基于NDVI3g數據反演的青藏高原草地退化特征*

曹旭娟，干珠扎布，胡國錚，高清竹

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基于NDVI3g數據反演的青藏高原草地退化特征*

曹旭娟1,2，干珠扎布1**，胡國錚1，高清竹1

（1．中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業部農業環境重點實驗室，北京 100081；2．山西省環境科學研究院，太原 030027）

利用NDVI3g數據反演青藏高原1986?2013年高寒草地植被蓋度，并計算草地退化指數，以了解青藏高原高寒草地退化狀況及其分布特征。結果表明，2011?2013年青藏高原草地退化指數為1.76，屬輕度退化等級；退化面積達到41%，與歷史平均水平（1986?2010）相比無顯著變化，但中等以上退化面積有所增加。其中，輕度退化面積為22%、中度退化面積為8%、重度和極重度退化面積分別為6%和5%，而歷史平均分別為28%、7%、4%和1%。從不同草地類型來看，高寒荒漠退化程度最嚴重，退化面積78%，退化指數為3.23，達到重度退化等級且表現出持續惡化趨勢；而高寒草甸和高寒草原退化面積分別為31%和38%，退化指數分別為1.49和1.57，均屬于輕度退化狀態。從不同省域看，2011?2013年青藏高原新疆自治區范圍內草地退化程度最為嚴重，退化草地面積所占比例為71%；青海省和西藏自治區草地退化比例也較大，分別達到42%和41%；甘肅、四川和云南草地退化比例較小，分別為25%、10%和12%。總體來看，青藏高原草地退化存在空間差異，與歷史平均相比無顯著變化，但局部有惡化趨勢，尤其是高寒荒漠退化狀況較為嚴重。

草地退化；退化指數；草地類型；不同省域；青藏高原

草地是分布最廣的陸地生態系統類型之一，其面積占全球陸地面積的1/5[1]。草地生態系統為人類提供了凈初級物質生產、碳匯、調節氣候、涵養水源、水土保持、防風固沙、改良土壤、維持生物多樣性等產品和服務功能[2]，在全球碳循環中扮演著重要的角色[3]。青藏高原高寒草地面積約為1.59×106km2，占青藏高原總面積的60%以上，涵養著黃河、長江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江等五大水系[4]。草地資源是發展畜牧業的物質基礎，支撐著包括傳統游牧和集約型畜牧在內的畜牧業發展[5]。青藏高原牧草品質優良，是中國重要的草地畜牧業基地之一[6]。但近年來，在氣候變化和人類活動的雙重作用下青藏高原草地出現了大范圍退化，直接影響了其生態服務功能，也制約了高寒草地畜牧業的可持續發展。

目前，針對青藏高原草地退化的研究主要集中在樣地調查和遙感監測兩個方面。其中，樣地尺度的調查研究有助于理解草地退化過程，劃分草地退化等級，厘清草地退化機理，提出草地退化理論。馬玉壽等[7]通過“黑土灘”型退化草地進行調查，確定植被蓋度和產草量作為草地退化的重要指標。Li等[8]分析了不同等級退化草地毒草以及土壤養分分布特征，認為毒草和土壤養分是表征草地退化的重要指標。董世魁等[9]基于樣地調查和收集資料，提出了青藏高原不同草地類型的退化狀況，并分析了其退化成因。但由于生態系統的異質性和復雜性，在樣地調查尺度上很難提出統一的草地退化特征指標。而遙感監測具有范圍廣、時間序列長的特點，成為了大范圍研究草地退化特征的主要方法。目前，眾多學者針對青藏高原草地退化問題進行了大尺度的遙感監測研究，但結果不盡相同。梁四海等[10]發現在1992?2002年，青藏高原中部和西北地區呈現出大面積草地退化現象，強烈退化的地區集中在長江、黃河、瀾滄江和怒江的源頭、阿里等地區。邊多等[11]的研究表明，西藏草地退化、沙化面積已經達到草地面積的40%，且仍在擴張中，部分地區的草地退化率高達80%。王根緒等[12]發現，與1986年相比，2000年江河源區15a高寒草原與高寒草甸面積分別減少了15.82%與5.15%，高寒沼澤草甸面積則銳減24.36%。但也有研究表明，近幾年來青藏高原草地退化趨勢有所緩解，并且存在明顯的空間差異，呈現整體升高、局部退化的趨勢[13]。高清竹等[14]研究發現，藏北地區1981?2004年草地退化情況均較嚴重，草地退化年際間波動較大，但2001?2004年藏北西部地區的草地退化趨勢略有減緩。

截至目前，針對青藏高原草地退化的遙感監測研究，多集中在高原內某一區域，而針對整個高原長時間序列的草地退化面積和退化等級及其變化特征仍無定論。因此，本研究基于NDVI3g數據集，采用退化指數表征草地退化程度，確定整個高原草地退化狀況，提出退化草地面積，以期為制定青藏高原草地保護政策和畜牧業可持續發展提供科技支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

青藏高原（26°50′?39°19′N，78°25′?103°04′E）包括西藏自治區、青海省及四川省、甘肅省、新疆維吾爾自治區、云南省的部分地區（圖1），平均海拔4000m以上，有“世界屋脊”之稱。在獨特的高寒氣候條件下，青藏高原從東南到西北依次分布著高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠三種主要草地類型。

圖1 青藏高原高寒草地的空間分布

1.2 數據來源及預處理

所用植被類型空間分布數據為1:100萬中國植被圖[15]。根據對1:100萬中國植被圖矢量化的結果，提取高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠三種青藏高原主要的草地植被類型作為研究對象（圖1）。

美國國家航天航空局（NASA）提供的第三代歸一化植被指數數據集GIMMS NDVI3g，來自NOAA衛星搭載的AVHRR傳感器。GIMMS NDVI3g數據集具有時間序列長的特點，已被廣泛應用于全球或區域尺度長時間序列植被變化動態監測。該數據集時間跨度為1981?2013年，時間分辨率為15d，空間分辨率為8km，經過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強等預處理。

使用ENVI軟件對GIMMS NDVI3g數據進行格式轉換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、投影轉換等處理，形成青藏高原草地DNVI時空數據集。用最大值合成法（MVC，Maximum Value Composites）[16]對GIMMS NDVI3g序列數據進行平滑處理，提取1981? 2013年青藏高原草地NDVI年最大值。最大值合成法可以進一步消除云、氣溶膠和太陽高度角的干擾。

1.3 研究方法

1.3.1 植被蓋度反演

植被蓋度是區域生態變化的重要指標，可以直觀反映植被豐度。區域尺度研究中，常利用植被指數反演植被蓋度。由于采用的NDVI數據分辨率較低，因此采用亞像元模型法計算植被蓋度，該方法認為所有像元均為混合像元，有土壤和植被兩部分，其植被蓋度與NDVI存在如下關系[17]

式中，VC為某像元的植被蓋度，NDVIS為研究區所有像元中最小NDVI值即裸土的NDVI值，NDVIV為研究區域最大NDVI值即純植被像元的NDVI值。

NDVIS作為裸土的NDVI值，理論上應該趨近于0，但由于遙感影像受大氣環境和地表粗糙度、土壤顏色、土壤地表濕度等因素影響，NDVIs值不是固定值，會在一定范圍內變化，一般為?0.1～0.2[18]。NDVIV為研究區域像元最大NDVI值，但該值也會受到植被類型和研究區域的影響。鑒于此，基于對研究區內像元NDVI灰度值的統計分析結果，截取置信區間累計頻率在5%～95%[19]對應的NDVI值分別作為NDVI最大值與最小值，對應式（1）中的NDVIV和NDVIS，得到研究區植被蓋度像元分布數據。

1.3.2 像元草地退化等級

根據國家標準GB19377?2003 天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標，20世紀80年代初期相同監測區域相同草地類型的草地植被特征可以作為未退化草地的基準。因此，以1981?1985年每個像元的年際最大植被蓋度作為基準，將其退化程度分為未退化、輕度退化、中度退化、重度退化和極重度退化5個級別[20]。具體見表1。

表1 基于像元植被蓋度（VC）劃分退化等級的標準

注：VC1981?1985為各像元1981?1985年的年際最大植被蓋度。

Note: VC1981?1985is maximum vegetation coverage for each pixel in 1981?1985.

1.3.3 區域草地退化指數

在草地退化等級劃分的基礎上，采用Gao等[20]提出的草地退化指數（Grassland Degradation Index, GDI）按草地類型、省份分別計算不同研究區域的草地退化情況。草地退化指數的計算公式為

（2）

式中，GDI為區域草地退化指數；Di為草地退化等級i的評分（表1）；Ai為草地退化等級i的分布面積；A為研究區草地總面積。依據退化指數分級標準（表2）[20]分析草地退化情況。

為了消除年份特征對結果的影響，以1986?2010年平均退化水平代表草地歷史退化狀況，以2011?2013年的平均退化水平代表退化近況。區域草地退化指數分級標準見表2[20]。

表2 區域草地退化指數分級

2 結果與分析

2.1 青藏高原草地退化特征

由圖2可見，1986?2013年，青藏高原高寒草地退化指數具有較大的年際波動。退化指數最高出現在1995年，達到1.98；最低值出現在1988年，為1.36，整體屬于輕度退化范圍。青藏高原退化草地面積占全區草地總面積的41%，其中，輕度退化、中度退化、重度退化和極重度退化草地面積比例分別為22%、8%、6%和5%。2011?2013年退化草地面積與歷史平均（1986?2010年）相比較無明顯變化，但呈現出輕度退化比例減少、中度以上退化面積增加的趨勢，具體表現為輕度退化草地面積比例下降6個百分點，而中度退化、重度退化和極重度退化草地面積比例分別增長1個、2個和4個百分點（圖2b）。由輕度退化等級變為中度退化等級的區域主要分布在高原西部，而由輕度退化等級變為重度和極重度退化等級的區域則主要分布在高原北部邊緣（圖3）。

圖2 1986?2013年青藏高原草地退化指數的年際變化（a）及不同程度退化草地面積比例（b）

圖3 1986?2010年（a）和2011?2013年（b）青藏高原草地退化情況

2.2 不同類型草地退化特征

1986?2013年，青藏高原不同類型高寒草地退化指數均呈現較大的年際波動（圖4）。其中高寒荒漠年際波動最大，最低值為1.75（1988年），最高值為3.42（2013年），在輕度退化和重度退化之間波動。高寒草甸和高寒草原的年際波動趨勢相似，最低值均大于1，最高值均超過2，即均屬于輕度退化狀態（圖4）。

圖4 1986?2013年青藏高原不同類型草地退化指數的年際變化

2011?2013年整個青藏高原草地退化指數為1.76，歷史平均為1.56，均處在輕度退化等級。高寒草甸退化指數在1986?2010和2011?2013年分別為1.37和1.49，均處在輕度退化等級且低于整個高原平均。高寒草原退化指數在1986?2010和2011?2013年分別為1.49和1.57，也屬于輕度退化等級。高寒荒漠在1986?2010年退化指數為2.38，而2011?2013年則達到3.23，表現出由中度退化轉為重度退化的趨勢（圖5）。比較不同類型草地退化面積發現，總體上高寒草甸退化比例較低，在1986?2010年退化面積為29%，2011?2013年為31%；高寒荒漠退化比例最高，在1986?2010年退化面積為68%，2011?2013年為78%；高寒草原退化面積比例在1986?2010為40%，2011?2013年為38%（圖5）。從退化比例變化趨勢來看，高寒草甸和高寒草原退化面積變化趨勢并不明顯，但呈現出顯著的年際波動，且兩者變化趨勢相近。1986?2013年，青藏高原高寒荒漠退化比例呈顯著升高態勢，由1988年的39%增至2013年的83%（圖6）。

2.3 不同階段各省域草地退化特征

對比青藏高原不同省域草地退化指數表明，1986?2013年，新疆自治區退化指數最高，新疆自治區和青海省草地退化指數呈極顯著增高趨勢（P＜0.01）。比較兩個不同階段（1986?2010和2011?2013年），青海省草地退化指數分別為1.78和2.00，接近中度退化水平；西藏自治區草地退化指數分別為1.64和1.71，屬輕度退化等級；新疆自治區草地退化指數分別為2.31和2.97，已接近重度退化級別。甘肅省草地退化指數分別為1.59和1.51，屬輕度退化范圍，且退化情況有所好轉；四川和云南草地退化指數歷史平均均為1.12，2011?2013年分別為1.14和1.15，屬于輕度退化且接近未退化等級（圖7）。

圖5 兩個階段不同草地類型草地退化指數GDI（a）和退化比例（b）的比較

圖6 高寒草甸（a）、高寒草原（b）和高寒荒漠（c）退化面積比例的年際變化（1986?2013）

圖7 1986?2013年青藏高原不同省域草地退化指數的年際變化（a）及與歷史平均的比較（b）

2011?2013年，從各省區退化面積比例來看（圖8），從大到小依次為新疆、青海、西藏、甘肅、云南和四川。研究區內新疆自治區草地退化面積占其草地總面積的比例達到71%，較歷史平均（1986?2010年）退化水平相比未退化草地面積比例減少11個百分點，輕度退化面積比例下降14個百分點，中度退化草地面積比例下降2個百分點，而重度和極重度退化草地面積比例則分別增長7個百分點和20個百分點。2011?2013年青海省草地退化面積占其草地總面積的比例為42%，與1986?2010年相比，未退化草地面積比例下降2個百分點，輕度、中度和重度退化草地面積比例分別下降5個、3個和1個百分點，極重度退化面積比例則增長11個百分點。2011?2013年西藏自治區草地退化面積達到41%，與1986?2010年平均水平相比，未退化草地面積比例下降1個百分點，輕度退化草地面積比例減少7個百分點，中度、重度和極重度退化草地面積比例分別增加4個、3個和1個百分點。2011?2013年，研究區內甘肅省未退化草地面積比例較1986?2010年平均水平增加了6個百分點，達到75%，而四川和云南未退化草地面積分別降低4個百分點和7個百分點，但仍保持較高水平，達到90%和88%（圖8）。

圖8 青藏高原不同省域草地退化等級的分布

3 結論與討論

3.1 討論

青藏高原高寒草地是中國重要的生態安全屏障和高原畜牧業基地，但退化嚴重制約了其生態與生產功能。草地退化是眾多因素綜合作用的結果[21]，全球氣候變化與人類活動二者是陸地生態系統變化的驅動力[22?24]。其中，氣候變暖、冬春干旱、蒸發強烈、大風頻繁等自然特征是導致高寒草原草地退化的內在因素[25]。青藏高原屬于高寒地區，溫度是限制植物生長發育的關鍵因子。但由于高原面積大，降水不均勻，導致高原內不同區域水熱條件不盡相同。

一般而言，高寒草甸和高寒草原區氣候變化劇烈，同時也是人類活動集中區，具有較高的草地退化風險。但本研究結果表明，高寒草甸和高寒草原退化面積比例分別為31%和38%，整體屬于輕度退化水平，低于整個高原平均，且與歷史平均相比無明顯變化。雖然有報道稱超載過牧、人類活動以及氣候變化導致高寒草甸和高寒草原草地生產力降低，大面積退化[26?27]。但國家和地方政府在青海三江源、西藏羌塘等地區連續開展了草地生態保護工程，對退化草地恢復具有顯著的影響[28?30]。例如，青海三江源地區先后建立了自然保護區和國家公園，實施了退人、減畜、退牧還草等一系列措施，生態環境和生物多樣性顯著恢復[31]；羌塘地區落實了草原生態獎補機制、生態移民，顯著降低了草場壓力[32]。此外，在高寒草甸，由于水分充足，植物根系較為發達，加之溫度低，植物殘體分解速率慢，形成了較厚的草氈層，具有相對較高的生態系統穩定性[33]。與高寒草甸和高寒草原相比，高寒荒漠降水量較少、土壤貧瘠、氣候干旱。由于水分條件較差，荒漠區常受到水分虧缺的影響，對氣候極為敏感，其生產力更易受到水分匱缺的影響[34]。在青藏高原，高寒荒漠的退化情況較為嚴重，退化面積達到78%，1986年以來大部年份退化面積達到60%以上，嚴重和極嚴重退化面積比例最高達到54%，且有顯著增長的趨勢。陳卓奇等[35]研究發現，在青藏高原西北部地區（年降水量低于450mm），降水是影響草地生產力的限制因子。因此，升溫引起的干旱以及生長季降水減少[36]可能是導致該區域草地持續退化的主要原因。在其它干旱區，部分學者也得到了相似的結果，發現氣候變化加劇了中國草地退化[37]。Wang等[38]認為氣候變化對內蒙古草地退化的貢獻顯著超過“過牧”的影響。鄭偉等[39]也發現氣候變化是南疆和東疆盆地草地荒漠化的主要驅動因素之一。此外，青藏高原高寒荒漠區擁有羌塘國家級自然保護區、可可西里自然保護區和阿爾金山自然保護區，在保護區內，目前仍居住著大量牧民，并從事放牧活動，加之野生動物數量激增，人草畜矛盾突出，草場壓力過大[40]。

從不同行政區域來看，青藏高原范圍內新疆自治區和青海省北部的草地退化程度較高，這也與兩個省區位于高原西北部及北部有關，該區域主要以高寒荒漠為主，草地生產力受降水的影響極大。而位于高原東部的甘肅、四川和云南，由于降水條件較好，高寒草甸退化比例均較低。由于西藏和青海大部地域廣闊，其退化程度因草地類型以及氣候條件差異而有所不同。

3.2 結論

基于NDVI3g數據集，采用退化指數表征草地退化程度，青藏高原草地退化面積占草地總面積的比例為41%，退化指數為1.76，整體退化程度較輕，但局部退化嚴重。與歷史平均水平相比，退化面積無變化，但其中輕度退化面積縮小，而中度以上退化面積增加。從不同草地類型來看，高寒荒漠退化程度最為嚴重，退化面積達到78%，退化指數為3.23，達到嚴重退化級別，且有持續惡化趨勢。高寒草甸和高寒草原退化面積比例分別為31%和38%，退化指數分別為1.49和1.57，整體屬于輕度退化水平，且低于整個高原平均水平。從不同省域分析來看，青藏高原新疆自治區境內草地退化最為嚴重，退化面積達到71%；青海省和西藏自治區草地退化面積為42%和41%；甘肅、四川和云南草地退化面積均較小。總體來看，青藏高原草地退化存在空間差異，與歷史平均相比無顯著變化，但局部有惡化趨勢，尤其是高寒荒漠退化狀況較為嚴重。因此，在進一步加強青藏高原中東部地區草地保護措施的前提下，應重點關注高寒荒漠區及自然保護區內的草地退化問題。

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Characteristics of Grassland Degradation in the Qinghai Tibetan Plateau, Based on NDVI3g Data

CAO Xu-juan1,2，HASBAGAN Ganjurjav1，HU Guo-zheng1，GAO Qing-zhu1

(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory for Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2. Shanxi Research Academy of Environmental Sciences, Taiyuan 030027)

The Qinghai-Tibetan Plateau is an important ecological security barrier and animal husbandry base in China. Alpine grassland is the largest ecosystem in the Qinghai-Tibetan Plateau, accounting for more than 60% of the total area of the plateau. In recent years, the alpine grasslands in the Qinghai-Tibetan Plateau are experienced large area of degradation, which is restricting the ecological services of the plateau and the sustainable development of animal husbandry. To date, however, it is remaining unclear in the status of grassland degradation on the Qinghai-Tibetan Plateau. In this study, the degradation status was presented by the grassland degradation index, which was retrieved from vegetation coverage, based on NDVI3g data. The results showed that the current situation (2011?2013) of average grassland degradation index in the Qinghai-Tibetan Plateau was 1.76, which indicated light degradation level. The area of degraded grassland reached 41% and has no change compared with the historical average (1986?2010), but the areas of moderate, severe, and extra severe degradation has been increased in the Qinghai-Tibetan Plateau. The areas of slight, moderate, severe, and extra severe degraded grassland were 22%, 8%, 6% and 5%, respectively during 2011 to 2013, while they reached 28% (slight), 7% (moderate), 4% (severe) and 1% (extra severe) during 1986 to 2010. The degradation index in alpine desert was 3.23 during 2011 to 2013, which reached an extremely degradation level. The degradation index in the alpine meadow and alpine grassland steppe were 1.49 and 1.57, respectively during 2011 to 2013, which were characterized as light degradation level. In the Qinghai-Tibetan Plateau, the degraded area of grassland in Xinjiang reached 71%, higher than that in Qinghai and Tibet, which reached 42% and 41%, respectively. The degraded area of grassland in Gansu, Sichuan and Yunnan were relatively small, reached 25%, 10% and 12%, respectively, in the Qinghai-Tibetan Plateau. In summary, there exist spatiotemporal variations in grassland degradation in the Qinghai-Tibetan Plateau. There is no significant change in current grassland degradation status compared with the historical average. However, in some regions on the plateau, i.e. alpine region, the grasslands showed a continuously degrading trend.

Grassland degradation; Degradation index; Grassland type; Different province; Qinghai-Tibetan Plateau

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.02.003

曹旭娟,干珠扎布,胡國錚,等.基于NDVI3g數據反演的青藏高原草地退化特征[J].中國農業氣象,2019,40(2):86-95

2018?08?24

。E-mail：ganjurjav@foxmail.com

國家重點研發計劃（2016YFC0502003）；西藏自治區科技計劃項目；國家自然科學基金項目（31570484）；中國工程院重點咨詢項目（2017-ZD-09-04-02）

曹旭娟（1989?），女，碩士，主要從事氣候變化與草地生態研究。E-mail：caoxujuan@sina.com