基于遥感技术的色林错国家级自然保护区草地退化问题分析

仙麦龙，吕俊娥

（中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西西安，710199）

0 引言

草地是山水林田湖草生命共同体中不可或缺的重要组成部分，具有增加碳汇、涵养水源、保持水土、防风固沙、调节气候、维护生物多样性、维持生态系统平衡等多方面功能［1］。然而，由于农牧业发展、城市化、物种入侵、气候变化和其他人为的因素的影响，全球接近一半的草地出现了不同程度的退化，这已成为世界性生态环境问题之一。据统计估算，1994年全球草地面积约为33.95亿公顷，而2020年全球草地总面积为32 亿公顷，减少了5.7%。我国的草地退化尤为严重，据1980年全国草地资源调查，我国草地面积约有4 亿公顷，而2023 年4 月12日自然资源部发布的《2022 年中国自然资源统计公报》中显示，我国草地面积仅有2.64 亿公顷，呈明显下降趋势。

西藏自治区地处青藏高原，野生动植物资源、水资源和矿产资源丰富，素有“世界屋脊”和“地球第三极”之称，是“亚洲水塔”，也是全国的“江河源”和“生态源”。但由于西藏地区的自然条件恶劣，生态环境十分脆弱，加之人为因素的影响，生态环境出现逐年恶化趋势，表现在水土流失、土地沙化、地质灾害、森林减少、大气污染、草地退化等方面［2］。据统计，西藏有草地8205 万公顷，占全国草地面积的21.4%，占自治区国土总面积的68.1%［3］。草地退化面积已经超出4 266.67 万公顷，占全区草地总面积一半以上，其中重度、中度退化面积已超出2 680 万公顷［4］。位于西藏北部的那曲市有草地3 417 万公顷，占自治区草地总面积的42.15 %，是西藏自治区主要草地畜牧业基地之一［5］，但该区的草地退化问题依然存在。西藏色林错国家级自然保护区草地分布于那曲市的高海拔地区，也出现了不同程度的退化现象。虽然从2004 年开始西藏自治区在那曲市开展了退牧还草工程试点，取得了一定的成效，但那曲中部、东部及北部地区草地退化仍较为严重，西部地区草地退化状况略有减缓。

利用多时相、多传感器结合的遥感对地观测技术使得大面积监测评估地表生物量实现了低成本、高时效、高分辨率的效果，通过对生物量的反演计算进而评估地表生态环境状态［6］。草地退化遥感监测是通过Landsat TM、MODIS、GF 遥感图像数据计算地表植被指数，如归一化植被指数（NDVI）、比值植被指数（RVI）等，进而用于草地测量、草地资源估算、草地退化监测、草地多样性评估等多个方向［7-8］。利用遥感技术可进行大尺度的草原生长状态监测调查，据其时空变化指导草地资源规划与利用，维护草原生态系统可持续发展［9-11］。

本研究基于多源遥感数据对2000 年、2010 年和2020 年色林错国家级自然保护区草地的植被覆盖度进行解译计算，分析过去20 年间保护区草地生长状况的变化及其发展退化特征。同时，对1990 年以来影响区域草业生长的农牧业、降水、气温和湖泊面积变化进行分析，研究各因素对保护区草原生态系统的影响程度。

1 研究方法

1.1 研究区概况

色林错保护区具有大面积保护完好的高原高寒湿地生态系统，为大型野生动物自然保护区，起初由西藏自治区人民政府于1993年设立，2003年经国务院批准确定为国家级自然保护区。研究区位于西藏自治区西北部的藏北高原，分为东区和西区两部分，东区包括安多县、色尼区和班戈县东部，西区包括双湖县、申扎县、尼玛县、班戈县西部，总面积18 936.36 km2。主要土壤类型包括高山草原土、高山草甸土、高山寒冻土和高山沼泽草甸土四种，整体上土壤粗骨性强，发育原始，发生层浅，除沼泽草甸外，土层厚度仅10～15 cm。保护区由于降水集中，地势平缓，地表径流不畅，分布大面积的湖泊群和沼泽地。

图1 研究区地理位置Figure 1 Geographical location of the study area

1.2 数据来源

草地与湖泊数据：草地NDVI 值的计算及湖泊面积的统计是基于遥感数据包括1990 年TM、2000年ETM+、2010 年ETM+、2020 年LandSat8 遥感图像，及12.5m 的DEM 高程数据的解译计算，结合第三次全国国土调查成果进行获取。图像数据以6—10 月时相为主。农牧业数据：农牧业产值、大牲畜和羊的数量数据均来自西藏自治区统计年鉴。降水与气温数据：国家气象观测站申扎站、班戈站、安多站、那曲站四个站点监测资料支撑色林错保护区的气象数据需求。

1.3 植被覆盖度遥感估算模型

植被覆盖度（VFC）为植被冠层垂直投影的面积占基准地表单位面积的比例或者百分数。植被覆盖度VFC与植被指数NDVI之间存在着极显著的线性相关性，利用植被指数NDVI 可以近似估算植被覆盖度，其基准计算公式如下：

式中：NDVIsoil为裸土或无植被覆盖的像元NDVI值；NDVIveg为被植被所覆盖像元的NDVI 值，即纯植被像元的NDVI值。

对于特定研究区，公式（1）中VFC的计算可以转为公式（2）。

式中：NDVImax和NDVImin分别为区域内最大NDVI值和最小NDVI值。

由于遥感影像不可避免存在噪声，NDVImax和NDVImin一般取一定置信度范围内的最大值与最小值，置信度的取值主要根据图像实际情况来定［12-13］。当有实测数据的情况下，取实测数据中的植被覆盖度的最大值和最小值作为VFCmax和VFCmin，这两个实测数据所对应图像的NDVI值作为NDVImax和NDVImin。当没有实测数据的情况下，取一定置信度范围内的NDVImax和NDVImin。

利用ENVI 软件对研究区2000 年和2010 年的ETM+数据及2020年的Landsat 8数据的三期植物生长季遥感图像进行解译，反演计算NDVI 值，取累积概率在5% 和95% 的NDVI值分别作为区域的NDVImin和NDVImax（表1），进而通过公式（2）计算区域VFC值。当通过计算获取的像元NDVI值小于NDVImin时，VFC取值为0；当NDVI值大于NDVImax时，VFC取值为1；当其介于NDVImin与NDVImax之间时使用公式（2）计算对应像元VFC值。

表1 反演计算NDVImin和NDVImaxTable 1 Inversion calculation of NDVImin and NDVImax

1.4 遥感监测评价指标

通过对多期可获取的遥感影像数据解译，计算区域的VFC值，将研究区草原的退化程度分为未退化（＞90%）、轻度退化（70%～90%）、中度退化（50%～70%）、重度退化（30%～50%）和极重度退化（＜30%）5级。

2 结果与原因分析

2.1 区域草地面积变化

据研究区2000 年、2010 年及2020 年的植被覆盖度VFC值分布可以看出其整体上在西部地区，特别是西北部区域有明显的上升，也就是说西部区域的草地覆盖度处于向好的发展（图2）。从时间序列上可以看出在2010—2020 年陆地面积的VFC值基本上都变为大于50%，西部区域草地均处于恢复状态。然而，东部村庄分布较密集的区域，VFC值大于90%的区域面积存在一定程度的减少，所以，色林错地区草地的退化主要出现在东部区域。

从2000 年到2020 年研究区的草地未退化面积始终在1.7×103km2左右波动，没有明显的变化（图3）。对于轻度和中度退化面积，2010年与2000年相比没有太大变化，而2020 年的轻度退化面积为3.4×103km2，中度退化面积为7.2×103km2，相比于2000 年的轻度退化面积（1.9×103km2）和中度退化面积（3.8×103km2）增加了将近一倍。重度退化面积在2000 年和2010 年之间变化也不明显，但是在2020 年减少了三倍多的面积。类似地，极重度退化面积从2000 年到2010 年处于直线减少，2020 年相比于2000 年减少了五倍多。因此，2020 年相比于2000 年其轻度和中度退化面积增加主要是由于重度和极重度退化面积的减少转化而来，色林错国家保护区草原植被覆盖度从2010年后处于恢复状态，特别是植被覆盖度非常低的重度和极重度退化面积锐减。可见，色林错在2003年被列为国家级自然保护区后，一系列的调查研究与保护管理措施对区域草原恢复及相关环境因素都产生了显著的积极效果。

图3 研究区不同植被覆盖度草地面积的变化Figure 3 Changes in grassland area with different vegetation coverage in the study area

2.2 原因分析

2.2.1 农牧业发展

耕地的开垦对草地的占用以及发展畜牧业都会在一定程度上影响草地面积的分布及草地质量。色林错地区多年以畜牧业为其支柱产业，其畜牧业产值从1990 年的19 275 万元增长到了2019 年的108 946 万元，大牲畜的数量从1990 年的91.35 万头增长到2019 年的113.13 万头，同期羊的数量从428.08 万只下降到了317.69 万只（图4）。总体上来说，大牲畜数量的增加与羊数量的减少对区域草量的消耗存在一定的互补，即牲畜数量的变化对区域草量消耗不会产生大幅度的变化。由此说明，畜牧业产值的增加主要来自物价上涨以及对畜牧产品的加工和销售，当地畜牧业对保护区草原的影响较弱。另外，自1990 年以来，该区域农业产值从127万元增长到12 748万元，增长了大约100倍，产值的大幅度增长可以倒推出区域耕地面积存在着一定的增加。

图4 研究区农牧业产值的变化（a）及牲畜数量的变化（b）Figure 4 Production value in agriculture and animal husbandry（a）and the number of livestocks（b）in the study area

2.2.2 气象变化

区域气候条件如降水量和气温等因素与生态环境的稳定性存在密切关系，特别是西藏高原高海拔地区的土壤湿度和温度是地表植物生长的重要控制因素之一。本研究收集了保护区四个国家级气象监测站点（那曲站、安多县、班戈县和申扎站）1990—2016 年的年平均降水量和年平均气温数据，分析其对区域草原生态环境可能存在的影响（图5）。区域多年平均降水量在400 mm，线性回归分析27 年间降水量呈小幅度的上升趋势，说明降水量对区域过去几十年的草原生态未产生明显的限制作用。然而，保护区在27 年间出现了明显的升温趋势，气温升高幅度在1.5 ℃左右，此升温幅度对区域生态系统物种结构可能会存在一定的影响，但是升温会在一定程度上减少寒冷对区域地表植被生长的限制作用，促进草业的生长。因此，降水量和气温变化对当地草原生态发展可能存在积极的影响。

图5 研究区1990—2016年降水量（a）和气温（b）Figure 5 Precipitation（a）and temperature（b）in the study area from 1990 to 2016

2.2.3 湖泊面积的变化

色林错保护区分布大量的湖泊，其中，面积大于10 km2的湖泊23个，面积大于1 km2的湖泊46个，湖泊面积和水量的变化对当地生态环境稳定具有至关重要的作用。本研究通过对1990 年、2000 年、2010年和2020年四期遥感图像数据进行解译，计算保护区永久性淡水湖、永久性咸水湖、季节性淡水湖、季节性咸水湖的面积变化（图6），分析当地水资源量的变化及其对草原生态环境存在的可能影响。永久性湖泊面积从1990—2020 年期间存在一定的增长，特别是永久性咸水湖的面积从2.21×103km2增长到3.02×103km2，增长了将近一半，湖泊面积的增加有利于改善湖区周边的土壤墒情，促进区域植被的生长，其应该是保护区草地重度和极重度退化面积减少的主要原因之一。对于季节性淡水湖和咸水湖，其面积变化波动较大，淡水湖面积从1990年的1.09 km2增加到了2000 年的22.25 km2，随后直线下降到2020 年的6.03 km2，而咸水湖面积1990 年到2020 年期间在1～4 km2来回波动。然而，由于季节性湖泊总面积不到永久性湖面的1/100，所以相对永久性湖面来说季节性湖泊水面的变化对保护区草原的演化影响较小。

图6 研究区湖泊面积变化，永久性湖泊（左侧坐标轴），季节性湖泊（右侧坐标轴）Figure 6 Changes in lake area in the study area，permanent lakes（left coordinate axis），seasonal lakes（right coordinate axis）

3 结论

利用遥感技术对色林错国家自然保护区过去20 年的草地面积变化及其草地植被覆盖度指数解译计算，结果表明研究区未退化面积保持相对稳定的状态，特别是2010年以来草地重度退化和极重度退化区域大面积转为轻度和中度退化，色林错区域草地生态系统整体上处于向好发展状态。通过对可能影响草地生长的农牧业、降水、气温、湖泊面积的变化进行分析，研究各因素对草地生态变化的影响。农牧业产值虽然大幅度提升，但根据牲畜数量的变化推测其对草量的消耗处于大致持平状态，应该不会对草原生态产生太大影响。降水、气温和湖泊面积都处于不同程度的增长，对草业生长具有积极的促进作用，其应该是保护区草地重度和极重度退化面积减少及草原生态恢复的主要贡献因素之一。