張雪蓮，干曉宇，道里剛，張洪軒，董奎，游成銘，符佩斌，干友民*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，四川 雅安 625014;2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065;3.四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731;4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川 成都 625014)

?

基于VDDT的紅原縣草地景觀動(dòng)態(tài)變化模擬

張雪蓮1**，干曉宇2**，道里剛3，張洪軒3，董奎4，游成銘1，符佩斌1，干友民1*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，四川 雅安 625014;2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065;3.四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611731;4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，四川 成都 625014)

利用ENVI軟件對(duì)2000和2010年紅原縣遙感影像進(jìn)行解譯，建立紅原縣草地資源數(shù)據(jù)庫。設(shè)定9種干擾變化的驅(qū)動(dòng)因子，利用VDDT以2000到2001年草地景觀轉(zhuǎn)換概率和干擾因子出現(xiàn)情況，對(duì)2020年紅原縣草地景觀的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，VDDT在模擬紅原縣草地景觀變化動(dòng)態(tài)中具有較高的可行性(斑塊面積擬合度為0.9325，斑塊數(shù)目擬合度為0.8833)。通過對(duì)影響草地景觀格局變化的主要因子進(jìn)行分析，表明紅原縣草地具有明顯退化趨勢(shì)。

草地景觀；草地資源；變化；動(dòng)態(tài)模擬

植被動(dòng)態(tài)開發(fā)工具(vegetation dynamics development tool, VDDT)[1]是基于Windows計(jì)算機(jī)提供建?？蚣軄肀O(jiān)控植被演變過程中的各種過渡角色的一種非空間管理工具。VDDT工具通常應(yīng)用于森林景觀的分析[2]，并可用于評(píng)估森林的燃料水平[3]，以及用來測(cè)試景觀的管理水平[4]。該工具很少應(yīng)用于草地景觀的分析，在川西北地區(qū)的應(yīng)用更鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)?zāi)康脑谟谔剿鱒DDT工具在草地景觀分析上的適用性，在此基礎(chǔ)上對(duì)紅原縣草地景觀結(jié)構(gòu)、功能、動(dòng)態(tài)變化以及它們之間的相互影響和控制機(jī)制的研究，解釋紅原縣草地景觀發(fā)展的趨勢(shì)，掌握管理方法，以科學(xué)規(guī)劃與科學(xué)的設(shè)計(jì)為手段[5]，對(duì)紅原縣草地景觀實(shí)施生態(tài)保護(hù)、恢復(fù)、建設(shè)和科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

紅原縣位于四川省阿壩藏族羌族自治州，地理坐標(biāo)為北緯31°51′-33°19′，東經(jīng)101°51′-103°23′。全縣平均海拔約3600 m，總面積8439.94 km2。地勢(shì)為東南向西北傾斜，縣內(nèi)珠串狀盆地和小盆地廣泛分布。山地貌面積2865.13 km2，高山地貌面積1107.68 km2，丘原地貌面積1861.11 km2，高平原地貌面積2606.02 km2(圖1)。

圖1 樣地概況(四川省阿壩州紅原縣，2000年)Fig.1 The map of the study area (Hongyuan County, Aba, Sichuan in 2000)

1.2 數(shù)據(jù)采集和處理

本試驗(yàn)利用植被動(dòng)態(tài)開發(fā)工具結(jié)合ENVI軟件，選擇將無重大災(zāi)害發(fā)生的2000和2010年紅原縣遙感數(shù)據(jù)(Landsat TM 5，8月)進(jìn)行解譯，劃分出草地主要景觀類型，并統(tǒng)計(jì)和分析各主要景觀類型的斑塊數(shù)目、斑塊面積、斑塊面積比和斑塊周長(zhǎng)等屬性信息。

1.3 紅原縣草地景觀動(dòng)態(tài)變化模擬過程

利用ENVI軟件對(duì)收集的2000和2010年紅原縣遙感影像資料進(jìn)行解譯，并對(duì)各草地景觀類型進(jìn)行劃分及景觀格局分析。在VDDT中利用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型(cellular automation model)原理，以2000到2001年1年為步長(zhǎng)單位，以期間各景觀類型轉(zhuǎn)換概率以及各干擾因子出現(xiàn)情況等信息為基礎(chǔ)，模擬出2010年各主要景觀的變化動(dòng)態(tài)與現(xiàn)狀，并利用SPSS對(duì)VDDT模擬結(jié)果和遙感資料所提取的2010年斑塊屬性進(jìn)行一元線性回歸分析，從而對(duì)其精度進(jìn)行驗(yàn)證，證明VDDT工具在草地景觀變化動(dòng)態(tài)模擬過程中的可行性。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)模擬出2020年紅原縣草地景觀類型的現(xiàn)狀，并結(jié)合2000, 2010和2020年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)斑塊信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，闡明紅原縣草地景觀的變化趨勢(shì)與特征。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用ENVI 4.8，將2000和2010年紅原縣遙感影像進(jìn)行解譯，生成草地景觀分類圖；并利用SPSS 17.0將矢量化的各斑塊信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將2010年模擬的斑塊屬性和遙感資料提取的實(shí)際2010年斑塊屬性進(jìn)行一元線性回歸分析，在VDDT中錄入2000年紅原縣各主要景觀類型的名稱、影響因子名稱、影響因子轉(zhuǎn)換概率以及對(duì)影響因子轉(zhuǎn)換對(duì)象的整理，對(duì)各主要景觀動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬，分析其變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地景觀格局現(xiàn)狀

紅原縣草地主要景觀類型劃分為高覆蓋度草地(覆蓋度>50%的地段)、中覆蓋度草地(覆蓋度20%～50%的地段)、低覆蓋度草地(覆蓋度5%～20%的地段)、有林地(郁閉度>30%的地段)、灌木林(郁閉度>40%的地段)、疏林地(郁閉度10%～30%的地段)、灘地、湖泊、城鎮(zhèn)用地、其他建設(shè)用地、沙地和沼澤地等景觀類型，斑塊數(shù)量共計(jì)1993個(gè) (表1)。

表1 2000年紅原縣景觀類型面積特征現(xiàn)狀

C/S： Circumerence/area.

2.2 紅原縣草地主要景觀分類

試驗(yàn)以紅原縣草地主要景觀為研究對(duì)象，探討紅原縣草地主要景觀動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律與機(jī)制，并對(duì)其進(jìn)行模擬分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)紅原縣的土地利用現(xiàn)狀，參考景觀生態(tài)學(xué)分類方法，將紅原縣土地利用各景觀類型進(jìn)行分類并編碼(表2)。

2.3 模擬干擾因子分類

在對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行分析和歷史資料收集的基礎(chǔ)上，選取了自然、人為和管理等驅(qū)動(dòng)因子。其中自然因子包括病蟲害、高溫、降水和低溫；人為因子包括游憩；管理因子包括人工草地的建立、防火和病蟲害防治，共計(jì)9個(gè)模擬干擾因子，并將其編碼列入表3。同時(shí)，根據(jù)所選取干擾因子年際變化情況，以病蟲害因子10年年際變化為例，按固定格式(表4)保存為.*TSE格式，導(dǎo)入VDDT中形成變化路徑。

表2 紅原縣草地主要景觀類型編碼

注：沙地(5001)包括沙化地、黑土灘、鼠荒地等退化草地，下同。

Note: Sand (5001) including sandy, black soil land, rats wasteland, the same as following.

2.4 變化路徑

各模擬因子在模擬干擾中的影響強(qiáng)弱頻率,使每一個(gè)變化狀態(tài)類(state class)在模擬因子的干擾中隨時(shí)間序列和概率進(jìn)行單項(xiàng)或者多項(xiàng)變化。設(shè)置變化時(shí)間從2000到2010年，按1年為步長(zhǎng)單位結(jié)合干擾因子影響強(qiáng)弱頻率運(yùn)行模型，模擬繪制出草地主要景觀在無重大災(zāi)害的10年內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化路徑(圖2)。

2.5 VDDT工具可行性驗(yàn)證

將共計(jì)14組VDDT模擬與遙感解譯的紅原縣2010年各景觀類型斑塊面積統(tǒng)計(jì)信息(圖3,4)，對(duì)VDDT在草地景觀變化動(dòng)態(tài)的模擬過程中精度進(jìn)行驗(yàn)證。由圖3可看出VDDT在模擬紅原縣各景觀類型斑塊面積上與遙感解譯數(shù)據(jù)擬合度達(dá)0.9325，在斑塊數(shù)目上擬合度達(dá)0.8833。表明，VDDT在紅原縣景觀類型斑塊面積和數(shù)目的統(tǒng)計(jì)上具有較強(qiáng)可行性，為下一步模擬紅原縣2020年草地景觀動(dòng)態(tài)變化提供了保障。

表3 紅原縣模擬因子編碼

表4 VDDT中年份類型序列表

注：左列為模擬年份序號(hào)，右列為發(fā)生病蟲害情況的景觀類型以及病蟲害發(fā)生的倍數(shù)變化情況。

Note: In the Table, the left rank was the number of year and the other was the fold change of item in landscape types.

2.6 景觀變化動(dòng)態(tài)模擬

通過對(duì)VDDT在草地景觀動(dòng)態(tài)變化模擬過程中的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，表明VDDT可以較為精確地反映草地景觀變化動(dòng)態(tài)。在此基礎(chǔ)上，將各干擾因子和時(shí)間序列導(dǎo)入VDDT中，通過對(duì)紅原縣主要景觀進(jìn)行變化路徑分析后，設(shè)置模擬運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為20年，運(yùn)行次數(shù)和各變化狀態(tài)的初始比例及2000到2001年轉(zhuǎn)換概率。運(yùn)行得出在自然因子、認(rèn)為因子和管理因子水平下，不同模擬時(shí)段各景觀類型所占面積變化情況，并將其中3種景觀類型逐年動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)繪制如圖5。

在2000年，草地景觀所占面積>林地景觀>未利用地，到2020年，草地景觀仍然占紅原縣景觀面積半數(shù)以上，但草地、林地面積逐漸減少，未利用地面積呈逐漸增加的趨勢(shì)(表5)。20年來草地和林地景觀分別減少了5.66%和2.26%，未利用地增加了1.06%。

圖2 VDDT中生成的紅原縣景觀變化路徑(圖右下為各代碼所代表內(nèi)容)Fig.2 Transition pathway diagram of landscapes in Hongyuan County with the aid of VDDT(representation of each code lay at the lower right corner) GRA:草地 Grassland; HCG:高覆蓋度草地 High coverage grassland; MCG:中覆蓋度草地 Moderate coverage grassland; LCG:低覆蓋度草地 Low coverage grassland; FOR:森林 Forest land; WL:有林地 Wood land; SW:灌木林 Shrub wood; OFL:疏林地 Open forest land; LFU:城鎮(zhèn)居民用地 Land for urban residents; UL:城鎮(zhèn)用地 Urban land; OTC:其他建設(shè)用地 Other construction land; OTH:其他Others; SAD:沙地 Sand; UUL:未利用地 Unutilized land; MAR:沼澤地 Marsh; RES:水庫坑塘 Reservoirs; LAK:湖泊 Lake.

圖3 2010年VDDT模擬和遙感解譯紅原縣各景觀類型斑塊面積對(duì)比Fig.3 Comparisons of plaque area between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

圖4 2010年VDDT模擬和遙感解譯紅原縣各景觀類型斑塊數(shù)目對(duì)比Fig.4 Comparisons of plaque number between VDDT simulated and remote sensing interpreted in 2010

圖5 紅原縣3種景觀在20年內(nèi)的變化趨勢(shì)模擬

景觀類型Landscapetypes2000年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)2010年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)2020年Year面積Area(km2)面積比Arearatio(%)草地Grassland6679.4879.146201.7973.485854.7669.37林地Forestland950.9811.27890.0110.55759.599.01未利用地Unutilizedland714.438.46732.508.70803.749.52

3 討論

草地景觀的變化動(dòng)態(tài)是對(duì)草地生產(chǎn)力以及資源綜合生產(chǎn)能力的主要影響因子，然而草地景觀及其面積的變化主要受自然、人為等因子的影響。本試驗(yàn)通過利用2000到2001年干擾因子的轉(zhuǎn)換概率模擬2020年紅原縣草地主要景觀的變化動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，草地景觀早期的退化表現(xiàn)為灌木、喬木等類型的斑塊入侵，隨著干擾的進(jìn)一步加劇，草地開始出現(xiàn)沙化斑塊,這與田育紅和劉鴻雁[6]的研究結(jié)果相一致。

放牧對(duì)草地景觀具有重大影響，放牧?xí)淖儾莸鼐坝^斑塊的形狀、質(zhì)量、尺度[7]、適口牧草的數(shù)量及分布[8]以及草地昆蟲群落[9]，并影響種內(nèi)和種間競(jìng)爭(zhēng)以及土壤等因素，在此基礎(chǔ)上改變牧草的物質(zhì)與能量分配格局[10]。

He[2]利用VDDT工具對(duì)森林景觀進(jìn)行研究以應(yīng)對(duì)猶他州西南部不同管理場(chǎng)景的景觀變化，證明火災(zāi)和放牧行為對(duì)景觀的動(dòng)態(tài)變化具有重大影響。沈澤昊等[11]研究表明景觀的尺度大小對(duì)景觀的變化也具有重大影響。景觀植被的斑塊大小與太陽輻射的空間分布具有較明顯的指示作用，并且與土壤養(yǎng)分、水分資源危機(jī)程度之間關(guān)系也非常緊密。草地景觀斑塊的形狀在植被的恢復(fù)和退化過程中也起促進(jìn)作用,草地斑塊的破碎化對(duì)不同種動(dòng)物覓食行為具有重疊化的特征，減少種群間競(jìng)爭(zhēng)，削弱了草地的生態(tài)功能。同時(shí)，在草地景觀中，適口牧草和入侵植物的分布影響著動(dòng)物棲息和遷徙，從而進(jìn)一步影響植被景觀的分布。除自然因子影響草地景觀變化以外，人類干擾等諸多因素對(duì)草地生態(tài)過程也進(jìn)行了改變。

草地退化會(huì)導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降和草地生態(tài)功能的削弱，并直接威脅當(dāng)?shù)啬羺^(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于如何利用好草地資源，管理好干擾因子已成為亟待解決的問題，因此，積極地管理以及模仿自然過程在植被的恢復(fù)和景觀的變化動(dòng)態(tài)中具有正面意義。

4 結(jié)論

1)確立了VDDT在草地景觀動(dòng)態(tài)模擬過程中具有很強(qiáng)的適用性，并在對(duì)紅原縣草地景觀進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化模擬過程中表現(xiàn)出其具有較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的特點(diǎn)。

2)描繪了紅原縣草地、林地以及未利用地3種主要景觀類型斑塊面積從2000到2020年的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，為草地景觀的動(dòng)態(tài)變化分析提供了一種新途徑，為草地景觀的管理與保護(hù)提供了有利依據(jù)。

3)VDDT工具由于不能直接輸出地圖數(shù)據(jù)，因此在草地景觀動(dòng)態(tài)變化中也存在一定局限性，需與其他地圖輸出軟件(如景觀情景分析技術(shù)：TELSA)以及實(shí)地驗(yàn)證數(shù)據(jù)相結(jié)合。

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Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County

ZHANG Xue-Lian1**, GAN Xiao-Yu2**, DAO Li-Gang3, ZHANG Hong-Xuan3, DONG Kui4,YOU Cheng-Ming1, FU Pei-Bin1, GAN You-Min1*

1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China; 2.CollegeofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China; 3.SichuanGrasslandScienceAcademy,Chengdu611731,China; 4.CollegeofForest,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu625014,China

Based on remote sensing images of Hongyuan County collected between 2000 and 2010, a landscape classification map and grassland resource database were produced using ENVI software. In addition, 9 disturbance types were chosen to simulate the landscape succession to the year 2020 using the United States department of Agriculture Vegetation Dynamics Development (VDDT) tool based on the transition probability for 2000-2001. The results showed that: 1) In the 20 years, grassland decreased by about 824 km2, and forest by 191 km2, however, the unutilized area was predicted to increase by about 89 km2; 2) The VDDT tool provided an acceptable simulation of the landscape succession as indicated by the Hongyuan County land use maps for 2000 and 2010 [R2=0.9325(Area),R2=0.8833(Number)]; 3) The simulation showed an obvious degeneration trend for grassland in Hongyuan county. Factors affecting the future landscape pattern and rate of grassland degeneration were also analyzed.

landscape; grassland resource; variation; dynamic simulation

10.11686/cyxb20150525

http://cyxb.lzu.edu.cn

2014-11-28；改回日期：2015-01-06

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51108284),春暉計(jì)劃項(xiàng)目,四川省科技廳項(xiàng)目(Z2006-1-61003,07JY029-024)和四川省科技廳支撐項(xiàng)目(13ZC1635)資助。

張雪蓮(1989-)，女，四川仁壽人，在讀碩士。E-mail: zh.xuelian89@gmail.com。干曉宇(1981-)，男，四川成都人，講師，博士。E-mail: ganxy2@gmail.com。 **共同第一作者These authors contributed equally to this work. *通訊作者Corresponding author. E-mail: ganyoumin1954@163.com

張雪蓮，干曉宇，道里剛，張洪軒，董奎，游成銘，符佩斌，干友民.基于VDDT的紅原縣草地景觀動(dòng)態(tài)變化模擬. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(5): 217-223.

Zhang X L, Gan X Y, Dao L G, Zhang H X, Dong K, You C M, Fu P B, Gan Y M. Dynamic simulation of landscape change using VDDT in Hongyuan County. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(5): 217-223.