第31卷第1期 草原与草坪2011年 23 三江源区玛多县草地植被覆盖动态变化研究 刘晓东 ,刘荣堂 ,刘爱军 ,负旭疆 。 (1.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/中一美草地畜牧业可持续发展研究中心, 甘肃兰州 730070;2.农业部全国畜牧总站,北京 100125) 摘要:在建立玛多县草地植被覆盖遥感监测和评价指标体系的基础上,运用地理信息系统软件和 基于植被指数的象元二分法模型,反演了玛多县l985~1988年、1995~l998年和2005~2008年3个时 期的草地盖度影像,分析了玛多县不同时期草地植被覆盖的动态变化。结果表明:1985~1988年到 1995~1998年高覆盖和中高覆盖草地分别减少了1 452.50 km 和599.56 km。,而中覆盖、低覆盖和极 低覆盖草地分别增加了56.63 km ,948.95 km。和1 046.49 km。,说明6年间苹地覆盖度在逐年降低,尤 其低覆盖和极低覆盖草地下降速度快,程度大;1995~1998年到2005~2008年高覆盖和中高覆盖草地 依然表现为减少,分别减少了855.67kin 、69.86 km ,但相比上一期,有了很大程度的降低;低覆盖和极 低覆盖草地分别减少了222.75 km 、424.52 km ,虽然面积不大,但趋势可喜,这两类型草地覆盖首次 出现了逆向转化,说明2000年以来实施的“青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划”生态建设 项目效果明显,并运用马尔科夫模型对2015~2O18年玛多县草地覆盖度进行了预测,极低覆盖草地面 积约为1 579.55 km ,恢复到了20世纪80年代的水平,草地植被覆盖持续恶化逐步得到控制。 关键词:三江源区;遥感;草地覆盖;动态变化 中图分类号:S 812 文献标识码:A 文章编号:1009—5500(20l1)0卜0023—0005 草地植被覆盖度下降是土地退化的一种表现形 式,是植被自然振荡、气候变化和人为干扰等综合作用 而导致的植被逆向演替的现象 ]。近年来,随着遥感 和地理信息系统等技术的发展及遥感数据源和评价方 指标等分级方法,选择草地盖度作为主要遥感监测指 标,建立草地植被覆盖遥感快速监测体系,对8O年代 至今玛多县草地覆盖动态变化进行了监测,并分析和 评价了玛多县草地植被覆盖程度及其空问格局。 法不断推陈出新,为草地植被覆盖监测和评价的选择 提供了很大的空间l2 ]。常用的草地遥感监测和评价 l材料和方法 1.1研究区概况 三江源区是长江,黄河和澜沧江的发源地,有中华 方法有遥感影像目视解译法、遥感影像分类法、遥感植 被指数法以及其他指标法等 ]。不管采取何种方 法,获取可靠的遥感数据,并通过有效的提取途径获得 “水塔”之称l_g】。玛多县是黄河源头第1县,也是三江 源的核心区域,有“千湖之县”的美誉。地处青藏高原 专题信息是草地监测和评价成功的关键{…。 笔者从玛多县草地特征、遥感数据特点等实际问 题出发,采用国家标准中有关草地盖度的定义、级别和 收稿日期:2010-05-29;修回日期:2010—07—05 腹地,位于青海省南部,地理位置为E 96。55 ~99。2O , N 33。5O ~35。40 ]。全县总面积26 506.6 km。,草 地面积占全县总面积80 。草地是玛多县最重要的 生态系统,以高寒草甸类和高寒草原类草地为主l1 。 玛多县是“三江源自然保护区”的重点区域,也是江河 基金项目:“1一一五”支撑课题(2006BA04 1)和国家自然 科学基金项目(30471226)资助 源区的核心区域之一,具有典型的代表性,保护并恢复 草地生态环境意义重大u 。 1.2数据源及处理方法 1.2.1 数据源 采用了GIMMS(Global Inventory 作者简介:刘晓东(1983一),男,甘肃天水人,在读硕:t。 E-mail:liuxiaodongcom@163.CON1 刘荣堂为通讯作者。 24 GRASSLAND AND TURF(2011) Vo1.31 NO.1 Modeling and Mapping Studies)全球植被指数变化数 据集和来自NASA(National Aeronautics and Space 显著直线相关关系…㈦。在遥感监测植被盖度中,通 常利用植被盖度与NDVI之间关系估算区域植被盖 Administration,美国国家航空航天局)的MODIS植 被指数的MOD13Q1数据集。GIMMS选用1981~ 1988、1995~1998年的时间分辨率为15 d、空问分辨 率为8 km的最大值合成的GIMMS—NDVI数据; MOD13Ql选用2005~2008年的时间分辨率为16 d、 度 ,计算公式如下: D V IVc: N D VIN s 丁FNDVIu—NDvl s —(1) 一 式中: 一草地植被盖度,NDVIs一研究区裸土最小 NDVI值。运用象元二分法,确定NDVIs为象元累 空间分辨率为250 m的最大值法合成的NDVI数据, 两类数据都选取植被生长季7~8月底的NDVI图像。 1.2.2 处理方法 将l981~1984,l985~1988和 积置信度达到1 的值,NDVIv为象元累积置信度达 到99 值。 1.4 玛多县草地植被覆盖度遥感监测和评价指标体 系的建立 1995~1998年的AVHRR—NDVI及2005~2008年 MODIS/NDVI生长季(7~8月底)数据,进行叠加,求 1.4.1 草地植被覆盖的分级 以20世纪80年代初 (1981~1984年)的草地植被盖度作为正常草地植被 盖度,以此为基准,划分玛多县草地植被覆盖等级,并 出草地植被生长季平均NDVI图像。然后,用中国草 地资源类型图的草原界限将玛多县的草地进行裁切, 分区反演盖度。 1.3草地覆盖度的估算模型 分为5级:优等覆盖草地、良等覆盖草地、中等覆盖草 地、差等覆盖草地及劣等覆盖草地,并确定监测和评价 指标、标准以及等级划分(表1)I] 。 植被盖度与归一化植被指数NDVI之间存在着极 表1 玛多县草地植被覆盖遥感监测与评价指标、标准以及等级划分方法 Table 1 Evaluation indices system,criteria,classification and grassland vegetation coverage by remote sensing monitoring in Maduo 在利用GIMMS—NDVI及MODIS/NDVI数据,通 过遥感反演获得逐年草地植被盖度的基础上,运用 ERDAS编写运算程序,获得研究区草地植被盖度的空 间格局,逐年计算草地植被覆盖度,判别和分析其时空 格局(表2)。 1.5草地变化动态预测一马尔科夫预测 在自然及人为干扰下,不同草地植被覆盖的面积 和等级都在不断演变,研究其草地植被等级在空问上 式中, 一转移概率,”一草地植被覆盖类型的数目, 一 草地植被覆盖类型i转化为草地植被覆盖类型 的概 率,P 满足以下两个条件: o4p ;∑P 一1。 以1985~l988,l995~1998和2005~2008年3 期草地植被覆盖度数据为基础,采用草地植被覆盖类 型年均转化率替代其转移概率,计算3期草地植被覆 盖等级之间的相互动态变化情况及预测2Ol5~2018 年玛多县草地植被覆盖空间分布状态。 的动态变化用马尔科夫预测法。该方法的关键在于确 定各草地覆盖状态之间相互转化的初始转移概率矩阵 。大量研究表明,马尔科夫链已经能够得出相当可靠 的转移结果【1引。其数学表达式为: p1t Pl 2 Pl a .7>l, 2结果与分析 2.1草地覆盖空间分布 p21 p22 p23 P2, 户一 】 l2 根据公式(1),估算玛多县1985~1988、1995~ Pl 3 Pit 1998和2005~2008年3个不同时期草地覆盖度,分别 进行统计分析。 P 1 P 2 P 3 P. 第31卷 第1期 1985~1988年,1995~1998年和2005~2008年 草原与草坪2011年 2.2草地植被覆盖的动态趋势 25 中高覆盖草地分别占总面积的31.7O ,29.13%和 28.83 ;同时中覆盖草地分别占总面积的21.56 , 21.8O 和28.53 ;低覆盖草地分别占总面积的 2O.42 ,24.48 和23.53 (表2)。 2.2.1 1985~1988年到1995~l998年草地覆盖变化 根据1985~1988年和1995~1998年平均值,计算得 到2个阶段的草地覆盖转移矩阵(表3)。 1985~1988年到1995~1998年玛多草地植被覆 结果表明:玛多县草地覆盖整体处于中覆盖度。 1985~l988年到1995~1998年高覆盖和中高覆盖草 地分别净减1 452.50 km。和599.56 km .而中覆盖、低 覆盖及极低覆盖草地分别增加了56.63,948.95和 盖经历了复杂的变化(表3),草地植被覆盖在6年中波 动较大,呈现出几个特点:在前3个覆盖级别中,都明 显的向下级别转化,而在后两个级别中,都明显的向上 一个级别转化,说明6年间草地覆盖降低明显加剧。 1 046.49 km 。1995~1998年到2005~2008年只有 这与2O世纪8O年代以来牧区人口的大幅度增加有直 中覆盖草地增加了1 572.8l km。,其他高覆盖、中高覆 接关系,在脆弱的青藏高原区,人口的快速增加人口压 盖、低覆盖、极低覆盖分别净减了855.67,69.86和 力过大,是造成环境及其草地退化的主要因素,其次, 222.75、424.52 km。。2005~2008年,低覆盖和极低 过度放牧等行为使草地更加破坏严重。根据气象资 覆盖草地分别比上一期都减少,说明在6年问草地覆 料,自8O年代来,玛多县4季温度均在上升,尤其以暖 盖有增加的趋势。玛多草地植被覆盖在20年问,经历 冬现象最为明显【 一。气候变化不合理的草地利用,引 了先减少后缓和的变化趋势。 起草地的进一步退化,水土流失加剧。 表2玛多不同草地植被覆盖状态面积 Table 2 Different degree of grassland vegetation coverage in Maduo 表3 1985~1988年到1995~1998年草地植被覆盖转移矩阵 Table 3 Transition matrix of grassland vegetation coverage from 1985~1988 to 1995~1998 km 2.2.2 1995~1998年到2005~2008年间草地覆盖变 大,但后2个级别草地覆盖向高一级别转化面积也在 化根据1995~1998年和2005~2008年平均值,计 快速变大。最明显的是低覆盖和极低覆盖草地,分别 算得到2个阶段的草地覆盖转移矩阵(表4)。 有1 305.21 km。和724.42 km 转化为中覆盖和低覆盖 1995~1998年到2005~2008年7年,但玛多县草 草地,而且极低覆盖中有258.70 km。直接转化为中覆 地植被覆盖却有了明显改观。主要表现为前3级别草 盖。中覆盖草地中向上和向下一级转移面积分别是 地覆盖向等级较低的草地覆盖类型转变的面积缓慢变 851.87 km。和954.94 km ,向下一级稍大,但基本持 26 GRASSLAND AND TURF(2O11) Vo1.31 NO.1 平。中高覆盖度草地,有1 591.67 km 转化为中覆盖 草地,表现为草地覆盖降低的趋势。表明1995~1998 年到2005~2008年草地覆盖降低趋势有所缓解。这 与2000年以来国家在生态脆弱的三江源区,通过实施 “青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划”项 目,在破坏严重的低覆盖和极低覆盖草地上,逐步实施 8 * 退牧还草、生态移民、“黑土滩”草地治理、鼠害综合治 理等10大工程建设,是这2个草地植被覆盖类型明显 的向上一级开始转化的动力之一,说明这些工程实施 效果明显。虽然,工程项目在一定程度上缓解了三江 源区草地植被覆盖下降的速度和趋势,但总体仍未改 变,形势仍不容乐观。 ∞∞∞ O O 蹭O∞O∞O 2 O O O 表4 1995~1998年到2005 ̄2008年草地植被覆盖转移矩阵 Table 4 Transition matrix of grassland vegetation coverage from 1995~1998 to 2005~2008 l O 8 5 O * * ∞9 ∞∞ 9 km 2005 ̄2008钲 高覆盖草地 高覆盖草地 中高覆盖草地 中覆盖草地 中高覆盖草地 3 5 l l O 2 3 O ¨ 8 中覆盖草地 8 O 5 1 O 4 8 O O 8 盯 6皇_2 8 ∞ 5 低覆盖草地 O 极低覆盖草地 O ∞ 2 7 2 5 l 3 3 0叭O O 8 O O 0 1 3 2 低覆盖草地 5 3 O 9 8 8 6 7 2 O 6 2 2 6 1 7 432 1 3 O 9 6 极低覆盖草地 4 7 9 5 1 3 7 2 9O年代总计 2 323.48 4 O 6 735.31 5 O 4 0 3 6 659.84 0 4 O 5 482.35 2 166.93 2 3367.43 1 ∞ 注: 为2000年到2008年初始状态下转移概率矩阵 3 * 1 叭 O * 6 踮 8 9 * 7 勰 4 * 5 * 2.3玛多县草地植被覆盖动态演变预测 草地面积基本一致。可以预测,随着三江源区草地治 根据马尔科夫模型,预测玛多县2015~2018年草 理投入力度的不断加大,该地区草地植被覆盖将可望 O O 5 O 1 O 3 O 2 6 ∞ ∞6 0 L 0 c;& 8 8 地植被覆盖状况。由于l985~1988年到2005~2008 增加,草地植被覆盖降低的趋势基本可以得到控制,草 年,研究区草地覆盖变化经历恶化和缓解2个阶段,如 O * 1 * 原退化在一定程度上也能够得到缓解。 O 5 * 1 * * 果第2个阶段中草地治理措施和治理轻度等因素在今 3 结论 5 5 后能得以相对稳定的保持,那么用该阶段初始转移矩 3 6 1 ● 8 ● 1 ● 6 ● 阵(表4),可以预测研究区未来的草地覆盖状况。预测 叭 ∞ 家标准(GB19377—2003)及遥感数据特征,选择草地 获得研究区2015~2018年玛多县草地覆盖类型格局 植被覆盖作为评价指标,建立玛多县草地植被覆盖遥 (表5)。 感监测体系,并利用植被指数及象元二分法,对快速进 表5 玛多县草地覆盖类型的未来演变趋势预测 ● (1)从玛多县草地植被覆盖实际情况出发,根据国 5 5 6 2 7 8 1 l 0 2 4 3 Table 5 Predict of grassland vegetation coverage in future in Maduo km2 行该区域草地覆盖变化遥感监测和评价有效可行。 (2)1985~1988年到l995~1998年,高覆盖草地 分别向中高覆盖、中覆盖、低覆盖和极低覆盖草地分别 转移了551.14、648.42、509.47、449.26 km ,由于高覆 盖草地利用频繁,所以导致向下4个级别草地分别转 草地覆盖类型 1995~1998年2005 ̄2008年2015~2018年 移,这也是草地覆盖恶化的一个信号。中高和中覆盖 草地向其下一级别转移面积明显大于向上一级别转移 由预测结果可以看出玛多县草地覆盖状况到2015 的面积,进一步印证了草地覆盖降低的趋势。 (3)1995~1998年到2005~2008年,高覆盖和中 " ̄-2018年,虽然,高覆盖和中高覆盖草地面积没有增 加,但是中覆盖草地面积大幅度增加,同时极低覆盖草 地面积为1 579.55 km ,这与1985~1988年极低覆盖 高覆盖草地仍然向下级别的草地转移,高覆盖草地 1 3l1.23 km。转化为中高覆盖草地,286.53 km。转化 第31卷第1期 草原与草坪2011年 27 为中覆盖草地,而中高覆盖草地有l 591.67 km。转化 为中覆盖草地,由于2000年直到现在三江源区实施的 调查分析[J].应用与环境生物学报,1999,5(2):131— 135. 工程,大部分都是以围栏保护为主,所以高覆盖草地和 中高覆盖草地依旧是利用率最高的草地,所以降低也 是必然的趋势,虽降低速度较上一期缓慢,但依然令人 担忧。中覆盖草地明显出现了向上下2个方向转移的 [6]邹亚荣,张增祥,赵晓丽.G1S支持下我国干旱区草地资 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[7]李建龙,黄敬峰,王秀珍.草地遥感[M].北京:气象出版 社,1 997:91—102. [8] Alexander McR Holma,Shane W Cridlandb,Michael L Roderick.The use of time—integrated N()AA NDVI data 趋势,且转移面积相差不多,分别向中高覆盖和低覆盖 转移了851.87 km。和954.94 km ,充分说明草地覆盖 and rainfall tO assess landscape degradation in the arid 变化在中覆盖草地级别中稳定了,这个稳定是明显的, 只有这个稳定才能带来向上一级稳步转移的机会。低 覆盖和极低覆盖草地中向上一级转移的趋势更加强 烈,低覆盖草地中有1 305.2l km。转移到上一级别,在 极低覆盖草地中分别有724.42 km。和335.69 km。转 移到低覆盖和中覆盖草地,草地覆盖下降趋势缓和。 (4)玛多县草地覆盖状况到2015~201 8年,高覆 盖和中高覆盖草地面积增加幅度很小,但是中覆盖草 地面积会大幅度增加,同时极低覆盖草地面积将大幅 度减少。表明国家在三江源地区实施的“青海三江源 自然保护区生态保护和建设总体规划”项目起到了明 显的效果。此项目都是在保护和治理低覆盖和极低覆 盖草地,这也是这两类草地覆盖类型明显的向上一级 开始转化的动力,说明这些工程实施效果明显。 (5)利用GIMMS和MOD13Q1数据集,对玛多县 草地植被覆盖时空变化特征分析的研究表明:GIMMS 和MOD13Q1数据集,可用于一定尺度草地植被覆盖 变化的研究,且效果良好,也是对此数据集在草地资源 监测应用中的大胆探索与信息挖掘。 参考文献: [】]中华人民共和国农业部畜牧兽医司,全国畜牧兽医总站. 中r日草地资源[M].北京:中国科学技术出版社,1 996:56 59. [22查勇,Jay Gao.国际草地资源遥感研究新进展[J].地理 科学进展,2003,22(6):607—6l7. 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(下转32页) 32 GRASSI AND AND TURF(20 1 1) Vo1.3l No.1 SHANG Xiao—j uan,WANG Jing,DUO I i—an (College of Life Sc’iences,Tianjin Normal University,Tianjin 300387,China) Abstract:A pot experiment was performed to investigate eco—physiological responses of Festuca arundina— tea acclimated in hypertonic municipal solid waste(MSW)compost medium to salt stress,and the unacclimated F.arundinacea was used as contro1.Aboveground biomass,seedling height,root dry weight,root length,ehloro— phyll content,protective enzyme activities were determined.The results showed that growth parameters of accli— mated F.arundinacea were higher than those of control,among which,aboveground biomass,seedling height and root length were increased by 10.04 ,9.42 and 36.84 respectively as compared with control,but root dry weight was only increased by 0.9%.However,chlorophyll contents had no difference between acclimated F. arundinacea and contro1.In addition,SOD and CAT activities of acclimated F.arundinacea were also higher than those of control,SOD increased by l6.34 and CAT increased by 46.96 as compared with control,the difference was significant,but POD had no difference.In conclusion,the acclimated F.arundinacea had the mechanism to tolerant salt stress. Key words:MSW compost medium;acclimation;Festuca arundinacea;salt stress;eco—physiological response 一+“+”+“+一+”+“+一+”+”+”+”+..+“+“+”+“+“+一十”十一+一+”+“+一+”十一+“+”+・+一+”+一—。+一 —卜”—+ ”—。+一 ‘。+-”— ”十 ‘’卜“ (上接27页) Dynamic of grassland coverage in maduo of Three River Source Area LIU Xiao~dong ,LIU Rong—tang ,LIU Ai—jun ,YUN Xu—jiang , (1.College of Grassland Science,Gansu Agricultural University,Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education,SimrU.S.Centers for Grazing land Ec’osystem S“ f“ Ⅱ6 £ f-y, Lanzhou,Gansu Province 730070.China;2.National Animal Husbandry Service,Beijing 100125,China) Abstract:Grassland coverage image of three period,l985~1988,1995~1998,2005~2008,was inversed based on GIS software and pixel dichotomy model,and the dynamic changes of grassland vegetation coverage in different period were analyzed as well in Maduo county.The results showed that high and medium—high coverage grassland reduced 1 452.50 km ,599.56 km respectively while medium,low and extreme low coverage grass— land increased 56.63 km 。948.95 km and 1 046.49 km respectively from 1985~1988 to 1995~1998.It showed that grassland degrade gradually in past 6 years.H igh and medi um—high coverage grassland still degrad— ed From 1995~l998 to 2005~2008,the area reduce 855.67 km ,69.86 km ,low and extreme low coverage grassland reduce 222.75 km。,424.52 km。respectively,but compare to the period of 1985~1988 to 1995~1998, the range was not obvious.The two kinds of coverage grassland showed reverse transformation firstly.It has been proved that the effects of ecological construction projects,The Planning for Ecological Protection and Con— struction in the Nature Reserve of Three River Source Area in Qingbai since 2000,were absolutely obvious.A predict showed that the area of extreme low coverage grassland,in 2015~2018,was about 1 579.55 km ,it would back to the level of 80s by using Markov mode1.The continuous degrading of vegetation coverage will un— dereontroI gradually. Keyword:Three River Source Area;remote sensing;grassland coverage;dynamic change