基于landsa影像的內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)變化研究

基于landsa影像的內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)變化研究

作為中國(guó)最脆弱的生態(tài)環(huán)境之一，該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)三個(gè)特點(diǎn)最為突出。一個(gè)是不穩(wěn)定性，另一個(gè)是敏感性。不穩(wěn)定性是指生態(tài)系統(tǒng)受到外來(lái)擾動(dòng)容易發(fā)生變化,從而破壞原有生態(tài)平衡。敏感性是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的各種環(huán)境要素極易發(fā)生改變,一個(gè)環(huán)境要素的變化或擾動(dòng)往往會(huì)觸發(fā)其它多個(gè)因素的變化,從而產(chǎn)生“鏈?zhǔn)健狈磻?yīng),使脆弱生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生根本性的改變,而這種改變往往都是不可逆的、災(zāi)害性的退化。在國(guó)家環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略從單純的污染防治向污染防治與生態(tài)保護(hù)并舉發(fā)生轉(zhuǎn)變的背景下,農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)已經(jīng)成為“十一五”國(guó)家生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域之一。但是,我國(guó)目前對(duì)區(qū)域生態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)還處于摸索階段,還沒有十分有效的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)模型。因此,現(xiàn)階段如何評(píng)價(jià)生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化和生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略的成果就顯得十分必要的,該研究選取我國(guó)最為典型的生態(tài)脆弱帶作為研究區(qū)域,就是一種對(duì)宏觀生態(tài)評(píng)價(jià)的有益嘗試。1研究區(qū)域地質(zhì)概況農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)地處我國(guó)干旱-半干旱地區(qū),是季風(fēng)氣候向大陸性氣候轉(zhuǎn)變的過(guò)渡區(qū)域,降水變率大,受降水不穩(wěn)定的影響,該區(qū)域持續(xù)發(fā)生農(nóng)業(yè)區(qū)域和牧區(qū)的相互進(jìn)退。該區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)力水平低而不穩(wěn),生態(tài)問題極為突出。該研究選取了最為典型的鄂爾多斯地區(qū)為研究區(qū)域。鄂爾多斯市區(qū)域包括杭錦旗、鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗、準(zhǔn)格爾旗、達(dá)拉特旗、東勝市和伊金霍洛旗。境內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富,是我國(guó)煤炭、貴重金屬、羊絨的主要產(chǎn)區(qū)。海拔高度為1000~1500m之間,中部為毛烏素沙地和庫(kù)布其沙漠,植被稀疏,生態(tài)環(huán)境惡劣。冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒,多寒潮天氣;春季干旱,降水少,春旱突出,多大風(fēng)天氣;夏季短促。年日照時(shí)數(shù)為2716~3194小時(shí),年平均氣溫5.3~8.7℃,年降水量為170~350mm,年蒸發(fā)量2000~3000mm,降水主要集中在7~9月份,全年8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)40天以上,無(wú)霜期130~160天。是我國(guó)沙塵暴產(chǎn)生的源頭之一。為了加強(qiáng)對(duì)生態(tài)脆弱帶的保護(hù)和管理,國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局已經(jīng)將農(nóng)牧交錯(cuò)帶作為“十一五”生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域之一。2空間分辨率和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)該研究選取了兩期中等分辨率的遙感影像(LANDSAT的TM/ETM+),成像時(shí)間分別是1990年8月和2000年8月共兩期,空間分辨率分別是30m和15m。二是從1998年4月起至2005年3月止的SPOT衛(wèi)星的VEGETATION數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為10天,空間分辨率為1000m,共252期。空間地理數(shù)據(jù)采用中國(guó)測(cè)繪局的1︰1000000萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。國(guó)家氣象局提供的1955-2004年的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)。3環(huán)境地物變化數(shù)據(jù)處理TM/ETM+的處理:應(yīng)用ERDASIMAGINE軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正、融合和鑲嵌;采用人機(jī)交互的方式對(duì)圖像進(jìn)行解譯,解譯精度超過(guò)80%;將解譯后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量圖層。利用ARCGIS的空間分析功能,將數(shù)字化得到的兩期環(huán)境地物矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析,得到環(huán)境地物的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù);對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及其屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并計(jì)算1990-2000年各種環(huán)境地物類型的面積轉(zhuǎn)移矩陣。VEGETATION數(shù)據(jù)的處理:該數(shù)據(jù)本身就是植被指數(shù),經(jīng)過(guò)幾何校正和去云處理就可使用。用基礎(chǔ)地理地圖(國(guó)家測(cè)繪局提供的1︰100萬(wàn)地圖)對(duì)VEGETATION數(shù)據(jù)進(jìn)行切割,分析VEGETATION數(shù)據(jù)的變化。由于兩種遙感影像在空間分辨率和時(shí)間分辨率上的巨大差異,對(duì)TM影像選取解譯出來(lái)的環(huán)境地物變化為指標(biāo),分析環(huán)境地物的變化,研究生態(tài)質(zhì)量的變化;而VEGITATION數(shù)據(jù)則充分利用其時(shí)間分辨率高的特點(diǎn),研究對(duì)應(yīng)時(shí)間段研究區(qū)域內(nèi)生物量的變化,從而反映研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,最終起到盡可能延長(zhǎng)研究時(shí)段,客觀反映研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的目的。4結(jié)果與分析4.1結(jié)果與分析4.1.1不同覆蓋度、不同碳經(jīng)濟(jì)類型的環(huán)境地物面積變化該研究時(shí)段所采用的遙感數(shù)據(jù)是TM影像。通過(guò)數(shù)據(jù)圖像處理,得到環(huán)境地物變化空間數(shù)據(jù)庫(kù)(表1)和土地轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。發(fā)生變化的環(huán)境地物如圖2所示。從圖上可以明顯看出,鄂爾多斯市1990-2000年環(huán)境地物結(jié)構(gòu)變化明顯,特別是草地和沙地面積的變化最為顯著。1990-2000年高覆蓋度草地比重減少尤為強(qiáng)烈,減少了3.28%;中覆蓋度草地比重增加了0.40%;低覆蓋度草地和沙地比重增加最為顯著,分別增加了1.48%和1.43%。耕地和水體流濕地比例有所下降,林地和居民工礦地比重略有增加?？傮w上看,環(huán)境地物結(jié)構(gòu)的變化反映了生態(tài)環(huán)境的整體退化趨勢(shì),主要表現(xiàn)在草地的退化和土地的沙漠化。從各類環(huán)境地物面積的數(shù)量變化看(表1),草地和沙地的面積變化最大。其中高覆蓋度草地由1990年的14401.83km2到2000年的11554.51km2,面積減少2847.32km2,減少率高達(dá)19.77%;低覆蓋度草地由1990年的10019.27km2到2000年的11305.06km2,面積增加1285.34km2,增加率高達(dá)12.83%;中覆蓋度草地面積增加了347.48km2。沙地?cái)U(kuò)張顯著,10年間沙地面積增加了1242.07km2。其他類型的環(huán)境地物面積變化較小,林地增加70.12km2,濕地減少61.81km2,耕地減少51.91km2。城市用地面積變化最小,增加了16.03km2?？梢?高覆蓋度草地的減少以及低覆蓋度草地和沙地的增加是環(huán)境地物面積變化的主體,是生態(tài)環(huán)境退化的顯著表現(xiàn)。4.1.2環(huán)境地物轉(zhuǎn)化的基本格局研究環(huán)境地物各種類型之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠更準(zhǔn)確地揭示生態(tài)環(huán)境變化的方向和趨勢(shì)。圖2為遙感監(jiān)測(cè)到的鄂爾多斯市1990-2000年環(huán)境地物變化情況,左圖表示10年間發(fā)生變化的地物在變化前的狀態(tài),即1990年地物類型圖;右圖表示變化后的狀態(tài),即2000年地物類型圖;圖中不顯示地物類型為10年間未發(fā)生變化的區(qū)域。圖2能夠直觀地描述各種環(huán)境地物類型之間的轉(zhuǎn)換情況。兩圖對(duì)比結(jié)果可以看出:鄂爾多斯市環(huán)境地物轉(zhuǎn)換的主要過(guò)程為:高覆蓋度草地轉(zhuǎn)化為中、低覆蓋度草地,中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化為低覆蓋度草地和沙地,低覆蓋度草地轉(zhuǎn)化為沙地,反映了生態(tài)環(huán)境整體退化的趨勢(shì)。通過(guò)迭加運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)分析形成的環(huán)境地物轉(zhuǎn)移矩陣(表2),清晰地反映出不同類型環(huán)境地物之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。從環(huán)境地物轉(zhuǎn)移矩陣可清楚地看出:1990-2000年的10年間鄂爾多斯市草地退化、土地沙化現(xiàn)象嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境整體呈惡化趨勢(shì)。從1990-2000年各類環(huán)境地物轉(zhuǎn)移的方向看:(1)6.12%的耕地發(fā)生變化,其中87.91%轉(zhuǎn)變?yōu)橹?、低覆蓋度草地和沙地。(2)林地所占比例小,轉(zhuǎn)化面積也小。主要轉(zhuǎn)化為中覆蓋度草地和耕地。(3)草地退化是本區(qū)最突出的地物類型轉(zhuǎn)化過(guò)程,轉(zhuǎn)化面積大,轉(zhuǎn)化比例高。表現(xiàn)為20.45%的高覆蓋度草地發(fā)生變化,其中82.30%退化為中覆蓋度草地,10.12%退化為低覆蓋度草地;7.54%的中覆蓋度草地發(fā)生變化,其中83.16%退化為低覆蓋度草地,10.87%退化為沙地;13.78%的低覆蓋度草地發(fā)生變化,其中89.91%退化為沙地。(4)水體和濕地面積萎縮且沙化明顯。4.30%的濕地發(fā)生變化,其中86.28%轉(zhuǎn)化為沙地。從2000年各類環(huán)境地物的轉(zhuǎn)化源來(lái)分析:(1)耕地和林地主要由高、中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來(lái);(2)其他用地轉(zhuǎn)化為高覆蓋度草地的面積很小,中覆蓋度草地主要由高覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來(lái),低覆蓋度草地主要由中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來(lái);(3)沙地主要由低覆蓋度草地和中覆蓋度草地轉(zhuǎn)化而來(lái);(4)濕地由其他用地類型轉(zhuǎn)化的面積很小,轉(zhuǎn)化比例低;(5)居民工礦地主要由草地和耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)?？梢?從1990-2000年,鄂爾多斯地區(qū)的生態(tài)過(guò)程呈現(xiàn)出持續(xù)退化的過(guò)程,具體表現(xiàn)為:高覆蓋草地向中低覆蓋草地轉(zhuǎn)化,中覆蓋草地向低覆蓋草地和沙地轉(zhuǎn)化,低覆蓋草地向沙地轉(zhuǎn)化。4.2不同行政區(qū)域植被的年由于植被指數(shù)的特點(diǎn),當(dāng)植被指數(shù)達(dá)到0.15~0.8間,植被指數(shù)才與植被的生長(zhǎng)情況呈正相關(guān)關(guān)系。從生態(tài)學(xué)的角度看,一個(gè)地區(qū)植被指數(shù)的變化可以反映該地區(qū)生物量的變化,可以認(rèn)為植被指數(shù)狀況越好,生態(tài)質(zhì)量狀況則越好。研究中選取了從1998年4月至2005年3月SPOT衛(wèi)星的VEGETATION數(shù)據(jù)。由于植被本身的特點(diǎn),第二年植被返綠前的植被指數(shù)與前一年生長(zhǎng)季植被狀況關(guān)系更密切,所以研究中將前一年4月開始至第二年3月作為一個(gè)研究年度。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行切割、疊加等運(yùn)算,得出了研究區(qū)域從1998-2005年研究區(qū)域植被指數(shù)變化狀況圖。對(duì)研究區(qū)域年均植被指數(shù)按行政區(qū)進(jìn)行切分并統(tǒng)計(jì)該行政區(qū)內(nèi)的植被指數(shù)均植,計(jì)算方法如公式(1)所示,結(jié)果如表3所示。NDVIi,j=Σt=1nΣk=136NDVIi,j,k,t36×nΝDVΙi,j=Σt=1nΣk=136ΝDVΙi,j,k,t36×n,(1)式中:NDVIi,j,k,t表示第i個(gè)行政區(qū)第j年第k旬第t個(gè)像元的植被指數(shù);NDVIi,j表示第i個(gè)行政區(qū)第j年的年均植被指數(shù)。由表3可以看出,從1998-2004年,鄂爾多斯地區(qū)所有旗縣植被從1998年起持續(xù)變差,2000-2001年達(dá)到最低點(diǎn),其中,2001年最差,隨后的幾年植被都在逐步好轉(zhuǎn),生態(tài)質(zhì)量也隨之恢復(fù)。通過(guò)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)所有旗縣植被都有一段程度的恢復(fù),研究區(qū)域內(nèi)2004年生物量較2001年增長(zhǎng)在7.14%至18.51%間,其中東勝市生態(tài)恢復(fù)狀況最好。研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)區(qū)比較集中的東勝市、伊金霍洛旗、準(zhǔn)格爾旗和達(dá)拉特旗平均增長(zhǎng)14.49%,以牧業(yè)為主的鄂托克前旗、額托克旗、杭錦旗和烏審旗平均增長(zhǎng)11.00%。5研究區(qū)域的降水變化全球變暖在我國(guó)已引起氣候帶邊界位置的相應(yīng)擺動(dòng),以及農(nóng)作物的種植制度的相應(yīng)改變,干旱半干旱地區(qū)許多生態(tài)環(huán)境方面的問題可能與此密切相關(guān)。利用氣象觀測(cè)資料研究已經(jīng)成為研究氣候變化與生態(tài)環(huán)境變化關(guān)系的重要信息源。鄂爾多斯地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化也離不開氣候的變化。鄂爾多斯地區(qū)從1955年開始在鄂托克旗、1956年開始在東勝有完整的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此對(duì)研究區(qū)域的氣象變化分析時(shí)間段選擇從1950s(20世紀(jì)50年代)至21世紀(jì)。以10年為時(shí)間尺度看,鄂爾多斯地區(qū)呈現(xiàn)溫度逐步增加的趨勢(shì)(見表4,圖4),鄂托克旗1950s的平均溫度是6.18℃,此后出現(xiàn)不斷變暖的趨勢(shì),至2000s平均溫度上升到8.06℃,升幅為1.86℃;東勝市1950s的平均溫度是5.12℃,此后出現(xiàn)不斷變暖的趨勢(shì),至2000s平均溫度上升到7.24℃,升幅為2.12℃;兩地平均溫度上升1.99℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于20世紀(jì)全球平均溫度升高0.6±0.2℃的范圍,約為全球平均升幅的3倍。溫度的持續(xù)升高勢(shì)必使研究區(qū)域的潛在蒸發(fā)能力提高,使氣候更加干燥,植被生長(zhǎng)更加困難。以10年為時(shí)間尺度看,鄂爾多斯地區(qū)降水變化不太明顯,但1990s的降水量明顯偏少,低于十年均平均水平的10%左右(見表5,圖5)。以1955年來(lái)研究區(qū)域的平均降雨量為該地區(qū)降水的多年均值,考慮到遙感影像的時(shí)段,選取1987年至2004年的年降水量為研究對(duì)象,計(jì)算各年份的降水距平百分率,發(fā)現(xiàn)從1988-1990年,研究區(qū)域降水相對(duì)豐沛,而從1996-2001年間,除1998年降水高于多年平均值外,其它年份的降水均低于多年均值,屬于持續(xù)干旱階段(見表6,圖6)。從遙感影像解譯出來(lái)的結(jié)果看,TM結(jié)果表明1990年鄂爾多斯地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量較2000年明顯要好。從環(huán)境地物看,2000年較1990年沙化面積明顯增加,低覆蓋草地增加,而中高覆蓋草地減少。VEGITATION數(shù)據(jù)結(jié)果表明從1998-2001年是生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的階段,2002年后是生態(tài)相對(duì)恢復(fù)的階段。遙感研究揭示的生態(tài)環(huán)境變化和降水量的多寡非常吻合,可以認(rèn)為,從1990-2004年鄂爾多斯地區(qū)15年的生態(tài)環(huán)境變化在溫度日趨升高的背景下,降水的多寡起了十分重要的作用,降水豐沛的年份,生態(tài)質(zhì)量相對(duì)較好,降水貧乏的年份,生態(tài)質(zhì)量較差。6不同覆蓋草地的生態(tài)格局通過(guò)對(duì)鄂爾多斯地區(qū)兩期TM影像和7