杜际增，王根绪*，李元寿

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041；2.中国气象局，北京100081)



近45年长江黄河源区高寒草地退化特征及成因分析

杜际增1，王根绪1*，李元寿2

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都610041；2.中国气象局，北京100081)

根据1969年航片数据、1986，2000，2007年以及2013年TM数据建立的长江黄河源区高寒草地生态系统空间数据集，结合该地区近50年的气候资料以及人类活动状况，分析了长江黄河源区高寒草地生态系统在全球变化背景下的变化趋势及其驱动因素。结果表明，近45年长江黄河源区高寒草地呈现以覆盖度降低、破碎化与干旱化加剧为主的退化趋势，长江黄河源区高寒草地退化的速率在20世纪80年代后期呈迅速增加趋势，2000年后退化速率逐渐降低；气温升高引起的区域的暖干化是导致长江黄河源区高寒草地生态系统退化格局形成的主要原因。过度放牧和人类不合理的开发是导致长江黄河源区高寒草地退化加剧的重要因素。

高寒草地；长江黄河源区；退化特征；驱动因素

长江黄河源区位于青藏高原腹地，是长江、黄河的发源地。特有的高寒气候发育了长江黄河源区典型的高寒生态系统，使该地区成为高海拔地区生物多样性最集中的地区[1-2]。 高寒草甸和高寒草原是长江黄河源区的主要植被类型，占长江黄河源区总面积的70%，是长江黄河源区生态系统和生物多样性的基础，发挥着改善水环境、调节大气与地面的交互过程以及维护生物多样性等多项重要的生态功能[3-4]。

全球气候变化和人类活动的影响下，对全球变化高度敏感的高寒生态系统开始加速退化[5]。已有研究发现，长江黄河源区的高寒草地生态系统已经呈现全面退化的趋势，高寒草地的覆盖度不断降低，景观破碎化加剧，生产力下降，并导致该地区草地水源涵养能力降低，水土流失加剧，鼠害日益猖獗等问题日益突出[6-9]。然而，目前为止，有关对长江黄河源区高寒草地生态系统退化的研究存在着研究时间短、节点少的问题，很难准确地把握该地区高寒草地长期的变化规律，尤其对于三江源保护区建立以来高寒草地生态系统的变化状况更是鲜有研究；此外，在探究高寒草地退化的驱动因素方面，大多根据气候及其他因素变化与草地退化的同步性进行描述性推理，缺乏可信度高的定量化分析手段。

本文采用目前提取草地退化信息较为准确的目视综合判读法[10]，以野外实地考察建立的遥感解译标志库为基准，对长江黄河源区1969-2013年间5个时期的航片数据与遥感影像资料进行解译分析，得出长江黄河源区各个时期高寒草地变化的时空特征。然后，结合长江黄河源区近50年的气象数据以及人类活动信息，利用主成分分析与灰色关联度法分析驱动长江黄河源区高寒草地生态系统演化的环境因素。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于长江源区和黄河源区，长江源区选择以直门达水文站为界，大致位于90°43′-96°45′ E，32°30′-35°35′ N之间，流域控制面积约13.78万km2。黄河源区以达日县吉迈水文站为界，大致位于96°00′-99°45′ E，33°00′-35°35′ N之间，面积约6.48万km2。地貌上以高原丘陵为主，河网发育，俗称长江黄河源区。 研究区段的自然生态系统主要有高寒草原生态系统、高寒草甸生态系统、高寒沼泽湿地生态系统三大类型，局部在一些河谷地带分布有高寒灌丛，在高大山体上部分布垫状与稀疏流石坡植被，另外在黄河源区东南端，有林地、疏林地和少量灌木林地构成的森林生态系统，面积很小，仅占长江黄河源区土地面积的0.01%，长江黄河源区在气候上处于高寒半干旱与半湿润过渡带，年均气温为-1.3～-5.5℃，年均降水量为270～540 mm[11]。

1.2 数据收集与处理

本研究收集1969年航片数据和1986年、2000年、2007年以及2013年的TM数据，共5期6-9月生长季的影像数据，然后对影像进行统一的辐射校正和几何精纠正，并采用UTM地理坐标进行影像校正和利用地形图(1∶100000)进行校正(图1，2)。通过野外实地考察考察，建立以高寒草地生态系统和高寒湿地生态系统为核心的11大类23个亚类的遥感解译标志库[12](表1)，采用目视解译并结合模糊分类模型[13]，以KIA≥85%为阈值，对影像进行分类，得到长江黄河源区各时期的土地覆被类型图，然后对比分析高寒草地和高寒湿地在各个时期的分布变化。

表1 长江黄河源区土地覆盖类型对照表

图1 2013年长江黄河源区土地覆盖空间分布Fig.1 Spatial pattern of land cover in Yangtze River’s Source Regions and Yellow River’s Regions in 2013

图2 遥感影像解译技术流程Fig.2 Data and methodology used for image classification and result validation

本文还采用破碎度Cki与斑块分离度Ski来衡量长江黄河源区高寒草地和高寒湿地在景观尺度上的变化：

Cki=nki/LUki

Cki和Ski是k分区中第i类土地的破碎度和斑块分离度，nki是对应的斑块数目；LUki,LUk分别是第k分区第i种土地类型的面积和总面积[14]。

2 结果与分析

2.1 高寒草地分布变化的时空特征

2.1.1 长江黄河源区高寒草地变化的时间特征 通过对长江黄河源区各时期高寒草地分布图分析可知(图3)，从1969年至2013年间，长江源区的高寒草地面积出现了明显的变化，主要表现为：高覆盖高寒草原、高覆盖高寒草甸以及中覆盖高寒草原的面积呈下降趋势。长江源区的高寒草原的面积减少了870.66 km2,占原面积的18.06%；高寒草甸的面积减少了1778.40 km2，占原面积的11.25%；中覆盖高寒草原的面积减少了2062.44 km2，占原面积的16.97%；低覆盖高寒草原面积呈显著增加趋势，低覆盖高寒草原的面积增加了3872.67 km2，占原面积的17.26%；中覆盖高寒草甸和低覆盖高寒草甸的面积分别呈微弱的降低和增加，中覆盖高寒草甸的面积减少了455.57 km2，占原面积的3.88%；低覆盖高寒草甸的面积增加了545.92 km2，占原面积的4.65%。

图3 长江源区(A)与黄河源区(B)各时期、各典型高寒草地的面积年均变化率Fig.3 Average annual change rate of typical alpine grasslands area in Yangtze River’s Regions (A) and Yellow River’s Regions (B)

黄河源区草地的变化趋势与长江源区基本相似，高覆盖高寒草原、高覆盖高寒草甸以及中覆盖高寒草原的面积呈下降趋势。黄河源区的高覆盖高寒草原的面积减少了2095.31 km2,占原面积的56.99%，高覆盖高寒草甸的面积减少了3042.05 km2，占原面积的20.67%，中覆盖高寒草原的，面积减少了2851.47 km2，占原面积的49.38%；低覆盖高寒草原和低覆盖高寒草甸面积呈显著增加趋势，低覆盖高寒草原的面积增加了3186.967 km2，占原面积的64.36%；低覆盖高寒草甸的面积增加了1499.29 km2，占原面积的22.01%；中覆盖高寒草甸的面积呈现轻微的减少，中覆盖高寒草甸的面积减少了656.69 km2，占原面积的8.37%。总体看来，长江源区和黄河源区的高寒草地的覆盖度明显降低的趋势，黄河源区的高寒草地在覆盖度上的退化更为严重。

从图3可以看出，近45年长江黄河源区的高寒草地的覆盖度不断降低，并且各个时期的面积年均变化率有明显的差异。在第一时期(1969-1986年)，长江黄河源区已呈现中高覆盖度草地向低覆盖度草地退化的状态，但是该时期退化速率较低；在第二时期(1986-2000年)，长江黄河源区高寒草地覆盖度的退化速率迅速加快；2000年以后，长江黄河源区高寒草地覆盖度的退化速率逐渐回落，其中长江源区草地退化速率的回落相对更快。

2.1.2 长江黄河源区高寒草地景观尺度的变化 从图3和表2可以看出，除长江源区的中覆盖高寒草甸外，长江黄河源区中的中高覆盖高寒草地都呈面积下降、分离度上升的趋势，而破碎度变化趋势不尽相同。其中高覆盖高寒草原的破碎度呈下降趋势，表明该类植被类型的退化主要是小面积的斑块消失，而中覆盖高寒草原、高覆盖高寒草甸以及黄河源区的中覆盖高寒草甸的破碎度则呈上升趋势，表明该类高寒草地的退化主要是大面积斑块萎缩破碎成大量小斑块。

与之对应，长江黄河源区的低覆盖高寒草甸、低覆盖高寒草原以及长江源区的中覆盖高寒草甸则呈面积增加、分离度下降的趋势，破碎度的变化趋势也出现差异。除黄河源区的低覆盖高寒草原的破碎度呈上升趋势之外，其他植被类型的破碎度都呈下降趋势，表明黄河源区低覆盖高寒草原的面积增长以小斑块的大量出现为主，而其他类型高寒草地的面积增长以大斑块的面积扩张为主。

表2 长江黄河源区高寒草地生态系统空间分布格局变化

2.1.3 长江黄河源区草地分布变化的空间特征 对比长江黄河源区各时期高寒草地的空间分布，分析出1969-2013年长江黄河源区高寒草地生态系统各退化类型的空间分布特征。从图4可以看出，该地区草地退化以覆盖度的降低为主，其次是高寒草地的破碎化加剧以及草地的干旱化和和荒漠化，盐渍化和裸地化的草地虽然分布范围较广，但是面积较小，呈零星分布于季节性河流以及滩地附近。草地覆盖度下降的区域与高覆盖度草地的分布区基本一致。其中长江源区的东部、黄河源区西南部和东部地区，即曲麻莱县与治多县东南部地区，称多县与玛多县北部以及久治县、玛曲县与甘德县东部地区的草地覆盖度下降最为严重。草地的破碎化往往是一种伴生现象，高寒草地覆盖度降低以及干旱化等退化现象发生的同时往往会导致草地景观破碎化的加剧，因此，除了图5中所显示的长江源区西北部与黄河源区中两湖(扎陵湖与鄂陵湖)区域西部十分显著的地区之外，高寒草地破碎化加剧的现象其实广泛存在于整个长江黄河流域。高寒草地干旱化的现象主要分布于长江源区西部和北部的部分地区，这些地区的高寒草甸在水分条件恶化的情况下逐渐退化成高寒草原，同时也伴随着草地覆盖度的下降。草地荒漠化的区域主要分布在黄河源区中部，即玛多县境内两湖区域以东黄河干流的两侧。长江黄河源区部分地区高寒草地的状况出现好转，主要散布在长江源区中西部的部分地区。

图4 1969-2013年长江黄河源区草地退化Fig.4 Spatial pattern of the grassland degradation from 1969 to 2013 in Yangtze River’s Source Regions and Yellow River’s Regions

图5 长江黄河源区的年平均气温、年降水量以及相对湿度的变化Fig.5 Changes in mean annual temperature, annual precipitation and relative humidity in Yangtze River’s Source Regions and Yellow River’s Regions

2.2 气候变化与高寒草地退化驱动因素分析

2.2.1 长江黄河源区气候变化 1969-2013年间，长江黄河源区的气温整体上呈显著的上升趋势，长江源区的年平均气温增长速率为0.41℃/10 a，黄河源区的气温增长速率为0.37℃/10 a，气温的上升趋势都通过了99%水平的置信度检验。长江源区和黄河源区年降水量的变化出现了明显差异，长江源区的降水量呈显著的增加趋势，年降水量的平均增长速率为17.51 mm/10 a，并通过了95%的置信度检验，而黄河源区的年降水量呈略微上升的趋势，但并不显著。此外，黄河源区年相对湿度呈显著的下降趋势，通过了99%水平的置信度检验，相对湿度的降低速率为每10年降低1.001%；长江源区的年平均相对湿度也呈下降的趋势，但该趋势并不显著。

2.2.2 主成分分析 主成分分析法是定量辨识区域生态过程变化驱动因素的主要方法，目前已经在生态、地理、环境、经济等领域的研究中得到广泛应用，特别是在沙漠化以及湿地退化研究中的应用尤为广泛[15-18]。采用主成分分析研究草地退化的驱动因素时，能够明确各环境要素变化的作用以及贡献大小。本文对长江黄河源区的气候观测资料和人类活动数据进行标准化处理，通过SPSS 16.0计算出各因子的载荷矩阵，然后采用方差最大正交旋转法对因子载荷矩阵进行旋转，得到环境因子变化在各主成分中的载荷矩阵。根据表3可以看出，长江黄河源区的第1主成分中，载荷较大的因子为人口数量、年均气温以及载畜量，总体上以人为因素为主，这一点在黄河源区更为明显；在第2主成分中，长江源区中载荷较大的是年降水量，而黄河源区载荷量较大的是相对湿度；在第3主成分中，长江源区载荷量较大的是相对湿度，黄河源区载荷量较大的为年降水量。

表3 长江黄河源区人为因素和气候因素与草地退化主成分因子负荷矩阵

注：*气温为年平均气温，降水量为年降水量，湿度为年平均相对湿度。

Note: Temperature is the mean annual temperature; Precipitation is the annual precipitation; Humanity is the mean annual humanity.

表4 长江源区草地面积变化与各环境因子关联度

2.2.3 关联度分析 灰色关联度法是一种常见的定量辨识景观要素和环境因子之间相关关系的方法[17-18]。本研究将各高寒草地类型的变化与驱动长江黄河源区环境变化的主要因子之间通过灰色关联度法进行分析，选取分辨系数为0.5，结果如表4和表5所示：与长江黄河源区高寒草地退化关系最密切的是相对湿度，长江源区高寒草地对相对湿度变化的响应更敏感；其次，长江源区草地对气温的响应比较敏感，而黄河源区草地对降水和载畜量的变化关系更为密切；人口数量变化对长江黄河源区高寒草地的退化影响并不显著。

表5 黄河源区草地面积变化与各环境因子关联度

3 讨论

目前对长江黄河源区高寒草地的变化趋势的研究结果存在很大分歧。杨建平等[19]研究认为近20年来源区的植被覆盖总体上保持原状，局部继续退化；黄麟等[20]研究认为三江源区草地退化格局在20世纪70年代中后期已经基本形成，至今草地的退化过程一直在继续发生，总体不存在20世纪90年代草地退化加剧现象，而钱拴和伏洋[21]研究认为长江黄河源区1982年以来植被指数整体呈弱增加的趋势，2004年以来草地植被对气候呈现正响应的变化，转好趋势明显。根据长期的数据资料和野外实地考察研究表明，高寒草地的覆盖度呈显著下降趋势，大面积的中高覆盖度草地向低覆盖度草地退化；同时整体呈干旱化的趋势，主要表现为草甸向草原的转化；面积和覆盖度的下降也必然引起中高覆盖草地破碎化的加剧，导致部分小斑块的消失和大斑块的萎缩。从草地退化快慢来看，1969年以来长江黄河源区的高寒草地已呈退化格局，1986年后退化速率迅速增大，自2000年以来退化速率开始逐渐下降，近45年长江黄河源区高寒草地的退化速率呈先迅速增大后逐渐下降的趋势。在空间上，长江黄河源区高寒草地退化有明显的空间集聚性(图3)，高寒草地覆盖度降低比较显著的地区主要分布在海拔较低，高覆盖草地比例较高，人口分布比较密集的区域，这与陈婷等[22]研究结果一致。而干旱化显著的区域主要分布在长江黄河源区西北部偏内陆的地区，草地的其他退化类型比较分散，面积也比较小，没有很明显的空间特征。

对于长江黄河源区高寒草地退化的成因也已有大量研究，但并没有得到一致的结论。研究[23-26]认为人类过度放牧、生产建设活动等不合理干预是造成高寒草地退化的主要原因；任继周和林慧龙[27]认为长江黄河源区环境恶化的原因有二，即区域的暖干化和人为干扰强度的增强，就恶化趋势来说，前者重于后者，就遏制恶化趋势来说，后者重于前者；研究[9-11]结果显示，气温的持续升高和由此引起的冻土退化是导致高寒生态系统退化的主要因素。本研究通过对长江黄河源区气象资料和人文数据主成分分析表明，1969-2013年间，长江源区发生最显著的变化是人口增多与气温上升，其次是降水的增加；黄河源区最显著的变化则是人口增多与载畜量的下降，其次是气温的上升和相对湿度的下降(表3)。通过对各类型草地与主要的环境要素的变化相关性进行灰色关联度分析表明，相对湿度的变化是驱动长江黄河源区高寒草地变化的关键因素，其中长江源区高寒草地受相对湿度影响更为显著，这可能是该地区湿度相对较低，草地受干旱胁迫更为严重的原因。就草地类型而言，高寒草甸与相对湿度关联度比高寒草原更高，可能因为高寒草甸需水量更大、更容易受到干旱胁迫。气温是影响长江源区高寒草地的第二大因素，其次是降水量和载畜量；而黄河源区高寒草地与降水量和载畜量的关联度更高，其次才是气温。这种差异可能是由于长江源区与黄河源区不同的自然环境造成的，长江源区海拔高，气温低，而且大部分地区属于多年冻土区，因此该地区主要受低温胁迫，高寒草地对温度的上升更加敏感，温度上升还会导致多年冻土退化，已有研究表明长江源区40 cm处地温上升、多年冻土退化会导致植被生态系统的退化[28]。黄河源区海拔较低，气温较高，冻土区面积较小，多年冻土上限较深，已有研究发现多年冻土的埋深与浅层土壤含水率和植被的覆盖率具有良好的相关性规律，冻土埋深较大时, 冻土埋深所决定浅层土壤含水率降低,植被生长环境干旱化, 从而对大气降水的依赖增强[29]，因此黄河源区冻土退化对上层土壤湿度的影响减小，大气降水对土壤湿度的影响增大，从而使高寒草地对降水量的敏感性增强。此外，黄河源区的载畜密度要远高于长江源区，过度放牧现象更加严重，因此高寒草地对载畜量的变化也更加敏感。

长江黄河源区高寒草地退化与人口数量的变化关联度并不高，但人口数量对高寒草地退化的间接影响不可忽视，首先从长江黄河源区草地退化的空间特征来看，高寒草地退化严重的地区往往是人口比较密集的区域，这一方面是因为人口增长往往会带动畜牧量的增加，其次人口增长对环境的开发、资源的使用有带动作用，会增强人口密集区的环境压力；但是人口数量的变化并不一定会导致高寒草地的退化，这还与人类生产方式的转变和环境保护意识的提升有很大关系[30]。从长江黄河源区高寒草地退化速率的变化可以看出，自2000年以后长江黄河源区草地退化的速率不断降低，一方面是由于部分地区的降水量增加引起的，另一方面是由于2000年以后国家成立三江源自然保护区，并于2005年颁布了《青海三江源自然保护区生态保护和建设总体规划》，加强了对长江黄河源区自然环境的保护，而且还采取了牧区产业结构调整、牧民进城以及禁牧补贴等一系列有效措施，提高了牧民的环保意识，大幅降低人为因素对长江黄河源区高寒草地破坏，延缓草地的退化。

此外，气温的升高对长江黄河源区的影响也十分复杂，简单通过灰色关联度分析低估了气温的作用。一方面温度上升改善了高寒草地的生境，缓解了低温胁迫[28]；另一方面，气温的升高会导致蒸散发的增加，加强地区的干旱胁迫，对于多年冻土区来说，气温升高会导致冻土退化，冻土上限降低，从而使以冻土为依托的地下水位降低，增强了地表植被的干旱程度，如图3可以看出，降水量有显著增长趋势的长江源区西北部与降水量几乎不变的黄河源区相比干旱化更加严重，这可能是由于长江源区多年冻土分布广、上限浅，因此冻土对地表土壤含水量的影响要比大气降水更重要，气温上升所引起的冻土退化导致水分缺失更加严重，从而引起了该地区高寒草地严重的干旱化，这与张森琦等[31]研究结论一致。

4 结论

自1969年起，长江黄河源区的高寒草地退化格局已基本形成，20世纪80年代后期退化速率大幅上升，自2000年以后，草地的退化速率逐渐下降。长江黄河源区高寒草地退化主要表现为覆盖度降低，源区中高覆盖草地减少了16.33%，覆盖度降低比较严重的区域主要分布在海报较低，覆盖度较高，人口比较密集的长江源区的东部、黄河源区西南部和东部地区；其次是干旱化加剧，源区高寒草甸的面积减少了3.75%，干旱化加剧显著的区域主要分布在长江源区西北部。破碎化现象在高寒草地退化区普遍存在。

气温上升所引起的源区气候暖干化是高寒草地退化的主要原因。气温上升一方面促使相对湿度降低、蒸散发加强，植物需水增加，另一方面引起多年冻土退化，冻土上限加深，导致土壤水分含量下降，使高寒草地面临的水分胁迫加剧而发生退化。其次，过度放牧等对源区草地不合理的人为干预是加剧长江黄河源区草地退化的重要因素，通过加强源区生态环境保护力度，转变经济发展方式，提高居民环境保护意识，能够有效地遏制高寒草地退化加剧的趋势。

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Rate and causes of degradation of alpine grassland in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers during the last 45 years

DU Ji-Zeng1, WANG Gen-Xu1*, LI Yuan-Shou2

1.TheKeyLaboratoryofMountainEnvironmentEvolutionandRegulation,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China； 2.ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China

Alpine grassland is the main vegetation type in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers, and accounts for about 70% of the total area in this region. As a result, maintenance of ecosystem balance, water cycling and soil-atmosphere exchanges in these regions critically depends on the status of the local alpine grasslands. With current global changes such as climate change, and increased human population in the region, alpine grassland in this region has been subject to increasing grazing pressure with significant changes resulting. These environment and regional economic changes have attracted widespread attention. In this research, alpine grassland degradation in the source regions of Yangtze and Yellow Rivers was quantified by analysis of images obtained by aerial photography in 1969 and TM remote sensing data captured in 1989, 2000, 2007 and 2013. In addition, with the inclusion of climatic observation data and data on human factors, the causes of the degradation were analyzed by principal component analysis and the gray correlation method. The results show that the alpine grassland degradation is characterized by reducing coverage, and increasing fragmentation and desertification. The total area of mid-cover alpine grassland and high-cover alpine grassland has decreased by 16.33% from 1969 to 2013. With a trend to increase in periodic drought, the total area of alpine meadow has decreased by 3.75% during the same time. Fragmentation and separation of alpine grassland units in the landscape has been occurring and also shrinkage and disappearance of patches. The rate of degradation increased very rapidly after the 1980s, and reached its maximum in 2000, but has been consistently decreasing since 2000. Climatic drought caused by a warming trend has been the main driver for alpine grassland degradation in the source regions of Yangtze and Yellow Rivers, and overstocking and unreasonable human activity were important contributing factors, intensifying the degradation.

alpine grassland; source regions of Yangtze and Yellow River; the characteristics of degradation; driving factors

10.11686/cyxb2014302

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-07-06；改回日期：2014-08-26

国家重点基础研究计划(973计划)项目(2013CBA01807), 国家自然科学基金杰出青年基金项目(40925002)和自然科学基金面上项目(41271224)资助。

杜际增(1992-)，男，山东济宁人，硕士。E-mail：dujz08@lzu.cn *通讯作者Corresponding author. E-mail：wanggx@imde.ac.cn

杜际增, 王根绪, 李元寿. 近45年长江黄河源区高寒草地退化特征及成因分析. 草业学报, 2015, 24(6): 5-15.

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