張 軍，陶華旸，李文杰，任 珺

（1. 蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院, 甘肅 蘭州 730020）

草地是世界上分布最為廣泛的植被類型之一[1]，具有涵養(yǎng)水源、 防風(fēng)固沙、 保持水土、 飼養(yǎng)牲畜、提供食品、 凈化空氣和美化環(huán)境的作用，也是一種重要的景觀類型[2]。同時(shí)，草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球碳循環(huán)、碳儲(chǔ)存和氣候調(diào)節(jié)有著重要作用，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域生態(tài)安全息息相關(guān)。研究草地的區(qū)域變化對(duì)系統(tǒng)分析草地在全球變化中的生態(tài)價(jià)值具有重要的意義。目前，大量研究針對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的空間變化，主要通過(guò)遙感觀測(cè)、實(shí)地詳細(xì)調(diào)查等方法，并且各種方法都已取得了重要的成果和進(jìn)展[1-3]。關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)空間變化的研究也主要趨向于重點(diǎn)地區(qū)以及全球的研究[3-5]。但是對(duì)以行政區(qū)劃區(qū)域?yàn)閱挝坏难芯枯^少，探究清楚一個(gè)行政區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型的空間分布對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生態(tài)和生計(jì)功能以及政府職能的發(fā)揮具有重要的作用。熱點(diǎn)分析和變異系數(shù)分析方法可以在復(fù)雜的環(huán)境下對(duì)草地進(jìn)行分析，對(duì)草地變化的自然因素和人為因素相對(duì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量評(píng)估，客觀解析草地的變化原因，從而為草地生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)有效的管理乃至生態(tài)安全屏障的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

甘肅省地處青藏高原、黃土高原、蒙新高原和秦嶺山地的交匯地帶，植物類型繁多，數(shù)量巨大，種質(zhì)資源豐富[6]，擁有1.34 × 107hm2天然草地，其中90%存在不同程度的退化，且退化速率一直在遞增[2]。而草地主要有天然草地、栽培草地和改良草地3 種。天然草地主要分布在甘南、祁連山、西秦嶺、馬銜山、哈思山、關(guān)山等地，海拔2 400～4 200 m，氣候表現(xiàn)為冷熱兩季交替，干濕兩季分明，特別是海拔在3 000 m 以上的地區(qū)牧草生長(zhǎng)季節(jié)短[7]，枯草期長(zhǎng)。絕大多數(shù)地區(qū)年均降水量大于400 mm，但祁連山西部降水量為200～300 mm。甘肅省蘊(yùn)藏大量的地下礦產(chǎn)資源，在以往不合理的開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大的破壞。本研究采用變化分析和變異系數(shù)的方法對(duì)甘肅省2000-2010 年草地進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，為甘肅省草地監(jiān)測(cè)提供有利的數(shù)據(jù)源，為重大生態(tài)恢復(fù)工程建設(shè)布局、草地生態(tài)系統(tǒng)的保育和農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

甘肅省的草地資源空間分布的監(jiān)測(cè)主要基于省統(tǒng)計(jì)年鑒和縣志數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，得到甘肅省草地覆蓋度年值數(shù)據(jù)集。將研究區(qū)域的年均植被覆蓋度分為低、較低、中、較高、高5 級(jí)，對(duì)應(yīng)植被覆蓋度取值范圍分別為0～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%。分別對(duì)2000-2010 年每年的低、較低、中、較高、高5 種覆蓋度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)其年均植被覆蓋度等級(jí)進(jìn)行成圖。分別使用熱點(diǎn)分析和變異系數(shù)分析的方法對(duì)草地覆蓋度在各區(qū)域的分布以及從2000 年到2010 年之間的變化進(jìn)行論述。

1.1 熱點(diǎn)分析

熱點(diǎn)分析是利用軟件統(tǒng)計(jì)識(shí)別具有統(tǒng)計(jì)顯著性的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)，可得到高值和低值在空間上發(fā)生聚類的位置[8]。本研究利用熱點(diǎn)分析的方法分析甘肅省草地生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)。計(jì)算公式如下：

1.2 變異系數(shù)分析

變異系數(shù)可以顯示草地變化的波動(dòng)程度，變異系數(shù)越小，意味著波動(dòng)越小，穩(wěn)定程度越高(反之，變異系數(shù)越大，穩(wěn)定程度越低[9])，計(jì)算公式如下：

式中：c為變異系數(shù)，di為第i年的草地覆蓋度，d為2000-2010 年草地覆蓋度均值，n為年數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及其熱點(diǎn)變化

各年份在0～20%的年均植被覆蓋度所占的比例較大，占總面積的60%左右，從2000-2010 年顯示出波動(dòng)變化的特征，2002 年后所占比例變化較為穩(wěn)定，2001 年的面積最大，為69.19%，2000 年的面積最小，為57.79%。20%～40%的年均植被覆蓋度占到總面積的20%左右；從2000-2010 年顯示波動(dòng)變化的特征，年際變化整體呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，2008 年的面積最大，為23.79%，2009 年的面積最小，為18.97%。40%～60%的年均植被覆蓋度所占面積不到總面積的20%，年際變化幅度較大，2000年約為18.50%，2001 年僅為10.55%。60%～80%的年均植被覆蓋度占總面積比例在1%左右，除2000 年的面積達(dá)1.2%以外，其余年份均未達(dá)1%，年際變化幅度很小，較為穩(wěn)定。80%～100%的年均植被覆蓋度占比極小，均未達(dá)0.1%，除2000 年外，其余年份的所占面積均保持在0.1 km2左右(圖1)。

圖1 草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度各等級(jí)面積圖Figure 1 Average annual vegetation coverage of grassland ecosystem

甘肅省年均植被覆蓋度主要在60%以下(圖2)，草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度的空間分布情況顯示，甘肅省南部一些地區(qū)，如甘南、隴南的植被覆蓋度較高，大部分在40%～60%，少數(shù)區(qū)域在60%～80%；甘肅省東南部地區(qū)，如平?jīng)?、慶陽(yáng)等地植被覆蓋度在20%～60%，且植被覆蓋度占40%～60%的區(qū)域面積有所增加；甘肅省中部及北部地區(qū)，即蘭州-河西走廊-酒泉一帶的植被覆蓋度相對(duì)較低，且整體變化幅度不大，基本都在20%左右。

圖2 2000-2010 年草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被覆蓋度各等級(jí)時(shí)空分布Figure 2 Spatial and temporal distribution of average annual vegetation coverage levels of grassland ecosystems from 2000 to 2010

2.2 草地生態(tài)系統(tǒng)年變異系數(shù)分析

將研究區(qū)域的植被覆蓋度年變異系數(shù)分為低、較低、中、較高和高5 級(jí)，取值范圍分別為0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、＞ 2，將各級(jí)別變異系數(shù)成圖表(表1 和圖4)。

2001-2010 年草地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度年變異系數(shù)分析結(jié)果顯示表1，絕大多數(shù)草地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度變異系數(shù)都小于0.5，變異系數(shù)為0.5～1的草地面積只占到2%左右，表明草地生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度年內(nèi)變異很小，非常穩(wěn)定。變異系數(shù)的時(shí)空分布特征顯示，變異系數(shù)小的區(qū)域主要集中在甘肅省西北部、中部及西南部(圖4)。其中南部的隴南地區(qū)略高于甘南地區(qū)；慶陽(yáng)南部略高于慶陽(yáng)北部地區(qū)；以蘭州地區(qū)為界，其南部天水等地的變異系數(shù)略高于北部河西走廊地區(qū)。整體表現(xiàn)為植被覆蓋度高區(qū)域的變異系數(shù)要小于植被覆蓋度低區(qū)域的。

圖4 2000-2010 年草地生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋度年變異系數(shù)各等級(jí)時(shí)空分布Figure 4 Spatial and temporal distribution of annual vegetation coverage variation coefficients of grassland ecosystems from 2000 to 2010

表1 甘肅省草地退化分級(jí)特征Table 1 Classification characteristics of grassland degradation in Gansu Province

2.3 草地退化程度的空間格局分析

本研究對(duì)甘肅省2000 年、2005 年和2010 年草地退化程度進(jìn)行了分析(圖5)。探究其空間分布特征，明確了不同草地類型的草地退化程度，統(tǒng)計(jì)了不同退化等級(jí)的草地面積及其占甘肅省土地面積的百分比(表2)。

極重度草地退化程度占比最高，2000 年、2005年及2010 年均達(dá)到了24%，年際變化相對(duì)穩(wěn)定，無(wú)明顯增長(zhǎng)(表2)；重度草地退化程度占比較小，2000年、2005 年及2010 年分別為2.8%、4.1%和3.1%，年際變化表現(xiàn)為2000-2005 年小幅度增長(zhǎng)，而2005-2010 年呈下降趨勢(shì)；輕度退化程度所占面積在2000-2005 年減少，中度退化程度所占面積在2005-2010 年減少，中度、輕度、無(wú)草地退化程度占比則極小，但所占土地面積顯示為增長(zhǎng)的趨勢(shì)。極重度、重度草地退化主要集中在甘肅省西部、中部、西南部，甘肅省草地主要分布在青藏高原東部的甘南州、臨夏回族自治州、蘭州市、武威市、金昌市、張掖市、嘉峪關(guān)市以及酒泉市的西部(圖5)。該區(qū)域在地理單元上屬于青藏高原東緣、祁連山脈、阿爾金山山脈以及北坡的河西走廊。該區(qū)域在2000、2005 和2010 年，草地的面積保持在6.4 × 104km2。不同區(qū)域其退化的程度是不同的，在2000、2005 和2010 年，河西走廊、祁連山脈、甘南藏族自治州所占的極重度退化面積依次降低，在重度退化面積上也依次降低。在2000、2005 和2010 年，極重度退化的草地面積依次達(dá)到10.80 × 104、10.40 × 104和10.90 × 104km2。在2000-2005 年，草地退化面積有所減少。而在2005-2010 年，極重度退化面積相比2005 年有所增加。從2000-2010 年的變化狀態(tài)來(lái)看，極重度退化的草地面積變化不大；重度和中度退化類型的面積呈現(xiàn)出前5 年有所增加，后5 年逐步減少的變化趨勢(shì)。輕度退化類型的面積變化規(guī)律正好與重度和重度的變化規(guī)律相反。從2000-2010 年期間，草地的退化類型始終是以極重度退化類型為主，其次為重度退化類型，這兩種退化類型的面積可占全省國(guó)土總面積的28%，由此看出草地生態(tài)系統(tǒng)的退化程度保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖5 甘肅省草地退化等級(jí)圖Figure 5 Grassland degradation grade map of Gansu Province

表2 甘肅省不同退化等級(jí)草地轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Grassland transfer matrix of different degradation levels in Gansu Province km2

2.4 草地退化程度10 年變化分析

根據(jù)2000-2010 年甘肅省草地退化程度分布狀況，計(jì)算了2000-2010 年不同退化程度草地之間的轉(zhuǎn)移矩陣。綜合分析2000-2010 年全國(guó)不同類型不同程度退化草地的面積和空間分布情況(圖6)，對(duì)草地退化加劇及改善的區(qū)域加以明確。

圖6 草地退化程度變化圖Figure 6 Change in grassland degradation degree

2000-2005 年、2005-2010 年以及2000-2010年不同區(qū)域的草地退化程度變化較大。較為集中的草地主要分布在甘南區(qū)域，草地退化程度的轉(zhuǎn)移變化不明顯，極重度、重度、中度和輕度退化類型的草地面積都基本上維持在各自的程度等級(jí)內(nèi)；相比自身等級(jí)所占的面積而言，僅有少部分草地面積退化程度有所改變。2000-2010 年的草地退化程度整體表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，即使某一退化類型在某個(gè)時(shí)期有所增加。但是總體上，草地退化的類型基本上都是以極重度和重度退化類型為主。

3 討論

受甘肅省獨(dú)特的地理位置和復(fù)雜的地形條件影響，其自然環(huán)境多變且復(fù)雜[10]。干旱是影響甘肅省生態(tài)環(huán)境的最重要因素，其中地理性干旱區(qū)主要分布在河西走廊及隴中、隴東等地區(qū)，隨機(jī)性干旱區(qū)主要分布于隴中、隴東、隴南山地及甘南高原，降水量少、蒸發(fā)量大及降水年內(nèi)分配不均所造成的季節(jié)性干旱，使得草地生態(tài)系統(tǒng)變得脆弱，容易發(fā)生退化。除自然因素外，人為因素是影響草地生態(tài)系統(tǒng)的另一重要因素，甘南草地的過(guò)度放牧、祁連山區(qū)不合理超負(fù)荷的礦產(chǎn)開(kāi)采、過(guò)度開(kāi)采地表水、超采地下水等活動(dòng)，都是造成草地退化的因素，甚至引起土地沙漠化、生態(tài)惡化等更加嚴(yán)重的干旱局面。

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型之一，約占全球陸地面積的20%，碳儲(chǔ)量約為761 億t，占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的15.2%，對(duì)全球碳循環(huán)、氣候調(diào)節(jié)和碳儲(chǔ)存有著重要作用，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域生態(tài)安全息息相關(guān)。因此，草地的監(jiān)測(cè)極其重要。

空間聚集性分析能夠準(zhǔn)確判斷草地的空間分布，例如，陳槐等[11]采用空間分析的方法證明了青藏高原草地氣候變化對(duì)青藏高原的草地變化主要起促進(jìn)作用，但隨著青藏高原人類活動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，氣候變化對(duì)草地的影響在一定程度上被人類活動(dòng)所抵消；戴爾阜等[12]對(duì)內(nèi)蒙古草原進(jìn)行空間聚集分析，可以得出影響草地凈第一性生產(chǎn)力的主要?dú)夂蛳拗埔蜃訛榻邓?，且合理的水熱配置最有利于牧草的生長(zhǎng)。因此，本研究對(duì)甘肅省草原進(jìn)行空間集聚分析，在甘肅省內(nèi)隴南、甘南州、祁連山脈植被覆蓋度較高。這是由于隴南地處青藏高原、黃土高原以及四川盆地之間，兼具北亞熱帶與暖溫帶的山地氣候特征，氣溫濕度、降水充沛的緣故[13]。而甘南州和祁連山脈以及阿爾金山山脈的原始生態(tài)系統(tǒng)類型主要為植被覆蓋度高的草甸和草原(圖4)。而河西走廊的原始植被類型是植被覆蓋度較低的稀疏草原和荒漠化草原。

大量研究表明，變異系數(shù)分析可以準(zhǔn)確顯示草地的波動(dòng)程度。例如，李元春等[14]對(duì)甘南川西北地區(qū)草地進(jìn)行分析，證明了山地草甸波動(dòng)范圍較??；馬扶林等[15]對(duì)青海北部草地進(jìn)行分析，結(jié)果表明草地土壤含水量的時(shí)間變異程度隨深度的增加而降低。因此，本研究對(duì)甘肅省草原進(jìn)行空間集聚分析，在甘肅省內(nèi)隴南、甘南州、祁連山脈植被變異度較低。這可能是因?yàn)樵搮^(qū)域植被覆蓋度較高，致使其抵抗力穩(wěn)定性較高，恢復(fù)力穩(wěn)定性較低[16]。相反，在植被覆蓋度較低的河西走廊區(qū)域，其植被變異度較高，穩(wěn)定性差。因此，在甘肅省各區(qū)域應(yīng)該更加重視位于河西走廊等植被覆蓋度較低的區(qū)域，對(duì)于該區(qū)域應(yīng)投入更多精力保護(hù)，投入更多的財(cái)力恢復(fù)。

4 結(jié)論

1)從空間格局上來(lái)看，甘南、隴南的植被覆蓋度較高，河西走廊一帶的植被覆蓋度相對(duì)較低。

2)變異系數(shù)分析結(jié)果顯示，分布在甘南、慶陽(yáng)北部、祁連山區(qū)一帶的草地生態(tài)系統(tǒng)的植被覆蓋度年內(nèi)變異很小，較為穩(wěn)定。

3)從草地退化程度來(lái)看，草地生態(tài)系統(tǒng)的退化保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，都是以極重度和重度退化類型為主。

綜上所述，繼續(xù)貫徹落實(shí)加快甘肅草地生態(tài)恢復(fù)、防止草地退化仍然是重中之重。該研究結(jié)果可作為當(dāng)?shù)夭莸刭Y源保護(hù)區(qū)劃分，為生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。