輝河國家級自然保護區草原濕地生態承載力與可持續發展研究

張明+徐德琳+游廣永

摘要：利用地面高光譜與地上生物量的對應測定，建立草原與濕地地面光譜的生物量模型，從而進行草原濕地生態承載力界定。結果表明，2000-2010年輝河草原濕地保護區的年產草量變化在2.002×108～6.650×108 kg，平均為4.603×108 kg，最高年份出現在2002年，最低年份出現在2007年，最高年份是最低年份的3.3倍。飼草利用率對草原濕地保護區生態承載力有直接的影響，不同飼草利用率水平下的產草量變化特點同樣也是以2002年最高，2007年最低。對生態承載力的驅動分析表明，春季4-5月的適當高溫和生長旺季（6-7月）的相對低溫，加之6-7月的較高降水量，對草原濕地的生態承載力有極大的影響。從空間格局來看，生產力水平高值區明顯分布在輝河河漫灘及周邊地區與距離輝河較遠的保護區東部。在生態承載力較高的年份，基于初級生產力水平分級的空間異質性較高，其表現形式就是斑塊密度高、占優勢的級別斑塊大；在干旱的年份，基于初級生產力水平分級的空間異質性降低，表現為斑塊數量少、占優勢級別的斑塊小，呈集中連片的分布。草原濕地生態承載力受到草地面積大小、飼草利用率和氣候因素的影響。要從根本上提高草原濕地生態承載力，必須針對草地面積、飼草利用率2個方面進行科學合理的調控，以促進輝河國家級自然保護區的可持續發展。

關鍵詞：生態承載力；可持續發展；生物量模型；輝河國家級自然保護區

中圖分類號：F301.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2018）01-0056-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.01.014

Abstract： Based on the method of corresponding determination of ground hyperspectral and aboveground biomass，biomass model of ground spectrum of grassland and wetland was built and used to calculate ecological carrying capacity of grassland and wetland. The results showed that variation range of yield of grass was from 2.002×108 kg to 6.650×108 kg，the average was 4.603×108 kg. The highest year was 2002，which was 3.3 times than the lowest year 2007. The utilization rate of forage grass directly influenced ecological carrying capacity of Huihe natural reserve. Driving analysis of ecological carrying capacity showed that appropriate high temperature of spring season（April to May），relatively low temperature of growing season （June to July），and higher precipitation of summer season （June to July） were the 3 major factors affecting ecological carrying capacity.Spatial pattern was obvious，high productivity area mainly distributed in Huihe flood plain-neighboring region and eastern region of natural reserve. In year of high ecological carrying capacity，spatial heterogeneity of primary productivity level was also high，performing as high patch density and big dominant level patches. But in year of drought，spatial heterogeneity of primary productivity level was also low，performing as low patch density and small dominant level patches. Ecological carrying capacity of grassland and wetland was affected by grassland area，utilization rate of forage grass，and climate factor. So scientific and rational regulation should be applied to grassland area，utilization rate of forage grass to enhance ecological carrying capacity of grassland and wetland and promote sustainable development of Huihe National Nature Reserve.

Key words： ecological carrying capacity； sustainable development； biomass model； Huihe national nature reserveendprint

可持續發展的基本內涵是人類社會發展與經濟增長必須控制在自然資源和環境容量能夠支撐和允許的范圍內，其實質是強調社會經濟與資源、環境保護之間的協調[1]。由于自身的調節功能，生態系統對干擾具有一定的承受能力；只要外界干擾的強度不超過一定限度，生態系統可以維持其結構、功能的基本穩定；如果干擾超過生態系統的承載能力，生態系統的基本結構和功能將遭到破壞[2]。生態承載力的本質是生態系統的可持續承載，它有上下兩個閾值，如果超出了這個范圍，就不能正常發揮其功能，以至于偏離可持續發展軌道[3]。生態承載力可以描述人類活動與生態系統相互作用的界面特征，是生態系統與社會經濟發展協調與否的重要判斷依據，為區域發展、環境管理和生態保護提供科學依據。

目前，國內外生態承載力的研究方法主要有自然植被第一性生產力法、供需平衡法、生態承載力綜合評價法、狀態空間法和生態足跡法等[4]。近些年隨著遙感技術的不斷完善，許多研究人員利用TM、MODIS等不同類型的遙感數據來直接提取各種植被指數。其主要技術路線是利用GPS定位技術標定地面生物量和高光譜反射特征，建立衛星遙感的植被指數與草地生物量之間的回歸模型，然后通過模型對TM或MODIS等遙感數據進行區域生產力分析。這種方法已經成為不同區域植被生產力（當年地上生物量）估產的主要手段之一，具有精度相對較高、可重復測定的特點，對研究草原生產力分布格局、進行區域生態承載力分析研究具有重要意義。但是，在這些研究方法中存在著地面生物量數據獲取時間與遙感數據獲取時間不同步、所測定樣方數量不足、生物量在像元中的代表性較低等一系列的問題。因此，采用光譜儀通過地面高光譜和地上生物量的對應測定，構建與MODIS（或TM）波段一致的NDVI與地上生物量的統計學模型，然后用模型反演像元的NDVI的當年生產力值，成為提高區域生產力水平測定、進行生態承載力界定的可行方法。從基于高光譜地面估算模型的草原濕地生態承載力的界定方法來看，該方法的優點是應用了遙感技術手段使數據的來源與遙感衛星的觀察頻率一致，數據的精度與衛星的分辨率保持一致。

草原是全球陸地生態系統的重要組成部分，并發揮著食物生產、家畜飼養、生物多樣性維持、碳素儲存、水土保持及提供休閑和旅游景觀等多種經濟和生態服務功能[5]。在中國，草地不僅提供飼草飼料支撐畜牧業生產，在防風固沙、水土保持、水源涵養以及生物多樣性保護和陸地生態系統碳循環中也扮演著重要角色。近年來，中國不少地區草地退化嚴重，植被覆蓋率下降，沙塵暴等生態災難時有發生，草地的生態服務功能下降，這些都阻礙了區域的可持續發展[6]。草原生態承載力（Ecological capacity of grassland）也稱草原真實載畜能力，是指在一定條件下，草原或濕地生態系統在保證維持其基本生態功能，且不發生退化的基礎上所能持續支持草食家畜的最大數量。內蒙古輝河國家級自然保護區內有常駐自然村落10個，2010年人口為4 401人，以從事畜牧業為主，牲畜約30萬頭[7]。對處于半干旱草原區的輝河自然保護區開展草原濕地生態承載力研究，分析生態承載力動態變化趨勢與空間分布，有利于制定自然資源保護與發展策略，以促進自然保護區的可持續發展。

1 研究區域概況與方法

1.1 研究區域概況

輝河國家級自然保護區始建于1997年，1999 年晉升為自治區級自然保護區，2002年晉升為國家級自然保護區。輝河國家級自然保護區位于內蒙古自治區呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗、新巴爾虎左旗、陳巴爾虎旗行政區域內，地理坐標為東經118°30′-119°45′，北緯48°05′-49°17′，總面積3 468.48 km2。輝河自然保護區所在區域在地質構造上屬海西褶皺帶地質構造，地貌基本上屬丘陵-高平原的地貌組合，河流主要為輝河，發源于大興安嶺山地，自東南流向西北又折向北流，呈新月狀，形成大面積沼澤，最終匯入伊敏河。流域地勢南部高，北部低，海拔介于711～1 321 m。

保護區屬中溫帶大陸性氣候，冬季漫長寒冷，夏季溫和短促，降水集中，春秋兩季氣候變化劇烈，降水少，風大。區域極端最低氣溫-46.6 ℃，最高氣溫37.7 ℃，多年年平均氣溫均值-1.5 ℃，無霜期90～110 d；日照充足，年日照時間平均2 900 h，日照百分率61%以上；降水量多集中在夏季，多年平均降水量325 mm，70%集中在6-9月；平均風速在4 m/s以上。植被分區屬歐亞草原區亞洲中部亞區、蒙古高原植物省、蒙古高原東部典型草原洲。地帶性植被為草甸草原和典型草原植被，隱域性植被有沼澤植被、水生植被、沙地疏林植被等。

1.2 研究方法

1.2.1 數據測定與收集 草原濕地生態承載力的界定將采用高光譜地面生物量估算模型，結合MODIS遙感數據，在內蒙古呼倫貝爾輝河國家級濕地自然保護區進行草原濕地生態承載力案例研究。充分利用MODIS遙感數據獲取的連續性特點，分別采用2000-2010年的7月27日（或28日）的數據進行動態生態承載力評價。區域NDVI數據采用MODIS數據的16 d平均值，時間為每年的7月28（或27）日。所以地面高光譜測定的最佳時期在每年的7月下旬。

使用美國ASD公司的Fieldspec3光譜輻射儀進行草地植被光譜測定，視場角25°，光譜范圍為350～2 500 nm；采樣間隔為1.4 nm（350～1 000 nm）和2 nm（1 000～2 500 nm）；數據間隔1 nm，觀測時傳感器垂直向下，距離冠層0.5 m，每隔10～15 min用白板進行校正。為減少太陽輻照度的影響，選擇的天氣狀況良好，晴朗無云，風力較小，太陽光強度充足并穩定的時段，野外光譜測量的時間在10：00～15：00。

每個1 m×1 m樣方測量光譜數據5組，用數據線連接光譜儀和GPS，每組數據中帶有地理坐標和海拔高度。每個小樣方測完光譜后，將植物沿地面齊剪下稱其鮮重，并用布袋取回，放入烘箱內，80 ℃恒溫烘干10～12 h后稱其干重。最后用每組光譜數據與對應的樣方生物量數據構建光譜——地上當年生物量模型。endprint

1.2.2 生態承載力評價指標 承載力指標主要包括不同生態系統類型（研究區基礎土地利用/覆被信息）、草地（濕地）植被生產力（產草量）水平分級、不同植被生產力水平的面積求算、牲畜停食干草累計天數、每個羊單位每天的干草需求量以及飼草利用效率等。

考慮到草原生態系統和濕地生態系統地上生物量的差異，按照研究區自然狀況的特點，將草原濕地區劃分為濕地生態系統和草地生態系統兩個部分來進行分析。草原的357個樣方所測定的地上生物量變化在33.5～554.9 g/m2，濕地的66個樣方中所測定的地上生物量變化在71.5～838.0 g/m2。所以，對草原和濕地分別構建高光譜生產力模型，是對生產力空間異質性的最佳詮釋。

MODIS衛星數據是由TERRA和AQUA二顆太陽同步極軌衛星提供的，它們對地球上的任何一個區域的掃描測定分別是在每天的上午（TERRA，地方時）和下午（AQUA，地方時）進行。其中，NDVI數據的發布是考慮到地球上的任何一個區域在觀察的時段都可能受到云層存在的影響，所以采用16 d的平均值來表示每一柵格內的NDVI，TERRA與AQUA獲得的NDVI數據在時間更新頻率上相配合，可獲得時差為8 d的NDVI數據，根據NDVI的變化，可以確定研究區的牲畜停食干草期在每年的具體時間（最大可能誤差不超過8 d）。

根據國家標準每個羊單位每天的干草需求量采用1.8 kg標準。根據已有的研究結果，草原牧草的利用率在0.30～0.50。所以，在生態承載力界定中，采用0.02等值間隔的k值曲線在不同水平上進行評價。

1.2.3 地面高光譜估算模型 以地面光譜實測數據提取NDVI和地上生物量的相關性分析為基礎，建立呼倫貝爾草原和濕地的地上干物質量估算的地面光譜模型。實測的地面植物光譜特征與高空遙感的地面植物光譜特征存在內在的聯系，可以用實測的地面植物光譜特征代表高空遙感的地面植物光譜特征。為了保證統計學模型的可靠性和草場類型的多樣性，在草原生態系統測定了357組地面光譜和生物量數據。同時，考慮到濕地隱域植被類型組成變化相對較小，在濕地生態系統測定了66組地面光譜和生物量數據。構建的地面光譜和生物量模型見圖1，呼倫貝爾典型草原和濕地植被的最優估產模型為指數函數。

2 結果與分析

2.1 生態承載力分析

草原濕地生態承載力可以通過單位面積產草量（地上生物量）所支持的牲畜頭數來簡單的表述出來，而草原濕地的產草量在不同的年份中由于氣候條件的波動而發生變化，所以草原濕地承載力是一個動態的指標，其與當年的氣候特征密切相關。從承載力的分析結果（圖2）來看，2000-2010年輝河草原濕地保護區的年產草量變化在2.002×108～6.650×108 kg，最高年份出現在2002年，最低年份出現在2007年，最高年份是最低年份的3.3倍。從平均水平來看，2000-2010年輝河濕地保護區的總產草量平均值為4.603×108 kg。

從不同飼草的利用系數變化對草原濕地的生態承載力的影響（圖3）來看，當飼草利用效率為0.30，在研究期間內的生態承載力變化在114 662～380 887個羊單位；當飼草利用效率為0.50，在研究期間內的生態承載力變化在191 103～634 795個羊單位。不同飼草利用率水平下的產草量變化特點同樣也是以2002年最高，在2007年最低。從圖3還可以看出，飼草利用率對草原濕地區生態承載力有直接的影響。

2.2 生態承載力驅動分析

對產草量波動最大的2002年和2007年的氣象資料分析（圖4、圖5）表明，從年平均氣溫的變化特點來看，除1、3、4、5 月以外，2002年的月平均氣溫普遍低于2007年。從年平均氣溫來看，2007年為1.1 ℃，高于2002年的-0.2 ℃。從年內降水量的波動特點來看，在植物生長最重要的6月和7月，2002年降水量分別達到59.4 mm和119.8 mm，遠遠高于2007年的36.9 mm和34.2 mm。同時，從年降水量的比較來看，2002年達到了316.1 mm，而2007年的年降水量僅為210.9 mm。由此可見，在春季4、5月的適當高溫和生長旺季（6、7月）的相對低溫，加之6、7月的較高降水量，對草原濕地的生態承載力有極大的影響。

2.3 生態承載力空間分布格局

從不同時期初級生產力（地上生物量）在2000-2010年的空間分布特點來看，輝河濕地保護區的初級生產力的分布有2個特點。從空間格局來看，生產力水平高值區明顯分布在2個部分，第一部分位于輝河河漫灘及周邊地區呈條帶狀分布，第二部分則分布于距離輝河較遠的保護區東部；從時間格局來看，生產力格局在時間尺度上變化非常顯著，生產力高值區在不同的年份都保持在最高的水平，而且分布于輝河河漫灘及周邊地區的生產力高值區要大于距離輝河較遠的保護區東部。選擇2002、2004和2007年3個年份分別代表輝河濕地保護區最大承載力、平均承載力和最小承載力分析初級生產力的空間格局特征（表1、表2、表3）。

從生產力水平的差異來看，在氣候條件較好、生態承載力最高的2002年，初級生產力最高水平達到700 g/m2，在代表平均水平的2004年初級生產力水平最高為600 g/m2，而代表最小承載力的2007年，初級生產力最高水平僅為450 g/m2。

從不同生產力水平的分布面積特點來看，在生態承載力最高的2002年，最大面積的初級生產力水平是200 g/m2級別，面積達到95 375.0 hm2，占總面積的29.778%；而生產力水平最低的50 g/m2級別，面積僅為4 544.5 hm2，占總面積的1.419%。在生態承載力近似平均水平的2004年，最大面積的初級生產力水平是150 g/m2級別，面積為106 926.3 hm2，占總面積的33.388%；而生產力水平最低級別的50 g/m2，面積達到16 129.8 hm2，占總面積的5.036%。在生態承載力最低的2007年，最大面積的初級生產力水平是達到最低水平的50 g/m2級別，面積高達154 098.5 hm2，占總面積的48.124%；在平均年份最大面積級別150 g/m2的水平上，面積僅為20 800.5 hm2，占總面積的6.496%。endprint

從斑塊的數量特征來看，在承載力水平最高的2002年，斑塊總數量達到7 339個，在平均水平的2004年斑塊總數量為6 319個，而在承載力最低的2007年，斑塊數量僅為3 463個。從斑塊密度特點來看，在承載力水平最高的2002年，面積占優勢地位的150、200、250、300 g/m2 4個級別初級生產力具有較高的斑塊密度，分別達到0.349 9、0.424 4、0.450 6、0.311 0個/100 hm2；在承載力近似平均的2004年，面積占優勢地位的100、150、200 g/m2 3個級別初級生產力同樣具有較高的斑塊密度，分別達到0.264 0、0.391 5、0.375 3個/100 hm2；在承載力水平最低的2007年，面積占絕對優勢地位的50 g/m2級別初級生產力卻擁有較低的斑塊密度，為0.141 1個/100 hm2。這說明在氣象條件較好、生態承載力較高或近似平均水平的年份，基于初級生產力水平分級的空間異質性較高，其表現形式就是斑塊密度高、占優勢的級別斑塊多；在干旱的年份，基于初級生產力水平分級的空間異質性降低，表現為斑塊數量少、占優勢級別的斑塊小，呈集中連片的分布。

3 小結與討論

研究結果表明，草原濕地生態承載力受到草地面積大小、飼草利用率和氣候因素的影響。其中，氣候因素在草原管理實踐中人工調控的經濟性、可能性以及影響范圍等都不具備使用意義。要從根本上提高草原濕地生態承載力，必須針對上述草地面積、飼草利用率2個方面進行科學合理的調控。

3.1 調整土地利用結構

從20世紀60年代以來，在輝河上游的森林區和林草過度區存在較為嚴重的森林資源過度砍伐和林緣草甸大面積墾殖，結果導致輝河濕地保護區內草地長期超載放牧。近10年來，輝河濕地降水量明顯減少，沼澤濕地因氣候影響明顯縮小，輝河濕地面積萎縮近20%[8]。氣溫升高、降水量減少、蒸發量增加是湖泊面積變化的自然因素，輝河上游攔河壩的建立是影響湖泊面積變化的人為因素[9]。1995-2010年輝河自然保護區內發生轉換的土地面積為911.13 km2，占保護區總面積的26.27%；其中，占自然保護區主體的高覆蓋草地發生轉換的面積最多（495.57 km2），主要轉變為中覆蓋草地（334.35 km2）[7]。所以，從調整土地結構的角度來看，可在輝河保護區內低效經營的耕作土地和分布在輝河河漫灘上的季節性集水形成的裸地（18 037.8 hm2）中適合人工草地種植的地塊進行優質高產牧草栽培，實現增加草地面積、提高區域生態承載力的目的。

3.2 發展人工草地和飼料地

飼草產業化生產是通過高產、高效的生產經營方式，為市場提供質優、量足、價廉的飼草，滿足家畜規?；⒓s化生產的需要。飼草產業在整個草地畜牧業中占有舉足輕重的地位，沒有質優、量足、價廉的飼草，就發揮不出草地畜牧業的比較效益，就不可能有規?；⒓s化的家畜生產，天然草地的生態壓力也不能得到根本緩解，因此，大力發展優質、高產人工牧草種植，是實現牧區傳統經濟模式向可持續發展的經濟模式轉變的重要基礎和保證，也是防止草原退化的重要舉措。

3.3 調控飼養結構

飼草利用率直接和間接地影響到了區域生態承載力。呼倫貝爾草原的天然飼草利用率由20世紀50年代的0.5下降到2010年的0.3左右。導致這一結果的主要原因是草原牲畜數量增加引發的草原過度放牧啃食，使喜食性和可食性等營養價值高的草種比例下降。從提高飼草利用率的角度出發，輝河濕地保護區的放牧管理要在傳統的冬、夏季牧場遷徙轉移和僅有打草場、放牧場2種草場利用方式的基礎上實行科學合理的草場利用模式。從改善飼草結構的角度出發，要針對輝河自然保護區內牧民居住分散、有較大的庭院空間，發展庭院高效人工草場的建設，改善目前以戶承包為生產方式家庭內部飼草供應結構，達到提高以戶為單位的飼草利用效率。針對輝河自然保護區內打草場承包到戶的現實，對打草場執行嚴格的夏季禁牧。對公共牧場則要通過劃區輪牧的方式，避免草原在局部地方出現過度放牧的現象，特別是在輝河兩岸畜群飲水通道要嚴格實行分時、分區開放，避免草原沙化、退化，飼草利用率降低。對輝河濕地自然保護區內存在的濫挖藥材的現象要嚴格限制，避免濫挖藥材對草原植被的破壞和導致的飼草利用率下降。

3.4 降低實際載畜量

在發展草地畜牧業中要調整該地區的畜群結構，嚴格按照理論載畜量標準，壓縮家畜頭數，進一步改革和完善牧區草場承包責任制，通過生態補償建立起牧民自覺以草定畜、保護草原、進行草場建設的激勵機制，使“以草定畜”制度化、規范化，明確草地所有權和使用權，并通過土地流轉、入股等形式使草原資源通過市場的手段實現優化配置。鼓勵牧民以承包草場和牲畜為資本建立多戶聯合經營的大型牧場企業，使分散承包的草場得到適度集中，以便統一規劃、合理分區放牧、提高草原牧場的規模經濟效益和生態效益。

草原畜牧業生產是以第一性植物生產為基礎的第二性生產，因而實現草原畜牧業可持續發展的決定因素，一是飼草飼料等資源的可持續發展，二是牧畜生產力的可持續發展[10]。研究草原濕地的生態承載力，將有助于草原的可持續發展。

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