基于高分影像的黄河源青海片区退化草地识别

张宇鹏，吴笑天，李希来，张 锋，董心普，王 苑，张 辉

(1.青海大学 农牧学院，西宁 810016；2.韶关学院 英东生物与农业学院，广东韶关 512005；3.青海省自然资源综合调查监测院，西宁 810001；4.青海省地理空间和自然资源大数据中心，西宁 810001)

草地是地球上最大的生态系统之一，是自然生态系统的重要组成部分，约占陆地表面的25%，储存全球约34%的陆地碳储量[1-2]。青藏高原是中国的重要牧区，高寒草地是高寒畜牧业的重要载体，但高寒草地生态系统的脆弱性也是不容忽视的生态问题，由于高寒草地生态系统脆弱性所导致的敏感性，也使其成为全球生态系统变化的“警报器”[3-5]。黄河源青海片区海拔高，气候条件恶劣，日均、年均气温低，植被积温不足，生物量低，再加上人为因素影响，近年来草地退化日趋明显。“黑土滩”是高寒草地退化在黄河源乃至三江源区域特有的表现形式，其具体表现为草地覆盖度降低，发生秃斑化，进而导致水土流失。有关于“黑土滩”退化草地面积目前尚无明确而具体的结论，需要更详细和精准的调查工作。草地沙化也是黄河源草地退化的重要表现，黄河源青海片区沙化草地面积在20世纪80-90年代不断扩大，在90年代沙化草地由东南向西北逐步扩张，主要集中在都兰、共和、贵南、玛多等县域内[6-8]，但目前沙化草地更为详细的面积与分布状况并不明确。草地退化的极端状况是形成完全裸露的地表，据统计，青海省地表裸露化草地目前占全省国土面积不少于17.4%，主要分布在柴达木、共和、青海湖3 个盆地以及长江、黄河源青海片区[9-12]，而退化程度不同所产生的不同类型裸露地的面积及其分布也不明确。

前人研究多是基于草地监测，从草地面积变化状况分析草地变化趋势，或者针对较小区域内草地退化后所引发的一系列变化展开研究，对较大区域内草地退化类型及分布研究较少。基于此，本研究结合遥感技术进行快速、全面监测退化高寒草地的分布状况，开展黄河源青海片区退化高寒草地类型的识别研究，以期探明黄河源青海片区退化高寒草地的数量与分布状况。

1 材料与方法

1.1 研究区域概括

研究区域为黄河源青海片区(图1)，涉及青海省东南部17个县域(表1)，黄河源青海片区以高山为界，不以县域行政界线，因此部分县域只包含部分区域，总面积合计11.70万 km2。区域内自然资源种类丰富，主要包括草地、湿地、林地、农田、荒漠等生态系统。区域内河流众多，湖泊密布，湿地类型主要有河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地。草地资源以高寒草甸、高寒草原为主，农业区占比较少。大部分区域海拔在3 000 m以上，气候寒冷干燥，多年平均温度-3.98 ℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生长期70～90 d。

图1 研究区域区位图

表1 研究区面积统计表

1.2 退化草地类型释义

黑土型“黑土滩”：原生植被覆盖度<70%的秃斑化高寒草甸、低地草甸、山地草甸。

砾石型“黑土滩”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸区域内，水土流失严重，土壤比例较少，以小块状砾石为主，几乎无原生植被覆盖的“黑土滩”。

岩石型“黑土滩”：主要分布于高寒草甸、低地草甸、山地草甸较大坡度区域内，水土流失严重，无土壤，块状砾石较多，可见岩石且几乎无原生植被覆盖的“黑土滩”。

沙化草地：原生植被覆盖度<70%的秃斑化高寒草原、温性草原。

重度沙化草地：主要分布于温性草原、温性荒漠草原区域内，水土流失严重，土壤比例较少，以沙粒为主，几乎无原生植被覆盖的沙化草地。

1.3 数据来源

多源高分辨率遥感影像由青海省自然资源综合调查监测院提供，其中优于1.0 m分辨率主影像为高分2号卫星多源航空航天遥感影像数据，优于2.0 m分辨率副影像来源于高分1号、资源3号、天绘1号卫星影像数据。航片由中海达V10型无人机拍摄，拍摄高度300 m，地面分辨率优于0.1 m。

1.4 数据处理

所使用的软件版本为ArcGIS 10.7和ENVI 5.4/IDL 8.6，用Excel 2016进行数据整理与制表。

1.5 退化草地识别方法

高分辨率遥感影像数据经几何校正、影像融合等预处理，形成影像底图，收集、整合基础地理信息数据及多行业专题数据，形成辅助判读知识库。在此基础上，通过实地踏勘、典型地类影像分析等方式建立不同类型退化草地的典型解译标志。根据典型解译标志和辅助专题数据库，采用计算机算法自动分类识别和人机交互目视解译相结合的方式，开展不同类型退化草地的内业判读和解译；对内业判读解译成果质量及内业判读难度较大的区域，通过实地踏勘、拍照取证等方式进行精度验证和补充判读修正，得到退化草地地表覆盖数据(图2)。

图2 退化草地识别流程图

1.6 识别精度验证方法

基于2020年购买的“珠海1号”优于1.0 m高分辨率遥感影像，在研究区内随机选取和划分6个观测样区，每个样区400 km2，通过目视解译获得草地退化图斑主要验证数据集；选取研究区内典型退化草地样区，通过无人机航摄获得研究区内优于0.1 m高分辨率航拍影像，并进行目视解译获得草地退化图斑辅助验证数据集。将本研究所使用的退化草地覆盖数据集与主要验证数据集和辅助验证数据集进行比对以验证数据质量(图3)。

图3 数据验证流程图

2 结果与分析

2.1 黄河源青海片区草地类型识别

黄河源青海片区草地有温性草原化荒漠类、温性荒漠类、沼泽类、高寒草甸类、低地草甸类、山地草甸类、高寒草原类、温性草原类等8个类型。其中，高寒草甸类面积最大，为 82 937.51 km2；其次为高寒草原类和温性草原类，面积分别为 15 592.38 km2和9 386.52 km2；温性荒漠类和山地草甸类面积分别为2 758.41 km2和 2 485.28 km2；低地草甸类和温性草原化荒漠类面积分别为1 861.10 km2和1 693.46 km2；沼泽类面积316.24 km2。高寒草甸类在玛沁县、玛多县、达日县分布面积最大，分别为12 526.88 km2、12 027.40 km2、11 268.44 km2；高寒草原类在玛多县分布最多，为7 407.68 km2，其次为兴海县，为2 869.95 km2；温性草原类在共和县分布最多，面积为4 291.36 km2，其次为贵南县和兴海县，面积分别达到2 071.62 km2和1 343.27 km2；温性荒漠类在贵南县最多，面积为1 377.37 km2；山地草甸类在河南蒙古族自治县分布最多，为683.70 km2；低地草甸类在曲麻莱县分布最多，为1 357.78 km2；温性草原化荒漠类在共和县分布最多，为1 021.43 km2。沼泽类仅分布于曲麻莱县(图4，表2)。经统计，黄河源青海片区总面积117 030.92 km2，有植被覆盖草地面积合计96 489.84 km2。

表2 黄河源青海片区草地分县统计表

图4 黄河源青海片区草地类型图

2.2 黑土型“黑土滩”识别

黄河源青海片区黑土型“黑土滩”退化草地斑块合计45 804个，面积14 239.47 km2，占黄河源青海片区总面积的12.17%，占黄河源青海片区草地总面积的14.76%。黄河源青海片区所涉及的17个县域黑土型“黑土滩”均有分布，总体趋势是区域内西北和西南部明显较东北和东南部分布广(图5)。其中玛多县分布最广，斑块10 482个，总面积4 245.47 km2，占黄河源青海片区黑土型“黑土滩”总面积的29.81%；其次是曲麻莱县，斑块2 823个，总面积3 338.19 km2。称多县和达日县面积分别为1 913.13 km2和1 677.98 km2，黑土型“黑土滩”分布范围也较广。河南蒙古族自治县、同仁县、久治县分布最少(表3)。其分布与草地类型(高寒草甸、低地草甸、山地草甸)、高程密切相关，分布范围最低海拔3 117.50 m，最高海拔5 121.49 m，平均海拔(4 301.17± 1 456.98)m，主要分布在玛多县、曲麻莱县、称多县和达日县等高海拔区域。

图5 黄河源青海片区黑土型“黑土滩”分布图

表3 黄河源青海片区黑土型“黑土滩”分县统计表

2.3 砾石型“黑土滩”识别

砾石型“黑土滩”在黄河源青海片区17个县域中均有分布，斑块23 309个，面积2 445.37 km2，占黄河源青海片区总面积的2.09%，占黄河源青海片区草地总面积的2.53%，在黄河源青海片区中部及东部区域分布较广(图6)。在兴海县与玛沁县分布最多，斑块分别为2 696和3 017个，面积分别为715.75 km2和505.70 km2，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的29.27%和20.68%。其次是甘德县，2 006个斑块面积239.29 km2，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的9.79%。玛多县斑块最多，达到3 100个，面积为190.22 km2，占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的7.78%。贵德县虽然斑块为979个，面积157.25 km2。共和县、泽库县、曲麻莱县分布面积也达到103.78～145.97 km2，贵南县、达日县等9个其他县域分布面积均少于85 km2，面积合计281.57 km2，合计占黄河源青海片区砾石型“黑土滩”总面积的11.51%(表4)。砾石型“黑土滩”分布范围最低海拔3 010.75 m，最高海拔4 490.43 m，平均海拔(3 859.21± 1 094.65)m，其分布高程较黑土型“黑土滩”相对低，可能与分布区域人畜活动频率增加导致退化加剧有关。

图6 黄河源青海片区砾石型“黑土滩”分布图

表4 黄河源青海片区砾石型“黑土滩”分县统计表

2.4 岩石型“黑土滩”识别

除班玛县、称多县和曲麻莱县之外的其他14个县域均有岩石型“黑土滩”的分布。斑块合计 1 841个，面积376.07 km2，占黄河源青海片区总面积的0.32%，占黄河源青海片区草地总面积的0.39%，在区域内分布较为分散，中部和东南部区域的分布相对较为集中(图7)。分布最多的是玛沁县和久治县，斑块分别为566和181个，面积分别为139.50和118.68 km2，占黄河源青海片区岩石型“黑土滩”总面积的37.09%和31.56%。其次是兴海县和达日县，面积分别为39.47 km2和36.47 km2，占黄河源青海片区岩石型“黑土滩”总面积的10.50%和9.70%。甘德县分布面积为13.51 km2，其他县域分布面积均小于9 km2，其中泽库县斑块破碎化趋势明显，444个斑块面积合计7.17 km2(表5)。岩石型“黑土滩”分布范围最低海拔2 502.99 m，最高海拔5 432.99 m，平均海拔(4 377.99±1 568.56)m。分布海拔较黑土型“黑土滩”和砾石型“黑土滩”都高，但与砾石型“黑土滩”分布范围重合度较高，可能与随着高程增加坡度增大，砾石型“黑土滩”水土流失加剧有关。

图7 黄河源青海片区岩石型“黑土滩”分布图

表5 黄河源青海片区岩石型“黑土滩”分县统计表

2.5 沙化草地识别

黄河源青海片区沙化草地斑块3 353个，面积合计5 739.75 km2，主要分布于黄河源青海片区东北部和西北部，涉及11个县域，占黄河源青海片区总面积的4.90%，占黄河源青海片区草地总面积的5.95%(图8)。玛多县沙化草地分布最广，面积达到2 086.29 km2，占黄河源青海片区沙化草地总面积的36.35%；其次是共和县，沙化草地面积达到1 746.84 km2，占黄河源青海片区沙化草地总面积的30.43%；贵南县和贵德县面积分别为673.35 km2和498.09 km2，占黄河源青海片区沙化草地总面积的11.73%和8.68%；兴海县和曲麻莱县县域内分布也较多，占黄河源青海片区沙化草地总面积的4.88%和4.69%。玛沁县、尖扎县、同德县、同仁县、泽库县虽然也有一定的分布，但所占比例相对较小(表6)。其分布主要受到高寒草原、温性草原分布的影响。分布最低海拔2 011.75 m，最高海拔4 833.24 m，平均海拔(3 478.05±1 368.84)m。

表6 黄河源青海片区沙化草地分县统计表

图8 黄河源青海片区沙化草地分布图

2.6 重度沙化草地识别

识别黄河源青海片区重度沙化草地斑块合计1 446个，面积合计1 516.35 km2，占黄河源青海片区总面积的1.30%，占黄河源青海片区草地总面积的1.57%，涉及黄河源青海片区共和县、贵南县等11个县域，主要分布于东北部的共和县、贵南县、泽库县，以及西北部的玛多县和玛沁县，主要沿黄河流域干流两侧区域分布(图9)。分布最多的是共和县，斑块399个，总面积645.95 km2；其次是贵南县，斑块297个，总面积533.85 km2。玛多县与玛沁县沙化草地面积相近，分别为164.46和163.44 km2，但玛多县呈破碎化趋势，斑块达292个，玛沁县95个。虽然泽库县斑块达324个，但面积为6.33 km2；贵德县斑块为24个，面积2.12 km2。虽然兴海县、河南蒙古族自治县、同仁县、尖扎县、达日县也有分布，但斑块数量和面积均较小(表7)。重度沙化草地分布范围最低海拔2 182.99 m，最高海拔4 492.62 m，平均海拔(2 489.58±1 156.98)m。主要分布于农业生产区域，可能与气候以及人类活动关系较为密切。

表7 黄河源青海片区重度沙化草地分县统计表

图9 黄河源青海片区重度沙化草地分布图

2.7 识别精度检验

基于2020年优于1.0 m“珠海1号”高分辨率遥感影像及优于0.1 m无人机航拍影像，在研究区内随机选取和划分6个观测样区，通过目视解译获得草地退化图斑主要验证数据集和辅助验证数据集(图10、图11)。选取地类识别图斑样本，构建感兴趣区ROI，验证数据集包含49个沙化草地样本、183个黑土型“黑土滩”样本、161个砾石型“黑土滩”样本、61个重度沙化草地样本、40个岩石型“黑土滩”样本。应用ENVI 5.4/IDL 8.6平台精度混淆矩阵(Confusion Matrix Using Ground Truth ROIs)进行退化草地图斑数据集精度评价，计算草地图斑总体分类结果精度(OA值)和Kappa系数。OA值是被正确分类类别像元数与总类别个数的比值。Kappa系数是分类与完全随机分类产生错误减少的比例。kappa计算结果为-1～1，但通常是0～1，可分为5组来表示不同级别的一致性(表8)。本次识别总体分类精度为98.93%，Kappa系数为0.9772，退化草地图斑数据集的总体分类精度较高，Kappa系数为 0.80～1.00，表明高寒退化草地图斑分类结果精度非常好。

图10 验证样地分布图

图11 辅助航拍影像解译示意图

表8 Kappa统计值与分类精度对应关系

3 讨 论

根据《青海省第二次草地资源调查》项目结果，青海省9个类型草地类面积3 636.97万hm2，其中高寒草甸类面积最大，为2 366.16万hm2，其次为高寒草原类，面积582.01万hm2，二者面积之和占全省草地面积的80.88%。本研究的结果也表明黄河源青海片区高寒草甸的面积最大，其次为高寒草原类，二者面积合计占黄河源青海片区草地面积的84.19%。

关于退化草地的分类，前人做了大量研究，大多根据植被覆盖度划分退化程度，不同程度退化草地的具体恢复措施有所不同，“秃斑化”退化草地注重植被群落的恢复，“裸露化”退化草地还需注重水土保持与恢复，根据恢复原则划分退化草地类型是研究的热点问题。关于退化草地的详细分类目前研究较少，多数以“退化草地”统称开展研究，这不利于分类指导黄河源区退化草地的恢复治理。本研究中砾石型“黑土滩”、岩石型“黑土滩”、重度沙化草地是“秃斑化”退化草地发展为“裸露化”退化草地后类型的初步补充。

目前关于草地退化的评价标准也并不统一。《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》(GB 19377-2003)中，植被覆盖度为80%～90%时为轻度退化，植被覆盖度为70%～80%时为中度退化，植被覆盖度为小于70%时为重度退化。《地理国情监测标准指南》中，高覆盖度草地一般指覆盖度大于50%的天然草地，中覆盖度草地一般指覆盖度为 20%～50%的天然草地，低覆盖度草地是指覆盖度为10%～20%的天然草地，认为草地覆盖度>50%时一般水分条件较好，草被生长茂密。《内蒙古天然草地退化标准》(DB15/T 321999)中，植被覆盖度为>70%时为轻度退化，植被覆盖度为40%～70%时为中度退化，植被覆盖度为<40%时为重度退化。关于“黑土滩”退化草地的分类标准，马玉寿等[13]根据江河源区草地现状初步拟定了草地退化分级标准，植被覆盖度为70%～85%时为轻度退化，植被覆盖度为 50%～70%时为中度退化，植被覆盖度30%～50%时为重度退化，植被覆盖度为<30%时为极度退化。Xue等[14]划分标准则是植被覆盖度为70%～80%时为轻度退化，植被覆盖度为50%～80%时为中度退化，植被覆盖度15%～50%时为重度退化，植被覆盖度<15%时为极度退化。李希来等[9]认为植被覆盖度为50%～80%时为轻度退化，植被覆盖度为20%～50%时为重度退化，植被覆盖度<20%时为极度退化。而关于沙化退化草地，同样以植被覆盖度作为草地沙化程度划分标准,将植被覆盖率为70%～100%、50%～70%、30%～50%、10%～30%、0～10%分别划分为未沙化地、轻度沙化草地、中度沙化草地、重度沙化草地、极度沙化草地[15-16]。由于评价标准不统一，因此目前关于黄河源青海片区内退化草地的面积与比例暂时没有统一的结果，不同学者根据自己的标准所得出的结论有所不同。因此，本研究通过综合各方面的评价标准，选择植被覆盖度<70%作为秃斑化“黑土滩”退化高寒草甸识别标准和秃斑化沙化草地的识别标准，植被覆盖度为0%作为裸露化退化草地识别标准。

同时《青海省第二次草地资源调查》项目结果也表明青海省轻度退化草地面积为1 318.10万 hm2，占天然草地的36.24%，是第一次调查时的3.61倍；中度退化草地面积为805.36万 hm2，占全省天然草地总面积的22.14%，是第一次调查时的4.20倍；重度退化草地面积为1 010.59万 hm2，占天然草地总面积的27.79%，是第一次调查时的6.48倍[17]。李积兰等[18]的研究结果表明青海省“黑土滩”退化草地占可利用草地总面积的15%，本研究结果表明，黄河源青海片区黑土型“黑土滩”退化高寒草地面积14 239.47 km2，占黄河源青海片区草地总面积的14.76%，与其结果基本吻合。黄河源地处青藏高原东南端，气候条件相对长江源与澜沧江源较好，因此“黑土滩”面积与比例近年来变化不显著。黄河源青海片区所涉及的17个县域均有黑土型“黑土滩”分布，总体趋势是分布于黄河源青海片区的西北和西南部高海拔区域，一方面与高寒草甸、低地草甸、山地草甸草地类型分布区域有关，另一方面可能与海拔越高气候越恶劣有关。据统计青海全省沙化土地面积 1 246.2万公顷，主要集中于青海湖沿岸地区，占青海全省国土面积的17.4%[19]，而本研究结果表明黄河源青海片区沙化草地面积合计 5 739.75 km2，占黄河源青海片区草地总面积的 5.95%。

“秃斑化”退化草地进一步发展可成为几乎无植被覆盖且水土流失严重的“裸露化”退化草地，本研究结果显示黄河源青海片区几乎无植被覆盖的退化草地类型主要有砾石型“黑土滩”、岩石型“黑土滩”、重度沙化草地。其中砾石型“黑土滩”面积合计2 445.37 km2，占黄河源青海片区草地总面积的2.53%；岩石型“黑土滩”面积376.07 km2，占黄河源青海片区草地总面积的0.39%；重度沙化草地面积1 516.35 km2，占黄河源青海片区草地总面积的1.57%。由此可见对黄河源青海片区影响较大的几乎无植被覆盖的退化草地类型主要是砾石型“黑土滩”。这可能主要是由于黑土型“黑土滩”形成后，在低海拔人类活动频繁区域退化进一步加剧形成砾石型“黑土滩”，而岩石型“黑土滩”是砾石型“黑土滩”进一步退化的结果；重度沙化草地是沙化草地进一步退化的结果，二者面积与比例较“黑土滩”型退化草地小。

对于黄河源区草地退化的过程和原因，国内外学者已有较多研究和分析。大多数学者认为，自然因素和人为因素是导致草地退化的主要原因。在自然因素中以气候因素对草地影响最大，大量研究表明温度、降水量、蒸发量是影响黄河源区草地退化的重要因素[20-21]。鼠害对天然草地退化的影响主要体现为与家畜进行食物争夺，特别是在造穴打洞时刨掘产生的沙石泥土掩埋牧草，同时挖掘洞穴时致使地表土壤疏松，引起水土大量流失造成土壤侵蚀[22-25]。本研究的结果也表明，黄河源青海片区东北、西北、西南高海拔区域由于气候条件的影响退化草地分布较多，而东南部低海拔区域虽然退化草地分布面积与比例较少，但随着区域人口数量增加，加剧了片面追求牲畜数量而不考虑出栏率，致使区域内家畜数量超过草地的承载力，质量变劣，进而导致退化、沙化草地的退化程度进一步加剧。

黄河源区域内河流密布，不同流域内由于气候等条件的影响导致流域内生态景观的多样性和多变性，在探讨生态问题时需要将以往平面层次的研究扩展到将流域内各个要素联系起来的立体空间范畴内的研究。因此黄河源区草地退化的驱动机制需要在以后的研究中基于“流域单元”开展。而不同区域不同类型的退化草地必然需要不同的恢复措施，对于“秃斑化”类型的退化高寒草地，人工补播等措施可能可以达到遏制其进一步退化的趋势[26]，但对于“裸露化”等类型的退化高寒草地则可能需要工程措施才可以使其逐步恢复。

4 结 论

受草地类型影响，黄河源青海片区在高寒草甸、低地草甸、山地草甸等草地类型中发生“黑土滩”退化，而在高寒草原、温性草原等草地类型中发生“沙化”退化。根据退化程度，黄河源青海片区退化高寒草地可分为“秃斑化”和“裸露化”两个类型，“秃斑化”退化高寒草地主要包括黑土型“黑土滩”和沙化草地两个类型，而“裸露化”退化高寒草地主要包括砾石型“黑土滩”、岩石型“黑土滩”和重度沙化草地 3 个类型。

受草地类型面积分布影响，黄河源青海片区“秃斑化”退化高寒草地黑土型“黑土滩”面积是沙化草地的2.48倍，“裸露化”退化高寒草地主要以砾石型“黑土滩”为主，其次为重度沙化草地，岩石型“黑土滩”面积相对较小。