三江源区“黑土滩”型退化草地时空变化

朱 霞，钞振华，杨永顺，张晓明

（1.青海省环境监测中心站，青海 西宁810007；2.南通大学地理科学学院，江苏 南通226007）

“黑土滩”退化草地是青藏高原高寒环境条件下，以嵩草属（Kobresia）植物为建群种的高寒草甸严重退化后形成的一种大面积次生裸地，或原生植被退化后形成的丘岛状的自然景观，主要由未破坏草皮和秃斑地组成［1］。素有“江河源”之称的三江源区地处青藏高原腹地，是长江、黄河和澜沧江的发源地，是保障整个三江流域中下游地区乃至东南亚国家水安全极为重要的生态功能区。作为源区自然生态系统的主体，高寒草甸既是支撑高原畜牧业发展、维系农牧民生活水平的重要物质基础，又对涵养水源、保护生物多样性等生态功能有着不可替代的作用［2-3］。在气候变暖和长期超载放牧的影响下，江河源区的草地退化现象明显，形成了大面积“黑土滩”型退化草地，主要表现为嵩草属植物在草群中的比例显著下降，可食牧草比例及地下根量随之下降，而毒草比例显著增加。“黑土滩”型退化草地如不及时加以综合恢复治理，很容易变成风蚀草地，进而失去利用价值［4-8］。及时准确地了解“黑土滩”型退化草地的空间分布及动态变化，对治理三江源地区草原退化和推进该地区生态环境保护尤为重要。

遥感技术具有实现大面积同步监测和时效性强等特点，在生态环境变化、草地资源监测等方面的应用得到了肯定［9-12］，在草地类型、草产量、载畜量及草地退化成因等调查方面都起到了重要作用［13-15］。目前，利用遥感技术针对“黑土滩”型退化草地的动态变化及空间分布的监测研究鲜有报道。李永花等［13］利用TM卫星遥感图像，采用人工目视判读的方法对三江源地区黑土滩退化草地进行了解译，形成该地区黑土滩退化草地本底资料数据。其他研究倾向于从生态学角度研究不同退化程度黑土滩草地群落特征的变化、危害以及治理方案等方面的探讨［14-16］。“黑土滩”特殊的秃斑状形态是利用遥感技术对其进行监测的难题。本研究利用高分辨率遥感数据QuickBird影像和中分辨率的Landsat TM影像，研究了三江源区达日县项目试验区典型“黑土滩”退化草地的空间分布范围，对比了两种遥感资料在“黑土滩”退化草地监测的优势，并利用TM资料分析了研究区2000-2011年“黑土滩”退化草地的时空变化规律。

1 研究区概况

达日县位于青海省果洛藏族自治州东南部，98°15′-100°33′E，32°37′-34°15′N，全县东西长162km，南北宽126km，总面积约1.5万km2。地形呈蝴蝶状，地势西北高，东南低，全县平均海拔4 000m，巴颜喀拉山脉从西北向东南延伸，将达日分为长江、黄河两大水系。该县气候变化剧烈，昼夜温差大，冬长夏短，四季不分明，年均降水量569 mm，属半湿润高寒气候［17-18］。天然草地约占全县土地面积的94%，草地每年5月中旬开始返青，牧草生长期只有120d左右。目前，达日全县“黑土滩”退化草地面积达到5 488km2，占全县中度以上退化草地面积的56.8%。为更好地了解三江源生态恢复保护和建设的成效，本研究在达日县东部（以满掌乡布东牧区为主）建立了项目研究区，并利用GPS在项目区监测了90个样点进行了“黑土滩”退化草地实地调查（图1）。

2 数据与方法

2.1 数据介绍

QuickBird卫星是由美国Digital Global公司于2007年10月18日发射的，全色波段地面分辨率为0.61m，多光谱波段空间分辨率为2.44m，重访周期为1～6d，成像幅宽16.5km×16.5km，是目前世界上应用较为广泛的高分辨率商业卫星之一。Landsat-5卫星是美国于1984年3月发射的光学对地观测卫星，空间分辨率为30m，扫描带宽185 km。针对2005年1月26日经国务院常务会议批准的青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划以及相应具体生态工程项目在研究区的实施，本研究选用的遥感资料主要包括：2007年6月29日QuickBird影像，2000年7月1日、2007年7月14日和2011年8月1日共3期Landsat TM影像，其中QuickBird影像主要用于评价Landsat TM影像对黑土滩的解译结果。虽然QuickBird影像空间分辨率高、解译精度高，但其覆盖范围小、价格昂贵，而Landsat TM影像覆盖范围大，经济上可行。因此，利用2 0 0 0、2 0 0 7和2 0 1 1年的Landsat TM影像分析以放牧为主要利用方式的试验区的“黑土滩”型退化草地的时空变化。

图1 研究区及GPS采样点Fig.1 The study area and GPS sampling points

2.2 研究方法

单景影像往往不能覆盖项目试验区，借助影像镶嵌技术将多幅遥感图像拼接在一起，构成试验区的整体图像。为了提高影像目视解译和自动识别的精度，充分利用全色波段的高空间分辨率和多光谱波段丰富的光谱信息，对遥感影像进行图像融合以实现增强多光谱图像空间分辨率。然后利用野外的调查结果建立判读标志库，利用人机交互的方式对影像进行目视解译，并对解译结果进行验证修整，最终获取研究区“黑土滩”空间分布范围（图2）。

另外，依据青海省地方标准《“黑土型”退化草地登记划分及综合治理技术规程》（DB63），将“黑土滩”退化草地的等级划分为轻度、中度和重度三级。

3 结果与分析

3.1 QuickBird与Landsat TM影像对比分析

高分辨率的QuickBird影像能很好地反映地面真实土地利用状况（表1），根据纹理、阴影等特征对该试验区的QuickBird影像进行遥感解译，土地利用状况与GPS采样点实际调查结果基本吻合（图3、4），因此，将QuickBird影像解译结果作为真值。同样对中分辨率的Landsat TM影像进行遥感解译，与真值影像对比，发现Landsat TM影像解译结果较差，不能很好地识别灌木类植被覆盖、交通运输用地及住宅用地等土地利用状况。

图2 “黑土滩”退化草地变化分析的遥感监测技术路线图Fig.2 Remote sensing monitoring technology roadmap of Black Soil Type Degraded grassland spatial-temporal variations

表1 2007年7月1日TM影像与6月29日QuickBird影像的试验区土地利用类型比较Table 1 Comparing the land-use type of QuickBird image on June 29，2007with the Landsat TM images on July 1，2007

对占地面积较大的土地利用类型，Landsat TM影像的判别误差较小，相反对占地面积较小的土地类型的判别误差较大。非黑土滩类中河流水面的判读误差最大，为331.03%；沼泽地的判读误差最小，为10.19%；对占地面积较小的灌木林地、农村宅基地和农村道路没有判别出来，天然草地、栽培草地和内陆滩涂判读误差介于31%～62%，非黑土滩类整体判读误差为20.89%，黑土滩类中度黑土滩的判别误差最大，为75.15%，重度黑土滩的判别误差最小，为9.69%，轻度黑土滩的判别误差为24.39%，黑土滩类整体判读误差为4.64%。这表明Landsat TM影像解译结果对非黑土滩类土地利用类型的判读误差较大，对黑土滩类土地利用类型的判读误差较小，能够满足“黑土滩”型退化草地的监测研究。

非黑土滩类中天然草地主要分布于海拔为4 300m左右的试验区东南部；栽培草地受人类活动影响较大，主要分布在河谷地；内陆滩涂和沼泽地面积较小，主要分布在河流附近区域；黑土滩类土地分布较广，约占研究区面积的92%；其中轻度黑土滩主要分布在海拔4 100-4 250m，占黑土滩类面积的67%，中度黑土滩零散地分布在各种土地利用类型中，占黑土滩类面积的2%；重度黑土滩广泛分布于整个试验区，占黑土滩类面积的31%（图3、4）。

3.2 “黑土滩”型退化草地的时空变化

如表2所示，与2000年相比，2007年非黑土滩总面积减小了2.60km2，其中天然草地面积减小了2.93km2，栽培草地面积增大了0.23km2，草地类总面积减小了2.70km2，年均减小0.39km2；灌木林地、农村宅基地、农村道路和河流水面的面积均无变化；内陆滩涂面积增大了0.25km2，沼泽地面积减小了0.15km2。与2000年相比，2011年非黑土滩总面积增大了5.08km2，其中天然草地面积增加了3.99km2，栽培草地面积增大了1.20km2，草地类总面积增大了5.19km2，年均增大0.47km2；灌木林地、农村宅基地、农村道路和河流水面的面积均无变化；内陆滩涂面积减小了0.06km2，沼泽地面积减小了0.05km2。与2007年相比，2011年非黑土滩总面积增大了7.68km2，其中天然草地面积增加了6.92km2，栽培草地面积增大了0.97km2，草地类总面积增大了7.89km2，年均增大1.97km2；灌木林地、农村宅基地、农村道路和河流水面的面积均无变化；内陆滩涂面积减小了0.31km2，沼泽地面积增加了0.10km2。结果显示，2000-2007年研究区非黑土滩总面积缓慢减小，草地类总面积缓慢减小，2007-2011年非黑土滩总面积快速增大，表明三江源区生态保护和建设工程实施后，研究区非黑土滩总面积增大，草地退化的趋势得到了有效遏制，草地覆被状况有所好转。

图3 2007年6月29日QuickBird影像的试验区土地利用类型图Fig.3 The land use type of QuickBird image on June 29，2007

图4 2000、2007、2011年Landsat TM影像的试验区土地利用类型图Fig.4 The land use type based on the Landsat TM image taken in 2000，2007and 2011

表2 2000、2007及2011年试验区“黑土滩”退化草地面积比较变化统计Table 2 The area statistics of Black Soil Type Degraded grassland in 2000，2007，and 2011 km2

与2000年相比，2007年黑土滩类总面积增大了2.60km2，年均增加0.37km2；其中轻度黑土滩面积增加了2.17km2，年均增加0.31km2；中度黑土滩面积减小了0.79km2，年均减小了0.11km2；重度黑土滩面积增加了1.22km2，年均增加了0.17 km2。与2000年相比，2011年黑土滩类总面积减小了5.08km2，年均减小了0.46km2；其中轻度黑土滩面积减小了3.05km2，年均减小0.28km2；中度黑土滩面积减小了0.27km2，年均减小了0.02 km2；重度黑土滩面积减小了1.76km2，年均减小0.16km2。与2007年相比，2011年黑土滩类总面积减小了7.68km2，年均减小1.92km2；其中轻度黑土滩面积减小了5.22km2，年均减小1.31km2；中度黑土滩面积增大了0.52km2，年均增大0.13 km2；重度黑土滩面积减小了2.98km2，年均减小0.75km2。结果显示，2000-2007年研究区黑土滩总面积缓慢增大，2007-2011年黑土滩总面积快速缩减，表明三江源区生态保护和建设工程实施后，研究区黑土滩的扩展趋势得到有效遏制。

4 讨论

“黑土滩”是青藏高原高寒草甸草原独有的草地退化现象，草地退化成“秃斑”状，易引起毒杂草丛生、鼠害横行、草皮融冻剥离，造成植被盖度降低、土壤肥力不断降低，进而对草地畜牧业的发展和人文环境带来严重的负作用。周强等［19］指出达日县人口稀少，虽然居民和工矿用地面积增长很快，但总量不大，不会对土地利用结构产生直接影响。虽然三江源区生态保护和建设工程的实施有效地保护了草地，植被得到了恢复，“黑土滩”型草地得到了有效改良，其增长趋势得到了有效遏制，目前共识是三江源地区的草地退化是自然因素和人类活动共同作用的结果，但对草地退化原因的认知仍不够全面［20-23］，应针对高原“黑土滩”发生面积、分布规律进行深入研究并分析引起高寒草甸退化的原因。此外，草地农业生态系统是一个复杂的社会经济系统，受多种因素的综合影响，如何保持草地生态长期稳定恢复和可持续发展，仍需进行长期系统的科学监测和实时保护。

5 结论

本研究利用高分辨率QuickBird影像分析和中分辨率Landsat TM影像，通过比较2000年、2007年及2011年Landsat TM影像解译的试验区土地利用类型面积，分析2000-2011年试验区“黑土滩”型草地的动态变化。主要结果如下：

1）通过与高分辨率QuickBird影像的对比，中分辨率Landsat TM影像虽然不能很好地反映灌木类植被覆盖、交通运输用地及住宅用地等土地利用状况，但其解译结果能够满足“黑土滩”退化草地的监测。虽然QuickBird影像空间分辨率高、解译精度高，但其覆盖范围小、价格昂贵，而Landsat TM影像覆盖范围大，经济上可行。因此，从经济和实用两方面来说，本研究选取中分辨率Landsat TM影像作为三江源区“黑土滩”型退化草地的动态监测的遥感影像数据。

2）2000-2007年，研究区非黑土滩总面积缓慢减小，草地类总面积缓慢减小，黑土滩类总面积增大。由于受人为破坏等多种因素的影响较大，草地类总面积年均减小，草地呈现退化趋势；黑土滩总面积年均增大，黑土滩呈现蔓延趋势。

3）2007-2011年，研究区非黑土滩总面积增大了7.68km2，其中草地类总面积增大了7.89 km2，年均增大1.97km2；内陆滩涂面积略有减小。黑土滩类总面积减小1.92km2，其中轻度和重度黑土滩面积减小较快。结果表明，三江源区生态保护和建设工程实施后，研究区非黑土滩总面积增大，草地退化的趋势得到了有效遏制，草地覆被状况有所好转；黑土滩总面积减小，其扩展趋势得到有效遏制。

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