藏北高原牧區人工草地建設布局的適宜性分析

段 呈,石培禮,*,張憲洲,宗 寧

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

人工草地是指利用綜合農業技術,在完全破壞了天然植被的基礎上,通過播種建植新的人工草本群落,以生產補充飼料,解決飼料季節不平衡的牧用草地[1]。為解決草畜矛盾和畜牧業發展的瓶頸制約,在農區或者半農半牧區的邊際土地和低產耕地也常被用于建立人工草地。按照牧草的生長年限,可劃分為一年生人工草地和多年生人工草地。目前,發展人工草地已成為緩解牧區天然草地放牧壓力和提升草地生產力的有效途徑,其高效集約的生產方式,不僅為牧區畜牧業的穩定發展提供所需的優質牧草,而且也有助于保護和恢復退化的天然草地[2-5]。未來畜牧業可持續發展的一項重要措施就是建立集約化經營的人工草地。在畜牧業發達的澳大利亞、新西蘭和歐洲等國家,人工草地占草地總面積的比例已超過50%,人工草地集約化經營已成為低成本,高效益的畜牧典范模式。而中國的人工草地僅占草地總面積的約5%,西藏的人工草地占比就更低了。據2018年西藏自治區農牧廳的最新發布數據,人工草地面積9.9萬hm2[6],占可利用草地面積7713萬hm2的0.13%[7],且主要集中在海拔低于4000 m的藏南農牧結合區域[8- 9]。現階段我國人工草地建設中依然面臨種植規模小、牧草產量低、持續性和穩定性差等問題[10],且大部分人工草地建設的實踐研究局限于內蒙古和新疆等低海拔牧區[11-14],而對于高寒牧區人工草地的布局建設方面探討較少,目前開展較多的實驗研究主要涉及青藏高原人工草地群落特征、穩定性、持續性和管理技術等[15-19]。

西藏北部(藏北高原)是西藏自治區重要的牧區,目前草地畜牧業的發展依然是以天然草地為飼草來源的傳統的粗放型畜牧業模式為主。作為西藏今后畜牧業的重點發展區域,牲畜對飼草料的需求巨大。但由于水熱條件的限制,以高寒草地生態系統為主的天然草地生態系統脆弱,生產力不穩定,易受氣候變化的影響,尤其是在降水量季節變化差異大的干旱、半干旱區,天然草地生產力的不穩定性嚴重制約著草地載蓄量[20-23],加之近些年受氣候變化和放牧壓力的影響,草地植被群落結構破壞和生物量減少,草地呈現普遍退化狀態[24-27],面臨天然草地草畜平衡調控能力嚴重失調的巨大壓力。解決西藏天然草地草畜平衡失調問題是遏制草地退化和構建高原生態安全屏障的關鍵所在,要緩解天然草場壓力,除加強畜牧業生產體系自身機制建設外,還應多途徑、多渠道地組織飼草飼料生產[28]。例如建立人工草地、修建牲畜暖棚并進行牛羊舍飼育肥、退化草地恢復與重建、優化畜群結構和放牧強度等, 都是實現高寒草地畜牧業經營持續發展的有效途徑[29]。通過建立人工草地和發展草地畜牧業,可以使因長期過牧而普遍退化的天然草地得以退牧還草,恢復退化天然草地的生態與生產功能[30- 31]。但是,人工草地建設發展需注重人工草地區域布局、牧草種植區劃、人工草地與家畜飼養耦合和人工草地經營管理等戰略問題[32]。

藏北高原由于寒、旱氣候條件的約束,在牧區發展大規模的人工草地是不切實際的,適宜建設人工草地的土地資源也極其有限,而且,目前部分現有人工草地存在選址布局不合理,種植模式單一,穩定性差,缺乏有效管理等問題。 因此,不同于低海拔區域人工草地建設,藏北高原人工草地布局考慮的條件應更為嚴格,不僅要考慮牧草品種生物學特性,而且還需評價人工草地選址的適宜性及其潛在的環境影響。根據野外調查和青藏高原目前人工草地建設情況分析[15-18, 29],藏北高原人工草地布局應該選擇在海拔相對較低、土壤和水熱條件較好、靠近鄉鎮點便于管理,以及嚴重退化的草地作為潛在的建立區域,不能盲目破壞天然草地和能夠通過改良恢復的退化草地。此外,根據牧草品種生理特性選擇合適的牧草品種和種植模式同樣是布局建設中需要重點考慮的問題。

因此,本研究基于遙感數據、土壤數據、氣象數據、地形和土地利用數據,結合野外人工草地調查數據,在分析了現有人工草地建設立地條件的基礎上,針對藏北不同區域人工草地布局建設的適宜性進行了探討,識別出區域適宜建設人工草地的潛在區域,并與現有人工草地進行對比分析和驗證,以期為未來人工草地建設布局提供科學依據。

1 研究區概況

藏北高原又稱“羌塘高原”(圖1),南北寬達760 km,東西長約1200 km,面積59.5萬km2,約占西藏自治區土地面積的一半,該區域擁有廣闊的天然草地資源,約占西藏天然草地面積的59%,是西藏主要的牧業發展區。藏北高原大部分地面高度在海拔4600—5100 m之間,地勢總傾向為西北高、東南低,氣候寒冷干燥,大部分地區年平均氣溫低于0 ℃,最暖月均溫不及14 ℃,最冷月均溫-10℃以下。區域年平均降水量從東南部的300 mm左右,逐漸減至西北部的50 mm以下,且降水主要集中在6—8月,夏季日照時間長,太陽輻射強[33]。藏北高原土壤主要以莎嘎土、冷漠土和寒漠土為主,有機質含量低。從東往西,草地植被類型包括以高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)和青藏苔草(Carexmoorcroftii)為優勢種的高寒草甸；以紫花針茅(Stipapurpurea)、絲穎針茅(Stipacapillacea)和座花針茅(Stipasubsessiliflora)為優勢種的高寒草原；以及以羽柱針茅(Stipasubsessiliflora)、沙生針茅(Stipaglareosa)和駝絨藜(Ceratoideslateens)為優勢種的荒漠草原[34]。

圖1 研究區和調查樣點分布圖Fig.1 Map of study area and survey sites

2 高寒地區人工草地布局原則和方法

2.1 高寒地區人工草地布局原則

考慮到藏北地區特殊的地理環境條件,本研究選擇適宜高寒地區開展人工種草項目建設的區域需滿足以下原則(表1)。

2.2 野外調查

于2017年7月起對藏北各縣域現有人工草地進行野外調查,調查內容主要包括現有人工草地面積、位置、海拔高度、立地條件、種植牧草品種及其長勢等。為分析現有人工草地的立地條件,在研究區內不同區域選取了20塊面積規模在60 hm2以上的人工草地(圖1)篩選潛在人工草地適宜性條件。

表1 高寒地區人工草地布局原則

2.3 數據來源與處理

人工草地布局建設中,要根據區域氣候條件、水熱狀況、土壤條件、人工草地類型以及社會經濟條件等來確定人工草地類型及其面積[35]。因此,結合野外調查和高原人工草地布局原則,本研究選取土壤、地形、氣候、植被、土地利用類型五個方面的影響因素(表2),各個參數通過ArcGIS 10.2 進行處理和提取。

表2 本研究所用的數據集

2.4 植被覆蓋變化趨勢

人工草地建設不能破壞天然草地,只能以地勢較低的退化草地建設。采用2000—2015年的MOD13A3植被指數來反演植被覆蓋度,為反映植被覆蓋變化趨勢,利用趨勢變化公式,如下所示,Slope表示影像中每一個柵格單元的植被覆蓋變化趨勢,> 0為增長,< 0為退化趨勢,n為研究時間段(2000—2015年,16),NDVIi表示研究期間第i年的植被覆蓋度。本研究選擇以Slope<0植被處于重度退化狀態的區域。

在具體操作中,建立了NDVI與群落蓋度之間的相關關系,選擇退化且群落蓋度<20%的重度退化草地。

2.5 空間分析法

本研究根據選取的影響因素的各個參數作為人工草地布局建設適宜性分析的指標,首先利用ArcGIS 10.2的空間分析模塊提取和分析每個參數指標所確定的人工草地布局建設適宜的空間分布,然后基于各個參數的適宜性條件(表3),將各個參數指標的適宜性空間分布圖進行疊加,得到綜合的人工草地在藏北的適宜性空間分布圖,最后根據縣級單元的邊界提取人工草地潛在的適宜性面積,和現有人工草地分布位置和面積進行對比分析。

表3 藏北高原建立人工草地環境參數的適宜性分析

3 結果分析

3.1 藏北高原現有人工草地建設立地條件分析

圖2 藏北高原人工草地建立條件參數Fig.2 Parameters for establishing sown pasture on the Northern Tibetan Plateau

根據實地調查的20塊60 hm2規模以上的現有人工草地,提取了海拔、坡度、土地利用類型、土壤有機質、土壤碎石百分比、水源距離等參數值(圖2)。結果表明藏北地區現有人工草地均位于較高的海拔地區,海拔最高位于4761 m,最低位于4249 m,平均海拔4546 m。考慮灌溉條件,現有人工草地均選擇離水源較近的位置,或者離縣城較近方便灌溉的區域,最遠有40 km,最近1 km,平均距離13 km。適宜建立人工草地的土壤屬性主要考慮0—30 cm 土層的土壤碎石百分比和土壤有機質,現有人工草地土壤有機質差別不大,均值1.29 g/100g,而土壤碎石比最高27.8 g/100g,最小值1.6 g/100g,均值16.6 g/100g,從土壤條件的選擇可以看出,現有人工草地的建立通常選擇土壤碎石比較低且利于開墾的區域,而土壤有機質均不高與區域地質條件有關。此外,提取土地利用類型和坡度發現現有人工草地均建立在草地覆蓋度低的平坦地勢區域,坡度均小于25°,以利于耕作和灌溉保墑。因此,篩選人工草地潛在區域時主要考慮選擇低覆蓋度的退化草地和地勢平坦的位置。

按照牧草生育期的≥10℃積溫最低的燕麥500℃[37], 人工牧草的建植的主要區域在尼瑪縣及其以西的地區(圖3),而青稞、箭筈豌豆、紫花苜蓿和披堿草的≥10℃積溫都高于1500℃,分別是1500℃、1700℃、1700℃和1700℃[38-40],藏北高原的活動積溫能滿足這些牧草種的地方微乎其微。因此,本文以活動積溫要求最低的燕麥為例來匡算人工草地建植的潛在最大面積。

據2017年調查,藏北高原人工草地普遍種植的是一年生燕麥,而多年生的披堿草和飼料用的青稞種植面積非常少。那曲縣、尼瑪縣和普蘭縣種植的燕麥鮮草產量普遍達到22500 kg/hm2以上。而那曲縣那木切鄉披堿草和燕麥混播的產草量約22500 kg/hm2,青稞鮮草產量為18000 kg/hm2；班戈縣披堿草鮮草產草可達到27000 kg/hm2,青稞18000 kg/hm2,而普蘭縣的披堿草鮮草產量只有11250 kg/hm2。可見,藏北高原燕麥產草量通常高于披堿草和青稞等牧草,由于披堿草人工草地積溫需求較高,種子不能成熟,還存在越冬的凍害等問題,且3年以上的披堿草草地容易退化,因此,藏北普遍種植的是燕麥人工草地。盡管一年生燕麥種植需要的積溫要求比其他牧草要低許多,每年種植需要較高的勞動力投入,但產草量高且比較穩定,牧民還是普遍愿意種植燕麥。

圖3 藏北高原≥10℃積溫和分布區域 Fig.3 Distribution and magnitude of accumulated temperature above 10℃

圖4 藏北高原潛在人工草地(燕麥)分布面積 Fig.4 Distribution areas of potential sown pastures of oats in the Northern Tibetan Plateau

圖5 藏北高原潛在人工草地和現有人工草地面積對比 Fig.5 Comparison of cultivation areas between potential sown pastures and existing sown pastures on the Northern Tibet Plateau

3.2 藏北高原潛在適宜人工草地建設區域

根據人工草地建立適宜性條件分析,確立藏北人工草地建立的基本條件(表4),將各個參數指標篩選出的適宜區進行疊加,綜合得出藏北潛在適宜建設人工草地的區域面積(圖4)。在本研究野外調查期間,發現藏北種植最多的牧草品種為燕麥,以≥10℃積溫需求最低的燕麥為例,適宜藏北區域人工草地建設的土地極其有限,只有五個縣域(尼瑪縣、改則縣、革吉縣、日土縣、噶爾縣)有具備人工草地建設條件的土地,且絕大部分位于阿里地區,那曲地區只有尼瑪縣有少數符合建設條件的土地,五個縣域中以尼瑪縣的面積最多,改則縣次之,噶爾縣最少。根據面積統計,區域符合人工草地建設條件的潛在面積為15333 hm2,尼瑪縣最多6067 hm2,改則縣2933 hm2,最少的噶爾縣為1333 hm2。此外,各縣域潛在人工草地與現有人工草地面積對比(圖5)表明,除了噶爾縣現有人工草地超過潛在人工草地面積外,其他4個縣域均存在多余尚待開發的面積。另外,若以其他四種常種牧草(青稞、箭筈豌豆、紫花苜蓿和披堿草)的活動積溫需求提取,只有札達縣和噶爾縣少數區域符合條件,但這些區域卻不符合人工草地建立的其他需求。因此,不同牧草品種活動積溫需求是影響藏北人工建立的關鍵限制因素。

表4 藏北高原人工草地建立條件

* 表示生育階段即從出苗到成熟所需要的活動積溫需求

3.3 藏北高原人工草地布局建設適宜性驗證——以改則縣為例

通過野外調查和現有人工草地分布數據收集,對比分析了改則縣現有人工草地和潛在人工草地分布區域的適宜性(圖6)。改則縣現有人工草地共1000 hm2,地塊分布較為零散,主要分布在改則鎮、洞措鄉、物瑪鄉和麻米鄉,最大的面積為148 hm2,最小的面積1.78 hm2,面積超過60 hm2的人工草地只有7個地塊,其余的均為規模較小的地塊。此外,現有人工草地只有少數幾塊分布在海拔4500 m較低的位置,其余大部分海拔在5000 m左右,且離水源地較遠。相反地,根據適宜性分析篩選出的潛在人工草地分布主要集中在海拔4500 m較低的區域,離水源地近,有道路可以通達,靠近鄉鎮點便于管理,且大部分地塊面積規模較大,分布集中。相較于現有的人工草地,篩選出的潛在人工草地分布位置更適宜作為今后發展建設的區域。

圖6 改則縣地勢圖和人工草地布局圖Fig.6 Topography and sown pastures layout in Gerze County topography, sown pasture layout area

4 討論

本文利用氣象、土壤、地形、土地利用、遙感數據并結合野外調查,從可利用土地資源的角度考慮,綜合分析藏北高原牧區人工草地建設布局的適宜性,識別出適宜人工草地建設的潛在分布位置和面積。研究發現,影響該區人工草地布局最重要的因子是水熱條件和海拔,且在綜合考慮灌溉條件、交通的可達性和低蓋度退化草地等人工草地布局綜合約束條件下,能滿足人工草地建設條件的適宜區域極其有限。

影響人工草地布局的基礎為土地適宜性,其中熱量和水分兩大因子尤其重要[41]。低溫和生長季節短是限制高寒草地植被生產力的主要限制因子[42-43],對牧草的生長物候和生產力具有重要影響。本研究以燕麥的積溫需求為例選取溫度適宜區,發現藏北高原大部分區域,尤其是那曲地區無法滿足人工牧草種植的積溫需求,只有阿里地區的五個縣能滿足燕麥生長的活動積溫要求。水分條件也是影響牧草生產力的關鍵因子,區域草地的產草量與降水量直接相關[44]。西部的阿里地區雖滿足積溫需求但由于降水量低,氣候干旱,滿足灌溉條件的水源點也較少。因此,從水熱條件來看,藏北高原牧區發展人工草地面臨二難境地,即東部的那曲地區降水較豐富,但積溫較低,而西部的阿里地區雖然積溫達到要求,但降水顯得嚴重不足。水熱條件的不協調,都會限制人工草地的發展及其生產力。藏北高原地處高寒牧區,氣候呈現寒、旱的特征,水熱條件的制約成為人工草地的首要約束條件。從目前對積溫要求較低的燕麥人工草地種植分布區分析來看,藏北高原牧區種植面積潛在面積只有15333 hm2,難以達到西藏自治區初步在該區每個縣建立人工草地1000 hm2的目標,而且適宜燕麥種植的還在阿里的5個縣,這些縣的降水量少,灌溉條件比較難以滿足,需要通過修建水渠或者引夏季融雪的雪水灌溉,成本很高。因此,從人工草地經濟可行性和成本效益角度來說,藏北高原人工草地建設還面臨諸多問題,難以大面積發展人工草地。比較可行的是,藏北牧區建設以家庭圈窩種草為主要形式的牧戶家庭種草模式。同時在農區或者農牧交錯帶,在保障糧食安全基礎上建設冬飼料牧草生產基地,通過區域農牧耦合的方式解決藏北牧區飼草問題。

在牧草種類選擇方面,披堿草雖然長期被認為是高寒牧區人工草地建設的首選牧草物種,但從牧草品種的適應性來看,該牧草的品種需要的積溫較高,在海拔普遍超過4500 m的藏北高原地區,面臨凍害的風險較高。而且,披堿草人工植被在自然演替狀態下短期內就會發生嚴重退化[45-46], 在退化草地補播或者翻耕后種植的垂穗披堿草根系比較淺,不耐踐踏和啃食,不能形成長期穩定的放牧群落。其他牧草種類也同樣面臨類似問題。相比之下,燕麥雖然是一年生品種,但在6—9月的生長季作為飼料作物種植,能獲得較高的產草量,在藏北地區受到牧民歡迎,種植面積也比其他牧草品種廣得多。當然,種植一年生牧草,頻繁地耕作、投入成本、產出效益和可持續性問題都是需要慎重考慮的。否則,人工草地生產力下降至天然草地水平,投入和產出效益不成正比這都是沒有實踐價值的。

適宜不同牧草品種生長所需的積溫和水分條件不同,因此,未來人工草地建設布局時需考慮牧草品種的抗寒性和抗旱性,應結合牧草種植區劃,選取適合的種植模式。另外,本研究選取植被指數反演的覆蓋度作為反映草地退化的指標,植被覆蓋單獨作為反映草地退化的指標太單一,草地退化不單是覆蓋度的變化,還包括群落結構的退化,今后需要結合土壤和植被群落結構變化來綜合反映草地退化[25],選擇嚴重退化草地作為發展建設人工草地的區域,而不是可改良和恢復的退化草地。

總得來說,藏北高原牧區由于地理環境條件的限制,草地生產力十分有限,且適宜發展人工草地的潛在區域也極其有限,從草地生態系統服務功能和國家生態安全建設角度來看,其供給服務發展潛力有限,國家也將藏北高原定位于高原生態安全保障。要解決藏北草畜間的矛盾,關鍵是草料的供給,應選擇海拔低,水熱條件好的農區作為發展人工草地的重點區域。西藏“一江兩河”(雅魯藏布江及其支流拉薩河、年楚河)流域的農區,由于較低的海拔和良好的水熱條件,土地資源相對豐富,與藏北牧區人工草地建設適宜性相比,有著巨大的潛力。但農區由于糧食保障的需求,土地資源長期以來以耕地利用為主,人工草地建設未得到足夠重視,糧草爭地的矛盾長期存在,還未充分發揮農區草地的最大效益[47]。面對西藏不同區域草地生態系統服務供給和需求存在的空間彈性差異,只有因地制宜地調控供給和需求差異才能使得生態系統服務效用最大化。因此,如何合理有效地將以藏北為代表的牧區和“一江兩河”流域的農區相結合,發展區域農牧耦合是今后西藏畜牧業發展的重要戰略任務[48-49]。

5 結論

藏北高原人工草地布局最重要的影響因子是水熱條件和海拔,決定了人工牧草種植的適宜性；其次,灌溉條件和交通的可達性是人工草地建設可行性需要重點考慮的要素；此外,人工草地只能建設在低蓋度的嚴重退化草地上,不能破壞天然草地和可以改良恢復的輕度退化草地。在多因素的約束下,藏北高原能滿足人工草地建設條件的適宜區域極其有限,以生長季較短、活動積溫受限最低的一年生燕麥種植為例,其潛在的適宜區總面積約15333 hm2,而且主要集中分布在降水條件較差的阿里地區,考慮引水灌溉的建設經濟成本,要想建立大規模成片的人工草地是非常難的。對于水熱因子限制條件來說,東部的那曲地區降水較充沛,主要受積溫不足的限制；而西部的阿里地區則主要受到水分的限制,需要加強灌溉設施建設。因此,要在平均海拔超過4500 m的藏北高寒牧區建立人工草地必須慎重,人工草地建設應該重點考慮海拔較低的“一江兩河”地區。今后人工草地種植規劃還需要加強牧草的抗寒性和抗旱性研究,在人工草地的管理方面要特別關注已建人工草地的可持續性、穩定性、生產力和牧草質量,防止出現草地退化和沙化等問題。