定置信區(qū)間(5%—95%)內(nèi)的最小值和最大值。

1.3 分析方法

1.3.1 草情診斷基準(zhǔn)值的構(gòu)建

本研究選擇草地覆蓋度和草地產(chǎn)草量?jī)身?xiàng)指標(biāo)構(gòu)建草情診斷基準(zhǔn)值。根據(jù)千年評(píng)估(MA)的理念, “基準(zhǔn)年”并非某一個(gè)年份, 而是與本底調(diào)查相近的若干年份。選取多年數(shù)據(jù)構(gòu)建基準(zhǔn)值, 通過與基準(zhǔn)值的比較, 使得草情診斷結(jié)果更具有科學(xué)性和可比性。國(guó)務(wù)院自2005年1月26日三江源工程批準(zhǔn)《青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)總體規(guī)劃》, 為了解三江源生態(tài)工程后草情變化狀況, 選取2000—2004年5年平均草地覆蓋度和草地產(chǎn)草量, 構(gòu)建草情診斷的基準(zhǔn)值。

1.3.2 草情指標(biāo)分項(xiàng)診斷

通過與草地覆蓋度/草地產(chǎn)草量基準(zhǔn)值進(jìn)行比較, 計(jì)算每年草地覆蓋度/草地產(chǎn)草量變化率(公式3, 4), 從而判斷其變化程度, 并對(duì)草地覆蓋度/產(chǎn)草量變化率進(jìn)行歸一化(表1)。在GIS軟件中使用標(biāo)準(zhǔn)差分類的方式對(duì)變化率進(jìn)行分類, 變化率的劃分參考了青海省地方標(biāo)準(zhǔn)(DB63/T1342—2015)[20]。若產(chǎn)草量/覆蓋度變化率>15 %, 則表示植被生長(zhǎng)狀況變化極好, 并歸一化賦值為5; 若變化率為5%—15%, 則表示植被生長(zhǎng)狀況較好, 并歸一化賦值為4; 若變化率為-5%—5%, 則表示植被生長(zhǎng)狀況一般, 并歸一化賦值為3; 若變化率為-5%—-15%, 則表示植被生長(zhǎng)狀況較差, 并歸一化賦值為2; 若變化率為< -15%, 則表示植被生長(zhǎng)狀況極差, 并歸一化賦值為1。

草地覆蓋度/產(chǎn)草量變化率公式如下:

C=(–C)/C×100% (3)

Y=(–Y)/Y×100% (4)

其中,C是草地覆蓋度變化率,是當(dāng)年草地覆蓋率,C是草地覆蓋度基準(zhǔn)值;Y為草地產(chǎn)草量變化率,是草地產(chǎn)草量,Y是草地產(chǎn)草量基準(zhǔn)值。

1.3.3 草情綜合診斷分析

植被覆蓋度和生物量是衡量草原生產(chǎn)力大小的最主要的指標(biāo), 是描述草地生態(tài)系統(tǒng)健康的重要參數(shù)。結(jié)合草地覆蓋度變化率和草地產(chǎn)草量變化率來診斷和分析草情, 綜合判斷草地植被的生長(zhǎng)情況。通過咨詢當(dāng)?shù)貙＜? 并結(jié)合三江源地區(qū)草地實(shí)際情況和相關(guān)文獻(xiàn)[21, 22], 確定草地覆蓋度變化率和草地產(chǎn)草量變化率權(quán)重各占50 %。通過草情綜合診斷公式(公式5)計(jì)算草情指數(shù)(grassland condition index, GCI), 并將草情指數(shù)劃分為5類, 分別是1、1—2、2—3、3—4、4—5, 代表草情狀況為極差、較差、中等、較好、極好。

草情綜合診斷公式如下:

GCI=0.5×C+0.5×Y(5)

其中, GCI為草情指數(shù),C為草地覆蓋度變化率歸一化值,Y為草地產(chǎn)草量變化率歸一化值。

1.3.4 趨勢(shì)變化分析

草情綜合診斷長(zhǎng)時(shí)間段的變化分析采用趨勢(shì)線分析法?？臻g柵格數(shù)據(jù)以像元為單位, 基于ArcGIS軟件, 采用最小二乘法, 建立了2005—2016年草情指數(shù)的變化趨勢(shì)特征, 在ArcGIS軟件中運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差分類的方法對(duì)草情指數(shù)變化特征進(jìn)行分類, 草情指數(shù)變化特征分類如表2所示, 具體計(jì)算公式如下:

表1 基于遙感的草地覆蓋度/產(chǎn)草量變化程度歸一化表

表2 草情指數(shù)變化程度特征分類

其中, slope為變化趨勢(shì),為年份,為總年數(shù),y為第年的草情指數(shù)。Slope>0說明其變化趨勢(shì)是變好, 反之則表示變差。

1.3.5 草情變化波動(dòng)性分析 草情變化的波動(dòng)性采用變異系數(shù)來表示, 具體計(jì)算公式如下:

其中,為變異系數(shù),為數(shù)據(jù)序列的標(biāo)準(zhǔn)差,為數(shù)據(jù)序列的平均值。

表3 草情變化波動(dòng)性程度特征分類

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源地區(qū)草情診斷基準(zhǔn)值

本研究選取三江源地區(qū)2000—2004年5年平均草地產(chǎn)草量和草地覆蓋度, 作為三江源地區(qū)草情診斷的基準(zhǔn)值。結(jié)果顯示, 2000—2004年三江源地區(qū)5年平均產(chǎn)草量為691.39 kg·hm-2, 空間分布呈現(xiàn)東南向西北方向逐漸降低的趨勢(shì)。2000—2004年5年平均草地覆蓋度為0.56, 空間分布同水熱分布格局相似, 也同樣呈現(xiàn)東南部高西北部低的空間分布格局(圖3)。

2.2 三江源地區(qū)草情指標(biāo)分項(xiàng)診斷

以2016年為例, 2016年三江源地區(qū)產(chǎn)草量為708.41 kg·hm-2, 空間上呈現(xiàn)東南向西北方向逐漸降低。相比草地產(chǎn)草量基準(zhǔn)值(即2000—2004年平均產(chǎn)草量), 2016年三江源地區(qū)產(chǎn)草量均值增加了2.08 %, 變化不大。其中東北部產(chǎn)草量明顯好轉(zhuǎn), 西南部和東南部也有所好轉(zhuǎn), 而中部地區(qū)產(chǎn)草量則顯著變差(圖4)。

2016年三江源地區(qū)平均草地覆蓋度為0.57, 由東南向西北方向逐漸降低。與草地覆蓋度基準(zhǔn)值(即2000—2004年草地覆蓋度均值)相比, 2016年三江源草地覆蓋度均值增加了4.39 %。大部分地區(qū)覆蓋度呈好轉(zhuǎn)變化趨勢(shì), 東南地區(qū)呈極度轉(zhuǎn)好狀況, 僅中部小范圍區(qū)域覆蓋度呈轉(zhuǎn)差趨勢(shì)(圖5)。

2.3 三江源地區(qū)草情綜合診斷

從全區(qū)草情診斷指數(shù)來看, 2016年三江源地區(qū)平均草情指數(shù)為3.16, 整體草情屬于較好?？赡芘c三江源區(qū)生態(tài)建設(shè)工程的實(shí)施取得的生態(tài)成效, 草地生態(tài)狀況好轉(zhuǎn)有關(guān)。草情狀況極好的的草地面積占全區(qū)草地總面積21.08%, 主要分布于水熱條件好、海拔低的地區(qū), 如東北部的共和縣、貴德縣、尖扎縣、同仁縣、貴南縣、澤庫縣、同德縣以及興海縣東北部。草情狀況較好和中等的草地面積分別占26.50%和28.17%, 主要位于西部和西南部地區(qū), 以及東部地區(qū)的中間區(qū)域。曲麻萊縣、瑪多縣北部、稱多縣西南部、達(dá)日縣東部草情狀況草情較差, 且曲麻萊縣和瑪多縣部分區(qū)域草情呈極差狀態(tài)(圖6)。黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)和瀾滄江源園區(qū)絕大部分地區(qū)的草情狀況呈較好以上, 其草地面積占比分別為43.49%, 45.44%和45.94%。長(zhǎng)江源園區(qū)草情狀況極差的草地面積占比相對(duì)最高, 為9.15%, 而瀾滄江的面積占比相對(duì)最低, 為3.07%。草情狀況呈現(xiàn)中等水平的草地面積占比最高的是瀾滄江源園區(qū)(31.68%), 其次分別為黃河源園區(qū)(28.33%)和長(zhǎng)江源園區(qū)(25.01%)(圖7)。

圖3 三江源地區(qū)草地產(chǎn)草量(左)和覆蓋度(右)基準(zhǔn)值

Figure 3 Reference value of grassland yield(left)and coverage(right) in the Three-River Headwater Region

圖4 2016年三江源地區(qū)產(chǎn)草量(左)和產(chǎn)草量變化診斷(右)

Figure 4 Grassland yield (left) and diagnosis (right) at the Three-River Headwater Region in 2016

圖5 2016年三江源地區(qū)覆蓋度(左)和覆蓋度變化診斷(右)

Figure 5 Grassland coverage (left) and diagnosis (right) at the Three-River Headwater Region in 2016

2.4 近十年來三江源區(qū)域草情的動(dòng)態(tài)變化

整個(gè)三江源地區(qū)2005-2016年的平均草情指數(shù)為3.47, 草情狀況較好, 從空間分布來看, 三江源地區(qū)呈現(xiàn)北部高南部低, 東北部高中南部低(圖8)。根據(jù)草情指數(shù)分級(jí)結(jié)果, 草情狀況較好和極好的草地, 其年均面積占比分別為25.66%和30.43%, 超過總草地面積的1/2; 草情狀況中等的草地面積年均占比為28.98%; 草情狀況較差和極差的草地面積占比很低, 12年平均面積占比分別為77%和2.03%, 草情狀況中等、較好和極好的草地面積占比顯著高于草情狀況較差和極差的草地面積占比(圖9)。從12年間草情指數(shù)的變化趨勢(shì)來看, 有74.52%的草地在2005—2016年中草情變化基本不變, 6.99%的草地草情輕度變好, 0.51%的草地明顯變好, 有16.90%的草地草情變化呈現(xiàn)輕度變差, 1.08%的草地呈現(xiàn)明顯變差。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)得到, 80.32%的草地草情變化不顯著(> 0.05), 14.61%的草地草情指數(shù)下降趨勢(shì)顯著(< 0.05), 5.07%的草地草情指數(shù)上升趨勢(shì)顯著(< 0.05)(圖10)。從草情指數(shù)的波動(dòng)特征來看, 草情波動(dòng)基本不變和劇烈波動(dòng)的區(qū)域分別僅占總區(qū)域面積的6.30%和5.63%, 37.79%的草地處于明顯波動(dòng)狀態(tài), 50.28%的草地其草情變化處于輕微波動(dòng)。東部和北部地區(qū)的草情指數(shù)波動(dòng)較小, 處于基本不變和輕微波動(dòng)的狀態(tài); 而西南部和中部地區(qū)的草情指數(shù)波動(dòng)明顯, 年際變化較大, 這與當(dāng)?shù)氐淖匀槐尘疤卣骱驼邲Q策具有密切聯(lián)系(圖11)。

圖6 2016年三江源的草情狀況空間分布

Figure 6 The spatial distribution of grassland condition at Three-River Headwater Region in 2016

圖7 2016年三江源草情狀況面積比

Figure 7 Ratio of grassland area in different condition

通過分析三江源國(guó)家公園的不同園區(qū)草情動(dòng)態(tài)分析, 黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)和瀾滄江源園區(qū)的多年平均草情指數(shù)分別為3.78, 3.61和3.14, 表明三個(gè)園區(qū)的草情狀況均較好。黃河、長(zhǎng)江和瀾滄江分別有70.76%、64.18%和62.97%的草地草情變化趨勢(shì)<0。根據(jù)草情指數(shù)變化特征分類, 三個(gè)園區(qū)的草情變化趨勢(shì)主要以基本不變?yōu)橹? 其中瀾滄江源園區(qū)草情基本不變的草地占比最高, 為76.16%。草情呈持續(xù)轉(zhuǎn)好變化的草地面積占比最高的是瀾滄江源園區(qū)(8.61%), 其次分別為長(zhǎng)江源園區(qū)(7.60%)和黃河源園區(qū)(5.84%)。從3大園區(qū)草情變化的波動(dòng)特征值看, 瀾滄江源園區(qū)絕大部分地區(qū)草情變化呈現(xiàn)明顯波動(dòng), 明顯波動(dòng)的草地占瀾滄江源園區(qū)草地面積的62.73%。黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)草情主要為輕微波動(dòng), 占各自園區(qū)草地面積的55.83%和48.65% (表3)。

3 討論與結(jié)論

本研究基于遙感和多年野外采樣數(shù)據(jù)對(duì)三江源自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行草情診斷。首次在草地植被遙感監(jiān)測(cè)研究中引入“草情指數(shù)(grassland condition index, GCI)”的概念, 通過選取多年平均產(chǎn)草量和平均草地覆蓋度作為草情診斷基準(zhǔn)值, 來分析源區(qū)更大時(shí)間尺度的產(chǎn)草量和草地覆蓋度變化情況, 對(duì)產(chǎn)草量和草地覆蓋度變化率賦權(quán)重綜合計(jì)算草情指數(shù), 進(jìn)而診斷草地生長(zhǎng)狀況, 可以更確切的表達(dá)出不同地理位置草地的變化情況, 更具科學(xué)性和可比性。

本研究選擇2000-2004年作為草情診斷基準(zhǔn)值構(gòu)建年份, 以探究三江源生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)草情變化狀況的影響。結(jié)果表明, 以2016年三江源區(qū)草地草情診斷為例, 2016年三江源區(qū)產(chǎn)草量和草地覆蓋度分別增加2.08%和4.39%。2016年全區(qū)草情指數(shù)為3.16, 屬于草情狀態(tài)較好。其中東部地區(qū)草情指數(shù)為4—5, 草地生長(zhǎng)狀況很好, 主要可能因?yàn)楣こ虒?shí)施后, 生態(tài)移民、減少牲畜、退牧還草等措施, 減輕了該地區(qū)的載畜壓力, 草地理論載畜量有所提升, 而現(xiàn)實(shí)載畜量明顯下降[23, 24]。同時(shí)該地區(qū)水熱條件相對(duì)較好, 草地生產(chǎn)力較高, 自然承受和恢復(fù)能力也更強(qiáng)[25], 且農(nóng)牧互補(bǔ)特色明顯, 較大面積的林地與灌叢也一定程度緩解了載畜壓力。曲麻萊縣、稱多縣西南部和瑪多縣北部部分區(qū)域草情指數(shù)< 2, 草地狀況很差, 表明黃河源區(qū)的草地退化較為嚴(yán)重。該地區(qū)大部分草地中度持續(xù)退化沙化, 自20世紀(jì)70年代草地面積退化比例高于70%, 是源區(qū)退化最為嚴(yán)重的區(qū)域[7], 主要是由于鼠害、氣候等原因, 其中曲麻萊縣遭受多年干旱, 加速了草地沙化[26]; 稱多縣草地上開采礦產(chǎn)和挖藥材, 屬于玉樹地震中受災(zāi)區(qū)域, 生態(tài)受到一定程度的破壞, 均造成了草地退化和沙化; 瑪多縣的鼠害嚴(yán)重, 在高原鼠兔危害嚴(yán)重的地方, 甚至達(dá)到了輕度沙漠化的水平[27]。

圖8 2005—2016年三江源的平均草情指數(shù)空間分布

Figure 8 The spatial distribution of GCI at Three-River Headwater Region during 2005-2006

圖9 2005—2016年三江源的草情狀況平均面積占比

Figure 9 The ratio of GCI at Three-River Headwater Region during 2005-2006

圖10 三江源區(qū)2005—2016年草情狀況變化趨勢(shì)(左)和顯著性檢驗(yàn)(右)圖

Figure 10 The change trend (left) and fluctuation (right) of GCI on the Three-River Headwater Region from 2005 to 2016

圖11 三江源區(qū)2005—2016年草情狀況波動(dòng)特征圖

Figure 11 The fluctuation of GCI on the Three-River Headwater Region from 2005 to 2016

表3 三江源地區(qū)草情指數(shù)波動(dòng)特征面積占比(%)

2005—2016年三江源區(qū)年均草情指數(shù)為3.47, 草情狀況良好, 草情狀況較差的草地面積所占比例均值僅為7.46 %。且12年間草情指數(shù)變異系數(shù)較小, 年際變幅不大, 草情狀況較為穩(wěn)定。溫度增加使得高原植被生長(zhǎng)季延長(zhǎng), 進(jìn)而提高了生產(chǎn)力[28]。同時(shí)三江源地區(qū)的人工降雨措施的實(shí)施, 以及氣候變暖趨勢(shì)下水分條件的改善均有助于植被的恢復(fù)。三江源國(guó)家公園雖然有較多區(qū)域的草情變化呈下降趨勢(shì)(slope < 0), 但變化不顯著, 多年平均草情指數(shù)較高, 草情呈現(xiàn)較好狀態(tài)。其中黃河源園區(qū)的多年平均草情指數(shù)最高(3.78)且變化波動(dòng)相對(duì)較小。草地草情變化趨勢(shì)呈現(xiàn)空間差異性, 可能由于高寒草地不同地區(qū)的群落處于不同的演替階段, 其恢復(fù)的能力也不盡相同。如屬于成熟期的生態(tài)系統(tǒng), 生態(tài)結(jié)構(gòu)完整系統(tǒng)穩(wěn)定, 但其生產(chǎn)能力不高; 屬于成長(zhǎng)期的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差, 但生產(chǎn)力能力較強(qiáng)[29]。如瀾滄江園區(qū)呈現(xiàn)顯著波動(dòng)的面積占比最高, 同時(shí)草情呈變好趨勢(shì)的面積占比也為最高。在草地恢復(fù)的過程中會(huì)受到生物和非生物因素的共同影響, 環(huán)境因素會(huì)在更廣的范圍內(nèi)決定物種的分布, 三江源東部地區(qū)水熱條件相對(duì)更好, 草情更趨于變好且穩(wěn)定性更高。草皮層受到侵蝕后, 會(huì)加重水土流失, 加之冬春季大風(fēng), 風(fēng)濕作用會(huì)加劇禿斑裸地?cái)U(kuò)大與連接, 造成“黑土灘”, 這些區(qū)域的草地草皮層的恢復(fù)過程更為艱難和緩慢。

三江源地區(qū)的草情狀況總體呈現(xiàn)整體較好的狀態(tài), 并且絕大部分地區(qū)無顯著變化趨勢(shì)。草情狀況較好的地區(qū)主要集中于東部, 主要是因?yàn)闅夂蜃兓挠绊懞蛧?guó)家相關(guān)政策的出臺(tái)。自2005年開始, 三江源自然保護(hù)區(qū)一期、二期工程相繼實(shí)施, 三江源區(qū)草地地上生物量和覆蓋度呈逐漸恢復(fù)趨勢(shì), 草地生態(tài)系統(tǒng)功能也逐步增強(qiáng), 水源涵養(yǎng)功能也進(jìn)一步提升, 水源涵養(yǎng)服務(wù)增加趨勢(shì)自西向東呈遞增[8, 30]。氣候也呈現(xiàn)增溫速率有所減緩, 降水量增加, 濕潤(rùn)系數(shù)上升的趨勢(shì)。

[1] DONG Shikui, SHANG Zhanhuan, GAO Jixi, et al. Enhancing sustainability of grassland ecosystems through ecological restoration and grazing management in an era of climate change on Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Agriculture Ecosystem and Environment, 2020,287: 106684.

[2] HU Zhongmin, LI Shenggong, GUO Qun, et al. A synthesis of the effect of grazing exclusion on carbon dynamics in grasslands in China[J]. Global Change Biology, 2016, 22: 1385–1393.

[3] EDWARDS K R, KUCERA T. Management effects on plant species composition and ecosystem processes and services in a nutrient-poor wet grassland[J]. Plant Ecology, 2019, 220(11): 1009–1020.

[4] PRENTICE I C, SYKES M T, LAUTENSCHLAGER M, et al. Modeling global vegetation patterns and terrestrial carbon storage at the last glacial maximum[J]. Global Ecology and Biogeography Letters, 1993, 3 (3): 67–76.

[5] KANG Le, HAN Xingguo, ZHANG Zhibin, et al. Grassland ecosystems in China: Review of current knowledge and research advancement[J]. Philosophical Transactions Biological Sciences, 2007, 362(1482): 997–1008.

[6] LIU Naijing, YANG Yaping, YAO Ling, et al. A regionalized study on the spatial temporal changes of grassland cover in the Three River Headwaters Region from 2000 to 2016[J]. Sustainability, 2018, 10 (0): 3539.

[7] 劉紀(jì)遠(yuǎn), 徐新良, 邵全琴. 近30年來青海三江源地區(qū)草地退化的時(shí)空特征[J]. 地理學(xué)報(bào), 2008, 63 (4): 364–376.

[8] 李迪強(qiáng), 溫琰茂. 三江源區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能分析及保育[J]. 生態(tài)科學(xué), 2006, 1: 67–71.

[9] XU Bin, YANG Xiuchun, TAO Weiguo, et al. MODIS-based remote-sensing monitoring of the spatiotemporal patterns of China's grassland vegetation growth[J]. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34 (11): 3867–3878.

[10] LIANG Tiangang, YANG Shuxia, FENG Qisheng, et al. Multi-factor modeling of above-ground biomass in alpine grassland: a case study in the Three-River Headwaters Region, China[J]. Remote Sensing of Environment, 2016, 186: 164–172.

[11] LU Dengsheng. The potential and challenge of remote sensing-based biomass estimation[J]. International Journal of Remote Sensing, 2006, 27 (7): 1297–1328.

[12] LI Feng, ZENG Yuan, LI Xiaosong, et al. Remote sensing based monitoring of interannual variations in vegetation activity in China from 1982 to 2009[J]. Science China: Earth Science, 2014, 57 (8): 1800–1806.

[13] 杜玉娥, 劉寶康, 郭正剛. 基于MODIS的青藏高原牧草生長(zhǎng)季草地生物量動(dòng)態(tài)[J]. 草業(yè)科學(xué), 2011, 28 (6): 1117–1123.

[14] 樊江文, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等. 1988-2005年三江源草地產(chǎn)草量變化動(dòng)態(tài)分析[J]. 草地學(xué)報(bào), 2010, 18(1): 5–10.

[15] 肖桐, 王昌佐, 馮敏, 等. 2000–2011年青海三江源地區(qū)草地覆蓋度的動(dòng)態(tài)變化特征[J]. 草地學(xué)報(bào), 2014, 22 (1): 39–45.

[16] 劉紀(jì)遠(yuǎn), 邵全琴, 樊江文. 三江源生態(tài)工程的生態(tài)成效評(píng)估與啟示[J]. 自然雜志, 2013, 35 (1): 40–46.

[17] 易湘生, 尹衍雨, 李國(guó)勝,等.青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化[J]. 地理學(xué)報(bào), 2011, 66 (11): 1451–1465.

[18] 樊江文, 邵全琴, 王軍邦, 等. 三江源草地載畜壓力時(shí)空動(dòng)態(tài)分析[J]. 中國(guó)草地學(xué)報(bào), 2011, 33 (3): 64–72.

[19] LIU Jiyuan, DENG Xiangzheng. Progress of the research methodologies on the temporal and spatial process of LUCC[J]. Chinese Science Bulletin, 2010, 55 (14): 1354–1362.

[20] DB63/T1342-2015, 三江源生態(tài)保護(hù)和建設(shè)生態(tài)效果評(píng)估技術(shù)規(guī)范[S].

[21] 張雅嫻, 樊江文, 曹巍, 等. 2006-2013年三江源草地產(chǎn)草量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)降水的響應(yīng)[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(10): 10-19.

[22] ZHANG Liangxia, FAN Jiangwen, ZHOU Decheng, et al. Ecological protection and restoration program reduced grazing pressure in the Three-River Headwaters Region, China[J]. Rangeland Ecology & Management, 2017, 70: 540–548.

[23] 張良俠, 樊江文, 邵全琴,等.生態(tài)工程前后三江源草地產(chǎn)草量與載畜壓力的變化分析[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23 (5): 116–123.

[24] 張雅嫻, 樊江文, 張海燕, 等. 關(guān)于季節(jié)放牧地月適宜載畜量計(jì)算方法的探討[J]. 草業(yè)科學(xué), 2018, 35(5): 1308–1314.

[25] 郭濼, 黃琪, 李冬冬. 黃河源頭地區(qū)土地覆蓋的時(shí)空變化特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 2013, 1: 98–103.

[26] 達(dá)吉. 關(guān)于曲麻萊草地生態(tài)保護(hù)和建設(shè)的思考[J]. 中國(guó)畜禽種業(yè), 2013, 11: 6–8.

[27] 李曉英, 姚正毅, 王宏偉, 等. 鼠類對(duì)瑪多縣草地表層土壤的影響及沙漠化作用[J]. 草地學(xué)報(bào), 2017, 25 (1): 213–216.

[28] Wang Siyuan, Zhang Bin, Yang Qichun, et al. Responses of net primary productivity to phenological dynamics in the Tibetan Plateau, China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2017, 232: 235–246.

[29] 張永超. 退化高寒草甸恢復(fù)過程中植物群落變化特征及其機(jī)制[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2015.

[30] WANG Suizi, FAN Jiangwen, LI Yuzhe, et al. Dynamic response of water retention to grazing activity on grassland over the Three River Headwaters region[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2019, 286: 106662.

The study of diagnosis of alpine grassland condition in the Sanjiangyuan Nature Reserve

WANG Suizi1, ZHANG Yaxian1,2, FAN Jiangwen1,*, ZHANG Haiyan1

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China 2. Institute of Qinghai-Tibetan Plateau, Southwest Minzu University, Chengdu 610041, China

The implementation of ecological protection and construction project has a positive impact on the ecological environment. Alpine grasslands are the main ecosystem type in the Three-River Headwaters Region, China. Accurately monitoring of the condition of grassland is important in guiding the ecological engineering construction and maintaining the balance of grassland ecosystem. Therefore, it is necessary to scientific evaluate the grassland condition. Based on the remote sensing and field sampling data, this paper firstly calculated the average grassland coverage and yield of 5 years before the implementation of the Eco-Project as the reference value of grassland condition, and then based on the weighted sum of grassland coverage and yield changes, the grassland condition index (GCI) was calculated to diagnose the growth status of grassland vegetation after the implementation of the Eco-Project. The results showed that the annual average GCI was 3.47 in the Three-River Headwater Region since the implementation of the Eco-Project. It had a good grassland condition, showing a pattern of getting better from southwest to northeast. The proportion of area with excellent, better and medium grass conditions was significantly higher than that with worse grass condition (<0.05). The fluctuation of the GCI during 2005-2016 was relatively small, with a variation coefficient of 12.47%. 80.32% of the grassland showed no significant change (>0.05), 14.61% showed a significant decline trend, and 5.07% showed a significant increase trend (<0.05). The grassland in the Sanjiangyuan National Park was in good condition. The annual average GCI from high to low was the Yellow River Source Park (3.78), Yangtze River Source Park (3.61), and Lancang River Source Park (3.15). There was no significant change in the GCI of the grasslands above 2/3 in the three parks. The area with significant change in the GCI of the Yellow River Source Park had the highest proportion (17.74%), and the Lancang River Source Park had the lowest (13.49%). The highest percentage of GCI significantly improved area was the Yangtze River Source Park (6.46%), and the lowest was the Lancang River Source Park (3.46%). Since the implementation of the Eco-Protection, grassland has shown good conditions, but some areas have shown a downward trend. We should continue to strengthen the long-term monitoring of grassland condition in Sanjiangyuan Nature Reserve, conduct reasonable grassland condition diagnosis, and increase the ecological protection of areas with poor grass conditions.

grassland condition index; reference value; remote sensing; alpine grassland; Three-River Headwaters Region

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.012

王穗子, 張雅嫻, 樊江文, 等. 三江源自然保護(hù)區(qū)高寒草地草情診斷研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(1): 100–109.

WANG Suizi, ZHANG Yaxian, FAN Jiangwen, et al. The study of diagnosis of alpine grassland condition in the Sanjiangyuan Nature Reserve[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 100–109.

S812

A

1008-8873(2022)01-100-10

2020-05-16;

2020-06-19

第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目(2019QZKK0608); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020M670427); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0506505)

王穗子(1990—), 女, 四川巴中人, 博士, 特別研究助理, 主要從事生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估, E-mail: wangsz.16b@igsnrr.ac.cn

樊江文, 男, 博士, 研究員, 主要從事草地生態(tài)學(xué), E-mail: fanjw@igsnrr.ac.cn