儲少林,贠 靜,阿斯婭·曼力克,賽里克·都曼,鄭逢令

(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,新疆 烏魯木齊 830000)

克州地區(qū)天然草地生產(chǎn)力評價

儲少林,贠 靜,阿斯婭·曼力克,賽里克·都曼,鄭逢令

(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,新疆 烏魯木齊 830000)

本研究以克孜勒蘇柯爾克孜自治州的天然草地為研究對象，利用2005年7-8月的MODIS遙感數(shù)據(jù)提取植被指數(shù)(NDVI)，通過典型區(qū)野外實地采樣，得到與MODIS影像資料時相一致的草地地上生物量數(shù)據(jù)，分析遙感植被指數(shù)與植被生物量的相關(guān)關(guān)系，建立了生物量估測模型，并進一步對克州天然草地生產(chǎn)力進行了評價。根據(jù)關(guān)鍵場理論計算了克州地區(qū)理論載畜量以及關(guān)鍵場載畜量。結(jié)果表明，克州地區(qū)的實際載畜量為263.19萬羊單位，理論載畜量為177.61 萬羊單位，超載率為48.18%，關(guān)鍵場載畜量為113.71 萬羊單位，克州實際超載率為131.45%，遠遠高于理論超載率。

草地生產(chǎn)力；監(jiān)測模型； 載畜量；關(guān)鍵場

草地生產(chǎn)力不僅體現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及生物種群的多樣性，而且是制定畜牧業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃的基礎(chǔ)。能否及時準確地掌握大面積草地產(chǎn)量資料，對科學(xué)計算草地載畜量和合理安排草畜生產(chǎn)，提高草地畜牧業(yè)生產(chǎn)力，維護草地生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定，都具有十分重要的意義[1]。近幾年來，EOS/MODIS資料已廣泛應(yīng)用于植被生態(tài)、土地利用和土地覆蓋、自然災(zāi)害等方面的監(jiān)測和研究。利用MODIS資料開展天然草地資源的遙感動態(tài)監(jiān)測，已成為國際草地科學(xué)研究中的前沿課題，對確定合理載畜量和加強草地科學(xué)管理等均具有重要的意義。

MODIS-NDVI是已有20年積累的NOAA-NDVI系列的延續(xù)，EVI利用MODIS輻射儀的優(yōu)點，訂正地表反射率以提高對高生物量區(qū)的敏感性，并通過葉冠背景信號耦合和減少大氣影響來提高植被監(jiān)測精度。這2個植被指數(shù)可以在研究全球植被、提高植被變化的檢測和提取葉冠生物物理參數(shù)方面相互補充[2]。使用MODIS資料已進行的相關(guān)研究有植被分類[3]、植被指數(shù)與氣象因子的相關(guān)分析、植物長勢和植被指數(shù)變化和自然災(zāi)害監(jiān)測[4]等。

本研究利用高時間分辨率的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)，研究了2005年新疆克州地區(qū)天然草地地上生物量同植被指數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)性原則回歸出適合該地區(qū)的草地遙感估產(chǎn)模型，并以草地遙感估產(chǎn)模型為基礎(chǔ)對克州地區(qū)的天然草地生產(chǎn)力進行了評價，再根據(jù)關(guān)鍵場理論計算得到了2005年克州各市(縣)的理論載畜量與關(guān)鍵場載畜量，以期為草地資源監(jiān)測和草畜動態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

克孜勒蘇柯爾克孜自治州(以下簡稱克州)地處我國邊陲，北倚天山南脈，西南處帕米爾高原的東北隅上,東南接塔里木平原。位于73°26′～78°59′ E，37°30′～41°30′ N[5]，研究區(qū)地理位置如圖1所示。克州草地面積占克州國土總面積的46.3%，耕地與林地分別占0.58%與0.62%，天然草地是該州陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的組成部分，對涵養(yǎng)水源、防止水土流失具有重要作用?？酥莸乇硭畯搅髁?9.62億m3，山區(qū)很少有森林生長，主要靠山地草原涵養(yǎng)水源。但由于長期無序利用，超載過牧，致使牧草種類減少，覆蓋度下降，產(chǎn)草量降低，草地嚴重退化，極大削弱了天然草地水源涵養(yǎng)能力，造成水土流失嚴重，特別是遇到融雪、降水，地面水流急劇匯集下泄，洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生，給克州及下游地區(qū)帶來災(zāi)害，嚴重危害生態(tài)安全。同時，克州是新疆主要牧區(qū)之一，也是自治區(qū)的貧困地州，生產(chǎn)條件極差，經(jīng)濟發(fā)展嚴重滯后，2003年全州農(nóng)牧民人均收入1 320元，牧民收入更低，一般為1 000元左右，半數(shù)以上牧民處在貧困線以下。阿克陶縣塔爾塔吉克自治鄉(xiāng)牧民人均收入僅580元，為全疆牧民低收入之最[6]。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1草地遙感估產(chǎn)技術(shù)路線 理論產(chǎn)草量、理論載畜量、關(guān)鍵場載畜量的計算涉及遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)的綜合，使用到多種不同來源的數(shù)據(jù)，具體的技術(shù)路線如圖2。

2.2草地樣方實測數(shù)據(jù) 外業(yè)調(diào)查主要集中在2005年草地生長季期間，調(diào)查內(nèi)容包括樣點草地類型，使用GPS測定的樣點空間位置信息：經(jīng)度、緯度、海拔，并全面測定和收集植被的生長情況：植物蓋度、草群平均高度、植物種數(shù)等。具體確定方法為：樣方設(shè)置既要考慮代表性，又要有隨機性。樣方

之間的間隔不少于250 m，同一樣方不同重復(fù)之間的間隔不超過250 m。如遇河流、建筑物、圍欄等障礙物，可選擇周圍鄰近地段草原類型相同、利用方式和環(huán)境狀況基本一致，具有與原定點相同代表性的地點進行采樣。為獲得最接近真實的生物量，在被調(diào)查的樣地內(nèi)，盡量選擇未利用的區(qū)域作測產(chǎn)樣方。圖3為2005年克州草地野外實測樣點分布情況。

2.3遙感數(shù)據(jù) 利用ArcGIS 9.1軟件，建立了克州地區(qū)行政分區(qū)、草地資源類型、地面調(diào)查樣點空間分布等數(shù)據(jù)庫。MODIS數(shù)據(jù)來自NASA MODIS陸地產(chǎn)品組按照統(tǒng)一算法開發(fā)的MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品。本研究使用的植被指數(shù)為16 d合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為250 m的MOD13Q1數(shù)據(jù)集。為了便于顯示和計算，利用公式如下：

(1)

式中，NDVI0～255表示歸一為0～255的植被指數(shù)值；NDVImin和NDVImax分別表示最小、最大歸一化植被指數(shù)值。把NDVI的值歸一到0～255。

使用MRT (MODIS reprojection tools)軟件，將下載的數(shù)據(jù)進行格式和地圖投影轉(zhuǎn)換，把HDF格式轉(zhuǎn)化為tiff格式；把SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為WGS84/Geographic系統(tǒng)，同時完成圖像的空間拼接；分別把圖像資料和地面樣方點文件轉(zhuǎn)成grid格式，在ARC/INFO的grid模塊下提取各樣方點的NDVI值，并對NDVI值作歸一化處理。利用統(tǒng)計回歸分析方法，建立MODIS/NDVI與草地地上生物量遙感監(jiān)測模型。

圖2 草地遙感估產(chǎn)技術(shù)路線圖

圖3 野外實測樣點分布

2.4天然草地理論載畜量估算 基于季節(jié)畜牧業(yè)和草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的思想，陳全功[7]提出了關(guān)鍵場的新概念，基于3S技術(shù)的應(yīng)用和草業(yè)發(fā)展的需要，提出了關(guān)鍵場載畜量計算的新方法，為草地退化的防治和草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提供一個新的視角和可操作的評價指標；本研究以關(guān)鍵場思想為理論基礎(chǔ)，進行關(guān)鍵場載畜量計算。

依據(jù)基于草地類的理論載畜量計算原理，一定的草地采食牧草總量基于一定的草地類型，本研究要從某一類型草地的產(chǎn)草量得到放牧家畜的采食牧草量，需引入可利用草地系數(shù)K1m、可食牧草系數(shù)K2m和草地利用系數(shù)K3m，m=1，2，3……m，m表示不同的草地類型。

含有m個草地類型的某地區(qū)或某片草地的理論載畜量可按下式計算:

理論載畜量(TCC)=采食牧草總量(TFIP)/(p·d)

= (M1·Y1·K11·K21·K31+M2·Y2·K12·K22·K32+Mm-1·Ym-1·K1m-1·K2m-1·K3m-1+Mm·Ym·K1m·K2m·K3m)/(p·d)

(2)

式中，Mm為某類草地的面積(hm2);Ym為某類草地單位面積的產(chǎn)草量(kg/hm2)；p為1標準羊單位的日采食量，d為放牧天數(shù)。

顯然，理論載畜量反映的是在全年放牧的條件下，某區(qū)(片)草地上的平均生產(chǎn)能力或平均承載能力。以理論載畜量作為評價草地生產(chǎn)力的指標，其缺點一是載畜量的評價過程與草地畜牧業(yè)生產(chǎn)的實踐相脫離;二是平均生產(chǎn)能力不易反映草地畜牧業(yè)系統(tǒng)中能流、物流的瓶頸[7]。所以這里引入關(guān)鍵場載畜量概念:在一個草地畜牧業(yè)放牧系統(tǒng)中(大到一個區(qū)，小到一個鄉(xiāng))，將載畜量最小的季節(jié)放牧場定義為關(guān)鍵場(key pasture， KP) 。根據(jù)系統(tǒng)學(xué)的木桶原理，這個載畜量最小的季節(jié)放牧場——關(guān)鍵場，將決定整個放牧系統(tǒng)的最大承載能力[8]。

3 研究結(jié)果

地上生物量是草地資源動態(tài)監(jiān)測的重要指標。利用一元線型回歸和曲線回歸方法，統(tǒng)計分析各樣點的實測鮮草產(chǎn)量同NDVI值之間的相關(guān)關(guān)系表明，指數(shù)函數(shù)可以較好地模擬MODIS/NDVI與草地鮮質(zhì)量之間的相關(guān)關(guān)系(圖4)。草地植被地上生物量的擬合模型為：

y=140.64e0.020 5xR2= 0.506 2

(3)

式中，y為鮮草產(chǎn)量(kg/hm2),x為MODIS歸一化差值植被指數(shù)NDVI的值。因此，每個網(wǎng)格單元(250 m×250 m)的生物量(kg)可寫為：

通過ARCGIS 9.1軟件，運用公式(3)進行計算，然后與處理好的土地利用類型圖疊加，得到克州草地地上生物量，并以此為基礎(chǔ)結(jié)合克州地區(qū)草地類型圖(圖5)，估測克州地區(qū)各類型草地可食鮮草產(chǎn)量及其載畜能力(表1)。克州天然草地共有12個類，凈面積305.7萬hm2。按加權(quán)平均法，青草產(chǎn)量為1 663.27 kg/hm2，牧草利用率為51%，可利用青草產(chǎn)量848.27 kg。草地總產(chǎn)草量可利用量為2 593 142.02 t，放牧天數(shù)以全年計算，日食量以4 kg計算，草地載畜量為177.61萬羊單位。以面積論，山地荒漠、高寒草原、山地荒漠草原面積較大，分別占草地凈面積的26.94%、21.27%和20.93%；從理論載畜量上講，高寒草原、山地荒漠草原和山地荒漠載畜量較大，分別占總載畜量的23.99%、22.03%和19.95%。若以載畜能力來論，以山地草甸、高寒草甸和低地草甸的載畜能力較強，分別為0.63、0.91和1.03 hm2可養(yǎng)1只羊。

圖4 克州地區(qū)草地地上生物量統(tǒng)計模型

圖5 克州草地類型圖

表1 克州地區(qū)草地生產(chǎn)力評價

克州地區(qū)施行季節(jié)放牧,按各縣的不同可分為冬春場、夏秋場、夏場、秋場和冬春秋場,以市(縣)為單位各個季節(jié)牧場的載畜量如表2所示，其中載畜量最小的季節(jié)牧場即為關(guān)鍵場，其載畜量為關(guān)鍵場載畜量，再結(jié)合克州地區(qū)的實際載畜量263.19萬羊單位，可知超載率為48.18%，按照關(guān)鍵場理論，關(guān)鍵場載畜量為113.71萬羊單位，克州實際超載率為131.45%，遠遠高于理論超載率。

4 討論與結(jié)論

草地地上生物量的監(jiān)測是草地資源動態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容，也是草畜平衡綜合分析的基礎(chǔ),指數(shù)函數(shù)可以較好地模擬北疆地區(qū)草地地上生物量鮮質(zhì)量與MODIS/NDVI之間的相關(guān)關(guān)系，擬合模型為y=140.64e0.020 5x。

表2 2005年克州地區(qū)各市(縣)季節(jié)牧場理論載畜量和關(guān)鍵場載畜量 萬羊單位

克州天然草地以面積論，山地荒漠、高寒草原、山地荒漠草原面積較大，分別占草地凈面積的26.94%、21.27%和20.93%；從理論載畜量上講，高寒草原、山地荒漠草原和山地荒漠載畜量較大，分別占總載畜量的23.99%、22.03%和19.95%。若以載畜能力來論以山地草甸、高寒草甸和低地草甸的載畜能力較強，分別為0.63、0.91和1.03 hm2可養(yǎng)1只羊。

根據(jù)草地遙感估產(chǎn)模型計算了2005年克州州各市縣的理論產(chǎn)草量、理論載畜量?？酥莸膶嶋H載畜量為263.19萬羊單位，克州理論載畜量為177.61 4萬羊單位，超載率為48.18%，克州地區(qū)施行季節(jié)放牧，牧場按各縣的不同可分為冬春場、夏秋場、夏場、秋場和冬春秋場，按照關(guān)鍵場理論，關(guān)鍵場載畜量為113.71萬羊單位，克州實際超載率為131.45%，遠遠高于理論超載率。

本研究建立了克州地區(qū)天然草地地上生物量反演模型，并對克州地區(qū)天然草地生產(chǎn)力進行了評價，較為客觀的反映了克州地區(qū)的草畜平衡狀況，對今后深入研究該地區(qū)縣級的草地生產(chǎn)力和草畜平衡狀況有一定的實際指導(dǎo)意義。

[1] 李建龍,蔣平.我國草地遙感科學(xué)發(fā)展的軌跡、內(nèi)涵及展望[J].中國草地,1998(3):53-56.

[2] 陳全功,衛(wèi)亞星,梁天剛.NOAA資料在草地資源監(jiān)測中的應(yīng)用[J].草業(yè)科學(xué),1994,11(1):56-60.

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[4] 黃敬峰,王秀珍,王人潮,等.天然草地牧草產(chǎn)量與氣象衛(wèi)星植被指數(shù)的相關(guān)分析[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2000,21(1):33-36.

[5] 崔恒心.克孜勒蘇草地資源及其開發(fā)利用[M].烏魯木齊:新疆人民教育出版社,1998:1-4.

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[8] 陳全功.中國草原監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].草業(yè)科學(xué),2008,25(2):29-38.

EvaluationofgrasslandproductivityinKizilsuKirgizautonomousprefectureofXinjiang

CHU Shao-lin, YUN-Jing, Asiya·Manlike, Sailike·Douman, ZHENG Feng-lin

(Xingjiang Academy of Animal Science, Grassland Research Institute, Xinjiang Urumqi 830000, China)

The grassland vegetation index (NDVI) were selected to establish the model of estimation biomass in the Kizilsu Kirgiz Autonomous Prefecture by combing the MODIS data in July and August 2005 and the field biomass at the same time. This study established the estimating model of grassland yield through and the precision of the estimating model was good. The theoretical and Key Pasture carrying capacity were calculated by Key Pasture Theory. The result of this study showed that the theoretical and Key Pasture carrying capacity of Kizilsu Kirgiz Autonomous Prefecture were 1 776 100 and 1 137 100 sheep units, the overgrazing rates were 48.18% and 131.45% respectively when compared with the actual carrying capacity of 2 631 900 sheep units.

grassland productivity; estimation model； carrying capacity; key pasture

S812

A

1001-0629(2011)01-0053-06

2010-02-04 接受日期：2010-06-08

國家科技支撐計劃子課題“塔里木盆地西南緣山區(qū)退化草場修復(fù)技術(shù)集成示范”(2009BAC54B03)；新疆畜牧科學(xué)院青年基金(2008QJ06)

儲少林(1980-),男,安徽安慶人,助理研究員,主要從事草地遙感研究工作。

E-mail：shaolin-chu@163.com