新疆阿勒泰地區草原變化特征及其原因分析

毛繼榮+廉寧霞+侯新鋒+等

摘要：利用阿勒泰草原地區1981—2001年NOAA/AVHRR和1998—2010年SPOT-4 VEGETATION的逐旬NDVI數據集，結合研究區內6個氣象站點同期降水、溫度數據，對1981—2009年植被蓋度以及草原面積變化進行分析，并對其變化原因進行分析，結果表明：（1）阿勒泰地區近30年降水呈增加趨勢，氣溫呈現更加明顯的上升趨勢，增加趨勢為0.5 ℃/10年，草原植被蓋度呈現下降趨勢，草場質量下降較明顯；（2）阿勒泰地區草原面積變化與降水呈現明顯正相關關系，草原蓋度變化與溫度呈負相關關系，且相關性較小；（3）降水是該區草原面積變化的重要因素，但是人類活動的加劇是草原退化的主導因素。

關鍵詞：阿勒泰地區；草原退化；NDVI；降水；溫度

中圖分類號： S812.8文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0345-04

收稿日期：2013-09-03

作者簡介：毛繼榮（1980—），男，甘肅民樂人，碩士研究生，講師，主要從事環境生態學方面的工作。E-mail：59907133@qq.com。

通信作者：王紹明，教授，博士生導師，主要從事農業生態和荒漠植物等方面研究。E-mail：190728657@qq.com。草地作為人類生存不可缺少的資源具有極高的價值，草地是地球陸地表面僅次于森林的第2大綠色覆被層，約占陸地面積的24%，并與農田一起構成地球上3個重要的綠色光合物質來源，草地生物量約占全球植被生物量的36%[1]。但隨著氣候變化及人類活動對生態系統造成的影響日益擴大，草地生態系統的退化問題已經引起各方面的廣泛關注，并成為當今世界各國政府和科學工作者們普遍關注的重大環境問題。全球溫暖化、干旱化已經成為一個不爭的事實，這種變化已經并且將繼續給全球和我國的自然生態環境及社會經濟發展帶來深遠而顯著的影響[2-3]。

草原退化是當前我國干旱、半干旱地區草原面臨的最主要的生態和經濟問題[4]。草原退化作為威脅干旱、半干旱地區畜牧業可持續發展的重大生態環境問題，近20年來已引起草原生態學工作者的高度重視，并圍繞退化現狀、特征、過程、機理和恢復治理等展開了研究，取得了大量的研究成果[5-10]。

阿勒泰地區草場廣泛分布于阿勒泰山南坡至準噶爾盆地北緣之間，由于生態環境條件的差異，形成了豐富多樣的草地類型，全地區共有10個草地類、13個草地亞類、44個草地組、127個草地型，植物種1 500余種，占全疆植物種的60%。該區是典型的草原畜牧業地區，全地區境內天然草原毛面積986.7萬 hm2，其中不同程度退化面積已達到80%，由于過于追求草原的經濟功能、增加牲畜數量、過度放牧，土壤結構變壞、保水保肥能力降低、毒害草孳生蔓延等引起草原超載和退化萎縮。據不完全統計，到2003年底，全地區退化草場面積461.97萬 hm2，其中嚴重退化面積占40%，草地產草量和植物覆蓋度不斷下降，估計產草量比20世紀60年代下降 30%～60%，嚴重者下降60%～80%；目前全地區各季節草場理論載畜量和實際載畜量分別為夏牧場理論載畜量62542萬羊單位，實際放養牲畜數量為733.46萬羊單位，草場超載牲畜108.09萬羊單位，超載率17%；春秋牧場草場超載牲畜233.58萬羊單位，超載率67%；冬牧場草場超載牲畜 72.74萬羊單位，超載率15%。

隨著遙感技術的不斷發展和數據積累，基于遙感數據進行的宏觀草原退化監測和評價工作慢慢引起國內外學者的重視。Del Valle等利用NOAA（national oceanic and atmospheric administration）/AVHRR（advanced very high resolution radiometer）LAC（large area coverage）資料，建立了一個與草原生態系統物候相適應的主影像系列，作為鑲嵌不同時代影像資料的標準，然后結合野外調查與精度較高的Landsat-MSS影像，直接通過監督和非監督分類，確定草原退化的狀態類型[11]。王艷榮等利用不同退化等級草原所對應的地面反射光譜特征的變化對草原退化進行鑒別研究[12]。劉志明等基于TM的目視解譯結果對吉林省西部草原退化進行分析評價[13]。Tong等根據草原的優勢種的變化來劃分退化的等級，結合退化面積建立了草原退化指數（steppe degradation index，SDI），并對錫林河流域草原的退化狀況進行了退化程度分級[14-15]。Evans等認為：在干旱、半干旱地區天然草原中，表征草原生產力的NDVI（normalized difference vegetation index）與氣候因子存在顯著的相關關系。曹鑫等通過NOAA/AVHRR NDVI數據分析了錫林郭勒草原退化主要由氣候因素和人為因素造成，其中人類活動加劇是造成草原退化的重要原因[16]。

研究氣候變化對生態環境特別是草地生態系統的影響，制定趨利避害應對策略，是事關保護生態系統和人類健康，提高人民群眾的生活質量，促進社會經濟快速、健康、持續發展的大問題[17]。因此，本研究以阿勒泰地區草原1981—2009年植被歸一化指數，同期氣象數據以及草原站觀測數據為基礎，分析研究區草原退化趨勢及氣候變化趨勢，明確氣候變化對草原退化的影響，從而為探討合理保護、開發利用草原提供科學對策和理論依據。

1研究區概況

研究區域位于中國新疆北部邊緣、阿爾泰山南麓、額爾齊斯河北岸，地處47°～49°N、86°～89°E（圖1），氣候屬于北溫帶大陸性氣候、氣候特征具有溫帶、寒溫帶和寒帶呈梯形帶分布的特征[18]。北部山區海拔3 200 m以上為永久積雪帶，屬寒帶氣候區；中部丘陵盆地，屬中溫帶冷涼氣候區；南部平原區，夏季干旱炎熱，降水較少，蒸發量大，晝夜溫差大，冬季嚴寒，積雪較少。從南部平原到中部丘陵盆地區再到北部山區，積雪厚度比為1 ∶3 ∶8。一年中的上半年盛行偏東風，夏季盛行偏西風，北部山區風力較小，各氣候區以春、夏季風力最大，冬季為最小。20世紀80年代以來，阿勒泰地區的溫度和降水普遍增加，氣候出現由暖干向暖濕發展的信號，是新疆北部區域暖濕化較顯著的區域之一[19]。

2數據獲取及分析方法

2.1氣候因素變化分析

選取阿勒泰地區內哈巴河、阿勒泰、吉木乃、富蘊、青河、福海6個氣象臺站的氣象數據資料，主要包括各站點1990年1月至2012年12月的月平均氣溫、降水數據，主要分析阿勒泰地區各縣市氣候年際變化與季節變化。

其中，氣象要素的變化趨勢采用一次線性方程表示，即：

Y=a0+a1t（1）

式中：Y為氣象要素，t為時間；a0為常數項；a1為線性趨勢項，a1的系數為正，則表明是增量，反之亦然[20]。

2.2植被覆被變化特征分析

研究使用的衛星數據采用1981—2001年NOAA/AVHRR和1998—2010年SPOT-4 VEGETATION的逐旬的歸一化植被指數NDVI數字影像，分別來自于中國西部環境與生態科學數據中心和比利時的V1TO研究所圖像處理與存檔中心。

采用最大合成法MVC（maximum value composites）糾正，即圖像中的每一像元用該旬的最大NDVI值代替，該方法可進一步消除云、大氣、太陽高度角等的部分干擾[21]。

該數據通過對源數據進行大氣校正、輻射校正、幾何校正和拉伸后，為1 km空間分辨率、10 d最大化合成數據。其中對于NOAA/AVHRR NDVI的定義[22]為：NDVI=（Ch2-Ch1）/（Ch2+Ch1），SPOT-4 VEGETATION NDVI的定義為：NDVI=DN×0.004-0.1。所有操作均在ArcGIS9.2軟件中完成。

其中，最大合成法MVC獲取月NDVI值，公式為：

MNDVIi=Max（NDVI1，NDVI2）（4）

式中：i為月序號，取值范圍為1～12；MNDVIi為第i月的 NDVI 值；NDVI1和NDVI2分別為第i月上半月和下半月的 NDVI 值。同樣采用MVC方法獲取年最大NDVI（YNDVImax），作為年NDVI值。計算公式為：

YNDVImax=max（MNDVI1，MNDVI2，…，MNDVI12）（5）

3結果與分析

3.1阿勒泰地區草地分布面積變化分析

區域NDVI值變化能夠反映植被蓋度變化，尤其是對于草原地區。通過對阿勒泰地區1980—2009年區域植被NDVI變化特征可以看出，區域平均植被NDVI值呈現整體下降趨勢（圖2-A），尤其是近年來植被蓋度一直維持較低的水平，其中年最大NDVI值下降較為明顯（圖2-C）；通過對阿勒泰地區生長季的植被NDVI值進行分析，結果表明生長季NDVI值產業呈現明顯的下降趨勢。

3.2阿勒泰地區草場質量變化分析

草地生物量和草高度是草場質量好壞的重要指標。2011年對阿勒泰地區進行的全面草地資源調查統計顯示，與1982年相比，各類草地生物量下降明顯（圖3），而草的高度也有不同程度的降低（圖4），尤其是草原化荒漠類和荒漠化草原類高度下降明顯，這表明阿勒泰轄區內草場荒漠化現象嚴重。通過對結果進行統計表明，2011年各類草地總的生物量僅僅是1982年的52.82%，而各類草的高度僅是1982年的7002%，這也說明阿勒泰地區草場退化現象較為嚴重。

3.3阿勒泰地區1980—2009年氣候變化分析

通過對阿勒泰地區近30年的氣溫和降水分析（圖2-A、圖2-B），結果顯示阿勒泰地區1980—2009年降水呈現微弱的增加趨勢，而溫度呈現比較明顯的升高趨勢，近30年溫度平均增加0.5 ℃/10年。

3.4阿勒泰地區植被NDVI變化與氣候變化相關分析

通過對阿勒泰地區的植被NDVI變化與氣候變化的對比分析（圖2），可以明顯看出（圖2-A、圖2-C、圖2-E），植被NDVI年際變化隨著降水變化而變化，這種現象在生長季植被NDVI和年平均NDVI年際變化中表現的尤為明顯，這表明降水是該區植被蓋度變化的主導因素；而對于年際最大NDVI值變化較不明顯，主要是由于年最大NDVI值一般取自7、8月份之間植被蓋度最大的某一旬數據，與年均降水量關系相對較小。通過對圖2-B、圖2-D、圖2-F分析，可以發現上述現象不明顯。

為探討草原退化與區域氣候變化之間的關系，我們對研究區1980—2009年植被NDVI變化與氣候變化進行相關分

析結果表明降水變化與植被變化顯著相關，降水變化對區域植被蓋度增加起促進作用；對于溫度，呈現出與生長季植被NDVI和年最大NDVI呈現負相關，其中與年最大NDVI值顯著負相關，說明該區溫度變化對于植被的年平均蓋度影響不明顯，而對于植被在生長季的蓋度有一定的負面影響。

阿勒泰地區植被變化與氣候變化相關分析

變量相關系數年平均降水量年平均氣溫生長季NDVI0.329*-0.286年最大NDVI0.384*-0.355*年平均NDVI0.162*0.041注：*表示在0.05水平上顯著相關。

3.5草原退化原因分析

由于阿勒泰地區近年來降水增加，而草原卻呈現明顯的退化趨勢，說明影響阿勒泰地區草原退化的主要原因是人類活動的影響。

阿勒泰地區草原站的數據統計顯示（表2），目前全地區各季節草場理論載畜量和實際載畜量分別為夏牧場理論載畜量625.42萬羊單位，實際放養牲畜數量為733.46萬羊單位，草場超載牲畜108.09萬羊單位，超載率17%；春秋牧場理論載畜量為350.49萬羊單位，實際放養牲畜數量為582.08萬羊單位，草場超載牲畜233.58萬羊單位，超載率67%；冬牧場理論載畜量為469.23萬羊單位，實際放養牲畜數量為517.88萬羊單位，草場超載牲畜72.74萬羊單位，超載率15%。

率（%）夏牧場101.58625.42733.46108.0917春秋牧場260.25350.49582.08233.5867冬牧場362.11469.23517.8872.7415

以富蘊縣草場為例，分析其人類活動對草原退化的影響。從天然草原退化面積來說（表3），1990—2008年間，草原退化呈現出階段性特征：1990—1997年間，退化面積為 240.87萬 hm2，1998—2001年為289.07萬 hm2，2002—2006年為 337.2萬 hm2，2006—2008年達到385.4萬 hm2。18年間，天然草場退化率達到39.99%。

富蘊縣天然草原退化面積調查

年份退化面積（萬hm2）1994240.871998289.072002337.22008385.4

長期不合理的放牧制度、氣溫的升高、盲目墾殖、旅游、采礦業的發展等都是導致草地生態系統退化的因素。在諸多因素中，超載放牧是導致草地退化的主要原因。對1990—2008年富蘊縣牧場干草質量和牲畜存欄數量進行分析（圖5），結果表明近年來牧場干草產量和載畜量呈現明顯的下降趨勢。

4結論

通過對阿勒泰地區1980—2009年植被變化和氣候變化分析，該區植被蓋度呈現整體下降趨勢，尤其是近幾年下降趨勢較為明顯，這也反映了該地區草原退化問題日益突出；通過對草場草地生物量和草高度的對比分析，各類草地生物量和草高度均呈現明顯的降低，草場質量明顯下降；阿勒泰地區近年來，降水呈現明顯增加趨勢，氣溫也明顯上升。

阿勒泰地區近30年植被蓋度變化與降水變化呈顯著正相關，蓋度變化對降水十分敏感，尤其是以生長季植被蓋度變化較為明顯。與降水相比，區域溫度變化與植被蓋度變化相關性較小，而與年最大植被蓋度呈現顯著負相關，這表明溫度對于生長季的植被有一定影響，尤其是在夏季植被蓋度最大時，而對于植被的年平均變化趨勢影響較小。

降水變化是阿勒泰地區草原面積變化的主導因素之一，盡管近年來阿勒泰地區降水呈現增加趨勢，但是通過阿勒泰地區草原站的實際調查數據分析表明，由于人類的不合理開發活動，導致草原呈退化趨勢，草原退化問題日益突出。

阿勒泰地區草原由于長期處在放牧活動下，屬于典型的干旱區脆弱生態系統，該系統主要受氣候因素與人為因素影響，如果繼續一味地追求草原的經濟利益，加大對草原的放牧，將會嚴重地破壞草原的生態系統，致使草原退化問題日益加重。目前應加強退化草地的重點保護，通過圍欄封育、劃區輪牧、天然草場補播、灌溉、建立人工飼草料基地等措施，改善該地區的生態環境，使得該地區的生態效益和經濟效益能同步合理地快速發展。

參考文獻：

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[16]Evans J，Geerken R. Discrimination between climate and human-induced dryland degradation[J]. Journal of Arid Environments，2004，57：535-554.

率（%）夏牧場101.58625.42733.46108.0917春秋牧場260.25350.49582.08233.5867冬牧場362.11469.23517.8872.7415

以富蘊縣草場為例，分析其人類活動對草原退化的影響。從天然草原退化面積來說（表3），1990—2008年間，草原退化呈現出階段性特征：1990—1997年間，退化面積為 240.87萬 hm2，1998—2001年為289.07萬 hm2，2002—2006年為 337.2萬 hm2，2006—2008年達到385.4萬 hm2。18年間，天然草場退化率達到39.99%。

富蘊縣天然草原退化面積調查

年份退化面積（萬hm2）1994240.871998289.072002337.22008385.4

長期不合理的放牧制度、氣溫的升高、盲目墾殖、旅游、采礦業的發展等都是導致草地生態系統退化的因素。在諸多因素中，超載放牧是導致草地退化的主要原因。對1990—2008年富蘊縣牧場干草質量和牲畜存欄數量進行分析（圖5），結果表明近年來牧場干草產量和載畜量呈現明顯的下降趨勢。

4結論

通過對阿勒泰地區1980—2009年植被變化和氣候變化分析，該區植被蓋度呈現整體下降趨勢，尤其是近幾年下降趨勢較為明顯，這也反映了該地區草原退化問題日益突出；通過對草場草地生物量和草高度的對比分析，各類草地生物量和草高度均呈現明顯的降低，草場質量明顯下降；阿勒泰地區近年來，降水呈現明顯增加趨勢，氣溫也明顯上升。

阿勒泰地區近30年植被蓋度變化與降水變化呈顯著正相關，蓋度變化對降水十分敏感，尤其是以生長季植被蓋度變化較為明顯。與降水相比，區域溫度變化與植被蓋度變化相關性較小，而與年最大植被蓋度呈現顯著負相關，這表明溫度對于生長季的植被有一定影響，尤其是在夏季植被蓋度最大時，而對于植被的年平均變化趨勢影響較小。

降水變化是阿勒泰地區草原面積變化的主導因素之一，盡管近年來阿勒泰地區降水呈現增加趨勢，但是通過阿勒泰地區草原站的實際調查數據分析表明，由于人類的不合理開發活動，導致草原呈退化趨勢，草原退化問題日益突出。

阿勒泰地區草原由于長期處在放牧活動下，屬于典型的干旱區脆弱生態系統，該系統主要受氣候因素與人為因素影響，如果繼續一味地追求草原的經濟利益，加大對草原的放牧，將會嚴重地破壞草原的生態系統，致使草原退化問題日益加重。目前應加強退化草地的重點保護，通過圍欄封育、劃區輪牧、天然草場補播、灌溉、建立人工飼草料基地等措施，改善該地區的生態環境，使得該地區的生態效益和經濟效益能同步合理地快速發展。

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率（%）夏牧場101.58625.42733.46108.0917春秋牧場260.25350.49582.08233.5867冬牧場362.11469.23517.8872.7415

以富蘊縣草場為例，分析其人類活動對草原退化的影響。從天然草原退化面積來說（表3），1990—2008年間，草原退化呈現出階段性特征：1990—1997年間，退化面積為 240.87萬 hm2，1998—2001年為289.07萬 hm2，2002—2006年為 337.2萬 hm2，2006—2008年達到385.4萬 hm2。18年間，天然草場退化率達到39.99%。

富蘊縣天然草原退化面積調查

年份退化面積（萬hm2）1994240.871998289.072002337.22008385.4

長期不合理的放牧制度、氣溫的升高、盲目墾殖、旅游、采礦業的發展等都是導致草地生態系統退化的因素。在諸多因素中，超載放牧是導致草地退化的主要原因。對1990—2008年富蘊縣牧場干草質量和牲畜存欄數量進行分析（圖5），結果表明近年來牧場干草產量和載畜量呈現明顯的下降趨勢。

4結論

通過對阿勒泰地區1980—2009年植被變化和氣候變化分析，該區植被蓋度呈現整體下降趨勢，尤其是近幾年下降趨勢較為明顯，這也反映了該地區草原退化問題日益突出；通過對草場草地生物量和草高度的對比分析，各類草地生物量和草高度均呈現明顯的降低，草場質量明顯下降；阿勒泰地區近年來，降水呈現明顯增加趨勢，氣溫也明顯上升。

阿勒泰地區近30年植被蓋度變化與降水變化呈顯著正相關，蓋度變化對降水十分敏感，尤其是以生長季植被蓋度變化較為明顯。與降水相比，區域溫度變化與植被蓋度變化相關性較小，而與年最大植被蓋度呈現顯著負相關，這表明溫度對于生長季的植被有一定影響，尤其是在夏季植被蓋度最大時，而對于植被的年平均變化趨勢影響較小。

降水變化是阿勒泰地區草原面積變化的主導因素之一，盡管近年來阿勒泰地區降水呈現增加趨勢，但是通過阿勒泰地區草原站的實際調查數據分析表明，由于人類的不合理開發活動，導致草原呈退化趨勢，草原退化問題日益突出。

阿勒泰地區草原由于長期處在放牧活動下，屬于典型的干旱區脆弱生態系統，該系統主要受氣候因素與人為因素影響，如果繼續一味地追求草原的經濟利益，加大對草原的放牧，將會嚴重地破壞草原的生態系統，致使草原退化問題日益加重。目前應加強退化草地的重點保護，通過圍欄封育、劃區輪牧、天然草場補播、灌溉、建立人工飼草料基地等措施，改善該地區的生態環境，使得該地區的生態效益和經濟效益能同步合理地快速發展。

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