万华伟^1,, 高帅², 刘玉平¹, 臧春鑫³, 许时光²
1. 环境保护部卫星环境应用中心,北京 100029
2. 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京 100101
3. 中国环境科学研究院,北京 100012

Grassland degradation monitoring and spatio-temporal variation analysis of the Hulun Buir Ecological Function Region

WANHuawei^1,, GAOShuai², LIUYuping¹, ZANGChunxin³, XUShiguang²
1. Satellite Environmental Application Center,Ministry of Environmental Protection,Beijing 100029,China
2. State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China
3. Chinese Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China
收稿日期:2016-01-10
修回日期:2016-07-13
网络出版日期:2016-08-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41271348）国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA12A310）国家高分辨率对地观测重大专项项目（05-Y30B02-9001-13/15）
作者简介:
-->作者简介：万华伟,女,山东东阿人,博士,正高级工程师,主要从事定量遥感应用、生态系统与生物多样性遥感监测与评价相关研究。E-mail:livelyhw@163.com



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摘要
草地退化已经成为当前重要的生态环境和社会经济问题,遥感和地理信息系统技术的发展为草地退化问题的研究提供了新的手段和方法。本文利用长时间序列的MODIS数据,采用基于植被覆盖度的草地退化监测方法,对2003-2012年10年期间呼伦贝尔生态功能区草地进行了动态监测,并结合土地利用类型变化和气候数据对草地退化指数的年际变化进行了驱动力分析。结果表明：2003-2012年,呼伦贝尔草地生态环境表现较为脆弱,草地退化指数年际间变化剧烈;生态功能区草地退化等级全区呈差异分布,西部地区较中东部地区退化现象严重,但是近几年西部地区草地退化现象有所好转,东部地区有所加重;结合气象和人为因素综合分析表明,极端气候和采矿、工业建设等人类活动是功能区草地生态系统质量变化的主要驱动力。

关键词：草地生态系统;草地退化;遥感监测;气候变化;时空特征;呼伦贝尔生态功能区
Abstract
Grassland degeneration has resulted in a series of social,economic and ecosystem environmental problems,so monitoring changes in grassland is very important. With the development of technology,Remote Sensing （RS）and GIS provide new means for the study of grassland degeneration. Based on the classification of grassland degradation degree calculated by vegetation coverage,we introduced the Grassland Degradation Index （GDI）to characterize grassland degradation in our focal area. The value range of GDI is from 0 to 5. When GDI is large,it means that the area of grassland degradation is more serious. When GDI>4,it means there is extremely severe degradation and when GDI <1,it shows that there is no degradation of pasture in the area. Hulun Buir Grassland was dynamically monitored from 2003 to 2012 using long time series of MODIS data and the two indicators of vegetation coverage and GDI. Finally,the driving force of changes during the ten years were analyzed combined with meteorological data. The results indicate that the Hulun Buir Grassland Ecosystem is fragile,and interannual variability of GDI is dramatic. There is spatial heterogeneity in the grassland degradation degree：grassland degrades more seriously in the west than in the central and eastern regions. In recent years,however,grassland degradation in the central and eastern region has aggravated while the west region has improved. Moreover,the comprehensive analysis of meteorological and artificial factors shows that changes in Hulun Buir Grassland Ecosystem quality are mainly affected by extreme climate,mining and industrial construction.

Keywords：grassland ecosystem;grassland degradation;remote sensing monitoring;climate change;temporal and spatial characters;Hulun Buir Ecological Function Region

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万华伟, 高帅, 刘玉平, 臧春鑫, 许时光. 呼伦贝尔生态功能区草地退化的时空特征[J]. , 2016, 38(8): 1443-1451 https://doi.org/10.18402/resci.2016.08.04
WAN Huawei, GAO Shuai, LIU Yuping, ZANG Chunxin, XU Shiguang. Grassland degradation monitoring and spatio-temporal variation analysis of the Hulun Buir Ecological Function Region[J]. 资源科学, 2016, 38(8): 1443-1451 https://doi.org/10.18402/resci.2016.08.04

1 引言

草地生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,面积约占陆表面积的五分之一,在全球及区域碳循环、涵养水源、气候调节、土壤保持、环境净化和生物多样性维持等多方面起着举足轻重的作用^[1,2]。与其他生态系统相比,草地生态系统对气温、降水^[3,4]和土壤湿度^[5]的变化更为敏感。草地退化是指天然草地在干旱、风沙、水蚀、盐碱、内涝、地下水位变化等不利自然因素的影响下,或过度放牧与割草等不合理利用,或滥挖、滥割、樵采等破坏草地植被等不合理人为活动影响下,生态环境恶化,草地牧草生物产量降低,品质下降,草地利用性能降低,甚至失去利用价值的过程^[6]。草地退化的动态监测是区域生态环境保护的主要工作内容。
呼伦贝尔作为防风固沙的重要生态功能区,属于典型的中国北方草地区域,植被类型复杂多样,草原植物资源约1000余种,是欧亚草原的重要组成部分^[6]。由于气候变化以及人类活动的影响,在很多地区出现草地生态系统退化、覆盖度降低、生物多样性下降、生态功能减弱的现象^[7];同时,采矿和工业建设也对脆弱的生态环境造成很大的压力,引起了社会各界的普遍关注。因此,加强对该区域草地退化的动态监测,一直是重要生态功能区建设的核心工作内容。2003年10月发布的国家标准《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》（GB 19377-2003）^[8],将草地退化的必须监测项目分为植物群落特征、群落植物组成结构、指示植物、地上部产草量和土壤养分五大部分,其中各类指标的获取主要依靠传统的野外调查采样和定位观测等手段。
随着遥感和地理信息系统（GIS）等空间信息技术的发展,应用遥感等手段对大范围草地生态系统进行监测和评价的研究不断涌现。研究者们分别采用遥感目视解译、影像分类、生物量估算、光谱指标计算等方法在草地退化遥感监测方面做了大量的工作^[9-11]。其中常用的监测指标包括植被指数（Vegetaion Index,VI）、植被覆盖度等,其中植被指数是草地生态系统发展状态的综合性指标,植被覆盖度反映了植被覆盖的面积比例。2000年以来,为了尽可能采用较少的指标将草地退化多种信息（草地退化面积和退化等级等）结合在一起,研究者们又提出了草地退化指数（Grassland Degradation Index,GDI）,用以分析评价草地生态系统退化的时空变化特征。仝川利用遥感目视解译和地面调查的方法建立草地退化指数,对内蒙古呼伦贝尔重要生态功能区草地的退化情况进行了评价,表明该指数能同时反映退化草地的面积和等级信息,可以有效评估草地退化情况^[12]。高清竹等利用AVHRR,Spot-Vegetation,MODIS等多源遥感数据对藏北地区草地退化时空分布特征进行了分析,表明长时间遥感监测可以成为草地退化监测的有效手段^[13,14]。研究表明,利用长时间遥感数据的草地退化指数可以动态监测草地状况,但是目前结合气候和人类活动等驱动因子对研究区进行综合分析评价的研究较少,本文基于前期研究成果,以生态学分析为基础,以呼伦贝尔草地特征和实际数据情况为依据,利用2003-2012年长时间序列的MODIS数据计算草地退化指数,对研究区草地生态系统状况进行了动态监测,同时,结合区域土地利用类型变化和气候数据对研究区生态系统质量变化的驱动力进行调查分析,为重要生态功能区草地退化遥感监测提供技术方法和研究案例。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

呼伦贝尔防风固沙重要生态功能区位于内蒙古自治区高原东北部的海拉尔盆地及其周边地区（图1）,行政区涉及内蒙古自治区呼伦贝尔市的7个旗（市、区）,面积为7.5万km²。该区地处温带-寒温带气候区,气候较干燥,多大风,沙漠化的敏感性程度较高^[7]。根据国家环境保护部和中国科学院完成的全国生态环境10年变化（2000-2010年）遥感调查与评估专项^[15]成果,呼伦贝尔防风固沙重要生态功能区2010年土地利用状况为：草地面积占80.12%,湿地占8.5%,耕地占3.59%,林地占4.89%,居住、工业和交通用地等人工表面总计为1.33%,其他（荒漠、裸地等）为1.57%（图1）。
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图1呼伦贝尔研究区位置与2010年土地利用状况
-->Figure 1The study area and land use in 2010
-->

2.2 数据来源

（1）遥感数据。研究选取的遥感数据为MODIS 250m分辨率反射率8天合成产品（MOD09A1）,在可见光和近红外区域有7个波段,该产品采用了最大值合成法,选择8日内具有反射率最大值的像元,用以保证最佳的数据质量^[16]。选取2003-2012年每年第89-273天各24景影像,其时间范围处于4月初至9月底,地面平均气温高于0℃。使用ENVI软件提供的MODIS数据转换模块（MODIS Conversion Toolkit,MCTK）提取红波段和红外波段反射率数据,采用Delaunay三角网最邻近采样法将影像的投影转换为UTM投影（分度带为51N）,计算得到归一化植被指数,最后根据经纬度范围,裁剪得到研究区长时间序列的NDVI数据集。
（2）土地利用数据。研究区土地利用空间分布数据来源于“全国生态环境十年变化（2000-2010年）遥感调查评估”工作成果。该项目基于遥感和地面调查等手段,以多分辨率、多遥感信息为基础,该成果成功获取了全国生态环境2000-2010年10年间的动态变化信息,项目研究内容涉及生态系统格局、生态系统质量、生态系统服务功能、生态环境问题及其变化,共19项26个指标^[15]。以研究区边界为基础提取呼伦贝尔重要生态功能区2000年、2005年和2010年三期土地利用空间分布矢量数据,并分析土地利用类型的变化。
（3）气象数据。研究中使用的气象数据来自于中国气象科学数据共享网（http：//cdc.cma.gov.cn/）发布的中国地面气候资料月值数据集及中国高分辨率地面气象要素驱动数据集^[17,18]。研究选取月平均气温与降水量两个参数,累加得到平均气温与降水量的生长季逐年数据,裁剪研究区域得到生态功能区范围的2003-2012年气温和降水量资料^[19]。

2.3 研究方法

采用2000-2012年MODIS 250m空间分辨率数据,生成研究区NDVI数据集,并计算得到呼伦贝尔生态功能区植被覆盖度,以2000年土地利用分类数据为基础,根据覆盖度变化计算草场退化指数,并以此指标为基础分析了呼伦贝尔地区草地退化时空格局,最后,利用2000-2010年土地利用变化和气象数据对草地退化影响因素进行了分析,研究技术流程如图2所示。
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图2技术流程
-->Figure 2Flow chart of the method
-->

基于植被覆盖度的像元草地退化分级和区域草场退化指数的计算方法简述如下。
（1）基于像元的草地退化分级。近年来,基于植被覆盖度的变化检测方法常被应用于遥感监测草地退化,植被覆盖度反映了研究区植被覆盖的程度。采用2003-2012年间生长季的（4-9月）MODIS 250m空间分辨率的年平均NDVI,植被覆盖度计算公式为：
Vc=NDVI-NDVIsNDVIv-NDVIs（1）
式中 Vc为植被覆盖度;NDVI、 NDVIs、 NDVIv分别为像元NDVI值、裸土最小NDVI值和纯草地最大NDVI值。逐像元计算2000-2002年间最大植被覆盖度作为未退化草地的植被覆盖度,根据表1对2003-2012年的草地退化程度进行划分,其中退化等级的阈值确定综合参考了近年来在本区域和相似区域的研究成果^[20-22]。
Table 1
表1
表1基于像元的草地退化分级标准
Table 1Grassland degradation degree indictor and classification method

评价指标	退化等级（评分）	草地退化等级划分方法
草地植被盖度变化	未退化（1）	草地植被盖度达到未退化草地的植被盖度的90%以上
	轻度退化（2）	草地植被盖度达到未退化草地的植被盖度的75%~90%
	中度退化（3）	草地植被盖度达到未退化草地的植被盖度的60%~75%
	重度退化（4）	草地植被盖度达到未退化草地的植被盖度的30%~60%
	极重度退化（5）	草地植被盖度达到未退化草地的植被盖度的30%以下

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（2）区域草地退化指数。草地植被退化等级的划分能够反映草地退化的空间分布状况,但是并不包含退化草地面积信息。为了更直观地表达区域草地退化状况,本文结合前人研究成果^[12],采用GDI来表征整个区域草地退化状况。草地退化指数计算如公式为：
GDI=（∑i=15Di×Ai）/A（2）
式中 GDI为草地退化指数; Di为草地退化等级i的评分（各像元退化等级对应的评分如表1所示）; Ai为草场退化等级为i的面积;A为该地区草场总面积。 GDI的值越大,表明该地区草地退化的程度就越严重。草地退化指数划分为以下几个区间,分别对应不同的草地退化程度^[13]：
GDI≤1 未退化;
1< GDI≤2 轻度退化;
2< GDI≤3 中度退化;
3< GDI≤4 重度退化;
GDI>4 极重度退化。

3 结果及分析

3.1 土地利用格局变化

呼伦贝尔重要生态功能区2000-2010年三期各种土地利用类型的分布面积如表2所示。从表中可以看出,2000年、2005年和2010年,该地区草地面积分别为61 397.63km²、61 394.37km²和61 076.21km²,分别占功能区面积的80.54%、80.53%和80.12%,优势地位非常显著。从时间变化看,2000-2010年间,草地、森林和湿地有明显减少的趋势,而耕地和人工表面显著增加,2005-2010间的变化趋势明显高于2000-2005年间。
Table 2
表 2
表 22000-2010年呼伦贝尔生态功能区土地类型面积统计
Table 2Area statistics of land use in Hulun Buir ecological function region from 2000 to 2010（km²,%）

土地类型	2000年		2005年		2010年		面积变化
	面积	比重	面积	比重	面积	比重	2000-2010年	2005-2010年	2000-2005年
森林	3 838.88	5.04	3 777.44	4.96	3 729.45	4.89	-109.43	-47.99	-61.44
耕地	2 582.27	3.39	2 661.75	3.49	2 735.94	3.59	153.68	74.20	79.48
草地	61 397.63	80.54	61 394.37	80.53	61 076.21	80.12	-321.41	-318.16	-3.26
湿地	6 883.04	9.03	6 684.93	8.77	6 481.78	8.50	-401.26	-203.15	-198.11
人工表面	506.93	0.66	656.08	0.86	1 011.44	1.33	504.51	355.36	149.15
其他	1 024.61	1.34	1 058.76	1.39	1 198.74	1.57	174.14	139.98	34.16

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3.2 草地退化时空分布

呼伦贝尔研究区2003-2012年草地退化分级分类结果如图3所示。可以看出,10年间（2003-2012年）呼伦贝尔生态功能区草场退化在空间上存在差异性分布,总体上,中西部地区草地退化比东部地区较为严重,满洲里市和新巴尔虎右旗均出现了大面积的极重度草地退化现象,其他地区以轻度和中度退化为主,这种现象在2006年以前更为明显,昝国盛等在该地区的研究也表明城市扩张使得新巴尔虎右旗,海拉尔区植被全部表现为严重和广泛的退化,植被生长环境变差^[22]。2011-2012年,生态功能区中东部地区出现了重度退化的现象,与之相反,生态区西部地区（尤其是新巴尔虎右旗）从2010-2012年退化情况有所缓和,植被出现较大面积的复苏现象,草地覆盖保持较稳定的区域分布零散。
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图32003-2012年呼伦贝尔草地退化分级演化情况
-->Figure 3Classificationof grassland degradation in Hulun Buir from 2003 to 2012
-->

从图4a（见第1448页）草地退化指数年际变化可以看出,呼伦贝尔生态功能区草地退化指数年际变化剧烈,总体在中度退化和重度退化之间波动,生态功能区表现脆弱。2012年呼伦贝尔生态功能区各旗、市的草场退化指数在空间上也展示出差异分布。退化较为严重的地区依次为满洲里（GDI=3.77）、新巴尔虎右旗（GDI=3.64）、新巴尔虎左旗（GDI=2.71）、海拉尔区（GDI=2.47）以及陈巴尔虎旗（GDI=2.33）,其他地区草场虽然都出现了退化的现象,但退化程度普遍较轻。
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图42003-2012年呼伦贝尔生态功能区草场退化指数、年均气温和总降水量年际变化
-->Figure 4Annual variation of grassland degradation index,annual average temperature and total precipitation in Hulun Buir ecological function region from 2003 to 2012
-->

综上所述,10年以来呼伦贝尔生态功能区草地退化情况均在中度以上（GDI>2）,草地退化指数年际变化剧烈,退化等级在中度退化和重度退化等级之间波动。2007年由于降水较少及高温影响全地区总体上草地退化程度最为严重,2008年气温条件改善后退化情况迅速出现好转,达到10年间GDI最低值,在生态功能区各个区域中,西部地区尤其是新巴尔虎右旗和满洲里市草地退化均十分严重,大面积出现极重度退化现象,但是从2010年开始,退化趋势略有减缓,植被有所恢复;10年间,总体上中东部地区较西部地区草地退化现象较轻,退化以轻度和中度退化为主,但是2011-2012年重度退化现象有所加重,植被保持稳定区域于全区零星分布。

3.3 草地退化影响因素分析

气候变化和人类活动是导致区域草地生态系统变化的主要因素。从图4b（见第1448页）生态功能区年均气温和总降水量分析情况可以看出,2003-2012年期间,功能区年均温平均为14.3℃,总体上呈现波动变化,其中2007年年均温达到10年来最高值（15.7℃）,2003年年均温达到10年来最低值（13.8℃）。生长季总降水量10年间在199.01~302.4mm之间,平均为251.6mm,呈现波动中增加的趋势,2007年总降水量达到10年来最低值（199.1mm）,2008年总降水量达到10年来最高值（302.4mm）。总体上,功能区气候呈现半干旱、中温的气候特点,与前人研究结论一致^[23,24]。从图4b还可以看出,呼伦贝尔草地退化指数对气候变化响应较为敏感,气候变化会导致GDI出现明显的波动,同时,极端气候的出现又对草地退化影响剧烈,2007年生态功能区气温达到10年最高值,降水量达到最低,出现极端干旱天气,草场出现大面积的退化现象,随着降水量的增加以及气温恢复正常,2008年植被又迅速恢复,草地退化现象出现明显好转,GDI达到10年间最低值。研究结论与李云鹏等在呼伦贝尔草地退化研究相吻合,气温升高、降雨量减少以及干旱频发会导致呼伦贝尔草地出现大面积的退化^[20]。
另外,在自然气象条件没有发生明显突变的情况下,2003年、2004年、2011年和2012年的草地均出现了重度退化的现象,土地利用类型变化分析表明2000-2010年间,草地、森林和湿地有明显减少的趋势,这表明这段期间人类活动明显增加,而自然植被减少会导致生物多样性下降、生态功能减弱,出现荒漠化和沙化等情况^[25]。同时,呼伦贝尔是中国煤炭资源丰富城市的最典型代表,境内煤炭资源丰富,近年来矿产资源开发的力度不断加大,尤其是地下矿产的开采,破坏了自然形成的气候条件,土地利用变化分析表明人工表面在10年间增加了一倍,这些也会造成草地退化现象的出现^[26]。因此,呼伦贝尔生态功能区草地生态系统质量同时受到自然因素和人类活动等多重因素的共同影响。

4 结论

遥感和GIS技术的发展和应用为研究大尺度、长时间序列的草场时空分布提供了一种有效手段。本文以长时间序列的MODIS数据为基础,在当前诸多的遥感监测方法中,筛选出基于植被覆盖度的草地退化等级确定方法,并引入区域草地退化指数指标,从面积和质量两个方面,对2003-2012年期间呼伦贝尔生态功能区草地退化进行了动态监测,从定量的角度分析了呼伦贝尔生态功能区草地退化的时空变化情况。本方法可以充分发挥遥感技术快速、便捷的特点,为区域草地退化监测和管理提供参考。GDI的引入有利于分析区域草地退化多源信息时空变化特征,结合空间分布可以较好描述草场退化等级分布的时空变化趋势,但考虑植物自身的生长复杂性,如何加入遥感的高光谱属性进行草地类型和退化识别,从而服务于生态安全评价是未来研究的重要内容^[27,28]。
呼伦贝尔草地生态环境表现较为脆弱,尽管草地面积没有发生显著变化,但是草地退化指数年际间变化剧烈,草地退化等级波动较大,总体上,生态功能区草地退化等级全区呈现差异分布,西部地区,尤其是新巴尔虎右旗和满洲里市草地退化均十分严重,出现了大面积极重度退化现象,近几年退化趋势略有减缓,草地质量有所恢复;中东部地区较西部地区草地退化现象较轻,退化以轻度和中度退化为主,但是近几年重度退化现象有所加重。
呼伦贝尔生态功能区草地退化程度受到区域气候变化和人类活动共同的影响,另外,根据研究区草地退化指数年际间的剧烈变化,说明在全球气候的变化和人类活动干扰下,呼伦贝尔重要生态功能区的保护也应该是一个动态的保护过程,生态保护方案应该与生态功能区的动态变化相适应,做到实时监测及时调整方案。
The authors have declared that no competing interests exist.

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