近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預測

趙宇豪，戎戰磊，張玉鳳，葉苗，蔣暉，趙傳燕*

(1.蘭州大學生命科學學院,甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學草地農業科技學院，草地農業生態系統國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

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近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預測

趙宇豪1,2，戎戰磊2，張玉鳳1，葉苗1，蔣暉1，趙傳燕2*

(1.蘭州大學生命科學學院,甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學草地農業科技學院，草地農業生態系統國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

草地是人類生存的基本資源和條件，在全球變化、全球循環和生態系統功能等方面起著非常關鍵的作用。本文基于GIS技術和1986、2000和2011年黑河流域草地分布數據，采用轉移矩陣、草地動態變化度、空間動態度和CA-Markov模型等方法，分析了黑河流域近30年的草地變化，并對其未來分布格局做出預測。結果表明，(1) 黑河流域1986年草地面積為32997.71 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為4290.02、6371.80和22335.89 km2；2000年草地面積為23939.46 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5508.78、5540.01和12890.67 km2；2011年草地面積為24272.50 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5561.31、5715.01和12996.18 km2，近30年間黑河流域草地面積呈現先減后增的趨勢。(2) 1986-2000年期間，黑河流域草地面積大幅減少，且退化嚴重，高覆被草地主要向中低覆被草地轉換，中覆被草地主要向低覆被草地轉換，低覆被草地主要向未利用地轉換。(3) 2000-2011年期間，黑河流域草地面積小幅增加，各類型草地轉化面積較少，保持小幅緩慢上升趨勢。(4) 在現行趨勢下，預測2022年黑河流域草地面積為24449.58 km2，高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5560.28、5657.65和13231.65 km2，與2011年相比呈增加趨勢，但下游地區草地面積和覆蓋度依然較低。

黑河流域；草地；動態變化；CA-Markov模型；LUCC；GIS

草原是地球上分布最廣的植被類型，總面積約為3.2×107km2，占陸地總面積的20%左右，我國是世界第二大草原國，擁有極為豐富的草地資源，面積約為 4×106km2，約占國土面積的41.7%，世界草地面積的12.5%[1-2]，主要分布在西北干旱、半干旱氣候區以及青藏高原高寒氣候區[3]，是我國陸地生態系統最大的天然屏障[4]。作為陸地生態系統中一個重要的子系統，草地生態系統在全球變化、全球循環和生態系統功能等方面起著非常關鍵的作用[6-10]，同時，草地資源是自然資源中可再生的一種，蘊藏著豐富的動植物資源，是農牧業經濟的重要組成部分，不同的利用方式、管理方式對草地資源的可持續利用有重要影響[11-12]。

近年來，隨著全球氣候變化和人類活動干擾的增加，草地生態系統發生明顯退化，現今草地退化已經成為一個全球性問題，而中國是世界上草地退化最為嚴重的國家之一[13]。由于長期以來人們對草地資源采取自然粗放的經營方式，目前，我國約90%的可利用天然草原呈現不同程度地退化，每年還以2×104km2的速度遞增[13]，由此產生的區域生態問題越來越突出[14]。隨著草地退化程度加劇，對草地退化過程進行動態監測、定量化描述與分析變得尤為必要。而傳統的草地監測主要采用野外實地采樣法，這種方法費時費力、效率低、成本高，還受諸多人為因素的限制，無法快速地在大范圍內對草地生長狀況和覆蓋度變化進行動態監測。此外，這種方法常常用數量有限的監測站點代表一個區域，難以客觀描述整個研究區內植被變化狀況[15]。近年來，遙感(RS)和地理信息系統(GIS)等空間信息技術的迅速發展，為研究地球表面的動態變化提供了良好的手段，與傳統方法相比,其具有準確、快速、覆蓋面積大、價格低和周期性好等優點。實踐表明，將RS和GIS等空間信息技術應用于草地退化研究是一種行之有效的方法，已經在全球不同地區草地植被動態監測和評價研究中廣泛應用[16-22]。但是，目前人們多利用NDVI數據研究草地變化[23-28]，而在我國,草地的變化主要表現在草地向其他土地利用類型的轉換[29]。

黑河流域內草原廣布，面積約為9.5×104km2，占流域面積的60%以上，主要分為祁連山草地區，河西走廊中部草原區，河西走廊以北荒漠草場和額濟納三角洲荒漠草場。近年來隨著氣候變化以及人類活動的影響，黑河流域草地覆蓋發生明顯變化[30]。黑河上游和下游地區以牧業為主，中游地區以農業經營為主，地域經濟類型呈現出山地牧業區—走廊綠洲農業區—高原牧業區組合特征，具有典型的農牧業分異和農牧交錯特色，對草地資源的利用度較高，故而對黑河草地變化的研究不僅具有重要的理論意義，還具有深遠的社會經濟意義。因此本文采用1986、2000和2011年三期土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)數據，利用土地利用轉移矩陣、草地動態變化度、空間變化度和CA-Markov模型等方法，對近30年黑河流域草地動態變化進行系統研究，主要對黑河流域草地變化特征和主要因素進行探討，并預測其未來變化趨勢，試圖在更長時間尺度上展現黑河草地植被的時空變化特征，揭示黑河流域草地時空變化的特征和規律，為合理利用與保護草地資源提供重要理論依據，同時為黑河流域草地生態服務功能評價奠定基礎。

1 材料與方法

圖1 黑河流域土地利用及行政區劃圖Fig.1 Land use and administration districts of Heihe River Basin

1.1 研究區概況

黑河流域是我國第二大內陸河流域，橫跨高山濕冷及半干旱區、溫帶和暖溫帶干旱區3個自然地理帶，介于37°45′-42°40′ N，96°42′-102°4′ E之間(圖1)，南北跨度大，流域內自然環境條件差異顯著。其發源于南部祁連山區，全長821 km，流域面積約14.29萬km2，主要覆蓋三省區的11個縣市，上游包括青海省祁連縣和甘肅省肅南裕固族自治縣，中游為甘肅嘉峪關、山丹、民樂、張掖、臨澤、高臺、肅南、金塔和肅州等市縣，下游含甘肅肅北蒙古族自治縣和內蒙古自治區額濟納旗。流域受大陸性氣候和青藏高原氣候的綜合控制，降水少、蒸發量大，氣候干燥，太陽輻射強烈，晝夜溫差大，氣候具有明顯的東西差異和南北差異。上游多年平均降水量大于350 mm，降水量由東向西遞減，年平均蒸發量為800～1200 mm，年平均氣溫-5～4 ℃。中游降水由東部的250 mm降低至西部的50 mm，蒸發量則從東部的2000 mm增加至西部的4000 mm以上，年平均氣溫2.8～7.6 ℃。下游屬于干旱荒漠氣候，年降水量小于50 mm，年蒸發量大于3500 mm，年平均氣溫8～10 ℃。巨大的自然條件差異，導致自東南向西北形成了鏈狀山地—斑塊綠洲—廣域荒漠的生態系統，由此導致植被的地帶性和非地帶性的分布并存，也為草地類型的多樣性奠定了環境基礎，由北向南，草原類型依次為荒漠、草原化荒漠、荒漠化草原、山地森林草原、山地高寒草甸草原和高寒草甸。

1.2 土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)數據

土地利用/土地覆蓋是生態環境中的一個敏感因子，受自然因素和人類活動的雙重影響，在生態環境監測和可持續發展研究中占有非常重要的地位[31]。土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)不僅客觀地記錄了人類改變地球表面特征的空間格局，再現了地球表面景觀的時空動態變化過程，而且與區域和全球環境變化、生物多樣性減少，生態安全等問題息息相關[32-36]。目前，在國際地圈與生物圈計劃(IGBP) 和國際全球環境變化的人文因素計劃(IHDP)的推動下，國內外眾多學者對其進行了大量研究[37-40]。

黑河流域LUCC數據[41-43]來源于黑河計劃數據管理中心(http://westdc.westgis.ac.cn),所有數據采用統一的投影和坐標系，分辨率為1∶10萬。采用國家土地分類系統，包括6個一級分類(耕地、林地、草地、水域、城鎮和農村居民及工礦用地和未利用土地)，25個二級分類。其中草地分類體系為：高覆蓋草地，指覆蓋度>50%的天然草地、改良草地和割草地，此類草地一般水分條件較好，草被生長茂密，一般分布在山區、丘陵及河間灘地、沙地丘間等；中覆蓋草地指覆蓋度20%～50%的天然草地和改良草地，此類草地一般水分不足，草被較稀疏主要分布在較干燥地方；低覆蓋草地指覆蓋度 5%～20%的天然草地，此類草地水分缺乏，草被稀疏，牧業利用條件差 主要生長在干燥地方。草地向未利用地轉換，以及高覆被草地向中低覆被草地轉換，中覆被草地向低覆被草地轉換意味著草地退化。

1.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是國內外常用的一種揭示土地利用/覆被類型間變化方向的方法[44-49]，其將土地利用變化的類型轉移面積按矩陣的形式加以列出，不但包括靜態的一定區域某時間點的各地類面積數據，而且能夠細致地反映某一區域某一時段起止各土地類型面積之間相互轉化的動態過程信息，具有豐富的統計學意義。在土地利用變化分析和地類模擬方面具有重要作用，具體形式如下。

A代表面積；n,m代表轉移前后的土地利用類型數；ij(i,j=1,2,…,n)分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型；Aij表示轉移前的i地類轉換成以后的j地類的面積。矩陣中的每一行元素代表轉移前的i地類向轉移后的各地類的流向信息，矩陣中的每一列元素代表轉換以后的j地類面積從轉移前的各地類的來源信息。為方便研究，通常轉移前后采用相同的分類體系和分類精度，這樣Aij的行數列數相同，為一個n階方陣。本文運用ArcGIS對黑河流域3期土地利用數據進行統計和疊加分析，建立黑河流域1986-2000年，2000-2011年土地利用轉移矩陣，分析近30年間草地轉化情況。

1.4 草地動態變化度

單一土地利用類型動態度指某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化[50]，本研究根據其定義，采用草地動態變化度來衡量草地變化的速率，計算公式如下。

LT=ΔP×Pa-1×T-1×100%

式中,LT為研究時段內草地動態變化度，ΔP為研究期內草地面積變化,Pa為研究期初期草地面積，T為研究時期長。動態變化度越大說明在研究期間內草地面積相對于自身的面積變化幅度越大。

1.5 草地空間動態度

空間動態度表示土地利用動態變化的空間過程和強烈程度[51],參考其定義,本研究使用草地空間動態度來衡量草地變化的強烈程度，計算公式可表示為：

式中，Li為研究時段內草地空間動態度；C1為研究期內草地轉換為其他土地利用類型的面積，C2為研究期內非草地土地利用類型轉換為草地的面積，C0為研究初期的草地面積，(C1+C2)/C0為研究期內草地的總變化量與研究初期草地面積的比值。

1.6 CA-Markov模型

馬爾可夫鏈是用于土地利用變化建模的傳統方法，系統的將來狀態僅依賴于當前狀態,通過創建從時期1到時期2的土地利用變化轉換概率矩陣來實現未來預測,其表達式為。

S(t+1)=Pij×S(t)

式中：S(t+1)和S(t)分別表示t+1和t時刻土地利用系統的狀態,Pij為狀態轉移矩陣。

元胞自動機(CA)是時間、空間和狀態都離散的動力學模型。具有強大的空間運算能力，可以有效地模擬復雜系統的空間變化。CA 模型可用下式表示[52]。

S(t+1)=f(S(t),N)

式中：S為元胞有限、離散的狀態集合；t、t+1為不同時刻；N為元胞的鄰域；f為局部空間的元胞轉化規則。

CA 和 Markov 模型兩者均為時間、狀態離散型的動力學模型，都被廣泛應用于空間模擬中。 CA模型與Markov模型各具特色，但是又都存在局限，Markov模型側重于數量方面的預測能力，而其空間參數比較弱，不能對空間上的變化進行表達，CA模型則具有較強的空間概念，可以模擬復雜的空間演變能力，但其局限于局部元胞間的相互作用，整體估算能力較差。將二者結合，既提高了土地利用類型轉化的預測精度,又可以有效地模擬土地利用格局的空間變化，被廣泛探討和應用[53-56]。本文在軟件IDRISI 17.0中使用CA-Markov模型,以2000和2011年土地利用類型為基準，對2022年草地分布進行預測分析。

1.7 統計年鑒

各省統計年鑒是一部按年度連續出版的大型統計資料書，其中含有大量的統計數據，可以全面反映省內的社會、經濟和科技發展變化情況。本研究查閱了1987、2001和2012年青海省、甘肅省和內蒙古自治區統計年鑒，挑出包含在黑河流域中各區縣的人口與牲畜存欄量情況，用以分析草地變化的驅動因素。

2 結果與分析

2.1 草地動態變化度和空間動態度

近30年間，黑河流域草地面積呈現先減后增的趨勢，1986、2000和2011年的草地面積如圖2所示。1986年,流域內草地面積為32997.71 km2，占流域面積的23.14%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為4290.02、6371.80和22335.89 km2；2000年流域內草地面積為23939.46 km2，占流域面積的16.79%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5508.78、5540.01和12890.67 km2，2011年流域內草地面積為24272.50 km2，占流域面積的17.02%，其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面積分別為5561.31、5715.01和12996.18 km2。

1986-2011年，流域內草地面積減少8725.21 km2，動態變化度為-1.06%，空間動態度3.51%。其中高覆被草地面積增加1271.29 km2，動態變化度為1.19%，空間動態度為6.36%，表明其年均面積改變不大，但年均空間轉換活動較為劇烈。中覆被草地面積減少656.79 km2，動態變化度為-0.41%，空間動態度為5.86%，年均面積改變程度和空間轉換活動與高覆被草地類似。低覆被草地面積變化最大，減少了9339.71 km2，降幅達到了41.82%，動態變化度和空間動態度分別為-1.67%和4.86%，表明其年均面積改變和空間轉換活動程度一般。1986-2000年，流域內草地面積減少9058.25 km2，動態變化度為-1.96%，空間動態度6.28%。高覆被草地面積增加1218.76 km2，動態變化度為2.03%，空間動態度為11.22%，表明其年均面積變化和空間轉換活動均較為劇烈，中覆被草地面積減少831.80 km2，動態變化度為-0.93%，空間動態度為10.27%，表明其年均面積改變不大，但其年均空間轉換活動較為劇烈，低覆被草地面積變化最大，減少了9445.26 km2，降幅高達57.71%，動態變化度為-3.02%，空間動態度8.69%，表明其年均面積變化較為劇烈，空間轉換活動程度一般；2000-2011年間，所有草地類型面積均比2000年有所上升，但均未回升到1986年的水平，所有草地類型的空間動態度和動態變化度值均較小，表明近10年來，草地面積變化和空間轉換較為平緩(圖3)。

2.2 各區縣草地變化

由表1可知，近30年期間，黑河上游各區縣高覆被和低覆被草地面積均有增長，中覆被草地面積均有下降，其中肅南縣的低覆被草地面積增加較多；在中游地區，玉門市和嘉峪關市境內無高覆被草地，臨澤縣和甘州區高覆被草地呈大幅下降趨勢，其余區縣呈增長趨勢，其中民樂縣增長較多。中覆被草地面積在中游各區縣中有增有減，在甘州區、肅州區、高臺縣和金塔縣中面積增加，在其余區縣中面積減少。低覆被草地面積除在金塔縣和山丹縣有較大幅度的增加外，在其余區縣面積減少；下游地區，肅北縣境內依然無高覆被草地，而額濟納旗境內開始出現高覆被草地。中覆被草地在額濟納旗中面積增加，在肅北縣中減少。下游各區縣中的低覆被草地均有較大程度的減少。

1986-2000年期間，黑河上游除祁連縣中覆被草地有所減少外，草地面積呈現增加趨勢，而在中游，除山丹縣、民樂縣和金塔縣草地面積有小幅增加以外，其余區縣草地面積呈現下降趨勢；黑河下游額濟納旗、肅北蒙古族自治縣草地面積大幅縮減，其中額濟納旗草地面積由11766.71 km2減小到1840.44 km2，降幅達到84.36%，肅北蒙古族自治縣草地面積由1324.37 km2降至70.23 km2，降幅高達94.70%。上述草地面積大幅下降的主要原因是因為其境內低覆被草地的劇烈減少。2000-2011年期間，黑河上游祁連縣草地面積小幅下降，基本與2000年持平，其中高覆被草地與低覆被草地面積小幅降低，中覆被草地面積小幅升高，肅南縣各類草地面積均有增加；中游區縣中，甘州區、金塔縣和玉門市草地面積有小幅上升，其余各區縣草地面積均呈下降趨勢，其中肅州區下降趨勢比較明顯；下游地區，各區縣草地總面積均有所升高，且各類草地面積均有增加。

圖2 1986,2000,2011年黑河流域草地分布Fig.2 1986,2000,2011 Heihe River Basin grassland distribution

圖3 近30年各類草地面積空間變化分布Fig.3 Grassland types change spatial variation distribution over past 30 years

表1 1986,2000,2011年黑河流域主要區縣草地面積Table 1 1986,2000,2011 grassland area of primary districts in Heihe River Basin km2

黑河上游地區因缺少祁連縣數據，以肅南縣數據為代表分析上游情況，由表2可知，1986-2011年期間，全流域內各區縣人口和牲畜存欄量均有大幅增加。1986-2000年期間，上游地區人口增加，牲畜存欄量減少，中游地區，各區縣人口和牲畜存欄量均呈增加趨勢，下游地區各區縣人口均呈增加趨勢，除肅北蒙古族自治縣牲畜存欄量略有下降之外，其余各縣市牲畜存欄量增加，其中額濟納旗牲畜存欄量增幅巨大，2000年牲畜存欄量是1986年的2.9倍。2000-2011年期間，上游人口和牲畜存欄量呈增加趨勢，中游地區，山丹縣、民樂縣、高臺縣、臨澤縣和玉門市人口減少，但其牲畜存欄量都有較大程度的增加，甘州區和肅州區人口和牲畜存欄量均有上升，且牲畜存欄量增幅較大。下游地區各縣市人口增加牲畜存欄量降低，其中額濟納旗牲畜存欄量減少較多，減少了一半左右。

2.3 草地轉化

由表3可知，1986-2011年期間，高覆被草地主要向中低覆被草地轉化，剩余轉出面積由大到小依次為未利用地、水域、林地、耕地和居民地，轉入面積中，最多的為林地，面積為1933.04 km2。其次依次為中覆被草地，未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地；中覆被草地向低覆被草地和未利用地的轉化較多，轉出面積分別為2403.32和1175.09 km2，剩余轉換面積依次為高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地，轉入面積中，最多的為低覆被草地，面積為1396 km2；其次依次為未利用地、林地、高覆被草地、水域、耕地和居民地；低覆被草地絕大部分面積向未利用地轉換，草地變為未利用地，是指其向沙地、戈壁、沼澤地、裸土地、裸巖等轉換，表明低覆被草地退化明顯，剩余轉換面積為中覆被草地、耕地、水域、高覆被草地、林地和居民地，轉入面積中最多的未利用地，其次依次為中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

由表4可知，1986-2000年期間，高覆被草地主要向中低覆被草地轉化，剩余轉換面積由大到小依次為未利用地、水域、林地、耕地和居民地，轉入面積中，最多的為林地，面積為1903.39 km2。其次依次為中覆被草地，未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地；中覆被草主要向低覆被草地轉化，轉化面積高達2347.42 km2，同時未變化和向未利用地轉換的也較多，剩余轉換面積依次為高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地，轉入面積中，最多的為低覆被草地，面積為1364.48 km2；其次依次為林地，未利用地、高覆被草地、水域、耕地和居民地；低覆被草地絕大部分面積向未利用地轉換，剩余轉換面積為中覆被草地、水域、耕地、高覆被草地、林地和居民地，轉入面積中最多的未利用地，其次依次為中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

表2 1986-2011黑河主要區縣人口和牲畜存欄量Table 2 1986-2011 population and grazing capacity of primary districts in Heihe River Basin

注：祁連縣無1986年統計數據，用1987年數據代替。牲畜存欄量為當年年末大牲畜和羊的存欄量，大牲畜包括牛，馬，驢，騾和駱駝等。
Note:The 1986 statistical data lacked in Qilian county,which was replaced by the 1987 statistical data.Cattle stocks refer to the stocks of sheep and large livestock which includes cows,horses,donkeys,mules and camels,etc.at the end of year.

表 3 1986-2011年黑河流域土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2011 years km2

表4 1986-2000年黑河流域土地利用轉移矩陣Table 4 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2000 years km2

由表5可知，2000-2011年期間，絕大部分高覆被草地沒有變化，剩余主要向中低覆被草地轉換，向水域、林地、耕地和居民地轉換較少，轉入面積中，主要為中低覆被草地和未利用地、其余土地類型轉入較少。中覆被草地絕大部分沒有變化，其主要向低覆被草地和高覆被草地轉換，剩余轉換面積由大到小依次為未利用地、耕地、林地、水域和居民地，轉入面積中未利用地最多，其次主要為低覆被草地和高覆被草地，其余土地利用類型轉入中覆被草地較少；低覆被草地絕大部分未變化，轉換面積由大到小依次為未利用地、耕地、中覆被草地、高覆被草地、林地、水域和居民地。

表5 2000-2011年黑河流域土地利用轉移矩陣Table 5 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 2000-2011 years km2

2.4 草地分布格局

運用CA-Markov模型，預測黑河流域2022年草地面積，結果如圖4所示，草地總面積為24449.58 km2，高覆被草地、中覆被草地面積和低覆被草地面積分別為5560.28、5657.65和13231.65 km2，其草地總面積大于2000和2011年面積，但不及1986年草地總面積。2022年高覆被草地面積，中覆被草地面積低于1986和2011年的面積，較2000年草地面積略有升高，低覆被草地面積較2000和2011年有所升高，但是遠不及1986年的水平。表明在此趨勢下，2022年黑河流域草地面積呈現總體好轉，局部下降的趨勢。

圖4 黑河流域2022年草地分布Fig.4 Grassland distribution of Heihe River Basin in 2022 years

3 討論

1986-2000年期間，黑河流域草地總面積減少，但其高覆被草地面積增加，這主要可能因為氣候、政策和人為因素的驅動。高覆被草地主要位于黑河上游地區，1987年以來西北氣候開始由暖干向暖濕轉型，黑河上游位于氣候顯著轉型和輕度轉型區，氣溫升高，降水量增加[57-58]，在高寒草甸地區，溫度的升高有利于草地的生長[59]，且1988年祁連山國家級自然保護區成立，黑河上游大部分地區位于保護區內，其實施了一系列生態保護政策的實施，如封山育林、退耕還林還草工程等，使人類對黑河上游草地干擾程度大幅降低。期間雖然上游區縣人口有所增加，但牲畜存欄量有顯著降低，所以這些因素共同造成了1986-2000年間高覆被草地面積增加的情況。中覆被草地面積降低比例不大，主要向低覆被草地轉換，減少區域與周偉等[30]的研究結果相似，這可能是因為上游地區非保護區域內過度放牧所致[60-62]。低覆被草地面積減少較多，這主要是因為額濟納旗境內低覆被草地的大量減少，這與鄒亞榮等[29]的研究結果相似，主要的驅動因素可能是由于人為的干擾。黑河流域中上游攔壩蓄水，中游地區工農業用水激增[63-64]，導致河流下泄量日趨減少，使下游河床、湖泊干涸[65]，地下水位下降，植被衰退[66]。其次下游地區人口和牲畜存欄量大量增加，額濟納旗尤為明顯，其牲畜存欄量增加了將近3倍，地表原始植被在牲畜的過度踐踏和啃食下，喪失了再生能力,逐漸退化并且消失。同時，下游地區草原有豐富的野生食用和藥用植物資源，因其較高的經濟價值使人們過度挖采[67]，使本來很脆弱的草原生態系統又遭到嚴重破壞。

2000-2011年期間，黑河流域草地總面積和各類草地面積均小幅上升，這主要是由政策因素驅動導致。2000年以來國家在上游地區實行的一系列生態治理政策[39]，中游地區草地面積呈現下降趨勢，據轉移矩陣顯示期間低覆被草地轉向耕地的占比有所增加，這可能是因為中游地區人口稠密，是我國西北主要的商品糧基地，較大的農墾壓力占用了一部分草地，同時據年鑒統計，2000-2011年期間中游地區牲畜存欄量大幅增加，過度放牧也使得草地面積有所減小。下游地區草地面積有所上升，這可能是因為2000年以來，國家相繼實施了退耕還林還草工程、退牧還草工程以及草原生態保護補助獎勵政策，期間額濟納旗的牲畜存欄量下降了近一半，這極大地減輕了草地的負擔，同時國家在黑河中游啟動了水量統一調度方案[39]，使得下游地區的水資源短缺問題得到了一定程度的緩解，因此，草原面積有一定程度的回升。

黑河流域以農牧業為主,草地面積與蓋度的減少會對其經濟帶來制約[48]，根據目前的趨勢發展，黑河流域的草地面積會逐漸得到恢復，但其恢復程度還不夠，尤其是下游地區，長時間的植被退化，使得下游沙漠化嚴重，植被恢復困難，因此應該在保證中上游正常生產工作的同時，適當削減水壩數量和用水量，嚴禁過度建壩蓄水，盡量加大下游地區的供水量，使下游地區年過水量增大，令自然植被得以恢復，同時加大草原生態保護補助獎勵政策，盡量降低放牧對草原的破壞。

4 結論

(1) 近30年間黑河流域草地呈現先減后增的趨勢，但遠未到達1986年的草地面積，這主要是由低覆蓋草地大量減少導致。

(2) 1986-2000年期間，黑河流域草地面積大幅減少，且退化嚴重，高覆被草地主要向中低覆被草地轉換，中覆被草地主要向低覆被草地轉換，低覆被草地主要向未利用地轉換。

(3) 2000-2011年期間，黑河流域草地面積小幅增加，各類型草地轉出面積較少，保持小幅緩慢上升趨勢。

(4) 在現行趨勢下，未來黑河流域草地面積呈增加趨勢，但下游地區草地面積和覆蓋度依然較低，國家應制定相關政策加大下游地區草地的恢復和保護力度。

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Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends

ZHAO Yu-Hao1,2,RONG Zhan-Lei2,ZHANG Yu-Feng1,YE Miao1,JIANG Hui1,ZHAO Chuan-Yan2*

1.SchoolofLifeSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China;2.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

Grassland,is one of the most widespread vegetation types in the world,and accounts for nearly 20% of the global land surface.China has abundant grassland resources,and the second largest grassland area of any country.However,in recent years,China’s grassland ecosystem has suffered dramatic impairment through human activities and climate change.Grassland in the Heihe River Basin provides necessary resources for the livelihood of local communities.It is therefore important to monitor grassland change.In this study,we assessed historical grassland cover in Heihe River Basin using GIS technology and evaluated land use and land cover change (LUCC) since 1986.We also predicted the future grassland distribution pattern using a CA-Markov Model and land-use transfer matrix,reflecting change in spatial distribution and metabolic indices of grassland.In 1986,the total area of grassland in the Heihe River Basin was 32998 km2,of which 4290 km2were classed as having high coverage,6372 km2were classed as having medium coverage and 22336 km2were classed as having low coverage.In 2000,the grassland area was 23939 km2,and areas with high,medium and low coverage were,respectively,5509,5540 and 12891 km2.In 2011,the grassland area was 24273 km2,and areas with high medium and low coverage were,respectively,5561,5715 and 12996 km2.During the period 1986-2000,the area of grassland in the Heihe River Basin was considerably reduced and severe degeneration occurred.During this period,there was substantial transformation of grassland from high to medium coverage,from medium to low coverage,and from low coverage to unutilized land.During the period 2000-2011,the grassland area in Heihe River Basin increased slightly and transition between the three coverage classes was small.Finally,in 2022 the predicted grassland area of the Heihe River Basin is 24450 km2with,respectively,5560,5658 and 13232 km2with high,medium,and low coverage,respectively.

Heihe River Basin;grassland;dynamic change;CA-Markov model;LUCC;GIS

10.11686/cyxb2016294 http://cyxb.lzu.edu.cn

趙宇豪,戎戰磊,張玉鳳,葉苗,蔣暉,趙傳燕.近30年黑河流域草地變化分析及分布格局預測.草業學報,2017,26(6):1-15.

ZHAO Yu-Hao,RONG Zhan-Lei,ZHANG Yu-Feng,YE Miao,JIANG Hui,ZHAO Chuan-Yan.Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):1-15.

2016-07-19；改回日期：2016-12-23

干旱氣象科學研究基金項目(IAM201608)資助。

趙宇豪(1991-)，男，山東淄博人，在讀碩士。E-mail:zyhcn@hotmail.com

*通信作者Corresponding author.E-mail:nanzhr@lzb.ac.cn