禁牧对盐池县草地覆被变化的影响

仲俊涛，王 蓓，米文宝，毛文婷，杨显明，杨美玲

(1.青海师范大学地理科学学院，青海 西宁 810000； 2.兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000；3.宁夏大学资源环境学院，宁夏 银川 750021； 4.德清县地理信息中心，浙江 湖州 330521)

北方农牧交错带是一个极具特殊含义的地理单元，生态屏障作用显著。从自然条件看，北方农牧交错带是我国季风区与非季风区的交错过渡地带，年降水量300 mm左右，降水年变率大，生态环境十分脆弱，是典型的生态脆弱区；从社会文化方面看，农牧交错带是我国农耕文明与草原畜牧文化的交流融合地带，是典型的多民族聚居区和贫困集中区，是我国重要的畜牧业生产基地[1]。草地作为该区最主要的生态系统类型，其可持续发展长期面临严峻挑战[2-5]。历史上，人类长期不合理的开发利用，加剧了这一区域草地生态环境的恶化，使之成为我国土地退化、荒漠化和风沙灾害最严重的地区，同时也是水土流失最严重的地区之一[6-9]。因此，创新草地利用与管理模式是农牧交错带草地乃至整个生态系统可持续发展的迫切要求。

地处北方农牧交错带核心区的宁夏盐池县，草地类型以荒漠草原和干草原为主，草地面积大，但质量差，以5级和4级草地为主[4]，净初级生产力较低，载畜量有限。同全国大部分牧区一样，20世纪末，盐池县草地严重超载，草地退化、沙化现象普遍，出现了严重的生态环境问题，影响到西北地区东部的生态安全，2001年，宁夏回族自治区开始实施全面禁牧政策[10]，并先后在农牧交错带大面积推广。因此，研究禁牧15年来，盐池县草地覆被变化及主要影响因素对草地资源管理至关重要。

传统的草地覆被要靠野外调查完成，随着RS与GIS技术的发展，将传统野外调查与现代RS与GIS技术相结合，成为开展草地生态系统调查评估的重要手段。1989年Tueller率先介绍了遥感在草地调查中的应用[11]，20世纪90年代末，李博[12]借助遥感技术对我国北方草地做了动态监测研究，李建龙等[13-14]对我国草地遥感的发展进行了系统分析，查勇等[15]介绍了国际草地遥感。随后，关于草地遥感动态监测的研究大量涌现，李亚刚等[16]以甘南牧区的草地为研究对象，引入垂直植被指数，探讨了该指数在草地遥感监测中的适用性；还有利用遥感和GIS技术，结合草地野外采样调查，或利用MODIS-EVI数据反演玛曲县草地退化的时空格局，对玛曲县草地的退化情况进行调查并分析退化空间差异的人文影响因素[17-18]；戴声佩等[19]利用遥感和地理信息系统方法，采用SPOT VDT-NDVI数据，研究了祁连山草地覆被变化的时空特征；曹旭娟等[20]采用草地NDVI反演植被覆盖度，以其为草地退化的评判标准，研究了藏北草地退化的时空分布规律，这些研究都表明草地遥感与盖度反演方法科学可行。虽然有关草地遥感动态监测理论和方法的研究已有很多，但针对农牧交错带草地覆被变化的研究依然薄弱，尤其对盐池县这类生态脆弱且敏感的干草原与荒漠草原过渡区研究仍显不足[5,21]。且多数研究表明，草地植被恢复与气候等因子存在显著关系[22-27]。基于此，本研究运用遥感与GIS相结合的方法对盐池县禁牧封育以来草地覆被变化进行评估，并分析其影响因素，以期为农牧交错带禁牧政策和退化草地恢复与管理提供理论依据。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

盐池县地处我国西北内陆，宁夏回族自治区东部，位于北方农牧交错带核心区，生态环境脆弱，生态地位突出。地理位置介于37°04′-38°10′ N，106°30′-107°41′ E，其北部与内蒙古自治区鄂托克前旗相连，西部与宁夏灵武市、同心县接壤，东部和南部分别与陕西省定边县和甘肃省环县为邻。盐池是宁夏唯一的牧业县，畜牧业经济发达，盐池滩羊驰名中外。

1.2 数据来源

遥感影像数据：根据研究需要，从美国地质勘查局网站(http://glovis.usgs.gov)上选择研究时段前期、初期、中期、近期的5期Landsat TM/ETM+/OLI影像，空间分辨率为30 m。尽量选择植被生长茂盛的7-9月时相无云或者少云的高质量遥感影像数据。禁牧前选择2000年8月22日，禁牧初期选择2004年8月17日，中期选择2007年7月9日和2010年7月17日，近期选择2015年9月1日。

野外控制点：由于盐池县轮廓南北长东西短，在南北方向上布设样带2条，在东西方向上布设样带3条，2015年8月19-30日围绕盐池县建立100个遥感解译判读标志和控制点，用于室内解译标志的建立和解译精度的校准检验，其中草地样点63个、耕地样点12个、林地样点9个、建设用地样点10个、未利用地样点5个、水体样点1个。

其他数据：2011年8月第二次全国土地利用调查盐池县土地利用分类图及其他土地利用、草牧业发展规划等相关数据、图件等。产草量等数据来源于盐池县草原站调研，社会经济数据来源于《盐池县统计年鉴》。

1.3 遥感解译

遥感影像处理采用Erdas 9.3软件完成，影像预处理包括影像融合、辐射校正、几何校正、影像裁剪等内容[28]。遥感解译按先整体后局部、先易后难的顺序进行，采用直接判读、对比分析、逻辑推理、动态分析等方法，充分利用遥感影像的纹理、大小、形状、颜色、亮度和饱和度等差异来判别土地利用类型。对疑难图斑的解译采用室内解译与野外调查相结合、遥感数据与已有相关信息相结合、野外抽查验证等综合检验手段进行，确保解译结果的质量和精度。参考《土地利用现状分类》2007年中国国家标准，结合研究区实际情况及特点，将土地利用类型划分为耕地、建设用地、林地、草地、未利用地、水体6个一级类，建立统一的解译判读标志[29]。

1.4 草地盖度反演

归一化植被指数(NDVI)常被用来表征植被的生长状况，取值范围为-1～1，正值表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大，因此可以通过草地NDVI变化情况反映草地覆盖度变化。研究根据草地遥感解译结果，在GIS技术支持下，获取解译后5期影像草地植被NDVI值，通过野外63个草地样点覆盖度与样点NDVI建立相关关系，反演出栅格尺度(30 m×30 m)草地盖度，相应的将草地按照盖度划分为高、较高、中、较低和低覆盖度草地。

1.5 多元线性回归分析

影响草地植被变化的因素是复杂多样的，既包括自然因素(气温、降水等)，也包括社会经济因素(放牧情况、人类活动等)，因此采用多元线性回归分析更有意义、更符合实际。研究运用Stata12.0统计分析软件确定各相关影响因素与草地质量(草地盖度和产草量)之间的相互关系。

2 结果与分析

2.1 草地面积时空变化

对5期遥感影像的解译结果(图1、图2)进行对比分析表明，盐池县各类用地面积，2000年由大到小依次是草地、耕地、未利用地、林地、建设用地和水体；2015年由大到小依次是草地、耕地、林地、未利用地、建设用地和水体，其中草地面积占总面积的60%以上，处于绝对优势。15年来，草地、林地、耕地和建设用地面积出现了增加，其中草地和林地增加比较明显，增长幅度较大；水体面积变化不大，出现较大幅度波动，主要由占比很小所致；未利用地面积则出现大幅度减少。

草地面积由2000年的3 760.14 km2持续增加到2015年的4 250.77 km2，比重由56.19%增长到63.52%，增加约490 km2，所占用地比重增加7.33%。从空间上看，草地在中南部地区增长最明显，突出表现为一条西南-东北走向的巨大沙带逐渐消失；南部麻黄山区大量未利用地和旱耕地转化为草地，表明近年来盐池县封育禁牧、退耕还草等生态建设项目成绩斐然。

从乡镇看，除麻黄山乡外，草地面积都处于绝对优势，冯记沟乡所占比重最高，麻黄山乡增幅最大。花马池镇草地面积由2000年的487.73 km2增加到2015年的529.20 km2，所占比重由50.18%增长到54.45%；大水坑镇草地面积由2000年的489.39 km2持续增加到2015年的636.07 km2，所占比重由45.33%增长到58.91%；惠安堡镇草地面积由2000年的570.63 km2持续增加到2015年的671.44 km2，所占比重由58.17%增长到68.44%；高沙窝镇草地面积维持在690 km2左右，占70%左右；冯记沟乡草地面积略有增加，在560 km2左右，占80%；王乐井乡草地面积维持在510 km2左右，占60%以上；青山乡草地面积由2000年的314.71 km2增加到2015年401.09 km2，所占比重由53.28%增长到67.9%；麻黄山乡草地面积由2000年的138.24 km2持续增加到2015年的254.67 km2，所占比重由25.69%增长到47.33%。总之，盐池县土地利用中，草地和林地面积增加显著，未利用地面积减少明显，耕地、建设用地和水体的变化不大，各乡镇虽有差异，但趋势相同，仅幅度有异。

2.2 草地盖度时空变化

根据建立的63个草地样点盖度，与样地的NDVI建立相关关系(图3)，反演出盐池县栅格尺度草地盖度，根据划分标准(表1)将草地分成高覆盖度、较高覆盖度、中覆盖度、较低覆盖度和低覆盖度草地5等，并利用地理信息系统方法统计各等级草地面积变化(图4)。

图1 盐池县土地覆被年变化Fig. 1 Land use cover changes in Yanchi County

图2 盐池县各用地面积年变化Fig. 2 Land area change by type in Yanchi County

2000年以来，盐池县草地盖度增加明显，从所占比例来看，不同质量草地占比呈纺锤形，其中较低覆盖度草地处绝对优势，其次是中覆盖度草地，二者占到草地总面积的85%以上(图4、图5)。低覆盖度草地占比较小，由133.43 km2增加到211.36 km2，比例由3.55%增长到4.97%；较低覆盖度草地面积最大，但整体处于下降态势，由2 804.86 km2减少到2 695.28 km2，比例由74.61%下降到63.42%；中覆盖度草地所占比重较大，处于先增加再减少的态势，由746.73 km2增加到942.80 km2，比例由19.86%提高到22.18%；较高覆盖草地所占比重较小，涨幅最大，由66.23 km2增加到370.02 km2，比例由1.76%增长到8.71%；高覆盖度草地面积增长十分明显，由8.25 km2增加到30.72 km2，比例由0.22%增长到0.72%。

图3 草地覆盖度反演Fig. 3 Inversion of grassland coverage

图4 草地等级分布年变化Fig. 4 Distribution of different grass levels in Yanchi County

图5 各级草地占比Fig. 5 Grass at different levels of coverage in Yanchi County

从乡镇来看，花马池镇草地覆盖度最高，其中低覆盖度草地比重由57.18%减少到39.12%，较高覆盖度草地比重由3.71%增加到15.74%；大水坑镇草地主体为较低覆盖度草地，比重由90.45%减少到77.65%，中覆盖度草地比重由6.05%增加到12.19%，较高覆盖度草地比重由0.46%增加到7.10%；惠安堡镇草地质量最差，主体为较低覆盖度草地，其比重由90.01%减少到72.95%，中覆盖度草地比重由6.02%增加到14.01%，较高覆盖度草地比重由0.45%增加到8.08%；高沙窝镇草地质量较高，其中较高覆盖度草地比重由3.29%增加到9.28%；冯记沟乡草地质量较差，且提升不明显，较低覆盖度草地比重由81.41%减少到65.29%，中覆盖度草地比重由13.87%增加到23.46%，较高覆盖度草地比重由1.14%增加到6.78%；王乐井乡草地质量不高，但提升显著，较低覆盖度草地比重由74.82%减少到56.87%，中覆盖度草地比重由18.98%增加到29.46%；较高覆盖度草地比重由1.08%增加到9.19%；青山乡草地质量提升明显，较低覆盖度草地比重由73.26%减少到66.31%，较高覆盖度草地比重由2.58%增加到6.68%；麻黄山乡草地质量提升明显，较低覆盖度草地比重由89.52%减少到71.12%；中覆盖度草地比重由8.52%增加到19.72%；较高覆盖度草地比重由0.47%增加到4.69%。

以盐池县几何中心(37°37′14″ N，107°02′46″ E)为中心点，将盐池县分为8个方位(图6)，进行不同方向分析，通过不同方位草地面积和盖度变化来分析草地覆被空间变化特征。

图6 不同方位草地等级分布Fig. 6 Different azimuths of grassland level distribution in Yanchi County

盐池县草地在N和S方向分布面积最大，其次是SW方向，再次是NE和NW方向，SE、W和E方向草地面积较小。2000年各方位草地面积从大到小依次是N(841.91 km2)、SW(634.38 km2)、S(563.27 km2)、NW(526.23 km2)、NE(502.09 km2)、W(308.20 km2)、SE(251.63 km2)、E(131.78 km2)，2015年变为N(829.33 km2)、S(794.99 km2)、SW(662.35 km2)、NE(547.70 km2)、NW(526.07 km2)、SE(391.29 km2)、W(310.04 km2)、E(184.04 km2)。在N和NW方向，草地面积有所降低，其中以N方向减少最多(12.57 km2)，其余6个方向均为增长态势，其中S和SE方向增加最多，分别达231.71 km2和139.66 km2。较低覆盖度草地是主要等级，2000年各方向较低覆盖度草地所占比例介于60.62%～90.02%，SW最高，N最低，2015年介于36.83%～80.06%，S最高，NE最低；2000年中覆盖度草地比重介于4.30%～33.32%，N最高，SW最低，2015年介于8.19%～44.25%，NE最高，S最低。由此可见，盐池县草地在NE、N方向盖度最高，SW、S方向盖度最低。N方向草地盖度有所提升，表现为较高覆盖度草地面积由29.59 km2增加到150.04 km2，中覆盖度和较低覆盖度草地面积显著下降，分别减少79.14和64.77 km2；NE方向，草地盖度增加最明显，高、较高和中覆盖度草地面积都有显著增加，其中较高覆盖度草地面积由17.03 km2增加到83.83 km2，中覆盖度草地面积由157.08 km2增加到242.37 km2，较低覆盖度草地面积由307.84 km2减少到201.71 km2；E和S方向草地盖度增加不明显，如S方向，较低覆盖度草地面积由497.83 km2增加到636.51 km2；SE方向中和较低覆盖度草地增加较明显，中覆盖度草地面积由18.63 km2增加到72.45 km2，较低覆盖度草地面积225.37 km2增加到302.32 km2；SW和W方向，草地等级提升也比较明显，表现为中和较高覆盖度草地显著增加，较低覆盖度草地面积大幅减少，SW方向较高覆盖度草地面积由1.99 km2增加到84.59 km2，高覆盖度草地面积由0.52 km2增加到6.55 km2，而较低覆盖度草地面积则由571.10 km2减少到443.93 km2；NW方向草地盖度变化不大，较低覆盖度草地面积减少10.55 km2，中覆盖度草地面积增加10.47 km2。

总之，草地面积在N和S方向最大，在S和SW方向增加最多；草地盖度在NE和N方向最高，在SW和S方向最低。草地盖度在两个区域提升最明显，一是东北部的花马池镇，得益于三北防护林建设和哈巴湖国家级自然保护区的设立；二是定武高速公路与盐惠线两侧区域，是盐池县重点打造的草畜产业带，对草原进行补播、改良，也是人工种植牧草力度最大的区域.

2.3 影响因素分析

草地生态系统受自然生态系统和社会经济系统的双重作用，属于复合巨系统。探究草地覆被变化，需要对自然生态系统和社会经济系统进行分析。参照相关 研究[21-25]，结合研究区实际，在自然生态系统中选取与草地关系密切的年均温、降水量,在社会经济系统选取羊只存栏量(盐池县畜品种以滩羊为主，且占绝对优势)、羊肉产量、牧业收入和牧业经济增长率等因素进行分析。运用Stata12.0软件中的多元线性回归分析方法，对各要素与盐池县草地质量(以草地鲜草产量和植被覆盖度表示)进行回归分析，明确各要素与草地覆被的关系。

在Stata12.0软件回归分析中，当P>|t|值小于0.1时，其结果通过检验，即该指标影响显著。结果(表2)表明，产草量和草地盖度与各要素的回归分析结果相似，有且只有牧业经济增长率、年均温和年均降水量3个指标通过检验，表明该指标显著影响草地产草量和草地盖度。通过3个指标的回归系数可以看出，牧业经济增长率和年均温对草地质量起反作用，而年降水量则起正向促进作用。

表2 草地质量与各要素回归分析Table 2 Return analysis of grassland quality and the influencing factors

牧业经济增长率实际反映出草地的生产功能，当牧业经济增长较快的时候，农牧民会扩大养殖规模，牲畜存栏量会相应增加，对草地的利用强度就会提升，草地畜牧业生产压力也会增大(现实中仍存在明显的偷牧现象)，草地质量可能会下降。羊只存栏量与草地质量仍呈一定的负相关关系，但不够显著(P>|t|值接近0.1)，主要由于盐池县实施全面禁牧政策，羊只不允许进行放牧，养殖的饲草料主要是玉米、秸秆和其他饲料，所以二者的关系相对弱化，但仍存在一定的影响。

气温和降水是草地覆被最基础、最重要的自然指标，对草地面积和盖度变化有直接影响。通过回归分析发现，气温和降水对草地质量有显著影响。气温与草地质量负相关，说明在半干旱区的农牧交错带，气温升高会加剧地区的干旱，对草地恢复不利；而降水量与草地质量则正相关，表明在半干旱区降水量的多寡将直接影响到草地质量的高低。

3 讨论与结论

农牧交错带草地恢复与气温显著负相关，这与杨元合等[22-25]对青藏高原和黑河流域的研究结果相反，与降水量显著正相关，与周伟等[24]对我国北方草地的研究结果一致。西北地区干旱少雨，水分的多寡将直接影响到草地植被变化，决定着草地的面积和质量。相关青藏高原和西北内陆河流域的研究[22-24]显示，气温升高对草地是正向影响，与本研究相反，均符合区域实际。在青藏高原，气温是影响草地生态系统发展的主要因素，气温的升高促进热量的增加，进而提高草地的净初级生产力；在西北内陆河流域，如黑河、石羊河流域，其水分来源主要靠高山冰雪融水，而冰雪融水的多寡，与气温显著正相关，因而在西北内陆河流域，草地生态系统与气温呈显著正相关关系。但在盐池县，水分主要来源于大气降水，基本没有外来河流的补给，气温的升高将直接加剧干旱，对草地恢复不利，这与农牧交错带[20]和中国北方草地等[25]相关研究结果相吻合。

禁牧后草地覆被变化存在一个显著的“N”型波动，造成波动的原因：1)降水的波动性。研究区草地生态系统与降水量显著正相关，丰水年份草地面积和质量相对高于欠水年份；2)政策实施的松紧程度。全面禁牧政策在实施初期比较严格，偷牧现象极少，草地质量提升明显，随后会有所松动，偷牧现象增加，草地质量出现一定下降，最后系统逐渐趋于稳定，面积和质量稳步提升；3)草地植被恢复的自然特点。草地面积增加较草地盖度提高会有一定的滞后性，在完全禁牧的情况下，草地盖度在当年就会有显著增加，而草地分布的扩大则需要随后几年逐渐扩散；4)草畜产业的波动性。通过对盐池县羊只存栏量统计发现，养殖业存在3～4年的短周期波动，这与宋乃平等[5]的研究结果吻合，这种周期的存在会导致草地生产功能存在同样的周期波动，因而草地覆被也会出现相应的波动现象。

全面禁牧生态效益显著，禁牧后，盐池县草地覆被提升显著，表现为面积持续增加，覆盖度显著提高。草地面积由2000年的3 760.14 km2增长到2015年的4 250.77 km2，草地增加约490 km2，其中以正南和西南方位的大水坑镇、惠安堡镇和麻黄山乡草地面积增加最多；草地覆盖度提升明显，其中较低覆盖度草地比重由74.61%减少到63.42%，中覆盖度草地比重由19.86%增加到22.18%，较高覆盖度草地比重由1.76%增加到8.71%，其中以东北和正北方向的花马池镇覆盖度提升最明显。

禁牧后，草地生态功能与生产功能客观上仍构成一组悖论，表现为草地生态系统与牧业经济增长率和年均温均呈显著的负相关关系，与年降水量呈显著正相关关系。牧业经济增长与草地生态系统发展负相关，表明盐池草地仍存在一定的生产功能(草地割刈与偷牧等)；农牧交错带气温升高会加剧这一地区的干旱，对草地生态系统具有显著的负向作用；降水与草地生态系统呈显著正相关关系，在半干旱区降水量的多寡将直接影响到草地质量的高低。

牧业经济体现出草地的生产功能，气温和降水反映出草地的生态功能，禁牧后，草地的生产功能与生态功能客观上仍构成一组悖论，表明禁牧政策实施段时间后，存在一定程度地松动，禁牧政策监督管理不严格，盐池县等农牧交错带地区的地方政府应提高对禁牧必要性的认识，加强禁牧管理，严格执行禁牧政策，对偷牧现象加大处罚力度，确保禁牧效果持续巩固，同时应加强禁牧后草地生态补偿方面的研究与实践，补偿农牧民的禁牧损失。