基于NDVI3g数据反演的青藏高原草地退化特征*

曹旭娟，干珠扎布，胡国铮，高清竹



基于NDVI3g数据反演的青藏高原草地退化特征*

曹旭娟1,2，干珠扎布1**，胡国铮1，高清竹1

（1．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京 100081；2．山西省环境科学研究院，太原 030027）

利用NDVI3g数据反演青藏高原1986−2013年高寒草地植被盖度，并计算草地退化指数，以了解青藏高原高寒草地退化状况及其分布特征。结果表明，2011−2013年青藏高原草地退化指数为1.76，属轻度退化等级；退化面积达到41%，与历史平均水平（1986−2010）相比无显著变化，但中等以上退化面积有所增加。其中，轻度退化面积为22%、中度退化面积为8%、重度和极重度退化面积分别为6%和5%，而历史平均分别为28%、7%、4%和1%。从不同草地类型来看，高寒荒漠退化程度最严重，退化面积78%，退化指数为3.23，达到重度退化等级且表现出持续恶化趋势；而高寒草甸和高寒草原退化面积分别为31%和38%，退化指数分别为1.49和1.57，均属于轻度退化状态。从不同省域看，2011−2013年青藏高原新疆自治区范围内草地退化程度最为严重，退化草地面积所占比例为71%；青海省和西藏自治区草地退化比例也较大，分别达到42%和41%；甘肃、四川和云南草地退化比例较小，分别为25%、10%和12%。总体来看，青藏高原草地退化存在空间差异，与历史平均相比无显著变化，但局部有恶化趋势，尤其是高寒荒漠退化状况较为严重。

草地退化；退化指数；草地类型；不同省域；青藏高原

草地是分布最广的陆地生态系统类型之一，其面积占全球陆地面积的1/5[1]。草地生态系统为人类提供了净初级物质生产、碳汇、调节气候、涵养水源、水土保持、防风固沙、改良土壤、维持生物多样性等产品和服务功能[2]，在全球碳循环中扮演着重要的角色[3]。青藏高原高寒草地面积约为1.59×106km2，占青藏高原总面积的60%以上，涵养着黄河、长江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等五大水系[4]。草地资源是发展畜牧业的物质基础，支撑着包括传统游牧和集约型畜牧在内的畜牧业发展[5]。青藏高原牧草品质优良，是中国重要的草地畜牧业基地之一[6]。但近年来，在气候变化和人类活动的双重作用下青藏高原草地出现了大范围退化，直接影响了其生态服务功能，也制约了高寒草地畜牧业的可持续发展。

目前，针对青藏高原草地退化的研究主要集中在样地调查和遥感监测两个方面。其中，样地尺度的调查研究有助于理解草地退化过程，划分草地退化等级，厘清草地退化机理，提出草地退化理论。马玉寿等[7]通过“黑土滩”型退化草地进行调查，确定植被盖度和产草量作为草地退化的重要指标。Li等[8]分析了不同等级退化草地毒草以及土壤养分分布特征，认为毒草和土壤养分是表征草地退化的重要指标。董世魁等[9]基于样地调查和收集资料，提出了青藏高原不同草地类型的退化状况，并分析了其退化成因。但由于生态系统的异质性和复杂性，在样地调查尺度上很难提出统一的草地退化特征指标。而遥感监测具有范围广、时间序列长的特点，成为了大范围研究草地退化特征的主要方法。目前，众多学者针对青藏高原草地退化问题进行了大尺度的遥感监测研究，但结果不尽相同。梁四海等[10]发现在1992−2002年，青藏高原中部和西北地区呈现出大面积草地退化现象，强烈退化的地区集中在长江、黄河、澜沧江和怒江的源头、阿里等地区。边多等[11]的研究表明，西藏草地退化、沙化面积已经达到草地面积的40%，且仍在扩张中，部分地区的草地退化率高达80%。王根绪等[12]发现，与1986年相比，2000年江河源区15a高寒草原与高寒草甸面积分别减少了15.82%与5.15%，高寒沼泽草甸面积则锐减24.36%。但也有研究表明，近几年来青藏高原草地退化趋势有所缓解，并且存在明显的空间差异，呈现整体升高、局部退化的趋势[13]。高清竹等[14]研究发现，藏北地区1981−2004年草地退化情况均较严重，草地退化年际间波动较大，但2001−2004年藏北西部地区的草地退化趋势略有减缓。

截至目前，针对青藏高原草地退化的遥感监测研究，多集中在高原内某一区域，而针对整个高原长时间序列的草地退化面积和退化等级及其变化特征仍无定论。因此，本研究基于NDVI3g数据集，采用退化指数表征草地退化程度，确定整个高原草地退化状况，提出退化草地面积，以期为制定青藏高原草地保护政策和畜牧业可持续发展提供科技支撑。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

青藏高原（26°50′−39°19′N，78°25′−103°04′E）包括西藏自治区、青海省及四川省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、云南省的部分地区（图1），平均海拔4000m以上，有“世界屋脊”之称。在独特的高寒气候条件下，青藏高原从东南到西北依次分布着高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠三种主要草地类型。

图1 青藏高原高寒草地的空间分布

1.2 数据来源及预处理

所用植被类型空间分布数据为1:100万中国植被图[15]。根据对1:100万中国植被图矢量化的结果，提取高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠三种青藏高原主要的草地植被类型作为研究对象（图1）。

美国国家航天航空局（NASA）提供的第三代归一化植被指数数据集GIMMS NDVI3g，来自NOAA卫星搭载的AVHRR传感器。GIMMS NDVI3g数据集具有时间序列长的特点，已被广泛应用于全球或区域尺度长时间序列植被变化动态监测。该数据集时间跨度为1981−2013年，时间分辨率为15d，空间分辨率为8km，经过几何精校正、辐射校正、大气校正、图像增强等预处理。

使用ENVI软件对GIMMS NDVI3g数据进行格式转换、图像镶嵌、图像裁剪、投影转换等处理，形成青藏高原草地DNVI时空数据集。用最大值合成法（MVC，Maximum Value Composites）[16]对GIMMS NDVI3g序列数据进行平滑处理，提取1981− 2013年青藏高原草地NDVI年最大值。最大值合成法可以进一步消除云、气溶胶和太阳高度角的干扰。

1.3 研究方法

1.3.1 植被盖度反演

植被盖度是区域生态变化的重要指标，可以直观反映植被丰度。区域尺度研究中，常利用植被指数反演植被盖度。由于采用的NDVI数据分辨率较低，因此采用亚像元模型法计算植被盖度，该方法认为所有像元均为混合像元，有土壤和植被两部分，其植被盖度与NDVI存在如下关系[17]

式中，VC为某像元的植被盖度，NDVIS为研究区所有像元中最小NDVI值即裸土的NDVI值，NDVIV为研究区域最大NDVI值即纯植被像元的NDVI值。

NDVIS作为裸土的NDVI值，理论上应该趋近于0，但由于遥感影像受大气环境和地表粗糙度、土壤颜色、土壤地表湿度等因素影响，NDVIs值不是固定值，会在一定范围内变化，一般为−0.1～0.2[18]。NDVIV为研究区域像元最大NDVI值，但该值也会受到植被类型和研究区域的影响。鉴于此，基于对研究区内像元NDVI灰度值的统计分析结果，截取置信区间累计频率在5%～95%[19]对应的NDVI值分别作为NDVI最大值与最小值，对应式（1）中的NDVIV和NDVIS，得到研究区植被盖度像元分布数据。

1.3.2 像元草地退化等级

根据国家标准GB19377−2003 天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标，20世纪80年代初期相同监测区域相同草地类型的草地植被特征可以作为未退化草地的基准。因此，以1981−1985年每个像元的年际最大植被盖度作为基准，将其退化程度分为未退化、轻度退化、中度退化、重度退化和极重度退化5个级别[20]。具体见表1。

表1 基于像元植被盖度（VC）划分退化等级的标准

注：VC1981−1985为各像元1981−1985年的年际最大植被盖度。

Note: VC1981−1985is maximum vegetation coverage for each pixel in 1981−1985.

1.3.3 区域草地退化指数

在草地退化等级划分的基础上，采用Gao等[20]提出的草地退化指数（Grassland Degradation Index, GDI）按草地类型、省份分别计算不同研究区域的草地退化情况。草地退化指数的计算公式为

（2）

式中，GDI为区域草地退化指数；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。依据退化指数分级标准（表2）[20]分析草地退化情况。

为了消除年份特征对结果的影响，以1986−2010年平均退化水平代表草地历史退化状况，以2011−2013年的平均退化水平代表退化近况。区域草地退化指数分级标准见表2[20]。

表2 区域草地退化指数分级

2 结果与分析

2.1 青藏高原草地退化特征

由图2可见，1986−2013年，青藏高原高寒草地退化指数具有较大的年际波动。退化指数最高出现在1995年，达到1.98；最低值出现在1988年，为1.36，整体属于轻度退化范围。青藏高原退化草地面积占全区草地总面积的41%，其中，轻度退化、中度退化、重度退化和极重度退化草地面积比例分别为22%、8%、6%和5%。2011−2013年退化草地面积与历史平均（1986−2010年）相比较无明显变化，但呈现出轻度退化比例减少、中度以上退化面积增加的趋势，具体表现为轻度退化草地面积比例下降6个百分点，而中度退化、重度退化和极重度退化草地面积比例分别增长1个、2个和4个百分点（图2b）。由轻度退化等级变为中度退化等级的区域主要分布在高原西部，而由轻度退化等级变为重度和极重度退化等级的区域则主要分布在高原北部边缘（图3）。

图2 1986−2013年青藏高原草地退化指数的年际变化（a）及不同程度退化草地面积比例（b）

图3 1986−2010年（a）和2011−2013年（b）青藏高原草地退化情况

2.2 不同类型草地退化特征

1986−2013年，青藏高原不同类型高寒草地退化指数均呈现较大的年际波动（图4）。其中高寒荒漠年际波动最大，最低值为1.75（1988年），最高值为3.42（2013年），在轻度退化和重度退化之间波动。高寒草甸和高寒草原的年际波动趋势相似，最低值均大于1，最高值均超过2，即均属于轻度退化状态（图4）。

图4 1986−2013年青藏高原不同类型草地退化指数的年际变化

2011−2013年整个青藏高原草地退化指数为1.76，历史平均为1.56，均处在轻度退化等级。高寒草甸退化指数在1986−2010和2011−2013年分别为1.37和1.49，均处在轻度退化等级且低于整个高原平均。高寒草原退化指数在1986−2010和2011−2013年分别为1.49和1.57，也属于轻度退化等级。高寒荒漠在1986−2010年退化指数为2.38，而2011−2013年则达到3.23，表现出由中度退化转为重度退化的趋势（图5）。比较不同类型草地退化面积发现，总体上高寒草甸退化比例较低，在1986−2010年退化面积为29%，2011−2013年为31%；高寒荒漠退化比例最高，在1986−2010年退化面积为68%，2011−2013年为78%；高寒草原退化面积比例在1986−2010为40%，2011−2013年为38%（图5）。从退化比例变化趋势来看，高寒草甸和高寒草原退化面积变化趋势并不明显，但呈现出显著的年际波动，且两者变化趋势相近。1986−2013年，青藏高原高寒荒漠退化比例呈显著升高态势，由1988年的39%增至2013年的83%（图6）。

2.3 不同阶段各省域草地退化特征

对比青藏高原不同省域草地退化指数表明，1986−2013年，新疆自治区退化指数最高，新疆自治区和青海省草地退化指数呈极显著增高趋势（P＜0.01）。比较两个不同阶段（1986−2010和2011−2013年），青海省草地退化指数分别为1.78和2.00，接近中度退化水平；西藏自治区草地退化指数分别为1.64和1.71，属轻度退化等级；新疆自治区草地退化指数分别为2.31和2.97，已接近重度退化级别。甘肃省草地退化指数分别为1.59和1.51，属轻度退化范围，且退化情况有所好转；四川和云南草地退化指数历史平均均为1.12，2011−2013年分别为1.14和1.15，属于轻度退化且接近未退化等级（图7）。

图5 两个阶段不同草地类型草地退化指数GDI（a）和退化比例（b）的比较

图6 高寒草甸（a）、高寒草原（b）和高寒荒漠（c）退化面积比例的年际变化（1986−2013）

图7 1986−2013年青藏高原不同省域草地退化指数的年际变化（a）及与历史平均的比较（b）

2011−2013年，从各省区退化面积比例来看（图8），从大到小依次为新疆、青海、西藏、甘肃、云南和四川。研究区内新疆自治区草地退化面积占其草地总面积的比例达到71%，较历史平均（1986−2010年）退化水平相比未退化草地面积比例减少11个百分点，轻度退化面积比例下降14个百分点，中度退化草地面积比例下降2个百分点，而重度和极重度退化草地面积比例则分别增长7个百分点和20个百分点。2011−2013年青海省草地退化面积占其草地总面积的比例为42%，与1986−2010年相比，未退化草地面积比例下降2个百分点，轻度、中度和重度退化草地面积比例分别下降5个、3个和1个百分点，极重度退化面积比例则增长11个百分点。2011−2013年西藏自治区草地退化面积达到41%，与1986−2010年平均水平相比，未退化草地面积比例下降1个百分点，轻度退化草地面积比例减少7个百分点，中度、重度和极重度退化草地面积比例分别增加4个、3个和1个百分点。2011−2013年，研究区内甘肃省未退化草地面积比例较1986−2010年平均水平增加了6个百分点，达到75%，而四川和云南未退化草地面积分别降低4个百分点和7个百分点，但仍保持较高水平，达到90%和88%（图8）。

图8 青藏高原不同省域草地退化等级的分布

3 结论与讨论

3.1 讨论

青藏高原高寒草地是中国重要的生态安全屏障和高原畜牧业基地，但退化严重制约了其生态与生产功能。草地退化是众多因素综合作用的结果[21]，全球气候变化与人类活动二者是陆地生态系统变化的驱动力[22−24]。其中，气候变暖、冬春干旱、蒸发强烈、大风频繁等自然特征是导致高寒草原草地退化的内在因素[25]。青藏高原属于高寒地区，温度是限制植物生长发育的关键因子。但由于高原面积大，降水不均匀，导致高原内不同区域水热条件不尽相同。

一般而言，高寒草甸和高寒草原区气候变化剧烈，同时也是人类活动集中区，具有较高的草地退化风险。但本研究结果表明，高寒草甸和高寒草原退化面积比例分别为31%和38%，整体属于轻度退化水平，低于整个高原平均，且与历史平均相比无明显变化。虽然有报道称超载过牧、人类活动以及气候变化导致高寒草甸和高寒草原草地生产力降低，大面积退化[26−27]。但国家和地方政府在青海三江源、西藏羌塘等地区连续开展了草地生态保护工程，对退化草地恢复具有显著的影响[28−30]。例如，青海三江源地区先后建立了自然保护区和国家公园，实施了退人、减畜、退牧还草等一系列措施，生态环境和生物多样性显著恢复[31]；羌塘地区落实了草原生态奖补机制、生态移民，显著降低了草场压力[32]。此外，在高寒草甸，由于水分充足，植物根系较为发达，加之温度低，植物残体分解速率慢，形成了较厚的草毡层，具有相对较高的生态系统稳定性[33]。与高寒草甸和高寒草原相比，高寒荒漠降水量较少、土壤贫瘠、气候干旱。由于水分条件较差，荒漠区常受到水分亏缺的影响，对气候极为敏感，其生产力更易受到水分匮缺的影响[34]。在青藏高原，高寒荒漠的退化情况较为严重，退化面积达到78%，1986年以来大部年份退化面积达到60%以上，严重和极严重退化面积比例最高达到54%，且有显著增长的趋势。陈卓奇等[35]研究发现，在青藏高原西北部地区（年降水量低于450mm），降水是影响草地生产力的限制因子。因此，升温引起的干旱以及生长季降水减少[36]可能是导致该区域草地持续退化的主要原因。在其它干旱区，部分学者也得到了相似的结果，发现气候变化加剧了中国草地退化[37]。Wang等[38]认为气候变化对内蒙古草地退化的贡献显著超过“过牧”的影响。郑伟等[39]也发现气候变化是南疆和东疆盆地草地荒漠化的主要驱动因素之一。此外，青藏高原高寒荒漠区拥有羌塘国家级自然保护区、可可西里自然保护区和阿尔金山自然保护区，在保护区内，目前仍居住着大量牧民，并从事放牧活动，加之野生动物数量激增，人草畜矛盾突出，草场压力过大[40]。

从不同行政区域来看，青藏高原范围内新疆自治区和青海省北部的草地退化程度较高，这也与两个省区位于高原西北部及北部有关，该区域主要以高寒荒漠为主，草地生产力受降水的影响极大。而位于高原东部的甘肃、四川和云南，由于降水条件较好，高寒草甸退化比例均较低。由于西藏和青海大部地域广阔，其退化程度因草地类型以及气候条件差异而有所不同。

3.2 结论

基于NDVI3g数据集，采用退化指数表征草地退化程度，青藏高原草地退化面积占草地总面积的比例为41%，退化指数为1.76，整体退化程度较轻，但局部退化严重。与历史平均水平相比，退化面积无变化，但其中轻度退化面积缩小，而中度以上退化面积增加。从不同草地类型来看，高寒荒漠退化程度最为严重，退化面积达到78%，退化指数为3.23，达到严重退化级别，且有持续恶化趋势。高寒草甸和高寒草原退化面积比例分别为31%和38%，退化指数分别为1.49和1.57，整体属于轻度退化水平，且低于整个高原平均水平。从不同省域分析来看，青藏高原新疆自治区境内草地退化最为严重，退化面积达到71%；青海省和西藏自治区草地退化面积为42%和41%；甘肃、四川和云南草地退化面积均较小。总体来看，青藏高原草地退化存在空间差异，与历史平均相比无显著变化，但局部有恶化趋势，尤其是高寒荒漠退化状况较为严重。因此，在进一步加强青藏高原中东部地区草地保护措施的前提下，应重点关注高寒荒漠区及自然保护区内的草地退化问题。

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Characteristics of Grassland Degradation in the Qinghai Tibetan Plateau, Based on NDVI3g Data

CAO Xu-juan1,2，HASBAGAN Ganjurjav1，HU Guo-zheng1，GAO Qing-zhu1

(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory for Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2. Shanxi Research Academy of Environmental Sciences, Taiyuan 030027)

The Qinghai-Tibetan Plateau is an important ecological security barrier and animal husbandry base in China. Alpine grassland is the largest ecosystem in the Qinghai-Tibetan Plateau, accounting for more than 60% of the total area of the plateau. In recent years, the alpine grasslands in the Qinghai-Tibetan Plateau are experienced large area of degradation, which is restricting the ecological services of the plateau and the sustainable development of animal husbandry. To date, however, it is remaining unclear in the status of grassland degradation on the Qinghai-Tibetan Plateau. In this study, the degradation status was presented by the grassland degradation index, which was retrieved from vegetation coverage, based on NDVI3g data. The results showed that the current situation (2011−2013) of average grassland degradation index in the Qinghai-Tibetan Plateau was 1.76, which indicated light degradation level. The area of degraded grassland reached 41% and has no change compared with the historical average (1986−2010), but the areas of moderate, severe, and extra severe degradation has been increased in the Qinghai-Tibetan Plateau. The areas of slight, moderate, severe, and extra severe degraded grassland were 22%, 8%, 6% and 5%, respectively during 2011 to 2013, while they reached 28% (slight), 7% (moderate), 4% (severe) and 1% (extra severe) during 1986 to 2010. The degradation index in alpine desert was 3.23 during 2011 to 2013, which reached an extremely degradation level. The degradation index in the alpine meadow and alpine grassland steppe were 1.49 and 1.57, respectively during 2011 to 2013, which were characterized as light degradation level. In the Qinghai-Tibetan Plateau, the degraded area of grassland in Xinjiang reached 71%, higher than that in Qinghai and Tibet, which reached 42% and 41%, respectively. The degraded area of grassland in Gansu, Sichuan and Yunnan were relatively small, reached 25%, 10% and 12%, respectively, in the Qinghai-Tibetan Plateau. In summary, there exist spatiotemporal variations in grassland degradation in the Qinghai-Tibetan Plateau. There is no significant change in current grassland degradation status compared with the historical average. However, in some regions on the plateau, i.e. alpine region, the grasslands showed a continuously degrading trend.

Grassland degradation; Degradation index; Grassland type; Different province; Qinghai-Tibetan Plateau

10.3969/j.issn.1000-6362.2019.02.003

曹旭娟,干珠扎布,胡国铮,等.基于NDVI3g数据反演的青藏高原草地退化特征[J].中国农业气象,2019,40(2):86-95

2018−08−24

。E-mail：ganjurjav@foxmail.com

国家重点研发计划（2016YFC0502003）；西藏自治区科技计划项目；国家自然科学基金项目（31570484）；中国工程院重点咨询项目（2017-ZD-09-04-02）

曹旭娟（1989−），女，硕士，主要从事气候变化与草地生态研究。E-mail：caoxujuan@sina.com