基于RUE和NDVI的三江源區草地生態評價

馬素潔，花 蕊，張飛宇，賈生海(.甘肅農業大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070； .甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

生態退化是指人類對自然的過度索取和干擾引起的生態系統結構破壞、功能衰退、生物多樣性減少等生態惡化現象[1]，其本質是生物生產力以及恢復能力隨時間推移而降低、衰退的過程和狀態[2]。目前生態退化已經成為全球普遍現象[3]，我國90%的草地出現了不同程度的退化[4]，盡管因生態建設而出現局部改善，但總體仍處于持續惡化狀態[4]，嚴重阻礙了社會的可持續發展。草地是我國最大的陸地生態系統，是生態環境的基礎[5]。因此，科學識別草地生態退化范圍、趨勢以及客觀評價草地生態建設效果對進一步的生態建設尤為重要。

目前草地生態退化評價方法仍處于探索階段，既有主成分分析法、模糊綜合評價法、層次分析法、綜合指標評價法等統計數學方法，也有景觀分析法、計算植被重要值等景觀生態學方法以及模型模擬方法等[6]。這些方法都忽略了草地生態退化的地域性和相對性的特點[2]，沒有形成統一具有代表性和時空尺度性的評價指標。隨著遙感技術的發展，以長時間序列、大范圍覆蓋的遙感數據為基礎的生態評價方法得到廣泛應用[7-9]。草地退化指標是評價草地退化狀況的基本度量標準，指標的選取很大程度上決定了評價成果的準確性[7]，其中，NDVI植被指數作為植被生長狀態和植被覆蓋度的最佳指標因子在草地生態評價中應用最為廣泛[8]。但有研究報道，在低覆蓋度植被區域，NDVI與植被地上凈初級生產力(ANPP)模擬精度偏低，無法滿足生態評價需求[9]，且受降水影響較難客觀反映植被生態狀況[11]。作為直接測量景觀尺度的生態指標，降水利用效率(RUE)可去除降水年際波動影響，是評價生態退化的可靠指標[11-12]。但由于RUE與年降水量的強相關性[13]，存在因降水量快速增加或降低而引起偽“生態退化”或“生態恢復”的可能[14]。采用RUE和NDVI結合的方法已有探討，但尚未形成明確的評級指標體系，應用實例較少。

三江源區作為“中華水塔”，長江、黃河、瀾滄江的發源地，是我國西北部重要的生態屏障，維系著國家的生態安全[15]。在氣候變化和人類不合理活動的共同影響下，三江源區在過去30年(1970～2004)出現了大范圍的草地生態退化現象，生態環境日益惡化[16]。進入2000年后三江源草地退化趨勢得到遏制，但退化趨勢依然嚴重[17]，因此，采用RUE和NDVI變化趨勢相結合的方法對三江源區2001～2015年的草地生態退化和恢復狀況進行評價，以形成一套有效的指標評價體系，為該區域下一步草地合理規劃和生態建設、調整工程格局等提供決策依據。

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區概況

三江源區河流密布，湖泊、沼澤眾多，地理位置N 89°24′～102°23′，E 31°39′～36°16′，平均海拔4 583 m，研究區總面積36.28×104km2，行政區域涉及包括玉樹、果洛、海南、黃南4個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉鄉。地勢西高東低，土壤類型以高山草甸土為主。區內氣候屬青藏高原氣候系統，為典型的高原大陸性氣候。三江源區以草地生態系統為主，占源區總面積的65.37%，包括高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原、高寒荒漠、沼澤草地等。其中，高寒草甸占全區草地面積的76%，廣泛分布于整個三江源地區；高寒草原占全區草地面積的23.38%，主要分布于北部的曲麻萊、瑪多，以及西部的治多和唐古拉山鄉[18]。由于嚴酷的自然條件和惡劣的氣候影響，研究區域生態系統結構相對簡單，生態系統十分脆弱和敏感。

圖1 三江源研究區Fig.1 Map of the research area

1.2 研究方法

采用RUE變化趨勢和NDVI變化趨勢作為評價草地生態退化和恢復狀況的指標。

1.2.1 RUE反演 RUE是植被生長季末，草地地上凈初級生產力與年降水量的比值[19]。由于生長季最大NDVI與ANPP具有較強的相關性[20]，普遍認為可利用生長季最大NDVI代替ANPP來計算RUE，記為RUENDVI[21]。

式中：RUENDVI為植被降水利用效率；NDVImax為生長季最大NDVI，P為年降水量。

1.2.2 時間趨勢分析模型 時間變化趨勢采用變化趨勢線法，對2001～2015年的年降水量、NDVImax和RUENDVI進行回歸分析，變化斜率計算公式[22]：

1.2.3 相關分析模型 采用Pearson相關系數作為尺度對各因素和年份分別進行線性相關程度分析[23]。

顯著性檢驗采用相關系數檢驗法。研究樣本數為15，根據相關系數顯著性檢驗表得到，在0.1的顯著性水平下，相關系數的臨界值R=0.441；在0.05的顯著性水平下，相關系數的臨界值R=0.514；在0.01的顯著性水平下，相關系數的臨界值R=0.641。即當︱R︱>0.441時，兩樣本相關的概率達到90%；當︱R︱>0.514時，兩樣本相關的概率達到95%；當︱R︱>0.641時，兩樣本相關的概率達到99%。

1.3 數據來源及處理

1.3.1 數據來源 研究采用的遙感數據是2001～2015年生長季最大NDVI時間序列數據，來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)MODND1M中國NDVI月合成產品，空間分辨率為500 m；研究采用的降水數據來源于中國氣象數據共享網(http://cdc.nmic.cn/home.do)2001～2013年的年值降水數據和2014～2015年的月值降水數據，共選取三江源區及周邊65個氣象站點的觀測數據。

1.3.2 數據處理 數據處理包括數據預處理和數據疊加運算。數據預處理包括利用ArcGIS對NDVI數據的裁剪、降水量數據進行協同克里金插值。數據疊加運算包括利用ArcGIS進行RUENDVI計算、2001～2015年共15年的年降水量、NDVImax和RUENDVI進行時間趨勢分析和相關性分析以及顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 年降水量變化趨勢

三江源區2001～2015年共15年的年降水量在79.14%的地區呈增加趨勢，廣泛分布在中部和東部區域，年降水量呈減少趨勢的地區主要分布在唐古拉鄉、治多縣和雜多縣的西部、澤庫縣的東部和河南蒙古族自治縣北部。年降水量的增長趨勢最大可達到11.31 mm，減少趨勢最大可達到4.72 mm。從年降水量與年份的相關分析可知(圖2)，顯著性達到0.05水平的年降水量增加區域主要位于治多縣和曲麻萊縣北部相接處、稱多縣的大部分和瑪多縣的小部分區域；顯著性達到0.05水平的年降水量增加區域主要位于治多縣的中北部和稱多縣的中部，分布范圍較小。由此說明，三江源區年降水量以增加趨勢為主。

圖2 研究區域2001～2015年的年降水量及其與年份相關系數的顯著性水平Fig.2 The trend of annual precipitation and its significance level with the year during 2001～2015 in research area

2.2 NDVImax變化趨勢

研究區2001～2015年15年間生長季NDVImax隨時間延長呈增加趨勢的區域主要分布在三江源區西部的唐古拉鄉、治多縣的中西部、曲麻萊縣西北部、瑪多縣、興海縣東部、同德縣北部以及達日縣，占三江源區域面積的73.56%，其中，部分區域顯著性水平達到了0.05水平；生長季NDVImax呈減少趨勢的區域主要分布在治多縣的東部、曲麻萊縣、雜多縣、囊謙縣、玉樹縣、稱多縣、久治縣、甘德縣、瑪沁縣以及河南蒙古族自治縣，多呈點狀分布，占三江源區域面積的26.44%。顯著性達到0.05水平的增加區域占三江源區域面積的9.22%，顯著性達到0.05水平的減少區域僅占三江源區域面積的0.76%。因此，從空間尺度和年際時間尺度分析，植被蓋度顯著減少區域占三江源區總面積的比例較小(圖3)。

圖3 生長季NDVImax變化趨勢及其與年份相關系數的顯著性水平Fig.3 Trend of NDVImax change in growing season and its significance level with the year

2.3 RUENDVI變化趨勢

利用生長季NDVImax和年降水量的比值計算研究區每一個像元內的RUENDVI，并計算其變化趨勢(圖4)。研究區域的RUENDVI在中東部呈現減少趨勢，分布在曲麻萊縣、稱多縣、班瑪縣、達日縣、甘德縣、久治縣等縣；在西部和東部邊緣呈現增加趨勢，分布在唐古拉鄉、治多縣西北部、興海縣、同德縣和澤庫縣北部等。RUENDVI呈增長趨勢的區域面積大于呈減少趨勢的區域面積，占總面積的59.58%。顯著性達到0.05水平的增加區域占三江源區域面積的3.48%，主要分布在唐古拉鄉等少部分區域；顯著性達到0.05水平的減少區域僅占三江源區域面積的5.11%，分布在三江源區中部的曲麻萊縣和治多縣。

2.4 三江源區草地生態綜合評價

2.4.1 基于RUE和NDVI的草地生態綜合評價方法 采用RUE指標表征土地生產能力，NDVI指標表征植被生產能力，兩指標變化趨勢都表征草地生態變化趨勢(表1)。

2.4.2 三江源區草地生態退化及恢復 利用三江源區2001～2015年NDVImax和RUENDVI變化趨勢分布圖，利用綜合評價方法開展對三江源區草地的生態評價，獲得15年間三江源區草地生態退化及恢復的空間分布(圖5)。在氣候變化和人類活動影響下，15年三江源區有1.97×104km2發生草地退化，僅占三江源區總面積的5.85%，同時期內草地恢復面積達到5.3×104km2，占總面積的15.76%。從空間分布上分析草地退化主要分布在三江源區中東部，呈明顯的西北—東南條帶狀分布。在三江源區東部，草地退化呈點狀分布格局。

從三江源區各縣域草地生態評價水平上的分析(表2)，草地退化情況最嚴重的縣是曲麻萊縣，全縣有18.25%的區域正發生草地退化，占草地退化總面積的34.87%。另外，治多縣、稱多縣、久治縣也發生了大面積的草地退化。唐古拉鄉和治多縣草地生態恢復狀況最好，唐古拉鄉草地中度改善和明顯改善區域占草地恢復總面積的比例最大，分別為55.64%、48.93%；治多縣草地輕度改善面積占草地恢復總面積的比例最大，為39.55%。另外，瑪多縣、興海縣、同德縣草地也出現了較大面積的輕度恢復現象，而曲麻萊縣東北部草地也有較大區域出現輕度恢復現象。

圖4 研究區域RUENDVI變化趨勢及其與年份相關系數的顯著性水平Fig.4 Trend of rainfall use efficiency and its significance level with the year

圖5 三江源區草地生態退化及恢復空間分布Fig.5 Spatial distribution of grassland ecological degradation and restoration in research area

表1 草地生態綜合評價指標Table 1 Comprehensive evaluation index of grassland ecological status

注：HD表示嚴重退化，MD表示中度退化，LD表示輕度退化，C表示無變化，HR表示明顯改善，MR表示中度改善，LR表示輕度改善，“/”表示異常值

表2 三江源區各縣草地生態退化及恢復狀況Table 2 Ecological degradation and restoration of grassland in different counties %

2.5 年降水量、NDVImax與RUENDVI相關性

為避免數據的空間自相關，在三江源區2001～2015年14個氣象站點附近10 km有效范圍內各取3個柵格的年降水量、NDVImax與RUENDVI分析其相關性。由圖6可知，降水利用效率隨年降水量的增加呈顯著減少趨勢(P<0.05)，隨NDVImax增加呈極顯著增加趨勢(P<0.01)。

圖6 研究區域氣象站點的RUENDVI與年降水量、NDVImax的關系Fig.6 Relationship between RUENDVI and annual precipitation as well as RUENDVI

3 討論

生態評級是以區域生態系統為評價對象，運用科學的方法和手段來評價區域生態系統的發展狀況和趨勢[24]，為指導生態系統的管理和生態建設項目的實施提供決策依據。生態退化指標體系是生態評價的理論基礎，決定了評價結果的準確性和可行性[7]。研究綜合考慮植被和降水因素，以RUENDVI和NDVImax變化趨勢為指標，建立了一個綜合的評價區域生態退化的指標體系，采用RS和GIS技術對三江源區2001～2015年草地生態退化進行評價，獲得15年內不同程度的草地退化空間分布，并對年降水量、NDVImax與RUENDVI進行相關分析。研究為草地生態退化評價提供了一種可行性方法，并為三江源區下一步開展生態恢復建設提供了科學依據。

由于全球氣候的劇烈變化對植被產生了巨大影響，特別是降水對植被的影響，年際NDVImax變化趨勢與生態退化關系具有不確定性，NDVImax正的趨勢或存在生態退化，負的趨勢也有可能存在生態恢復趨勢[25]。而RUENDVI由于與降水的強相關性(圖6-A)，年際間變化隨降水的變化劇烈波動，指標具有一定的不穩定性[14]。而兩者的結合將克服不足，杜加強等[14]等對這兩種指標的綜合評價方法進行了初步探討，但尚未確定明確的評價體系。此次研究確定的評價體系綜合考慮了RUENDVI和NDVImax年際變化趨勢Slope和與年份相關的置信水平P，形成了重度到輕度的草地退化和改善、保持不變以及異常值的評價體系。若僅依據RUENDVI指標進行草地生態評價，曲麻萊縣、稱多縣大部分區域都位于中度或重度退化過程，但該區域絕大部分NDVImax未出現顯著減少趨勢(P>0.05)，甚至部分區域呈增長趨勢(圖3)，因此，這兩縣草地生態退化應以輕度退化為主。結果與徐新良等[26]以2004年和2012年兩期遙感影像為數據源采用草地退化遙感分類體系得出的曲麻萊縣、稱多縣草地處于輕微好轉態勢的結果不同。主要是評價指標和研究方法的不同造成，基于RUE和NDVI的綜合評價方法不僅考慮植被因素還將降水量變化納入評價體系，比僅利用植被變化來評價生態退化更加可靠。曲麻萊縣西北與治多縣交接處RUENDVI變化趨勢呈明顯下降態勢，由圖3可知，該地區NDVImax呈顯著增長趨勢(P<0.05)，說明該區域植被生長狀態良好，草地生態處于中度或明顯改善過程。RUENDVI的明顯降低是由于該地區降水量的顯著增加所引起的(P<0.05)(圖2)。而稱多縣中部部分區域RUENDVI變化趨勢顯著降低，降水量也呈顯著性增加趨勢，但NDVImax呈顯著減少趨勢，說明該區域生態系統遭到嚴重破壞，失去自我恢復能力，處于嚴重或中度生態退化過程。三江源西部唐古拉鄉及周邊大部分區域，NDVImax呈顯著增加趨勢，而年降水量呈顯著減小趨勢，說明NDVImax未受年降水量的影響，該區域處于中度或明顯生態改善過程，但引起生態改善的因素仍需進一步探討。與大多數學者研究結果[26-27]相同的是近15年間三江源區整體呈明顯好轉態勢，NDVImax呈顯著減少趨勢所占面積極小(圖3)，大部分區域草地生態處于保持不變和輕度改善過程(圖5)。

針對特定的生態系統類型，RUENDVI與年降水量、NDVImax的長時間尺度的動態變化關系受到較多學者關注[7,14]，研究中RUENDVI與年降水量呈顯著負相關關系(P<0.05)，與NDVImax呈極顯著正相關關系(P<0.01)。高志海等[28]人研究發現RUE隨降水量的增加而增加，而杜加強等[14]發現RUE隨降水量的增加而減小。研究結果不同有可能是因為研究區域的差異造成的。RUE與降水量的關系呈拋物線線型關系，三江源區的降水量水平使RUENDVI與年降水量的關系位于拋物線的右側，呈現降低趨勢。三江源區伍道梁氣象站點的平均年降水量最低，但該區域RUENDVI與年降水量呈顯著負相關關系(圖2、4)也證明三江源生態系統RUE與降水量的關系位于拋物線的右側。三江源區陡峭的地勢增加徑流，減少了植被可利用的有效水分也是一個重要原因。因此，利用NDVImax變化趨勢對RUENDVI變化趨勢進行約束，可消除降水量快速增加或減少引起的差異，有利于生態退化或改善區的明確。對于RUE與降水量拋物線型關系的“拐點”問題還需進一步探索。

4 結論

(1)研究明確了基于降水利用效率RUE和歸一化植被指數NDVI變化趨勢的綜合評價指標，利用Slope和與年份的置信水平P確定草地生態嚴重、中度、輕度退化或改善、保持不變以及異常值標準。

(2)基于RUE和NDVI綜合評價方法獲得的三江源區草地生態退化空間分布與大多數研究相同。近15年間三江源區整體呈明顯好轉態勢，中部年降水量呈增長趨勢，NDVImax呈顯著減少趨勢所占面積極小，大部分區域草地生態處于保持不變和輕度改善過程。

(3)三江源區RUENDVI隨年降水量的增加呈顯著減少趨勢(P<0.05)，隨NDVImax增加呈極顯著增加趨勢(P<0.01)。

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