2000—2010年青海湖流域草地退化状况时空分析

骆成凤 ，许长军，游浩妍，靳生洪

(1.中国测绘科学研究院，对地观测技术国家测绘局重点实验室，北京 100830;2.青海省基础地理信息中心，西宁 810001)

青海湖流域是一个完整的内陆盆地，位于季风湿润区和内陆干旱区的过渡地带，属于脆弱生态系统典型地区，对全球气候和环境变化的响应十分敏感［1-5］。青海湖及其整个流域的生态功能显著，草地和水域构成了流域生态系统的主体，草地生态系统不仅对青海湖流域生态环境有着举足轻重的控制及调节作用，而且对保护东部生态环境具有重要作用［6］。近几十年来，受自然环境条件变化和人为不合理的社会经济活动影响，本来就很脆弱的高寒生态环境遭到破坏，土地沙化和草原退化严重［7-9］。青海湖流域的生态环境问题引起了研究者的密切关注，这些研究充分利用遥感技术手段，对青海湖流域的土地利用/土地覆盖、景观结构、湿地、植被覆盖、草地类型、蒸发量等生态环境要素进行动态监测［2-4，10-12］，主要监测这些要素在近几十年内的变化状况和趋势。也有研究者从可持续发展着手，研究该流域生态环境与经济发展之间的关系［7，9，13］。以青海湖流域退化草地为对象进行的时空变化研究比较少。

青海湖流域的地表覆盖状况以草地为主，2010年占整个流域面积近75%，草地状况(包括植被盖度、植被群落、产草量、土壤理化状况、草场质量等)是衡量该流域生态环境状况的关键指标。该区域的草地退化问题已经引起了政府部门的重视，2008年5月政府启动了“青海湖流域生态环境保护与综合治理项目”，旨在维护青海湖流域生态系统的稳定［14］。本研究以青海湖流域退化草地为研究对象，基于中高遥感影像解译数据，主要对2000年以来青海湖流域草地退化特征、不同退化草地类型相互转化规律，以及退化结构空间分异特征进行分析。以期能为青海湖流域生态环境退化问题、具体生态环境治理方案的制定，以及政府决策提供参考。

1 研究资料与方法

1.1 研究区域

青海湖流域位于青海省东北部，亦称青海湖盆地，地处北纬36.25°—38.33°，东经97.83°—101.33°，北起大通山，南至青海南山，西临阿木尼尼库山，东靠日月山，总面积约2.96万km2，是一个四周群山环绕的封闭式内陆盆地。整个流域近似织梭形，地形西北高、东南低，海拔范围在3194—5174m之间［15］。流域深处内陆，属典型的高寒干旱大陆性气候，多年平均气温-14—17℃，平均年降水量为340 mm。青海湖地区特殊的自然地理条件造就了以草原为主的植被类型，温性草原、高寒草原以及高寒草甸构成了流域主要的草地资源，是青海湖流域发展草地畜牧业的重要基础和物质保障［16］。

1.2 数据来源

本研究使用的遥感数据源为2000年、2006年Landsat TM，以及2010年RapidEye数据。为了提高影像解译的效率和质量，以全国第二次土地调查数据、青海湖流域地表植被分布图、1∶5万数字栅格地图(DRG)作为辅助参考。在大量野外实地调查的基础上，建立解译图谱库。解译过程中的最小解译图斑控制在25个像素。

1.3 研究方法

1.3.1 退化草地类别定义

草地退化指在不合理人为或自然因素的干扰下，草地结构和功能发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的逆行演替。具体表现为草地生态系统的基本结构和固有功能的破坏或丧失，生物多样性下降，稳定性和抗逆能力减弱，草地系统生产力下降［16-18］。对草地退化的评估指标，国内外没有一致的体系和标准。李博依据能量、质量、环境、草地、草地恢复能力5个指标，将我国北方的草地退化分为四级:轻度、中度、重度与极度［19］。这种分级标准体系被我国多数学者沿用，但在分级指标方面，还没有一个公认的量化指标范围。这也许和不同生态环境中退化草地的具体状况千差万别有关。

青海湖流域的草地类型主要包括:以芨芨草、克氏针茅、疏花针茅草为优势种的温性草原，以紫花针茅为优势种高寒草原，以高山嵩草、矮生嵩草、线叶嵩草、喜马拉雅嵩草、藏嵩草为优势种的高寒草甸［11］。本研究在草地退化的分级分类方面参照了任海、李博等［16，19］的研究成果。在分级指标方面主要采用了可直接利用遥感技术监测的原生植被覆盖度，马玉寿、孙小弟［20-21］等人的相关研究都将植被覆盖度放在优先指标范围内。这个指标虽然不能反映土壤养分、土壤含水量、生物量等指标，但能从侧面反映李博所提出的5个方面的状况。本研究从遥感监测草地退化的角度出发，结合青海湖流域实际情况，将青海湖流域的草地分为10个类别，具体类别与定义见表1。

表1 青海湖流域退化草地类别定义Table 1 Definition of degraded Grassland types in QLB

1.3.2 转移概率矩阵

Markov模型是基于Markov过程理论形成的模拟事件发生概率的一种方法［22］，具有“无后效性”的特点，常被生态学家用于模拟植被动态和土地利用/覆被格局变化。为定量分析各退化草地类型之间相互转换关系，利用Markov模型对退化草地类别转变进行动态模拟。各退化草地类型之间相互转换的面积数量或比例即为转移概率矩阵，公式表达如下:

式中，n为退化草地类型数目，Pij为退化草地类型i变为j的转移概率。Pij需要满足以下条件:0≤Pij≤1和=1(i，j=1，2，…，n)。

1.3.3 动态变化度

参照土地利用动态变化度［23］的定义，这里利用动态变化度来度量退化草地类别变化的速率。动态变化度的计算公式如下式所示:

式中，Si为监测开始时间第i类退化草地面积总和，ΔSi为监测开始至监测结束时段内第i类退化草地转变为其他类土地类别的面积总和，t为监测开始至监测结束时间段S为在t时段退化草地的变化速率。动态变化度越大说明在监测时间段内退化草地相对于自身的面积变化幅度越大。

1.3.4 景观指数

退化草地的景观指数可以用来反映景观格局的变化。景观生态学研究中采用的景观格局指数较多，由于自然景观的复杂性，许多景观指数之间高度相关。根据景观指数分类体系和指数之间的相关性［24］，本研究主要从等级类型景观和整体景观两个角度出发，选择Shannon多样性指数(SHDI)、破碎化指数(FI)、均匀度指数(EN)、面积周长比分维数(FD)、形状指数(MSI)等5个景观指数反映青海湖流域退化草地的景观格局变化。

1.3.5 转类指数

参照土地利用转类指数［25］，构建退化草地转类指数来定量描述青海湖流域退化草地改善或者退化的程度。退化草地转类指数的计算公式如下:

式中，L表示目标区域退化草地转类指数，k=1，…，n表示类别，Ak为目标区域K类别转变为其他类别的面积，Da为类别K转类前级别，Db为转类后级别，A为目标区域总面积。

2 流域退化草地变化特征

图1 青海湖流域2010年退化草地分布图Fig．1 Area Histogram of Degraded Grassland in QLB in 2010

2.1 2010年退化草地现状

青海湖流域2010年地表覆盖状况以草地为主，占整个区域面积近75%;耕地、灌木林地较少，共占流域总面积2%;裸露地占流域面积8.27%，主要分布在流域西北部及环湖流域西部。青海湖流域2010年退化草地空间分布状况如图1所示。其中草甸为177.28万hm2，占整个区域面积近60%，草原面积为42.05万hm2(图2)。青海湖水域面积占整个流域面积的14.73%，分布在流域东南部。该流域草地状况良好，未退化草甸与未退化草原占整个区域面积38%。分布在中部、东部及环湖流域西南部的未退化草甸在整个流域占绝对优势，未退化草原主要分布在青海湖的西北侧。退化草甸主要分布在流域的西北部，其中重度退化草甸占流域总面积10.46%，轻度退化草甸占流域总面积7.2%，中度退化草原占流域总面积5.34%，极度退化草甸占流域总面积3.87%。重度退化草原占流域总面积2.99%，主要分布于环湖流域东北部。

图2 青海湖流域2010年退化草地面积柱状图Fig．2 Area Histogram of Degraded Grassland in QLB in 2010

2.2 退化草地数量变化

2000—2010年退化草地面积变化见表2，青海湖流域的人工草地面积变化显著，面积增加近0.8万hm2，变化率达到131.69%。中度退化草甸面积减少13.03万hm2，变化率为-50.76%;与此同时重度、极度退化草甸面积增加11.87万hm2，极度退化草甸面积增加了一半。草原类别中变化最大的是重度退化草原，减少了3.95万hm2，变化率为-30.83%。从面积数量变化角度看，整个流域的草甸退化程度由轻中度同时向改善和退化两个方向发展;整个流域草原向改善方向发展。

青海湖流域退化草地面积变化在2000—2006年、2006—2010年两个时间段内差异明显。在2000—2006年时间段内，未退化草甸面积减少6.92万hm2，轻度退化草甸面积增加5.18万hm2，重度、极度退化草甸面积增加30.47万hm2，草甸退化趋势明显，轻度退化面积大于重度、极度退化面积。在2006—2010年时间段内，未退化草甸面积增加14.56万hm2，轻度、中度退化草甸面积减少19.79万hm2，重度、极度退化草甸面积增加8.39万hm2，草甸退化趋势同时向改善和退化趋势发展，向重度、极度草甸退化面积大于前一个时间段。在2000—2006年时间段内，人工草地面积增加很小，未退化草原和中度退化草原面积减少2.76万hm2，重度、极度退化草原面积增加2.00万hm2，流域草原明显呈现退化趋势。在2006—2010年时间段内，人工草地面积增加近0.8万hm2，未退化草原增加1.41万hm2，中度退化草原面积增加0.88万hm2，重度、极度退化草原面积减少5.57万hm2，流域草原明显呈现改善趋势。

表2 青海湖流域2000—2010年退化草地面积变化统计表/hm2Table 2 Area Change of Different Degraded Grassland Types in QLB during 2000—2010

2.3 退化草地类型转化

2000—2010年青海湖流域地表覆盖类型之间的转化以退化草地类别之间的转化为主，其次是裸露地与草地之间的转换，相对而言，水域、耕地、灌木林地之间的转换面积非常小。退化草地类型变化与空间分布如图3所示。从图上可以看出，流域在这11a中草地退化程度发生变化的区域主要集中在3个地方:青海湖北部偏东未退化草甸转变为轻度退化草甸，流域西北部中度退化草甸转为重度退化草甸，流域中部偏西轻度退化草甸转变为未退化草甸。流域中部的零散变化主要表现为退化程度得到改善。在2000—2006年时间段内，流域退化草地变化主要表现为退化程度加剧，只有少数零散地区表现为退化程度改善。草地退化区域主要分布在青海湖北部及偏东地区，由未退化草甸转变为轻度退化草甸;流域中部以西地区轻度、中度退化草甸转变为重度退化草甸，草地退化情况严重。在2006—2010年时间段内，流域退化草地变化主要表现为退化程度改善，只有西北部分地区表现为退化程度加剧。其中青海湖北部由轻度退化草甸转变为未退化草甸，呈改善状况;流域中部以西地区由轻度、中度退化草甸转变为未退化草甸，改善趋势明显;流域东北部有少部分地区由中度到重度、重度到极度退化草地转变。

图3 2000—2010年青海湖流域退化草地主要变化分布图Fig．3 The changes of spatial distribution for degenerated grassland in QLB during 2000 — 2010

利用转移概率矩阵计算各类退化草地之间转换面积，并以面积为依据，选择变化面积最大的类别和主要的转变类别进行分析。2000—2010年主要退化草地类型之间相互转换的面积如表3所示。面积变化最大的前3种类别分别为:中度退化草甸、重度退化草甸、未退化草甸。除未退化草甸外，其他类别之间的转变主要呈现退化趋势。发生变化的中度退化草甸转化为重度退化草甸的面积达9.51万hm2，由轻度退化草甸转来的面积为2.75万hm2，同时转变为未退化草甸的面积为6.19万hm2。发生变化的重度退化草甸主要由中度退化草甸转变而来，同时转变为极度退化草甸。未退化草甸主要转变为轻度退化草甸，面积达9.93万hm2，同时有18.10万hm2轻度和中度退化草甸转变为未退化草甸，总体呈极轻微退化趋势。

表3 青海湖流域2000—2010年主要退化草地类型转换面积/hm2Table 3 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2000—2010

2000—2006年主要退化草地类型之间相互转换的面积如表4所示。从表4可以看出，主要退化草地类别之间的转变呈明显的退化趋势。主要变化类别向退化类别转变的面积都大于向改善类别转变的面积。面积变化最大的未退化草甸主要和轻度、中度退化草甸之间发生转变，退化程度比较明显。

表4 青海湖流域2000—2006年主要退化草地类型转换面积/hm2Table 4 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2000—2006

2006—2010年主要退化草地类型之间相互转换的面积如表5所示。面积变化最大的前3种类别分别为:未退化草甸、中度退化草甸、轻度退化草甸。与表3、表4相比较，表5中的面积变化幅度最大。未退化草甸变化面积为14.56万hm2，主要由轻度、中度、重度退化草甸转变而来，其中轻度退化草甸面积为14.18万hm2，中度退化草甸面积为6.87万hm2，重度退化草甸为2.67万hm2，明显呈改善趋势。中度退化草甸主要转变为未退化草甸和重度退化草甸，其中有7.40万hm2转变为重度退化草甸。

表5 青海湖流域2006—2010年主要退化草地类型转换面积/hm2Table 5 Transition area of the main types of degraded grassland in QLB During 2006—2010

2.4 退化草地动态度分析

与2000—2006年时间段内的退化草地动态变化度相比较，除了极度退化草甸、草原，以及重度退化草原外，其他类别退化草地动态度在2000—2010年时间段均比较小，这种差异在未退化草甸、草原，人工草地及重度退化草地等4种类别上比较明显，而轻度、重度退化草地的动态变化率差异比较小。这两个时间段退化草地动态度的计算基于同一个基准，这种差异可以从侧面说明青海湖流域2006—2010年，退化草地呈改善趋势。与此同时，重度、极度退化草地也处于动态变化过程中。2006—2010年时间段内的退化草地动态变化度明显高于2000—2010年时间段，也高于2000—2006年时间段。这种变化间接说明青海湖流域的退化草地在2006—2010年的变化活动比2000—2006年明显。

2000—2010年时间段内，轻度、中度、极度退化草甸，以及重度、极度退化草原的动态变化度明显高于其他类别退化草地。其中轻度、中度退化草甸，及重度退化草原面积基数大，是整个流域退化草地类型转变的主体。

3 退化草地景观格局变化分析

Shannon多样性指数反映不同景观类型分布的均匀化和复杂化程度。2006年青海湖流域SHDI值最大，说明与2010年和2000年比较，2006年退化草地空间分布复杂程度比较大，但这种差异比较小。破碎度表征景观被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性，在一定程度上反映了人类对景观的干扰程度。2000、2006、2010年的破碎度没有发生变化，说明青海湖流域退化草地景观的单一、均质和连续的整体性保持的比较好，生物多样性比较稳定。均匀度描述了景观由少数几个主要景观类型控制的程度，退化草地空间分布的均匀度在2000—2010年期间变化幅度在0.03以内很小，说明在这期间流域的退化草地没有发生大范围明显的改善或者退化。面积周长比分维数值越大，表明斑块形状越复杂，2000—2010年期间该值越来越大，但变幅很小。说明流域退化草地的斑块形状趋向复杂，但这种变化很缓慢。形状指数描述景观形状及景观规则化程度，MSI=1，表示越接近圆形，MSI越大表示景观形状越不规则、越复杂和扁长。2000—2010年期间流域形状指数变幅不大，且比较接近1，说明流域退化草地的空间形状变化不大。

表6 青海湖流域2000—2010年退化草地动态变化度/%Table 6 The dynamic variation degree of degraded grassland in QLB during 2000—2010

表7 青海湖流域景观格局指数变化Table 7 The landscape pattern index in QLB

4 流域退化草地变化程度分析

为了定量描述青海湖流域退化草地的变化程度，依据生态意义对流域地表类型定级。去除受人类活动影响变化较剧烈且无规律的耕地和居民地，将青海湖流域的地表覆盖类型分为8个生态级别，如表8所示。生态级别越接近1级，该类型的生态意义越高。定义退化草地转类指数大于5表明改善趋势明显;转类指数小于-5表明退化趋势明显。

表8 青海湖流域地表覆盖的生态级别列表Table 8 The ecological grades for landcover types in QLB

利用公式(3)计算青海湖流域2000—2010年期间的退化草地转类指数如表9所示。青海湖流域2000—2010年期间退化草地转类指数为-0.0384，与退化趋势明显时转类指数小于-5比较，这个数值非常小，而且很接近零值。如果退化草地转类指数小于零就意味着草地变化呈退化趋势，那么青海湖流域2000—2010年期间草地变化呈极轻微退化趋势。其中2000—2006年期间退化草地变化状况同样为极轻微退化，但比2000—2010年期间退化程度稍大。2006—2010年期间退化草地变化状况为极轻微改善。

表9 青海湖流域退化草地转类指数Table 9 The grassland change index of QLB

5 结论与讨论

由于青海湖流域独特的地理位置及环境特点，对流域的主要生态环境问题——草地退化进行连续监测，是掌握流域生态环境变化状况并且制定具体生态环境治理方案的有效手段。利用遥感技术对青海湖流域近10a的退化草地进行连续监测发现:2000—2010年期间流域草地变化非常小，呈极轻微退化趋势;草地变化经历了变化幅度很小的先退化、后改善阶段，2006—2010年期间流域草地呈极轻微改善趋势，但还没有恢复到2000年的状况。流域内不同退化草地类别的空间景观格局表现比较稳定。

青海湖流域的退化草地变化是气候变化和人类活动共同作用的结果。2000年以后青海湖流域暖湿的气候特征更加明显［26］，这是流域草地向良好状况发展的有利自然条件。2000—2006年期间流域草地退化，可能主要由长期不合理的畜牧业生产及管理方式不善导致。2006—2010年期间人工草地面积由660hm2增加到8593hm2，与政府实施的生态环境保护与综合治理工程紧密相关。近年来青海湖的旅游资源得到了有效的开发，在促进区域经济发展的同时，也对环湖区域的草原生态环境造成了很大的压力。

本研究结果虽然对2000—2010年期间青海湖流域草地退化状况进行了详细的时空分析。但受获取数据本身的限制，在监测阶段的划分上有一定的跨度，不能和政府进行大规模的生态环境保护治理工程时间完全对应，不能明确工程治理是否是流域2006—2010年期间流域草地呈极轻微改善趋势的主导原因。另外对草地类型的定义与识别主要从遥感监测出发，对由于杂草类增加导致的退化不能精确识别。在今后的研究中，可以进一步结合气象信息、大量的实地调查资料、以及同步的遥感数据对青海湖流域退化草地变化原因进行深入分析。

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