曹旭娟，干珠扎布，梁艳，高清竹*，张勇，李玉娥，万运帆，旦久罗布

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业部农业环境与气候变化重点实验室，北京 100081；

3.北京师范大学环境学院，北京 100875；4.西藏自治区那曲地区草原站，西藏 那曲 852100)



基于NDVI的藏北地区草地退化时空分布特征分析

曹旭娟1,2，干珠扎布1,2，梁艳1,2，高清竹1,2*，张勇3，李玉娥1,2，万运帆1,2，旦久罗布4

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081；2.农业部农业环境与气候变化重点实验室，北京 100081；

3.北京师范大学环境学院，北京 100875；4.西藏自治区那曲地区草原站，西藏 那曲 852100)

摘要：本文以藏北地区为研究区域，基于归一化植被指数(NDVI)反演草地植被盖度，以植被盖度作为判断草地退化的标准，综合计算藏北地区2000-2010年逐年草地退化指数(grassland degradation index)，定量揭示藏北地区草地退化的时空分布规律。结果表明，截至2010年，藏北地区草地退化现状仍然较为严重，退化草地的面积占全区面积的58.2%。其中，重度退化和极重度退化草地面积的比例分别为19.0%和6.5%，区域草地退化指数为1.97，接近中等退化水平。分区结果显示，藏北地区中部、东部、北部草地退化情况较为严重，均处于中等退化等级，西部地区的退化情况最轻，处于轻度退化等级。分析2000-2010年藏北地区全区及各个分区的草地退化趋势表明，只有北部地区有减缓趋势；2000-2010年间与1981-1985年间对比结果显示，重度退化及极重度退化草地面积比例上升幅度较大。2000-2010年间藏北地区平均草地退化指数为1.84，草地退化等级在轻度退化到中度退化之间波动。

关键词：草地退化；NDVI；植被盖度；藏北地区

草地资源不仅是陆地生态系统中重要的自然资源之一，也是畜牧业发展的物质基础，并且在防风固沙、保持水土及涵养水源等方面起着重要的作用[1]。藏北地区是全国五大牧区之一的西藏自治区主要畜牧业生产基地。在藏北地区，草地是最重要、面积最大的自然生态系统，是广大牧民生产生活的基础条件[2]。近年来，在自然和人为双重因素的影响下，该地区草地表现出不同程度的退化，草地生产力明显下降[3-5]。随着草地生态系统的退化，该区域荒漠化、沙化面积逐年扩大，水土流失加重，加速了江河源区生态环境恶化，甚至对生态环境造成了灾难性的破坏[6-8]。此外，草地退化也将影响藏北地区的畜牧业发展，阻碍当地牧民脱贫致富，进而影响藏北地区经济社会持续、稳定和健康发展[9]。监测和分析藏北地区草地退化的空间分布规律有助于针对不同区域的分布特征实施相应的恢复措施及管理手段，而揭示时间分布规律则反映和验证了藏北地区草地恢复措施及管理方式的有效性。

遥感技术可从多时相、多波段提取地表覆盖状况[10]，随着其技术的发展，陆地表面空间特征的研究在空间数据的支持下在空间变化和定量化研究方面有了长足的发展，为区域生态环境变化提供了定量化的可研究途径[11]。归一化植被指数NDVI能够较好的反映植被的生长分布特征及变化情况[5]。高清竹等[12]选择草地植被盖度作为评价草地退化的遥感监测指标，建立了藏北地区草地退化遥感监测与评价的指标体系，对藏北地区1981-2004年草地退化的时空分布特征进行研究，结果表明，截止到2004年，藏北地区草地退化局势十分严重。冯琦胜等[13]使用遥感动态监测的方法，利用地上生物量作为草地生长状况的检测指标研究了青藏高原2001-2010年的草地生长状况，表明青藏高原地区2001-2010年草地地上生物量总体有增加的趋势。21世纪以来，藏北地区草地退化表现出新的特征和趋势，而以往研究的结果颇具差异。本文基于植被盖度以草地退化指数作为草地退化指标，定量分析自21世纪以来藏北地区草地退化时空特征，为当地的生态环境保护和社会经济发展提供参考依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

本文所研究的藏北地区与那曲地区的行政区划基本吻合，土地总面积约为44.6万km2。藏北地区位于西藏自治区的北部，是青藏高原的腹地，平均海拔4500 m以上，其地理坐标为E 83°41′14″至95°10′46″，N 30°27′25″至35°39′13″。该地区是我国长江、怒江、澜沧江等主要河流的发源地。全地区下辖那曲、安多、聂荣、比如、嘉黎、巴青、索县、班戈、申扎、尼玛、双湖等11个县。根据本文的研究需要，将全区分为东部、西部、北部和中部4个区域，具体分区情况见图1。

1.2数据来源

1981-1985年AVHRR-NDVI数据，来自美国国家海洋大气局的NOAA卫星，空间分辨率为8 km×8 km； 2000-2010年MODIS-NDVI数据，来源于美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)MODIS陆地产品按照统一算法开发的16d最大合成植被指数产品(MOD13Q1)，空间分辨率为250 m×250 m；藏北地区行政边界矢量数据。

图1　藏北地区(那曲)行政区划与分区图Fig.1　Location and subarea of northern Tibet (Naqu)

1.3研究方法

1.3.1植被盖度的计算已有研究表明，植被盖度与归一化植被指数NDVI之间存在着极显著线性相关关系[14]。在遥感监测地表植被盖度时，通常利用植被盖度与NDVI之间的关系反演植被盖度，其计算公式如下[12]：

(1)

式中，VC为植被盖度，NDVIS为研究区最小NDVI值(即裸土的NDVI值)，NDVIV为研究区域最大NDVI值或纯植被像元的NDVI值。

1.3.2草地退化评价指标体系国家标准“天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标(GB19377-2003)”明确提出了以20 世纪80 年代初的监测区域相同草地类型的未退化草地植被特征与地表、土壤状况为未退化草地基准[12,15]。因此，本文以1981-1985年间的最大草地植被盖度作为基准(即未退化草地植被盖度)，将草地退化程度分为5级，即未退化草地、轻度退化草地、中度退化草地、重度退化草地及极重度退化草地。以草地植被盖度作为评价指标，评价标准为未退化草地植被盖度[12,15]，具体的草地退化等级划分方法见表1。

表1　藏北地区草地退化遥感监测等级划分方法

在以上草地退化等级划分的基础上，采用草地退化指数(grassland degradation index)来表示藏北地区的草地退化情况[12]。草地退化指数的计算公式为：

(2)

式中，GDI为草地退化指数；Di为草地退化等级i的评分(表1)；Ai为草地退化等级i的分布面积；A为研究区草地总面积。

通过结合草地退化等级和草地退化指数，综合判定藏北地区2000至2010年草地退化情况及其时空分布规律(表2)。

1.4数据分析

本文采用3年滑动平均法得到2000-2010年研究区逐年NDVI数据，用遥感反演的方法，基于ENVI5.1平台的Band Math工具，通过公式(1)计算得到2000-2010年研究区各像元植被盖度。根据上述建立的草地退化分级指标和评价体系，基于ENVI5.1，计算得到研究区各像元草地退化级别进而统计得到各退化级别草地的面积及比例。最后，通过Excel软件利用公式(2)计算得到全区及各分区的草地退化指数。

2结果与分析

2.1藏北地区草地退化现状及空间分布特征

表2　藏北地区草地退化评价指标综合判别[12]

图2　2010年藏北地区草地退化分布图Fig.2　Grassland degradation in northern Tibet in 2010

2010年，藏北地区未退化的草地面积为18.74万km2，占全区总面积的41.8%；轻度退化的草地面积为5.45万km2，占全区面积的12.1%；中度、重度和极重度退化的草地面积分别为6.76，8.52和2.92万km2，分别占藏北地区总面积的15.1%，19.0%和6.5%(图2和图3)。

截至2010年，藏北地区的GDI为1.97，接近中等退化水平。藏北地区的草地退化状况存在着较为明显的空间差异。从不同区域来看，北部地区的退化最为严重，其GDI为2.16；其次是中部地区和东部地区，GDI分别为2.10和2.01；退化程度最轻的为西部地区，GDI为1.89。中部、北部和东部3个区域的草地退化指数均处在中等退化等级，而西部地区的草地退化指数处于轻度退化级别。如图2所示，退化草地在尼玛县北部、双湖特区北部及安多县北部分布较为集中；此外，那曲县、安多县、聂荣县三县交界处，及班戈县、申扎县和尼玛县中部的部分区域退化草地分布也较为集中(图4)。

图3　2010年藏北地区不同草地退化等级分布比例Fig.3　Proportion of different degree of grassland degradation in northern Tibet in 2010

2.2藏北地区草地退化趋势分析

图4　2010年藏北地区全区及各分区草地退化指数Fig.4　Grassland degradation index of different areas in northern Tibet in 2010

2.2.1草地退化指数的变化趋势2000-2010年，藏北地区草地退化指数存在年际间的浮动，草地退化变化趋势不明显。从各分区来看，北部地区草地退化具有明显的减缓趋势(P<0.05)，但减缓的幅度较小；此外，东部、西部及中部地区均无明显的变化趋势(图5)。

分时段来看，2005-2010年间藏北地区全区的GDI与2000-2004年间相比无显著变化，北部地区略有下降，从2000-2004年间的2.23下降到2005-2010年间的2.02；东部、中部和西部3个地区的都略有上升，但上升的幅度较小，分别从2000-2004年间的1.92，1.90和1.79到2005-2010年间的1.98，1.92和1.82。

图5　藏北地区全区及各分区草地

2000-2010年间的GDI与1981-1985年间的数据对比分析表明，全区的GDI表现为下降，由1981-1985年间的1.95到2000-2010年间的1.84，表明21世纪以来的草地退化程度相较80年代初期的结果有所改善；北部、东部和中部地区的GDI均表现为上升，由1981-1985年间的1.86，1.61和1.51上升到2000-2010年间的2.03，1.92和1.86；西部地区的GDI表现为下降，且下降幅度较大，由1981-1985年间的2.10下降为2000-2010年间的1.77(表 3)。

表3　不同时段藏北地区草地退化指数变化特征

2.2.2草地退化等级的分布比例及变化趋势藏北地区2000-2010年各年份退化草地所占面积的比例均较高，介于37.65%～55.20%之间。退化草地面积所占比例的最大值出现在2005年，最小值出现在2008年。处于极严重退化草地等级和严重退化草地等级的面积所占比例略高，介于14.57%～28.19%之间。最高值出现在2000年，最小值出现在2008年(图6)。

图6　藏北地区2000-2010年不同草地退化等级的分布特征Fig.6　Distribution of different grassland degradation grade from 2000 to 2010 in northern Tibet

对比2000-2010年和1981-1985年两个时间段(表4)，发现藏北地区极严重和重度退化草地面积的比例均大幅度增加；极重度退化面积由1981-1985年间的0.5%增长到2000-2010年间的7.2%，极严重退化草地面积增加约2.84万km2；重度退化草地的面积由1981-1985年间的10.0%增加到2000-2010年间的18.0%，其增加面积约为3.39万km2。中度退化草地面积比例浮动较小，由16.1%减少到15.9%，其减少面积约为0.08万km2。轻度退化草地面积的比例由28.1%减少到14.1%，其减少面积约为5.94万km2。未退化草地面积的比例也略有减少，由45.3%到44.8%，其减少面积约为0.21万km2。

3讨论

草地退化是影响草地生态系统服务功能的主要原因，并且严重制约草地畜牧业发展。草地退化是气候变化和人类活动综合作用的结果[9]。时间变化特征显示，藏北西部地区草地较20世纪80年代初有明显的恢复趋势。草地退化指数由2.10下降到1.77，即由中度退化水平恢复到轻度退化水平。近年来，藏北西部地区气温明显升高，大部分区域降水量增多，气候呈暖湿化趋势，气候变化趋势对藏北西部地区草地十分有利[16]。对禁牧草地和自由放牧草地的对比调查中也发现，该区域禁牧草地的地上生物量显著高于自由放牧草地[17]。因此，藏北西部地区的禁牧休牧措施对近年来的草地恢复起到了积极作用。除西部地区外，从80年代初期到21世纪初藏北地区其他区域草地均表现出退化的趋势。李亚楠等[18]研究表明与20世纪90年代相比，藏北中部地区2000-2010年间草地退化加剧，鼠害、过度放牧以及草地建设与管护力度不够等人为因素是造成藏北中部地区草地退化的重要原因。段敏杰等[19]对藏北地区北部安多县紫花针茅(Stipapurpurea)草原的研究表明过度放牧使植物群落的盖度、地上生物量均呈现显著降低的趋势。藏北中部和东部地区人口逐年增加，人类活动进一步加剧。对该区域禁牧草地和自由放牧草地的调查发现，地上生物量并没有显著差异[17]。而喷灌在干旱年份对该区域草地生产力和物种多样性影响显著[20]。氮磷配施能显著提高植被盖度及地上、地下生物量[21]。因此，禁牧措施对于该区域草地恢复的效果并不明显，禁牧休牧和灌溉、施肥相结合可能是该区域草地恢复更为有效的方法。

表4　不同时段藏北地区草地退化等级分布比例变化特征

截至2010年，藏北地区的草地退化局势仍然较为严峻。其空间分布特征显示，退化草地在尼玛县北部、双湖特区北部及安多县北部分布较为集中，该区域为江河源区，冰川与雪山集中分布，对气候变化极度敏感；此外，那曲县、安多县、聂荣县三县交界处，及班戈县、申扎县和尼玛县中部的部分区域退化草地分布也较为集中，该区域人口分布较为集中，或者为交通沿线，人类活动对该区域草地退化的影响较大。藏北地区干旱、大风等多种不利气候因素相互配合为草地退化提供了外在动力条件，而过度放牧等人为干预强度的不断提高则是藏北高原草地退化发生、发展的主要因素[18]。目前，禁牧是世界上普遍应用于退化草地恢复的管理方法，禁牧可以通过自然作用力使退化草地的植被与土壤得到恢复，使植被的地上和地下生物量增加[22-23]。高寒草甸实施全年禁牧、生长季休牧均显著提高草地生产力和土壤养分含量[24]。21世纪以来，国家和自治区政府为保护藏北地区草地资源，促进退化草地的恢复，在藏北地区实施了一系列禁牧休牧的政策。建议在以后的草地恢复工程中，应结合藏北地区草地退化分布及原因的空间异质性，因地制宜，制定符合不同区域的草地恢复措施。

4结论

1)截至2010年，藏北地区退化草地面积为22.59万km2，占藏北地区面积的58.2%，其中重度和极重度退化草地面积所占比例较大，分别为19.0%和6.5%。藏北地区草地退化局势仍然严重。

2)2000-2010年期间，藏北地区草地退化趋势无显著变化。分区来看，仅北部地区有显著的恢复趋势，但恢复的幅度较小，截至2010年仍处于中度退化水平；其余各区均无显著的变化趋势。

3)藏北地区近十年间草地退化情况与1981-1985年间相比，未退化草地面积变化较小；轻度退化草地比例由28.1%下降到14.1 %，重度和极重度退化草地比例分别由10.0%和0.5%上升到18.0%和7.2%。分区来看，与1981-1985年间相比，只有西部地区草地退化指数有所下降，其他地区的草地退化指数均表现为上升。

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Temporal and spatial distribution of grassland degradation in northern Tibet based on NDVI

CAO Xu-Juan1,2, Ganjurjav H1,2, LIANG Yan1,2, GAO Qing-Zhu1,2*, ZHANG Yong3, LI Yu-E1,2, WAN Yun-Fan1,2, DANJIU-Luobu4

1.InstitudeofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgricultureScience,Beijing100081,China; 2.KeyLaboratoryforAgro-Environment&ClimateChange,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 3.SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 4.NaquGrasslandStation,TibetAutonomousRegion,Naqu852100,China

Abstract:An expansive alpine grassland ecosystem dominates the landscape in Northern Tibet, and the status of this grassland has significant implications for the major Asian rivers, and for the climate and eco-environment of Tibet and the wider region. The harsh natural environment and fragile ecosystem, together with increasing frequency and intensity of human activities such as pastoralism, and climate change, have resulted in increasing reports of degradation of the grassland ecosystem. We used vegetation cover as main indicator of ecosystem health, and with remote sensing monitoring, calculated the grassland degradation index (GDI) and evaluated grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010. The analysis was based on the Normalized Differential Vegetation Index (NDVI) data from the Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR) with a spatial resolution of 8 km from 1981 to 1985 and from Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) with a spatial resolution of 0.25 km of 2000-2010. Then, we have analyzed the temporal and spatial distribution of grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010. It was found that grassland degradation in Northern Tibet was still severe. The GDI was 1.97 in 2010, near to seriously degraded status. The extremely seriously degraded and seriously degraded categories occupied 6.5% and 19.0% of the study area, respectively. The moderately and slightly degraded grassland categories accounted for 15.1% and 12.1%, respectively. Undegraded grassland occupied 41.8% of the total grassland area in 2010. The extent of extremely seriously degraded and seriously degraded categories was greatly increased in the data from 2000-2010, compared with the period from 1981-1985. However, the increase in grassland degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010 was slight, with the mean value of the GDI being 1.84 in 2010, representing a change from light degradation to moderate degradation in Northern Tibet from 2000 to 2010.

Key words:grassland degradation; NDVI; vegetation cover; northern Tibet

*通信作者

Corresponding author. E-mail: gaoqingzhu@caas.cn

作者简介：曹旭娟(1989-)，女，山西太原人，硕士。E-mail：caoxujuan@sina.com

基金项目：国家科技支撑课题(2012BAC01B02)，国家自然科学基金项目(31170460)和西藏那曲地区与中国农业科学院合作项目资助。

收稿日期：2015-08-30；改回日期：2015-11-16

DOI：10.11686/cyxb2015378

http://cyxb.lzu.edu.cn

曹旭娟，干珠扎布，梁艳，高清竹，张勇，李玉娥，万运帆，旦久罗布. 基于NDVI的藏北地区草地退化时空分布特征分析. 草业学报, 2016, 25(3): 1-8.

CAO Xu-Juan, Ganjurjav H, LIANG Yan, GAO Qing-Zhu, ZHANG Yong, LI Yu-E, WAN Yun-Fan, DANJIU-Luobu. Temporal and spatial distribution of grassland degradation in northern Tibet based on NDVI. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 1-8.