基于遥感监测的青藏高原草地退化及其人文驱动力分析

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韦惠兰, 祁应军. 基于遥感监测的青藏高原草地退化及其人文驱动力分析. 草业科学, 2016,33(12):2576-2586
Wei Hui-lan, Qi Ying-jun. Analysis of grassland degradation of the Tibet Plateau and human driving forces based on remote sensing. Pratacultural Science,2016,33(12): 2576-2586 复制到剪切板

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《草业科学》编辑部

基于遥感监测的青藏高原草地退化及其人文驱动力分析

韦惠兰, 祁应军

祁应军(1991-),男,甘肃渭源人,在读硕士生,主要从事生态经济学研究。E-mail:qiyingjun@sina.cn

第一作者:韦惠兰(1952-),女,陕西蒲城人,教授,博导,博士,主要从事人口资源环境经济学与生态经济学研究。E-mail:huilanwei2010@sina.com

收稿日期: 2016-03-14

基金: 甘肃省沙化土地封禁保护补助试点区经济效益监测与评估项目(406/071200006)公益性行业(农业)科研专项经费项目“青藏高原社区天然草场草地保护与合理利用技术研究与示范”(20120300610)中央高校基本科研业务专项资金(15LZUJBEYJ015)

摘要

玛曲作为青藏高原地区典型的生态脆弱区和敏感区,对不同自然因素和人文因素的影响非常敏感,为解决草地面临的退化问题,实现玛曲草地资源的可持续利用,本研究利用2004-2013年的MODIS-EVI数据和相关的社会统计数据反演了玛曲草地退化的时空格局,发现10年间玛曲草地退化主要从西北部高海拔地区逐渐转向东南部低海拔地区,在此基础上利用定量和定性的方法分析了不同人文因素对草地退化空间差异的影响。结果发现,1)人类活动对草地退化的影响比较大,距离牧民居住点1~3 km内植被的年际变化率比较高,而且自从2008年玛曲实施了“牧民定居工程”后,居住点附近的草地退化更加严重了;2)草地资源利用强度是草地退化的直接诱发原因,不同地区的草原超载水平和牲畜密度与草地植被的年际变化率呈明显的负相关;3)从博弈理论的视角分析了当前流行的联户经营模式下单个牧户的超载动机,发现通过实施一定的生态补偿政策和加强监管力度可以转变牧户自身的博弈策略,最终达到一种以“不增加放牧量”为最优策略的新型“纳什均衡”;4)通过实地调研发现,近年来牧民生产生活方式的转变、牧民安居工程的实施、道路等基础设施建设、围栏以及鼠患等都对玛曲草地植被产生了一定的破坏。

关键词: 遥感技术; 草地退化; 相关性分析; 空间转移; 玛曲

中图分类号:S812.6⁺8 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)12-2576-11 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0697

Analysis of grassland degradation of the Tibet Plateau and human driving forces based on remote sensing

Wei Hui-lan¹, Qi Ying-jun²

College of Economics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Corresponding author: Qi Ying-jun E-mail:qiyingjun@sina.cn

Abstract

Maqu is a typical ecologically fragile area in the Tibetan Plateau, and is very sensitive to the impacts of various natural and human factors. To elucidate the reasons for grassland degradation and achieve sustainable utilization of grassland resources in Maqu, it is important to analyse the influences of various human factors on grassland degradation, and the underlying mechanisms. We used MODIS-EVI data and related social statistics from 2004 to 2013 to detect the temporal patterns of grassland degradation in Maqu. The distribution of grassland degradation gradually moved from the northwest at high altitudes to the southeast at low altitudes in Maqu. We used quantitative and qualitative methods to analyse the impact of human factors on various spatial differences in grassland degradation. We found that: 1) The impact of human activities on grassland degradation was relatively large, and the inter-annual rate of change in grassland vegetation where the distance to settlements of herders was 1-3 km was relatively high, and degradation was particularly serious near settlements after implementation of the “pastoral settlement project” in Maqu in 2008; 2) The intensity of use of grassland resources was the primary reason for degradation; overgrazing and high livestock density in various areas was significantly negatively correlated with the inter-annual rate of change in grassland vegetation; 3) From the perspective of game theory, we analysed herders' motivation for overgrazing under the current popular operational mode of the joint household, and found that implementing certain policies of eco-compensation and strengthening supervision could change their game strategy, and ultimately achieve a “do not increase grazing capacity” as the optimal strategy of the new “Nash equilibrium”; 4) Through field surveys, we found that herder production style and life style changed in recent years; implementation of housing projects for herders, construction of roads and other infrastructures, fencing, and rodent infestation, among other factors, seriously damaged grassland vegetation in Maqu.

Keyword: remote sensing techniques; vegetation degradation; quantitative and qualitative methods; spatial transfer; Maqu

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青藏高原地区天然草地面积占全国草地面积的1/3, 是我国的主要牧区之一, 由于特殊的地理因素, 其生态系统不仅脆弱也很敏感^[1]。玛曲拥有三江源地区最大的湿地, 其草地资源丰富, 具有“ 亚洲第一牧场” 的美誉^[1]。但近年来随着玛曲社会经济的发展, 玛曲草地出现诸如牧草产量和质量下降, 草地沙化严重, 湿地、河流萎缩, 鼠害猖獗等草地退化现象。已有对玛曲草地退化成因的研究主要偏重从自然因素的角度进行研究。如从气候、土壤质量等因素的角度分析玛曲草地退化的成因^{[2, 3, 4]}, 但发现自然因素对玛曲草地退化的影响有限, 尤其是时间越往后推移自然因素越不是主导因素; 利用遥感技术对玛曲草地退化的因素进行主成分分析发现, 以人口、牧业活动等为主的人文因素已成为导致草地退化的主要成因^[5]; 从家庭支出因子、载畜因子以及牧业结构调整因子等角度分析发现, 载畜因子和牧业结构是主导因子^[6]。在草原牧区的研究中普遍认为, 当一定区域内草地的实际载畜量超过理论载畜量时就属于超载放牧^[7], 吕少宁等^[8]在玛曲通过实地问卷调查发现, 牧民为了增加收入而不得不超载放牧是造成玛曲草原退化的主要原因, 而且研究发现, 长时间的过度放牧对草地退化的贡献率达到39.35%, 位居人文影响因素之首^[9]。由此可见, 人文因素已逐渐成为导致草地退化的重要因素, 尤其是以放牧为主要形式的草地资源的利用强度。

遥感技术在时空分析方面具有独特优势, 尤其是利用时间序列的植被指数数据来研究区域内草地退化的空间分布已成为当前的主流, 比如:利用NDVI数据研究那曲地区人类活动、过度放牧等人文因素对植被退化的影响^[10]; 利用NDVI数据分析发现, 人口、经济以及城市化等要素对长江三角洲植被覆盖的时空变化呈负相关关系^[11]。但目前, 基于遥感监测的对玛曲草地退化成因的研究, 主要集中在从静态退化的视角分析植被退化的空间分布^{[5, 12, 13]}, 鲜有利用草地植被的年际变化率, 从植被动态退化的视角分析玛曲草地退化的时空格局, 并结合相关的人文因素进行草地退化成因的分析。

玛曲作为青藏高原地区典型的生态脆弱区和敏感区, 对不同人文因素的响应非常敏感, 当与其特殊的自然因素叠加在一起时, 容易放大不同影响因素对环境产生的破坏度, 以致部分草地加速退化。因此为了深入探析玛曲草地面临的复杂环境问题, 实现草地资源的可持续利用, 亟需了解不同的人文因素, 分析其对草原退化的影响机制并探讨相应的对策。本研究基于遥感监测, 利用玛曲2004-2013年的遥感数据以及相应的社会经济数据等, 从植被静态和动态的变化视角来分析草原植被退化的时空格局, 然后结合相应的人文因素分析不同人文因素对植被年际变化的影响机制和程度, 并根据不同的影响程度提供相应的政策建议。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

玛曲县位于甘肃省甘南藏族自治州西南部, 地处甘、青、川三省的交界处(图1)。其地理位置为33° 06'30″-34° 30'15″N, 100° 45'45″-102° 29'00″ E, 呈现“ 西北高东南低” 地势特征, 县内最高海拔为4 777 m, 平均海拔在3 500~3 800 m, 境内分布两个主要的盆地:阿万仓盆地(主要在阿万仓乡)和东南部的玛曲盆地(含概曼日玛、采日玛、齐哈玛3个乡)。境内气候以高寒湿润为总体特征, 属青藏高原大陆性气候, 年均降水量为615.5 mm, 年均温在-8~13 ℃。全县总面积为10 020 km², 境内草地资源丰富, 在全县858 667 hm²的天然草地中, 可利用草地面积达96.7%, 是青藏高原地区生产力较高、生物多样性较丰富和保存较完整的地区之一^[1]。同时, 玛曲县水资源丰富, 是黄河重要的补水区和蓄水池, 也是维系黄河中下游地区生态安全的天然绿色屏障, 黄河流经玛曲433 km, 其间净增径流量占整个黄河源区的58.7%, 因此也有“ 黄河水塔” 之称。

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	图1 玛曲县高程示意图Fig.1 A schematic elevation of Maqu

1.2 数据来源

MODIS-EVI数据:在研究草地植被覆盖时, 利用卫星不同波段探测数据组合而成的植被指数是反映地表植被状况最佳的指标, 目前计算植被覆盖度(VFC)利用最普遍的植被指数为归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI), 两者相比而言, EVI指数在降低大气、土壤噪音等的干扰以及反映植被生长状况的精确度方面具有优点^[14], 同时EVI要比NDVI更能反映出研究区内植被覆盖的空间差异性^[15]。另外, 每年的8月份是玛曲草地植被生长最旺盛、气候等条件最佳的时期。鉴于此本研究所用的遥感数据主要是2004-2013年10年期间玛曲县每年8月份的MODIS-EVI数据(全年第225天, 即第14个16 d合成的数据, 该数据由北京大学生命科学学院王昊老师提供), 分辨率为250 m。

社会经济统计数据:反映玛曲社会、经济和畜牧业发展状况的数据, 主要是玛曲县各乡镇从事牧业活动的人口、牲畜存栏数、出栏数等10年期间的时间序数据, 这部分数据均来自于2004-2013年《玛曲县统计年鉴》^[16]。

其它数据:在分析人类活动因素对草地退化的影响程度时, 采用了玛曲县牧民居住点以及主要交通路线的矢量数据图, 来自于玛曲县国土资源局提供的1∶ 150 000基本地形图。

1.3 研究方法

首先, 根据玛曲植被覆盖和土地利用类型的实际情况, 在利用EVI指数反演植被覆盖度时, 依据李苗苗等^[17]在像元二分模型基础上改进已有的植被覆盖度计算模型, 对玛曲县植被覆盖度进行了反演模拟, 其中植被覆盖度(vegetation fractional coverage, VFC)计算公式如下:

VFC= $\begin{matrix} \frac{EVI - EV I_{\min}}{EV I_{\max} - EV I_{\min}} \end{matrix}$ (1)

在计算得到植被覆盖度(0< VFC≤ 1)的基础上, 根据玛曲县植被的实际特征和已有研究成果^[18], 将玛曲县的草地进行等级分类。一级草地:VFC> 0.6, 属于优质草地, 草地生产能力高, 植被质量优等; 二级草地:0.3< VFC≤ 0.6, 属于良好草地, 草地生产能力中等, 植被质量良好; 三级草地:0< VFC≤ 0.3, 属于一般草地, 草地生产能力较低, 植被质量一般。

其次, 提取2004、2008、2013年玛曲县的植被覆盖区(VFC> 0.3), 然后在ENVI 5.1中进行波段运算得出2004-2008年、2008-2013年玛曲县植被覆盖区的空间变化Δ VFC, 以此来模拟反演玛曲草地植被的静态退化过程。静态退化过程是指在两个时间节点上, 同一地区植被覆盖区的变化情况, 反映的是一段时间后草地退化的结果。

第三, 利用趋势线分析法分析10年间玛曲草地植被的动态退化过程。动态退化过程是指在一段时间内两两相邻的时间地点上的植被EVI指数的年际变化情况, 反映的是一段时间内的草地退化过程。趋势线分析法是对一组具有连续时间序列的数据进行回归分析, 通过最小二乘法模拟每个栅格上的EVI指数的变化趋势并预测逐年的趋势变化率(即数据变化的斜率), 利用θ _slope表示数据年际变化率^[10]。本研究利用Arcgis 10.2根据玛曲县10年的栅格数据(MODIS-EVI)计算EVI指数的年际变化趋势, 从而反演模拟玛曲植被的动态退化过程, 草地植被年际变化率(θ _slope)的具体计算公式为:

θ _slope= $\begin{matrix} \frac{n \cdot \overset{n}{\sum_{i = 1}} i \cdot EV I_{i} - \overset{n}{\sum_{i = 1}} i \cdot \overset{n}{\sum_{i = 1}} EV I_{i}}{n \cdot \overset{n}{\sum_{i = 1}} i^{2} - (\overset{n}{\sum_{i = 1}} i)^{2}} \end{matrix}$ (2)

式中:i为时间变量(第几年)1, 2, 3, …, n; EVI_i为第i年的EVI指数。当θ _slope> 0时, 说明玛曲县草地植被覆盖状况逐渐变好; 反之, 植被覆盖状况变差。同时为了排除时间变量对植被EVI指数年际变化分析结果的影响, 用r来表示植被EVI指数随时间变化的显著程度, 本研究设定当|r|≥ 0.5时, 植被EVI指数年际变化趋势显著, 否则不显著, 即为自然波动。同时, 根据当前已有的草地退化分类的研究成果^{[10, 19]}和玛曲草地退化的实际情况, 对草地植被的静态退化(Δ VFC)和动态退化(θ _slope)的过程进行等级分类(表1)。

表1 玛曲植静态和动态退化过程的等级分类 Table 1 Classification scheme of the static and dynamic comparison of grassland degradation in Maqu

第四, 对玛曲草地理论载畜量的重新估计。所谓理论载畜量是指某一给定区域的草地生态系统在一定的利用水平上所能提供的生物产量对可满足生理需求的牲畜规模的最大载负能力^[20], 当草地的实际载畜量超过理论载畜量时, 草地处于超载放牧。草地生态承载力一般指的是草地生态系统在某种意义上的载畜能力, 但考虑到草地生态承载力计算的复杂性, 本研究利用理论载畜量来代替草地生态承载力讨论超载放牧对玛曲草地退化的影响。

理论载畜量= $\begin{matrix} \frac{\overset{m}{\sum_{k = 1}} S_{k} \cdot P_{k} \cdot R_{k}}{d \cdot θ} \end{matrix}$ (3)

式中:S_k表示第k类草地的面积, P_k和R_k分别代表第k类草地的单位产草量和牧草利用率, d为一年的总天数(本研究取365 d), θ 为一只标准羊单位的日均食草量, 本研究取θ =4 kg(鲜草量)。由于对理论载畜量的计算存在口径、方法等不统一以及数据严重过期等因素, 因此通过对已有文献的分析^[18], 利用遥感数据并结合实地调查发现, 玛曲草地平均生产力逐年下降, 草地的沙化程度也逐年严重, 故对可利用草地面积(S_k)和牧草利用率(R_k)进行了合理的调整, 并根据玛曲县不同类型的草地面积^[18], 计算不同类型草地的理论载畜量。

2 结果与分析

2.1 草地植被退化的空间分布

首先, 计算并比较2004、2008和2013年玛曲草地植被覆盖度的空间分布, 同时依据不同等级草地的标准获取不同类型草地的面积比例, 并分析10年期间玛曲草地植被覆盖度的空间变化情况(表2)。通过比较发现, 10年期间玛曲的一级草地减少了29.74%, 二级草地增加了30.85%, 三级草地尚未大规模变动, 这说明10年期间玛曲草地退化类型主要是一级草地向二级草地的大规模退化, 即草地质量的退化, 尤其以一级草地的退化最为严重, 这揭示了草地退化的程度以及空间分布, 在此分析基础上, 通过遥感软件计算并获取2004-2008年和2008-2013年两个时期玛曲草地静态退化(Δ VFC)和动态退化(θ _slope)的情况(表3)。

表2 不同类型的草地在不同时期的面积比例 Table 2 The proportion of different types of grassland in different years

表3 不同阶段玛曲草地静态退化与动态退化的过程结果比较 Table 3 The static and dynamic comparison of grassland degradation results for the different stages in Maqu

通过分析前4年和后5年草地植被Δ VFC和θ _slope的结果发现, 从玛曲草地植被覆盖区的变化(静态退化)来看:前4年严重退化的和轻度退化的比例分别为8.7%和49.8%, 而后5年分别为7.1%和25.3%, 即后5年的退化规模相比前4年有了明显减弱, 尤其是轻度退化的比例, 这很可能是近年来玛曲实施的一系列草原生态保护政策初见成效; 同时, 从草地植被EVI指数的θ _slope(动态退化)来看:前4年严重退化的和轻度退化的比例分别为10.1%和17.8%, 而后5年分别为6.0%和10.5%, 后5年的年际变化速率也比前4年的弱。

2004-2013年玛曲植被静态退化和动态退化的空间分布如图2所示, 从静态退化的角度(Δ VFC)观察, 前4年玛曲的草地退化主要集中在北部的木西合乡、欧拉秀玛乡以及采日玛乡; 而后5年玛曲草地退化主要集中在南部海拔较低的尼玛镇、齐哈玛乡、曼日玛乡和采日玛乡。从动态退化的角度(θ _slope)观察, 前4年玛曲的草地退化主要集中在北部的木西合乡、欧拉秀玛乡以及采日玛乡; 而后5年玛曲草地退化主要集中在南部的阿万仓乡、曼日玛乡、采日玛乡和齐哈玛乡。草地植被静态退化与动态退化的空间分布变化基本一致, 10年间玛曲草地退化主要是由北部的高海拔地区逐渐向东南部的低海拔地区转移, 而在环黄河流域以及阿尼玛沁山等地区, 草地植被出现了不同程度的恢复。

为何近10年以来玛曲植被退化的空间分布会出现如此大的变化?笔者从定性的角度来分能是因为近年来玛曲“ 人-畜-草” 的分配不平衡所致, 比如:北部的木西合乡、欧拉乡以及欧拉秀玛乡人口密度和牲畜密度都相对较低, 而玛曲盆地一带却恰好相反; 另外, 截至2003年玛曲全面落实草畜双承包制度以来, 草地的集体经营基本转变为单户经营, 单个牧户只能在自家草地上放牧, 不能大规模的转场游牧, 从而引发了新一轮的“ 草地危机” 。也就是说, 2004-2013年玛曲草地退化出现从北部的高海拔地区向南部的低海拔适宜放牧的地区转移, 极有可能与这些因素有关。

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	图2 2004-2008年与2008-2013年玛曲草地植被退化的空间分布Fig.2 The spatial distribution of grassland vegetation degradation from 2004-2008 and 2008-2013 in Maqu

2.2 植被退化与主要人文因素的相关性分析

本研究首先主要从人类活动(人口密度、联户比例)和草地利用强度(家庭草地经营面积、牲畜密度、养羊比容)两个方面分析, 其中, 人口数量以从事牧业生产活动的牧民人口为准。由于2004-2013年10 年期间玛曲草地退化的空间格局发生了明显的转变, 因此需要分析不同乡镇的不同人文因素与其草地植被退化的相关性, 以确定影响玛曲草地退化的主要人文因素(表4)。

表4 玛曲不同乡镇草地退化与不同因素的相关性分析 Table 4 Correlation analysis of grassland degradation and different factors in different towns in Maqu

其中, 联户比例、养羊比容和家庭草地面积与草地植被退化比例呈负相关关系, 说明随着这3个因素的增加, 草地退化的比例将会减少, 反之会增加; 而人口密度和牲畜密度与草地植被退化比例呈正相关关系, 说明随着这两个因素的增加, 草地退化的比例将会增加, 反之会减少。研究还发现, 尼玛镇、齐哈玛、采日玛和曼日玛的相关系数的绝对值相对其它4个乡较高, 且都高于玛曲县的平均水平, 说明这4个地方不同因素对其植被退化的相关性比较高。因此, 本研究便从人类活动因素和草地利用强度方面着手, 分析不同人文因素对玛曲草地退化空间差异性的影响机制。

2.2.1 人类活动与草地植被退化 2013年年底玛曲县人口为5.57万人, 人口增长率为1.172%, 人口主要集中在玛曲县东南部海拔较低地区的玛曲盆地(曼日玛、齐哈玛以及采日玛等乡)和县城所在地尼玛镇。通过比较历年各乡镇的农村人口密度变化趋势发现:10年期间玛曲县的农村人口密度一直呈明显的缓慢上升趋势, 从2009年开始加速上升, 尤其是玛曲盆地所在的3个乡。2013年齐哈玛乡、尼玛镇、采日玛乡、曼日玛乡的农村人口密度依次为11.13、8.54、8.44、6.91人· km^-2, 高出了玛曲县的平均人口密度(5.39人· km^-2)。在计算得到历年不同乡镇人口密度和植被退化比例后, 利用相关性分析两者之间的关系, 发现玛曲县人口密度与草地退化呈显著正相关关系(r=0.515, P< 0.05)。不同乡镇历年的人口密度与植被退化的相关系数变化如图3所示, 10年间玛曲各乡镇的人口密度与对应乡镇植被退化的相关系数逐年增加, 并且从2008年开始尼玛镇、齐哈玛乡、曼日玛乡以及采日玛乡的相关系数有了明显的增幅, 这与玛曲县草地退化空间分布转移相符。

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	图3 历年玛曲各乡镇人口密度与植被退化的相关系数Fig.3 The correlation coefficient between population density and vegetation degradation

既然人口密度与草地退化呈正相关关系, 那么人口活动是如何加剧草地退化的?人口密度大的乡镇必然导致人类活动密集且相对频繁, 因此, 本研究选择玛曲东部4个人口密度较高的乡镇尼玛镇、齐哈玛乡、采日玛乡、曼日玛乡, 以这4个乡镇所在地以及非乡镇所在地的居民居住点为中心, 利用遥感软件的密度分析方法分别对距离中心点1、1~3以及3~6 km的不同环形区域内的植被年际变化率进行对比(表5)。分析发现, 距离驻地中心1~3 km内, 植被呈现严重退化, 距离驻地中心1 km以内和3~6 km范围内, 植被呈现轻度退化。同时发现2008-2013年间, 随着玛曲县“ 牧民定居工程” 的实施, 人类活动越发频繁, 有加剧草地退化的趋势, 尤其是在3 km以内的正常活动区, 人类活动相对最为频繁, 并随着人口密度的增加, 活动区内的草地退化加重。

表5 距中心点不同距离区域内植被EVI年际趋势变化率 Table 5 Inter-annual changes in enhanced vegetation index(EVI) at different distances from the center of the region

2.2.2 草地资源利用强度与草地植被退化对玛曲牲畜的存栏量按照马∶ 牛∶ 羊=5∶ 5∶ 1进行折算^{[21, 22]}, 发现从2000-2013年玛曲牲畜存栏数从207.34万只标准羊增长至355.6万只标准羊, 呈现出明显的上升趋势。同时, 根据已有的研究成果^[18], 利用调整后的草地理论载畜量计算公式, 计算得到了玛曲历年的理论载畜量, 并与实际载畜量进行对比(表6)。结果发现, 随着草地植被退化造成的草地平均生产力下降, 草地的理论载畜量也在逐年递减, 相反草地的实际载畜量却逐年增加, 尤其从2008年开始, 玛曲实际载畜量大幅上升, 到了2009年, 玛曲草地的超载水平达148.24%, 2013年达到227.68%, 2008-2013年实际载畜量增加了159.53万只标准羊, 增加量已经超过了2013年的理论载畜量。通过分析发现, 历年玛曲草地的超载水平与植被EVI指数的平均年际变化率呈显著负相关关系(r=-0.634, P< 0.05), 说明超强度的草地资源利用强度明显加剧了当地草地植被的退化。

表6 玛曲县历年草地承载力变动趋势 Table 6 Trends of grassland carrying capacity in Maqu from 2000 to 2013

对2004-2008年与2008-2013年玛曲各乡镇草地牲畜密度的比较发现, 县城所在地尼玛镇的草地牲畜密度最高, 为657.8只标准羊· km^-2, 其次是齐哈玛、采日玛、曼日玛, 分别为551.0、475.9和496.9只标准羊· km^-2, 而玛曲的平均密度为369.3只标准羊· km^-2。通过分析发现, 齐哈玛、采日玛、曼日玛3个乡的牲畜密度与其植被EVI指数平均年际趋势变化率呈现显著的负相关关系(r=-0.876, P< 0.05), 由此可见, 以超载放牧为主要形式的草地利用强度已然成为玛曲草地退化的主要人文因素。

2.2.3 联户对牧户放牧数量的影响从2003年玛曲县全面落实了草畜双承包制度以来, 不仅没能够遏制草地退化, 反而弱化了牧民以往的内生协助制度, 从而使得这种不当的制度安排逐渐成为造成玛曲草地退化的一种新的制度因素^[21], 但在实际调查中发现, 当地牧民自发的采取了联户经营模式, 若干个牧民自主联合起来集体放牧, 从而实现了轮牧。相关分析发现, 联户比例与草地退化呈负相关关系, 即联户有助于缓解当前玛曲的草地退化趋势, 但在这种联户模式下也存在使单个牧民采取超载放牧的动机。

从博弈理论的视角分析联户模式是如何影响牧民选择放牧数量, 假设某个联户是个两联户(牧民甲、牧民乙), 在进行集体放牧时虽然有一定的合约规范, 但是为了提高自己私人利益, 单个牧民会在私下偷偷违反联户的合约进而增加放牧数量(表7)。

如果牧民乙按照合约正常放牧, 牧民甲违反合约增加放牧量, 当0≤ θ < 0.5时, 牧民甲增加放牧量而获得的额外收益0< P-θ × F ≤ P, 牧民甲和乙的收益组合为(R/2+P-θ × F, R/2)。因此, 在理性思考下, 牧民乙也会选择同样的策略— — 增加放牧量, 从而使联户内部达到一个新的“ 纳什均衡” , 即双方都会在增加放牧量的情况下获得更多的收益, 此时甲乙的收益组合为(R/2+P-θ × F, R/2+P-θ × F), 但是这种增加的收益显然是通过草地生态环境的负效益来取得的。

表7 联户内集体放牧时牧民之间的博弈矩阵 Table 7 The game matrix between pastoralists within collective grazing

然而, 实际联户规模以2~15户为主, 当规模越大时, 联户体内单个牧户违规放牧被发现的概率就越小, 即降低了违规的成本。因此, 政府实施了一系列的草地生态补偿政策(M为政府给单个牧户的生态补偿额), 但只有当监督力度和处罚力度增加(提升F与θ , 且M≥ P-θ × F)时, 才能转变牧户自身的博弈策略, 最终达到以“ 不增加放牧量” 为最优策略的新型“ 纳什均衡” (此时单个牧户的总收益为R/2+M)。相比无生态补偿时牧户选择不增加或增加放牧数量时的收益来看(R/2+M> R/2+P-θ × F> R/2), 实施草原生态补偿会提升牧户的生计水平, 降低牧户的放牧数量, 从而缓解草地退化的趋势。

2.3 其它人文因素与草地植被退化

导致玛曲草地退化格局出现空间差异的因素, 除了从定量角度论述的牧民人口与居民点、超载与牲畜密度以及联户模式等之外, 还存在许多其它人文因素。实施草畜双承包制度, 不仅改变了玛曲牧民原有的以游牧为主的生活方式, 更改变了原有的集体放牧方式, 从而导致单个牧民只能对其承包草地的超强度、重复利用, 引发草地退化, 进而使得这种不当的制度安排逐渐成为草地退化的制度因素^[18]。通过调查发现, 从2000年以来, 牧区发生的最明显的变化还有:牧民从以前的游牧状态逐渐转变为定居状态, 进而大面积修建定居点; 为了满足玛曲畜牧业的发展需要, 国家大规模的投资修建交通道路已成为牧区的主要基础设施建设, 而这些活动必然会改变草原的使用方式, 大肆破坏草原地表植被, 改变原有的草原地貌, 对草原产生严重的破坏; 同时, 牧民放牧的方式由以前的骑马放牧转变为现在骑摩托或开车放牧, 而草原没有专门的放牧道路, 加之牲畜的移动有随机性, 因此机动车辆在草原上来回行驶必然会破坏草原植被; 此外, 牧区普遍的围栏方式, 虽然在一定程度上遏制了植被退化, 但也破坏了草原原有的生态系统, 产生了一些生态外部性问题, 比如:当前玛曲鼠害猖獗, 大面积的草原被挖洞筑窝, 从而产生大量松土, 破坏了地表植被。

3 结论

玛曲草地退化是自然因素与人文因素长期综合影响的结果, 但在短期内能对草地退化产生较大影响的还是人文因素。本研究在分析不同人文因素对草地退化的影响时, 只从人类活动和草原利用强度两方面入手, 并未考虑制度等人文因素, 也未考虑气候、土壤等自然因素。毕竟从2004-2013年的10年期间玛曲的自然因素未曾出现较大的变化, 并只从宏观角度分析了经济发展等因素与草地退化的相关性, 而尚未从微观角度分析牧户的经济活动对草地植被退化的影响, 这将是笔者的后续研究内容; 由于缺乏历年各乡镇的联户数据, 本研究只利用博弈模型从理论上探讨了联户模式对草地退化的影响机制; 对当前实施的草原生态保护政策可能对草地退化产生的影响也未进行深入研究, 但政策制度作为经济发展的驱动力, 不仅能促进经济的发展, 同时也能影响环境变化, 因此这也将是笔者后续的研究内容。

本研究利用2004-2013年的遥感数据反演了玛曲草地退化的时空格局, 发现10年间玛曲草地退化分布主要从西北部高海拔地区逐渐转向东南部的低海拔地区; 在此基础上利用定量和定性的方法分析了不同人文因素对草地退化的影响, 发现草地退化与以人类活动和草地利用强度为主的人文因素密切相关, 并得出结论:1)人类活动对草地退化的影响比较大, 距离牧民居住点1~3 km内植被的年际变化率比较高, 而且从2008年玛曲实施了“ 牧民定居工程” 开始, 居住点附近的草地退化明显加剧; 2)草地资源利用强度是草地退化的直接诱发原因, 不同地区的草原超载程度和牲畜密度与草地植被的年际趋势变化率呈明显的负相关关系; 3)从博弈理论的视角分析了联户模式下单个牧户的超载动机, 发现通过实施一定的生态补偿政策和加强监管力度可以转变牧户自身的博弈策略, 最终达到一种新型的“ 纳什均衡” 。4)此外, 通过实地调研发现, 近年来牧民的生产和生活方式的转变、牧民安居工程的实施、道路等基础设施的建设、围栏以及鼠患等都对玛曲草地植被产生了一定的破坏, 加速了草地退化的趋势。

为实现对草地资源的可持续利用, 缓解当前玛曲的草地退化趋势, 提出以下几点建议:1)科学、严谨的对草地资源进行合理的调研与评估, 确定不同地区草地的合理载畜水平, 全面实施草畜平衡政策; 2)严格管理和控制草原地区的土地利用方式, 进行科学统筹规划; 3)鼓励社区共管草地资源, 提倡牧民联户经营, 同时政府应给予政策、资金等方面的支持; 4)完善草原生态补偿政策, 在保护生态的同时促进牧民增收。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

View Option

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2010

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... 青藏高原地区天然草地面积占全国草地面积的1/3,是我国的主要牧区之一,由于特殊的地理因素,其生态系统不仅脆弱也很敏感^[1] ...

... 的美誉^[1] ...

... 7%,是青藏高原地区生产力较高、生物多样性较丰富和保存较完整的地区之一^[1] ...

2008

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... 如从气候、土壤质量等因素的角度分析玛曲草地退化的成因^[2,3,4],但发现自然因素对玛曲草地退化的影响有限,尤其是时间越往后推移自然因素越不是主导因素 ...

2008

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2007

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戚登臣, 李广宇. 黄河上游玛曲湿地退化现状, 成因及保护对策. 湿地科学, 2007, 5(4): 341-347.

Qi D

, Li G

Causes and protection counter measures of wetland degradation in Maqu County in the upper Yellow River.

Wetland Science, 2007, 5(4): 341-347. (in Chinese)

2010

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... 利用遥感技术对玛曲草地退化的因素进行主成分分析发现,以人口、牧业活动等为主的人文因素已成为导致草地退化的主要成因^[5] ...

... 但目前,基于遥感监测的对玛曲草地退化成因的研究,主要集中在从静态退化的视角分析植被退化的空间分布^[5,12,13],鲜有利用草地植被的年际变化率,从植被动态退化的视角分析玛曲草地退化的时空格局,并结合相关的人文因素进行草地退化成因的分析 ...

2007

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... 从家庭支出因子、载畜因子以及牧业结构调整因子等角度分析发现,载畜因子和牧业结构是主导因子^[6] ...

2008

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... 在草原牧区的研究中普遍认为,当一定区域内草地的实际载畜量超过理论载畜量时就属于超载放牧^[7],吕少宁等^[8]在玛曲通过实地问卷调查发现,牧民为了增加收入而不得不超载放牧是造成玛曲草原退化的主要原因,而且研究发现,长时间的过度放牧对草地退化的贡献率达到39 ...

2011

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... 35%,位居人文影响因素之首^[9] ...

2008

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韩贵锋, 徐建华. 长江三角洲地区城市化与植被活动之间的时空相关性. 生态科学, 2008, 27(1): 1-5.

Han G

, Xu J

Spatio-temporal correlation between urbanization and vegetation vigor in the Delta of Yangtze River.

Ecological Science, 2008, 27(1): 1-5. (in Chinese)

Taking the delta of Yangtze River as an example,this paper studies the spatio-temporal correlation between urbanization and vegetation vigor using time series NDVI images derived from SPOT/Vegetation and statistical materials.Firstly,there are significantly negative correlation coefficients between vegetation vigor and population and GDP respectively,which almost dominate the urbanization level.Spatial correlation field between vegetation vigor with population and GDP respectively displays the correlation coefficients is stronger,where the population density or GDP is higher.And the correlation coefficients range from -1.0 to 0.5.Then,the method of panel data is employed to analyze the correlation and it's evolution between average vegetation activity and urbanization ratio at the grain level of prefectural-city.Result shows that the correlation coefficient is always negative,and the correlation is becoming stronger from 1998 to 2005,and these correlations can be estimated by linear functions.The negative correlation implies that there is not a win-win relationship between socioeconomic development and ecological environment on regional scale.At last three approaches are analyzed by which urbanization impacts vegetation vigor.

1. College of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. Department of Geography, East China Normal University, Key Laboratory of Geographic Information Science of Education Ministry, Shanghai 200062, China

利用时间序列NDVI数据和统计资料,以长江三角洲地区为例,研究城市化与植被生长活力之间的时空相关性。在总体上,NDVI与人口和GDP之间均呈显著的负相关性;空间相关场进一步表明,在人口和GDP分布较高的地区,植被的生长活力越低,相关系数均在-1.0～0.5之间。选择地市行政单元为研究粒度,使用面板数据分析方法,研究单位面积NDVI与城市化率之间相关性的演变,结果表明,在时间序列上负相关性越来越强,两者之间有明显线性关系,这在一定程度上反映了区域社会发展与生态环境之间未达到双赢。

... 利用NDVI数据分析发现,人口、经济以及城市化等要素对长江三角洲植被覆盖的时空变化呈负相关关系^[11] ...

2015

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褚琳, 黄翀, 刘高焕, 刘庆生. 2000-2010年黄河源玛曲高寒湿地生态格局变化. 地理科学进展, 2014, 33(3): 326-335.

Chu

, Huang

, Liu G

, Liu Q

Changes in ecological patterns of Maqu alpine wetland in Yellow River Source Area during 2000-2010

Progress in Geography, 2014, 33(3): 326-335.

Wetland as a unique ecosystem has important environment regulating functions and irreplaceable role in maintaining regional ecological balance, conserving biodiversity, and providing food, materials and water resources to humans. The Maqu alpine wetland located in the northeast of the Tibetan Plateau is an important water conserving and supplying area to the upper reach of the Yellow River. In the past 30 years, global warming has led to significant vegetation changes on the Tibetan Plateau. The Maqu alpine wetland is undergoing a process of prominent warming and drying, and degradation of its water conservation function is very significant in recent years. Wetland vegetation dynamics , regional differentiation and causes of degradation of the alpine wetland ecosystem were investigated using multi-source remote sensing data in this study. Land use information and ecological patterns of Maqu were extracted via analyzing Landsat-5/TM and Landsat-7/ETM+ satellite images of 2000 and 2010, through visual interpretation and supervised classification using GIS techniques. NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) was used as an indicator in monitoring vegetation changes. MODIS NDVI time series data of 2000-2010(after applying the S-G filtering method and MVC) were used to detect temporal and spatial variations and evolution trend of wetland ecosystems. Point data from weather stations was interpolated using Kriging interpolation method. Based on long-term observations from weather stations，the relationship between Maqu wetland changes and climatic factors(temperature and precipitation) was examined using the least squares method. The results show that areas of rivers, inland beaches, ponds, and swamp meadows were decreasing. Summer NDVI of 2000-2010 in the study area also decreased. Areas with significant decline in NDVI are located in Cairima, Manrima and Hequmachang. Changes in vegetation type also occurred, as signified by swamp meadows shifting to subalpine meadows. The warming and dry climate appears to be a critical factor contributing to the degradation of the Maqu alpine wetland. The changes of the Maqu alpine wetland are related to the inter-annual variability of precipitation and temperature, with 61% and 51% of the total area showing a positive correlation between NDVI and annual precipitation as well as between NDVI and mean temperature respectively. A stronger correlation exists between NDVI and annual precipitation, indicating that the vegetation growth is more sensitive to the inter-annual variability of precipitation.

1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

玛曲湿地作为黄河上游重要的水源涵养以及补给区之一，对于调节黄河水量与泥沙量、维持生物多样性和区域生态平衡以及实现社会经济的可持续发展具有重要意义。为揭示和分析近10 年来玛曲高寒湿地系统动态变化特征及其区域差异性，应用2000 年、2010 年两期Landsat TM卫星影像提取玛曲景观类型信息，对玛曲湿地分布格局变化进行分析；利用S-G 滤波以及最大值合成法处理后的2000-2010 年MODIS归一化植被指数（ NDVI ）数据，进行一元线性回归分析，模拟湿地生态系统的空间演变趋势；运用长期气候观测数据，采用最小二乘法对玛曲湿地变化与气候之间的相关关系进行分析与探讨。结果表明：近10 年来玛曲夏季年际 NDVI 值呈现波动减小的趋势，“黄河第一弯”玛曲腹地的阿万仓处 NDVI 减少明显，且存在沼泽草甸向亚高山草甸类型转化趋势。另外，玛曲高寒湿地变化与降水量及温度的年际变化均有关系，但与降水量的相关关系更强。

2010

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... 2 数据来源MODIS-EVI数据:在研究草地植被覆盖时,利用卫星不同波段探测数据组合而成的植被指数是反映地表植被状况最佳的指标,目前计算植被覆盖度(VFC)利用最普遍的植被指数为归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI),两者相比而言,EVI指数在降低大气、土壤噪音等的干扰以及反映植被生长状况的精确度方面具有优点^[14],同时EVI要比NDVI更能反映出研究区内植被覆盖的空间差异性^[15] ...

2007

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李红军, 郑力, 雷玉平, 李春强, 周戡. 基于EOS/MODIS数据的NDVI与EVI比较研究. 地理科学进展, 2007, 26(1): 26-32.

Li H

, Zheng

, Lei Y

, Li C

, Zhou

Comparison of NDVI and EVI based on EOS/MODIS data.

Progress in Geography, 2007, 26(1): 26-32. (in Chinese)

As the continuation and development of NOAA/AVHRR NDVI, the normalized difference vegetation index (NDVI) and enhanced vegetation index (EVI) of MODIS have been comprehensively used in many fields. In order to investigate the difference between NDVI and EVI derived from MODIS, comparative study of these two vegetation indices was conducted by statistics and geo- statistic methods (semi- variance function). By the comparison of the two kinds of vegetation index distribution maps in different period, it is demonstrated that EVI improve the sensitivity for well- vegetated areas where NDVI is saturated when plants grow well, which will be helpful in monitoring plants growth status. At same resolution, i.e. 250m, 500m and 1000m, by means of the geo- statistics, the results show that range, variance and variation coefficient of EVI is higher than that of NDVI, the value of NDVI is even, and its spatial relativity is higher than that of EVI, which all show that EVI is more sensitive to the spatial heterogeneity of plants in research area.

1. Center for Agricultural Resources Institute of Genetics and Development Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China| 2. Meteorological Institute of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China| 3. State Forestry Administration, Beijing, 100714,China

作为NOAA/AVHRR 归一化植被指数(NDVI) 的延续和发展, EOS/MODIS 归一化植被指数(NDVI) 和增强植被指数( EVI) 在许多领域得到广泛应用。应用数理统计和地统计学方法对二者进行的对比研究表明: NDVI 在植被生长旺盛期容易达到饱和, 而EVI 则能克服这一现象, 比较真实地反映植被的生长变化过程; 相同空间分辨率下, EVI 取值范围、标准差与变异系数均高于NDVI, NDVI 数据比较均一, 其空间相关性高于EVI, EVI 更能反映研究区域内植被空间差异。关键词:MODIS; 归一化植被指数(NDVI) ; 增强植被指数( EVI) ; 对比

2014

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... 社会经济统计数据:反映玛曲社会、经济和畜牧业发展状况的数据,主要是玛曲县各乡镇从事牧业活动的人口、牲畜存栏数、出栏数等10年期间的时间序数据,这部分数据均来自于2004-2013年《玛曲县统计年鉴》^[16] ...

2010

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... 1)的基础上,根据玛曲县植被的实际特征和已有研究成果^[18],将玛曲县的草地进行等级分类 ...

... 由于对理论载畜量的计算存在口径、方法等不统一以及数据严重过期等因素,因此通过对已有文献的分析^[18],利用遥感数据并结合实地调查发现,玛曲草地平均生产力逐年下降,草地的沙化程度也逐年严重,故对可利用草地面积(S_k)和牧草利用率(R_k)进行了合理的调整,并根据玛曲县不同类型的草地面积^[18],计算不同类型草地的理论载畜量 ...

... 同时,根据已有的研究成果^[18],利用调整后的草地理论载畜量计算公式,计算得到了玛曲历年的理论载畜量,并与实际载畜量进行对比(表6) ...

... 实施草畜双承包制度,不仅改变了玛曲牧民原有的以游牧为主的生活方式,更改变了原有的集体放牧方式,从而导致单个牧民只能对其承包草地的超强度、重复利用,引发草地退化,进而使得这种不当的制度安排逐渐成为草地退化的制度因素^[18] ...

2003

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朴世龙, 方精云. 1982-1999年我国陆地植被活动对气候变化响应的季节差异. 地理学报, 2003, 58(1): 119-125.

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, Fang J

Seasonal changes in vegetation activity in response to climate changes in china between 1982 and 1999.

Acta Geographica Sinica, 2003, 58(1): 119-125. (in Chinese)

In the present study, using normalized difference vegetation index (NDVI) as an indicator of vegetation activity, seasonal trends of vegetation activity and their dynamic responses to climate changes in China were explored based on remotely sensed data (NOAA-AVHRR) from 1982 to 1999. As a result, spatially averaged seasonal NDVI in China showed a pronounced increase in all four seasons (spring, summer, autumn and winter) during the past 18 years. The average spring NDVI indicated the most significant increase (P

Department of Urban & Environmental Sciences, and Center for Ecological Research & Education, Peking University, Beijing 100871, China

利用NOAA-AVHRR数据，以归一化植被指数 (NDVI) 作为植被活动的指标，研究中国1982~1999 年四季植被活动的变化，探讨植被活动对全球变化的主要响应方式。结果表明，18年来，中国植被四季平均NDVI均呈上升趋势。春季是中国植被平均NDVI上升趋势最为显著 (P

... 同时,根据当前已有的草地退化分类的研究成果^[10,19]和玛曲草地退化的实际情况,对草地植被的静态退化(#cod#x00394 ...

2005

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... 所谓理论载畜量是指某一给定区域的草地生态系统在一定的利用水平上所能提供的生物产量对可满足生理需求的牲畜规模的最大载负能力^[20],当草地的实际载畜量超过理论载畜量时,草地处于超载放牧 ...

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... 1进行折算^[21,22],发现从2000-2013年玛曲牲畜存栏数从207 ...

... 3 联户对牧户放牧数量的影响从2003年玛曲县全面落实了草畜双承包制度以来,不仅没能够遏制草地退化,反而弱化了牧民以往的内生协助制度,从而使得这种不当的制度安排逐渐成为造成玛曲草地退化的一种新的制度因素^[21],但在实际调查中发现,当地牧民自发的采取了联户经营模式,若干个牧民自主联合起来集体放牧,从而实现了轮牧 ...

2000

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... 1进行折算^[21,22],发现从2000-2013年玛曲牲畜存栏数从207 ...