2000～2010年陕北地区草地退化状况时空分析

宋 辉，刘 康，古 超

(西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127)



2000～2010年陕北地区草地退化状况时空分析

宋 辉，刘 康*，古 超

(西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127)

摘要[目的]研究陕北地区生态系统健康状况，为该地区草地生态系统修复与保护提供理论依据。[方法]在对2000～2010年陕北地区草地生态系统变化状况进行遥感解译的基础上，运用GIS技术分析退化草地生态系统时空分布状况。采用退化草地动态变化度、转类指数、景观指数，多角度、多层次地对陕北地区退化草地生态系统进行分析。[结果] 2010年陕北地区草地生态系统状况较差，退化草地总面积为38 005.77 km2，占该地区草地总面积的88.28%。2000～2005、2005～2010年陕北地区草地生态系统向着改善的方向发展，2000～2005年极度退化草地面积减少了14 693.37 km2，未退化草地面积增加了793.79 km2，2005～2010年极度退化草地面积减少了11 306.56 km2，未退化草地面积增加了4 247.21 km2。[结论] 2000～2010年陕北地区生态系统呈改良趋势，但是2010年草地生态系统状况仍较差。后续需继续加大对陕北地区草地生态系统的修复与保护力度，构建结构稳定、功能健康的草地生态系统。

关键词草地退化；时空变化；转移矩阵；景观格局指数；陕北地区

草地(原)退化是指草地生态系统在不合理人为或自然因素的干扰下，所产生的逆行演替，即草地(原)植被与该生境的顶极或亚顶极植被状态下的背离，主要表现为植物生产力下降、质量降级、土壤理化和生物性状恶化及动物产品品质下降等[1-2]。近年来，随着人类对土地开发强度的不断加大，陕北地区草地退化的生态环境问题突出[3]。因此，研究2000～2010年陕北地区草地生态系统时空变化情况，对于评价该地区草地退化状况具有重要的理论和现实意义。陕北地区地理位置与生态环境特殊，对该地区的草地生态系统进行持续监测是了解生态环境的重要手段。陕北地区生态环境恶化引起了我国学者的高度关注，1990年马乃喜等[4]分析了陕北黄土高原地区生态环境的恶化趋势，并提出了相关对策；2006年杨庆实[5]从解决陕北黄土高原生态超载问题入手，提出了解决黄土高原生态环境问题的途径；2007年周辉[6]对1997和2004年陕北地区28个县(区)生态环境质量进行了综合评价，结果表明：该地区生态环境质量得到明显改善，退耕还林还草工程取得了明显成效。笔者在对陕北地区2000、2005、2010年3期MODIS遥感影像进行解译的基础上，运用ARGIS数据分析平台对2000～2010年陕北地区土地利用类型变化进行分析，研究了该时期陕北地区退化草地的时空特征，以期为该地区草地生态系统保护与修复提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况陕北地处黄土高原中部，地理坐标为34°49′～39°35′ N，107°10′～111°14′ E，属于温带干旱半干旱大陆性季风气候，春秋季干旱少雨，夏季炎热多雨，冬季干旱寒冷，年均气温7～12 ℃，无霜期140～180 d，年均降水量350～600 mm。该区域生态系统类型属于暖温性草原、荒漠、荒漠草原向森林草原的过渡地带。陕北地区包括榆林市与延安市2个地级市以及所辖25个县区，东隔黄河峡谷与晋西黄土高原相望，西以子午岭与陇东黄土高原为界，南与关中盆地毗邻，北接鄂尔多斯高原。

1.2数据来源该研究使用的遥感数据源是2000、2005年Landsat TM及2010年的HJ-1数据。为提高遥感解译的精度，以陕北地区第2次土地调查数据、陕北地区植被覆盖图为参考，在大量野外调查的基础上，采用30 m分辨率的遥感解译数据。

1.3研究方法

1.3.1转移概率矩阵。Markov模型是基于Markov过程理论形成的模拟事件发生概率的一种方法，具有“无后效性”的特点，常被生态学家用于模拟植被动态和土地利用/覆被格局变化[7]。为了定量分析研究区极度退化、重度退化、中度退化、轻度退化[5]草地之间相互转化的关系，采用Markov模型将退化草地类别转变为动态模拟。

1.3.2景观格局指数。退化草地的景观指数可以用来反映景观格局的变化。根据景观指数分类体系和指数之间的相关性，结合研究区的实际情况，主要从等级类型景观和整体景观2个角度出发[8]，选择Shannon多样性指数(SHDI)、香农均匀性指标(SIEI)、面积周长分维比(PAFRAC)、破碎化指数(LFI)4个景观指数反映陕北地区草地退化的景观格局变化。

1.3.3生态系统类型面积变化率计算。主要用于定量分析研究区在一定时间范围内某种生态系统类型的面积变化情况，评价研究区各类生态系统之间相互转化的速率。

Ev=(EUb-EUa)/EUa×100%

式中，Ev为研究区某一时间段生态系统变化率，EUb为研究某一时段末生态系统的面积，EUa为研究某一时段初生态系统的面积。

2结果与分析

2.1退化草地现状2010年陕北地区草地为主要地表覆盖类型，占陕北地区总面积的53.84%，林地面积占21.61%，耕地面积占20.21%，城镇及工矿用地、水域、交通用地等占4.34%。从图1可见，未退化草地主要分布于榆林地域东部和南部，总面积为5 044.81 km2，占陕北地区总面积的6.31%，占该地区草地面积的11.72%，草地状况较差。退化草地总面积为38 005.77 km2，占该地区草地总面积的88.28%，其中，极度退化草地面积为12 503.85 km2，占陕北地区总面积的15.63%，主要分布于榆林地区西北部和延安地区大部分区域；重度退化草地面积为16 229.63 km2，占陕北地区总面积的20.29%；中度退化草地面积为5 109.07 km2，占陕北地区总面积的6.39%；轻度退化草地面积为4 163.22 km2，占陕北地区总面积的5.21%。

图1　2010年陕北地区退化草地地理空间分布Fig.1　The distribution of grassland degradation in northern Shaanxi Province

2.2退化草地数量特征2000～2010年陕北地区各类草地面积变化较为明显，与2000年相比，2010年极度退化草地面积减少了25 999.24 km2，变化率高达-207.94%；重度退化面积增加了14 534.04 km2，变化率为89.55%；中度退化面积增加了4 924.21 km2，变化率为96.38%；轻度退化面积增加了4 114.92 km2，变化率为98.84%；未退化面积增加了5 041.01 km2，变化率为99.92%。从面积变化来看，2010年陕北地区草地质量较2000年有较为明显的改善，有由极度草地退化向重度、中度、轻度改善的趋势，同时未退化草地面积增加，这说明陕北地区草地退化存在由中轻度草地退化向未退化草地演替的趋势。整体来看，2000～2010年陕北地区草地生态系统向着改善的方向发展。

从图2可见，陕北地区在2000～2005、2005～2010年2个时间段草地变化差异明显。在2000～2005年极度退化草地面积减少了14 693.37 km2，未退化草地面积增加了793.79 km2，重度、中度与轻度草地退化面积均有所增加，这说明2000～2005年陕北地区草地生态系统有着从极度退化向重度、中度草地退化演替，中度、轻度草地退化状态向未退化演替的趋势。2005～2010年极度退化草地面积减少了11 306.56 km2，重度退化草地面积增加了2 884.52 km2，中度退化草地面积增加了1 909.94 km2，轻度退化草地面积增加了2 607.25 km2，未退化草地面积增加了4 247.21 km2，这说明2005～2010年草地生态系统演替呈良性态势，在这一时间段有极度退化草地向重度、中度转化的趋势，未退化草地面积增加幅度较大，草地生态系统改良趋势明显。

2.3退化草地类型转化特征利用概率转移矩阵计算2000～2010年陕北地区各类退化草地之间的转化面积，以面积为依据，分析草地生态系统的演替变化趋势。由表1可知，2000～2010年陕北地区各类退化草地变化明显的是极度和重度退化草地，其中极度退化草地转化为重度、中度、轻度、未退化草地的面积总计为25 352.27 km2，由其他类型转化为极度退化草地的面积仅为18.76 km2，11年间陕北地区极度退化草地面积减少了25 333.51 km2；重度退化草地转化为中度、轻度、未退化草地总面积为1 183.66 km2，由未退化、轻度、重度转化为中度退化草地的面积为9.08 km2，重度退化草地转化为极度的面积为17.96 km2，11年间陕北地区重度退化草地面积减少了1 156.62 km2。中度、轻度及未退化草地面积变化很小，总体来看，陕北地区在11年间草地生态系统向着改善的趋势发展。

由表2可知，2000～2005年陕北地区退化草地类型转化主要集中在极度退化草地与其他退化草地类型的相互转化，其他退化草地类型之间的转化面积较小。极度退化草地转化为重度、中度、轻度、未退化草地总面积为15 385.18 km2，其他退化草地类型转化为极度退化草地面积为10.61 km2。整体来看，退化草地向着改善的趋势发展。

由表3可知，2005～2010年陕北地区退化草地转化类型主要集中在极度和重度退化草地，其他退化草地类型之间转化面积较小。极重度退化草地转化为重度、中度、轻度、未退化草地总面积为11 064.85 km2，其他退化草地类型转化为极重度的面积为283.08 km2；重度退化草地转化为中度、轻度、未退化的总面积为6 921.01 km2，其他退化草地类型转化为

图2　2000～2010年陕北地区退化草地变化情况Fig.2　The main variation of degraded grassland in northern Shaanxi during 2000-2010

km2

表2　2000～2005年陕北地区退化草地类型转换面积

表3　2005～2010年陕北地区退化草地类型转换面积

重度退化草地面积为9 822.07 km2。整体来看，2005～2010年陕北地区退化草地向改良趋势发展。

2.4退化草地景观格局变化特征SHDI指数反映景观异质性，对景观中各斑块类型非均衡分布较为敏感，即强调稀有斑块类型对信息的贡献。由表4可知，2010年陕北地区退化草地的SHDI最高，说明2010年陕北地区退化草地的景观异质性较2000、2005年高，但差异较小。SIEI指标反映各斑块在面积上分布的不均匀程度。由表4可知，2000年较2005年的SIEI略大，2005年较2010年的SIEI略大，但变化幅度较小，这说明2005～2010年陕北地区未出现明显的草地退化与改善。PAFRAC指数反映了不同景观尺度形状的复杂程度[9]。由表4可知2000～2010年陕北地区的PAFRAC几乎无变化，说明陕北地区斑块的形状变化相当微弱。LFI指数反映景观被分割的破碎程度，在一定程度上反映了人为因素对景观格局的扰动情况。由表4可知2000～2010年陕北地区景观的破碎化程度变化很小，说明景观结构均质、连续性良好，生物多样性较为稳定。

表42000～2010年陕北地区景观格局指数变化

Table 4The change of landscape pattern index in northern Shaanxi during 2000-2010

年份Year景观格局指数LandscapepatternindexPAFRACSHDISIEILFI20001.49631.28451.39760.012720051.44711.07851.25000.013020101.46391.45700.90530.0147

3结论与讨论

(1)该研究表明，2000～2010年陕北地区草地退化呈现改善趋势，且2005～2010年的改良程度较2000～2005大，整体来看，陕北地区退化草地生态系统呈良性演替过程。不同时间段内该地区生态系统的景观格局较为稳定。

(2)该研究在RS与ARGIS平台上建立各种数学模型，为从定性研究到定量研究草地退化奠定了理论基础，但是由于采用遥感技术对研究区草地类型进行识别，常会因为分辨率问题产生退化草地识别的误差。因此，在今后的研究中，应结合当地的气象信息及大量勘察数据，对遥感数据进行精准度矫正。同时近几年来随着3S技术的发展，基于3S技术开发的草地动态监测系统为管理部门提供了快速、准确、经济的草地动态监测技术，也为科学评价与宏观监测草地退化提供了新的途径，草地动态系统的开发与建设将是未来草地退化新的研究方向。

参考文献

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Temporal and Spatial Variation of Grassland Degradation in Northern Shaanxi during 2000-2010

SONG Hui, LIU Kang*, GU Chao

(College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an, Shaanxi 710127)

Abstract[Objective] The aim was to study ecosystem health status in northern Shaanxi, and provide theoretical basis and practical guidance for restoration and protection of the grassland ecosystem. [Method] On the basis of remote sensing interpretation of grassland ecosystem variation status in northern Shaanxi during 2000-2010, using GIS technology, the spatial and temporal distribution of grassland degradation was analyzed by using dynamic degree, transfer index, landscape index. [Result] The status of grassland ecosystem in northern Shaanxi in 2010 was relatively poor, total area of grassland degradation was 38 005.77 km2, accounting for 88.28%. During 2000-2005, extreme degradation area was decreased 14 693.37 km2, non degradation area was increased 793.79 km2; during 2005-2010, extreme degradation area was decreased 11 306.56 km2, non degradation area was increased 4 247.21 km2. [Conclusion] From 2000-2010, ecosystem in northern Shaanxi was improved, but the situation of system in 2010 was still poor. So we should increase ecological restoration and protection in northern Shaanxi, construct grassland ecosystem with stable structure and healthy functions.

Key wordsGrassland degradation; Temporal and spatial variation; Transfer matrix; Landscape pattern index;Northern Shaanxi region

作者简介宋辉(1978- )，男，河南孟州人，硕士，从事环境生态研究。*通讯作者，教授，硕士，博士生导师，从事生态评价与规划研究。

收稿日期2016-03-14

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-066-03