三江源地區(qū)草地退化的時空特征

三江源地區(qū)草地退化的時空特征

1江源草地退化現(xiàn)狀三江源地區(qū)位于青藏高原南部，三江流域位于青藏高原內(nèi)部。它是長江、黃河和汾河的發(fā)源地，也被稱為“中國水塔”。近年來,受全球氣候變暖及日趨頻繁的人類經(jīng)濟(jì)活動的共同影響,三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化,已引起各方面的高度關(guān)注,并成為草地生態(tài)學(xué)界的研究熱點(diǎn)。草地退化是由于人為活動或不利自然因素所引起的草地(包括植物及土壤)質(zhì)量衰退,生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)潛力及服務(wù)功能降低,環(huán)境變劣以及生物多樣性或復(fù)雜程度降低,恢復(fù)功能減弱或失去恢復(fù)功能的過程。據(jù)調(diào)查,三江源區(qū)的草地已呈現(xiàn)全面退化的趨勢,其中中度以上退化草場面積達(dá)0.12×108hm2,占本區(qū)可利用草場面積的58%。同20世紀(jì)50年代相比,單位面積產(chǎn)草量下降30%~50%,優(yōu)質(zhì)牧草比例下降20%~30%,有毒有害類雜草增加70%~80%,草地植被蓋度減少15%~25%,優(yōu)勢牧草高度下降了30%~50%,其中黃河源頭80-90年代平均草場退化速率比70年代增加了1倍以上。陳國明研究發(fā)現(xiàn)中度退化草地面積為5.7×106hm2,占可利用草地面積的55.4%,其中,“黑土灘”(重度退化草地)面積為1.8×106hm2,占退化草地面積的32.1%;王根緒等研究發(fā)現(xiàn)江河源區(qū)6縣(達(dá)日、瑪多、瑪沁、治多、曲麻萊、雜多)草地退化面積占草地總面積的34.34%,其中重度退化草地面積占退化草地面積的26.79%,退化草地以及重度退化草地主要發(fā)生在達(dá)日、瑪多、曲麻萊等縣,表明黃河源區(qū)草地退化比較嚴(yán)重。草地覆蓋度下降、沙化和荒漠化是該區(qū)草地退化的典型特征;達(dá)日縣作為三江源地區(qū)草地退化最嚴(yán)重的一個縣,從70年代中期到2000年高寒草甸的質(zhì)量持續(xù)下降,發(fā)生退化的草地總面積約42.9×104hm2,占全縣面積的29.39%。草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源地區(qū)的主體生態(tài)系統(tǒng),對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保持具有決定性作用,因此對于草地退化面積、程度和速率的準(zhǔn)確把握,成為認(rèn)識該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)本底狀況和演變規(guī)律的關(guān)鍵。近年來,部分學(xué)者采用遙感技術(shù)手段對三江源地區(qū)的草地退化進(jìn)行了研究,但由于研究范圍、研究方法以及對草地退化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同,所獲得的草地退化結(jié)論存在較大差異。特別是由于注重退化現(xiàn)狀,這些研究工作多集中采用同期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,沒有強(qiáng)調(diào)對近幾十年來草地退化過程的全面把握。為了對三江源區(qū)草地退化的時空過程規(guī)律取得全面客觀的科學(xué)認(rèn)識,我們將草地退化過程的分析追溯到了20世紀(jì)70年代中后期。在建立草地退化分類體系和草地退化類型遙感解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上,通過對比分析70年代中后期MSS圖像、90年代初期TM圖像和2004年TM/ETM圖像,獲得了三江源地區(qū)草地退化過程的空間數(shù)據(jù)集,并進(jìn)而分析掌握了70年代以來青海三江源地區(qū)草地退化的空間格局與時間過程特征。在構(gòu)建三江源草地退化數(shù)據(jù)集的過程中,我們制訂了三江源草地退化遙感分類體系。參照“天然草地退化、沙化、鹽漬化分級指標(biāo)”國家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)將三江源草地退化的類型劃分為破碎化退化、覆蓋度下降退化、破碎化和覆蓋度下降組合型退化、沼澤化草甸趨干化、沙化/鹽化退化、草地轉(zhuǎn)好以及無退化7個一級類型,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)退化程度的輕重進(jìn)一步細(xì)分為21個二級類型,進(jìn)而設(shè)計了以遙感圖像計算機(jī)屏幕人機(jī)交互直接判讀為核心的三江源草地退化信息獲取技術(shù)方案(圖1),形成了一致的判讀標(biāo)準(zhǔn),保證了草地退化遙感人工解譯的精度。本研究選擇的遙感信息源包括70年代中后期的MSS圖像,90年代初期TM圖像和2004年TM/ETM圖像,覆蓋整個三江源地區(qū)的三期遙感影像各28景。為了更好地反映三江源草地的生長狀況,我們選擇的三期遙感影像成像時間主要集中在7、8月份。MSS遙感影像的空間分辨率為80m,但可以將草地退化的研究時段回推到70年代,通過與TM圖像對比分析,可以保證草地退化信息的遙感獲取精度。三期遙感影像均進(jìn)行了單波段提取、假彩色合成、幾何精糾正、圖像鑲嵌、圖像切割等處理,形成了以三江源縣級行政單元為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像。通過兩期遙感影像的直接對比分析,采用草地退化分類判讀(即直接解譯草地退化類型斑塊)的方式對草地退化動態(tài)信息進(jìn)行提取,并加以定性與集成,完成了三江源地區(qū)20世紀(jì)70年代中后期-90年代初期、90年代初期-2004年兩期1:10萬草地退化遙感解譯專題圖。3草地覆蓋度空間分布草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源地區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型,廣泛分布于三江源地區(qū),其分布面積占三江源地區(qū)總面積的65.37%。從2004年草地類型的空間分布看(圖2),本區(qū)草地主要以高寒草甸和高寒草原為主,面積分別占草地總面積的76.18%和23.36%。高寒草甸在三江源地區(qū)占絕對優(yōu)勢,可進(jìn)一步分為高寒草原化草甸、典型高寒草甸、高寒沼澤化草甸三個植被亞類。高寒草原化草甸是介于草甸和草原之間的中間類型,主要分布于海拔3200~4700m的山地陽坡下部、寬谷、河谷階地、低丘,植被生長茂密,覆蓋度一般70%~90%,優(yōu)良牧草種類多、草質(zhì)好、營養(yǎng)豐富,是三江源地區(qū)利用價值高的草場。典型高寒草甸是三江源高寒草甸中分布普遍、面積較大的一種,主要分布于海拔3200~5000m,排水條件良好、中等濕度的灘地、寬谷和平緩地,群落外貌整齊,生長茂盛,覆蓋度一般50%~90%,結(jié)構(gòu)簡單,層次分化不明顯。高寒沼澤化草甸是沼澤與草甸之間的過渡類型,一般不連續(xù)分布于地勢低洼、排水不暢、土壤潮濕、通氣性不好和非鹽漬化的湖濱、山間盆地、河流兩岸低階地,高山分水嶺的鞍部、山麓潛水溢出帶和高山冰雪帶下緣。植被種類組成豐富,覆蓋度一般可達(dá)80%~90%,產(chǎn)草量高,放牧價值大。從草地覆蓋度空間分布狀況看(圖3),三江源地區(qū)高、中、低覆蓋度草地分別占草地生態(tài)系統(tǒng)總面積的38.02%、21.39%和40.60%,高覆蓋度草地集中分布于東部和中南部地區(qū),這些地區(qū)水熱條件較好,草被生長茂密,草地覆蓋度在50%以上;中覆蓋度草地比較集中分布于達(dá)日、瑪多北部、雜多縣局部地區(qū),這些區(qū)域人類活動較強(qiáng)而且水分條件較差,草被較稀疏,覆蓋度在20%~50%之間;低覆蓋草地集中分布于三江源的西部和北部地區(qū),如唐古拉山鄉(xiāng)、治多西部、曲麻萊北部地區(qū),這些區(qū)域水分條件欠缺,草被稀疏,覆蓋度在5%~20%之間,牧業(yè)利用條件差。4三河源地區(qū)牧場退化的時空特征分析4.1草地退化的空間分布格局通過對20世紀(jì)70年代中后期、90年代初期和2004年三期陸地衛(wèi)星遙感影像的多期對比分析發(fā)現(xiàn),三江源草地退化類型和退化程度的空間分異明顯,而且從70年代中后期至今,三江源地區(qū)草地的退化過程一直在繼續(xù)。尤其重要的是,在90年代初和2004年遙感衛(wèi)星圖像上可以識別的草地退化部位上,在70年代中后期的MSS遙感影像中基本上都可以看到草地退化的基本特征,且草地退化圖斑的影紋相似(圖4、圖5)。由此可見,三江源地區(qū)退化草地的空間分布格局在70年代已經(jīng)基本形成,而且草地退化過程自70年代中后期-2004年仍在繼續(xù)發(fā)生(圖6、圖7)。70年代中后期之前及其后近30年以來草地退化過程的疊加構(gòu)成了三江源區(qū)草地退化的當(dāng)前狀況。從三江源地區(qū)草地退化空間數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計結(jié)果看(表1),20世紀(jì)70年代中后期-90年代初三江源地區(qū)草地退化面積764×104hm2,占全區(qū)草地面積的32.83%;90年代初-2004年該區(qū)草地退化面積841×104hm2,占全區(qū)草地面積的36.12%。前后兩個時段對比草地退化面積增長3.87%。從退化程度(表2)看,三江源地區(qū)草地退化以輕、中度退化為主,重度退化僅發(fā)生在局部地區(qū)(圖4)。20世紀(jì)70年代中后期-90年代初輕度退化草地面積占全區(qū)草地總面積的比重為22.88%,而到90年代初-2004年該比重上升為23.93%,增長了1.05個百分點(diǎn)。70年代中后期-90年代初中度退化草地面積占全區(qū)草地總面積的比重為9.5%,而到90年代初-2004年該比重上升為11.74%,增長了2.24個百分點(diǎn)。從三江源各縣草地退化面積看(表3),70年代以來草地退化主要發(fā)生在曲麻萊、稱多、瑪多等縣,草地退化面積占該縣總草地面積的40%以上。其中,曲麻萊和稱多草地退化面積較大,占全縣草地總面積的60%以上,而興海、班瑪、久治和唐古拉山鄉(xiāng)等縣草地退化程度較輕,占全縣草地總面積的10%左右。4.2草地退化空間分布由于氣候、水熱條件、地形地貌和人類活動的區(qū)域差異,三江源草地退化類型、退化程度的空間分異明顯(圖6、圖7)。根據(jù)草地退化的空間分布、范圍、程度、退化過程特征,用定性和定量相結(jié)合的方法(表4),我們研究制定了三江源草地退化特征區(qū)的命名原則及依據(jù),并據(jù)此將三江源區(qū)草地退化劃分為7個特征區(qū)(圖6、圖7),其命名如下:(1)東部8縣草地小范圍輕度連續(xù)退化區(qū);(2)瑪多南部、達(dá)日全縣草地中等范圍中輕度持續(xù)退化區(qū);(3)瑪多北部、稱多北部、曲麻萊大部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū);(4)稱多南部、玉樹、囊謙、雜多東部草地中等范圍中輕度連續(xù)退化區(qū);(5)治多中東部、曲麻萊南端較大范圍輕中度持續(xù)退化區(qū);(6)雜多中西部、唐古拉山鄉(xiāng)東部草地中小范圍輕度退化局部好轉(zhuǎn)區(qū);(7)治多西部、唐古拉山鄉(xiāng)中西部草地小范圍輕度連續(xù)荒漠化區(qū)。各區(qū)草地退化的空間分布特征如下:(1)東部8縣草地小范圍輕度連續(xù)退化區(qū)。該區(qū)草地退化面積較小,北部退化程度大于南部,東部退化程度重于西部。草地退化主要分布在海拔高度較高地區(qū),表現(xiàn)為以阿尼瑪卿山的年保玉則為中心的環(huán)式分布。另外本區(qū)東部澤庫、河南局部地勢比較平坦的溝谷階地和低洼的灘地上隱域性的沼澤化草甸多發(fā)生輕度趨干化退化、輕度鹽堿化退化。(2)瑪多南部、達(dá)日全縣草地中等范圍中輕度持續(xù)退化區(qū)。該區(qū)草地退化面積比重近30%,退化多發(fā)生在海拔較低的山體陽坡、緩坡地帶。70年代中后期以來高寒灌叢、沼澤化草甸和高寒稀疏植被的面積持續(xù)下降,裸地的面積不斷上升,其中高寒草甸的退化最為嚴(yán)重。另外居民點(diǎn)附近及放牧活動強(qiáng)度較大的溝谷地帶草地退化比較嚴(yán)重。從總體看,本區(qū)草地退化格局在早期已經(jīng)形成,后期退化速率趨于緩慢。(3)瑪多北部、稱多北部、曲麻萊大部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū)。該區(qū)70年代中后期以來草地退化面積比重大于70%,是三江源地區(qū)草地退化最為嚴(yán)重的地區(qū),表現(xiàn)為北部草地沙化/鹽堿化退化顯著,南部山體上部裸巖石礫地下緣草地覆蓋度下降趨勢明顯,而在山體陽坡、緩坡、山間臺地、河流階地、河灘地上草地破碎化、覆蓋度下降復(fù)合型退化現(xiàn)象明顯。(4)稱多南部、玉樹、囊謙、雜多東部草地中等范圍中輕度連續(xù)退化區(qū)。該區(qū)草地退化面積比重高于30%,主要表現(xiàn)為從山體頂部到山麓地帶,草地退化類型由高山流石坡周邊稀疏植被和墊狀植被的覆蓋度下降向高寒草甸破碎化及覆蓋度下降和沼澤化草甸輕度趨干化轉(zhuǎn)變;從南向北,草地退化類型從輕度破碎化過渡到雙重退化類型;另外在部分河谷地段、背風(fēng)坡和局地陽坡上,草地退化出現(xiàn)覆蓋度下降現(xiàn)象。(5)治多中東部、曲麻萊南端較大范圍輕中度持續(xù)退化區(qū)。該區(qū)草地退化空間格局呈現(xiàn)由東部向西部、由北部向南部退化減弱的趨勢。東部通天河以南的曲麻萊部分是本區(qū)草地退化最為嚴(yán)重的區(qū)域,隱域性的沼澤化草甸趨干化主要分布在牙曲流域、口前曲以東的河流附近、高寒草甸區(qū)及高山峽谷區(qū)。(6)雜多中西部、唐古拉山鄉(xiāng)東部草地中小范圍輕度退化局部好轉(zhuǎn)區(qū)。該區(qū)草地退化由東向西退化類型逐漸減少,退化程度降低。其中草地破碎化和覆蓋度降低復(fù)合型退化以東部區(qū)居多,同時也零星分布于西部地區(qū)。另外在唐古拉山脈冰川下緣由于近期氣候變暖冰川融水增加,水分條件較好,局部出現(xiàn)草地好轉(zhuǎn)的跡象。(7)治多西部、唐古拉山鄉(xiāng)中西部草地小范圍輕度連續(xù)荒漠化區(qū)。該區(qū)草地退化面積占區(qū)域草地總面積的10%左右,退化增強(qiáng)的趨勢不明顯,由于該區(qū)的地帶性自然條件,荒漠化草地已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位,人類活動相對較弱,因此新的草地退化現(xiàn)象不十分突出。4.3草地退化動態(tài)過程特征在20世紀(jì)70年代中后期、90年代初期和2004年三期陸地衛(wèi)星遙感影像的支持下,經(jīng)過上述分析,可以清楚地看出:從70年代中后期至今,三江源地區(qū)草地的退化過程一直在繼續(xù)。退化過程的規(guī)律在不同區(qū)域和地帶有明顯不同的表現(xiàn)。在從東南向西北的水平地帶分類上,草甸和草原生態(tài)系統(tǒng)存在著不同的退化過程規(guī)律,即:在濕潤半濕潤的草甸類草地上,發(fā)生著草地破碎化先導(dǎo),隨后發(fā)生覆蓋度持續(xù)降低,最后形成黑土灘的退化過程;在干旱、半干旱的草原類草地上,發(fā)生著覆蓋度持續(xù)降低,最后形成沙地和荒漠化草地的退化過程。從不同縣份草地退化的時間過程上看(表3),前期退化,后期加劇的有班瑪、治多、囊謙、曲麻萊、瑪多等縣,前后期退化趨勢一致的有稱多、玉樹、興海等縣,而后期減輕的有同德、澤庫、達(dá)日等縣。如瑪多縣前期草地退化所占比重為46.69%。后期增加到55.42%,凈增長8.73個百分點(diǎn);玉樹縣前后兩期草地退化所占比重均保持在27%左右,變化不大;而同德前期草地退化所占比重為24.35%,后期降低到6.1%,降低了18.25個百分點(diǎn),草地退化呈明顯減弱趨勢。從各區(qū)草地退化面積統(tǒng)計結(jié)果看(表5),3區(qū)瑪多北部、稱多北部、曲麻萊大部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū)草地退化最為嚴(yán)重,70年代中后期-90年代初該區(qū)草地退化面積4096271hm2,占全區(qū)草地總面積的73.91%,1990-2004年該區(qū)草地退化面積4256363hm2,占全區(qū)草地面積的76.79%,后期較前期草地退化面積增長2.88個百分點(diǎn)。5區(qū)治多中東部、曲麻萊南端較大范圍輕中度持續(xù)退化區(qū)草地退化較為嚴(yán)重,退化程度近次于3區(qū),70年代中后期-90年代初該區(qū)草地退化面積761240hm2,占全區(qū)草地總面積的33.13%,90年代初-2004年該區(qū)草地退化面積1097348hm2,占全區(qū)草地面積的47.75%,后期較前期草地退化面積增長14.62個百分點(diǎn)。從20世紀(jì)70年代后期到2004年,三江源區(qū)草地退化過程空間差異顯著,草地退化的時間過程在7個特征區(qū)表現(xiàn)出明顯的差異性(圖8、圖9),各區(qū)草地退化的動態(tài)過程特征如下:(1)東部八縣草地小范圍輕度連續(xù)退化區(qū)。本區(qū)草地退化以輕度破碎化/覆蓋度下降為主,近20多年來,草地退化仍然在持續(xù),草地退化的總面積呈輕微減少趨勢,20世紀(jì)70年代中后期-90年代初草地退化面積696778hm2,1990-2004年草地退化面積626838hm2,退化面積占全區(qū)草地的比例由15.35%,下降到13.78%,降低了1.57個百分點(diǎn)。(2)瑪多南部、達(dá)日全縣草地中等范圍中輕度持續(xù)退化區(qū)。本區(qū)草地退化以輕度破碎化/覆蓋度下降為主,該退化類型主要發(fā)生在前期(20世紀(jì)70年代中后期-90年代初),后期(90年代初-2004年)沼澤化草甸趨干和沼澤變干的現(xiàn)象急劇增多。70年代中后期-90年代初草地退化面積418906hm2,占全區(qū)草地的面積比重為26.39%,而90年代初-2004年草地退化面積442177hm2,占全區(qū)草地的面積比重為27.86%,前后兩個時段對比草地退化程度有所增強(qiáng),草地退化面積占全區(qū)草地的面積比重凈增加了1.47個百分點(diǎn)。(3)瑪多北部、稱多北部、曲麻萊大部草地大范圍中度持續(xù)退化沙化區(qū)。本區(qū)草地破碎化/覆蓋度下降、破碎化、覆蓋度下降、沼澤化草甸趨干化、沙化鹽堿化等退化類型均有發(fā)生。退化程度以中、輕度為主。90年代以來草地退化呈明顯加劇趨勢,20世紀(jì)70年代中后期-90年代初草地退化面積4096271hm2,占全區(qū)草地面積的73.91%,90年代初-2004年草地退化面積4256363hm2,占全區(qū)的76.79%,前后兩個時段之間草地退化面積增長2.88個百分點(diǎn)。(4)稱多南部、玉樹、囊謙、雜多東部草地中等范圍中輕度連續(xù)退化區(qū)。本區(qū)草地退化類型以輕度破碎化所引導(dǎo)的破碎化/覆蓋度下降雙重退化為主。20世紀(jì)70年代以來草地退化程度有所增強(qiáng),70年代中后期-90年代初草地退化面積915657hm2,占全區(qū)草地面積的29.84%,而90年代初-2004年草地退化面積1009415hm2,占全區(qū)草地面積的32.88%,同前期相比草地退化面積占全區(qū)草地面積比重凈增了3.04個百分點(diǎn)。(5)治多中東部、曲麻萊南端較大范圍輕中度持續(xù)退化區(qū)。本區(qū)草地退化以輕度破碎化/覆蓋度下降為主,退化過程大多伴有沼澤化草甸趨干化現(xiàn)象,草地退化的總體趨勢是持續(xù)退化,退化后期比前期更加劇烈。前期草地退化面積761240hm2,占全區(qū)草地面積的33.13%,而后期草地退化面積1097348hm2,占全區(qū)草地面積的47.75%,前后兩期比較,后期草地退化面積占全區(qū)草地面積比重凈增了14.62個百分點(diǎn)。(6)雜多中西部、唐古拉山鄉(xiāng)東部草地中小范圍輕度退化局部好轉(zhuǎn)區(qū)。本區(qū)草地退化類型以輕度覆蓋度下降為主,不同時段不同草地類型的退化程度有所差異。70年代中后期-90年代初草地退化面積421575hm2,占全區(qū)草地面積的17.31%,而90年代初-2004年草地退化面積524510hm2,占全區(qū)草地面積的21.55%,前后兩個時段對比草地退化程度有所增強(qiáng),草地退化面積比重凈增了4.24個百分點(diǎn)。(7)治多西部、唐古拉山鄉(xiāng)中西部草地小范圍輕度連續(xù)荒漠化區(qū)。本區(qū)草地退化類型以草地輕度覆蓋度下降和草地輕度沙化/鹽化為主,前后兩個時段對比草地荒漠化程度有所增強(qiáng)。20世紀(jì)70年代中后期-90年代初草地退化面積334063hm2,占全區(qū)草地面積的8.74%,而90年代初-2004年草地退化面積453615hm2,占全區(qū)草地面積的11.86%,前后兩個時段對比草地退化程度有所增強(qiáng),草地退化面積比重凈增加了3.12個百分點(diǎn)。5草地退化空間格局變化及信息提取方法遙感調(diào)查發(fā)現(xiàn),近30年來三江源地區(qū)草地退化具有以下幾個方面的顯著特征:(1)20世紀(jì)70年代中后期,三江源地區(qū)草地退化的格局已基本形成。在90年代初-2004年遙感衛(wèi)星圖像上可以識別的草地退化部位上,在70年代影像上基本上都可以看到草地退化的基本特征,且退化圖斑的影紋相似。(2)從20世紀(jì)70年代中后期至今,三江源地區(qū)草地的退化過程一直在繼續(xù)發(fā)生,而且退化過程的規(guī)律在不同區(qū)域和地帶有明顯不同的表現(xiàn)。在從東南向西北的水平地帶分異上,草甸和草原生態(tài)系統(tǒng)存在著不同的退化過程規(guī)律,即:在濕潤半濕潤的草甸類草地上,發(fā)生著草地破碎化先導(dǎo),隨后發(fā)生覆蓋度持續(xù)降低,最后形成黑土灘的退化過程;在干旱、半干旱的草原類草地上,發(fā)生著覆蓋度持續(xù)降低,最后形成沙地和荒漠化草地的退化過程。(3)三江源區(qū)草地退化是一個在空間格局上影響范圍大,在時間過程上持續(xù)時間長的連續(xù)變化過程,總體上不存在20世紀(jì)90年代至今草地退化急劇加強(qiáng)的現(xiàn)象。(4)三江源區(qū)草地退化具有明顯的區(qū)域差