基于凈初級生產力變化的草地退化監(jiān)測研究

吳 紅，安 如，李曉雪，曲春梅，陸 玲，楊仁敏，龔天宇

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098)

草地退化是由于人為活動或不利自然因素所引起的草地(包括植物及土壤)衰退，生產力、經濟潛力及服務功能降低，環(huán)境變劣以及生物多樣性或復雜程度降低，恢復功能減弱或失去恢復功能的過程[1]，其實質是草地生產力的下降。據(jù)調查，三江源區(qū)的草地已呈現(xiàn)全面退化的趨勢。其中，中度以上退化草地面積達120 000 km2，占本區(qū)可利用草地面積的58%。黃河源區(qū)作為三江源區(qū)重要生態(tài)區(qū)域，近年來草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞非常嚴重。瑪多縣地處黃河源頭，是黃河重要的水源涵養(yǎng)地，其生態(tài)作用對整個三江源區(qū)域有著直接重要的影響。在20世紀70年代，瑪多縣由于草地資源豐富，畜牧業(yè)發(fā)達,曾是有名的富裕縣，但是隨著自然因素及人為因素的變化和破壞，草地資源急劇減少，畜牧業(yè)受到很大影響，導致現(xiàn)在的瑪多淪為全國有名的貧困縣[2-4]。對該區(qū)域進行草地退化遙感監(jiān)測，為相關部門提供有效的草地資源變化數(shù)據(jù)，對于整個生態(tài)環(huán)境建設和人民生活水平的提高都具有重要意義。近年來，草地資源的監(jiān)測方法得到很大的改進，遙感影像的應用使草地資源的監(jiān)測范圍更大，也更具時效性。李昀等[5]以TM影像為數(shù)據(jù)源，利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)構建草地產草量模型，評價了景泰縣草地資源現(xiàn)狀；李文娟等[6]利用MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)建立天然草地資源產量反演模型，估算了青海省草地草地資源載畜量。

目前基于遙感的草地退化信息提取主要方法有：基于草地退化監(jiān)測指標與植被指數(shù)的相關性，建立退化指數(shù)的反演模型；基于遙感影像的草地退化信息直接目視綜合判讀法。前者受到遙感可反演參數(shù)與草地退化指標不能直接對應的限制，信息提取的精度差；后者對遙感影像的選取、時相的選擇和后期處理具有嚴格的要求，而且要求解譯人員對研究區(qū)草地退化狀況有比較完整的認識，分析精度較高[7]。對于草地退化指標的選取，李輝霞和劉淑[8]基于NDVI建立了西藏自治區(qū)草地退化評價模型。高清竹等[9]選擇草地的植被蓋度為草地退化的遙感監(jiān)測指標，研究了藏北地區(qū)草地退化的時空分布特征。王根緒和程國棟[10]研究發(fā)現(xiàn)，江河源區(qū)6縣(達日、瑪多、瑪沁、治多、曲麻萊、雜多)草地退化面積占草地總面積的34.34%，其中草地退化及重度草地退化多發(fā)生在瑪多和達日，表明黃河源區(qū)草地退化比較嚴重。草地退化的實質是草地生產力的下降，而凈第一性生產力是表征草地生產力狀況的一項重要指標。本研究采用基于草地凈初級生產力的方法，對瑪多地區(qū)的草地退化信息進行提取。

植被NPP的估算模型主要有：氣候統(tǒng)計模型、過程模型和光能利用率模型3種。氣候統(tǒng)計模型通過建立NPP與地面氣候資料(如年降水量、年平均溫度及年蒸散量等)的統(tǒng)計關系來估計NPP；過程模型從機理上對植物的生物物理過程以及影響因子進行分析和模擬，更能揭示生物生產過程，但模型復雜，涉及的參數(shù)多而且不易獲得；光能利用率模型是基于資源平衡觀點來估算NPP。模型形式簡單且可以直接利用遙感數(shù)據(jù)，克服了氣候統(tǒng)計模型以點帶面的缺點，比較適合快速、大范圍地監(jiān)測草地NPP。本研究以光能利用率模型CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)[11]為基礎，考慮溫度和大氣水汽對植被的影響，構建基于TM數(shù)據(jù)的草地NPP的遙感反演模型。在此基礎上通過計算草地潛在NPP作為未退化草地的NPP，獲取草地NPP減少的相對百分數(shù)，以此作為監(jiān)測草地退化的指標，對研究區(qū)的草地退化狀況進行監(jiān)測。

1 研究區(qū)概況

瑪多縣位于青海省的南部，三江源的中東部(圖1)，位于96°50′～99°32′ E，33°52′～35°39′ N，全縣土地總面積約24 500 km2，行政區(qū)劃上分為3個鄉(xiāng)(扎陵湖鄉(xiāng)、黃河鄉(xiāng)和黑河鄉(xiāng))和1個鎮(zhèn)(花石峽鎮(zhèn))。瑪多縣屬高寒半干旱氣候區(qū)，年均氣溫-4℃，全縣平均海拔在4 000 m以上，地形起伏不大，地勢平坦，多湖泊、沼澤地、平坦地[12]。多年平均降水量321 mm，但年際變化大，最多的年份434.18 mm，最少的年份84.0 mm。瑪多縣主要土地覆被類型為草地，全縣草地面積約22 526 km2。草地類型包括高寒草甸、高寒沼澤草甸和高寒草原類草地。沼澤化草甸具有典型的高原濕地生態(tài)特征，是區(qū)域內最具有生物多樣性的草地生態(tài)系統(tǒng)之一[13]；高山草甸亞類草地分布在該縣山地陽坡、陰坡、圓頂山、灘地和河谷高階地上。高寒沼澤草甸亞類草地分布在排水不暢的平緩灘地、山間盆地、碟形洼地、湖畔、河濱、高山鞍部、山麓溢出帶。高寒草原類草地常分布在灘地、寬谷、高原湖盆外緣、河流高階地、剝蝕高原面以及干旱山地[14-16]。

圖1 三江源區(qū)瑪多縣位置示意圖

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本研究采用瑪多縣2008年夏季(草場生長最好時期)Landsat TM影像共5景(影像獲取時間為2008年6月12號)，并輔以瑪多縣草地類型分布圖、土地覆被類型圖、瑪多縣地形圖和該區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)(水汽壓、日照百分率及地表溫度)。首先將遙感影像進行預處理：分別對5景影像進行假彩色合成，利用瑪多縣1∶10萬地形圖對影像進行幾何精度糾正，在ENVI中利用FLASSH模塊進行大氣輻射校正，然后將影像拼接再根據(jù)瑪多縣行政邊界進行剪裁，得到瑪多縣整個行政區(qū)域影像。利用光能利用率模型CASA模型進行草地NPP反演。中華人民共和國國家標準[17]中提出的草地退化評價依據(jù)：“未退化草地以監(jiān)測點附近相同水熱條件草地自然保護區(qū)中合理利用示范區(qū)相同草地類型的植被特征與地表、土壤狀況為基準”，實質上就是以監(jiān)測區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地類型中長勢最好的草地狀況為基準。潛在NPP是指草地在水熱等生長條件適宜、沒有自然或人為因素破壞情況下的凈第一性生產力，它是評價草地退化程度的基準與依據(jù)。因此，可以把監(jiān)測區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地類型草地的最大NPP作為該區(qū)域的潛在NPP，即未退化草地的NPP值[18]。

2.1草地退化指標及等級劃分 草地退化遙感監(jiān)測指標選取，既要考慮草地退化以及遙感原理和數(shù)據(jù)特點,又要有科學性、系統(tǒng)性、相對獨立性、可行性和可操作性。在參考文獻[7,18-19]及綜合研究區(qū)可獲取數(shù)據(jù)的基礎上，采用草地NPP減少的相對百分數(shù)作為評價草地退化的指標：

(1)

式中，D為草地NPP減少的相對百分數(shù)；NPP潛在為草地的潛在NPP，即草地沒有發(fā)生退化時的NPP。草地退化指數(shù)D取值為0～1，值越大說明草地退化越嚴重。參照中華人民共和國國家標準[17]提出的草地退化程度分級標準，將退化指數(shù)值分為4個等級：未退化0～10%、輕度退化10%～20%、中度退化20%～50%和重度退化>50%[18]。

2.2草地NPP的反演 國內許多學者利用CASA模型進行了NPP估算研究，如樸世龍等[19]利用CASA模型估算了1997年中國的NPP及其分布；陳利軍等[20]使用1990年每旬的NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，采用光能利用率模型對中國該年每旬的NPP進行了估算，然后進行累加得到了1990年的NPP分布，并分析了其空間分布規(guī)律；樸世龍和方精云[21]利用1982-1999年NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)及其相應的氣象數(shù)據(jù)，結合植被和土壤質地等資料，應用CASA模型研究了青藏高原植被的NPP及其動態(tài)變化。

本研究以研究區(qū)2008年的地面氣象數(shù)據(jù)(氣溫、日照百分率、地面水汽壓等)和TM遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，氣象數(shù)據(jù)是從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)下載。NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)與光能轉化率(ε)2個變量來確定。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中，t表示時間，x表示空間位置；APAR(x,t)表示像元x在t時間吸收的光合有效輻射；ε(x,t)表示像元x在t時間的實際光利用率。

2.2.1光合有效輻射 植被所吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例，用下列公式表示：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(3)

式中,SOL(x,t)是t月份象元x處的太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例。光合有效輻射比例與比值植被指數(shù)(VI)存在以下關系：

(4)

式中，F(xiàn)PARmax=0.950，F(xiàn)PARmin=0.001；VImax和VImin分別表示草地的最大和最小比值植被指數(shù)，分別取值為1.08和4.41[22]。

由于所獲取的地面氣象數(shù)據(jù)沒有太陽總輻射SOL(x,t)，需要對其進行計算，公式如下：

SOL(x,t)=Q0(a+bS)

(5)

式中，a和b是常數(shù)，分別取0.248和0.752；S為日照百分率，由氣象數(shù)據(jù)獲得；Q0表示最大晴天總輻射量，由地理緯度、海拔高度及平均地面水汽壓估算。

Q0=0.418 675(C0+C1φ+C2H+C3e)

(6)

式中，φ為地理緯度；H為海拔高度(m)；e為地面水汽壓(hPa)，由瑪多氣象站地面觀測數(shù)據(jù)可獲取；7月份：C0=22 397.100、C1=26.478、C2=0.876、C3=-11.659，4個回歸系數(shù)值在不同月份其取值也不相同[23]。

2.2.2光能轉化率(ε)的確定 光能轉化率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射轉化為有機碳的效率。一般認為在理想條件下植被具有最大光能轉化率，而在現(xiàn)實條件下光能轉化率主要受溫度和水分的影響，用式(7)表示：

ε(x,t)=σE×σT×ε*

(7)

式中，σE和σT分別為大氣水分含量和溫度對植物生長的影響系數(shù)[24]，ε*是理想條件下的最大光能轉化率。CASA模型中采用的最大光能利用率0.389 g/MJ，并不適用于中國的植被[25]。Running等[26]根據(jù)生態(tài)生理過程模型BIOME-BGC模擬了不同的植被覆蓋類型的最大光能利用率，其模擬結果更符合實際情況。本研究中采用Running等對草地的模擬結果0.608 g/MJ作為草地的最大光能利用率。溫度對植物生長的影響系數(shù)，可以通過下式計算[24]。

式中，Ts為近地層氣溫或地表溫度，由氣象數(shù)據(jù)直接獲得。

大氣水分含量對植物生長的影響系數(shù)[24]：

σE=1.2exp(-0.35Ev)-0.2

(9)

式中，σE為大氣水汽壓差對草的光能利用率影響系數(shù)；Ev為大氣水汽壓差,由下式計算：

式中,Ts為近地層氣溫或地表溫度(K)；Td為近地層露點溫度(K)，可根據(jù)整層大氣水汽含量w(g/cm2)來計算：

(11)

w=α0+α1e+α2e2

(12)

式中，α0、α1、α2為經驗系數(shù);e為地面水汽壓(hPa)。對于我國大部分地區(qū),經驗系數(shù)α2≈0，α0、α1的計算公式因海拔高度和地理緯度的不同而不同,瑪多地區(qū)α0=-0.005 6、α1=0.167 7[27]。根據(jù)2.2介紹的方法，得到瑪多縣2008年夏季草地NPP分布圖(圖2)。

圖2 瑪多縣2008年夏季草地NPP

2.3草地潛在NPP 本研究把監(jiān)測區(qū)域附近相同水熱條件、相同草地覆被類型草地的最大NPP值作為該區(qū)域的潛在NPP。對于子區(qū)域的劃分，經研究發(fā)現(xiàn)，中國草地類型圖在制作過程中考慮水熱條件同等性因素，并且其中型一級草地面積較小、屬于同種草地類型。因而實際應用中可直接根據(jù)草地類型圖進行子區(qū)域的劃分[18]。

具體步驟為：1)為消除由于遙感數(shù)據(jù)噪音，或者混有其他類型植被等因素造成的NPP異常值，需對所得NPP圖像進行5×5窗口中值濾波，以去除異常值[18]；2)本研究中采用的草地分類圖具體到型一級， 在ERDAS中利用Vector模塊將草地覆被類型圖與草地NPP圖疊加，計算草地類型分布圖中每個多邊形的最大NPP值，得到潛在NPP分布矢量圖；3)將潛在NPP矢量圖轉換成與TM一致的30 m×30 m分辨率的柵格圖，即是草地潛在NPP。

3 結果與分析

3.1草地退化結果分析 瑪多縣草地退化等級分布如圖3所示。2008年瑪多縣全區(qū)草地退化狀況仍然比較嚴峻，全區(qū)草地以中度退化(D值20%～50%)為主，面積為9 535.13 km2，占全區(qū)草地面積50.13%；輕度退化(10%～20%)草地面積占22.34%；重度退化面積3 256.34 km2，達17.18%，主要分布于北部地區(qū)(表1)。

文獻[4]中指出：20世紀90年代至2004年，瑪多南部草地大范圍屬于中、輕度持續(xù)退化區(qū)，瑪多縣北部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū)。瑪多縣1987年與1997年兩次草地調查統(tǒng)計，20世紀80年代全縣草地退化面積為10 702 km2，占全區(qū)草地面積46.55%；90年代退化草地面積達16 082 km2占全區(qū)草地面積69.95%，其中，重度退化草地面積達9 200 km2呈上升趨勢[28]。

將本研究所得2008年瑪多縣草地退化信息與該縣20世紀90年代和80年代兩次草地資源調查結果進行對比分析。2008年重度退化草地面積較1997年減少了5 944 km2，中度退化面積增加了3 965 km2，輕度退化草地面積增加了2 933 km2(表2)。可以發(fā)現(xiàn)，1997年到2008年，重度退化草地向輕度、重度退化轉變，草地退化現(xiàn)象得到緩解。青海省政府于2003年開始，在瑪多縣劃分自然保護區(qū)并實行生態(tài)移民工程，消除草地超載對草地的危害。瑪多縣境內共有2個保護區(qū)：約古宗列保護區(qū)、扎陵湖和鄂陵湖保護區(qū)。可見，青海省采取的一系列政策措施很有成效。

3.2草地退化與草地類型 瑪多縣主要草地類型包括高寒草原類、高寒草甸類(高寒草甸亞類和沼澤類高寒草甸類)沼澤類草地。其中，高寒草原類草地為9 200.66 km2，占草地總面積的48.1%；高寒草甸類草地面積為8 873.56 km2，占草地總面積的46.4%，其中高寒草甸亞類為7 826.41 km2，沼澤化高寒草甸類1 047.15 km2；沼澤類草地所占面積很小，只有48.59 km2。利用不同草地類型對草地退化等級進行分類統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖4)：草地退化等級的分布狀況與草地類型存在一定的關系。高寒草原類和高寒草甸類草地均以中度退化為主，沼澤類草地則以輕度退化為主，同時中度退化比例也很高。高寒草原類草地退化較其他類型草地嚴重，重度退化面積為2 852.03 km2，占高寒草原類草地總面積的31%，而高寒草甸類和沼澤類草地重度退化比例分別為2.7%和0.6%。

圖3 2008年瑪多草地退化等級分布圖

表1 瑪多縣2008年草地退化面積統(tǒng)計

表2 瑪多縣3個時期草地退化面積統(tǒng)計

圖4 不同草地類型退化等級示意圖

高寒草甸類草地包括高寒草甸亞類和沼澤化高寒草甸亞類，這兩種亞類高寒草甸草地的退化情況也存在差異。其中高寒草甸亞類以中度退化為主，占該類草地面積的54.8%，而沼澤類高寒草甸亞類以輕度退化為主，占該類草地面積的46.8%(圖5)。

4 結論

本研究利用瑪多縣2008年夏季Landsat TM遙感影像作為數(shù)據(jù)源，并輔以研究區(qū)草地類型圖、土地覆被類型圖、地面氣象觀測數(shù)據(jù)，利用CASA模型反演草地NPP并結合草地類型圖計算潛在NPP。以草地NPP減少的相對百分數(shù)作為監(jiān)測草地退化的指標，可操作性強，數(shù)據(jù)類型要求簡單且易獲取。利用ArcMap軟件平臺，疊加草地退化等級分布圖與草地類型圖，進行對比分析，發(fā)現(xiàn)高寒草原類草地退化較其它類型草地嚴重，重度退化草地達到該類草地面積的31%。針對高寒草原類草地的保護措施有待加強。

圖5 兩種高寒草甸亞類退化面積示意圖

利用該方法所提取草地退化信息與其他學者所研究結果進行對比，結果可信。與瑪多縣1987年與1997年兩次草地調查統(tǒng)計結果進行對比發(fā)現(xiàn)：瑪多縣草地退化現(xiàn)象仍然比較嚴重。從20世紀80年代至90年代，未退化草地面積急劇減少，中度、重度退化草地面積大幅增加，退化呈現(xiàn)加速的趨勢；從20世紀90年代至2008年，重度退化草地面積大幅減少，并向輕度、中度退化轉變，草地退化情況得到一定緩解。可能的原因是青海省政府于2003年開始，在瑪多縣劃分自然保護區(qū)并實行的生態(tài)移民工程，減輕了畜牧超載對草地的危害。同時瑪多縣保護區(qū)的建設也起到一定的積極作用。

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