1980—2020年克魯倫河流域草地的時空變化

程佳蕊, 毛德華， 玉 山， 王宗明,4， 相恒星

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點實驗室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；3.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所， 吉林 長春 130102； 4.國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心， 北京 100012)

草地是陸地上分布最廣的土地利用類型之一，約占全球陸地面積的五分之一[1]，植物總量的三分之一，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的水源涵養(yǎng)區(qū)、生物基因庫和碳儲庫[2]。目前，草原退化[3-4]已成為全球亟待解決的生態(tài)問題，《生物多樣性公約》(CBD)的愛知生物多樣性目標(biāo)和聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)都針對陸地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和可持續(xù)利用提出具體規(guī)范。與此同時，“抗擊退化”[5]也成為《聯(lián)合國生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)十年(2021—2030年)》的核心內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)該10 a迫切地需要制定包括草原在內(nèi)的退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)戰(zhàn)略，以預(yù)防、制止和扭轉(zhuǎn)[6-8]生態(tài)系統(tǒng)退化。

中國草地主要分布在北方，以青藏高原和蒙古高原[9]為主要分布區(qū)，盡管已有文獻(xiàn)報道了草地分布變化及其驅(qū)動因素的分析，但對于氣候變化和人類活動對草地分布面積影響的定量化解析相對較少，尤其缺乏對比分析?？缇沉饔蛲ǔＴ谌祟惢顒訌?qiáng)度和氣候變化方面有著明顯的差異[10-12]，開展長時間序列草地時空格局演變及其驅(qū)動因素的對比解析，可為草地資源管理提供決策依據(jù)?？唆攤惡恿饔虻靥幟晒鸥咴瓥|部，是中蒙畜牧業(yè)發(fā)展的重要分布區(qū)。因此，開展克魯倫河流域草地時空變化及其驅(qū)動因素的跨境對比分析，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。本研究基于Landsat長時間序列遙感影像，運用面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林分類法，得到克魯倫河流域1980—2020年5期土地覆被數(shù)據(jù)，通過草地動態(tài)度模型、草地變化轉(zhuǎn)移矩陣及質(zhì)心模型的方法，定量分析1980—2020年克魯倫河流域草地時空變化特征，同時對比分析中蒙兩國草地變化規(guī)律，以期推動地方生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)，為跨境草原的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

克魯倫河流域位于107°25′—117°24′E，46°2′—49°40′N之間[13]，是蒙古高原東部長度最長，流域面積最大的河流。該河發(fā)源于蒙古國的肯特山南麓，自西向東流經(jīng)烏蘭巴托市、肯特省、東方省，在烏蘭恩格爾西端進(jìn)入中國境內(nèi)，流經(jīng)新巴爾虎右旗，注入呼倫湖[14]，全長約1 264 km，流域面積1.30×105km2，其中在蒙古國流經(jīng)范圍較大，面積可達(dá)1.12×105km2，長1 090 km，是蒙古國境內(nèi)的第二長河。克魯倫河流域?qū)僦袦貛Т箨懶愿珊禋夂?，年平均氣?～2 ℃，年降水量150～300 mm[15]。植物種類有叢生草、禾本科、針茅屬、雜類草、羊茅屬、錦雞兒屬、羊草為主的草原植被，常見植被有大針茅、克氏針茅、羊草、芨芨草、寸草苔、蘆葦、冷蒿。克魯倫河流域地形如圖1所示。

注：基于審圖號GS(2016)2948號底圖制作，底圖來自于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)系統(tǒng)(http:∥bzdt.chmnrgov.cn)。下同。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 影像數(shù)據(jù) 本文選用了時間序列較長的Landsat系列影像(表1)，因研究區(qū)面積較大，且時間上選擇了草地生長較為旺盛的7—8月，降水較多，部分區(qū)域相應(yīng)年份難以選取合適影像，進(jìn)而從相鄰年份中收集缺失圖像的區(qū)域，以最大限度地減少云層覆蓋造成的數(shù)據(jù)損失。本文使用的影像下載于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)，利用ENVI軟件對多期遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正及幾何校正等預(yù)處理操作，參考Wang[16]和Mao[17]的土地覆被分類系統(tǒng)，并結(jié)合本研究區(qū)實際情況，最終確定林地、草地、耕地、人工表面、水體、濕地、及裸土地共7種土地覆被類型。

表1 本研究所用Landsat系列數(shù)據(jù)

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 1980—2020年氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)來源于英國East Anglia大學(xué)的分辨率為0.5°的月尺度數(shù)據(jù) Climatic Research Unit(CRU)降水?dāng)?shù)據(jù)集(https:∥crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.05/)，利用ArcGIS 10.6對下載的nc數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換提取，最終將月尺度數(shù)據(jù)合成年數(shù)據(jù)。

1.2.3 社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集 1980—2020年中國一側(cè)總?cè)丝跀?shù)和國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)數(shù)據(jù)集獲取于內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計局(http:∥tj.nmg.gov.cn/)的統(tǒng)計年鑒，蒙古國一側(cè)數(shù)據(jù)來源于世界銀行公開數(shù)據(jù)(https:∥data.worldbank.org.cn/)。

2 研究方法

2.1 基于面向?qū)ο蟮碾S機(jī)森林分類方法

基于數(shù)據(jù)影像進(jìn)行多尺度分割，提取同質(zhì)對象[18]，經(jīng)多次試驗選取分割尺度，最佳分割尺度可以有效地提取地物并減少斑塊冗余和碎化，在提高目標(biāo)樣本純度同時兼顧運行速度，以此提高分類精度。

1980年，1990年，2000年，2010年及2020年分別獲取樣本點1060，977，1043，1123，1040個，實際野外調(diào)查樣本點分別為32，76，156，353，268個，其中1990年，2000年，2010年和2020年課題組均進(jìn)行實際野外調(diào)查，1980年則通過居民走訪調(diào)查并結(jié)合歷史資料獲取。目視解譯樣本點5期分別為1028，901，887，770，772個，是基于同時期的Google Earth影像進(jìn)行識別所得。對所有樣本點進(jìn)行分層隨機(jī)抽樣，其中70%作為訓(xùn)練樣本，30%作為驗證樣本?；谟跋穸喑叨确指罱Y(jié)果，對訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練分類得到5期土地覆被數(shù)據(jù)。最后，利用驗證樣本對分類結(jié)果分別進(jìn)行精度評價，構(gòu)建混淆矩陣，計算五期分類數(shù)據(jù)的總體精度與kappa系數(shù)，分類精度如表2所示。

表2 分類精度

2.2 草地動態(tài)度模型

單一土地覆被類型動態(tài)度可以表達(dá)一定時間內(nèi)，某種土地覆被類型動態(tài)變化幅度[19]。其表達(dá)式如下：

(1)

式中：K為某草地動態(tài)度；Ua和Ub分別為初期和末期草地的面積；T為時間間隔。

2.3 轉(zhuǎn)移矩陣

通過轉(zhuǎn)移矩陣可以把土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系直觀地表現(xiàn)出來，可以得到某一種土地類型向另一種土地類型轉(zhuǎn)化的面積[20]，其表達(dá)式為：

(2)

式中：Sij代表的是研究初期和末期時間內(nèi)由類型i轉(zhuǎn)化到類型j的情況;n代表的是土地利用的類型數(shù)。

2.4 質(zhì)心模型

質(zhì)心是一個或多個多邊形的幾何中心，可以用來確定在某一時間某一土地覆被類型在空間上的位置[21]，用(xc，yc)的形式來表示，表達(dá)式為：

(3)

式中：xi,yi為質(zhì)心坐標(biāo)，每個多邊形的面積定義為ai。質(zhì)心可以更直接、更明顯地將位移表示為連接不同時期質(zhì)心的變化的方向和距離。

2.5 相關(guān)性分析

本文利用Pearson相關(guān)分析來研究草地變化與相關(guān)指數(shù)的相關(guān)性[22]，計算公式如下：

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 克魯倫河流域草地時空變化特征

如表3所示，草地是克魯倫河流域分布最為廣泛的土地利用類型，2020年研究區(qū)內(nèi)草地面積為1.10×105km2，占研究區(qū)總面積的88.95%。其中蒙古國一側(cè)草地面積為1.00×105km2，占該年研究區(qū)草地總面積的87.03%；中國一側(cè)草地面積占該年研究區(qū)草地總面積的12.97%，僅有蒙古國草地面積的1/4。

表3 1980—2020年克魯倫河流域草地面積及其變化

1980—2020年5期草地覆蓋率分別為88.95%，88.82%，88.70%，88.80%，88.58%，草地面積呈現(xiàn)先減少再增加后又減少的趨勢。其中，2010—2020年草地萎縮最為嚴(yán)重，動態(tài)度達(dá)-2.48%，面積減少258 km2；2000—2010年草地變化較小，動態(tài)度為1.04%，增加119 km2。由圖2可看出，1980—1990年草地轉(zhuǎn)入面積最大，在1990—2000年草地轉(zhuǎn)出面積最大，其中以中游北部最甚；2000—2010年整體變動不大，但下游變動相對劇烈；2010—2020年則以河流沿岸土地類型變動最為復(fù)雜。

圖2 1980—2020年克魯倫河流域草地變化空間格局

圖3展示了1980—2020年克魯倫河流域草地在4個時間段內(nèi)與其他土地覆被類型之間轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出的占比，總體來看草地的主要去向為耕地(385 km2)和裸土地(235 km2)。

圖3 克魯倫河流域草地與其他土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換

蒙古國一側(cè)草地在40 a間一直處于減少趨勢，草地面積凈減少616 km2(0.61%)。濕地是與草地相互轉(zhuǎn)化最為劇烈的土地覆被類型，其次是裸土地和耕地。與濕地之間的轉(zhuǎn)化多以轉(zhuǎn)入為主，而與裸土地和耕地之間的轉(zhuǎn)化則以轉(zhuǎn)出為主，二者是草地退化最主要去向，其中向裸土地轉(zhuǎn)化面積為384 km2，向耕地轉(zhuǎn)化的面積為360 km2。中國一側(cè)草地則呈現(xiàn)小幅度增加趨勢，草地面積凈增加130 km2，占中國一側(cè)總面積的0.74%。其中裸土地的貢獻(xiàn)最大，共向草地轉(zhuǎn)化149 km2，其次是濕地(109 km2)。但是40 a間，中國一側(cè)的人工表面面積一直呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢，在2010—2020年間草地向人工表面轉(zhuǎn)化面積最大(46 km2)。

3.2 草地質(zhì)心遷移

圖4顯示了各個時期草地質(zhì)心的遷移軌跡。在過去的40 a間，克魯倫河流域草地質(zhì)心整體上呈現(xiàn)出先向東北方向轉(zhuǎn)移再向東南方向轉(zhuǎn)移的過程。1980—1990年遷移距離最大，向東北方向遷移1.0 km；1990—2000年偏移整體遷移軌跡，向西南方向遷移0.5 km；2010—2020年遷移距離最短，向東南方向遷移0.4 km。

圖4 1980—2020年克魯倫河流域草地質(zhì)心位置遷移

蒙古國一側(cè)草地質(zhì)心經(jīng)歷了先向東北再向西南最后又向東北方向遷移的過程。其中1980—1990年與1990—2000年遷移方向相反，但遷移距離均為1.3 km；最短遷移距離出現(xiàn)在2000—2010年，僅向東北方向遷移0.2 km。中國一側(cè)草地質(zhì)心則先向西南方向偏移，再向東北方向偏移，最終向東南方向遷移。1980—1990年遷移距離最大，向西南方向遷移0.6 km；2010—2020年遷移距離最小，向東南方向遷移不足0.1 km。

1980—2020年蒙古國一側(cè)與研究區(qū)的草地質(zhì)心轉(zhuǎn)移方向大體一致，主要是由于2000—2010年中國一側(cè)草地質(zhì)心向北偏移角度過大，導(dǎo)致2010—2020年蒙古國一側(cè)質(zhì)心遷移方向與研究區(qū)遷移方向不統(tǒng)一，但總體都向東遷移。通過1980—1990年和1990—2000年蒙古國一側(cè)和研究區(qū)的草地質(zhì)心遷移軌跡方向相反，主要是由于1990年氣候變化劇烈，降水增多，使得原本地勢較為低洼的地方匯聚大量雨水，在影像上表現(xiàn)為水體和濕地，研究區(qū)地勢又表現(xiàn)為西南高東北低，因此該時間段內(nèi)質(zhì)心向東北方向轉(zhuǎn)移；降水所帶來的土地覆被類型轉(zhuǎn)換是短暫的，雨量回歸正常水平后，由降水轉(zhuǎn)化來的草地又轉(zhuǎn)化回原本的土地類型，使得1990年前后質(zhì)心軌跡呈往返現(xiàn)象。

3.3 驅(qū)動因素分析

克魯倫河流域草地的變化驅(qū)動因素包括自然因素和人文因素兩類。本文選取了各因素指標(biāo)兩個。由表4可以看出，氣溫及人口之間的相關(guān)性通過了顯著性檢驗(p<0.05)，表明克魯倫河流域草地面積的變化并非其中任一因素導(dǎo)致的，而是自然因素和人文因素協(xié)同作用的結(jié)果。

表4 克魯倫河流域草地與各指數(shù)的相關(guān)性

3.3.1 自然因素 克魯倫河流域是典型的溫帶大陸性氣候，且具有干旱區(qū)較為明顯的氣候特征，夏季多降水，過于集中的雨水會造成水土流失及地表破碎等環(huán)境問題，進(jìn)一步惡化原本就脆弱的生態(tài)環(huán)境。1990年豐富的降水使得草地向濕地及水體轉(zhuǎn)化，而裸土地向草地轉(zhuǎn)化，讓生態(tài)環(huán)境暫時性呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢，但1990—2000年，部分濕地和水體向草地轉(zhuǎn)化，另一部分則直接轉(zhuǎn)化為裸土地，這也是導(dǎo)致該年裸土地增加的主要原因，原本表現(xiàn)出好轉(zhuǎn)的生態(tài)環(huán)境也迅速惡化，使2000年的草地面積在1980年原有草地面積的基礎(chǔ)上減少320 km2。

1980—2020年克魯倫河流域降水量以每年2.6 mm的速度減少，氣溫則以每年0.5 ℃的速度升高(圖5)，降水減少氣溫升高使氣候暖干化嚴(yán)重，地表蒸散發(fā)過程加快，間接導(dǎo)致草地面積減少，草地生產(chǎn)力下降[23-24]。

圖5 1980—2020年克魯倫河流域氣溫和降水的年際變化和趨勢

由圖6可以看出，在海拔小于600 m的地方，草地分布僅占4%，該海拔范圍內(nèi)以呼倫湖占地最廣，因此草地分布較少。當(dāng)海拔在600 m至1 200 m范圍內(nèi)時，草地面積分布達(dá)到最大，達(dá)443 km2。當(dāng)海拔超過1 200 m后，草地分布越來越稀疏，海拔與草地分布面積呈負(fù)相關(guān)。

圖6 克魯倫河地形與草地分布的關(guān)系

3.3.2 人文因素 根據(jù)世界銀行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)對中蒙人口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)人口均呈現(xiàn)出增長趨勢。1980年蒙古國總?cè)丝趦H1.69×106人， 2019年增長至3.23×106人，40 a時間，人口增長近一倍。隨著人口增加，蒙古國現(xiàn)有的與人類相關(guān)的土地利用不能滿足人們的生活需求，因此人工表面及耕地的擴(kuò)張成為一種必然趨勢。由圖3可以看出，在2000—2010年耕地和人工表面侵占草地面積與其他時期相比較為明顯，可知在該時間段內(nèi)人口增長較為劇烈。因為中國面積廣大，而克魯倫河流域流經(jīng)中國的面積較小，遂采用內(nèi)蒙古自治區(qū)的人口數(shù)據(jù)與蒙古國人口數(shù)據(jù)做對比。1980年內(nèi)蒙古自治區(qū)常住人口約1.93×107人，到2020年的2.40×107人，人口增長速度僅為蒙古國的三分之一，但增長人數(shù)是蒙古國的3倍。因為人口增加較多，因此中國一側(cè)草地減少受人口的影響要大于蒙古國一側(cè)。

蒙古國在這40 a間經(jīng)歷了社會制度和經(jīng)濟(jì)上的雙重變革，在國家調(diào)控下，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展。經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，隨之而來的就是對水資源的需求量加大，2007年首次出現(xiàn)在汛期斷流現(xiàn)象[25]。斷流使得呼倫湖水源補(bǔ)給減少、水位下降，河道以及呼倫湖附近生態(tài)環(huán)境和生物多樣遭到嚴(yán)重破壞，但在2000—2010年間，中國一側(cè)草地表現(xiàn)出增加趨勢(圖2)，從側(cè)面反映了保護(hù)區(qū)的建立對草地起到了較強(qiáng)的保護(hù)和恢復(fù)作用。同時“中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊”的建立，對于蒙古國來說也是前所未有的機(jī)遇，畜牧業(yè)作為蒙古國的支柱產(chǎn)業(yè)需要迅速崛起，放牧量的增加也是導(dǎo)致草地大面積減少的原因之一。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

天然草地具有豐富的生物多樣性，承載著許多該生態(tài)系統(tǒng)特有的物種，其中許多動物正面臨滅絕的威脅。相較于林地，草地在碳儲存中的作用常常被忽視，但它包含了世界土壤碳儲存的30%[26-27]。此外，天然和稀疏放牧的草原含有“不可回收的碳”[28]，易受土地利用轉(zhuǎn)換的影響，這些碳一旦失去，就無法在短時間內(nèi)恢復(fù)。同時，干旱半干旱區(qū)草地也被證明其在防治水土流失和水資源保護(hù)方面的效果比林地更甚，但對草地的政策保護(hù)仍遜色于林地，基于這一現(xiàn)實，如果要對草原進(jìn)行可持續(xù)性評價和管理[29]，首要意義應(yīng)是認(rèn)識到草原作為多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供者和生物多樣性熱點的價值[30]，再制定保護(hù)可持續(xù)管理的目標(biāo)。

中蒙兩國政府都已認(rèn)識到生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的重要性，對此采取了積極的措施來保護(hù)草地[31-33]。1992年，根據(jù)《蒙古憲法》規(guī)定，牧場收歸國有，牧民需在政府部門的監(jiān)督和管理下在牧場放牧；1995年，由于草原問題愈發(fā)嚴(yán)峻，制定并通過了《自然環(huán)境保護(hù)法》，但環(huán)境保護(hù)并沒有引起大家的重視，仍致力于大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，因此在1990—2000年草地退化嚴(yán)重；2002年土地法允許牧民在草場進(jìn)行春冬營牧，由于所有權(quán)劃分不明確，草原沒有得到預(yù)期保護(hù)效果。2008年《土地?zé)o償私有化法》將草場劃分到個人，大大調(diào)動了牧民保護(hù)草原的積極性，因此在2000—2010年蒙古國一側(cè)草地減小趨勢得到大幅度改善，但過度放牧問題仍然突出。2015年該國議會認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)牧場的承載能力和生態(tài)評估來調(diào)整勝出的數(shù)量、種類和結(jié)構(gòu)，以此來實現(xiàn)合理利用、保護(hù)和恢復(fù)草場的目的，使草地惡化進(jìn)一步減緩。當(dāng)然，草地動態(tài)度的不斷減小，也表明蒙古國境內(nèi)保護(hù)區(qū)的建立對草地保護(hù)確實起到了一定的積極作用。

20世紀(jì)80年代“家庭責(zé)任”制度在中國一側(cè)實施，將牧區(qū)劃分到個人，大大提高了對草原的利用率；1985年為了保護(hù)、建設(shè)和合理利用草原，改善生態(tài)環(huán)境，維護(hù)生物多樣性，全國人民代表大會常務(wù)委員會第十一次會議通過《中華人民共和國草原法》并于該年10月1日起實施。中國大力實施天然林保護(hù)、退耕還林還草、三北防護(hù)林體系建設(shè)、沙化土地封禁保護(hù)補(bǔ)助試點建設(shè)、全國防沙治沙綜合示范區(qū)等重點生態(tài)修復(fù)工程，在一定程度上遏制了草地退化愈發(fā)嚴(yán)重的趨勢。由圖2可以看出，中國一側(cè)草地轉(zhuǎn)化為耕地和人工表面的速度明顯下降，且部分裸土地轉(zhuǎn)化為草地，這些都表明中國一側(cè)生態(tài)狀況正在逐漸好轉(zhuǎn)。目前，國務(wù)院辦公廳又發(fā)布關(guān)于加強(qiáng)草原保護(hù)修復(fù)的若干意見，目標(biāo)到2025年，草原綜合植被蓋度穩(wěn)定在57%左右，我國草原生態(tài)狀況將持續(xù)得到改善。

4.2 結(jié) 論

本研究基于長時間序列遙感數(shù)據(jù)探討克魯倫河流域草地分布、動態(tài)及其驅(qū)動因素，主要結(jié)論如下：①2020年克魯倫河流域草地面積為1.15×105km2，占總面積的88.58%。其中蒙古國一側(cè)草地面積廣大，占研究區(qū)草地面積的87.03%。 ②1980—2020年克魯倫河流域草地共減少486 km2，其中中國一側(cè)草地增加130 km2，蒙古國一側(cè)草地退化相對嚴(yán)重，共減少616 km2。 ③近40 a間，中蒙兩側(cè)草地均一定程度地向耕地、人工表面和林地轉(zhuǎn)化。其中蒙古國一側(cè)草地轉(zhuǎn)為裸土地是蒙古國一側(cè)草地減少的主要原因，中國一側(cè)草地則受人類活動的影響較大。 ④草地質(zhì)心指示克魯倫河流域草地向東北方向移動1.6 km，主要是由于克魯倫河中游及下游草地退化嚴(yán)重導(dǎo)致的。本研究綜合分析了草地在克魯倫河流域中的分布、變化及其原因，對草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理、流域生物多樣性的保護(hù)、干旱半干旱地區(qū)碳儲量的定量研究以及全球草地對人類活動和氣候變化的動態(tài)響應(yīng)研究具有重要意義。