甘肃省草地生态系统时空变化特征

2022-06-29陶华旸李文杰

草业科学 2022年6期

张军，陶华旸，李文杰，任珺

（1. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 甘肃兰州 730070；2. 甘肃省生态环境科学设计研究院, 甘肃兰州 730020）

草地是世界上分布最为广泛的植被类型之一[1]，具有涵养水源、防风固沙、保持水土、饲养牲畜、提供食品、净化空气和美化环境的作用，也是一种重要的景观类型[2]。同时，草地生态系统对全球碳循环、碳储存和气候调节有着重要作用，与社会经济发展和区域生态安全息息相关。研究草地的区域变化对系统分析草地在全球变化中的生态价值具有重要的意义。目前，大量研究针对草地生态系统的空间变化，主要通过遥感观测、实地详细调查等方法，并且各种方法都已取得了重要的成果和进展[1-3]。关于草地生态系统空间变化的研究也主要趋向于重点地区以及全球的研究[3-5]。但是对以行政区划区域为单位的研究较少，探究清楚一个行政区域生态系统类型的空间分布对当地的生产、生态和生计功能以及政府职能的发挥具有重要的作用。热点分析和变异系数分析方法可以在复杂的环境下对草地进行分析，对草地变化的自然因素和人为因素相对贡献率进行定量评估，客观解析草地的变化原因，从而为草地生态系统科学有效的管理乃至生态安全屏障的建设提供科学依据。

甘肃省地处青藏高原、黄土高原、蒙新高原和秦岭山地的交汇地带，植物类型繁多，数量巨大，种质资源丰富[6]，拥有1.34 × 107hm2天然草地，其中90%存在不同程度的退化，且退化速率一直在递增[2]。而草地主要有天然草地、栽培草地和改良草地3 种。天然草地主要分布在甘南、祁连山、西秦岭、马衔山、哈思山、关山等地，海拔2 400～4 200 m，气候表现为冷热两季交替，干湿两季分明，特别是海拔在3 000 m 以上的地区牧草生长季节短[7]，枯草期长。绝大多数地区年均降水量大于400 mm，但祁连山西部降水量为200～300 mm。甘肃省蕴藏大量的地下矿产资源，在以往不合理的开采过程中，对草地生态系统造成了巨大的破坏。本研究采用变化分析和变异系数的方法对甘肃省2000-2010 年草地进行监测分析，为甘肃省草地监测提供有利的数据源，为重大生态恢复工程建设布局、草地生态系统的保育和农牧业可持续发展提供科学依据。

1 研究方法

甘肃省的草地资源空间分布的监测主要基于省统计年鉴和县志数据。通过对遥感数据进行投影转换、数据格式转换等预处理，得到甘肃省草地覆盖度年值数据集。将研究区域的年均植被覆盖度分为低、较低、中、较高、高5 级，对应植被覆盖度取值范围分别为0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%。分别对2000-2010 年每年的低、较低、中、较高、高5 种覆盖度的数据进行分析，并对其年均植被覆盖度等级进行成图。分别使用热点分析和变异系数分析的方法对草地覆盖度在各区域的分布以及从2000 年到2010 年之间的变化进行论述。

1.1 热点分析

热点分析是利用软件统计识别具有统计显著性的热点和冷点，可得到高值和低值在空间上发生聚类的位置[8]。本研究利用热点分析的方法分析甘肃省草地生态系统的变化趋势。计算公式如下：

1.2 变异系数分析

变异系数可以显示草地变化的波动程度，变异系数越小，意味着波动越小，稳定程度越高(反之，变异系数越大，稳定程度越低[9])，计算公式如下：

式中：c为变异系数，di为第i年的草地覆盖度，d为2000-2010 年草地覆盖度均值，n为年数。

2 研究结果

2.1 草地生态系统质量及其热点变化

各年份在0～20%的年均植被覆盖度所占的比例较大，占总面积的60%左右，从2000-2010 年显示出波动变化的特征，2002 年后所占比例变化较为稳定，2001 年的面积最大，为69.19%，2000 年的面积最小，为57.79%。20%～40%的年均植被覆盖度占到总面积的20%左右；从2000-2010 年显示波动变化的特征，年际变化整体呈现出减小的趋势，2008 年的面积最大，为23.79%，2009 年的面积最小，为18.97%。40%～60%的年均植被覆盖度所占面积不到总面积的20%，年际变化幅度较大，2000年约为18.50%，2001 年仅为10.55%。60%～80%的年均植被覆盖度占总面积比例在1%左右，除2000 年的面积达1.2%以外，其余年份均未达1%，年际变化幅度很小，较为稳定。80%～100%的年均植被覆盖度占比极小，均未达0.1%，除2000 年外，其余年份的所占面积均保持在0.1 km2左右(图1)。

图1 草地生态系统年均植被覆盖度各等级面积图Figure 1 Average annual vegetation coverage of grassland ecosystem

甘肃省年均植被覆盖度主要在60%以下(图2)，草地生态系统年均植被覆盖度的空间分布情况显示，甘肃省南部一些地区，如甘南、陇南的植被覆盖度较高，大部分在40%～60%，少数区域在60%～80%；甘肃省东南部地区，如平凉、庆阳等地植被覆盖度在20%～60%，且植被覆盖度占40%～60%的区域面积有所增加；甘肃省中部及北部地区，即兰州-河西走廊-酒泉一带的植被覆盖度相对较低，且整体变化幅度不大，基本都在20%左右。

图2 2000-2010 年草地生态系统年均植被覆盖度各等级时空分布Figure 2 Spatial and temporal distribution of average annual vegetation coverage levels of grassland ecosystems from 2000 to 2010

2.2 草地生态系统年变异系数分析

将研究区域的植被覆盖度年变异系数分为低、较低、中、较高和高5 级，取值范围分别为0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、＞ 2，将各级别变异系数成图表(表1 和图4)。

2001-2010 年草地生态系统植被覆盖度年变异系数分析结果显示表1，绝大多数草地生态系统植被覆盖度变异系数都小于0.5，变异系数为0.5～1的草地面积只占到2%左右，表明草地生态系统的植被覆盖度年内变异很小，非常稳定。变异系数的时空分布特征显示，变异系数小的区域主要集中在甘肃省西北部、中部及西南部(图4)。其中南部的陇南地区略高于甘南地区；庆阳南部略高于庆阳北部地区；以兰州地区为界，其南部天水等地的变异系数略高于北部河西走廊地区。整体表现为植被覆盖度高区域的变异系数要小于植被覆盖度低区域的。

图4 2000-2010 年草地生态系统植被覆盖度年变异系数各等级时空分布Figure 4 Spatial and temporal distribution of annual vegetation coverage variation coefficients of grassland ecosystems from 2000 to 2010

表1 甘肃省草地退化分级特征Table 1 Classification characteristics of grassland degradation in Gansu Province

2.3 草地退化程度的空间格局分析

本研究对甘肃省2000 年、2005 年和2010 年草地退化程度进行了分析(图5)。探究其空间分布特征，明确了不同草地类型的草地退化程度，统计了不同退化等级的草地面积及其占甘肃省土地面积的百分比(表2)。

极重度草地退化程度占比最高，2000 年、2005年及2010 年均达到了24%，年际变化相对稳定，无明显增长(表2)；重度草地退化程度占比较小，2000年、2005 年及2010 年分别为2.8%、4.1%和3.1%，年际变化表现为2000-2005 年小幅度增长，而2005-2010 年呈下降趋势；轻度退化程度所占面积在2000-2005 年减少，中度退化程度所占面积在2005-2010 年减少，中度、轻度、无草地退化程度占比则极小，但所占土地面积显示为增长的趋势。极重度、重度草地退化主要集中在甘肃省西部、中部、西南部，甘肃省草地主要分布在青藏高原东部的甘南州、临夏回族自治州、兰州市、武威市、金昌市、张掖市、嘉峪关市以及酒泉市的西部(图5)。该区域在地理单元上属于青藏高原东缘、祁连山脉、阿尔金山山脉以及北坡的河西走廊。该区域在2000、2005 和2010 年，草地的面积保持在6.4 × 104km2。不同区域其退化的程度是不同的，在2000、2005 和2010 年，河西走廊、祁连山脉、甘南藏族自治州所占的极重度退化面积依次降低，在重度退化面积上也依次降低。在2000、2005 和2010 年，极重度退化的草地面积依次达到10.80 × 104、10.40 × 104和10.90 × 104km2。在2000-2005 年，草地退化面积有所减少。而在2005-2010 年，极重度退化面积相比2005 年有所增加。从2000-2010 年的变化状态来看，极重度退化的草地面积变化不大；重度和中度退化类型的面积呈现出前5 年有所增加，后5 年逐步减少的变化趋势。轻度退化类型的面积变化规律正好与重度和重度的变化规律相反。从2000-2010 年期间，草地的退化类型始终是以极重度退化类型为主，其次为重度退化类型，这两种退化类型的面积可占全省国土总面积的28%，由此看出草地生态系统的退化程度保持相对稳定的状态。

图5 甘肃省草地退化等级图Figure 5 Grassland degradation grade map of Gansu Province

表2 甘肃省不同退化等级草地转移矩阵Table 2 Grassland transfer matrix of different degradation levels in Gansu Province km2

2.4 草地退化程度10 年变化分析

根据2000-2010 年甘肃省草地退化程度分布状况，计算了2000-2010 年不同退化程度草地之间的转移矩阵。综合分析2000-2010 年全国不同类型不同程度退化草地的面积和空间分布情况(图6)，对草地退化加剧及改善的区域加以明确。

图6 草地退化程度变化图Figure 6 Change in grassland degradation degree

2000-2005 年、2005-2010 年以及2000-2010年不同区域的草地退化程度变化较大。较为集中的草地主要分布在甘南区域，草地退化程度的转移变化不明显，极重度、重度、中度和轻度退化类型的草地面积都基本上维持在各自的程度等级内；相比自身等级所占的面积而言，仅有少部分草地面积退化程度有所改变。2000-2010 年的草地退化程度整体表现出相对稳定的状态，即使某一退化类型在某个时期有所增加。但是总体上，草地退化的类型基本上都是以极重度和重度退化类型为主。

3 讨论

受甘肃省独特的地理位置和复杂的地形条件影响，其自然环境多变且复杂[10]。干旱是影响甘肃省生态环境的最重要因素，其中地理性干旱区主要分布在河西走廊及陇中、陇东等地区，随机性干旱区主要分布于陇中、陇东、陇南山地及甘南高原，降水量少、蒸发量大及降水年内分配不均所造成的季节性干旱，使得草地生态系统变得脆弱，容易发生退化。除自然因素外，人为因素是影响草地生态系统的另一重要因素，甘南草地的过度放牧、祁连山区不合理超负荷的矿产开采、过度开采地表水、超采地下水等活动，都是造成草地退化的因素，甚至引起土地沙漠化、生态恶化等更加严重的干旱局面。

草地是陆地生态系统的主要类型之一，约占全球陆地面积的20%，碳储量约为761 亿t，占全球陆地生态系统碳储量的15.2%，对全球碳循环、气候调节和碳储存有着重要作用，与社会经济发展和区域生态安全息息相关。因此，草地的监测极其重要。

空间聚集性分析能够准确判断草地的空间分布，例如，陈槐等[11]采用空间分析的方法证明了青藏高原草地气候变化对青藏高原的草地变化主要起促进作用，但随着青藏高原人类活动强度的增强，气候变化对草地的影响在一定程度上被人类活动所抵消；戴尔阜等[12]对内蒙古草原进行空间聚集分析，可以得出影响草地净第一性生产力的主要气候限制因子为降水量，且合理的水热配置最有利于牧草的生长。因此，本研究对甘肃省草原进行空间集聚分析，在甘肃省内陇南、甘南州、祁连山脉植被覆盖度较高。这是由于陇南地处青藏高原、黄土高原以及四川盆地之间，兼具北亚热带与暖温带的山地气候特征，气温湿度、降水充沛的缘故[13]。而甘南州和祁连山脉以及阿尔金山山脉的原始生态系统类型主要为植被覆盖度高的草甸和草原(图4)。而河西走廊的原始植被类型是植被覆盖度较低的稀疏草原和荒漠化草原。

大量研究表明，变异系数分析可以准确显示草地的波动程度。例如，李元春等[14]对甘南川西北地区草地进行分析，证明了山地草甸波动范围较小；马扶林等[15]对青海北部草地进行分析，结果表明草地土壤含水量的时间变异程度随深度的增加而降低。因此，本研究对甘肃省草原进行空间集聚分析，在甘肃省内陇南、甘南州、祁连山脉植被变异度较低。这可能是因为该区域植被覆盖度较高，致使其抵抗力稳定性较高，恢复力稳定性较低[16]。相反，在植被覆盖度较低的河西走廊区域，其植被变异度较高，稳定性差。因此，在甘肃省各区域应该更加重视位于河西走廊等植被覆盖度较低的区域，对于该区域应投入更多精力保护，投入更多的财力恢复。