四川省天然草原生產力監測方法研究

張新躍，周 俗，唐川江，張緒校，侯 眾

（四川省草原工作總站，四川 成都610041）

四川草原面積共有2．087×107hm2，占全省幅員面積的43%，可利用天然草原面積1．767×107hm2，占全省草原總面積的85%［1］，草原年均鮮草產量8×1011kg以上，僅次于內蒙古、新疆，居全國第三。按照20世紀80年代全國分類，四川草原類型共有11類35組126個型，面積較大的類是高寒草甸草地類、高寒灌叢草地類和山地灌草叢草地類，分別占全省草原總面積的49%、15%和9%。天然草原牧草構成以禾本科、豆科、莎草科和雜類草為主，其中禾本科植被107屬355種，豆科植物64屬213種。各組草地中，第4組“莎草、雜類草草地組”面積最大［2］，可利用面積占全省草原總可利用面積的29%，雜類草草甸草地、禾草－雜類草草甸草地、禾草－雜類草－豆科草農隙地草地、禾草－雜類草－闊葉灌木草叢草地可利用面積均在1．33×106hm2以上，共占全省草原可利用面積的32%。

川西北高原總體地勢高、原面遼闊，70%的可利用草原分布在這里，主要為高寒草甸草地和高寒灌叢草地，在海拔較低的地方有山地疏林草地。川西南地區屬山地地區，草地資源垂直分異顯著，海拔1 500m以下主要為山地灌叢草地，1 500～2 800m為山地草甸草地和山地灌草叢，2 800～3 500m以高山草甸草地為主，可利用草原面積占全省的11%。盆地邊緣山地地區草地分布廣泛，主要為以白茅（Imperata cylindrica var．major）、藎草（Arthraxon hispidus）等禾本科牧草為主的灌草叢草地，盆地內草地較少，僅有農隙地和零星的灌草叢草地。由于四川草原類型多樣，地形復雜，利用 MODIS進行草地監測干擾因素多，技術難度大［3－4］。本研究探索適用于省、州級草原部門開展較大范圍的草原監測工作的監測技術和方法，以期為全面、客觀、快速地估測天然草原生產力，對草原植被與生態狀況進行科學分析與評價提供基礎。

1 監測與調查方法

1．1 總體技術思路 以20世紀80年代全省草原資源調查資料為本底，設立固定監測點和監測路線，進行地面調查，獲取樣地地上生物量數據。結合MODIS遙感影像，提取植被指數；用地學分析和數理統計分析，建立植被指數與草原生物量的相關性模型，并對模型進行驗證和修正；用模型結合本底資料估測出地上生物量，并對結果精度進行評價［5－6］。

根據四川省草原類型的分布特征，對全省草原11類35個組中，分布面積10萬hm2以上的草地組進行定位監測，10萬hm2以下的草地組進行路線監測。定位監測主要通過在重點草原類型、重點區域或選擇有代表性的地段設立固定監測點，定期在監測點內進行樣方調查。路線監測根據監測工作的需要，設定好一定的路線，開展樣地、樣方調查。固定監測點設定要求每個固定監測點代表特定的草地組、植被狀況與生態條件，監測點樣地內植被特征、生態狀況和利用狀況基本均勻、一致，樣地邊緣離公路或河流500m以外，每個監測點面積1 000hm2，依據地形設為圓形、正方形或多邊形。監測路線設定在全省10萬hm2以下的14個草地組中，依據各草地組的分布范圍和特點，每個草地組制定1～4條野外調查路線。

1．2 地面調查

1．2．1 樣地設置 固定監測點：在固定監測點區域內選擇樣地，樣地要能真實反映和代表區域內植被和生態狀況的總體水平。樣地水平間距不小于250 m，盡量選在坡度較小、比較平緩的地方。共計26個固定監測點。

路線調查：在調查路線上選定有代表性的草地按一定的方向和間距依次確定各樣地，樣地水平間距不小于250m。樣地要有代表性，遠離公路、河流、建筑物300m以上。共計14條監測路線。

1．2．2 樣方設置 在樣地內布設樣方。草本樣地（草本及矮小灌木樣地，高度在80cm以下的草本、50cm以下的較小灌木）每個樣地設3個樣方，樣方一般為1m2，若植被分布呈斑塊狀或者較為稀疏，可將樣方擴大為2～4m2。灌木樣地（高大灌木及高大草本）每個樣地1個樣方，樣方面積100m2（20m×5m或10m×10m），灌木樣方內設置3個草本樣方。共計1 943個草本樣方，431個灌木樣方。

1．2．3 地面信息獲取 用GPS記錄每個樣方的位置，并拍每個樣方的俯視照片和周圍景觀照片；對樣方情況進行描述，注明草原自然條件和利用方式等；測定樣方內植物種類組成、平均高度、蓋度等。只有草本及小灌木的樣方采用齊地面刈割法測產，按照地上可食產草量和總產草量分別測定鮮質量，然后將鮮草裝袋，待自然風干后再測風干質量；在具有灌叢的監測點內，先采用100m2的樣方，測取樣方灌叢質量，再在該樣方內做3個1m2小樣方，測草本及矮小半灌木的質量。

1．3 衛星影像的獲取與植被指數計算 MO－DIS數據由四川省地震局MODIS數據地面接收站接收的Terra衛星影像，為 MODIS 1B級數據，HDF格式，使用其中的1～2波段（250m分辨率）計算植被指數。四川省草地類型分布圖根據“84年全國草地調查”制成的1∶50萬類型圖，經“Arc－GIS”軟件數字化，定義坐標系和投影方式，形成的帶地理信息，包含各類、組、型草地的分類、分布信息的數字線畫地圖（DLG）。各級數字地圖和影像均采用蘭勃托（Lambert）投影，中央經度104°E，標準緯線分別為27°N和33°N。MODIS利用“ENVI”或“ERDAS”軟件對MODIS 1B級數據進行處理，主要過程有預處理、圖像糾正、圖像增強、鑲嵌與裁切與歸一化植被指數（NDVI）、增強植被指數（EVI）計算，獲取全省植被指數分布圖［7］。

1．4 植被指數合成與生物量模型建立

1．4．1 植被指數合成 根據四川草原地區的植被特點和水熱條件，選用標準的NDVI和EVI，按照計算公式進行波段運算。采用最大值合成（MVC）法合成植被指數，合成期為16d。

1．4．2 模型建立 根據四川省草原各類型空間分布特點，按不同的草地組分別建立估產模型。為了使估產結果能全面、宏觀地反映全省草原整體狀況，將主要的草地組（可利用面積6．67×105hm2以上）單獨建立模型；分布零星、分散、面積較小的草地組合并建模。建模的方法見“草原資源遙感監測－基于MODIS數據的生物量估測技術規程”，包括灰度值提取、建立模型和驗證、修正等過程。

1．5 結果計算與評價 利用植被指數圖和已建立的估產模型反演草原生物量，逐像元計算，統計不同草原類型、不同區域的生物量。結合本底資料、實測數據對生物量估測的精度進行評價。生物量估測值與真值（地面調查數據）的誤差越小，精度越高。相對誤差（ε）和精度（p）計算公式如下：

式中，μ為真值，x為生物量估測值。

2 結果

2．1 樣方植被蓋度與高度 2006－2009年，經對全省草原牧草生長的高峰期（7月20日－8月10日）1 943個草本樣方和431個灌木樣方調查發現，在35組草地中，7組草地為全省主要的草地類型（組），其中第4、5、2、9組為草本和矮小灌木為主的草地，28、12、23為高大灌木和喬木為主的草地，面積占總可利用面積的71%（表1）。面積最大的第4組“莎草、雜類草草地組”，草群高度平均12cm，植被蓋度70．5%，為四川高寒草甸的代表。其次為第5組雜類草草甸草地，面積占全省可利用草原面積的8%，草群高度平均13．9cm，植被蓋度為80%。在灌叢草地中，第28組“禾草、雜類草、闊葉灌木草叢草地”面積最大，主要分布于四川盆地邊緣和內地，草群平均高度達170．7cm，植被蓋度89．4%。

2．2 樣方產量與對應植被指數 由樣方統計出的各組草地的鮮草產量在361．69～1 085．3g／m2，可食率68%～92%，鮮干比（2．1∶1）～（3．9∶1），EVI2在0．354～0．645。其中第4組草地鮮草產量600g／m2左右，可食鮮草530g／m2，折合干草145 g／m2，代表了全省草原可食產量的平均水平（表2）。

2．3 主要草地組生物量模型 應用3年的樣方數據和同期植被指數，通過“SPSS 11．0”軟件的回歸分析，并經過修正得出的產量模型及相關參數（表3）。模型采用指數和對數方程，依據草地組共建立9個模型，前7個為各組單獨的估產模型，第8個為除去4、5、2、9組的其他以草本為主的草地的估產模型，第9個為除去28、12、23組的其他以灌叢為主的草地的估產模型。相關系數最高的為第4組草地模型，達0．688 3，這與該組草地分布廣袤、植被狀況均勻一致有關。第5、28組草地相關系數也較高，均在0．600 0以上。第23組為灌叢草地，分布相對零星、面積較小，相關系數較低，為0．471 0。

表1 主要草地組植被狀況

表2 樣方產量與對應植被指數

2．4 全省草地生物量

2．4．1 全省主要草地組產量 應用估產模型和同期MODIS影像植被指數EVI計算，估測2007－2009年3年各組草地的生物產量，根據樣方調查數據所得的可食率和鮮干比，求得可食鮮草和干草產量（表4）。天然草原產量年際變化明顯，全省總產量2009年最高，較2007年增加約7．4%，比2008年高0．6%。全省3年平均可食產量8．39×1010kg，折合干草2．53×1010kg，平均可食鮮草產量4．75×103kg／hm2。各組草地中，平均可食產量較高的為灌叢草地，其中第28組草地鮮草產量平均6．13×103kg／hm2，面積最大的第4組草地平均產量為4．28×103kg／hm2，基本代表了我省高原地區的平均產量。

表3 主要草地組的產量模型及參數

2．4．2 主要地區草原產量 甘孜、阿壩、涼山三州是全省天然草原主要集中分布區，天然草原年平均可食鮮草產量6．42×1010kg，占全省天然草原可食鮮草總產量的76．9%，理論載畜量2．18×107羊單位。三州中產量最高的為甘孜州，年均可食鮮草3．29×1010kg，占三州總產量的51%，其次為阿壩州，年均產量1．84×1010kg，占三州總產量的29%，最低的為涼山州，年均1．29×1010kg，占20%．內地廣元、綿陽、雅安、達州市等草山草坡年平均可食鮮草1．94×1010kg，占全省的13．2%，理論載畜量7．88×106羊單位（表5）。

表4 2007－2009年各組草地可食產量

表5 各地區草原產量與理論載畜量

3 討論與小結

3．1 影響監測結果的因素

3．1．1 草原分布變化 近年來實施了一系列生態保護工程，部分草原植被群落發生演替，盆地和盆周地區的大部分草原為20世紀森林破壞后的次生植被，經一定時期的恢復，逐漸被高大灌木或喬木所代替。四川省一直沿用20世紀80年代全國草原普查資料，會對監測結果產生一定影響，尤其以四川盆地周邊的地區影響較大。

3．1．2 復雜地形 四川草原地區多為高山和峽谷，地形復雜，受小環境影響，植被類型多樣且分布不連續。由于MODIS成像面積大，利于獲取宏觀信息；局部地形地貌復雜的地區，監測結果的準確性降低，應使用高分辨率的衛星影像。

3．1．3 多云天氣 每年7、8月為草原生產力監測的適宜時期，同時也是全省的多雨季節，長期陰云密布，影響MODIS衛星對地觀測數據，圖像雖然采用16d最大值合成，但每年仍有部分地區（特別是涼山州）的影像無法完全去除云干擾。

3．2 適用情況 MOIS－NDVI和EVI是最常用的植被指數，在農業資源監測評估中得到普遍應用，在草原生產力監測中，由于MODIS成像面積大，利于獲取宏觀同步信息，而且資料來源均勻、連續、實時性強，成本低，應用潛力極大。在我國北方草原生產力監測中MODIS數據得到大量研究和應用，在南方草原尚屬起步階段。應用本研究提供的技術方法和估測模型進行監測，監測結果基本符合各地實際，能夠滿足省、州級草原部門較大范圍草原測產工作的需要［8－9］。

［1］ 四川省畜牧局．四川省天然草地資源調查統計冊［R］．1987．

［2］ 張新躍，周俗，唐川江，等．四川省莎草、雜類草草地生產力遙感監測［J］．草業科學，2009，26（6）：57－61．

［3］ 張旭，劉新春，肖繼東，等．EOS／MODIS影像處理在塔里木河下游植被監測中的應用［J］．干旱區研究，2005，22（4）：532－536．

［4］ 周清波，劉佳，王利民，等．EOS－MODIS衛星數據的農業應用現狀及前景分析［J］．農業圖書情報學刊，2005，17（2）：202－205．

［5］ 劉愛軍，邢旗，高娃，等．內蒙古2003年天然草原生產力監測及載畜能力測算［J］．內蒙古草業，2003，15（4）：1－3．

［6］ 趙冰茹，劉闖，劉愛軍，等．利用 MODIS－NDVI進行草地估產研究——以內蒙古錫林郭勒草地為例［J］．草業科學，2004，21（8）：12－15．

［7］ DB 51／T 1089－2010基于 MODIS數據的草原地上生物量遙感估測技術規程［S］．四川省質量技術監督局，2010．

［8］ 任繼周，胡自治，陳全功，等．草地遙感應用動態與研究進展［J］．草業科學，1996，13（1）：55－60．

［9］ 烏蘭吐雅，劉愛軍，高娃．內蒙古天然草原植被20年動態遙感監測［J］．草業科學，2009，26（9）：40－42．