1980—2020年克鲁伦河流域草地的时空变化

程佳蕊, 毛德华， 玉 山， 王宗明,4， 相恒星

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院， 内蒙古 呼和浩特 010022；
2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022；
3.中国科学院 东北地理与农业生态研究所， 吉林 长春 130102；

4.国家地球系统科学数据中心， 北京 100012)

草地是陆地上分布最广的土地利用类型之一，约占全球陆地面积的五分之一[1]，植物总量的三分之一，是陆地生态系统中重要的水源涵养区、生物基因库和碳储库[2]。目前，草原退化[3-4]已成为全球亟待解决的生态问题，《生物多样性公约》(CBD)的爱知生物多样性目标和联合国可持续发展目标(SDGs)都针对陆地生态系统的恢复和可持续利用提出具体规范。与此同时，“抗击退化”[5]也成为《联合国生态系统恢复十年(2021—2030年)》的核心内容，强调该10 a迫切地需要制定包括草原在内的退化生态系统恢复战略，以预防、制止和扭转[6-8]生态系统退化。

中国草地主要分布在北方，以青藏高原和蒙古高原[9]为主要分布区，尽管已有文献报道了草地分布变化及其驱动因素的分析，但对于气候变化和人类活动对草地分布面积影响的定量化解析相对较少，尤其缺乏对比分析。跨境流域通常在人类活动强度和气候变化方面有着明显的差异[10-12]，开展长时间序列草地时空格局演变及其驱动因素的对比解析，可为草地资源管理提供决策依据。克鲁伦河流域地处蒙古高原东部，是中蒙畜牧业发展的重要分布区。因此，开展克鲁伦河流域草地时空变化及其驱动因素的跨境对比分析，具有重要的科学意义和应用价值。本研究基于Landsat长时间序列遥感影像，运用面向对象的随机森林分类法，得到克鲁伦河流域1980—2020年5期土地覆被数据，通过草地动态度模型、草地变化转移矩阵及质心模型的方法，定量分析1980—2020年克鲁伦河流域草地时空变化特征，同时对比分析中蒙两国草地变化规律，以期推动地方生态环境保护与建设，为跨境草原的可持续发展提供科学参考。

1.1 研究区概况

克鲁伦河流域位于107°25′—117°24′E，46°2′—49°40′N之间[13]，是蒙古高原东部长度最长，流域面积最大的河流。该河发源于蒙古国的肯特山南麓，自西向东流经乌兰巴托市、肯特省、东方省，在乌兰恩格尔西端进入中国境内，流经新巴尔虎右旗，注入呼伦湖[14]，全长约1 264 km，流域面积1.30×105km2，其中在蒙古国流经范围较大，面积可达1.12×105km2，长1 090 km，是蒙古国境内的第二长河。克鲁伦河流域属中温带大陆性干旱气候，年平均气温0～2 ℃，年降水量150～300 mm[15]。植物种类有丛生草、禾本科、针茅属、杂类草、羊茅属、锦鸡儿属、羊草为主的草原植被，常见植被有大针茅、克氏针茅、羊草、芨芨草、寸草苔、芦苇、冷蒿。克鲁伦河流域地形如图1所示。

注：基于审图号GS(2016)2948号底图制作，底图来自于自然资源部标准地图服务系统(http:∥bzdt.chmnrgov.cn)。下同。

1.2 数据来源

1.2.1 影像数据 本文选用了时间序列较长的Landsat系列影像(表1)，因研究区面积较大，且时间上选择了草地生长较为旺盛的7—8月，降水较多，部分区域相应年份难以选取合适影像，进而从相邻年份中收集缺失图像的区域，以最大限度地减少云层覆盖造成的数据损失。本文使用的影像下载于美国地质勘探局网站(http:∥glovis.usgs.gov/)，利用ENVI软件对多期遥感影像进行辐射定标、大气校正及几何校正等预处理操作，参考Wang[16]和Mao[17]的土地覆被分类系统，并结合本研究区实际情况，最终确定林地、草地、耕地、人工表面、水体、湿地、及裸土地共7种土地覆被类型。

表1 本研究所用Landsat系列数据

1.2.2 气象数据 1980—2020年气温及降水数据来源于英国East Anglia大学的分辨率为0.5°的月尺度数据 Climatic Research Unit(CRU)降水数据集(https:∥crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/cru_ts_4.05/)，利用ArcGIS 10.6对下载的nc数据进行转换提取，最终将月尺度数据合成年数据。

1.2.3 社会经济数据集 1980—2020年中国一侧总人口数和国内生产总值(GDP)数据集获取于内蒙古自治区统计局(http:∥tj.nmg.gov.cn/)的统计年鉴，蒙古国一侧数据来源于世界银行公开数据(https:∥data.worldbank.org.cn/)。

2.1 基于面向对象的随机森林分类方法

基于数据影像进行多尺度分割，提取同质对象[18]，经多次试验选取分割尺度，最佳分割尺度可以有效地提取地物并减少斑块冗余和碎化，在提高目标样本纯度同时兼顾运行速度，以此提高分类精度。

1980年，1990年，2000年，2010年及2020年分别获取样本点1060，977，1043，1123，1040个，实际野外调查样本点分别为32，76，156，353，268个，其中1990年，2000年，2010年和2020年课题组均进行实际野外调查，1980年则通过居民走访调查并结合历史资料获取。目视解译样本点5期分别为1028，901，887，770，772个，是基于同时期的Google Earth影像进行识别所得。对所有样本点进行分层随机抽样，其中70%作为训练样本，30%作为验证样本。基于影像多尺度分割结果，对训练样本进行训练分类得到5期土地覆被数据。最后，利用验证样本对分类结果分别进行精度评价，构建混淆矩阵，计算五期分类数据的总体精度与kappa系数，分类精度如表2所示。

表2 分类精度

2.2 草地动态度模型

单一土地覆被类型动态度可以表达一定时间内，某种土地覆被类型动态变化幅度[19]。其表达式如下：

(1)

式中：K为某草地动态度；
Ua和Ub分别为初期和末期草地的面积；
T为时间间隔。

2.3 转移矩阵

通过转移矩阵可以把土地利用类型的相互转化关系直观地表现出来，可以得到某一种土地类型向另一种土地类型转化的面积[20]，其表达式为：

(2)

式中：Sij代表的是研究初期和末期时间内由类型i转化到类型j的情况;n代表的是土地利用的类型数。

2.4 质心模型

质心是一个或多个多边形的几何中心，可以用来确定在某一时间某一土地覆被类型在空间上的位置[21]，用(xc，yc)的形式来表示，表达式为：

(3)

式中：xi,yi为质心坐标，每个多边形的面积定义为ai。质心可以更直接、更明显地将位移表示为连接不同时期质心的变化的方向和距离。

2.5 相关性分析

本文利用Pearson相关分析来研究草地变化与相关指数的相关性[22]，计算公式如下：

(4)

3.1 克鲁伦河流域草地时空变化特征

如表3所示，草地是克鲁伦河流域分布最为广泛的土地利用类型，2020年研究区内草地面积为1.10×105km2，占研究区总面积的88.95%。其中蒙古国一侧草地面积为1.00×105km2，占该年研究区草地总面积的87.03%；
中国一侧草地面积占该年研究区草地总面积的12.97%，仅有蒙古国草地面积的1/4。

表3 1980—2020年克鲁伦河流域草地面积及其变化

1980—2020年5期草地覆盖率分别为88.95%，88.82%，88.70%，88.80%，88.58%，草地面积呈现先减少再增加后又减少的趋势。其中，2010—2020年草地萎缩最为严重，动态度达-2.48%，面积减少258 km2；
2000—2010年草地变化较小，动态度为1.04%，增加119 km2。由图2可看出，1980—1990年草地转入面积最大，在1990—2000年草地转出面积最大，其中以中游北部最甚；
2000—2010年整体变动不大，但下游变动相对剧烈；
2010—2020年则以河流沿岸土地类型变动最为复杂。

图2 1980—2020年克鲁伦河流域草地变化空间格局

图3展示了1980—2020年克鲁伦河流域草地在4个时间段内与其他土地覆被类型之间转入及转出的占比，总体来看草地的主要去向为耕地(385 km2)和裸土地(235 km2)。

图3 克鲁伦河流域草地与其他土地利用类型之间的转换

蒙古国一侧草地在40 a间一直处于减少趋势，草地面积净减少616 km2(0.61%)。湿地是与草地相互转化最为剧烈的土地覆被类型，其次是裸土地和耕地。与湿地之间的转化多以转入为主，而与裸土地和耕地之间的转化则以转出为主，二者是草地退化最主要去向，其中向裸土地转化面积为384 km2，向耕地转化的面积为360 km2。中国一侧草地则呈现小幅度增加趋势，草地面积净增加130 km2，占中国一侧总面积的0.74%。其中裸土地的贡献最大，共向草地转化149 km2，其次是湿地(109 km2)。但是40 a间，中国一侧的人工表面面积一直呈现扩张趋势，在2010—2020年间草地向人工表面转化面积最大(46 km2)。

3.2 草地质心迁移

图4显示了各个时期草地质心的迁移轨迹。在过去的40 a间，克鲁伦河流域草地质心整体上呈现出先向东北方向转移再向东南方向转移的过程。1980—1990年迁移距离最大，向东北方向迁移1.0 km；
1990—2000年偏移整体迁移轨迹，向西南方向迁移0.5 km；
2010—2020年迁移距离最短，向东南方向迁移0.4 km。

图4 1980—2020年克鲁伦河流域草地质心位置迁移

蒙古国一侧草地质心经历了先向东北再向西南最后又向东北方向迁移的过程。其中1980—1990年与1990—2000年迁移方向相反，但迁移距离均为1.3 km；
最短迁移距离出现在2000—2010年，仅向东北方向迁移0.2 km。中国一侧草地质心则先向西南方向偏移，再向东北方向偏移，最终向东南方向迁移。1980—1990年迁移距离最大，向西南方向迁移0.6 km；
2010—2020年迁移距离最小，向东南方向迁移不足0.1 km。

1980—2020年蒙古国一侧与研究区的草地质心转移方向大体一致，主要是由于2000—2010年中国一侧草地质心向北偏移角度过大，导致2010—2020年蒙古国一侧质心迁移方向与研究区迁移方向不统一，但总体都向东迁移。通过1980—1990年和1990—2000年蒙古国一侧和研究区的草地质心迁移轨迹方向相反，主要是由于1990年气候变化剧烈，降水增多，使得原本地势较为低洼的地方汇聚大量雨水，在影像上表现为水体和湿地，研究区地势又表现为西南高东北低，因此该时间段内质心向东北方向转移；
降水所带来的土地覆被类型转换是短暂的，雨量回归正常水平后，由降水转化来的草地又转化回原本的土地类型，使得1990年前后质心轨迹呈往返现象。

3.3 驱动因素分析

克鲁伦河流域草地的变化驱动因素包括自然因素和人文因素两类。本文选取了各因素指标两个。由表4可以看出，气温及人口之间的相关性通过了显著性检验(p<0.05)，表明克鲁伦河流域草地面积的变化并非其中任一因素导致的，而是自然因素和人文因素协同作用的结果。

表4 克鲁伦河流域草地与各指数的相关性

3.3.1 自然因素 克鲁伦河流域是典型的温带大陆性气候，且具有干旱区较为明显的气候特征，夏季多降水，过于集中的雨水会造成水土流失及地表破碎等环境问题，进一步恶化原本就脆弱的生态环境。1990年丰富的降水使得草地向湿地及水体转化，而裸土地向草地转化，让生态环境暂时性呈现好转趋势，但1990—2000年，部分湿地和水体向草地转化，另一部分则直接转化为裸土地，这也是导致该年裸土地增加的主要原因，原本表现出好转的生态环境也迅速恶化，使2000年的草地面积在1980年原有草地面积的基础上减少320 km2。

1980—2020年克鲁伦河流域降水量以每年2.6 mm的速度减少，气温则以每年0.5 ℃的速度升高(图5)，降水减少气温升高使气候暖干化严重，地表蒸散发过程加快，间接导致草地面积减少，草地生产力下降[23-24]。

图5 1980—2020年克鲁伦河流域气温和降水的年际变化和趋势

由图6可以看出，在海拔小于600 m的地方，草地分布仅占4%，该海拔范围内以呼伦湖占地最广，因此草地分布较少。当海拔在600 m至1 200 m范围内时，草地面积分布达到最大，达443 km2。当海拔超过1 200 m后，草地分布越来越稀疏，海拔与草地分布面积呈负相关。

图6 克鲁伦河地形与草地分布的关系

3.3.2 人文因素 根据世界银行的统计数据对中蒙人口进行分析，发现两侧人口均呈现出增长趋势。1980年蒙古国总人口仅1.69×106人， 2019年增长至3.23×106人，40 a时间，人口增长近一倍。随着人口增加，蒙古国现有的与人类相关的土地利用不能满足人们的生活需求，因此人工表面及耕地的扩张成为一种必然趋势。由图3可以看出，在2000—2010年耕地和人工表面侵占草地面积与其他时期相比较为明显，可知在该时间段内人口增长较为剧烈。因为中国面积广大，而克鲁伦河流域流经中国的面积较小，遂采用内蒙古自治区的人口数据与蒙古国人口数据做对比。1980年内蒙古自治区常住人口约1.93×107人，到2020年的2.40×107人，人口增长速度仅为蒙古国的三分之一，但增长人数是蒙古国的3倍。因为人口增加较多，因此中国一侧草地减少受人口的影响要大于蒙古国一侧。

蒙古国在这40 a间经历了社会制度和经济上的双重变革，在国家调控下，经济迅速发展。经济迅猛发展，随之而来的就是对水资源的需求量加大，2007年首次出现在汛期断流现象[25]。断流使得呼伦湖水源补给减少、水位下降，河道以及呼伦湖附近生态环境和生物多样遭到严重破坏，但在2000—2010年间，中国一侧草地表现出增加趋势(图2)，从侧面反映了保护区的建立对草地起到了较强的保护和恢复作用。同时“中蒙俄经济走廊”的建立，对于蒙古国来说也是前所未有的机遇，畜牧业作为蒙古国的支柱产业需要迅速崛起，放牧量的增加也是导致草地大面积减少的原因之一。

4.1 讨 论

天然草地具有丰富的生物多样性，承载着许多该生态系统特有的物种，其中许多动物正面临灭绝的威胁。相较于林地，草地在碳储存中的作用常常被忽视，但它包含了世界土壤碳储存的30%[26-27]。此外，天然和稀疏放牧的草原含有“不可回收的碳”[28]，易受土地利用转换的影响，这些碳一旦失去，就无法在短时间内恢复。同时，干旱半干旱区草地也被证明其在防治水土流失和水资源保护方面的效果比林地更甚，但对草地的政策保护仍逊色于林地，基于这一现实，如果要对草原进行可持续性评价和管理[29]，首要意义应是认识到草原作为多种生态系统服务提供者和生物多样性热点的价值[30]，再制定保护可持续管理的目标。

中蒙两国政府都已认识到生态环境保护方面的重要性，对此采取了积极的措施来保护草地[31-33]。1992年，根据《蒙古宪法》规定，牧场收归国有，牧民需在政府部门的监督和管理下在牧场放牧；
1995年，由于草原问题愈发严峻，制定并通过了《自然环境保护法》，但环境保护并没有引起大家的重视，仍致力于大力发展经济，因此在1990—2000年草地退化严重；
2002年土地法允许牧民在草场进行春冬营牧，由于所有权划分不明确，草原没有得到预期保护效果。2008年《土地无偿私有化法》将草场划分到个人，大大调动了牧民保护草原的积极性，因此在2000—2010年蒙古国一侧草地减小趋势得到大幅度改善，但过度放牧问题仍然突出。2015年该国议会认为应该根据牧场的承载能力和生态评估来调整胜出的数量、种类和结构，以此来实现合理利用、保护和恢复草场的目的，使草地恶化进一步减缓。当然，草地动态度的不断减小，也表明蒙古国境内保护区的建立对草地保护确实起到了一定的积极作用。

20世纪80年代“家庭责任”制度在中国一侧实施，将牧区划分到个人，大大提高了对草原的利用率；
1985年为了保护、建设和合理利用草原，改善生态环境，维护生物多样性，全国人民代表大会常务委员会第十一次会议通过《中华人民共和国草原法》并于该年10月1日起实施。中国大力实施天然林保护、退耕还林还草、三北防护林体系建设、沙化土地封禁保护补助试点建设、全国防沙治沙综合示范区等重点生态修复工程，在一定程度上遏制了草地退化愈发严重的趋势。由图2可以看出，中国一侧草地转化为耕地和人工表面的速度明显下降，且部分裸土地转化为草地，这些都表明中国一侧生态状况正在逐渐好转。目前，国务院办公厅又发布关于加强草原保护修复的若干意见，目标到2025年，草原综合植被盖度稳定在57%左右，我国草原生态状况将持续得到改善。

4.2 结 论

本研究基于长时间序列遥感数据探讨克鲁伦河流域草地分布、动态及其驱动因素，主要结论如下：①2020年克鲁伦河流域草地面积为1.15×105km2，占总面积的88.58%。其中蒙古国一侧草地面积广大，占研究区草地面积的87.03%。

②1980—2020年克鲁伦河流域草地共减少486 km2，其中中国一侧草地增加130 km2，蒙古国一侧草地退化相对严重，共减少616 km2。

③近40 a间，中蒙两侧草地均一定程度地向耕地、人工表面和林地转化。其中蒙古国一侧草地转为裸土地是蒙古国一侧草地减少的主要原因，中国一侧草地则受人类活动的影响较大。

④草地质心指示克鲁伦河流域草地向东北方向移动1.6 km，主要是由于克鲁伦河中游及下游草地退化严重导致的。本研究综合分析了草地在克鲁伦河流域中的分布、变化及其原因，对草地生态系统的可持续管理、流域生物多样性的保护、干旱半干旱地区碳储量的定量研究以及全球草地对人类活动和气候变化的动态响应研究具有重要意义。