瑪納斯河流域草地生態功能區劃研究

張青青，于 輝，安沙舟，吐爾遜娜依·熱依木，井長青

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆維吾爾自治區草地資源與生態重點實驗室，烏魯木齊830052)

瑪納斯河流域草地生態功能區劃研究

張青青，于 輝，安沙舟，吐爾遜娜依·熱依木，井長青

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆維吾爾自治區草地資源與生態重點實驗室，烏魯木齊830052)

【目的】根據草地的生產力狀況及生態服務功能，對瑪納斯河流域草地進行生態功能區劃，為區域草地資源的優化利用提供依據。【方法】以瑪納斯河流域為例，利用遙感影像解譯數據以及植被調查監測數據，借鑒前人構建的草地生產力指數、草地生態服務功能價值指數和草地生態功能分區模型，對瑪納斯河流域的草地進行生態功能區的劃分。【結果】(1)草地生產力指數水平最低的為溫性荒漠類(沙質荒漠)、溫性草原化荒漠類和溫性草甸草原類，最高的為山地草甸類和高寒草甸類和溫性荒漠。(2)生態系統服務功能最重要的主要是高寒草甸類和山地草甸類。(3)瑪納斯河流域草地從空間上可劃分為3種功能區，生態保護功能區主要包括溫性草甸草原類、山地草甸類和溫性荒漠類(沙質荒漠);經濟功能區面積最大，包括溫性荒漠草原類、高寒草甸類、溫性荒漠類和溫性草原化荒漠類;混合經營管理功能區主要是溫性草原類。【結論】不同的草地類型其生產力狀況以及生態服務功能的價值有所差異，綜合考慮生態系統服務功能與經濟發展，對草地進行合理的利用。

瑪納斯河流域;草地;生產力;生態系統服務功能;生態功能區劃

1 材料與方法

1.1 材料

瑪納斯河流域地處天山北坡中段，準噶爾盆地南緣。流域內廣泛分布著眾多河流分支及農田引水灌溉渠系。冰雪融化和降水是瑪納斯河流域水系的主要補給來源。瑪納斯河流域草地類型多樣，從山區、山前傾斜平原到荒漠，共可劃分為7個草地類型，草地占流域總面積的52%。流域有山地、平原綠洲和荒漠三大地貌單元，山地海拔高程的變化導致水熱條件的差異，從而使草地上的植被呈垂直帶狀分布規律。圖1

圖1 瑪納斯河流域概況Fig.1 Overview map of Manas river basin

1.2 方法

1.2.1 遙感影像數據的解譯以1980年代新疆第一次草地調查的草地類型圖為依據，利用2013年ETM+遙感影像為基準，采用目視解譯的方法，去除1980年代新疆第一次草地調查的草地類型圖中的農田和水體，并用野外路線調查數據對解譯結果進行校正，獲得2013年瑪納斯河流域草地類型的圖形、屬性數據以及瑪納斯河流域草地類型圖，統計不同草地類型的面積等指標。圖2

圖2 瑪納斯河流域草地類型Fig.2 The map of grassland types of Manas river basin

1.2.2 植被調查及取樣

2013年8月20～26日對7個草地類型進行植被數量特征的調查測定。在每個草地類型分區范圍內分別選取典型樣地，每個樣地隨機布置7個1 m×1 m的樣方，統計指標包括植物種類、植株高度、蓋度、密度和生物量等。根據調查和取樣數據，以及瑪納斯縣和沙灣縣的草地資源調查報告，確定瑪納斯河流域不同草地類型的群落特征。表1

1.2.3 監測背景數據庫和制圖

依據瑪納斯河流域草地類型的圖形和屬性數據、植被調查和取樣數據、收集的瑪納斯縣和沙灣縣草地資源調查報告，建立草地資源監測的地理空間背景數據庫。

1.2.4 草地生態功能分區

利用ArcGIS 9.3軟件及空間模擬方法和技術手段，借鑒劉興元等［10］方法，計算各草地類型的生產力指數Kpi(Kpi是i草地類型的單位面積載畜力與i草地類型的總載畜力的比值。單位載畜力和總載畜力的計算方法具體見新疆維吾爾自治區畜牧廳等方法［11－13］。

根據Costanza等［14］計算全球生態系統服務功能價值的標準、謝高地等［15］估算中國天然草地生態系統服務功能價值的方法以及歐陽志云等［16］對我國生態服務功能價值的估算方法，確定瑪納斯河流域不同草地類型生態服務

Ai為草地面積;Sij為單位面積草地的生態系統服務功能價值;瑪納斯河流域不同草地類型的的生態系統服務功能價值的計算公式:

i=1，2，3，…，8，代表瑪納斯河流域的7個草地類型，其中溫性荒漠有兩個亞類;j=1，2，3，…，9，代表不同的指標，食物生產、原材料、氣候調節、氣體調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢棄物處理、生物多樣性保護和娛樂文化［15］;Ci為第i類草地平均覆蓋度;C為草地總的平均覆蓋率;

不同草地類型生態服務功能價值指數用下式

借鑒劉興元等［10］的劃分標準，根據瑪納斯縣和沙灣縣草地畜牧業經濟發展和生態保護的實際情況，對瑪納斯河流域草地生態功能區進行劃分。草地生態功能分區指數

其中，K＞1.5時，草地劃分為經濟功能區;K＜0.6時，草地劃分為生態保護區;0.6≤K≤.1.5時，為混合功能區。各功能區的劃分可隨著研究區草地生態環境狀況、生產力狀況以及季節性放牧利用特點的改變而進行動態調整。

2 結果與分析

2.1 草地生產力

根據不同類型草地的牧草產量、牧草利用率、單位面積載畜量和某一類型草地的總載畜量，利用1.2.4方法計算出瑪納斯河流域7個草地類型的生產力指數。各草地類型之間的產草量和牧草利用率差異很大，高寒草甸類的單位載畜力最高，而溫性荒漠類(沙質荒漠)是高寒草甸類的29.8倍。不同草地類型的載畜力差異也很大。高寒草甸類的載畜力最大，占瑪納斯河流域總載畜力的38.1%，其次是山地草甸類和溫性荒漠的載畜力，分別占瑪納斯河流域總載畜力的19.5%和17.2%，這三類草地占瑪納斯河流域總載畜力的74.8%。因此，放牧主要依賴于山地草甸類、高寒草甸類和溫性荒漠類草地。表2

表2 瑪納斯河流域不同草地類型的生產力Table2 Productivity of different grassland types in Manas river basin

瑪納斯河流域高寒草甸類生產力指數值最高，溫性荒漠類(沙質荒漠)生產力指數值最低。按照生產力指數值的高低，可以將瑪納斯河流域草地生產力水平分為三個等級:生產力指數小于0.5屬于低水平;生產力指數在0.05～0.15，屬于中水平;生產力指數大于0.15屬于高水平。生產力指數水平低的草地類型的面積占總草地面積的44.1%，主要分布在溫性荒漠類(沙質荒漠)、溫性草原化荒漠類和溫性草甸草原類;中等生產力草地面積占總草地面積的15.1%，主要分布在溫性荒漠草原和溫性草原類;生產力指數水平高的草地類型的面積占總草地面積的40.9%，主要分布在山地草甸類、高寒草甸類和溫性荒漠。圖3

2.2 草地生態系統生態服務功能價值

利用1.2.4公式(2)計算出瑪納斯河流域7個草地類型的單位面積草地的生態系統服務功能價值(Sij，￥/hm2)，其中，生態系統服務功能價值從高到低依次為:山地草甸類、溫性草甸草原類、高寒草甸類、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠類以及溫性荒漠類(沙質荒漠)。瑪納斯河流域各類型草地單位生態服務功能價值差異較大，總的生態系統服務功能價值為44 970.3×104元人民幣。其中，溫性荒漠類(沙質荒漠)的草地面積最大，占瑪納斯河流域總草地面積的43.2%，但單位面積生態服務功能價值很低。而山地草甸類面積雖小，但草地生態系統服務功能價值卻占總價值的40.75%。溫性草原化荒漠類由于草地面積最小，單位面積的生態服務功能價值也偏低，導致該草地類型生態服務功能價值占總生態服務功能價值的比例最低，低于1%。表3

根據各草地類型的單位生態系統服務功能價值和總生態服務功能價值，利用公式(3)計算出瑪納斯河流域7個草地類型的生態系統服務功能價值指數。依據各草地類型的生態系統服務功能價值指數的計算結果，繪成瑪納斯河流域草地生態系統服務功能價值分布圖。按照生態系統服務功能價值指數，瑪納斯河流域草地生態系統服務功能重要性可以分為比較重要(生態系統服務功能價值指數＜0.05)、重要(生態系統服務功能價值指數在0.05～0.15)和極重要(生態系統服務功能價值指數＞0.15)3個等級。生態服務功能重要的草地主要是溫性草原類、溫性荒漠類和溫性荒漠類(沙質荒漠)，這三類草地面積最大，占流域總草地面積的81.0%;生態服務功能最重要的草地是山地草甸類和高寒草甸類，面積較小，占總草地面積的10.9%。表3，圖4

圖3 瑪納斯河流域草地生產力空間分布Fig.3 The map of spatial distribution of grassland productivity in Manas river basin

圖4 瑪納斯河流域草地生態系統服務功能價值空間分布Fig.4 The map of spatial distribution of ecological system service value of grassland in Manas river basin

表3 瑪納斯河流域不同草地類型生態服務功能價值Table3 Ecological service functional value of different grassland type in Manas river basin

2.3 草地生態系統服務功能分區

由于瑪納斯河流域草地生態系統的結構復雜，過程變化也較復雜，草地的類型較多，且各草地類型的地帶性分布也較強，因此，各草地類型的生產力水平和生態系統服務功能價值差別很大。利用公式(4)，計算出瑪納斯河流域7個草地類型的生態功能分區指數。表4

根據草地生態功能分區指數的劃分標準，瑪納斯河流域草地生態功能分區指數小于0.6的有3個草地類型(溫性草甸草原類、山地草甸類和溫性荒漠類(沙質荒漠)，這3個草地類型的生產力水平低，可作為生態保護功能區進行保護和管理;草地生態功能分區指數大于1.5的有溫性荒漠、溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠和高寒草甸4個草地類型，這4個類型草地的生態服務功能價值較低，可以作為經濟功能區來經營管理和利用;草地生態功能分區指數在0.6～1.5的有1個草地類型(溫性草原類)，可以作為適度放牧利用的混合功能區進行經營和管理。3個草地生態功能分區中經濟功能區的草地面積最大，占總草地面積近一半(48.1%);其次是生態保護功能區，其面積占總草地面積的44.0%;混合功能區面積較小，僅占總草地面積的7.9%。圖5

表4 瑪納斯河流域草地生態功能分區Table4 Ecological function regionalization of grassland in Manas river basin

圖5 瑪納斯河流域草地生態功能分區Fig.5 The map of ecological function regionalization of grassland in Manas river basin

3 討論

草地生態環境的變化和經濟發展都有其自身規律，傳統的逐水草而居，靠天養畜的粗放型草地經營利用模式已越來越難維持人類過度利用與草地生態平衡的關系。因此，必須按草地分布特點以及生產力水平和生態服務功能價值的最大來進行綜合分區，使生態與經濟和諧發展，在對草地進行合理經營利用發展經濟的基礎上，實現草地生態系統的良性循環。草地生態功能區劃從空間上明確了不同分區草地的生產力水平的高低以及生態服務功能價值的重要程度，可優化草地資源結構，使各類型草地得到合理利用［10］。作為經營利用、經濟發展的核心區是經濟功能區，該區受人類活動影響強度最大，因此要根據草地自然和經濟屬性對草地資源進行優化利用，加強經濟功能區建設，避免過度利用導致的生態系統結構和功能的破壞是重中之重。在經濟功能區交通便利、水資源良好的農牧交錯帶，克服天然草地的自然缺陷，建立高產優質的人工草地，尤其是通過山區水分條件的改善，加大草甸等優質草地的建設［17］。充分利用農區的資源，推行草地畜牧業的集約化生產經營，推動農區和牧區融合發展，維持草地生態平衡。在生態保護功能區，由于該區具有典型性、獨特性和多樣性的地帶，山區的溫性草甸草原和山地草甸敏感性強，荒漠區的溫性荒漠(沙質荒漠)更加脆弱，可以通過國家對草地以及公益林的生態補償政策，退牧還草，同時采用輪牧或封育或禁牧等方式，建立水源涵養和水土保持功能區，保護山區草地多樣性，穩定荒漠植被，維持生態系統服務功能，達到保護綠洲的目的［18］。在混合功能區，通過科學地劃分季節牧場的范圍和適宜的放牧時間，對退化草地采用適度休牧和一定時期的輪牧，使其自然復壯更新［19，20］。三大功能區的經營目標并不是絕對獨立的，而是相互補充相互作用的整體。生態功能保護區要盡量減少放牧，嚴格控制放牧強度，減輕其放牧壓力，將草地畜牧業的生產重心轉向經濟功能區，推進農牧耦合發展，混合功能區在發展畜牧業的同時也要維護生態系統服務功能的正常發揮。

4 結論

4.1 草地生產力指數水平最低的為溫性荒漠類(沙質荒漠)、溫性草原化荒漠類和溫性草甸草原類，最高的為山地草甸類和高寒草甸類和溫性荒漠。

4.2 生態系統服務功能最重要的主要是高寒草甸類和山地草甸類。

4.3 瑪納斯河流域草地從空間上可劃分為3種功能區，生態保護功能區主要包括溫性草甸草原類、山地草甸類和溫性荒漠類(沙質荒漠);經濟功能區面積最大，包括溫性荒漠草原類、高寒草甸類、溫性荒漠類和溫性草原化荒漠類;混合經營管理功能區主要是溫性草原類。不同的草地類型其生態產力狀況以及生態系統服務功能的價值有所差異，因此，需要綜合考慮生態系統服務功能與經濟發展，對草地進行合理的利用。

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Study on Grassland Eco－economic Function Regionalization in Manas River Basin

ZHANG Qing－qing，YU Hui，AN Sha－zhou，Tuerxunnayi Reyimu，JING Chang－qing
(College of Pratacultural and Environmental Sciences/Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology，Urumqi 830052，China)

【Objective】According to grassland productivity and ecosystem service functions，this project aims to carry out the ecological function regionalization of grassland in Manas River Basin in the hope of providing basis for optimization and utilization of regional grassland resources in the area.【Method】According to eco－economic property，significance of ecological service value and characteristics of seasonal grazing utilization，regulation mechanism of classified management and utilization was established based on dominant function and spatial and temporal pattern by using interpreted data of remote sensing image and monitoring data of vegetation investigation.【Result】(1)On the basis of grassland productivity indexes，temperate desert(sandy desert)，temperate steppe desert，temperate meadow steppe belonged to the lowest level and mountain meadow and alpine meadow and temperate desert belonged to the highest level.(2) The most important function of ecosystem services was mainly alpine meadow and mountain meadow.(3) Ecological service function could be divided into three types:ecological protection zone(44.0%)that included temperate meadow steppe，mountain meadow and temperate desert(sandy desert)，the largest area:the economic functional region that accounted for 48.1%，including temperate desert steppe，alpine meadow，temperate desert and temperate steppe desert，and temperate steppe，which could be utilized as mixed functional region.This region covered a small area，accounting for 7.9%.【Conclusion】Different types of grassland productivity and ecological service function value are different，therefore，the function of ecosystem services and economic development should be taken into comprehensive consideration so that reasonable utilization of the grassland can be achieved.

Manas River Basin;grassland;productivity;ecosystem services function;eco－economic functional regionalization

AN Sha－zhou(1956－)，male，native place:Fuping，Shaanxi.Professor，DAG;research field:Gjrssland resource and ecology，(E－mail)xjasz@126.com

S812.8

A

1001－4330(2017)05－0969－09

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.023

0 引言

2017－03－16

國家自然科學基金項目“瑪納斯河下游生態變化及生態資產賬戶的建立”(41561103);新疆農業大學博士后流動站;自治區高校科研計劃項目“基于‘3S’技術的新疆草地生態功能區劃研究”(XJEDU2014S017);新疆農業大學草業科學國家重點學科博士研究生創新基金研究項目“新疆維吾爾自治區草地生態功能區劃的初步研究”(XJCYB－2012－05)

張青青(1983－)，女，新疆和靜人，副教授，博士，研究方向為干旱區生態恢復與保護，(E－mail)greener2010@sina.com

安沙舟(1956－)，男，陜西富平人，教授，博士，博士生導師，研究方向為草地資源與生態，(E－mail)xjasz@126.com

Supported by:Program of National Natural Science Foundation of China"Ecological change and ecological assets account establishment in the lower reaches of Manas River Basin"(41561103);Post－doctoral Program in Xinjiang Agricultural University;College Scientific Research Project of Autonomous Region"Study on ecological function regionalization of the grassland in Xinjiang based on＇3S＇technology"(XJEDU2014S017);Research Projects of Ph.D Student Innovation Fund in National Key Disciplines of Pratacultural Science，Xinjiang Agricultural University"A preliminary study on ecological function regionalization of the grassland in Xinjiang Uygur Autonomous Region"(XJCYB－2012－05)

【研究意義】瑪納斯河流域位于天山北坡中段，是干旱區最具有代表性的“山盆系統”，是天山北坡經濟帶最重要的組成部分。瑪納斯河流域的草地資源豐富，在南部山區、中部平原及北部沙漠區廣泛分布著大面積的天然草地。草地生態系統為人類提供了凈初級物質生產、碳蓄積與碳匯、調節氣候、涵養水源、水土保持、防風固沙、改良土壤和維持生物多樣性等生態服務功能，不僅是畜牧業的生產基地，而且是生態安全屏障和牧民生活與草原文化傳承的基礎［1］。而隨著瑪納斯河流域水土資源不合理的開發利用，草地資源大面積減少和退化，對草地生態系統服務功能造成了重大的影響。草地生態系統具有多種功能及其相應的生態服務功能價值［2］。因此，分析瑪納斯河流域草地生產力狀況以及生態服務功能，提出草地生態功能區劃方案，為新疆草地的生態保護及現代農牧業的發展提供理論依據。【前人研究進展】為了更合理的利用草地資源，從全國、各省(區)、縣(市)不同層面開展過草地資源區劃研究［3－6］。單一成分或要素的草地區劃［7－9］已經不符合當今草業生產利用的需要，草地區劃的發展趨勢應當是以草地生態－經濟復合系統理論為基礎，能夠反映區域草地資源類型及利用特征、生態系統服務功能、畜牧業生產特色的草地資源生態功能區劃。【本研究切入點】劃定草地生態功能區，科學診斷不同的生態功能區的草地資源現狀，并根據不同生態功能區水土資源的特點，提出不同生態功能區草地資源利用的方案和布局。【擬解決的關鍵問題】利用遙感影像解譯數據以及植被調查監測數據，依據草地資源類型和利用特征，以及生態服務功能價值重要性，借鑒前人構建的草地生產力指數、草地生態服務功能價值指數和草地生態服務功能區劃分區模型，對瑪納斯河流域草地進行生態功能區的劃分，建立以主導功能和時空格局為主的不同草地生態功能分區，研究草地各個生態功能分區的分類經營和利用特點，為區域草地資源優化利用提供理論依據。