基于遥感张家口坝上地区1980—2019年草地变化趋势与影响因素分析

栾卓然,田晓华,吕凤军,鲁先科,范高丽,李 冉

0 引言

草地生态系统有着调节气候、涵养水源和固持碳素等多种生态功能[1]对环境变化较敏感[2],受全球气候变化及人类活动的影响[3],造成了草地退化、水土流失及荒漠化等一系列生态环境问题。因此,及时了解草地植被动态变化是全球关注的热点问题之一[4-7]。随着遥感技术的成熟,高时间分辨率和高空间分辨率的影像数据获取技术不断完善,基于遥感草地覆被动态变化的研究成为主要手段,而且新的监测方法不断涌现[2]。

张家口坝上地区为京津冀生态环境支撑区重要组成区域,草地在维持生态系统稳定、保障京津冀地区生态环境安全中发挥着重要作用,近年来对坝上地区的生态环境及草地的研究引起许多学者的关注[8-12]。生态环境及草地发育的变化规律是长期多因素影响的结果,目前对张家口坝上地区草地发育时空变化的研究缺少长时间段的时空变化趋势以及地质背景对草地发育的影响研究。因此本文选取1980年、1990年、2000年、2005年、2015年、2019年6个时间段的遥感数据,探讨其时空变化趋势,从气候、人为活动、地质背景多个角度分析其影响因素,为草地和坝上生态环境的恢复治理提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于张家口市北部坝上地区,包括沽源县、张北县、尚义县、康保县,平均高程海拔1 444 m、最大高程海拔2 187 m、最低高程海拔1 214 m。地势南北高,中间低,其间残丘、岗地、滩地、湖淖相间分布,呈典型的波状高原景观。气候类型属寒温带半干旱大陆性季风气候,年平均气温-0.3℃～3.5℃。年平均降水量340～450 mm,6、7、8三个月的降水量占全年降水量的53%。土壤以栗钙土和草甸土为主。

研究区出露地层岩性主要有第四系的松散沉积物、新近系的砂砾岩和黏土岩、古近系的汉诺坝玄武岩、中生界的砂岩及酸性火山岩、晚古生代花岗岩类及太古界变质岩类,分别占研究区总面积的49.35%、14.89%、12.76%、10.38%、5.02%、3.69%(图1)。

2 材料与方法

本研究选取1980、1990、2000、2005、2010、2015、2019年LandSat系列遥感影像,影像季节平均选取在7-8月份。其中,1980年为Landsat 3 MSS和Landsat 5 TM数据,1990、2000、2005和2010年为Landsat 5 TM数据,2015年和2019年为Landsat 8 OLI数据,由于卫星过境期间有些存在云层影响,因此个别年份影像选择时进行适当调整。先后通过辐射校正、大气校正。植被指数的确定方法:前人多是通过NDVI对叶面积指数LAI或作物综合生长指数GPP等进行验证[13],目前一些学者提出了更高效的植被归一化指数公式算法[2,14-16],本文采用NTDVI双差值植被归一化指数计算。依据此方法将计算后的植被指数信息进行分类,选择合适阈值筛选出草地信息。

以每年所提取的草地信息为基础统计信息,将研究区按2km×2km进行标准网格化,按地学统计方法统计草地覆盖度。再将统计出的草地覆盖度按70%、50%、30%、10%四个分割阈值,将整个工作区的草地覆盖度由高到低分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ 共5个级别。

将统计出的草地覆盖度信息叠加50万地质图资料,分析每类地质单元的草地资源特性,同时动态观察其变化分析母质土壤的地质背景与草地资源的变化关系。同时收集与整合研究时空区间内的气象信息、地质背景、开发与保护政策、水文等信息进行综合分析。

3 结果

3.1 时间变化趋势

自1980年以来,研究区草地的面积及覆盖度具有显著地变化规律,总的趋势是草地面积和覆盖度显著减少。其中1980年与1990年间变化幅度最大,与1980年相比,1990年草场面积降低63%,到2000年降低了76.5%。2005年草地面积有所增加,但到2010年又出现降低,与2005年相比降低36%,到2015年之后开始逐渐恢复。与2010年相比,2019年草地覆盖度恢复19.07%,但与1980年相比,2019年草场面积降低了73.38%(表1)。

表1 1980—2019年草地面积及覆盖度年平均百分数Table 1 Annual mean percentage of grassland area and coverage from 1980 to 2019

3.2 空间变化趋势

3.2.1 空间总体变化特征

随时间变化,草地的覆盖度在空间上的分布也有较显著变化(图2)。在研究时段内,1980年草地的覆盖度与其他年份相比,Ⅰ级和Ⅱ级覆盖度的范围最广;覆盖度差的Ⅳ级及Ⅴ级范围,主要分布在康宝、尚义、张北之间区域,出露地层主要为第四纪。其他区域覆盖度差异不大。1990年,出现了草地显著退化的Ⅴ级区域,主要分布在尚义县、康保县范围内,沽源县的东南部也出现较大范围的Ⅴ级区域,整体上显示东部覆盖度高于西部的特征。2000年尚义县和康保县草地退化的Ⅴ级范围在1990年的范围基础上进一步向外扩大,沽源县和张北县内增加了大范围的草地退化Ⅴ级区域,主要为第四系分布区域。2005年之后基本保持了草地覆盖度东部高于西部的趋势,张北县和沽源县原有的Ⅴ级区域逐渐恢复,但到2010年,沽源县和尚义县的Ⅴ级区域范围扩大,整体表现出东部、南部覆盖度高于西部和北部特点,这种差异在其他年份表现得不明显。2015年之后Ⅴ级区域主要分布在西部,东部的张北县与沽源县覆盖度高于西部的康保县和尚义县。

4.2.2 不同地质单元草地的分布特征

研究三江流域草地分布地质条件影响分析[17]一文中引入草地发育率概念,即草地面积占各地质条件因子分级面积之比,用公式表示为:

式中,GD为草地发育率,Sgd为草地面积,S为各地质面积。

据此统计了不同年度不同地质单元中草地的发育率(表2)。可以看出,1980年不同地质单元草地的发育率都比较高,发育最好的是古近系的玄武岩区,其次是太古界的表壳岩区域。总体而言,古近系的玄武岩区域发育率最好,其次是中生界的地层。

表2 不同地质单元草地发育率(%)Table 2 Grassland development rate in different geological units (%)

4 草地变化影响因素分析

4.1 人类活动的影响

草地变耕地是造成草地面积锐减的最主要原因。建国初期,张家口全坝上的耕地面积不足12 000 hm2,20世纪80年代增长到15 000余hm2,特别是改革开放后,草地的变耕地的速度飞速增长,20世纪90年代后,每年仍有0.13万～0.2万hm2草地被开垦[18]。2009年发展到27 000 hm2,人均占有耕地195 hm2左右[19]。过度的开垦致使该区草场面积锐减、植被变稀,优良的牧草逐渐被劣质草和杂草取代。1999年国家出台了退耕还林还草的政策法规,为改变这一地区的生态面貌,从2000年起,国家每年下达给河北的退耕还林、退耕还草任务是退耕10万亩,荒山造林10万亩,范围涉及张家口市的张北、尚义、康保、沽源四县。这就说明2000年草地面积减少到最低点,而到2005年草地面积逐渐开始增长的主要原因。此外过度放牧也是重要人为因素之一。随着经济社会的快速发展,张家口坝上地区大力发展畜牧业,一部分农民盲目购买和饲养大量牲畜,造成草地负担过重而退化。

4.2 气象因素

根据研究区的中国气象信息公开数据(1980—2019年)统计分析得出,全年进入零上温度均集中在5-9月份,5-9月份平均气温15.1℃,温度的变化在研究区时空区间内幅度并不大,而是在缓慢稳步爬升(图3),平均温度稍有提升,对牧草的生长不会有显著的影响。坝上地区作为典型的水分限制区,植被对降水的变化较为敏感[9]。研究时空区间内年度总降雨量平均407.3 mm、最大降雨量520.4 mm(1995),2009年坝上地区遭遇近50年一遇的大干旱,降水量比往年同期偏少50%～80%[8],最小降雨量274.3 mm(2009年)。这与2010年草地面积在2005年增长之后,2010年又出现降低的现象非常吻合,说明降雨量的骤减造成的干旱,直接导致了草地面积的降低。降雨量在其他年份呈现波动变化规律(图4、图5),没有对草地发育形成太大的变化。

图3 张家口坝上地区1980—2020年5～9月份气温Fig.3 Monthly average temperature of Zhangjiakou plateau from May to September 1980—2020

图4 张家口坝上地区1980—2020年区间平均降雨量Fig.4 Period average rainfall in plateau area of Zhangjiakou from 1980 to 2020

图5 张家口坝上地区1980—2020年连续年度降雨量Fig.5 Continuous annual rainfall in Zhangjiakou plateau from 1980 to 2020

4.3 地表水及地下水的影响

坝上地区水域在2000—2010年显著萎缩,约62.48 km2的水域在近40年间干涸继而演变成荒废地[20],其中被称为华北第一大高原内陆湖泊的安固里淖在自然环境变化和人为活动的影响下,在1975年至2007年间水域面积逐年萎缩,并在2004年秋干涸;2005年短暂的蓄水后,2006年、2007年又再度干涸[21,22],这是造成水域周边草地退化的重要因素之一。

地下水位的下降也是造成草地退化的因素之一。1981—2016年的35年间,坝上高原水位平均降幅3.59 m,局部地区下降更显著,蔬菜总产量是影响地下水下降的主要原因[23]。期间虽偶有升高,但并不能改变总的下降趋势,地下水埋深持续加大,消耗与补给失衡,长期处于入不敷出的状态[24]。包气带土壤水分运移是一个复杂的过程,受包气带的岩性和结构、温度、植物根系、土壤初始含水率及地下水位等因素影响,地下水位的下降直接导致包气带和土壤中的水分含量的降低,进而造成草地的退化。与未退化草地相比,中度退化和重度退化草地土壤含水量显著减小(P＜0.05),减幅分别为65.22%、63.04%,而轻度退化草地土壤含水量变化不显著[25,26]。

4.4 地质背景

4.4.1 母岩地球化学特征对草地发育的影响

农林牧生产,归根结底是地球表生带包括岩石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大气圈之间物质交换和能量转化的一种特定形式[27,28]。转化的形式以岩石圈为主,母岩的成分结构等特征决定了土壤的物理化学性质,从而影响其负载植物生长状况。对于天然牧草来说,基于母岩提供的营养元素的多少和持水性能的多少而影响牧草的生长状况及生物量。依据坝上张北丰宁1∶25万多目标地球化学调查成果(河北省地质调查院,2016年)显示,坝上地区土壤元素含量成不均匀性分布,其主要是母岩类型和物质组成的差异(表3)。Co、Hg、N、Se在空间上交错分布,高值区主要分布在中生界张家口组的地层区域的土壤中,其次是古近系的玄武岩区;Fe2O3、Mn、MgO、Cu、P高值区主要分布在玄武岩区域,其次是中生界的张家口组地层区域,K2O、SiO2的高值区主要分布在第四系的地层区域,Zn主要高值区在中生界和太古界的地层中。总之,植物所需的大部分营养元素在古近系玄武岩区和中生界地层区的含量高于其他其他地质单元的,这就充分说明了在这两个区域草地发育率高的原因所在。这项调查成果还表明局部洼地区土壤存在盐渍化问题,主要分布在张北县的安固里淖等低洼地及干涸河道周边,不同程度盐渍化面积达1 380 km2,其中强度盐渍化面积达416 km2(图6),这些区域主要表现为Cl、S、B的含量增高。这种严重盐渍化,也是草地退化的重要原因,这就说明了1980年在安固里淖周边草地覆盖度差的原因,随着水域面积的干涸,盐渍化的面积逐渐扩大,草地逐渐退化。

图6 安固里淖周边盐渍化分布图Fig.6 Distribution of salinization around Angulinao

表3 不同地质单元土壤植物营养元素含量Table 3 Table of soil plant nutrient elements contents in different geological units

4.4.2 母岩赋水性能对草地发育的影响

降雨量较充沛年度草地的发育程度、长势,在不同的地质单元中的差异相对较小。当降雨量少的干旱年份,土壤及母岩的持水量,直接影响着草地的发育程度与长势。借助于毛细管理由地下水上升进入土壤[29],成为植物根系吸收水分重要途径,这主要取决于地下水位及赋存类型、深度和岩石与土壤的孔隙度有关。玄武岩和中生界的火山岩及砂岩类以及太古界的变质岩区属于基岩裂隙水,地下水位相对较浅,并且颗粒较细、土壤中黏土矿物含量较多,毛细管水上升的高度较高,土壤的保水性好,能够被植物根系利用,因此在2008—2010年连续干旱期间,玄武岩区和中生界火山岩、砂岩区域草地的发育程度高于其他区域。而在第四系的风尘黄土区域黏土矿物含量低、孔隙度大、毛细管水的上升高度小,土壤的保水性能差,难以被植物根系利用,不利于牧草的发育生长。

5 结论

(1) 40年来张家口坝上地区草地面积减少73.38%,其中1980—1990年锐减63%,到2000年降至最低,之后20年,虽然2010年有所降低,但总体呈恢复态势。

(2) 在空间分布上,总体而言东部草地覆盖度高于西部,康保县、尚义县、张北县的安固里淖周边草地退化严重。古近系玄武岩和中生界的火山岩及碎屑岩分布区域草地的发育率高于其他地质单元的发育率。

(3) 大面积的草地变耕地人类活动是造成草地锐减的主要因素;降雨量的降低、地表水的干涸、地下水位下降、大面积的土壤盐渍化是造成草地退化的重要因素。

(4) 成土母岩的地质地球化学特征和赋水特性决定了土壤的结构与植物营养元素的丰度和毛细管水的上升高度和量,玄武岩区和中生界火山岩区及碎屑岩区相较其他地质单元土壤植物主要营养元素高,较细粒度和孔隙度,在干旱年份有利于基岩裂隙水通过毛细管力为植物提供水分。