基于VDDT的红原县草地景观动态变化模拟

张雪莲，干晓宇，道里刚，张洪轩，董奎，游成铭，符佩斌，干友民*

(1.四川农业大学动物科技学院，四川 雅安 625014;2.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065;3.四川省草原科学研究院，四川 成都 611731;4.四川农业大学林学院，四川 成都 625014)



基于VDDT的红原县草地景观动态变化模拟

张雪莲1**，干晓宇2**，道里刚3，张洪轩3，董奎4，游成铭1，符佩斌1，干友民1*

(1.四川农业大学动物科技学院，四川 雅安 625014;2.四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065;3.四川省草原科学研究院，四川 成都 611731;4.四川农业大学林学院，四川 成都 625014)

利用ENVI软件对2000和2010年红原县遥感影像进行解译，建立红原县草地资源数据库。设定9种干扰变化的驱动因子，利用VDDT以2000到2001年草地景观转换概率和干扰因子出现情况，对2020年红原县草地景观的动态变化进行模拟分析。结果表明，VDDT在模拟红原县草地景观变化动态中具有较高的可行性(斑块面积拟合度为0.9325，斑块数目拟合度为0.8833)。通过对影响草地景观格局变化的主要因子进行分析，表明红原县草地具有明显退化趋势。

草地景观；草地资源；变化；动态模拟

植被动态开发工具(vegetation dynamics development tool, VDDT)[1]是基于Windows计算机提供建模框架来监控植被演变过程中的各种过渡角色的一种非空间管理工具。VDDT工具通常应用于森林景观的分析[2]，并可用于评估森林的燃料水平[3]，以及用来测试景观的管理水平[4]。该工具很少应用于草地景观的分析，在川西北地区的应用更鲜见报道。本试验目的在于探索VDDT工具在草地景观分析上的适用性，在此基础上对红原县草地景观结构、功能、动态变化以及它们之间的相互影响和控制机制的研究，解释红原县草地景观发展的趋势，掌握管理方法，以科学规划与科学的设计为手段[5]，对红原县草地景观实施生态保护、恢复、建设和科学管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

红原县位于四川省阿坝藏族羌族自治州，地理坐标为北纬31°51′-33°19′，东经101°51′-103°23′。全县平均海拔约3600 m，总面积8439.94 km2。地势为东南向西北倾斜，县内珠串状盆地和小盆地广泛分布。山地貌面积2865.13 km2，高山地貌面积1107.68 km2，丘原地貌面积1861.11 km2，高平原地貌面积2606.02 km2(图1)。

图1 样地概况(四川省阿坝州红原县，2000年)Fig.1 The map of the study area (Hongyuan County, Aba, Sichuan in 2000)

1.2 数据采集和处理

本试验利用植被动态开发工具结合ENVI软件，选择将无重大灾害发生的2000和2010年红原县遥感数据(Landsat TM 5，8月)进行解译，划分出草地主要景观类型，并统计和分析各主要景观类型的斑块数目、斑块面积、斑块面积比和斑块周长等属性信息。

1.3 红原县草地景观动态变化模拟过程

利用ENVI软件对收集的2000和2010年红原县遥感影像资料进行解译，并对各草地景观类型进行划分及景观格局分析。在VDDT中利用细胞自动机模型(cellular automation model)原理，以2000到2001年1年为步长单位，以期间各景观类型转换概率以及各干扰因子出现情况等信息为基础，模拟出2010年各主要景观的变化动态与现状，并利用SPSS对VDDT模拟结果和遥感资料所提取的2010年斑块属性进行一元线性回归分析，从而对其精度进行验证，证明VDDT工具在草地景观变化动态模拟过程中的可行性。在此基础上，继续模拟出2020年红原县草地景观类型的现状，并结合2000, 2010和2020年3个时间点斑块信息进行统计与对比，阐明红原县草地景观的变化趋势与特征。

1.4 数据分析

利用ENVI 4.8，将2000和2010年红原县遥感影像进行解译，生成草地景观分类图；并利用SPSS 17.0将矢量化的各斑块信息进行统计，将2010年模拟的斑块属性和遥感资料提取的实际2010年斑块属性进行一元线性回归分析，在VDDT中录入2000年红原县各主要景观类型的名称、影响因子名称、影响因子转换概率以及对影响因子转换对象的整理，对各主要景观动态变化进行模拟，分析其变化趋势。

2 结果与分析

2.1 草地景观格局现状

红原县草地主要景观类型划分为高覆盖度草地(覆盖度>50%的地段)、中覆盖度草地(覆盖度20%～50%的地段)、低覆盖度草地(覆盖度5%～20%的地段)、有林地(郁闭度>30%的地段)、灌木林(郁闭度>40%的地段)、疏林地(郁闭度10%～30%的地段)、滩地、湖泊、城镇用地、其他建设用地、沙地和沼泽地等景观类型，斑块数量共计1993个 (表1)。

表1 2000年红原县景观类型面积特征现状

C/S： Circumerence/area.

2.2 红原县草地主要景观分类

试验以红原县草地主要景观为研究对象，探讨红原县草地主要景观动态变化的规律与机制，并对其进行模拟分析和预测。根据红原县的土地利用现状，参考景观生态学分类方法，将红原县土地利用各景观类型进行分类并编码(表2)。

2.3 模拟干扰因子分类

在对试验区域进行分析和历史资料收集的基础上，选取了自然、人为和管理等驱动因子。其中自然因子包括病虫害、高温、降水和低温；人为因子包括游憩；管理因子包括人工草地的建立、防火和病虫害防治，共计9个模拟干扰因子，并将其编码列入表3。同时，根据所选取干扰因子年际变化情况，以病虫害因子10年年际变化为例，按固定格式(表4)保存为.*TSE格式，导入VDDT中形成变化路径。

表2 红原县草地主要景观类型编码

注：沙地(5001)包括沙化地、黑土滩、鼠荒地等退化草地，下同。

Note: Sand (5001) including sandy, black soil land, rats wasteland, the same as following.

2.4 变化路径

各模拟因子在模拟干扰中的影响强弱频率,使每一个变化状态类(state class)在模拟因子的干扰中随时间序列和概率进行单项或者多项变化。设置变化时间从2000到2010年，按1年为步长单位结合干扰因子影响强弱频率运行模型，模拟绘制出草地主要景观在无重大灾害的10年内的动态变化路径(图2)。

2.5 VDDT工具可行性验证

将共计14组VDDT模拟与遥感解译的红原县2010年各景观类型斑块面积统计信息(图3,4)，对VDDT在草地景观变化动态的模拟过程中精度进行验证。由图3可看出VDDT在模拟红原县各景观类型斑块面积上与遥感解译数据拟合度达0.9325，在斑块数目上拟合度达0.8833。表明，VDDT在红原县景观类型斑块面积和数目的统计上具有较强可行性，为下一步模拟红原县2020年草地景观动态变化提供了保障。

表3 红原县模拟因子编码

表4 VDDT中年份类型序列表

注：左列为模拟年份序号，右列为发生病虫害情况的景观类型以及病虫害发生的倍数变化情况。

Note: In the Table, the left rank was the number of year and the other was the fold change of item in landscape types.

2.6 景观变化动态模拟

通过对VDDT在草地景观动态变化模拟过程中的可行性进行检验，表明VDDT可以较为精确地反映草地景观变化动态。在此基础上，将各干扰因子和时间序列导入VDDT中，通过对红原县主要景观进行变化路径分析后，设置模拟运行时长为20年，运行次数和各变化状态的初始比例及2000到2001年转换概率。运行得出在自然因子、认为因子和管理因子水平下，不同模拟时段各景观类型所占面积变化情况，并将其中3种景观类型逐年动态变化趋势绘制如图5。

在2000年，草地景观所占面积>林地景观>未利用地，到2020年，草地景观仍然占红原县景观面积半数以上，但草地、林地面积逐渐减少，未利用地面积呈逐渐增加的趋势(表5)。20年来草地和林地景观分别减少了5.66%和2.26%，未利用地增加了1.06%。

图2 VDDT中生成的红原县景观变化路径(图右下为各代码所代表内容)Fig.2 Transition pathway diagram of landscapes in Hongyuan County with the aid of VDDT(representation of each code lay at the lower right corner) GRA:草地 Grassland; HCG:高覆盖度草地 High coverage grassland; MCG:中覆盖度草地 Moderate coverage grassland; LCG:低覆盖度草地 Low coverage grassland; FOR:森林 Forest land; WL:有林地 Wood land; SW:灌木林 Shrub wood; OFL:疏林地 Open forest land; LFU:城镇居民用地 Land for urban residents; UL:城镇用地 Urban land; OTC:其他建设用地 Other construction land; OTH:其他Others; SAD:沙地 Sand; UUL:未利用地 Unutilized land; MAR:沼泽地 Marsh; RES:水库坑塘 Reservoirs; LAK:湖泊 Lake.

图3 2010年VDDT模拟和遥感解译红原县各景观类型斑块面积对比Fig.3 Comparisons of plaque area between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

图4 2010年VDDT模拟和遥感解译红原县各景观类型斑块数目对比Fig.4 Comparisons of plaque number between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

图5 红原县3种景观在20年内的变化趋势模拟

景观类型Landscapetypes2000年Year面积Area(km2)面积比Arearatio(%)2010年Year面积Area(km2)面积比Arearatio(%)2020年Year面积Area(km2)面积比Arearatio(%)草地Grassland6679.4879.146201.7973.485854.7669.37林地Forestland950.9811.27890.0110.55759.599.01未利用地Unutilizedland714.438.46732.508.70803.749.52

3 讨论

草地景观的变化动态是对草地生产力以及资源综合生产能力的主要影响因子，然而草地景观及其面积的变化主要受自然、人为等因子的影响。本试验通过利用2000到2001年干扰因子的转换概率模拟2020年红原县草地主要景观的变化动态趋势，草地景观早期的退化表现为灌木、乔木等类型的斑块入侵，随着干扰的进一步加剧，草地开始出现沙化斑块,这与田育红和刘鸿雁[6]的研究结果相一致。

放牧对草地景观具有重大影响，放牧会改变草地景观斑块的形状、质量、尺度[7]、适口牧草的数量及分布[8]以及草地昆虫群落[9]，并影响种内和种间竞争以及土壤等因素，在此基础上改变牧草的物质与能量分配格局[10]。

He[2]利用VDDT工具对森林景观进行研究以应对犹他州西南部不同管理场景的景观变化，证明火灾和放牧行为对景观的动态变化具有重大影响。沈泽昊等[11]研究表明景观的尺度大小对景观的变化也具有重大影响。景观植被的斑块大小与太阳辐射的空间分布具有较明显的指示作用，并且与土壤养分、水分资源危机程度之间关系也非常紧密。草地景观斑块的形状在植被的恢复和退化过程中也起促进作用,草地斑块的破碎化对不同种动物觅食行为具有重叠化的特征，减少种群间竞争，削弱了草地的生态功能。同时，在草地景观中，适口牧草和入侵植物的分布影响着动物栖息和迁徙，从而进一步影响植被景观的分布。除自然因子影响草地景观变化以外，人类干扰等诸多因素对草地生态过程也进行了改变。

草地退化会导致草地生产力下降和草地生态功能的削弱，并直接威胁当地牧区经济的发展，对于如何利用好草地资源，管理好干扰因子已成为亟待解决的问题，因此，积极地管理以及模仿自然过程在植被的恢复和景观的变化动态中具有正面意义。

4 结论

1)确立了VDDT在草地景观动态模拟过程中具有很强的适用性，并在对红原县草地景观进行动态变化模拟过程中表现出其具有较强结构性的特点。

2)描绘了红原县草地、林地以及未利用地3种主要景观类型斑块面积从2000到2020年的动态变化趋势，为草地景观的动态变化分析提供了一种新途径，为草地景观的管理与保护提供了有利依据。

3)VDDT工具由于不能直接输出地图数据，因此在草地景观动态变化中也存在一定局限性，需与其他地图输出软件(如景观情景分析技术：TELSA)以及实地验证数据相结合。

[1] Kurz W A, Beukema S J, Klenner W,etal. TELSA: the tool for exploratory landscape scenario analyses. Computers and Electronics in Agriculture, 2000, 27(1): 227-242.

[2] He H S. Forest landscape models: definitions, characterization, and classification. Forest Ecology and Management, 2008, 254(3): 484-498.

[3] Merzenich J, Kurz W, Beukema S,etal. Determining Forest Fuel Treatment Levels for the Bitterroot Front Using VDDT. Systems Analysis in Forest Resources[M]. Netherlands: Springer, 2003: 47-59.

[4] Arbaugh M J, Schilling S, Merzenich J,etal. A Test of the Strategic Fuels Management Model VDDT Using Historical Data From Yosemite National Park[C]. In: Neuenschwander L F, Ryan K C. Proc. Joint Fire Sci. Conf. and Workshop, 2000： 85-89.

[5] Ma Q Z. Protect the ecological grassland and build a beautiful pastoral areas. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(1):1-2.

[6] Tian Y H, Liu H Y. Advances of several selected topics in landscape ecological studies of grasslands. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(3): 427-433.

[7] Liu C R, Chen L Z. Landscape scale fractal analysis of patch shape in the vegetation of the Beijing region. Acta Phytoecologica Sinca, 2000, 24(2): 129-134.

[8] Cao C Y, Jiang D M, Zhu L H,etal. Horqin sandy meadow pasture degeneration and the cause of plant diversity. Acta Prataculturae Sinica, 2006, 15(3): 18-26.

[9] He D H, Zhao Z H, Zhang D Z,etal. Grassland landscape of insect community and population of habitat fragmentation reaction. Acta Prataculturae Sinica, 2009, 18(6): 235-241.

[10] Gao Y Z, Han X G, Wang S P,etal. The effects of grazing on grassland soil. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(4): 790-797.

[11] Shen Z H, Zhang X S, Jin Y X,etal. Gradient analysis of the influence of mountain topography on vegetation pattern. Acta Phytoecologica Sinca, 2000, 24(4): 430-435.

参考文献：

[5] 马启智. 保护生态草原、建设美丽牧区. 草业学报, 2014, 23(1): 1-2.

[6] 田育红, 刘鸿雁. 草地景观生态研究的几个热点问题及其进展. 应用生态学报, 2003, 14(3): 427-433.

[7] 刘灿然, 陈灵芝. 北京地区植被景观斑块形状的分形分析.植物生态学报, 2000, 24(2): 129-134.

[8] 曹成有, 蒋德明, 朱丽辉, 等. 科尔沁沙地草甸草场退化的原因与植物多样性变化.草业学报, 2006, 15(3): 18-26.

[9] 贺达汉, 赵紫华, 张大治, 等. 草原景观下昆虫群落及种群对生境破碎化的反应.草业学报, 2009, 18(6): 235-241.

[10] 高英志, 韩兴国, 汪诗平, 等. 放牧对草原土壤的影响.生态学报, 2004, 24(4): 790-797.

[11] 沈泽昊, 张新时, 金义兴, 等. 地形对亚忠带山地景观尺度植被格口影响的梯度分析.植物生态学报, 2000, 24(4): 430-435.

Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County

ZHANG Xue-Lian1**, GAN Xiao-Yu2**, DAO Li-Gang3, ZHANG Hong-Xuan3, DONG Kui4,YOU Cheng-Ming1, FU Pei-Bin1, GAN You-Min1*

1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China; 2.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SichuanGrasslandScienceAcademy,Chengdu611731,China; 4.CollegeofForest,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu625014,China

Based on remote sensing images of Hongyuan County collected between 2000 and 2010, a landscape classification map and grassland resource database were produced using ENVI software. In addition, 9 disturbance types were chosen to simulate the landscape succession to the year 2020 using the United States department of Agriculture Vegetation Dynamics Development (VDDT) tool based on the transition probability for 2000-2001. The results showed that: 1) In the 20 years, grassland decreased by about 824 km2, and forest by 191 km2, however, the unutilized area was predicted to increase by about 89 km2; 2) The VDDT tool provided an acceptable simulation of the landscape succession as indicated by the Hongyuan County land use maps for 2000 and 2010 [R2=0.9325(Area),R2=0.8833(Number)]; 3) The simulation showed an obvious degeneration trend for grassland in Hongyuan county. Factors affecting the future landscape pattern and rate of grassland degeneration were also analyzed.

landscape; grassland resource; variation; dynamic simulation

10.11686/cyxb20150525

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-11-28；改回日期：2015-01-06

国家自然科学基金青年科学基金项目(51108284),春晖计划项目,四川省科技厅项目(Z2006-1-61003,07JY029-024)和四川省科技厅支撑项目(13ZC1635)资助。

张雪莲(1989-)，女，四川仁寿人，在读硕士。E-mail: zh.xuelian89@gmail.com。干晓宇(1981-)，男，四川成都人，讲师，博士。E-mail: ganxy2@gmail.com。 **共同第一作者These authors contributed equally to this work. *通讯作者Corresponding author. E-mail: ganyoumin1954@163.com

张雪莲，干晓宇，道里刚，张洪轩，董奎，游成铭，符佩斌，干友民.基于VDDT的红原县草地景观动态变化模拟. 草业学报, 2015, 24(5): 217-223.

Zhang X L, Gan X Y, Dao L G, Zhang H X, Dong K, You C M, Fu P B, Gan Y M. Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 217-223.