克州地區天然草地生產力評價

儲少林,贠 靜,阿斯婭·曼力克,賽里克·都曼,鄭逢令

(新疆畜牧科學院草業研究所,新疆 烏魯木齊 830000)

克州地區天然草地生產力評價

儲少林,贠 靜,阿斯婭·曼力克,賽里克·都曼,鄭逢令

(新疆畜牧科學院草業研究所,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遙感數據提取植被指數(NDVI)，通過典型區野外實地采樣，得到與MODIS影像資料時相一致的草地地上生物量數據，分析遙感植被指數與植被生物量的相關關系，建立了生物量估測模型，并進一步對克州天然草地生產力進行了評價。根據關鍵場理論計算了克州地區理論載畜量以及關鍵場載畜量。結果表明，克州地區的實際載畜量為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。

草地生產力；監測模型； 載畜量；關鍵場

草地生產力不僅體現草地生態系統的穩定性及生物種群的多樣性，而且是制定畜牧業生產規劃的基礎。能否及時準確地掌握大面積草地產量資料，對科學計算草地載畜量和合理安排草畜生產，提高草地畜牧業生產力，維護草地生態系統的持續穩定，都具有十分重要的意義[1]。近幾年來，EOS/MODIS資料已廣泛應用于植被生態、土地利用和土地覆蓋、自然災害等方面的監測和研究。利用MODIS資料開展天然草地資源的遙感動態監測，已成為國際草地科學研究中的前沿課題，對確定合理載畜量和加強草地科學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，EVI利用MODIS輻射儀的優點，訂正地表反射率以提高對高生物量區的敏感性，并通過葉冠背景信號耦合和減少大氣影響來提高植被監測精度。這2個植被指數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方面相互補充[2]。使用MODIS資料已進行的相關研究有植被分類[3]、植被指數與氣象因子的相關分析、植物長勢和植被指數變化和自然災害監測[4]等。

本研究利用高時間分辨率的MODIS-NDVI數據，研究了2005年新疆克州地區天然草地地上生物量同植被指數之間的關系，根據相關性原則回歸出適合該地區的草地遙感估產模型，并以草地遙感估產模型為基礎對克州地區的天然草地生產力進行了評價，再根據關鍵場理論計算得到了2005年克州各市(縣)的理論載畜量與關鍵場載畜量，以期為草地資源監測和草畜動態平衡提供科學依據。

1 研究區概況

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系統中最重要的組成部分，對涵養水源、防止水土流失具有重要作用。克州地表水徑流量79.62億m3，山區很少有森林生長，主要靠山地草原涵養水源。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，產草量降低，草地嚴重退化，極大削弱了天然草地水源涵養能力，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，洪水災害頻繁發生，給克州及下游地區帶來災害，嚴重危害生態安全。同時，克州是新疆主要牧區之一，也是自治區的貧困地州，生產條件極差，經濟發展嚴重滯后，2003年全州農牧民人均收入1 320元，牧民收入更低，一般為1 000元左右，半數以上牧民處在貧困線以下。阿克陶縣塔爾塔吉克自治鄉牧民人均收入僅580元，為全疆牧民低收入之最[6]。

圖1 研究區地理位置

2 數據來源與處理

2.1草地遙感估產技術路線 理論產草量、理論載畜量、關鍵場載畜量的計算涉及遙感、地理信息系統、全球定位系統等技術的綜合，使用到多種不同來源的數據，具體的技術路線如圖2。

2.2草地樣方實測數據 外業調查主要集中在2005年草地生長季期間，調查內容包括樣點草地類型，使用GPS測定的樣點空間位置信息：經度、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、植物種數等。具體確定方法為：樣方設置既要考慮代表性，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，在被調查的樣地內，盡量選擇未利用的區域作測產樣方。圖3為2005年克州草地野外實測樣點分布情況。

2.3遙感數據 利用ArcGIS 9.1軟件，建立了克州地區行政分區、草地資源類型、地面調查樣點空間分布等數據庫。MODIS數據來自NASA MODIS陸地產品組按照統一算法開發的MODIS植被指數產品。本研究使用的植被指數為16 d合成數據，空間分辨率為250 m的MOD13Q1數據集。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的植被指數值；NDVImin和NDVImax分別表示最小、最大歸一化植被指數值。把NDVI的值歸一到0～255。

使用MRT (MODIS reprojection tools)軟件，將下載的數據進行格式和地圖投影轉換，把HDF格式轉化為tiff格式；把SIN地圖投影轉換為WGS84/Geographic系統，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。利用統計回歸分析方法，建立MODIS/NDVI與草地地上生物量遙感監測模型。

圖2 草地遙感估產技術路線圖

圖3 野外實測樣點分布

2.4天然草地理論載畜量估算 基于季節畜牧業和草地農業生態系統的思想，陳全功[7]提出了關鍵場的新概念，基于3S技術的應用和草業發展的需要，提出了關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的可持續發展，提供一個新的視角和可操作的評價指標；本研究以關鍵場思想為理論基礎，進行關鍵場載畜量計算。

依據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草量得到放牧家畜的采食牧草量，需引入可利用草地系數K1m、可食牧草系數K2m和草地利用系數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草量(kg/hm2)；p為1標準羊單位的日采食量，d為放牧天數。

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

3 研究結果

地上生物量是草地資源動態監測的重要指標。利用一元線型回歸和曲線回歸方法，統計分析各樣點的實測鮮草產量同NDVI值之間的相關關系表明，指數函數可以較好地模擬MODIS/NDVI與草地鮮質量之間的相關關系(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為鮮草產量(kg/hm2),x為MODIS歸一化差值植被指數NDVI的值。因此，每個網格單元(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，并以此為基礎結合克州地區草地類型圖(圖5)，估測克州地區各類型草地可食鮮草產量及其載畜能力(表1)。克州天然草地共有12個類，凈面積305.7萬hm2。按加權平均法，青草產量為1 663.27 kg/hm2，牧草利用率為51%，可利用青草產量848.27 kg。草地總產草量可利用量為2 593 142.02 t，放牧天數以全年計算，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1只羊。

圖4 克州地區草地地上生物量統計模型

圖5 克州草地類型圖

表1 克州地區草地生產力評價

克州地區施行季節放牧,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)為單位各個季節牧場的載畜量如表2所示，其中載畜量最小的季節牧場即為關鍵場，其載畜量為關鍵場載畜量，再結合克州地區的實際載畜量263.19萬羊單位，可知超載率為48.18%，按照關鍵場理論，關鍵場載畜量為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 討論與結論

草地地上生物量的監測是草地資源動態監測的重要內容，也是草畜平衡綜合分析的基礎,指數函數可以較好地模擬北疆地區草地地上生物量鮮質量與MODIS/NDVI之間的相關關系，擬合模型為y=140.64e0.020 5x。

表2 2005年克州地區各市(縣)季節牧場理論載畜量和關鍵場載畜量 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1只羊。

根據草地遙感估產模型計算了2005年克州州各市縣的理論產草量、理論載畜量。克州的實際載畜量為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%，克州地區施行季節放牧，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，按照關鍵場理論，關鍵場載畜量為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天然草地地上生物量反演模型，并對克州地區天然草地生產力進行了評價，較為客觀的反映了克州地區的草畜平衡狀況，對今后深入研究該地區縣級的草地生產力和草畜平衡狀況有一定的實際指導意義。

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

[2] 陳全功,衛亞星,梁天剛.NOAA資料在草地資源監測中的應用[J].草業科學,1994,11(1):56-60.

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

[4] 黃敬峰,王秀珍,王人潮,等.天然草地牧草產量與氣象衛星植被指數的相關分析[J].農業現代化研究,2000,21(1):33-36.

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

[6] 新疆維吾爾自治區統計局.新疆2006年統計年鑒[M].北京：中國統計出版社,2006.

[7] 陳全功.關鍵場與季節放牧及草地畜牧業的可持續發展[J].草業學報,2005,14(4):29-34.

[8] 陳全功.中國草原監測的現狀與發展[J].草業科學,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退化草場修復技術集成示范”(2009BAC54B03)；新疆畜牧科學院青年基金(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