基于VDDT的紅原縣草地景觀動態變化模擬

張雪蓮，干曉宇，道里剛，張洪軒，董奎，游成銘，符佩斌，干友民*

(1.四川農業大學動物科技學院，四川 雅安 625014;2.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065;3.四川省草原科學研究院，四川 成都 611731;4.四川農業大學林學院，四川 成都 625014)

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基于VDDT的紅原縣草地景觀動態變化模擬

張雪蓮1**，干曉宇2**，道里剛3，張洪軒3，董奎4，游成銘1，符佩斌1，干友民1*

(1.四川農業大學動物科技學院，四川 雅安 625014;2.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065;3.四川省草原科學研究院，四川 成都 611731;4.四川農業大學林學院，四川 成都 625014)

利用ENVI軟件對2000和2010年紅原縣遙感影像進行解譯，建立紅原縣草地資源數據庫。設定9種干擾變化的驅動因子，利用VDDT以2000到2001年草地景觀轉換概率和干擾因子出現情況，對2020年紅原縣草地景觀的動態變化進行模擬分析。結果表明，VDDT在模擬紅原縣草地景觀變化動態中具有較高的可行性(斑塊面積擬合度為0.9325，斑塊數目擬合度為0.8833)。通過對影響草地景觀格局變化的主要因子進行分析，表明紅原縣草地具有明顯退化趨勢。

草地景觀；草地資源；變化；動態模擬

植被動態開發工具(vegetation dynamics development tool, VDDT)[1]是基于Windows計算機提供建模框架來監控植被演變過程中的各種過渡角色的一種非空間管理工具。VDDT工具通常應用于森林景觀的分析[2]，并可用于評估森林的燃料水平[3]，以及用來測試景觀的管理水平[4]。該工具很少應用于草地景觀的分析，在川西北地區的應用更鮮見報道。本試驗目的在于探索VDDT工具在草地景觀分析上的適用性，在此基礎上對紅原縣草地景觀結構、功能、動態變化以及它們之間的相互影響和控制機制的研究，解釋紅原縣草地景觀發展的趨勢，掌握管理方法，以科學規劃與科學的設計為手段[5]，對紅原縣草地景觀實施生態保護、恢復、建設和科學管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

紅原縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州，地理坐標為北緯31°51′-33°19′，東經101°51′-103°23′。全縣平均海拔約3600 m，總面積8439.94 km2。地勢為東南向西北傾斜，縣內珠串狀盆地和小盆地廣泛分布。山地貌面積2865.13 km2，高山地貌面積1107.68 km2，丘原地貌面積1861.11 km2，高平原地貌面積2606.02 km2(圖1)。

圖1 樣地概況(四川省阿壩州紅原縣，2000年)Fig.1 The map of the study area (Hongyuan County, Aba, Sichuan in 2000)

1.2 數據采集和處理

本試驗利用植被動態開發工具結合ENVI軟件，選擇將無重大災害發生的2000和2010年紅原縣遙感數據(Landsat TM 5，8月)進行解譯，劃分出草地主要景觀類型，并統計和分析各主要景觀類型的斑塊數目、斑塊面積、斑塊面積比和斑塊周長等屬性信息。

1.3 紅原縣草地景觀動態變化模擬過程

利用ENVI軟件對收集的2000和2010年紅原縣遙感影像資料進行解譯，并對各草地景觀類型進行劃分及景觀格局分析。在VDDT中利用細胞自動機模型(cellular automation model)原理，以2000到2001年1年為步長單位，以期間各景觀類型轉換概率以及各干擾因子出現情況等信息為基礎，模擬出2010年各主要景觀的變化動態與現狀，并利用SPSS對VDDT模擬結果和遙感資料所提取的2010年斑塊屬性進行一元線性回歸分析，從而對其精度進行驗證，證明VDDT工具在草地景觀變化動態模擬過程中的可行性。在此基礎上，繼續模擬出2020年紅原縣草地景觀類型的現狀，并結合2000, 2010和2020年3個時間點斑塊信息進行統計與對比，闡明紅原縣草地景觀的變化趨勢與特征。

1.4 數據分析

利用ENVI 4.8，將2000和2010年紅原縣遙感影像進行解譯，生成草地景觀分類圖；并利用SPSS 17.0將矢量化的各斑塊信息進行統計，將2010年模擬的斑塊屬性和遙感資料提取的實際2010年斑塊屬性進行一元線性回歸分析，在VDDT中錄入2000年紅原縣各主要景觀類型的名稱、影響因子名稱、影響因子轉換概率以及對影響因子轉換對象的整理，對各主要景觀動態變化進行模擬，分析其變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 草地景觀格局現狀

紅原縣草地主要景觀類型劃分為高覆蓋度草地(覆蓋度>50%的地段)、中覆蓋度草地(覆蓋度20%～50%的地段)、低覆蓋度草地(覆蓋度5%～20%的地段)、有林地(郁閉度>30%的地段)、灌木林(郁閉度>40%的地段)、疏林地(郁閉度10%～30%的地段)、灘地、湖泊、城鎮用地、其他建設用地、沙地和沼澤地等景觀類型，斑塊數量共計1993個 (表1)。

表1 2000年紅原縣景觀類型面積特征現狀

C/S： Circumerence/area.

2.2 紅原縣草地主要景觀分類

試驗以紅原縣草地主要景觀為研究對象，探討紅原縣草地主要景觀動態變化的規律與機制，并對其進行模擬分析和預測。根據紅原縣的土地利用現狀，參考景觀生態學分類方法，將紅原縣土地利用各景觀類型進行分類并編碼(表2)。

2.3 模擬干擾因子分類

在對試驗區域進行分析和歷史資料收集的基礎上，選取了自然、人為和管理等驅動因子。其中自然因子包括病蟲害、高溫、降水和低溫；人為因子包括游憩；管理因子包括人工草地的建立、防火和病蟲害防治，共計9個模擬干擾因子，并將其編碼列入表3。同時，根據所選取干擾因子年際變化情況，以病蟲害因子10年年際變化為例，按固定格式(表4)保存為.*TSE格式，導入VDDT中形成變化路徑。

表2 紅原縣草地主要景觀類型編碼

注：沙地(5001)包括沙化地、黑土灘、鼠荒地等退化草地，下同。

Note: Sand (5001) including sandy, black soil land, rats wasteland, the same as following.

2.4 變化路徑

各模擬因子在模擬干擾中的影響強弱頻率,使每一個變化狀態類(state class)在模擬因子的干擾中隨時間序列和概率進行單項或者多項變化。設置變化時間從2000到2010年，按1年為步長單位結合干擾因子影響強弱頻率運行模型，模擬繪制出草地主要景觀在無重大災害的10年內的動態變化路徑(圖2)。

2.5 VDDT工具可行性驗證

將共計14組VDDT模擬與遙感解譯的紅原縣2010年各景觀類型斑塊面積統計信息(圖3,4)，對VDDT在草地景觀變化動態的模擬過程中精度進行驗證。由圖3可看出VDDT在模擬紅原縣各景觀類型斑塊面積上與遙感解譯數據擬合度達0.9325，在斑塊數目上擬合度達0.8833。表明，VDDT在紅原縣景觀類型斑塊面積和數目的統計上具有較強可行性，為下一步模擬紅原縣2020年草地景觀動態變化提供了保障。

表3 紅原縣模擬因子編碼

表4 VDDT中年份類型序列表

注：左列為模擬年份序號，右列為發生病蟲害情況的景觀類型以及病蟲害發生的倍數變化情況。

Note: In the Table, the left rank was the number of year and the other was the fold change of item in landscape types.

2.6 景觀變化動態模擬

通過對VDDT在草地景觀動態變化模擬過程中的可行性進行檢驗，表明VDDT可以較為精確地反映草地景觀變化動態。在此基礎上，將各干擾因子和時間序列導入VDDT中，通過對紅原縣主要景觀進行變化路徑分析后，設置模擬運行時長為20年，運行次數和各變化狀態的初始比例及2000到2001年轉換概率。運行得出在自然因子、認為因子和管理因子水平下，不同模擬時段各景觀類型所占面積變化情況，并將其中3種景觀類型逐年動態變化趨勢繪制如圖5。

在2000年，草地景觀所占面積>林地景觀>未利用地，到2020年，草地景觀仍然占紅原縣景觀面積半數以上，但草地、林地面積逐漸減少，未利用地面積呈逐漸增加的趨勢(表5)。20年來草地和林地景觀分別減少了5.66%和2.26%，未利用地增加了1.06%。

圖2 VDDT中生成的紅原縣景觀變化路徑(圖右下為各代碼所代表內容)Fig.2 Transition pathway diagram of landscapes in Hongyuan County with the aid of VDDT(representation of each code lay at the lower right corner) GRA:草地 Grassland; HCG:高覆蓋度草地 High coverage grassland; MCG:中覆蓋度草地 Moderate coverage grassland; LCG:低覆蓋度草地 Low coverage grassland; FOR:森林 Forest land; WL:有林地 Wood land; SW:灌木林 Shrub wood; OFL:疏林地 Open forest land; LFU:城鎮居民用地 Land for urban residents; UL:城鎮用地 Urban land; OTC:其他建設用地 Other construction land; OTH:其他Others; SAD:沙地 Sand; UUL:未利用地 Unutilized land; MAR:沼澤地 Marsh; RES:水庫坑塘 Reservoirs; LAK:湖泊 Lake.

圖3 2010年VDDT模擬和遙感解譯紅原縣各景觀類型斑塊面積對比Fig.3 Comparisons of plaque area between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

圖4 2010年VDDT模擬和遙感解譯紅原縣各景觀類型斑塊數目對比Fig.4 Comparisons of plaque number between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

圖5 紅原縣3種景觀在20年內的變化趨勢模擬

景觀類型Landscapetypes2000年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)2010年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)2020年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)草地Grassland6679.4879.146201.7973.485854.7669.37林地Forestland950.9811.27890.0110.55759.599.01未利用地Unutilizedland714.438.46732.508.70803.749.52

3 討論

草地景觀的變化動態是對草地生產力以及資源綜合生產能力的主要影響因子，然而草地景觀及其面積的變化主要受自然、人為等因子的影響。本試驗通過利用2000到2001年干擾因子的轉換概率模擬2020年紅原縣草地主要景觀的變化動態趨勢，草地景觀早期的退化表現為灌木、喬木等類型的斑塊入侵，隨著干擾的進一步加劇，草地開始出現沙化斑塊,這與田育紅和劉鴻雁[6]的研究結果相一致。

放牧對草地景觀具有重大影響，放牧會改變草地景觀斑塊的形狀、質量、尺度[7]、適口牧草的數量及分布[8]以及草地昆蟲群落[9]，并影響種內和種間競爭以及土壤等因素，在此基礎上改變牧草的物質與能量分配格局[10]。

He[2]利用VDDT工具對森林景觀進行研究以應對猶他州西南部不同管理場景的景觀變化，證明火災和放牧行為對景觀的動態變化具有重大影響。沈澤昊等[11]研究表明景觀的尺度大小對景觀的變化也具有重大影響。景觀植被的斑塊大小與太陽輻射的空間分布具有較明顯的指示作用，并且與土壤養分、水分資源危機程度之間關系也非常緊密。草地景觀斑塊的形狀在植被的恢復和退化過程中也起促進作用,草地斑塊的破碎化對不同種動物覓食行為具有重疊化的特征，減少種群間競爭，削弱了草地的生態功能。同時，在草地景觀中，適口牧草和入侵植物的分布影響著動物棲息和遷徙，從而進一步影響植被景觀的分布。除自然因子影響草地景觀變化以外，人類干擾等諸多因素對草地生態過程也進行了改變。

草地退化會導致草地生產力下降和草地生態功能的削弱，并直接威脅當地牧區經濟的發展，對于如何利用好草地資源，管理好干擾因子已成為亟待解決的問題，因此，積極地管理以及模仿自然過程在植被的恢復和景觀的變化動態中具有正面意義。

4 結論

1)確立了VDDT在草地景觀動態模擬過程中具有很強的適用性，并在對紅原縣草地景觀進行動態變化模擬過程中表現出其具有較強結構性的特點。

2)描繪了紅原縣草地、林地以及未利用地3種主要景觀類型斑塊面積從2000到2020年的動態變化趨勢，為草地景觀的動態變化分析提供了一種新途徑，為草地景觀的管理與保護提供了有利依據。

3)VDDT工具由于不能直接輸出地圖數據，因此在草地景觀動態變化中也存在一定局限性，需與其他地圖輸出軟件(如景觀情景分析技術：TELSA)以及實地驗證數據相結合。

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Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County

ZHANG Xue-Lian1**, GAN Xiao-Yu2**, DAO Li-Gang3, ZHANG Hong-Xuan3, DONG Kui4,YOU Cheng-Ming1, FU Pei-Bin1, GAN You-Min1*

1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China; 2.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SichuanGrasslandScienceAcademy,Chengdu611731,China; 4.CollegeofForest,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu625014,China

Based on remote sensing images of Hongyuan County collected between 2000 and 2010, a landscape classification map and grassland resource database were produced using ENVI software. In addition, 9 disturbance types were chosen to simulate the landscape succession to the year 2020 using the United States department of Agriculture Vegetation Dynamics Development (VDDT) tool based on the transition probability for 2000-2001. The results showed that: 1) In the 20 years, grassland decreased by about 824 km2, and forest by 191 km2, however, the unutilized area was predicted to increase by about 89 km2; 2) The VDDT tool provided an acceptable simulation of the landscape succession as indicated by the Hongyuan County land use maps for 2000 and 2010 [R2=0.9325(Area),R2=0.8833(Number)]; 3) The simulation showed an obvious degeneration trend for grassland in Hongyuan county. Factors affecting the future landscape pattern and rate of grassland degeneration were also analyzed.

landscape; grassland resource; variation; dynamic simulation

10.11686/cyxb20150525

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-11-28；改回日期：2015-01-06

國家自然科學基金青年科學基金項目(51108284),春暉計劃項目,四川省科技廳項目(Z2006-1-61003,07JY029-024)和四川省科技廳支撐項目(13ZC1635)資助。

張雪蓮(1989-)，女，四川仁壽人，在讀碩士。E-mail: zh.xuelian89@gmail.com。干曉宇(1981-)，男，四川成都人，講師，博士。E-mail: ganxy2@gmail.com。 **共同第一作者These authors contributed equally to this work. *通訊作者Corresponding author. E-mail: ganyoumin1954@163.com

張雪蓮，干曉宇，道里剛，張洪軒，董奎，游成銘，符佩斌，干友民.基于VDDT的紅原縣草地景觀動態變化模擬. 草業學報, 2015, 24(5): 217-223.

Zhang X L, Gan X Y, Dao L G, Zhang H X, Dong K, You C M, Fu P B, Gan Y M. Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 217-223.