3S技術與地面調查相結合的涼州區草地資源現狀及生產力評價

楊俊基,俞聯平,李 昀,李新媛,陳興榮,強文軍,李金山

(1.甘肅省草原技術推廣總站,蘭州 730010;2.甘肅省涼州區草原站)

涼州區位于甘肅省河西走廊東端,祁連山北麓的溫帶大陸性干旱氣候區,全區國土面積49.07萬hm2,其中耕地 22.59萬 hm2,境內騰格里沙漠面積達14.66萬hm2,各類草場面積僅11.23萬hm2,主要分布在祁連山沿山區,占全區國土面積22.89%。近年來,持續干旱的氣候條件,加之超載過牧導致有限草地資源進一步退化,給武威綠洲灌溉農業的發展及石羊河流域水源補給造成了潛在的威脅。

為提高涼州區天然草原資源利用、管理、保護、建設等決策的科學性與可靠性,需要對現有草地資源數量、質量、分布、生產能力等現狀重新評價。

然而目前草地資源監測大都沿用傳統的地面測產方法,需要專業技術人員進行長期的地面調查,測定周期長,費用高,不能及時反映大面積草地資源及生產力變化的狀況。近年來,隨著遙感技術(RS)、全球定位系統(GPS)和地理信息系統(GIS)的一體化發展,為在時空上進行快速、精確、大尺度草地資源信息采集、定位、分析提供了技術支持[1-7]。

本研究充分利用遙感信息(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位系統(GPS)的一體化集成技術,以陸地衛星的TM影像為數據源,在典型區調查和路線調查的基礎上,結合相關專業圖件和知識,對涼州區草原資源現狀及其生產力進行了評價,為涼州區草原資源的保護、建設和合理利用提供科學依據。

1 研究區概況

涼州區位于河西走廊東端,祁連山北麓,地處東經102°05′20″～ 103°23′20″,北緯 37°23′20″～ 38°12′30″,年日照時數2 968 h,年均氣溫8℃,無霜期150 d,降水量101.6mm,蒸發量1 981.1mm,屬典型的干旱大陸型氣候區。現有各類草場11.23萬hm2,耕地22.59萬hm2,境內騰格里沙漠面積達14.66萬hm2,草場面積僅占全區國土面積(49.07萬hm2)的22.89%。

2 數據源及研究方法

2.2 草原類型劃分 采用與20世紀80年代全國首次草原資源調查相同的草原屬性界定標準和草原分類系統《中國草原類型的劃分標準和中國草原類型分類系統》[8]。

2.3 研究方法

2.3.1 遙感影像處理及分類

2.3.1.1 影像糾正 以涼州區已定義地理標志的遙感影像為參照,采用多項式幾何校正模型(Polynomial)對所選定的TM影像進行幾何糾正。采用T ransverse Mercator投影,Krasovsky橢球體[9-10]。

2.3.1.2 影像分類、判譯及草原類型劃分 在目視判讀的基礎上,根據實地采樣并結合土地利用現狀圖、20世紀80年代草原類型圖等選取訓練樣本,采用最大似然法進行監督分類[9-10]。在此基礎上,進一步根據植被的水平分布和垂直地帶分布特點,在GIS環境下結合坡度、坡向和高程等數據,采用人機交互的方式對分類結果進行修正,提高分類精度[11-13]。

分類結果采用驗證樣本進行精度驗證,符合分類精度要求。

2.3.2 植被指數提取及草地產草量估算 利用ERDAS軟件從Landsat TM 第3、4波段提取DNVI數據,并根據天然草原鮮草產量的實測值,結合相應點NDVI采用值建立估產模型,估測涼州區天然草原產草量并計算其載畜能力[1,3,13-16]。

1)歸一化植被指數計算公式:

在審美如何通達政治方面，西方馬克思主義代表人物雅克·朗西埃的著作《美感論》中探討了十四個事件，如對溫克爾曼筆下赫拉克勒斯殘軀的分析，“《殘軀》的外表讓我們看出，它既像是在對自己這幅英雄軀體完成的偉業作著回想，又像是在波浪一般的起伏漲落中對一切已經無動于衷，這座雕像上已經有了改換不停的各種身體，它就像是這樣把多重外表融為一層，把多個身體化作一個，是這樣而來的緊張狀態讓它產生了美”[3]19。朗西埃由赫拉克勒斯殘軀的外在形式，看到這一雕像的極致之美，及其背后藝術審美體制的歷史變遷。

其中:ρnir為紅外光波段反射率,ρred為紅光波段反射率。

2)草原可食鮮草產量計算公式如下:

3)草原載畜量計算公式:

每羊單位日采食量按4 kg鮮草計算;

3 結果與分析

3.1 草原資源 在遙感判讀的基礎上,結合相關的專業知識及外業調查資料,將涼州區天然草原劃分為5個草原類(5個亞類)。

涼州區有天然草原11.23萬hm2,占全區國土面積(49.07萬hm2)的22.89%,其中可利用面積9.75萬hm2,占全區國土面積的 19.87%,草原面積的86.82%。涼州區草原資源及生產力統計見表1。

從表1可看出,涼州區天然草原以山地丘陵溫性草原為主,有草原面積6.80萬hm2,其中可利用草原面積6.03萬hm2,占全區草原面積的60.55%,可利用草原面積的61.90%;其次為淺山平原溫性荒漠化草原,草原面積和可利用草原面積分別為2.11萬hm2和1.76萬hm2,分別占全區草原面積的18.83%,可利用草原面積的18.07%;涼州區有礫石質溫性荒漠草原1.63萬hm2,其中可利用草原面積1.31萬hm2,分別占全區草原面積的14.53%,可利用草原面積的13.40%;境內分別有0.28萬hm2的亞高山草甸和0.40萬hm2的低平地鹽化草甸,可利用草原面積分別為0.26萬hm2和0.38萬hm2,分別占全區草原面積的2.50%和3.59%,可利用草原面積的2.70%和3.94%。

表1 涼州區草原資源及生產力統計表

與上世紀80年代相比,涼州區耕地面積增加了0.12萬hm2(除劃歸肅南縣的祁連鄉和旦瑪鄉),新增耕地主要分布在九敦鄉、長城鄉、下雙鄉、清源鎮和發放鎮 ,分別有 7 085 hm2、7 185 hm2、1 370 hm2、1 419 hm2和781 hm2,均來源于開耕騰格里沙漠邊緣的荒漠草地和沙產業開發。張義鎮期間開耕的山坡地,近幾年因移民搬遷和退耕還草等,大部分已恢復為草地。全區天然草地面積總體變化不大,約減少0.6萬hm2。

3.2 天然草原產草量及載畜能力評價 利用固定樣地、路線調查定位點草原鮮草產量的實測數據,結合相應點NDVI值,建立了涼州區草原產草量估產的指數模型(y=0.052e0.036x,R2=0.502),經實測值與相應點NDVI值的相關分析,二者之間存在正相關(相關系數r=0.71,P＜0.01)。涼州區各類型草原可食鮮草產量及其載畜能力見表1。

由表1可知,涼州區天然草原以亞高山草甸草場每公頃可食鮮草產量最高,為1 451.86 kg,但由于其面積較小(僅0.26萬hm2),僅提供1 568個羊單位的載畜能力;其次為山地丘陵溫性草原,是涼州區面積最大的天然草地,每公頃可食鮮草產量1 033.20 kg,每羊單位所需草原面積2.83 hm2,提供2.13萬羊單位的承載能力;溫性荒漠化草原每公頃可食鮮草產量為966.66 kg,每羊單位所需草原面積3.78 hm2,提供4 665個羊單位的載畜能力;溫性荒漠類草原每公頃可食鮮草產量 784.71kg,每羊單位所需草原面積5.81 hm2,提供約2 245個羊單位的載畜能力;低平地鹽化草甸每公頃可食鮮草產量854.01kg,每羊單位所需草原面積3.11 hm2,適宜載畜能力為1 234個羊單位。

經估算,全區各類草原總可食鮮草產量9.67萬t,按天然草原合理載畜量的計算方法(中華人民共和國農業行業標準)[14]推算,涼州區理論載畜量為3.10萬個羊單位。

上世紀80年代涼州區天然草地平均每2.02 hm2飼養1個羊單位,全縣理論載畜量5.213萬羊單位,目前天然草地理論載畜量3.10萬羊單位,平均每3.62 hm2飼養1個羊單位,與20年前相比草地承載能力降低了44.20%。

3.3 草原利用現狀 2008年全縣青干草產量0.85萬t,可用于反芻家畜飼養業的農作物秸稈100.80萬t,二者提供154.72萬羊單位的飼草用量。當年全區牛、馬、驢、騾、駝和羊存欄折合168.26萬個羊單位,尚有13.54萬羊單位牛羊依賴于天然草場放牧,與全區草原理論載畜量3.11萬個羊單位相比,超載10.43萬個羊單位,超載336.07%。由于超載過牧,已導致涼州區西部祁連山沿山區部分溫性草原草場嚴重退化,可食牧草種類和數量明顯減少而醉馬草泛濫。

4 結 論

4.1 涼州區天然草原主要包括5個草原類(5個亞類)。全區有天然草原11.23萬hm2(可利用面積9.75萬hm2),其中山地丘陵溫性草原占60.55%,淺山平原溫性荒漠化草原占18.83%,礫石質溫性荒漠草原占14.53%,亞高山草甸和低平地鹽化草甸分別占2.50%和3.59%。

4.2 涼州區天然草原以亞高山草甸草場每公頃可食鮮草產量最高,為1 451.86 kg,其次為山地丘陵溫性草原,為1 033.20 kg,以溫性荒漠類草原最低,平均784.71 kg,溫性荒漠化草原和低平地鹽化草甸分別為966.66kg和854.01 kg。

4.3 全縣各類草原適宜載畜能力(理論載畜量)為3.10萬個羊單位,實際放牧家畜13.54萬羊單位,超載336.07%,已造成涼州區西部祁連山沿山區部分溫性草原草場的嚴重退化。

4.4 與上世紀80年代相比涼州區天然草地面積因開耕而減少了 0.60萬 hm2,天然草地承載力降低了44.20%,由20年前的每2.02hm2飼養1個羊單位變為現在的3.62 hm2飼養1個羊單位。

[1]王兮之,杜國楨,梁天剛,等.基于 RS和GIS的甘南草原生產力估測模型構建及其降水量空間分布模式的確立[J].草業學報,2001,10(2):95-102.

[2]李建龍,蔣平,徐雨清.利用遙感技術和地理信息系統動態監測天山草原與農業資源研究[J].蘭州大學學報:自然科學版,1998,34(3):110-116.

[3]李建龍,蔣平,戴若蘭.RS,GPS和GIS集成系統在新疆北部天然草原估產技術中的應用進展[J].生態學報,1998,l18(5):505-510.

[4]蘇大學,劉建華,鐘華平,等.中國草原資源遙感快查技術方法的研究[J].草原學報,2005,13(增刊):4-9.

[5]陳全功,衛亞星,梁天剛.青海省達日縣退化草原研究[J].草業學報,1998,7(2):58-63.

[6]韓蘭英,陳全功,韓濤,等.基于3S技術的棉花面積估測方法研究[J].干旱區研究,2008(2):207-211.

[7]魏偉,趙軍,王旭峰.天祝高寒草原區 NDVI,DEM與地表覆蓋的空間關系[J].干旱區研究,2008(3):394-401.

[8]甘肅省草原總站.甘肅草原資源[M].蘭州:甘肅科學技術出版社,1999.

[9]李小娟,宮兆寧,劉曉萌,等.ENVI遙感影像處理教程[M].北京:中國環境科學出版社,2008.

[10]趙文吉,段福州,劉曉萌,等.ENVI遙感影像處理專題與實踐[M].北京:中國環境科學出版社,2008.

[11]董永平,吳新宏,戎郁萍.草原遙感監測技術[M].北京:化學工業出版社,2005.

[12]黨安榮,賈海峰,易善楨,等.Arcgis 8 Desktop地理信息系統應用指南[M].北京:清華大學出版社,2003.

[13]俞聯平,程文定,陳興榮,等.基于3S技術的甘肅省甘州區草原資源評價[J].中國農業資源與區劃,2008,29(6):9-15.

[14]蘇大學,孟有達,武保國,等.天然草原合理載畜量的計算[S].中華人民共和國農業行業標準(NY/T635—2002),2002.

[15]羅亞,徐建華,岳文澤.基于遙感影像的植被指數研究方法述評[J].生態科學,2005,24(1):75-79.

[16]劉定祥,邱元明.草地適度載畜量[J].中國草食動物,1999,19(2):12-13.