基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究

赵海迪，刘世梁,*，董世魁，苏旭坤，张 翔

(1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室， 北京 100875; 2.阿尔金山国家级自然保护区管理局，库尔勒 841000)

基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究

赵海迪1，刘世梁1,*，董世魁1，苏旭坤1，张 翔2

(1.北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室， 北京 100875; 2.阿尔金山国家级自然保护区管理局，库尔勒 841000)

植被的分布及动态变化在一定程度上反映了动物栖息地的分布与变化。基于植被遥感影像数据及GIS空间分析，对阿尔金山国家级自然保护区植被景观的变化进行分析，同时通过植被类型要素识别出适宜藏羚羊生存的主要区域，对其植被覆盖度的时空变化进行分析。结果表明：保护区的植被覆盖度处于较低水平，低覆盖度植被区域占总植被覆盖区的50%左右，且植被覆盖度高的区域均集中在卡尔墩检查站的东南部。植被覆盖度在2000年、2005年、2010年间的增长趋势表明保护区植被对于动物的承载能力不断增大，植被的分布表明藏羚羊的活动区域植被覆盖度较高，而产羔区域的植被覆盖度较低且海拔较高。对藏羚羊取食植被针茅草原植被覆盖度的变化分析表明，针茅草原植被覆盖度随时间而有所提高，藏羚羊栖息地的面积可能有所增大，覆盖度分布的变化表明藏羚羊栖息地有向保护区西南方向扩散的趋势。对植被覆盖度与海拔关系的分析表明，高海拔区域植被覆盖度较低，中度海拔区域植被覆盖度较高，但是两者并不存在显著地相关性。

藏羚羊；阿尔金山自然保护区；归一化植被指数(NDVI)；植被覆盖度；针茅草原

被誉为‘高原精灵’的藏羚羊是一重要的野生动物物种[1]，该物种主要分布于我国的青海、西藏、新疆三省3700—5500 m的高山荒漠草甸草原和高原草原等环境中[2- 3]。然而由于环境的破坏以及非法的狩猎活动[4- 5]，使得藏羚羊的数量和分布在20世纪均出现明显的降低，作为国家I级保护动物已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》(CITES)公约附录I[6]。藏羚羊的保护引起了政府以及科研人员的广泛关注[7- 8]，目前关于藏羚羊的研究主要集中于其行为习性、生理、季节性的迁徙及繁殖等领域[9- 12]，然而有关藏羚羊栖息地的研究却相对较少。尤其在阿尔金山保护区，藏羚羊栖息地的分布情况至今仍未知。

植被条件决定着动物的数量及品质，而且也体现了气候、土壤等其他环境要素的状况，因此植被的分布可以在一定程度上决定栖息地的分布。近些年来，许多学者运用植被的分布预测了动物栖息地的分布状况。Vina等通过MODIS数据指示植被的分布从而成功的预测了卧龙保护区大熊猫的分布情况[13]。Ito等通过利用NDVI预测蒙古瞪羚的分布，指出NDVI可以作为动物栖息地的有效指示指标[14]。张军等通过分析多个植被性状与高原鼢鼠栖息地适宜度的相关关系得出植被的覆盖度可以用于栖息地的预测[15]。而且有的学者指出植被的动态变化可以有效的指示动物栖息地的变化情况[16]。遥感归一化植被指数(NDVI)与生物量、叶面积指数有较好的相关关系，是反映区域植被动态变化的最敏感指标，能够相当精确地反映植被的季节和年际变化，常用于大尺度的植被动态监测[17- 19]。因此，本文综合利用遥感影像NDVI数据及GIS空间分析，对阿尔金山自然保护区内总体植被及符合藏羚羊食性的植被覆盖度进行年际间的动态变化分析，进而初步预测栖息地及该区承载力的变化情况。该研究能够为阿尔金山保护区藏羚羊的保护提供理论基础和科学依据，以期更好地保护濒危珍稀的藏羚羊。

1 研究区概况

阿尔金山国家级自然保护区(36°00′—37°49′N，87°10′—91°18′E)位于我国新疆维吾尔自治区、青海省与西藏自治区三省的交界处，地处青藏高原的西北边缘地带，连接可可西里和羌塘自然保护区，位置示意图见图1。该保护区是世界上内陆面积最大的保护区之一，总面积45000 km2，其南北距离为190 km，东西为360 km，海拔在3748 m至6948 m之间变化。保护区于1983年5月正式建立，1985年3月被列为国家级自然保护区。保护区内全年无绝对无霜期，无明显四季之分，年平均气温在0 ℃以下，降水量在300 mm左右，高原多风特征明显，日照辐射强、地温变化大。由于地处偏远、自然条件恶劣的亚欧大陆高寒腹地，加之道路艰险、高原缺氧，使这里人迹罕至[20]，是我国四大无人区域之一，同时也使得保护区保留了丰富的自然资源及珍稀的野生动植物，是我国少有的高原生态系统保存完好的地区，为中外学者所瞩目[5]。

图1 阿尔金山自然保护区位置Fig.1 The location of Altun Nature Reserve

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的植被景观数据来源于研究区2000年、2005年、2010年3期的LANDSAT TM影像，该影像来源于美国联邦地质调查局(USGS)和中国科学院对地观测与数字地球科学中心，影像的条带号/行编号(Path/Row)为139/34、139/35、140/34、140/35、141/34、141/35，成像时间均在植被覆盖度较高的7—9月份，并利用ERDAS IMAGE图像处理软件结合野外调查对3期影像进行人工目视判读和监督分类，结合实地调研验证获得3个时期的保护区土地利用类型图，其影像的分类精度达到80%。然后提取出各期植被景观类型并进行合并，从而对3期中有植被覆盖的区域进行植被覆盖度的变化分析，以预测保护区整体动物栖息地的变化。为了以植被的动态变化更好地反应藏羚羊栖息地的变化，该研究提取适合藏羚羊捕食的植被类型区域，进一步基于NDVI进行藏羚羊适宜植被区域的植被覆盖度动态变化分析。植被类型数据由阿尔金山保护区管理中心提供。研究利用2000、2005、2010年的SPOT-VEGETATION逐旬NDVI数据，该数据由国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”网站下载，其空间分辨率为1 km×1 km。该数据集由比利时佛莱芒技术研究所VEGETATION影像处理中心经辐射定标、大气校正、云检测和几何校正等预处理，最后生成10 d最大化合成的NDVI数据，再通过DN=([NDVI]+0.1)/0.004转换为0—250的DN值[21]。

2.2 植被覆盖度动态变化分析

首先提取3期土地利用图中的植被景观部分并对3期植被进行植被覆盖度的计算与比较，分析植被覆盖度的变化情况。然后提取适宜藏羚羊捕食的植被类型区域进行主要栖息地的植被动态分析。藏羚羊适宜的海拔为3700—5500 m[22]，其捕食植被类型有禾本科、豆科、菊科、蔷薇科、玄参科、莎草科[23- 24]，而根据保护区所提供的植被类型图及相关文献[20]可知阿尔金山保护区的优势植被类型为针茅草原，且根据实地野外调查发现藏羚羊大多分布于针茅草原区域内。因此，本研究选取了针茅草原进行植被覆盖度的变化分析，进而对藏羚羊栖息地的变化进行预测，针茅草原在保护区的分布见图2。

图2 研究区针茅草原分布Fig.2 Distribution of feather grass steppe in the study area

要使植被指数能够定量的反映植被信息，需要赋予NDVI值以相应的植被覆盖含义，将植被指数转换为植被覆盖等级使得对于植被变化的定量评价更加直观[25]。利用NDVI提取植被覆盖度的方法主要有经验模型法、植被指数法和混合像元分解法[26]，而目前应用比较广泛的是Gutman所提出的混合像元分解法[27]。其基本原理为假定每个像元所对应的地表单元上只有植被和裸地两种覆盖类型，每个像元的NDVI为植被和裸地所对应的NDVI值的加权和，其权值即为两种覆盖类型在像元中的面积百分比[28]。由此可知植被覆盖度的计算公式为[29]：

(1)

式中,fc为植被覆盖度，NDVIi为像元的归一化植被指数，NDVIsoil为纯裸地覆盖像元的最小值，NDVIveg为纯植被覆盖像元的最大值。本研究中NDVIsoil值根据实际值及相关文献[27]，各年均取统一值0.01，NDVIveg为每年所有植被栅格中的最大值。由于年最大NDVI可以较好的反映该年度植被长势最好季节的植被覆盖状况，本研究采用每年各栅格最大化合成的值进行植被覆盖度的分析[30]。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度动态变化

利用2000年、2005年、2010年植被覆盖区域每个栅格中年最大合成的NDVI值计算相应年份的植被覆盖度，然后根据水利部2008年颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》中植被覆盖度分级标准，将植被覆盖度划分为5个等级：<30%(低覆盖度)、30%—45%(中低覆盖度)、45%—60%(中等覆盖度)、60%—75%(中高覆盖度)和>75%(高覆盖度)[29]。保护区内大部分的植被覆盖区域具有较低的覆盖度，低覆盖度植被占总植被覆盖区域的一半左右，而中高覆盖度区域所占比例较少，且主要分布于卡尔墩检查站的西南部及依协克帕提管护站附近(图3)。

图3 不同植被覆盖度的空间分布Fig.3 The spatial distribution of different vegetation coverage

植被覆盖度整体上由低覆盖度向高覆盖度转移，呈增加的趋势(图3)，其中，低覆盖度植被逐年减少，而其余4类覆盖度植被均出现增加的趋势(表1)。这表明保护区内植被面积随着时间而增加，即保护区对于动物的植被承载能力在增大。这也在另一方面反映出动物生存的栖息地有可能在逐年增多。根据野外调查及相关文献[31]可知，位于保护区东北部的阿牙克库木湖流域是藏羚羊的主要栖息地，而大部分的中、高植被覆盖像元均在该流域内(图3)，这表明藏羚羊对于栖息地的选择与植被的状况具有很大的相关性。另外藏羚羊在保护区内的产羔地主要位于保护区的西南部[32- 33]，而该区域内的植被覆盖度较低，这表明藏羚羊选择的产羔地植被比较稀疏，其对产羔地的植被要求较低。

表1 各植被覆盖度所占比例

3.2针茅草原区植被覆盖度变化分析

对比针茅草原分布及不同覆盖度植被的分布(图2，图3)，可以发现与保护区整体植被覆盖度相似，针茅草原多处于低覆盖度区域。为对比针茅草原在年际间的变化，对2000年、2005年、2010年针茅草原植被类型区进行植被覆盖度的变化分析。针茅草原中植被覆盖度相对较高的区域集中于卡尔墩检查站的西南部区域(图4)，同时该区域也是整个保护区内植被覆盖度较高的区域，且处于藏羚羊主要的活动区阿牙克库木湖流域。这表明藏羚羊对于栖息地的选择与植被的覆盖情况具有很大相关性。

图4 针茅草原植被覆盖度Fig.4 Vegetation coverage of feather grass steppe

对比3期针茅草原的植被覆盖度，可以发现针茅草原植被覆盖度整体上随着时间呈增加的趋势(图4)，3期平均植被覆盖度分别为23.32%、24.38%、24.68%，植被覆盖度非常低的区域逐渐减少，由针茅草原内低覆盖度向中覆盖度以及相对较高的覆盖度转变。适宜藏羚羊取食的针茅草原覆盖度的增大表明阿尔金山保护区适宜藏羚羊取食的植被面积加大，保护区对于藏羚羊的承载能力增强。同时针茅草原覆盖度的增加将使得藏羚羊栖息地的分布范围扩大，藏羚羊的分布将由保护区东部向西南部覆盖度提高区域扩散。该结果与中国环境报等所报道的阿尔金山自然保护区的科考结果相吻合。

3.3 植被覆盖度与海拔关系分析

为进一步通过植被覆盖度随海拔的分布情况预测分析动物栖息地的海拔分布，对植被覆盖度与海拔的关系进行了分析。对比植被覆盖分布与海拔分布的情况(图3，图5)，可以看出低覆盖度植被大多处于高海拔或低海拔区域，而中、高植被覆盖度区域的海拔高度大多处于中间水平，这表明动物的栖息地在中度海拔区域分布的可能性较大。由不同植被覆盖度区域的平均海拔可以看出(表2)，植被覆盖度与平均海拔没有显著地相关性，从总体上看低覆盖度植被及中、高覆盖度植被的平均海拔较低，中、高覆盖度植被的海拔分布比较集中。藏羚羊的主要栖息地阿牙克库木湖流域，平均海拔相对较低，而在藏羚羊的产羔地西南部地区海拔较高(图5)。

图5 植被覆盖区域的海拔分布Fig.5 The altitude distribution of areas with vegetation covered

Table2Averageelevationofdifferentvegetationcoveragearea

覆盖度Coverage年份Year200020052010低Low451844294466中低Mediumlow463746464632中等Medium456846174561中高Mediumhigh449544794432高High460145344416

4 结论与讨论

植被的变化在一定程度上可以反映动物栖息地的变化，对栖息地内的植被动态进行分析，可以预测栖息地在空间及面积上的变化。本研究主要从植被覆盖度的角度分析了阿尔金山保护区植被及适宜藏羚羊生存的针茅草原覆盖度的空间分布及动态变化情况。基于2000、2005、2010年植被覆盖区域，对研究区植被覆盖度的分析表明整个保护区的植被覆盖度处于较低水平，且覆盖较高的区域集中分布在卡尔墩检查站及依协克帕提管护站附近。由实地的野外调查及相关资料表明藏羚羊在阿尔金山的阿牙克库木湖流域分布较多，而在本文的研究中植被覆盖度相对高的区域均处于该流域内，再次验证了通过植被覆盖度指示栖息地分布的可行性。研究还发现藏羚羊主要活动区域的植被覆盖度较高，而产羔地的植被覆盖度较低，且海拔较高，表明藏羚羊在产羔时对于植被的要求较低而更注重的是安全性。对植被覆盖度动态变化的研究表明，保护区植被覆盖度随时间呈增大的趋势，从一定程度上反映了保护区对动物承载能力的增强。针茅草原植被覆盖度也随着时间而增大，表明保护区对于藏羚羊的承载能力有所提高，且由植被覆盖度的分布变化可以预测藏羚羊栖息地可能会由东部向西南部方向分散。同时，对海拔高度与植被覆盖度的关系进行了分析，结果表明两者没有显著地相关性，中、高植被覆盖度区域大多分布于中度海拔区，高海拔区域植被覆盖度较低，从而可以推测出动物偏好的海拔高度应为中度海拔。

阿尔金山自然保护区藏羚羊的栖息地分布状况仍然不为人知，通过藏羚羊适宜生存的环境要素识别出其适宜的植被景观区域，对其进行动态变化的分析具有十分重要的意义。根据本研究的结果，建议保护区加强对卡尔墩检查站及依协克帕提管护站附近的集中保护工作，同时由于藏羚羊栖息地可能向西南部扩散，因此还需适当地扩大保护的范围。对于藏羚羊栖息地的识别，还需要综合考虑人类活动干扰以及坡度、离水源距离等环境因素，从而与植被覆盖度的分布相结合更加准确的识别出藏羚羊的栖息地，为基于植被覆盖度的栖息地动态变化分析提供基础。另外，实地的野外监测也需要进一步实施，从而更好地验证植被遥感数据以及研究结果。

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Studyonspatio-temperalchangeofTibetanAntelope′shabitatbasedonvegetationcoverage

ZHAO Haidi1, LIU Shiliang1,*, DONG Shikui1, SU Xukun1, ZHANG Xiang2

1SchoolofEnvironment,StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2NatureReserveAdministrationofAltunNationalNatureReserve,Korla841000,China

The distribution and dynamics of vegetation can reflect the distribution and changes of wildlife habitat to some extent.Tibetan Antelope, well-known as ‘the numen of plateau′, is an endemic animal on the Qinghai-Tibetan Plateau.However, the survival and distribution of Tibetan Antelope have been threatened by environmental deterioration and illegal poaching.This animal has been listed as an Class I species by the Convention on International Trade in Endangered Species (CITES) and as Category I by the Key Protected Wildlife List of China.This situation has attracted a great deal of attentions from government and conservation professionals.The population distribution of Tibetan Antelope remains unkown in Altun National Nature Reserve.The Altun National Nature Reserve, the largest inland nature reserve of China established in May of 1983, is one of the four “no man′s-lands” in China.Due to its unique natural conditions, this reserve is preserving the rich natural resources, rare wild animals and plants.

In this study, we analyzed the dynamics of vegetation in Altun National Nature Reserve based on remote sensing image data and GIS tool.The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) data were collected in 2000, 2005 and 2010.We merged the regions, which were covered by vegetation in the study years and the suitable habitats were identified through interpreting vegetation types, which can be used by Tibetan Antelopes as grazing pastures.Based on NDVI datasets collected in different years, we calculated the vegetation coverage and analyzed the spatial and temporal variations of vegetation coverage.Moreover, the changes of habitat were analyzed on the basis of vegetation coverage variations.The results showed that the vegetation coverage of the reserve was at a low level, and grids with low vegetation coverage took up about 50% of the regions that were covered by vegetation.The grids with high vegetation coverage were mainly distributed in the southwest of Kardun inspection station.The vegetation coverage in the regions where Tibetan Antelopes mainly lived was relatively higher, and that in the regions where the animal lambed was lower.The upward trends of vegetation coverage over time reflected the increase of the reserve′s carrying capacity for animals, and it may also imply that the area of suitable habitat of this animal increased.The vegetation coverage of alpine steppe dominated by feather grass experienced a significant upward trend, also suggesting that carrying capacity of the reserve for Tibetan Antelope increased.The change of spatial distribution of feather grass steppe coverage indicated that habitat of Tibetan Antelopes might spread from east to southwest.The relationship between the altitude and vegetation coverage was not significant correlated.The study of habitat variations based on vegetation coverage is meaningful and can be used for better protecting this wildlife.Furthermore, we suggested that more factors could be integrated with vegetation coverage to precisely identify suitable habitat for animals, and more field surveys and monitoring should be conducted in the future.

tibetan antelope; Altun National Nature Reserve; NDVI; vegetation coverage; feather grass steppe

环保公益项目(201209033); “十二五”科技支撑项目(2012BAC01B02)

2013- 09- 19;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201309192309

*通讯作者Corresponding author.E-mail: shiliangliu@bnu.edu.cn

赵海迪，刘世梁，董世魁，苏旭坤，张翔.基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究.生态学报,2014,34(12):3285- 3292.

Zhao H D, Liu S L, Dong S K, Su X K, Zhang X.Study on spatio-temperal change of Tibetan Antelope′s habitat based on vegetation coverage.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3285- 3292.