巴音布魯克國家級高寒草原濕地保護區生態承載力與可持續發展研究

張 明，徐德琳，游廣永

（環境保護部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042）

可持續發展的實質是強調環境保護與社會經濟資源之間的協調，其基本內涵是在自然資源和環境容量能夠支撐和允許的范圍內控制人類社會發展與經濟增長[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]。生態系統的可持續承載是生態承載力的本質，如果超出了生態承載力上下兩個閾值的范圍，生態系統就會偏離可持續發展軌道，導致不能正常發揮其功能[3]。生態承載力作為生態系統與社會經濟發展協調與否的重要判斷指標，可以用于描述生態系統與人類活動相互作用的基本特征，從而為區域社會發展與生態環境管理提供理論依據。

應用于生態承載力的研究方法眾多，其中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應用較為廣泛[4]。隨著遙感技術的日趨完善，近年來利用TM、MODIS 等不同類型的遙感數據來直接提取各種植被指數的方法被普通遍認可。把地面生物量和高光譜反射特征相結合，再利用GPS定位技術進行標定，建立草地生物量與植被指數之間的回歸模型，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。利用光譜儀測定地面高光譜和對應的地上生物量，就可以構建與NDVI與地上生物量的數學模型，通過模型可以反演遙感數據區域的NDVI對應的生產力值，這種方法逐漸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。

草原生態系統為區域可持續發展提供食物生產、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]。在我國，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，在我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。對處于半干旱草原區的巴音布魯克國家級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

巴音布魯克國家級自然保護區位于和靜縣西北，伊犁谷底東南，中部天山南麓，天山山脈中部的尤魯都斯盆地的底部沼澤。海拔約 2 500 m，地理坐標東經 83°42′～85°51′，北緯 42°59′～43°07′，保護區總面積 14.87 萬 hm2[7]。土壤類型有高山谷地泥沼澤土、泥炭沼澤土、草甸沼澤土、草甸土、草甸草原土；年均溫為-4.7 ℃，年較差 36.1 ℃，7 月最高溫為 28.1 ℃，1 月最低溫-48.1 ℃，年降水量 216.8～361.8 mm，平均為 276.2 mm，降雨集中在6—8月；降雪集中于1—3月，最大降雪深度達26 cm，年降雪天數最多可達185 d；年蒸發量 l 128.9 mm，5～7 月凍土深度可達 439 cm，地面解凍始于 4—5 月，冬季水面封冰期達 5 個月；每年多刮東北風，一般 3～6級，最大 11 級，歷年平均日照時數 2 822.9 h[7]。

巴音布魯克國家級自然保護區擁有植物種類50科160屬262種[8]。從草原類型特點來看，巴音布魯克草原濕地保護區主要有高寒草原、高寒草甸化草原、高寒草原化草甸、高寒草甸、山地灌叢草甸和沼澤化高寒草甸。草原植被類型主要有紫花針茅(Stipa purpurea)與羊茅(Festuca ovina)高寒草原、線葉嵩草(Kobresia capillifolia)與紫花針茅高寒草原化草甸、細果苔草(Carex stenocarpa)與線葉嵩草高寒草甸、天山羽衣草 (Alchemilla tianschanica)與細果苔草高寒草甸、線葉嵩草與細果苔草高寒草甸、線葉嵩草與珠芽蓼 (Polygoncm viriparum)高寒草甸等。

2 研究方法

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，在新疆巴音布魯克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，分別采用每年的7月27日（或28日）的數據進行2000—2010年間的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。

草地植被光譜測定使用美國ASD公司的Fieldspec3光譜輻射儀，光譜范圍為350～2 500 nm，視場角25°；采樣間隔為350～1 000 nm區間1.4 nm、1 000～2 500 nm區間2 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。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，以減少太陽輻照度的影響。

樣方大小為每個1 m×1 m，光譜數據每個樣方測量5組，并記錄每組數據的地理坐標和海拔高度。測完光譜后，將每個小樣方的植物地上部分取樣，稱其鮮重后，于80 ℃恒溫烘干10～12 h稱其干質量。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。

2.2 生態承載力評價指標

本研究的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。

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二個部分來進行分析。主要是考慮到了草原生態系統和濕地生態系統的地上生物量的差異。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值，TERRA與AQUA獲得的NDVI數據在時間跟頻率上相配合，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。

2.3 地面光譜生物量模型

利用地面光譜實測NDVI數據和地上生物量進行相關性分析，建立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，我們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 慮到濕地是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，典型草原和濕地植被的最優估產模型為指數函數。

圖1 不同生態系統地面光譜生物量模型

3 研究結果與分析

3.1 產草量分析

根據實地調查的情況表明， 巴音布魯克國家級高寒草原濕地保護區的草原利用制度是以濕地中心地帶（核心保護區）為冬季牧場，邊緣的試驗區和緩沖區為春季方牧場。草場在每年的5月中旬返青，畜群遷至高海拔山地牧場。所以，本文選取的7月28日遙感數據所反映的生產力基本沒有受到放牧的影響。

從不同時期巴音布魯克高寒草原濕地保護區的承載力分析結果來看（圖2），從2002—2010年，平均產草量為288 542 304 kg，最高年份是2006年，最低年份是2004年，最接近平均水平地是2010年。

3.2 生態承載力動態特征分析

從巴音布魯克保護區最大理論承載力的分析結果來看（ 表1），20 02—2010年的平均產草量為288 542 304 kg，平均單位面積產草量為1 962.5 kg/hm2，平均最大理論承載力為438 930羊單位。從變化幅度來看，2006年是研究期間內生產力最高的年份，最大理論承載力達到475 367羊單位；2004年是研究期間內生產力最低的年份，最大理論承載力為378 924羊單位；二者與平均水平的差值分別為36 437個羊單位和-60 006個羊單位。

在考慮到在飼草利用率的條件下，不同的飼草利用率對應的草原承載力有所不同（表2）。當飼草的利用率為0.30時，多年的平均承載力為131 679個羊單位。在 飼草利用率為0.35時，多 年的平均承載力為153 625 個羊單位。在飼草利用率為0.40時，多年的平均承載力為175 572個羊單位。

圖2 巴音布魯克保護區年產草量變化

表1 巴音布魯克高寒草原最大理論承載力分析

表2 巴音布魯克高寒草原不同飼草利用率承載力分析

3.3 生態承載力變化的驅動分析

實地調查的情況表明，以 7月28日的遙感數據所計算的巴音布魯克國家級高寒草原濕地保護區的草原生產力基本沒有受到畜群采食的影響，其不同年份之間的波動變化只能是源于氣候條件的變化。

從巴音布魯克的氣候年際變化特點來看（圖3），1958—2010年的53年平均降水量為273.2 mm，而 2002—2010年9年間的平均降水量為303.3 mm，增加了30.1 mm（圖3a）。從年平均溫度的變化來看，53年的年平均溫度為-4.33 ℃，而近9年的年平均溫度為3.27 ℃，增加了1.06 ℃（圖3b）。說明近10年來巴音布魯克草原經歷了一個明顯降水增加、氣 溫升高的時期。從 巴音布魯克53 年氣候的平均月際變化特點來看（ 圖 3c，d），降水量主要集中6、7、8月，占全年降水量的67.6%；而同期平均溫度也在10 ℃左右，是高寒草原的最適宜生長期。

圖3 巴音布魯克氣候特征

對年降水量和年平均氣溫與產草量的分析表明（圖4a，b），降水量的變化對巴音布魯克高寒草原的產草量影響要大于溫度，因為降水量與產草量的回歸關方程相關系數大于年均溫度與產草量的相關系數。

圖4 巴音布魯克保護區降水和氣溫與產草量的關系

4 討論與結論

4.1 草原濕地的生態承載力

由于生態承載力考慮的因素較多，所以生態承載力的研究可以依據簡化論的原則按某一關鍵要素（稀缺資源）或研究目的進行。以區域可持續性發展研究為例，某區域系統內部各個要素，可以通過自身的發展及相互間的作用反饋，影響區域可持續性發展的整體能力，對影響最大的要素（如草原濕地區域中的產草量）進行生態承載力分析，就是簡化論方法的應用。本研究結果表明，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。

草原濕地生態承載力研究是建立在草原生態承載力的基礎上，從土地利用方式來看在各種類型經濟區域中草原區人口最為稀疏、生態環境最為脆弱。草場牲畜數量是否在草原生態承載力范圍之內，決定了草原區域能否維系生態系統的平衡，更影響我國草原區域社會、經濟長遠規劃制訂和經濟發展戰略選擇。草原區域系統承載力的高低，不僅受到草原生產力和資源存貯量等自然因素的影響，而且也與利用方式（如飼草利用率）密切相關。

4.2 草原濕地生態承載力與區域可持續發展

人類對資源的永續利用是人地和諧的最終指標。所以生態承載力研究與區域可持續性發展密切結合是草原濕地生態系統追求的目標。區 域的可持續發展是建立在資源利用的穩定以及持續供給的基礎上，因 此，對生態承載力開展研究是制定區域可持續性發展戰略的主要途徑。生態承載力作為可持續性發展的基礎，其概念是服務于區域可持續發展，反映了人類社會對資源環境及生態系統的認知水平。在一個相對較短的時期內，人類的認識水平和技術水平是固定的，可以作為常量，此時，承載力就具有相對的穩定性，可用于區域可持續性發展的判定。區域的經濟與社會發展必須消耗一定物質資源并排放相應的污染物。從生態承載力的角度看，這種資源的消耗和環境污染物的排放必須限定在資源儲量和環境容納的限值范圍內。相對來說，較高的承載力意味著具有較豐富的資源、較大環境容量、較為適宜的人口規模以及較好的經濟環境和較高的科技含量。因此，提高整個區域的生態系統承載力，才能實現區域的可持續性發展。正是從這個意義上來說，生態承載力是區域可持續發展能力的基礎和前提。

4.3 實現草原濕地可持續發展的措施

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得經濟性、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、飼草利用率兩個方面進行科學合理的調控。

首先要恢復草原植被。該區域土地的利用方式從 l8 世紀以來一直沒有發生任何改變，均為自然放牧；近 25 年來巴音布魯克地區的 LUCC 在一級分類中都為草地，只是覆蓋程度發生了變化[8]。巴音布魯克草地退化面積占 67.3%，高達 304 800 hm2； 此類狀況在小尤魯都斯盆地更為嚴重，退化草地占 81.9%，總面積為 162 210 hm2[9]。經過初步研究，巴音布魯克草原退化的原因主要是不合理的放牧制度和牲畜超載，氣候因素其次[10]。禁牧與休牧制度是防止草地退化、恢復草地植被的重要措施，也是當前我國草地生態建設的重要內容。應有計劃地針對已經退化和嚴重退化的草地實施禁牧和休牧，并緊密結合巴音布魯克退牧還草及生態移民工程，堅持好禁牧、休牧制度，以實現恢復草原植被、增加草地覆蓋度、提高區域生態承載力的目的。

其次要發展人工草地和飼料地。通過高產、高效的生產經營方式實現飼草產業化生產，從而為市場提供價廉、量足、質優的飼草，以滿足區域社會發展的需要。飼草產業在整個草地畜牧業中占有舉足輕重的地位，對草原地區可持續發展起著決定性作用。才能從根本上緩解天然草地生態系統的壓力。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。

再次要調控飼養結構。飼草利用率直接和間接地都影響到了區域生態承載力。草原牲畜數量增加引發的草原過度放牧啃食，是喜食性和可食性等營養價值高的草種比例下。從提高飼草利用率的角度出發，巴音布魯克草原的放牧管理要在傳統的冬、夏牧場遷徙轉移和僅有打草場、放牧場二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，要針巴音布魯克草原內牧民居住分散、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。針對巴音布魯克草原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，特別是在河湖岸邊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。對巴音布魯克草原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。

最后要降低實際載畜量。在發展草地畜牧業中要調整本區的畜群結構，嚴格按照理論載畜量標準，壓縮家畜頭數，進一步完善牧區草場承包責任制，通過生態補償制度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最優配置。通過建立多戶聯合經營的大型牧場企業等方式，使分散承包的草場得到適度集中，實現草原牧場的規模化與集約化，從而提高草原區域的經濟效益和生態效益，達到可持續發展的目的。

飼草飼料等資源的可持續發展與牧畜生產力的可持續發展，是實現草原畜牧業可持續發展的決定因素[11]。必須針對巴音布魯克國家級自然保護區草地覆蓋度、飼草利用率兩個方面進行科學合理的調控，才能從根本上提高該區域的草原濕地生態承載力，從而實現區域的可持續發展。

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