基于NDVI的2000-2016年青藏高原牧戶草場覆蓋度變化驅動力分析

李重陽，樊文濤，李國梅，高晶，唐增*，宋仁德

(1.蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室，蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730000；2.青海省玉樹藏族自治州草原工作站,青海 玉樹 815099;3.青海省玉樹藏族自治州畜牧獸醫工作站,青海 玉樹 815099)

青藏高原是我國最重要的牧區之一，草地面積約有1.2×108hm2，占全國草地總面積的1/3，天然草地遼闊,牧草品質優良,營養豐富[1]。獨特的地理、氣候和自然條件孕育了世界上獨具特色的草地生態系統。青藏高原草地生態系統對中國、亞洲乃至世界的生態環境都有著舉足輕重的影響，其細微變化都將對周邊地區帶來極大的生態沖擊，同時它的安全與穩定對當地的社會發展與民族團結也意義重大[2]。因受自然環境和社會條件的嚴重制約，草地資源成了當地農牧民賴以生存和經濟發展的物質基礎[3]。然而，該生態系統又是一個對外力響應十分敏感的脆弱系統，生態環境原始、敏感、土壤團結力差、可蝕性低，一旦遭到破壞就很難恢復和重建[4]。近年來青藏高原的草地資源發展狀況就出現了退化的趨勢，如天然草原的荒漠化、鹽漬化、沙化、草地植被覆蓋度、凈初生產力降低等一系列問題[5]，這對當地的環境、經濟和社會發展造成了不利影響，也將對其他地區的可持續發展造成嚴重威脅。

關于青藏高原草地退化的原因目前存在很多的說法，主要分為氣候變化與人為因素兩個方面，如氣候變暖、干燥、風蝕和草皮層的凍融剝離、蟲鼠害以及過度放牧等原因[6-8]。由于青藏高原所包含范圍較廣，氣候、人文等自然與社會經濟因素差異較大，因此針對該區域草地變化驅動力缺乏整體性的研究，且時間跨度較短，可信度高的定量化分析手段較少，尤其是針對牧戶實際使用的草場變化更是鮮有研究。鑒于此，本研究選取青藏高原5個省份共573塊牧戶草場，以MODIS-NDVI(草地植被遙感)數據為基礎數據源，對青藏高原2000-2016年的植被覆蓋度進行反演，并結合社會經濟等統計資料，采用定量分析方法，構建計量經濟模型綜合分析了21世紀以來青藏高原牧戶草場變化的主要驅動力，旨在為青藏高原草地生態系統的可持續發展提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青藏高原(Qinghai-Tibet Plateau)作為一個自然地理區域范疇(E 73°40′-104°20′, N 27°20′-40°00′)[9]，是中國最大、世界海拔最高的高原，平均海拔4000 m以上，被稱為“世界屋脊”，氣候總體上呈輻射強烈，氣溫日差較大且干濕分明等特點[10]，年平均氣溫多在-6～3 ℃ ；區域與季節降水量變幅很大，東南部降水可達500～1000 mm，西北部僅為40～100 mm；降水主要集中在6-9月，占全年降水的70%以上[11]；水資源豐富，總量達到5463.4億m3[12]，湖泊眾多，是我國重要的河流發源地[13]。青藏高原地域遼闊，草地總面積約為121742萬hm2。其中，西藏自治區與青海省兩省合計為10945×104hm2，占青藏高原區草地面積的86%[14]，高寒草甸和高寒草原類面積最大，分別占全區草地面積的45%和40%[15]。

1.2 數據來源

本研究分析所用資料來自2016年5-8月對青藏高原研究區開展的實地調查。利用分層抽樣法，選取青藏高原5個省份，包括西藏那曲市、青海玉樹藏族自治州、四川阿壩藏區羌族自治州、甘肅甘南藏族自治州、云南迪慶藏族自治州，共計58個鄉鎮55484.6 hm2的牧戶草地，記錄了323戶牧戶共573塊草場的地理坐標。

草地植被遙感數據采用美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)MODIS陸地產品組按照統一算法開發的月最大合成植被指數產品(MOD13Q1)數據，空間分辨率為250 mm，覆蓋青藏高原的圖像空間位置在全球正弦曲線投影(SI-Nusoidal projection,SIN)軌道號為h25vo5，h26v05，數據格式為EOS-HDF，時間序列為2000-2016年，結合研究區域的植物生長狀況、氣候、云層覆蓋等情況，從可獲取的數據中篩選出植被長勢較好的8月遙感影像，該數據從NASA對地觀測系統數據共享平臺(EOS Data Gateway)下載(http://delenn.gsfc.nasa.gov/imswelcome/)。氣象資料來自國家氣象局數據中心(http://www.cma.gov.cn)，選取了牧戶草場周邊最近21個氣象臺站17年(2000-2016年)的月平均溫度、降水量兩個參數，采用ArcGIS 10.0軟件對研究區周邊氣象站監測資料進行克里金(Kriging)插值，得到與NDVI分辨率一致、投影相同的草地樣方的氣溫和降水數據，并根據牧戶草場的地理坐標提取了坡度數據，以及各個草場與其最近城市中心的直線距離。2000-2016年各個城市的年內生產總值和人口數據由統計年鑒得到。

1.3 研究方法

本研究利用長時間序列的遙感、氣候、社會經濟等數據，采用線性回歸的方法對青藏高原草地變化的主要驅動力進行定量分析，在此基礎上計算了植被覆蓋度，建立了草地退化遙感監測和評價指標體系，并設定實證模型，綜合分析了2000-2016年青藏高原草地退化等級以及氣候、社會經濟等要素的變化趨勢。

1.3.1植被覆蓋度 根據以往的研究，歸一化植被指數NDVI能夠較好地反映植被的生長分布特征及變化情況,兩者之間存在顯著的相關性[16]，本研究基于植被蓋度以草地退化指數作為草地退化指標，綜合計算了573塊牧戶草場2000-2016年逐年草地退化指數，計算公式如下[17]：

式中:VC為植被蓋度;NDVIs為研究區最小NDVI值(即裸土的NDVI值);NDVIv為研究區域最大NDVI值或純植被像元的NDVI值。

1.3.2草地退化遙感監測和評價指標體系 本研究依據草地退化遙感監測的國家標準(GB19377-2003)以及相關參考文獻，將青藏高原573塊牧戶草場2000-2016年退化程度分為5級：未退化、輕度退化、中度退化、重度退化和極重度退化[18](表1)。

表1 草地退化遙感監測與評價指標、標準和等級劃分Table 1 Indicators, criteria and classification of remote sensing monitoring and evaluation of grassland degradation (%)

1.3.3變量選擇 自然因素是導致草地植被變化的一個基本驅動力，其中氣溫與降水對草地變化提供了最主要的動力條件[19]，氣候變暖變干會影響草地土壤質地、草本植物群落的結構、演替、物候及草本產量，使草地退化[20]，因此在自然因素中本研究只選擇最主要的降水、溫度作為協變量。此外，考慮到草地所處的坡度差異較大，坡度可能也是一個主要的影響因素[21-22]。社會經濟因素是草地資源變化的另一個重要推動因素，一般而言，城市發展會對周圍的草地產生一定的“輻射”作用，在距離城市越近的地方草地受到的影響可能也就越大[23]，本研究在模型中加入牧戶草場離其最近城市中心之間的距離作為協變量，來驗證離城市距離的遠近是否會對牧戶草場產生影響。為了控制城市規模的影響[24]，模型中還加入了離牧戶草場所在地最近城市的GDP和人口密度數據作為考察變量。若草地單位面積上承載的牲畜數量超過理論載畜量，也會加劇草地的退化程度[25]，因此加入了各個研究區草地實際載畜量作為主要的協變量，該變量也是本研究主要關注的變量。

1.3.4實證模型設定 根據已有的長時間序列面板數據，我們建立了隨機效應模型，對青藏高原牧戶草場植被覆蓋度的主要影響因素進行了實證分析：

表2 模型引入的變量描述性統計Table 2 Descriptive statistics introduced by the model

2 結果與分析

2.1 草地退化等級的變化趨勢

綜合來看，研究區牧戶草場退化面積仍居高不下；截止到2016年，牧戶草場退化面積為38283.6 hm2，占總面積的69%(圖1)，其中極重度退化草地面積相較2000年增加了1664.5 hm2，增長了3%左右。重度、中度、輕度退化有所減緩。2006年輕度與未退化草場面積減少，極重度、重度、中度退化草地面積顯著上升，之后開始有所恢復，到2015年又出現同樣的態勢，其中重度退化草場面積達到最高值12379 hm2。2000-2016年草地退化主要以輕度退化為主，變化幅度較大，占整個草地退化面積的18%～29%。未退化草地面積呈現波動上升的變化趨勢，2000年研究區草地未退化面積為14254.28 hm2，2016年上升為16786.2 hm2，增加了17%左右。為了有效地進行青藏高原的生態保護與建設，21世紀以來，國務院批準實施了一系列規劃、保護對策及建設項目[26]，如禁牧封育、草蓄平衡、草原補貼和圍欄放牧等[27]，但就現有的草場退化情況來看，牧戶草場的恢復并不明顯(圖1)。

2.2 氣候變化

根據青藏高原研究區氣溫總體呈波動上升趨勢，年平均氣溫在2000-2016年增長了0.84 ℃，相對低值出現在2000-2002年，分別為2.43和2.78 ℃，在2009年達到最高值(3.84 ℃)后開始逐漸回落，自2011年以后氣溫走勢開始趨于平穩。2000-2016年研究區年均降水量總體還是呈波動上升趨勢，但與溫度相比變化幅度較小。降水變化主要分為兩個階段：2000-2006年降水量明顯下降，由2000年的50.03 mm減少到2006年的39.96 mm，2006年以后降水量開始逐漸上升。21世紀以來，研究區降水量上升了1.79 mm。由于青藏高原地理區域跨度較大，從東南的亞熱帶森林氣候帶過渡到了西北的寒帶荒漠氣候帶[11]，加之受到溫室氣體等影響，因此氣候變化并不是一個簡單的線性過程，但總的來看，過去17年來研究地區的氣候特征呈現出更暖和濕潤的走向，這將對整個草地生態系統帶來有利的影響(圖2)。

圖1 研究區2000-2016年草地退化等級分布特征Fig.1 Distribution characteristics of grassland degradation grade in study area (2000-2016)

圖2 研究區2000-2016年平均溫度與降水Fig.2 Annual mean temperature and rainfall in the study area (2000-2016)

2.3 人口與生產總值

綜合分析計算研究區年內生產總值(圖3)，由2000年的21.09億元上升到2016年185億元，增長了88%左右。同時研究區總人口由2000年72.46萬人上升到2016年108.84萬人，增長了33%左右，21世紀以來研究區年內生產總值呈現穩步增長的態勢。以總量來衡量，青藏高原GDP年平均增速為9.25%，遠遠超出全國GDP 7.4%的平均增速，隨著我國加大對西部的開發投資力度，使得青藏高原經濟增長不斷加快并取得長足發展[28]，但是經濟的發展與人口的增長對草地生態系統是一個巨大的挑戰。

圖3 研究區2000-2016年均生產總值與人口Fig.3 The average annual GDP and population of the research area (2000-2016)

2.4 家畜存欄量

圖4 研究區2000-2016草地實際載畜量Fig.4 Actual carrying capacity of grassland in study area (2000-2016)

為了便于研究，牧戶牲畜養殖數量統一折算成羊單位，2000年研究區草地實際載畜量平均為188.72萬只羊單位，之后開始急劇增長，到2005年的達到最大值218.23萬只，2010年(218.01萬只)以后草地載畜量開始急劇下降到歷史最低值183.82萬只，2013年以后草地載畜量開始出現平穩的態勢(圖4)。草地載畜量的變化與氣候似乎存在著相關性，2006年研究區氣溫相比往年達到了年均最高溫，而降水量則明顯下降到最低值(圖2)，溫度升高蒸發量加大， 一方面導致牧區草地植被蓋度顯著降低，另一方面牧民出于對生活安全保障的考慮，減少牲畜出欄數，這在一定程度上加劇了草畜之間的矛盾，使草場退化加劇。2.5實證模型估計結果分析

本研究采用stata 15.0軟件，選擇隨機效應模型采用廣義最小二乘法(GLS)對青藏高原牧場蓋度的主要影響因素進行了實證分析，回歸估計結果見表3。對結果做拉格朗日乘數檢驗，檢驗結果表明采用隨機效應模型具有一定的合理性。

模型全局檢驗顯著；除人口密度在5%水平上顯著外，解釋變量降水、溫度、坡度、GDP、載畜量、與城市之間的距離的估計系數都達到了1%的顯著水平，且與理論預期一致。通過統計描述和計量經濟模型的實證研究，主要得出以下4點結果。

1)氣候變化在推動草地植被蓋度演化的過程中一直發揮著重要作用， 從表3結果中可以看出年均降水量與年均溫對牧戶草場植被蓋度的影響顯著，溫度的升高和降水的增加有利于草場植被的生長。在不考慮其他因素對草場蓋度影響的情況下，氣溫每上升1 ℃，草地蓋度增加0.25%，降水每增多1 mm，蓋度增加0.03%。另外坡度的也是影響牧場植被變化的重要因素，坡度較陡的地方草場的蓋度越高。根據實地調研與相關文獻研究，牧場退化最嚴重的地方通常是在平原[29]，由于地勢平坦，牧民通常選擇在此放牧，加之平緩的地方受人為活動干擾較多，因此坡度越平緩草場植被蓋度越低。

表3 實證模型估計結果Table 3 Empirical model estimation result

注:括號中的數值是穩健標準誤；***、**分別表示1%、5% 的顯著水平，模型Prob>chi2/F=0.00。

Note: The values in parentheses are robust standard errors; ***, ** indicate a significant level of 1% and 5%, respectively, model Prob>chi2/F=0.00.

2)模型中用距離牧戶草場最近城市的年內生產總值與人口密度考察其對牧場蓋度的影響，結果呈顯著的負相關性，GDP與人口密度在方程中的回歸系數都為-0.0003，并分別通過了1%與5%的顯著性檢驗，說明該地區經濟的發展與人口增長在一定程度上對牧戶草場的生長發育產生了負面影響。21世紀以來青藏高原城市化進程不斷加快，城市發展擴張、工礦業發展、道路建設侵占了大量的草地，另外隨著近年來旅游業的興起，游客在城市周邊活動頻繁[30]。不合理的開發以及人為活動對草地的退化起了一定的加劇作用。

3)本研究中用草地實際載畜量考察放牧對草地植被蓋度變化的影響，結果顯示該變量的系數估計值為-0.072，且呈 1% 的顯著水平。在控制其他變量不變的情況下每hm2草地實際載畜數量增加15羊單位，將導致單位面積草地植被覆蓋度降低約7.26%，載畜量的上升加大草地的承載力，使得草地蓋度降低，加劇了退化。相比其他協變量標準回歸系數，載畜量對牧場草地蓋度的影響最大，說明超載放牧仍然是導致草地退化的最主要原因，因此控制單位草地上牲畜承載量是青藏高原保護草地資源的有效手段。

4)研究結果表明，距離城市的遠近也對牧戶草場產生了一定的影響，且呈二次項非線性相關，擬合曲線為倒“U”形狀(yit=-0.01P2+0.15P)，即在一定的距離之內，越靠近城市的地方草地退化程度越嚴重，分析原因可能是城市的不斷發展擴張以及安置點的建設對牧戶草場的侵占，另外模型估計在一定距離之后牧場的草地蓋度隨著距離的增加又開始下降，原因可能是牧場距離城市越遠則牧民獲取市場信息、交通運輸越困難，導致牲畜出欄率較低，對牧場草地的消耗相對于距離城市近的地區較大。

3 結論

本研究將基于植被覆蓋監測數據與社會經濟數據相結合，通過統計分析與建立計量模型，分析驗證了導致青藏高原草地變化的主要驅動力，主要得出以下幾點結論：1)草地變化不是由單一因素引起的因果關系，變化的時空過程是自然因素和社會經濟因素相互作用的結果。2)氣候變化中，溫度的升高和降水的增加對草地植被的生長有正向的促進作用，氣溫與降水每增加一個單位，將導致草地植被蓋度上升0.0028%。3)從草地變化的機理來看，超載放牧是導致草地退化最主要的原因。研究區單位草地載畜量越多，草地植被蓋度越低，在控制其他變量不變的情況下每公頃草地實際載畜量增加1羊單位，將導致草地植被覆蓋度降低約0.07%。4)人口密度的增加與不合理的經濟發展因素對草地退化具有顯著的推動作用，距離城市越近的草場植被覆蓋度越低。

由于在大范圍區域尺度和長時間跨度上的土地利用變化存在數據獲取、質量以及圖像解釋等方面的困難，對每一個的影響因素難以進行量化處理，因此對于具體的經濟發展要素對牧戶草場產生的影響還需在以后進一步研究。