青海省玛多县草地退化现状及动态变化研究

徐剑波，陈进发，胡月明，赵之重

(1.华南农业大学信息学院，广东 广州 510642； 2.青海大学农牧学院，青海 西宁 430072)

我国是世界第二草原大国，草原面积4亿hm2[1]。近年来，由于自然因素与不合理人类活动的共同影响，草地生态系统受到严重破坏，江河湖泊日渐干涸，大片沼泽湿地消失，鼠害泛滥，草地退化、土地沙化、水土流失日益严重，自然生态环境恶化形势十分严峻。

目前，草地退化在全国草地生态系统中占据着主导位置[2]，已成为制约全国草地畜牧业持续发展及生态环境改善的重要因素[3]。随着3S技术的不断完善，遥感监测法已成为区域大面积草地退化研究的主要手段[4]。因此，通过建立遥感信息与地理信息的关系模型，从TM影像上获得草地退化的数量、结构和空间分布，并分析对比研究区域20世纪80年代至今草地退化动态变化状况，从而为该区草地退化的综合治理和区域可持续发展提供参考。

青海省玛多县，地处三江源核心区，是黄河的发祥地，素有“千湖之县”的美誉。曾经富甲一方的玛多县，在20世纪60、70年代以水草丰美、牛羊遍野而闻名全国，在80年代初是全国三年连冠的首富县，然而到90年代后期却变成了贫困县。全县4 000多个湖泊大半萎缩干枯，草地退化面积达70%。2000年以来，随着三江源国家级自然保护区的建立，以及《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》和大量生态环境保护建设工程的实施，如今黄河源头地区已重现“千湖美景”，玛多县境内的湖泊又增加为3 700多个，基本恢复了原貌，扎陵湖和鄂陵湖的水域面积也达到了40年来的最大值。

玛多县近几年的生态变迁，已成为果洛藏族自治州退牧还草和生态保护工程取得实效的缩影。因此，对玛多县草地退化的研究，具有巨大的实际意义和研究价值。

1 研究区域概况

玛多县辖属于青海省果洛藏族自治州，位于33°50′～35°40′ N，96°50′～99°20′ E，北与都兰县相接，西靠曲麻莱县，西南以巴颜喀拉山为界，与称多县相连，南北宽约207 km，东西长约228 km，总面积25 253 km2。平均海拔在4 200 m以上，空气稀薄，气候寒冷，四季不分明，没有绝对的无霜期，年平均气温-4 ℃，属高寒草原气候。目前，玛多县辖2个镇(玛查里镇、花石峡镇)、2个乡(黄河乡、扎陵湖乡)。2009年总人口13 565人，其中牧业人口10 528人，占总人口的77.6%。地区生产总值10 076万元，全社会固定资产投资额10 778万元。

2 研究方法

2.1地面调查数据 数据调查时间为2009年7-8月。调查采样11个综合监测样区，每个样区取6个样方，共计66个样方，每个样方大小为1 m2。每个样区获得的数据主要包括经纬度、海拔、地貌特征、土壤特征、水文地质、草地类型、草地覆盖度、植株平均高度、地上生物量(鲜质量)和植物频度等。

2.2影像数据 由于玛多县面积较大，县界范围包括三景TM影像，中心点坐标分别为：主体部分(34.6° N，98.0° E)、北部(36.0° N，98.4° E)、东部(34.6° N，99.5° E)。三景影像经过大气校正、几何校正后，叠加镶嵌，再利用矢量化的玛多县行政范围裁剪，得到研究区域TM影像图(图1)。TM影像时间为2009年7月17日，与地面调查数据同步。

图1 研究区域获取流程(影像为321真彩色合成)

2.3草地退化指数计算方法

2.3.1地面评价指标的选择与数据处理 草地退化从量的角度看，主要反映在草地植株的矮化、草地植被盖度的降低以及草地植被生物量的下降[5]。因此，选择样点植株平均高度、植被覆盖度和地上生物量作为评价指标。为了消除不同量纲的影响，需要对各指标值进行归一化处理(公式1)。

(1)

式中，Vi是指标中第i个样点测量值的归一化值；Xi是第i个样点的测量值；Xmin是样点测量值中的最小值；Xmax是样点测量值中的最大值。

2.3.2指标权重的确定方法 由于植株高度、覆盖度和地上生物量在表征草地退化程度的能力上是有区别的，在草地植被退化评价中应赋予不同的权重。

为了避免人为打分确定评价因子权重带来的主观性和弊端，本研究采用多元统计分析中的主成分分析法计算各评价因子方差，通过计算各个因子方差占其总方差的比例，作为单项评价指标的权重值(U)，其计算公式以及过程如下。

在表1中，对n个指标进行主成分分析，便可得到n个主因子，同时这n个主因子也对应n个由上往下依次减少的方差贡献率。按各指标对于方差的贡献率取最大值的原则，其计算公式为：

U=max{W11P1,W21P2,W31P3,…,Wn1Pn}+

max{W12P1,W22P2,W32P3,…,Wn2Pn}+…+

max{Wn1P1,W2nP2,W3nP3,…,WnnPn

(2)

表1 指标权重分配

(3)

式中，Wi为该因子的权重。

2.3.3草地退化指数的计算 草地退化指数设定为高度、覆盖度和生物量的加权综合[3]，其计算公式为：

GDI=∑ViWi

(4)

式中，GDI为草地退化指数；Vi为样点测量值的归一化值；Wi为各指标权重。GDI作为地面综合评价指标，值越大，草地植被长势越好，表示草地退化程度越轻。

2.4植被指数计算方法 在计算草地退化指数的基础上，采用统计分析方法在多种常用植被指数中优选出最佳的植被指数，建立草地退化指数与影像植被指数的遥感评价模型。植被指数的计算方法与参数的选择，如公式(5)～公式(9)所示。

归一化植被指数(NDVI)：

(5)

垂直植被指数(PVI)：

(6)

差值植被指数(DVI)：

DVI=TM4-A×TM3

(7)

土壤调整植被指数(SAVI)：

(8)

修改型土壤调整植被指数(MSAVI)：

式中，TM3、TM4分别为Landsat TM的红光波段和近红外波段；A、B和L的取值分别为0.969 16、0.084 726和0.5[5-6]。

3 结果与分析

3.1评价指标权重 在SPSS中采用主成分分析法来确定草地高度、覆盖度和生物量的权重[7-8]。将原始数据标准化后进行因子分析，得到评价因子的载荷矩阵和方差贡献率(表2)。覆盖度和生物量在第一主成分因子中有很高的载荷，说明第一主成分基本反映了覆盖度和生物量的信息，而高度信息则主要在第二主成分中体现。最后，得出评价指标中高度、覆盖度和生物量权重分别为0.21、0.39和0.40。

表2 主成分载荷矩阵和方差贡献率

3.2遥感评价模型 利用SPSS软件对草地退化指数与多种常用植被指数进行相关性分析时发现，草地退化指数与修改型土壤调整植被指数(MSAVI)的相关性最高，相关系数达0.736，呈显著相关关系，并通过了0.01水平的显著性检验(表3)。因此，采用MSAVI作为草地植被退化遥感评价模型的变量，建立模型为Y=1.02+0.50 lnX(R2=0.665，F=11.7，Sig=0.008)。

另外，结果中MSAVI的相关性比NDVI的高，也反映出MSAVI修正了NDVI对土壤背景的敏感，降低了土壤背景的影响，从而更好地体现出研究区域低矮稀疏植被的覆盖状况[9]。

表3 植被指数与草地退化指数相关性分析

3.3草地退化现状分析 在MSAVI分布图(图2)和遥感评价模型的基础上，在ENVI软件中进行模型运算，影像中每个像元的草地退化指数值被一一算出，得到2009年玛多县草地退化分布图。

根据国家《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标(GB19377-2003)》，草地退化程度可分为重度退化、中度退化、轻度退化和未退化4个等级。结合实测样方的最大值、最小值和均值等，参照前人研究成果[3,10-12]，将草地退化指数划分为4个等级，并从草地退化分布图中得出各退化等级数量、结构和空间分布(图3、表4)。

2009年玛多县草地覆盖面积约222万hm2(表4)，与《青海省玛多县2009年社会经济统计资料》(玛多县统计局2010年6月)的统计结果相符。其中草地退化面积共计176万hm2，占草地总面积的79%；以轻度退化和中度退化为主，占草地总面积的66.5%；其次为无明显退化，占草地总面积的20.6%；而重度退化最少，占草地总面积的12.93%。

图2 2009年玛多县MSAVI分布图

图3 2009年玛多县草地退化状况分布图

表4 2009年玛多县草地退化状况

从空间分布上看，中度和重度退化草地主要分布在扎陵湖、鄂陵湖以北和花石峡镇东北部地区；未退化草地主要分布在扎陵湖乡、玛查里镇和黄河乡南部地区；轻度退化草地广泛分布于各乡镇。

3.4草地退化动态变化分析 玛多县在1987年和1997年进行了两次大的草地资源调查，统计结果[2]如表5所示。

1987年，玛多县草地退化面积约107万hm2，占草地总面积的46.55%，其中以轻度退化为主，占草地总面积的31.44%。

过渡到20世纪90年代，草地退化状况日益加剧。1997年草地退化面积约160万hm2，约占草地总面积的70%，比80年代增加了约53万hm2。退化程度以重度和中度退化为主，二者之和占草地总面积的64%。

地处三江源核心区的玛多县，由于其特殊的生态地位，土地退化状况和生态环境状况受到高度重视。2000年以来，随着三江源国家级自然保护区的建立，以及《三江源保护总体规划》和大量生态环境保护建设工程的实施，土地退化状况有了很大改观，黄河源头地区也重现“千湖美景”。

2009年，玛多县草地退化程度以轻度和中度退化为主，占草地总面积的66%。特别是重度退化程度也改善到了20世纪80年代的水平，退化面积约29万hm2，占草地总面积的12.93%。但草地退化形势依然较为严峻，2009年草地退化面积约176万hm2，较90年代增加了15 hm2左右，12年间增加了10%。

表5 不同时期玛多县草地退化状况对比

4 小结

草地退化地面综合评价指标中植株高度、植被覆盖度和生物量权重分别为0.21、0.39和0.40。

草地退化指数与多种常用植被指数的相关性分析中，修改型土壤调整植被指数(MSAVI)的相关性最高，相关系数达0.736，呈显著相关关系，并且模型可定量表达为:Y=1.02+0.50 lnX。

2009年玛多县草地覆盖面积约222万hm2，其中草地退化面积达176万hm2，占草地总面积79%，以轻度和中度退化为主，占草地总面积66.5%。从空间分布上看，中度和重度退化草地主要分布在扎陵湖、鄂陵湖以北和花石峡镇东北部地区；未退化草地主要分布在扎陵湖乡、玛查里镇和黄河乡南部地区；轻度退化草地广泛分布于各乡镇。

随着三江源自然保护区的建立，大量生态保护建设工程的实施，玛多县草地退化由20世纪90年代的以重度和中度退化为主，转变为以轻度和中度退化为主，重度退化程度也改善到了80年代的水平。但草地退化依然在不断扩张，2009年草地退化面积比1997年增加了15万hm2，12年间增加了10%。

由于未能获得20世纪80年代与90年代的植株高度、植被覆盖度和生物量等历史数据，而直接借助了前人的草地调查结果，因此，在草地调查与统计方法上不能完全一样。

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