黄河源头生态环境变化的遥感监测及驱动因素

生态环境 2008, 17(6): 2297-2303 Ecology and Environment E-mail: 基金项目： 科技部科研院所社会公益研究专项 （ 2005DIB3J109）；干旱气象科学研究基金项目 （ IAM200708） 作者简介： 李凤霞（ 1964 年生），女，教授级高级工程师，现主要从事应用气象、遥感应用研究和生态环境监测与评估等工作。 收稿日期： 2008-09-19 黄河源头生态环境 变化的遥感监测及 驱动因素 李凤霞 1,2， 伏洋 2， 李林 3， 肖建设 2 1. 中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室， 甘肃 兰州 730020； 2. 青海省气象科研所， 青海 西宁 810001； 3. 青海省气候中心， 青海 西宁 810001 摘要： 利用 1990年、 2000年和 2004年的 TM卫星影像数据 研究表明 ， 近 10 a来 ， 黄河源头 玛多县生态环境 状况 变化剧烈，主要表现为沼泽、滩涂、河流、湖泊等湿地萎缩干涸，所占比例持续减少，表明水源涵养力减弱 。 同时，沙地、盐碱地和不宜林草荒地等劣质土地的增加 使天然草地破碎化程度加大 ；而 天然草地、林地和宜林草荒地 比例 持续增加，说明 在 21世纪初以来 的 暖湿化气候背景下， 黄河源头 玛多县生态环境 呈 良性发展 态势 。 分析认为 气温、降水、蒸发、冻土等 自然 因 素 ，以及超裁过牧、滥采乱挖和草地鼠害等 人类活动 是 导致 黄河源头 生态环境变化 的共同驱动因素 ，其中又以气候因子为主导 ， 与冻土环境及水文条件相互影响。 关键词： 黄河源头 ； 生态环境 ； 遥感 监测 ； 驱动因素 中图分类号： X171.7 文献标识码： A 文章编号： 1672-2175（ 2008） 06-2297-07生 态环境是人类赖以生存和发展的空间，是区域可持续发展的核心和基础。 黄河源头 是三江源自然保护的核心区域， 也是世界高海拔地区生物多样性最集中的自然保护区 ，属 自然生态系统敏感 和 脆弱地区 1-2。 20世纪 90年代以 来 ， 由于自然因素和人类活动的影响， 黄河源头 出现 高寒草原与高寒草甸植被退化 、土地沙漠化、 湿地功能退化、 湖泊数量和面积减少，河道断流等一系列生态环境问题， 已引起众多学者和决策部门对 黄河源头 生态环境 状况 的关注 3-7。 黄河源头 生态环境退化 加速了土壤侵蚀， 不仅 影响了本区经济的可持续发展 ， 而 且 引起的 水文条件的变化 对中下游地区 也 产生了 重大 影响 8-9。 以往 利用遥感手段 对 黄河源头 20世纪 80至 90年代这一时段的 土地利用 /覆盖和景观格局 变化 已有大量 研究，而对 21世纪初 源区 的生态环境 现 状研究较少。 摸清 黄河源头 生态环境本底状况和演变规律，是本区域开展生态环境保护和建设的基础。目前，应用空间信息技术研究生态环境的演变规律及机制已成为区域性研究的重要内容。 本研究利用1990年、 2000年和 2004年 3个时相的 TM卫星影像数据，在 GIS遥感监测系统支持下，对 20世纪 90年代以来 黄河源头 生态环境变化趋势及驱动因素行了分析和探讨， 旨在为 黄河源头 生态环境保护与治理提供决策依据。 1 研究区概况 研究区域位于黄河源头的玛多县 ， 总面积25 253 km2 ，范围为 3350 3540N， 96509920E，平均海拔 4 500 m，地处巴颜喀拉山北麓、阿尼玛沁雪山以西的黄河谷地 ， 隶属于果洛藏族自治州。 年平均气温 -3.8 ，多年平均降水量 321.6 mm，年平均蒸发量为 1 322.5 mm，气候寒冷干燥。玛多 被称为 “万里黄河第一县 ”， 玛多县黄河沿以上的流域地区属于 黄河源头 ， 著名的扎陵湖、鄂陵湖就在境内。自 1956年有水文观测资料以 来 ， 黄河曾在玛多县黄河沿水文站发生过 3次断流 ， 国家 对 该区域 的生态环境问题十分关注， 目前 已经启动三江源自然保护区生态环境保护与建设总体规划，玛多县作为保护区的核心区，是区域生态环境建设治理工作的重点地区 10-11。 2 研究 资料及 方法 2.1 资料 来源 遥感资料采用 黄河源头 玛多县 1990 年、 2000年和 2004 年夏季 3 个时相的 TM/ETM+遥感影像，研究区 110 万地形图，专题图件及统计数据等 ； 气候资料选取玛多气象站 1955 年建站以来的气温、降水、日照时数、风速等气象观测数据 。 2.2 研究方法 美 国资源卫星 Landsat TM 数据，每个波段包含不同的生态学特性 ， 分辨率达到 30 m， 能够较好地满足土地利用信息提取的需要，适用于区域的生态环境监测。 购置遥感图像资料， 进行几何校正、图像处理后，建立遥感解译标志并对遥感信息资料进行判译，在 PCI 图像处理软件支持下，利用已经建立的遥感解译标志，在图像上选取训练区，使用分类监督法进行专题信息分类提取，判译各种土地利2298 生态环境 第 17 卷第 6 期（ 2008 年 11 月） 用类型，利用图像处理软 件统计湿地图斑像元数并按每个像元 30 m30 m 进行面积计算。 生态环境分类系统参照 “863”西部金睛行动的“中国生态环境本底 调查分类系统 ”， 该 生态分类系统包括 6个 一 级类型、 11个 二 级类型和 16个 三 级类型。 16个三级分类 分别是： 建筑用地 、 林地 、 灌草过渡带 、 天然草地 、 沼 泽 、 滩涂 、 河流 、 湖泊 、 沙地 、 戈壁 、 河滩 、 宜林草荒地、 不宜林草荒地 、 裸岩 、 盐碱地 、 永久雪地冰川。 3 结果 与分析 根据以上生态环境分类系统和 研究 方法， 得到1990年、 2000年和 2004年 玛多县 土地利用 /覆盖(LUCC)变化情况 (表 1)。 2000年与 1990年相比， 宜林草荒地和不宜林草荒地分别增加 4.56和 5.38个百分点，林地和天然草地分别增加 0.56个百分点 和 0.97个百分点，永久雪地冰川 增加 0.05个百分点；沼泽、滩涂、河流、湖泊等湿地类型减少 0.08 0.47个百分点，沙地和戈壁分别减少 0.35个百分点和 0.08个百分点 ， 裸岩和盐碱地 分别 减少 2.92个百分点和 4.44个百分点 ，灌草过渡带减少 2.60个百分点 。 2004年与 1990年相比， 宜林草荒地和不宜林草荒地分别增加 2.30和 2.22个百分点，林地和天然草地分别增加 0.54个百 分点和 3.05个百分点，沙地和戈壁分别增加 0.19个百分点和 0.25个百分点； 沼泽、滩涂、河流、湖泊等湿地类型减少 0.11 0.66个百分点， 裸岩和盐碱地分别减少 2.44个百分点和 3.93个百分点，灌草过渡带减少 0.52个百分点，永久雪地冰川减少 0.03个百分点。 2004年与 2000年相比，林地无明显变化，灌草过渡带 和 天然草地 分别增加 2.07个百分点和 2.08个百分点，滩涂增加 0.34个百分点，沙地增加 0.55个百分点；沼泽、河流、湖泊等湿地类型减少 0.160.30个百分点，河滩减少 0.20个百分点，宜林草荒地和不宜林草荒地分别减少 2.26和 3.16个百分点，盐碱地减少 1.01个百分点， 永久雪地冰川减少 0.08个百分点。 （ 表 1、 图 1和图 2）。 从各景观类型的 嵌块 数变化分析 （图 3） ， 2000表 1 黄河源头 1990 年、 2000 年和 2004 年 LUCC 变化 Table 1 Land use/land cover change in the source region of the Yellow River in 1990, 2000 and 2004 分类系统 1990年 2000年 2004年 嵌块数 面积 /km2 嵌块数 面积 /km2 嵌块数 面积 /km2 建筑用地 1 0.63 1 0.57 1 0.36 林地 294 147.46 819 294.73 1 059 290.70 灌草过渡带 2 537 1 489.14 1 704 798.11 4 571 1 350.07 天然草地 2 329 10 969.38 3 979 11 217.74 7 346 11 780.16 沼泽 589 1 862.10 415 1 735.26 709 1 686.13 滩涂 448 247.71 34 127.69 405 217.45 河流 62 284.37 85 263.25 91 221.26 湖泊 176 1 649.93 152 1 564.91 127 1 487.98 沙地 509 668.48 893 574.50 1 288 720.14 戈壁 709 847.07 1 556 823.92 2 875 914.33 河滩 412 183.39 335 233.69 481 179.59 宜林草荒地 1 719 1 214.24 4 598 2 423.45 7 206 1 825.36 不宜林草荒地 4 568 1 853.39 6 318 3 280.45 12 158 2 443.05 裸岩 3 462 3 391.20 3 089 2 208.39 5 690 2 743.66 盐碱地 1 560 1 727.91 1055 951.34 1 034 684.72 永久雪地冰川 60 38.04 145 51.70 125 30.18 图 1 玛多县（ 19902004年）生态景观面积比例变化 Fig. 1 The area proportion change of eco-landscape in Maduo county (19902004) 1. 建筑用地 2.林地 3.灌草过渡带 4.天然草地 5.沼泽 6.滩涂 7.河流 8.湖泊 9.沙地 10.戈壁 11.河滩 12.宜林草荒地 13.不宜林草荒地 14.裸岩 15.盐碱地 16.永久雪地冰川 - 5.00- 4.00- 3.00- 2.00- 1.000.001.002.003.004.005.006.00面积比例变化1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16景观类型2000 年与 1990 年比较2004 年与 1990 年比较2004 年与 2000 年比较李凤霞等： 黄河源头生态环境变化的遥感监测及驱动因素 2299 年比 1990年 嵌块 数增加了 29.55%， 2004年比 2000年增加了 79.39%，比 1990年增加 1.32倍。 主要是 灌草过渡带、天然草地、戈壁、宜林草荒地、不宜林草荒地和裸岩 等类型 的 嵌块 数在 2000和 2004年变化显著，说明以上类型的景观格局变发生较大变化，以及景观破碎度加强。 1990 2004年天然草地和林地面积呈增加趋势，以及盐碱地呈逐年减 少趋势，这些变化表征了玛多县植被有恢复的趋势 ，但同时沙地和戈壁等劣质土地呈明显增加趋势。河流、湖泊等水体面积呈连续减小趋势，沼泽、滩涂、河滩以及永久性雪地冰川等呈波动减小趋势，说明玛多县水资源呈恶化态势，水源涵养功能减弱。 4 驱动因素 分析 4.1 自然因素影响 4.1.1 气温变化 1955 2006 年 黄河源头 年平均最低气温、平均最高气温和平均气温以 0.39 /10 a、 0.15 /10 a和 0.28 /10 a 的速率升高，并以年平均最低气温的升高幅度最大，显著性水平最高 (图 4)。就四季平均气 温的变化趋势来看，冬、春、夏、秋季的气候倾向率分别为 0.53 /10 a、 0.10 /10 a、 0.21 /10 a 和 0.28 /10 a，增幅以冬季最为明显，较其余三季增幅高 2 4 倍；而显著性水平则以夏季最高，达到 0.01 信度的显著性水平。不难看出， 黄河源头气温的升高，以冬季和夜间升高最为明显，而此时地气净辐射为负，地表以放射长波辐射为主，增温显著可能与温室气体浓度的增加有关，但尚需深入 图 2 玛多县（ 1990 2004 年）生态景观 面积变化 Fig. 2 The area change of eco-landscape in Maduo county (1990 2004) 图 3 玛多县（ 1990 2004 年）生态景 观嵌块数变化 Fig.3 Patch amounts change of eco-landscape in Maduo county (1990 2004) 020004000600080001000012000面积(km2)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16景观类型1990 年 2000 年 2004 年02000400060008000100001200014000斑块数1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16景观类型1990 年 2000 年 2004 年2300 生态环境 第 17 卷第 6 期（ 2008 年 11 月） 研究。 进入 21 世纪以来， 黄河源头 处于近 52 年以来最暖的阶段，年平均最高气温、年平均气温均在此阶段创历史最高纪录。 4.1.2 降水量变化 由 1955 2006 年 黄河源头 年降水量变化趋势（图 5(a)） 可以看出，近 52 年来 黄河源头 年降水量呈微弱增加趋势，其速率为 4.32 mm/10 a，但未达到显著性水平。冬、春、夏和秋季降水量的气候倾向率分别为 0.56 mm/10 a、 3.89 mm/10 a、 0.11 mm/10 a 和 -0.55 mm/10 a，冬、春、夏季呈增多趋势，且春季降水量增多趋势显著，达到了 0.01 信度的显著性水平，而秋季则表现出微弱的减少趋势。由年降水差积曲线来看 (图 5(b)，年降水量的增加主要集中在 1989 年以后，而此前以减少为主。与整个三江源地区降水量变化特点对比来看 12，四季变化趋势是一致的，但年降水量则呈现相反的变化趋势，表明了 黄河源头 降水量变 化具有一定的地域性特点。值得关注的是，自 2001年以来 黄河源头 降水量呈显著的增多趋势，其中以春、夏两季和年降水量的增多尤为明显。 4.1.3 蒸发量变化 利 用修订后的彭曼公式计算得出 1955 2006年 黄河源头 蒸发量年际变化曲线 （图 6a）可以看出 ，近 52 年来， 黄河源头 年蒸发量呈显著增大趋势，其气候倾向率为 12.0 mm/10 a，且达到了 0.001 信度的显著性水平。虽然从 6 阶多项式拟合的阶段性变化来看，近几年来该地区年蒸发量较前期有明显的回落态势，但这并不影响年蒸发量总体上显著的增多趋势。通过分析四季蒸发量的变化趋势得出，冬、春、夏、秋季蒸发量气候倾向率分别为 2.22 mm/10 a、 4.55 mm/10 a、 3.64 mm/10 a、 1.38 mm/10 a，除秋季蒸发量的显著性水平仅为 0.01 信度外，其余 3 季均达到 0.001 信度的显著性水平。 由由年蒸发量差积曲线 (图 5b)来看， 1976 年以后年蒸发量y = 0.0146x + 3.2989R 2 = 0.065612345671955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005aT M / y = 0 . 0 3 8 7 x - 1 0 . 7 8 6R 2 = 0 . 3 6 7 4- 1 2- 1 1- 1 0-9-8-71955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005aT m/ （ a） （ b） y = 0 . 0 2 7 6 x - 4 . 5 3 3 7R 2 = 0 . 2 5 8 8-6-5-4-3-21955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005aT/ （ c） 图 4 1955 2006 年黄河源头年平均最低气温（ a）、平均最高气温（ b）和平均气温变化曲线 (c) Fig. 4 curves of annual mean minimal temperature (a)， annual mean maximum temperature (b) and mean temperature in the source region of the Yellow River between 1990 and 2006 y = 0.4322x + 303.56R 2 = 0.01081502002503003504004505005506001955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005aR/mm -6-5-4-3-2-101231955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005a( k -1)/Cv 图 5 1955 2006 年黄河源头年降水量（ a）及其差积曲线（ b） Fig. 5 Annual precipitation (a) and its differential mass curve (b) in the source region of the Yellow River between 1955 and 2006 李凤霞等： 黄河源头生态环境变化的遥感监测及驱动因素 2301 一直呈增加趋势。 以上分析表明， 黄河源头 蒸发量呈现出显著的增大趋势，显然这与气温的 显著 升高 密不可分 。这一问题仍需讨论，尽管结合上文分析得出 21 世纪以来 黄河源头 以暖湿气候特征为主，但蒸发量却出现明显的回落趋势，可见地表水分的蒸发，在气温提供必要的热力条件和降水供给物质基础的同时，仍有其他影响因子发挥着不容忽视的作用。文献 13认为对于潜在蒸发，气温平均日较差和风速 起着突出的作用。而通过分析得出， 黄河源头 近年来冷空气活动减少，风速减小，同时气温平均日较差也明显减小，从而在一定程度上导致了蒸发量的减少。 4.1.4 冻土退化 由 1983 2006 年 黄河源头 冻土年平均冻结厚度与冻结日数变化可见 （图 7） ，其季节冻土年平均冻结厚度和冻结时间均在明显减小，其中冻结厚度以 9.21 cm/10 a 的速率减小，并达到了 0.001 信度的显著性水平，冬、春、夏、秋四季冻结厚度变化的气候倾向率分别为 -15.5 cm/10 a、 -24.2 cm/10 a、-29.8 cm/10 a、 2.3 mm/10 a，除秋季略有增加外，其余季节均呈显著减小趋势，尤其以夏季冻结厚度的减幅最大，并最为显著；而季节冻土冻结日数则以 14.2 d/10 a 的速率缩短，同时 也达到了 0.001 信度的显著性水平，表明 黄河源头 冻土呈现出显著的退化趋势，这与整个青海高原冻土退化的变化趋势是一致的 14-15。而 2001 年以来，冻土的退化仍保持这一态势，且冻结日数的缩短趋势更为明显。 4.2 人类活动 因素 影响 4.2.1 超裁过牧 据玛多县农牧局资料统计 ， 玛多县 在 20世纪 50年 代 各 类 牲 畜 不 到 1.2105 头 ， 60 年 代 初 达1.47105 1.65105头 ， 人均 53.7头 ， 70年 代末 达到历史最高 6.78105头 。 其中 1971 1981年 10 a间家畜头数每年都保持在 6.65105 6.77105头 ， 人均 110头。 由于过度放牧使 得 天然草场 不到休养生息 ， 尤其是冬春季草场面积小 ， 放牧时间长 ， 夏秋季草场面积大 ， 放牧时间短 。 因此 ， 冬春季草场超载过牧较为严重 ， 特别是在水源近的滩地 、 山坡中下部及河谷两岸等 主要草场超载过牧频繁 ， 加剧冬春季草场的负载。根据遥感对比监测 ， 发现草场退化区主要出现在夏季草场和秋季草场、冬春季草场的交接地带 16。说明在牲畜转场过程中过渡放牧使植被盖度、株高下降明显。这样因为草场季节分布不平衡和人为的不合理利用 ， 导致草场超载过牧 ,造成草地植被衰退 17， 退化草地面积不断增加。 4.2.2 滥采乱挖 根据青海省草原总站资料 ， 80年代以来 ， 玛多县每年约有 5万余 人涌向草地采挖沙金 、虫草等药材 等。一方面破坏了微地貌，改变了地表径流路径，严重破坏了地表植被，增加了岩石的裸露程度，在地表径流 和风力作用下，水土流失强度和荒漠化加剧；另一方面，在采掘挖金的过程中，人为的不间y = -0.9213x + 100.22R 2 = 0.40837080901001101201983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004ah/cm y = -1.4161x + 294.24R 2 = 0.26782402602803001983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004ad/mm （ a） （ b） 图 7 1983 2005 年黄河源头冻土年平均冻结厚度 (a)与冻结日数 (b)变化曲线 Fig.7 Chang curves of the mean freezing depth (a) and freezing days (b) of frozen soil in the source region of the Yellow River between 1983 and 2005 y = 1.1999x + 773.6R 2 = 0.4597507607707807908008108208308408501955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005aE（mm） -17-13-9-5-11955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005a( k -1)/Cv （ a） （ b） 图 6 1955 2006 年黄河源头年蒸发量（ a）及其差积曲线（ b） Fig. 6 Annual evaporation and its differential mass curve in the source region of the Yellow River between 1955 and 2006 2302 生态环境 第 17 卷第 6 期（ 2008 年 11 月） 断地用强度远远大于降水强度的高压水流冲洗沙砾地面，直接增加了河流中的泥 沙 18-19。据遥感 影像 图 解译结果表明， 玛多县黄河沿岸的植被明显次于其它地区 ， 主要地物是沙地 ， 少数地区也以低盖度草为主。据 TM影像数据解译 ， 全县 1990年沙 化面积为 668.48 km2，到 2004年，沙 化 面积扩大到720.14 km2， 增加 7.73%。 4.2.3 草地鼠害 草地 鼠害与人类活动关系密切，一方面，由于超载过牧所导致的中轻度退化草地，为害鼠提 供了栖息地和环境；另一方面，是 20世纪 80年代人类采用化学药剂灭鼠和滥捕滥杀野生动物，使其天敌鹰类和沙狐等数量大量减少，导致鼠类迅速繁殖 20。据统计， 2006年玛多县有鼠害面积 4 995.0 hm2，占全县草地面积的 45.53%。 其中 以高原鼠兔分布最广，密集分布，数量最多，危害最大。据实测数据，玛多县 高原鼠兔平均有效洞口为 579个 /hm2，有鼠兔120只 /hm2，鼠兔不仅大量采食优良牧草，与牲畜争食，更为严重的是洞道密集、纵横交错，使草地植被受到不同程度的破坏，造成草地水土流失，肥力衰减，使优良牧草难以生 长，逐渐被毒杂草替代。特别是经夏秋雨水冲刷和冬春冻融侵蚀的影响，使大量草皮逐块塌陷，次生裸地逐渐扩大，从而形成“秃斑 ”和 “黑土滩 ”， 玛多 县有 50%多的黑土滩型退化草地是鼠害所致 。 5 结论 与讨论 （ 1） 与 1990年相比，沼泽、滩涂、河流、湖泊等湿地在 2000年与 2004年均呈减小趋势，其中在2004年沼泽、湖泊和河流等湿地类型减小 幅度 增加， 同时， 沙漠化土地 、 不宜林草荒地 以及 戈壁的等劣质土地在 增加，主要是 由于 在此阶段气温显著升高和蒸发量的增加所致，尽管 21世纪初以来， 黄河源头 表现出明显的暖湿化特征，但降水量的增加不足以抵消由 于 气温升高而导致蒸发量的增加 。 （ 2） 1990 2004年， 玛多县建筑用地比例 呈略微减小，这说明人类对环境干扰程度在减小； 裸岩和盐碱地持续减少，而天然草地、林地和宜林草荒地等持续增加， 说明 21世纪初以来 黄河源头 生态环境的良性发展 态势 。 （ 3） 21 世纪以来，黄河源头气候变化表现为气温升高、降水增加和蒸发减小的变化趋势，同时受气候变暖的影响其冻土环境退化，冻土厚度减小、冻结时间缩短，在 “气候 冻土环境 ”这一背景下，形成了导致黄河源头高原生态环境动态变化的主要驱动 因素。 （ 4） 由于 滥垦滥伐、采金、过牧等人类 活动 严重破坏了地表植被，植被的破坏和地表结构的改变，使得地表层物质抵御外引力侵蚀的能力降低 ；在风力、水力、重力等外引力及冻融的交替作用下，地表物质被剥离外移，地表细小颗粒失去后，由于土壤结构恶化 而导致 草 地 退化和水土流失 ，而 草 地退化 又 加速了草 地 沙化 、 水土流失 和风蚀作用 ， 最终 导致 黄河源 头气候 干旱程度加 剧 ， 使得 湖泊水位下降和湖面 积 缩小 。 参考文献 ： 1 姚檀栋 , 朱立平 . 青藏高原环境变化对全球变化的响应及其适应对策 J. 地球科学进展 , 2006 ,21(5):459-464. 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