引用本文
赵宇豪, 戎战磊, 张玉凤, 叶苗, 蒋晖, 赵传燕. 近30年黑河流域草地变化分析及分布格局预测. 草业学报, 2017,26(6): 1-15
ZHAO Yu-Hao, RONG Zhan-Lei, ZHANG Yu-Feng, YE Miao, JIANG Hui, ZHAO Chuan-Yan. Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends. Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6): 1-15  
Doi:10.11686/cyxb2016294
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近30年黑河流域草地变化分析及分布格局预测
赵宇豪1,2, 戎战磊2, 张玉凤1, 叶苗1, 蒋晖1, 赵传燕2,*
1.兰州大学生命科学学院, 甘肃 兰州730000
2.兰州大学草地农业科技学院,草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州 730020
*通信作者Corresponding author. E-mail: nanzhr@lzb.ac.cn

作者简介:赵宇豪(1991-),男,山东淄博人,在读硕士。E-mail: zyhcn@hotmail.com

收稿日期: 2016-07-19
基金项目:干旱气象科学研究基金项目(IAM201608)资助
摘要

草地是人类生存的基本资源和条件,在全球变化、全球循环和生态系统功能等方面起着非常关键的作用。本文基于GIS技术和1986、2000和2011年黑河流域草地分布数据,采用转移矩阵、草地动态变化度、空间动态度和CA-Markov模型等方法,分析了黑河流域近30年的草地变化,并对其未来分布格局做出预测。结果表明,(1) 黑河流域1986年草地面积为32997.71 km2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为4290.02、6371.80和22335.89 km2;2000年草地面积为23939.46 km2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5508.78、5540.01和12890.67 km2;2011年草地面积为24272.50 km2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5561.31、5715.01和12996.18 km2,近30年间黑河流域草地面积呈现先减后增的趋势。(2) 1986-2000年期间,黑河流域草地面积大幅减少,且退化严重,高覆被草地主要向中低覆被草地转换,中覆被草地主要向低覆被草地转换,低覆被草地主要向未利用地转换。(3) 2000-2011年期间,黑河流域草地面积小幅增加,各类型草地转化面积较少,保持小幅缓慢上升趋势。(4) 在现行趋势下,预测2022年黑河流域草地面积为24449.58 km2,高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5560.28、5657.65和13231.65 km2,与2011年相比呈增加趋势,但下游地区草地面积和覆盖度依然较低。

关键词: 黑河流域; 草地; 动态变化; CA-Markov模型; LUCC; GIS
Analysis of change in grassland area in the Heihe River basin over the past 30 years and prediction of future trends
ZHAO Yu-Hao1,2, RONG Zhan-Lei2, ZHANG Yu-Feng1, YE Miao1, JIANG Hui1, ZHAO Chuan-Yan2,*
1.School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
2.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
Abstract

Grassland, is one of the most widespread vegetation types in the world, and accounts for nearly 20% of the global land surface. China has abundant grassland resources, and the second largest grassland area of any country. However, in recent years, China’s grassland ecosystem has suffered dramatic impairment through human activities and climate change. Grassland in the Heihe River Basin provides necessary resources for the livelihood of local communities. It is therefore important to monitor grassland change. In this study, we assessed historical grassland cover in Heihe River Basin using GIS technology and evaluated land use and land cover change (LUCC) since 1986. We also predicted the future grassland distribution pattern using a CA-Markov Model and land-use transfer matrix, reflecting change in spatial distribution and metabolic indices of grassland. In 1986, the total area of grassland in the Heihe River Basin was 32998 km2, of which 4290 km2 were classed as having high coverage, 6372 km2 were classed as having medium coverage and 22336 km2 were classed as having low coverage. In 2000, the grassland area was 23939 km2, and areas with high, medium and low coverage were, respectively, 5509, 5540 and 12891 km2. In 2011, the grassland area was 24273 km2, and areas with high medium and low coverage were, respectively, 5561, 5715 and 12996 km2. During the period 1986-2000, the area of grassland in the Heihe River Basin was considerably reduced and severe degeneration occurred. During this period, there was substantial transformation of grassland from high to medium coverage, from medium to low coverage, and from low coverage to unutilized land. During the period 2000-2011, the grassland area in Heihe River Basin increased slightly and transition between the three coverage classes was small. Finally, in 2022 the predicted grassland area of the Heihe River Basin is 24450 km2 with, respectively, 5560, 5658 and 13232 km2 with high, medium, and low coverage, respectively.

Keyword: Heihe River Basin; grassland; dynamic change; CA-Markov model; LUCC; GIS

草原是地球上分布最广的植被类型, 总面积约为3.2× 107 km2, 占陆地总面积的20%左右, 我国是世界第二大草原国, 拥有极为丰富的草地资源, 面积约为 4× 106 km2, 约占国土面积的41.7%, 世界草地面积的12.5%[1, 2], 主要分布在西北干旱、半干旱气候区以及青藏高原高寒气候区[3], 是我国陆地生态系统最大的天然屏障[4]。作为陆地生态系统中一个重要的子系统, 草地生态系统在全球变化、全球循环和生态系统功能等方面起着非常关键的作用[6, 7, 8, 9, 10], 同时, 草地资源是自然资源中可再生的一种, 蕴藏着丰富的动植物资源, 是农牧业经济的重要组成部分, 不同的利用方式、管理方式对草地资源的可持续利用有重要影响[11, 12]。

近年来, 随着全球气候变化和人类活动干扰的增加, 草地生态系统发生明显退化, 现今草地退化已经成为一个全球性问题, 而中国是世界上草地退化最为严重的国家之一[13]。由于长期以来人们对草地资源采取自然粗放的经营方式, 目前, 我国约90%的可利用天然草原呈现不同程度地退化, 每年还以2× 104 km2的速度递增[13], 由此产生的区域生态问题越来越突出[14]。随着草地退化程度加剧, 对草地退化过程进行动态监测、定量化描述与分析变得尤为必要。而传统的草地监测主要采用野外实地采样法, 这种方法费时费力、效率低、成本高, 还受诸多人为因素的限制, 无法快速地在大范围内对草地生长状况和覆盖度变化进行动态监测。此外, 这种方法常常用数量有限的监测站点代表一个区域, 难以客观描述整个研究区内植被变化状况[15]。近年来, 遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等空间信息技术的迅速发展, 为研究地球表面的动态变化提供了良好的手段, 与传统方法相比, 其具有准确、快速、覆盖面积大、价格低和周期性好等优点。实践表明, 将RS和GIS等空间信息技术应用于草地退化研究是一种行之有效的方法, 已经在全球不同地区草地植被动态监测和评价研究中广泛应用[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]。但是, 目前人们多利用NDVI数据研究草地变化[23, 24, 25, 26, 27, 28], 而在我国, 草地的变化主要表现在草地向其他土地利用类型的转换[29]。

黑河流域内草原广布, 面积约为9.5× 104 km2, 占流域面积的60%以上, 主要分为祁连山草地区, 河西走廊中部草原区, 河西走廊以北荒漠草场和额济纳三角洲荒漠草场。近年来随着气候变化以及人类活动的影响, 黑河流域草地覆盖发生明显变化[30]。黑河上游和下游地区以牧业为主, 中游地区以农业经营为主, 地域经济类型呈现出山地牧业区— 走廊绿洲农业区— 高原牧业区组合特征, 具有典型的农牧业分异和农牧交错特色, 对草地资源的利用度较高, 故而对黑河草地变化的研究不仅具有重要的理论意义, 还具有深远的社会经济意义。因此本文采用1986、2000和2011年三期土地利用/土地覆盖变化(LUCC)数据, 利用土地利用转移矩阵、草地动态变化度、空间变化度和CA-Markov模型等方法, 对近30年黑河流域草地动态变化进行系统研究, 主要对黑河流域草地变化特征和主要因素进行探讨, 并预测其未来变化趋势, 试图在更长时间尺度上展现黑河草地植被的时空变化特征, 揭示黑河流域草地时空变化的特征和规律, 为合理利用与保护草地资源提供重要理论依据, 同时为黑河流域草地生态服务功能评价奠定基础。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

黑河流域是我国第二大内陆河流域, 横跨高山湿冷及半干旱区、温带和暖温带干旱区3个自然地理带, 介于37° 45'-42° 40' N, 96° 42'-102° 4' E之间(图1), 南北跨度大, 流域内自然环境条件差异显著。其发源于南部祁连山区, 全长821 km, 流域面积约14.29万km2, 主要覆盖三省区的11个县市, 上游包括青海省祁连县和甘肃省肃南裕固族自治县, 中游为甘肃嘉峪关、山丹、民乐、张掖、临泽、高台、肃南、金塔和肃州等市县, 下游含甘肃肃北蒙古族自治县和内蒙古自治区额济纳旗。流域受大陆性气候和青藏高原气候的综合控制, 降水少、蒸发量大, 气候干燥, 太阳辐射强烈, 昼夜温差大, 气候具有明显的东西差异和南北差异。上游多年平均降水量大于350 mm, 降水量由东向西递减, 年平均蒸发量为800~1200 mm, 年平均气温-5~4 ℃。中游降水由东部的250 mm降低至西部的50 mm, 蒸发量则从东部的2000 mm增加至西部的4000 mm以上, 年平均气温2.8~7.6 ℃。下游属于干旱荒漠气候, 年降水量小于50 mm, 年蒸发量大于3500 mm, 年平均气温8~10 ℃。巨大的自然条件差异, 导致自东南向西北形成了链状山地— 斑块绿洲— 广域荒漠的生态系统, 由此导致植被的地带性和非地带性的分布并存, 也为草地类型的多样性奠定了环境基础, 由北向南, 草原类型依次为荒漠、草原化荒漠、荒漠化草原、山地森林草原、山地高寒草甸草原和高寒草甸。

图1 黑河流域土地利用及行政区划图Fig.1 Land use and administration districts of Heihe River Basin

1.2 土地利用/土地覆盖变化(LUCC)数据

土地利用/土地覆盖是生态环境中的一个敏感因子, 受自然因素和人类活动的双重影响, 在生态环境监测和可持续发展研究中占有非常重要的地位[31]。土地利用/土地覆盖变化(LUCC)不仅客观地记录了人类改变地球表面特征的空间格局, 再现了地球表面景观的时空动态变化过程, 而且与区域和全球环境变化、生物多样性减少, 生态安全等问题息息相关[32, 33, 34, 35, 36]。目前, 在国际地圈与生物圈计划(IGBP) 和国际全球环境变化的人文因素计划(IHDP)的推动下, 国内外众多学者对其进行了大量研究[37, 38, 39, 40]。

黑河流域LUCC数据[41, 42, 43]来源于黑河计划数据管理中心(http://westdc.westgis.ac.cn), 所有数据采用统一的投影和坐标系, 分辨率为1∶ 10万。采用国家土地分类系统, 包括6个一级分类(耕地、林地、草地、水域、城镇和农村居民及工矿用地和未利用土地), 25个二级分类。其中草地分类体系为:高覆盖草地, 指覆盖度> 50%的天然草地、改良草地和割草地, 此类草地一般水分条件较好, 草被生长茂密, 一般分布在山区、丘陵及河间滩地、沙地丘间等; 中覆盖草地指覆盖度20%~50%的天然草地和改良草地, 此类草地一般水分不足, 草被较稀疏主要分布在较干燥地方; 低覆盖草地指覆盖度 5%~20%的天然草地, 此类草地水分缺乏, 草被稀疏, 牧业利用条件差 主要生长在干燥地方。草地向未利用地转换, 以及高覆被草地向中低覆被草地转换, 中覆被草地向低覆被草地转换意味着草地退化。

1.3 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是国内外常用的一种揭示土地利用/覆被类型间变化方向的方法[44, 45, 46, 47, 48, 49], 其将土地利用变化的类型转移面积按矩阵的形式加以列出, 不但包括静态的一定区域某时间点的各地类面积数据, 而且能够细致地反映某一区域某一时段起止各土地类型面积之间相互转化的动态过程信息, 具有丰富的统计学意义。在土地利用变化分析和地类模拟方面具有重要作用, 具体形式如下。

Aij=A11A12…A1mA21A22…A2m…………An1An2…Anm

A代表面积; n, m代表转移前后的土地利用类型数; ij(i, j=1, 2, …, n)分别代表转移前与转移后的土地利用类型; Aij表示转移前的i地类转换成以后的j地类的面积。矩阵中的每一行元素代表转移前的i地类向转移后的各地类的流向信息, 矩阵中的每一列元素代表转换以后的j地类面积从转移前的各地类的来源信息。为方便研究, 通常转移前后采用相同的分类体系和分类精度, 这样Aij的行数列数相同, 为一个n阶方阵。本文运用ArcGIS对黑河流域3期土地利用数据进行统计和叠加分析, 建立黑河流域1986-2000年, 2000-2011年土地利用转移矩阵, 分析近30年间草地转化情况。

1.4 草地动态变化度

单一土地利用类型动态度指某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化[50], 本研究根据其定义, 采用草地动态变化度来衡量草地变化的速率, 计算公式如下。

LT=Δ P× Pa-1× T-1× 100%

式中, LT为研究时段内草地动态变化度, Δ P为研究期内草地面积变化, Pa为研究期初期草地面积, T为研究时期长。动态变化度越大说明在研究期间内草地面积相对于自身的面积变化幅度越大。

1.5 草地空间动态度

空间动态度表示土地利用动态变化的空间过程和强烈程度[51], 参考其定义, 本研究使用草地空间动态度来衡量草地变化的强烈程度, 计算公式可表示为:

Li= C1+C2C0× T-1× 100%

式中, Li为研究时段内草地空间动态度; C1为研究期内草地转换为其他土地利用类型的面积, C2为研究期内非草地土地利用类型转换为草地的面积, C0为研究初期的草地面积, (C1+C2)/C0为研究期内草地的总变化量与研究初期草地面积的比值。

1.6 CA-Markov模型

马尔可夫链是用于土地利用变化建模的传统方法, 系统的将来状态仅依赖于当前状态, 通过创建从时期1到时期2的土地利用变化转换概率矩阵来实现未来预测, 其表达式为。

S(t+1)=Pij× S(t)

式中:S(t+1)和 S(t)分别表示t+1和t时刻土地利用系统的状态, Pij为状态转移矩阵。

元胞自动机(CA)是时间、空间和状态都离散的动力学模型。具有强大的空间运算能力, 可以有效地模拟复杂系统的空间变化。CA 模型可用下式表示[52]。

S(t+1)=f(S(t), N)

式中:S为元胞有限、离散的状态集合; t、t+1为不同时刻; N为元胞的邻域; f 为局部空间的元胞转化规则。

CA 和 Markov 模型两者均为时间、状态离散型的动力学模型, 都被广泛应用于空间模拟中。 CA模型与Markov模型各具特色, 但是又都存在局限, Markov模型侧重于数量方面的预测能力, 而其空间参数比较弱, 不能对空间上的变化进行表达, CA模型则具有较强的空间概念, 可以模拟复杂的空间演变能力, 但其局限于局部元胞间的相互作用, 整体估算能力较差。将二者结合, 既提高了土地利用类型转化的预测精度, 又可以有效地模拟土地利用格局的空间变化, 被广泛探讨和应用[53, 54, 55, 56]。本文在软件IDRISI 17.0中使用CA-Markov模型, 以2000和2011年土地利用类型为基准, 对2022年草地分布进行预测分析。

1.7 统计年鉴

各省统计年鉴是一部按年度连续出版的大型统计资料书, 其中含有大量的统计数据, 可以全面反映省内的社会、经济和科技发展变化情况。本研究查阅了1987、2001和2012年青海省、甘肃省和内蒙古自治区统计年鉴, 挑出包含在黑河流域中各区县的人口与牲畜存栏量情况, 用以分析草地变化的驱动因素。

2 结果与分析
2.1 草地动态变化度和空间动态度

近30年间, 黑河流域草地面积呈现先减后增的趋势, 1986、2000和2011年的草地面积如图2所示。1986年, 流域内草地面积为32997.71 km2, 占流域面积的23.14%, 其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为4290.02、6371.80和22335.89 km2; 2000年流域内草地面积为23939.46 km2, 占流域面积的16.79%, 其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5508.78、5540.01和12890.67 km2, 2011年流域内草地面积为24272.50 km2, 占流域面积的17.02%, 其中高覆被草地、中覆被草地和低覆被草地面积分别为5561.31、5715.01和12996.18 km2。

图2 1986, 2000, 2011年黑河流域草地分布Fig.2 1986, 2000, 2011 Heihe River Basin grassland distribution

1986-2011年, 流域内草地面积减少8725.21 km2, 动态变化度为-1.06%, 空间动态度3.51%。其中高覆被草地面积增加1271.29 km2, 动态变化度为1.19%, 空间动态度为6.36%, 表明其年均面积改变不大, 但年均空间转换活动较为剧烈。中覆被草地面积减少656.79 km2, 动态变化度为-0.41%, 空间动态度为5.86%, 年均面积改变程度和空间转换活动与高覆被草地类似。低覆被草地面积变化最大, 减少了9339.71 km2, 降幅达到了41.82%, 动态变化度和空间动态度分别为-1.67%和4.86%, 表明其年均面积改变和空间转换活动程度一般。1986-2000年, 流域内草地面积减少9058.25 km2, 动态变化度为-1.96%, 空间动态度6.28%。高覆被草地面积增加1218.76 km2, 动态变化度为2.03%, 空间动态度为11.22%, 表明其年均面积变化和空间转换活动均较为剧烈, 中覆被草地面积减少831.80 km2, 动态变化度为-0.93%, 空间动态度为10.27%, 表明其年均面积改变不大, 但其年均空间转换活动较为剧烈, 低覆被草地面积变化最大, 减少了9445.26 km2, 降幅高达57.71%, 动态变化度为-3.02%, 空间动态度8.69%, 表明其年均面积变化较为剧烈, 空间转换活动程度一般; 2000-2011年间, 所有草地类型面积均比2000年有所上升, 但均未回升到1986年的水平, 所有草地类型的空间动态度和动态变化度值均较小, 表明近10年来, 草地面积变化和空间转换较为平缓(图3)。

图3 近30年各类草地面积空间变化分布Fig.3 Grassland types change spatial variation distribution over past 30 years

2.2 各区县草地变化

由表1可知, 近30年期间, 黑河上游各区县高覆被和低覆被草地面积均有增长, 中覆被草地面积均有下降, 其中肃南县的低覆被草地面积增加较多; 在中游地区, 玉门市和嘉峪关市境内无高覆被草地, 临泽县和甘州区高覆被草地呈大幅下降趋势, 其余区县呈增长趋势, 其中民乐县增长较多。中覆被草地面积在中游各区县中有增有减, 在甘州区、肃州区、高台县和金塔县中面积增加, 在其余区县中面积减少。低覆被草地面积除在金塔县和山丹县有较大幅度的增加外, 在其余区县面积减少; 下游地区, 肃北县境内依然无高覆被草地, 而额济纳旗境内开始出现高覆被草地。中覆被草地在额济纳旗中面积增加, 在肃北县中减少。下游各区县中的低覆被草地均有较大程度的减少。

表1 1986, 2000, 2011年黑河流域主要区县草地面积 Table 1 1986, 2000, 2011 grassland area of primary districts in Heihe River Basin km2

1986-2000年期间, 黑河上游除祁连县中覆被草地有所减少外, 草地面积呈现增加趋势, 而在中游, 除山丹县、民乐县和金塔县草地面积有小幅增加以外, 其余区县草地面积呈现下降趋势; 黑河下游额济纳旗、肃北蒙古族自治县草地面积大幅缩减, 其中额济纳旗草地面积由11766.71 km2减小到1840.44 km2, 降幅达到84.36%, 肃北蒙古族自治县草地面积由1324.37 km2降至70.23 km2, 降幅高达94.70%。上述草地面积大幅下降的主要原因是因为其境内低覆被草地的剧烈减少。2000-2011年期间, 黑河上游祁连县草地面积小幅下降, 基本与2000年持平, 其中高覆被草地与低覆被草地面积小幅降低, 中覆被草地面积小幅升高, 肃南县各类草地面积均有增加; 中游区县中, 甘州区、金塔县和玉门市草地面积有小幅上升, 其余各区县草地面积均呈下降趋势, 其中肃州区下降趋势比较明显; 下游地区, 各区县草地总面积均有所升高, 且各类草地面积均有增加。

黑河上游地区因缺少祁连县数据, 以肃南县数据为代表分析上游情况, 由表2可知, 1986-2011年期间, 全流域内各区县人口和牲畜存栏量均有大幅增加。1986-2000年期间, 上游地区人口增加, 牲畜存栏量减少, 中游地区, 各区县人口和牲畜存栏量均呈增加趋势, 下游地区各区县人口均呈增加趋势, 除肃北蒙古族自治县牲畜存栏量略有下降之外, 其余各县市牲畜存栏量增加, 其中额济纳旗牲畜存栏量增幅巨大, 2000年牲畜存栏量是1986年的2.9倍。2000-2011年期间, 上游人口和牲畜存栏量呈增加趋势, 中游地区, 山丹县、民乐县、高台县、临泽县和玉门市人口减少, 但其牲畜存栏量都有较大程度的增加, 甘州区和肃州区人口和牲畜存栏量均有上升, 且牲畜存栏量增幅较大。下游地区各县市人口增加牲畜存栏量降低, 其中额济纳旗牲畜存栏量减少较多, 减少了一半左右。

表2 1986-2011黑河主要区县人口和牲畜存栏量 Table 2 1986-2011 population and grazing capacity of primary districts in Heihe River Basin
2.3 草地转化

由表3可知, 1986-2011年期间, 高覆被草地主要向中低覆被草地转化, 剩余转出面积由大到小依次为未利用地、水域、林地、耕地和居民地, 转入面积中, 最多的为林地, 面积为1933.04 km2。其次依次为中覆被草地, 未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地; 中覆被草地向低覆被草地和未利用地的转化较多, 转出面积分别为2403.32和1175.09 km2, 剩余转换面积依次为高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地, 转入面积中, 最多的为低覆被草地, 面积为1396 km2; 其次依次为未利用地、林地、高覆被草地、水域、耕地和居民地; 低覆被草地绝大部分面积向未利用地转换, 草地变为未利用地, 是指其向沙地、戈壁、沼泽地、裸土地、裸岩等转换, 表明低覆被草地退化明显, 剩余转换面积为中覆被草地、耕地、水域、高覆被草地、林地和居民地, 转入面积中最多的未利用地, 其次依次为中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

表 3 1986-2011年黑河流域土地利用转移矩阵 Table 3 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2011 years km2

由表4可知, 1986-2000年期间, 高覆被草地主要向中低覆被草地转化, 剩余转换面积由大到小依次为未利用地、水域、林地、耕地和居民地, 转入面积中, 最多的为林地, 面积为1903.39 km2。其次依次为中覆被草地, 未利用地、低覆被草地、水域、耕地和居民地; 中覆被草主要向低覆被草地转化, 转化面积高达2347.42 km2, 同时未变化和向未利用地转换的也较多, 剩余转换面积依次为高覆被草地、水域、耕地、林地和居民地, 转入面积中, 最多的为低覆被草地, 面积为1364.48 km2; 其次依次为林地, 未利用地、高覆被草地、水域、耕地和居民地; 低覆被草地绝大部分面积向未利用地转换, 剩余转换面积为中覆被草地、水域、耕地、高覆被草地、林地和居民地, 转入面积中最多的未利用地, 其次依次为中覆被草地、林地、高覆被草地、耕地、水域和居民地。

表4 1986-2000年黑河流域土地利用转移矩阵 Table 4 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 1986-2000 years km2

由表5可知, 2000-2011年期间, 绝大部分高覆被草地没有变化, 剩余主要向中低覆被草地转换, 向水域、林地、耕地和居民地转换较少, 转入面积中, 主要为中低覆被草地和未利用地、其余土地类型转入较少。中覆被草地绝大部分没有变化, 其主要向低覆被草地和高覆被草地转换, 剩余转换面积由大到小依次为未利用地、耕地、林地、水域和居民地, 转入面积中未利用地最多, 其次主要为低覆被草地和高覆被草地, 其余土地利用类型转入中覆被草地较少; 低覆被草地绝大部分未变化, 转换面积由大到小依次为未利用地、耕地、中覆被草地、高覆被草地、林地、水域和居民地。

表5 2000-2011年黑河流域土地利用转移矩阵 Table 5 Land use transfer matrix of Heihe River Basin in 2000-2011 years km2
2.4 草地分布格局

运用CA-Markov模型, 预测黑河流域2022年草地面积, 结果如图4所示, 草地总面积为24449.58 km2, 高覆被草地、中覆被草地面积和低覆被草地面积分别为5560.28、5657.65和13231.65 km2, 其草地总面积大于2000和2011年面积, 但不及1986年草地总面积。2022年高覆被草地面积, 中覆被草地面积低于1986和2011年的面积, 较2000年草地面积略有升高, 低覆被草地面积较2000和2011年有所升高, 但是远不及1986年的水平。表明在此趋势下, 2022年黑河流域草地面积呈现总体好转, 局部下降的趋势。

图4 黑河流域2022年草地分布Fig.4 Grassland distribution of Heihe River Basin in 2022 years

3 讨论

1986-2000年期间, 黑河流域草地总面积减少, 但其高覆被草地面积增加, 这主要可能因为气候、政策和人为因素的驱动。高覆被草地主要位于黑河上游地区, 1987年以来西北气候开始由暖干向暖湿转型, 黑河上游位于气候显著转型和轻度转型区, 气温升高, 降水量增加[57, 58], 在高寒草甸地区, 温度的升高有利于草地的生长[59], 且1988年祁连山国家级自然保护区成立, 黑河上游大部分地区位于保护区内, 其实施了一系列生态保护政策的实施, 如封山育林、退耕还林还草工程等, 使人类对黑河上游草地干扰程度大幅降低。期间虽然上游区县人口有所增加, 但牲畜存栏量有显著降低, 所以这些因素共同造成了1986-2000年间高覆被草地面积增加的情况。中覆被草地面积降低比例不大, 主要向低覆被草地转换, 减少区域与周伟等[30]的研究结果相似, 这可能是因为上游地区非保护区域内过度放牧所致[60, 61, 62]。低覆被草地面积减少较多, 这主要是因为额济纳旗境内低覆被草地的大量减少, 这与邹亚荣等[29]的研究结果相似, 主要的驱动因素可能是由于人为的干扰。黑河流域中上游拦坝蓄水, 中游地区工农业用水激增[63, 64], 导致河流下泄量日趋减少, 使下游河床、湖泊干涸[65], 地下水位下降, 植被衰退[66]。其次下游地区人口和牲畜存栏量大量增加, 额济纳旗尤为明显, 其牲畜存栏量增加了将近3倍, 地表原始植被在牲畜的过度践踏和啃食下, 丧失了再生能力, 逐渐退化并且消失。同时, 下游地区草原有丰富的野生食用和药用植物资源, 因其较高的经济价值使人们过度挖采[67], 使本来很脆弱的草原生态系统又遭到严重破坏。

2000-2011年期间, 黑河流域草地总面积和各类草地面积均小幅上升, 这主要是由政策因素驱动导致。2000年以来国家在上游地区实行的一系列生态治理政策[39], 中游地区草地面积呈现下降趋势, 据转移矩阵显示期间低覆被草地转向耕地的占比有所增加, 这可能是因为中游地区人口稠密, 是我国西北主要的商品粮基地, 较大的农垦压力占用了一部分草地, 同时据年鉴统计, 2000-2011年期间中游地区牲畜存栏量大幅增加, 过度放牧也使得草地面积有所减小。下游地区草地面积有所上升, 这可能是因为2000年以来, 国家相继实施了退耕还林还草工程、退牧还草工程以及草原生态保护补助奖励政策, 期间额济纳旗的牲畜存栏量下降了近一半, 这极大地减轻了草地的负担, 同时国家在黑河中游启动了水量统一调度方案[39], 使得下游地区的水资源短缺问题得到了一定程度的缓解, 因此, 草原面积有一定程度的回升。

黑河流域以农牧业为主, 草地面积与盖度的减少会对其经济带来制约[48], 根据目前的趋势发展, 黑河流域的草地面积会逐渐得到恢复, 但其恢复程度还不够, 尤其是下游地区, 长时间的植被退化, 使得下游沙漠化严重, 植被恢复困难, 因此应该在保证中上游正常生产工作的同时, 适当削减水坝数量和用水量, 严禁过度建坝蓄水, 尽量加大下游地区的供水量, 使下游地区年过水量增大, 令自然植被得以恢复, 同时加大草原生态保护补助奖励政策, 尽量降低放牧对草原的破坏。

4 结论

(1) 近30年间黑河流域草地呈现先减后增的趋势, 但远未到达1986年的草地面积, 这主要是由低覆盖草地大量减少导致。

(2) 1986-2000年期间, 黑河流域草地面积大幅减少, 且退化严重, 高覆被草地主要向中低覆被草地转换, 中覆被草地主要向低覆被草地转换, 低覆被草地主要向未利用地转换。

(3) 2000-2011年期间, 黑河流域草地面积小幅增加, 各类型草地转出面积较少, 保持小幅缓慢上升趋势。

(4) 在现行趋势下, 未来黑河流域草地面积呈增加趋势, 但下游地区草地面积和覆盖度依然较低, 国家应制定相关政策加大下游地区草地的恢复和保护力度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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