内蒙古东乌珠穆沁旗草甸草原生态环境时空演变分析

芦 雪 王智勇

（1.北京宇视蓝图信息技术有限公司，北京 100096；2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，北京 100096）

1.引言

草地是自然生态系统的重要组成部分，在调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等方面发挥着重要作用。然而，《2009年全国草原监测报告》显示，我国草原生态仍很脆弱，草地退化已经成为草地畜牧业可持续发展所面临的最严重的问题。在草地退化研究中，通过对草原景观格局的时空演变分析，有利于了解景观结构与草原退化过程的关系，为草原生态系统的治理和恢复提供科学依据。因此，诸多学者、专家开展了针对草原退化过程中景观格局时空演变的研究，但大多都集中在自然生境差、易受外界干扰的严重退化草原区，对生态恢复功能相对较好的草甸草原区则研究较少。

内蒙古锡林郭勒草原的东部，又称乌珠穆沁草原，是内蒙古保存最完好的天然草甸草原之一。然而自20 世纪50 年代以来，由于垦荒种地造成草原破坏，出现了沙漠化，形成了总面积为5 万km2的格亥额勒苏沙地，草原景观格局的时空演变剧烈。目前，草原垦荒仍未停止，又出现了草原开矿、办厂等经济活动，使乌珠穆沁草原面临着种种威胁。作为天然草甸草原中人类活动干扰严重的典型代表区域，乌珠穆沁草原在自然地理上有其独特的空间分布格局，在生态上具有一定的脆弱生境特征和演化规律。因此，研究该地区景观格局空间变化的相关内容，对天然草原生态系统的治理、恢复具有重要的学术价值和借鉴意义。

2.研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区东部，行政区划隶属锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗，地处乌珠穆沁草原，是天然的草甸草原。地理坐标为：东经118°00′～118°45′、北纬46°20′以北至国境线，总面积1970km2。研究区属北温带大陆性气候，太阳辐射强烈，大风日数多，自然条件较为恶劣。区内地貌以低山丘陵与湖泊凹地相间排列，水系不发育，多形成湖泊，四周分布有条带状的风成沙地。区内动植物种类繁多，草丛高度为30～80cm，覆盖度为70%～90%，部分草原荒漠化、沙化，并且存在小面积的裸露沙地。区内经济发展方式以牧业为主、资源和能源为依托，拥有国内外少有的大型朝不楞多金属矿床，并开展了草原特色旅游业、口岸等特色产业。

1.2 数据来源

本研究选用Landsat TM/ETM+影像为数据源，共选取了近15年来四个时期的遥感数据，各时相遥感影像成像时间及参数见表1。从1991年开始，每隔5年有一幅影像，保证了数据的连续性，每个时期的影像质量符合研究要求，且均能完全覆盖研究区域。

表1 研究数据背景资料及成像参数

此外，本文所涉及的数据和资料还包括研究区1:5万地形图、地质图，以及气象、地貌、植被、矿产、经济、社会等资料和报告。

表2 研究区地物类型及特征

2.研究方法

2.1 遥感影像处理与信息提取

在ENVI软件的支持下，通过对研究区4期遥感影像进行几何校正、波段选择与合成、图像裁剪、图像增强、图像分类等处理和解译，结合野外调查数据及景观分类原则和方法，对草原生态环境信息进行提取，生成遥感影像图和遥感分类图（见图1和图2）。并在GIS支持下，建立草原环境信息时空数据库。

图1 研究区四期TM432、ETM+743遥感影像图

图2 研究区四期遥感分类图

2.2 景观格局动态分析法

运用景观生态学原理，通过对草原景观格局的时空演变分析，有利于了解景观结构与草原退化过程的关系，为草原生态系统的治理和恢复提供科学依据。基于研究区为草原环境中一个小尺度区域的考虑，选取景观空间格局指数和景观模拟模型两种方法来定量描述1991年和2006年两个年份的草原景观格局的变化。

通过对两个年份景观单元特征指数和景观异质性指数的分析，得出斑块面积、最大斑块面积、斑块平均面积、斑块数、边界密度等景观要素特征变化及优势度、多样性、均匀度和分维数等景观异质性变化，反映出两个年份的草原景观格局具体变化。

2.3 马尔科夫链模型预测法

景观模型可以建立景观结构、功能和过程之间的相互关系，是预测景观未来变化的有效工具。景观模拟模型可分空间模型（Spatial Model）和非空间模型（Non-spatial Model）。马尔科夫链（Markov Chain）模型是一种常用的景观空间动态模型，采用转移矩阵（Transition Matrix）来模拟景观斑块从一种类型转变为另一种类型的动态规律。

基于Landsat 5、Landsat 7遥感影像，通过遥感信息提取，得到草原环境时空变化数据库。以年为单位，把草原环境的变化分为一系列离散的过程，根据各景观类型的年平均转化率，来确定景观单元的转移概率，建立转移概率矩阵，利用马尔科夫链模型模拟研究区的景观动态演变过程并预测2010年、2015年和2020年的变化趋势。

3.结果与分析

3.1 研究区草原环境动态变化分析

基于研究区四期遥感分类图及草原环境时空数据库中的矢量和属性数据，研究区近15年来草原环境动态监测结果表明：在1991—1996年间草原环境状况良好；而从1996—2001年，草原环境持续恶化，表现为草地面积较1991年减少了23.51%，主导地类由较高盖度草地转变为裸地，且非草地区面积增加；从2001—2006年，草原环境得到改善，草地面积较2001年增加了22.89%，主导地类恢复为较高盖度草地。

3.2 研究区草原景观格局变化分析

通过对研究区1991年和2006年两个时期景观单元特征指数和景观异质性指数的分析，整个研究区的景观破碎化程度加大；较高盖度草地和中盖度草地的优势度减弱；景观多样性和均匀度增加，裸地和高盖度草地所占比例增大；景观分维数降低，人类对草原景观的干扰增强。

3.3 研究区草原环境演变动态模拟及预测分析

运用马尔科夫链模型模拟和预测研究区2010年、2015年和2020年环境的发展趋势，结果表明：非草地区面积持续扩大，草地区除高盖度草地外，其他类型的草地所占面积均下降，整个草原环境在未来15年内有恶化趋势。

4.草原环境的驱动机制及整治措施

研究区草原环境变化的驱动机制从自然和人为两个方面分析，主要驱动因子有地形地貌、气候、土壤以及过度放牧、垦荒、盲目发展工矿业等。主要整治策略有“实行以草定畜、合理规划布局工矿业、建立法律与法规和草原监测体系，并加强宣传教育、提高牧民的综合素质和生态保护意识”。

[1] Seppelt，R.，A.Voinov..Optimization methodology for land use patterns using spatially explicit landscape models [J].Ecological Modeling，2002，151（2-3）： 125-142.

[2] 付博杰，陈利顶，马克明等.景观生态学原理及应用[M].北京： 科学出版社， 2001.

[3] 黄雄伟.基于GIS和RS的城市土地利用时空演化研究——以长沙市为例[D].北京： 中国地质大学，2008.

[4] 景爱.内蒙古乌珠穆沁草原的今昔[J].草原与草坪，2004，（3）： 3-5.

[5] 张宏斌，杨桂霞，黄青等.呼伦贝尔草甸草原景观格局时空演变分析——以海拉尔及周边地区为例[J].草业学报，2009，18（1）：134-143.

[6] 李振鹏，刘黎明，张虹波等.景观生态分类的研究现状及其发展趋势[J].生态学杂志，2004，23（4）： 150-156.

[7] 叶贵祥，李维青，田源.基于NDVI的干旱区典型绿洲植被覆盖动态变化分析——以策勒绿洲为例[J].干旱区资源与环境，2009，23（9）： 128-133.