1977－2017年錫林郭勒盟中部草原植被覆蓋時空演變及預測

艾麗婭，王少軍，張 志

〔1.中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院，湖北 武漢430074；2.中國地質大學（武漢）地球物理與空間信息學院，湖北 武漢430074〕

習總書記指出“內蒙古地處‘三北’，外接俄羅斯、蒙古國，具有發展沿邊開放的獨特優勢，是中國向北開放的前沿。”錫林郭勒草原地處蒙古高原中部，是中國四大天然牧場之一［1］，它不僅在中國北部的碳循環和氣候系統中扮演著重要角色，也在畜牧業的發展中發揮著重要作用［1-3］。但因其所處地理環境和氣候條件以及人口發展和牲畜量超載等的影響，植被退化，沙塵暴頻發，其生態環境日趨惡化，生態服務功能下降，嚴重影響了京津冀地區乃至整個華北地區的生態環境安全［4-6］。因此對該地區草地資源進行長時間變化監測，對全面認識草原退化、草地資源的可持續利用和生態環境保護具有重要意義。

遙感技術是長時間植被覆蓋變化監測的有效手段［7-11］，目前已有較多學者展開了相關研究。巴圖娜存等［12］對錫林郭勒草原1975—2009年草地資源分布進行研究發現，空間分布上自東向西，草地覆蓋度逐漸降低，類型依次為溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原。馬梅等［13］通過計算錫林郭勒草原近30年草地退化指數，得知該區草地處于長期退化趨勢，但2000 年是草地退化轉折點。穆少杰等［14］基于MODIS NDVI數據得出內蒙古植被覆蓋度在空間上呈東高西低分布，2001—2010 年間呈上升趨勢。張戈麗 等［15］利 用1981—2009 年GIMMS NDVI，MODIS NDVI數據反演呼倫貝爾地區草地變化，結合氣象數據分析出從年際變化看降水是主要影響因素等等。縱觀相關研究，前人對內蒙古草地覆蓋狀態變化進行了長時間序列的研究，并結合氣象數據進行了影響因素分析，碩果累累，但依舊存在一些問題。①相關研究大多采用MODIS NDVI等成品數據，其分辨率最高為250 m，遠低于Landsat系列數據分辨率。②多數研究以省、市、縣等尺度進行草原植被覆蓋變化分析，卻未深入對局地變化及其背景環境進行分析和探討。③以往研究僅對過去及現狀進行分析，還未見有對未來草地覆蓋狀況的預測研究。而預測研究對相關地區未來的生態工程建設、政策制定等有重要參考意義［16］。

綜上，本文選取錫林郭勒盟中部的錫林浩特市和阿巴嘎旗為研究區，利用1977，1990，2000，2010，2017年5期Landsat遙感影像反演植被覆蓋度，獲得近40 a植被覆蓋在時間、空間上的動態變化；并結合氣候及社會經濟數據，分析植被覆蓋變化的氣候、人為影響。最后通過CA-Markov模型，預測2025年植被覆蓋狀況，以期為認識草原植被在不同尺度上的時空演變及后期的保護和利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區屬錫林郭勒盟中部的錫林浩特市和阿巴嘎 旗，位 于 東 經113°27′—117°06′，北 緯43°02′—45°26′，面積4.33×104km2。錫林浩特市地勢南高北低，平均海拔高度988.5 m；阿巴嘎旗地勢由東北向西南傾斜，平均海拔1 127 m。該區地處中緯度西風氣流帶內，氣候屬中溫帶半干旱大陸性氣候；冷暖劇變，晝夜溫差大，降水量少，蒸發量大，春秋兩季多寒潮大風，冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促。錫林浩特市是國家重要的綠色農畜產品生產基地，可利用優質天然草場面積1.38×106hm2。阿巴嘎旗98%的土地被原始植被覆蓋，其中可利用草場面積2.70×104km2。

1.2 數據來源及預處理

①遙感數據：研究采用1977，1990，2000，2010，2017年Landsat MSS，TM，OLI遙感影像從美國地質勘探局網（http：∥glovis.usgs.gov／）下載，MSS數據分辨率79 m，TM 及OLI數據分辨率為30 m，均為L1T 級別數據，除兩景影像外云量均少于10%；成像時間每年7—9月份，共26景。通過ENVI軟件對影像進行輻射定標及大氣校正預處理，在Seamless Mosaic模塊下進行影像鑲嵌拼接。②行政區劃數據：從國家基礎地理信息中心獲取到中國縣級行政邊界數據；鄉鎮行政邊界通過地圖矢量化獲得。依據行政界線對鑲嵌影像進行掩模裁剪。③氣候數據：采用中國氣象數據網（http：／／data.cma.cn／）提供的錫林浩特市54102站臺和阿巴嘎旗53192站臺詳細記錄資料，包括1977—2017年間每年的年平均氣溫、年總降水量及7—9這3個月的月平均氣溫，月總降水量；7—9這3個月的平均值作為生長旺盛季氣候數據。④社會經濟數據：包括1977—2017年錫林浩特市和阿巴嘎旗歷年人口總量和牲畜總頭數量，資料來自《內蒙古統計年鑒（1978—2018）》。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度遙感反演 植被覆蓋度（fractional of vegetation coverage，FVC）不僅可以描述地表植被覆蓋，還能表示植被長勢，因此可用作遙感監測草地資源的指標［17］。采用基于像元二分模型的植被覆蓋度反演方法［18］。建立FVC 與NDVI（歸一化植被指數）之間的轉化關系直接提取植被覆蓋度信息，計算公式如下：

式中：NDVIsoil——完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg——完全被植被覆蓋像元的NDVI值；通過多次試驗和前人經驗，NDVIsoil取置信區間累計頻率為0.5%的NDVI值，NDVIveg取置信區間累計頻率為99.5%的NDVI值。

1.3.2 植被覆蓋度分布特征分析

①基于田海靜等［19］、閆蕭蕭等［20］的研究并結合研究區情況對FVC進行分級；第一級為裸地，代表非植被覆蓋，FVC 為0～0.1；第二級為低植被覆蓋，FVC為0.1～0.3，第三級為中低植被覆蓋，FVC 為0.3～0.45；第四級為中植被覆蓋，FVC 為0.45～0.6，第五級為高植被覆蓋，FVC為0.6～1。

②計算年FVC均值，其值可表示年度植被覆蓋總體情況，計算公式如下：

1.3.3 影響因素分析 為分析各因素對研究區植被覆蓋變化的影響，計算歷年FVC 均值與同期年平均氣溫、年總降水量、旺盛季平均氣溫、旺盛季總降水量、人口總量和牲畜總頭數之間相關系數，相關系數表示兩個變量之間的相關程度［15，21］，計算公式如下：

式中：rxy——x，y兩個變量的相關系數，rxy＞0表示正相關，Rxy＜0表示負相關，絕對值越大表示兩要素之間相關性越強；xi——第i年FVC值；yi——第i年的某一其他影響因素；｀x——歷年FVC均值，｀y——歷年某一其他影響因素的平均值；i——樣本數。

1.3.4 植被覆蓋模擬預測 CA-Markov模型將元胞自動機（CA）和Markov模型結合起來，既保持了CA 模型模擬復雜系統空間變化的能力又發揮了Markov模型進行長期預測的功能［22］。CA 是一種具有時空計算特征的動力學模型；其特點是時間、空間、狀態都離散，每個變量都只有有限多個狀態，其（空間的）相互作用和（時間上）因果關系皆局部［23-24］；CA模型可以表示為：

式中：S——元胞有限、離散的狀態集合；N——元胞的鄰域；t，t＋1——不同的時刻；f——局部空間元胞狀態的轉化規則［24］。

若一個過程存在有限多個時序，其任意時刻tn＋1的狀態ɑn＋1只與其前一時刻tn的狀態ɑn相關，則該過程存在馬爾科夫性；Markov模型可以表示為：

式中：St＋1，St——為t＋1，t時刻系統的分布狀態；Pij——狀態轉移矩陣［22］。

通過IDRISI軟件以2010年和2017年數據計算轉移概率矩陣，將此作為轉換規則利用MCE 模塊創建適宜性圖集；以2017年為預測起始時刻，迭代次數取8，基于5×5臨近濾波器模擬計算2025年研究區植被覆蓋度，并通過CROSSTAB模塊進行Kappa精度評價。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋時空演變特征

2.1.1 時間變化特征 通過表1可知，裸地面積變化非常小。1977年FVC均值0.634 1，區內中、高植被覆蓋比例93.85%，覆蓋程度相當高。1990 年FVC 均值0.489 1，中、高植被覆蓋比例減至51.52%，低、中低植被覆蓋比例47.68%，基本為持平狀態。2000年FVC均值0.391 6，低、中低植被覆蓋比例升至69.65%，中、高植被覆蓋比例減至29.31%。2010年FVC 均值0.483 2，低、中低植被覆蓋比例50.18%，其中低植被覆蓋比例減少21.75%，中、高植被覆蓋比例49.23%，回升至持平狀態。2017 年FVC均值0.5377，低、中低植被覆蓋比例31.46%，中、高植被覆蓋比例67.96%。

從統計數值可看出，低植被覆蓋面積在1977—2000年間增加了11 520.51 km2，在2000—2017 年間減少了11 672.55 km2。中低植被覆蓋面積在1977—1990年間大幅度增加，1990—2010 年間小幅度增加，總增量16 419.08 km2，在2010—2017年間減少4 922.76 km2。中、高植被覆蓋面積變化為1977—2000年間減少，減少量分別為12 316.63，15 545.79 km2，2000—2017 年間增加，增加量分別為10 448.18，6 201.26 km2。總體上，研究區植被覆蓋度在時間上顯示以2000年為拐點，經歷了1977—2000年的下降階段和2000—2017年的上升階段，且下降程度大于上升，對應于中國退耕還林（草）工程實施時間點，與巴圖娜存［7］等的研究結果保持一致。

表1 1977－2017年錫林郭勒盟歷年植被覆蓋度統計結果

2.1.2 空間演變特征 研究區5期植被覆蓋度分布見附圖23—24。整體來看，1977年植被覆蓋相當高，區內基本為中、高植被覆蓋，可知植被生長繁茂，狀況極佳。1990年阿巴嘎旗中部、西部，錫林浩特北部出現低、中低植被覆蓋交錯分布現象，但阿巴嘎旗北部、南部和錫林浩特南部仍保持中、高植被覆蓋。2000年時植被覆蓋降低至最差狀況；除阿巴嘎旗北部和錫林浩特東部小部分仍保持中、高植被覆蓋外，其余基本轉變為低、中低植被覆蓋，并且中部以低植被覆蓋為主。2010年植被覆蓋有所增加，中部絕大部分低植被覆蓋轉變為中低、中植被覆蓋，甚至為高植被覆蓋；阿巴嘎旗西北部和錫林浩特東部保持中、高植被覆蓋，其周邊地區植被覆蓋改善明顯，可知2010年時草地覆蓋有所恢復。2017 年植被覆蓋持續恢復，阿巴嘎旗中部的中低植被覆蓋向中、高植被覆蓋轉變，錫林浩特中北部低，中低植被覆蓋向中植被覆蓋轉變。從宏觀尺度看，中部（包括錫林浩特中北部和阿巴嘎旗中部、南部）植被覆蓋變化最大，變化趨勢為中、高植被覆蓋到低、中低植被覆蓋，再到中低、中植被覆蓋，而北部和東部變化較小，基本保持中、高植被覆蓋；可知植被覆蓋變化從中部向外逐漸變小。從局部地區來看，因各地背景環境各異，植被覆蓋變化不盡相同；從綠色發展角度考慮，以生態、生產、生活等不同功能區為劃分，分析其FVC變化。

（1）生態空間。研究區有1 個國家級自然保護區（錫林郭勒草原國家級自然保護區）及2個自治區級自然保護區（渾善達克沙地柏自然保護區、白音庫倫遺鷗自然保護區）。錫林郭勒盟草原國家級自然保護區成立于1985年，1997年晉升為國家級自然保護區；主要保護對象為草甸草原、典型草原、沙地疏林草原和河谷濕地生態系統。以保護區內的毛登牧場、白音錫勒牧場和貝力克牧場為例，1990—2017 年間各牧場年FVC 均值基本保持在0.5～0.7 之間（見表2），植被覆蓋變化小，基本保持中、高植被覆蓋狀態（見圖1）；表明自然保護區內植被覆蓋保持良好，變化較小。

表2 1977－2017年錫林郭勒盟各鄉鎮年植被覆蓋度均值統計結果

圖1 錫林郭勒盟草原自然保護區內植被覆蓋變化特征

（2）生產空間。研究區屬典型草原區，畜牧業是主要生產方式，其次為礦產資源開發；5號礦區在白音錫勒牧場中部，2009—2018 年間進行了螢石礦的開采。通過圖2 可以看出，2000—2010 年間該區植被覆蓋保持良好狀態并有恢復，但因采礦活動的進行，到2017年時不僅采礦區范圍植被覆蓋下降，甚至連礦區周圍植被覆蓋也明顯下降。6 號礦區在朝克烏拉蘇木北部，2013—2017 年間進行了橄欖巖礦及鉻礦的開采。從圖2中可知，2000 年時該區植被覆蓋較低，到2010 年時已恢復較好，本應保持恢復狀態；但因礦產資源的開發，導致了該區及其周圍植被覆蓋下降。

圖2 錫林郭勒盟草原采礦區植被覆蓋變化特征

（3）生活空間。居民生活集中區是別力古臺鎮和錫林浩特市，且75%以上人口居住在錫林浩特市內。該市年FVC 均值從1977—1990 年下降后基本保持穩定狀態（表2）。從圖3可以看出錫林浩特市居民區擴張明顯，但除居民區擴張引起的土地占用外，對周圍地區的植被覆蓋變化影響較小。居民區周圍的植被覆蓋呈現先下降再回升的狀態，同研究區其他非生態、非生產功能區基本一致。

通過以上分析可以看出，錫林浩特市屬研究區內敏感地帶。存在敏感性的原因在于，該地區有大面積自然保護區，屬生態環境建設工程區。但由于該地區礦山開發活動較為密集，對于草地的破壞較為嚴重；并且由于人口的增長，其牲畜總頭數增長和城市發展壓力也較大。在自然條件相近的情況下，人類活動對植被覆蓋變化起到了主要影響作用；由此可知不同地區敏感性的存在重點受人為因素影響。

總的來說，在局地上植被覆蓋變化對不同功能區有不同響應。以自然保護區為例的生態功能區植被覆蓋保持良好狀態且變化較小，說明生態保護工程對草地資源起到了良好的保護作用。礦產開發等生產活動會破壞草地資源，不僅導致該地區植被覆蓋下降，更是影響了其周邊環境的植被覆蓋狀態［25］。城鎮等生活空間由于擴張會占用土地，但對周邊環境的植被覆蓋變化影響較小。可知，草地植被覆蓋變化受到生態保護和建設工程、礦產資源開發等人為因素的影響。

圖3 錫林郭勒盟草原植被覆蓋變化特征

2.2 植被覆蓋變化影響因素

2.2.1 氣候因素 氣候因素考慮氣溫和降水影響。研究區1977—2017 年均溫波動上升趨勢明顯（圖4a），介于0.65～4.25 ℃之間，平均氣溫2.56 ℃。年降雨量呈波動減少，年際間振蕩明顯（圖4b），介于151～366 mm 之間，平均降水量243 mm 左右。結合洪園園［26］的研究可知該區氣溫波動上升，降雨量波動減少，潛在蒸發量增加，氣候暖干化趨勢明顯。

圖4 1977－2017年錫林郭勒盟草原氣候要素變化特征

2.2.2 人為因素 人為因素考慮人口總量和牲畜總頭數變化影響。近40 a研究區人口快速增長（圖5a），從1.18×105增至2.33×105，平均1.76×105。牲畜總頭數顯示1977至1999年間增加，1999至2017年間呈現波動減少狀態（圖5b）；從1979年9.21×105，到1999年增至最高值2.85×106，2015年減至1.45×106。

圖5 1977－2017年錫林郭勒盟草原人口、牲畜量變化特征

2.2.3 相關性分析 FVC 與各指標間相關系數見表3。氣候因素中，FVC 變化與年平均氣溫、年總降水量、旺盛季平均氣溫中度相關，與旺盛季總降水量弱負相關；人為因素中，FVC 與人口總量呈中度負相關，而與牲畜總頭數呈強負相關，說明牲畜總頭數變化對該區植被覆蓋變化影響較大。

結合有關植被覆蓋時空演變特征分析，氣候暖干化趨勢導致干燥程度增加，對植被生長不利，推進草地退化［27］，因此氣候因素是影響植被覆蓋變化的基本驅動力，而人為因素才是影響植被覆蓋變化的主要原因。研究區人口數量的增加，引起經濟發展的要求和糧食需求量的增加，因此在1977—2000年間過度發展畜牧業，導致畜牧量過載，引起草地大面積退化；2000年后通過控制畜牧量和生態工程的建設，草原植被覆蓋逐步恢復，但由于部分地區存在礦產資源開發等活動，植被覆蓋恢復較緩，甚至導致下降［28］。

表3 1977－2017年錫林郭勒盟草原植被覆蓋度與各指標間相關性

2.3 植被覆蓋變化預測

由上述分析可知，該區植被覆蓋變化主要受人為因素影響，以保持當前人為干預強度為前提，即保持當前的生態建設工程及礦產開發活動強度不變，通過CA-Markov模型基于2010和2017年植被覆蓋數據預測2025年植被覆蓋狀況。

為了檢驗該模型的準確度，以2000和2010年植被覆蓋數據為基礎，模擬2017年植被覆蓋；將模擬數據與真實數據做Kappa精度分析，得出總體精度為0.825 3，模擬結果準確率較高，說明該模型預測效果可信，可用于預測研究［29］。預測結果見附圖25和表4。

由附圖25和表4可知，2025年植被覆蓋上升，相較2017年，高植被覆蓋面積變化2 437.97 km2，中植被覆蓋面積變化－28.12 km2，中低植被覆蓋面積變化－2 282.5 km2，低植被覆蓋面積變化－174.84 km2。其中阿巴嘎旗巴彥圖嘎蘇木、伊和高勒蘇木、別力古臺鎮和錫林浩特市寶力根蘇木、白音庫倫牧場植被覆蓋增長較為明顯。總體來說，到2025年時研究區植被覆蓋將持續保持上升，除阿巴嘎旗南部和錫林浩特中北部為中低植被覆蓋，其余基本轉變為中、高植被覆蓋，比例為73.5%，低植被覆蓋面積非常小，植被覆蓋恢復較好。

表4 錫林郭勒盟草原植被覆蓋變化預測結果統計

3 結論與討論

本文選取錫林郭勒盟中部的錫林浩特市和阿巴嘎旗為研究區，利用1977—2017 年5 期Landsat遙感影像反演植被覆蓋度，獲得近40 a植被覆蓋時空變化及其影響因素，并預測了2025年植被覆蓋狀況。

（1）在時間上，該區植被覆蓋顯示以2000 年為拐點，1977—2000年減少，2000—2017年增加的變化特征。在空間上，研究區中部植被覆蓋變化最大，而北部和東部變化較小，植被覆蓋變化從中部向外逐漸變小。在自然保護區內植被覆蓋保持良好狀態；礦產開發活動區及其周圍草地受到破壞，植被覆蓋下降；城鎮用地的擴張對周邊環境植被覆蓋變化的影響較小。

（2）氣候暖干化是植被覆蓋變化的基本驅動力，人為影響是導致植被覆蓋退化的主要原因。研究區中部人為活動最為活躍，這也是植被覆蓋變化及敏感性存在的主要原因。畜牧量過載、礦產資源開發等會導致草地退化；控制畜牧量、生態建設工程等人為干涉起到了保護和恢復草地資源的作用。

（3）預測2025 年研究區植被覆蓋將持續增長，中、高植被覆蓋占研究區面積絕大部分，植被覆蓋保持恢復狀態。

本文在分析氣候因素、人為因素對生態環境的影響時采用各因素及FVC 平均數值進行相關系數計算，其樣本量較少，具有一定的不確定性；接下來的研究中應尋找更為精確的方法。雖然2025年預測結果顯示研究區植被覆蓋呈持續恢復狀態，但中、高植被覆蓋面積比例為73.5%，相較于2017 年，僅上升了5.54%；年植被覆蓋度均值也僅從0.538 變為了0.562，增長幅度并不大，恢復較為緩慢。

中國高度重視生態環境問題。研究區作為中國北方典型的干旱—半干旱草原區，其研究結論可為相關地區開展生態環境工程提供一定的參考依據。建議相關地區持續綠水青山就是金山銀山的發展理念，繼續發揮主觀能動性，加大生態環境建設力度，并對草原區內礦產開發活動進行嚴把關，加強廢棄礦區的植被覆蓋恢復工作，努力恢復及保護草地資源，以期早日建成中國北方重要的生態安全屏障。