基于地理探測器模型的川西北家畜空間分布差異影響因素分析

陳曉霞，馮俊人△，廖禮彬，石福孫，王健順，高武超，孫飛達*

(1.四川農業大學 草業科學系，四川 成都 611130；2.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610041；3.蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

川西北牧區作為青藏高原東南緣和橫斷山脈的一部分，是我國重要的高寒牧區，也是四川省重要的畜牧生產基地，在生態保護和畜牧業發展方面意義突出[1-3]。不同畜種的地理分布格局，反映了生態環境對家畜的影響及不同畜種對環境的適應程度，揭示了特定地域的家畜生態特征[4]。牦牛和藏綿羊作為在川西北地區生活的優勢畜種，是草業系統物流與能流中轉站動物生產層的重要組成部分，其與草地互作是放牧生態系統物質循環的關鍵驅動力之一[5-8]。畜群結構和規模直接影響到草地生態系統的第二性生產力，間接地影響著經濟價值的生產[9]。合理的畜群結構對草原畜牧業發展具有重要意義，有利于畜群再生產和擴大再生產、正常周轉的同時取得最大的經濟效益；畜群結構不合理，會導致畜牧業生產出欄率低、周轉慢和效能低[10-12]。因此，了解川西北典型牧區牦牛和藏綿羊的數量變化及畜群結構特征，明晰川西北畜群存在空間分布差異的原因，對促進青藏高原高寒草地的可持續利用和畜牧業健康發展具有重要意義。

家畜作為重要的土地利用者，其與自然、經濟、政治、社會環境之間存在錯綜復雜的聯系[13]。多年來，許多學者在家畜地理空間分布與氣候因素方面進行了大量的研究工作[14-16]，但利用空間異質性探測工具，并結合人文和自然因素的分析相對較少。鑒于此，本研究利用地理探測器模型結合降雨、溫度、高程、坡度、土地覆蓋類型、草地面積、植被類型、植被覆蓋度等自然因素，并考慮人口數量、人口密度、出欄管理等人為因素的影響，對川西北放牧家畜存在空間分異的原因進行探究。地理探測器模型( http: //www.geodetector.org /)最初被用于探尋地理空間分區因素對疾病風險的影響，之后在自然科學和環境科學研究中逐漸普及，是探測空間分異性，以及揭示分異驅動力的一組統計學方法，與其他空間異質性探測工具相比地理探測器具有更高的解釋效率[17-20]。其核心思想是：如果某個自變量對某個因變量有重要影響，那么自變量和因變量的空間分布應該具有相似性[21]。利用該模型既可以探測數值型數據，也可以探測定性數據的一大優勢，對川西北放牧家畜空間分布的影響因素進行定量分析，對川西北家畜空間尺度下分布差異歸因的探究具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

阿壩藏族羌族自治州位于青藏高原東段，地理位置處于東經100°30′～104°27′，北緯 30°35′～34°19′之間；幅員84 200 km2，現轄馬爾康1個市，阿壩、若爾蓋、紅原、壤塘、松潘 5個牧區縣，金川、小金、汶川、理縣、茂縣、九寨溝、黑水7個半農半牧區縣，共有54個鎮、165個鄉；總體地形是西北高，東南低，自西北向東南傾斜，西北部分海拔在3 500～4 000 m之間，屬于丘狀高原，而南部為高山峽谷，海拔780～6 250 m；全州屬于高原季風氣候，光照充沛，晝夜溫差大，無霜期短，冬春季節空氣干燥，多陣性大風，旱、霜、雪、低溫、大雪各類災害性天氣頻繁；本文主要研究區域為阿壩州的若爾蓋、阿壩、紅原、壤塘、松潘5個典型牧業縣，該區域位于阿壩州西北部的丘狀高原地帶，屬大陸高原性氣候，四季氣溫無明顯差別，冬季嚴寒漫長，夏季涼寒濕潤，年平均氣溫0.8～4.3 ℃，年均降雨量600～800 mm之間[22]。若爾蓋、阿壩、紅原、壤塘、松潘5縣作為阿壩州主要的畜牧生產基地，面積44 621 km2，占全州幅員面積的54%，天然草地面積32 000 km2，占全州天然草地面積的71%。據統計2016年末若爾蓋、阿壩、紅原、壤塘、松潘五縣的戶籍總人口數為327 700，占全州人口的35.6%；5個牧業縣牦牛和綿羊混合存欄量為1 953 300 混合頭，占整個阿壩州地區牛羊混合存欄量的70.64 %[23]。

1.2 影響因子的確定

從自然和人為兩個因素探究川西北總放牧家畜、牦牛、綿羊空間分布的原因，并分別從兩類影響因素下選取代理變量。自然因素對于家畜空間格局的作用機理體現家畜適應性，基于已有家畜地理空間格局研究的理論和實證分析，選取年均降雨量(X1)、年均溫(X2)、高程(X3)、坡度(X4)、草地面積(X5)土地覆蓋類型(X6)、植被類型(X7)、植被覆蓋度(X8)等8個因子作為自然因素代理變量。人口和家畜的出欄管理等人為因素能間接反映經濟情況，與家畜分布密切相關，所以選用人口數量(X9)、人口密度(X10)、出欄率(X11)等作為人為因素的代理變量(見圖1-3)。

圖2 地理探測器中自然影響因素的空間分布Fig. 2 Distribution of natural factors in geographical detector

圖3 地理探測器中人為影響因素的空間分布Fig. 3 Distribution of human factors in geographical detector

1.3 數據來源及處理

本研究分別以川西北總的放牧家畜數量及不同畜種牦牛和綿羊的數量為因變量，以8個自然因素代理變量和3個人為因素代理變量為自變量數據，使用王勁峰等[21]提出的地理探測器模型，分析川西北放牧家畜數量和畜種結構存在空間分布差異的原因。

1.3.1 家畜空間分布 作為因變量的家畜數據來源于阿壩州農業畜牧局提供的2017年家畜鄉鎮單位數據，利用屬性數據空間化技術實現家畜分布格局圖的構建。

1.3.2 自然因素 自然因素代理變量年降雨量、年均溫數據使用2006-2016年中國地面累積月值數據集( 2006-2016年) 由中國氣象科學數據共享服務平臺 ( http: /data.cma.cn /site /index.html) 提供，利用Kring和CoKring方法進行插值處理；高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)提供的30 M分辨率的數字高程數據，坡度信息是利用Arc GIS10.5中的3D分析模塊從高程數據中提取的獲得；鄉鎮尺度草地面積數據來源于阿壩州農業畜牧局2017年家畜統計年鑒；土地覆蓋類型數據使用的是美國國家航空航天局(https://search.earthdata.nasa.gov/)提供的MCD12Q1產品數據；植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心提供的1∶1 000 000植被類型空間分布數據；植被覆蓋度利用遙感數據MOD13Q1合成，該產品是美國航空航天局提供的陸地3級標準數據產品，空間分辨率為 250 m×250 m，時間分辨率為 16 d，本文選擇2016年23景MODISNDVI數據，利用最大合成法 ( Maximum Value Composite，MVC) 合成年最大 NDVI，然后用像元二分法進行植被覆蓋度的估算，估算公式如下：

(1)

式中：NDVI為像元實際值； NDVIsoil為地表裸土覆蓋所對應的 NDVI值；NDVIveg為地表全部植被所覆蓋對應的NDVI值，在運用像元二分模型估算植被覆蓋度時，通常參照經驗在給定置信區間內確定NDVIsoil和NDVIveg的值[24]。本研究采用的置信區間取值范圍是3%～95%，選取累計頻率為3%的 NDVI值作為NDVIsoil，累計頻率為95%的NDVI 值NDVIsoil，然后進行植被覆蓋度的估算。

1.3.3 人為因素 人為因素代理變量人口密度、人口數量、出欄率為鄉鎮尺度數據，均來源于2017年中國縣域統計年鑒(縣市卷)和阿壩州農業畜牧局2017年家畜統計年鑒，利用ArcGIS10.5實現數據空間化。

1.4 研究方法

地理探測器模型要求自變數據為類型變量，所以除了土地覆蓋類型和植被類型外，其他代理變量均使用自然斷點法進行重分類，利用ArcGIS 10.5中的漁網工具將研究區域劃分為3 km×3 km的網格，研究區域采樣網格點4876個，用于將因變量Y和自變量X屬性值相匹配，然后將X和Y值導入地理探測器模型進行運算。運算原理公式表達如下：

(2)

2 結果與分析

2.1 川西總放牧家畜空間分布的影響因子分析

使用地理探測器模型對放牧家畜空間分布的影響因素進行分析，得出各因子對家畜空間分布影響程度排序為：人口數量X9>年均溫X2>草地面積X5>出欄率X11-1>坡度X4>年降雨量X1>植被類型X7>人口密度X10>高程X3>土地覆蓋類型X6>植被覆蓋度X8，其中人口數量的q值最高為0.48，年均溫和草地面積次之分別為0.42和0.35，植被覆蓋度和土地覆蓋類型的q值最小分別為0.027和0.069。當兩種影響因子同時作用于因變量Y時，交互作用對Y的解釋作用增強，其中草地面積∩年均溫、人口數量∩家畜出欄率、草地面積∩人口數量q值最大分別為0.809、0.706、0.759。

2.2 川西牦牛空間分布的影響因子分析

各影響因子對牦牛的空間分布影響程度排序為：人口數量X9>草地面積X5>年均溫X2>植被類型X7>人口密度X10>牦牛出欄率X11-2>坡度X4>土地覆蓋類型X6>高程X3>年降雨量X1>植被覆蓋度X8。人口數量和草地面積是牦牛空間分布最主要的影響因素，其q值分別為0.45和0.42，年均溫和植被類型次之分別為0.30和0.20，年降雨量和植被覆蓋度q值最低為0.07和0.04，對牦牛的空間分布的影響最小；從兩因素的交互作用來看，自變量的代理變量之間兩兩交互對牦牛空間分布的影響大于單一變量的作用，人口數量和草地面積分別與其他因子互作，q值均高于0.45，牦牛出欄率和人口數量、草地面積之間的交互對牦牛空間分布的影響最大，q值分別為0.61和0.64；人口密度∩草地面積以及年均溫∩草地面積對牦牛空間分布的影響次之，q值分別為0.586和0.576，植被覆蓋度和土地覆蓋類型除了與人口數量和草地面積交互作用較強以外，與其他因子的交互作用相對較弱q值小于0.35，影響力度最小。

圖4 各影響因素對總的放牧家畜空間分布的解釋力程度Fig. 4 Explanatory power of various influencing factors on the spatial distribution of total grazing livestock

圖5 各影響因素交互作用對總的放牧家畜分布的影響Fig. 5 Interactive impact of various influencing factors on the spatial distribution of total grazing livestock

2.3 川西綿羊空間分布的影響因子分析

從q值來看，降雨和溫度這兩種氣象因子對綿羊在川西北空間分布的影響程度最大，其q值分別為0.30和0.29，其次是人文因素的代理變量人口數量和綿羊出欄率，q值分別為0.22和0.17，植被覆蓋度和坡度對綿羊的空間分布影響最小，q值為0.007和0.004；從交互作用來看，草地面積和年均溫、人口數量的交互作用對綿羊空間分布的影響最大，q值為0.72和0.61，年降雨量分別與人口數量、年均溫交互作對綿羊空間分布的影響次之，q值分別為0.59和0.51，說明草地面積、年降雨量、年均溫等自然因素變量對川西北綿羊的空間分布影響較大于人口數量因素。

圖6 各影響因素對牦牛空間分布的解釋力程度Fig. 6 Explanatory power of various influencing factors on the spatial distribution of yak

圖7 各影響因素交互作用對牦牛分布的影響Fig. 7 Interactive impact of various influencing factors on the spatial distribution of yak

圖8 各影響因素對綿羊空間分布的解釋力程度Fig. 8 Explanatory power of various influencing factors on the spatial distribution of sheep

圖9 各影響因素交互作用對綿羊分布的影響Fig. 9 Interactive impact of various influencing factors on the spatial distribution of sheep

3 討 論

家畜數量隨著人口的增加和家庭規模的擴大而呈增加趨勢[25-26]，本研究也驗證了這一觀點，對比其他影響因子，發現人口數量對川西北放牧家畜空間分布的影響起著主導作用。川西北地區屬于青藏高原高寒脆弱區，氣候是影響該地區畜牧業生產的重要因素，溫度是限制草地生產力的主要生態因子之一[27]，本研究表明氣象因子溫度對川西北典型牧業縣放牧家畜的空間分布影響突出，且遠大于降雨對家畜分布的影響，說明溫度和人口數量一樣也是限制該地區放牧家畜對生存環境適應性選擇的主要因子。草原占地球陸地面積的一半以上,其植物生產占全球總量的30 %～35 %，是家畜生產的主要基地，養活著世界上約1/3 的人口[28]。在川西北牧區家畜生產是牧民主要的收入來源，劉媛媛[29]根據牧業部門提供的數據發現在紅原和若爾蓋地區理論載畜數量完全不能滿足牧民基本的生產生活所需，隨著人口的增加，牧戶一味追求數量型發展，導致草畜矛盾突出。因此，筆者認為草地面積對家畜空間分布的解釋程度低于人口數量，也反映了隨著社會經濟的發展草地資源不能滿足該地區人均基本的需要，存在超載的事實。

牦牛作為川西北的主要放牧家畜，空間分布跟總放牧家畜的分布具有相似特征，從較大空間尺度范圍來看，川西北地區人口分布對牦牛及總的放牧家畜空間分布的解釋程度大于其他因素，這與黃敬蜂等[30]認為的牦牛常年放牧，其分布主要取決于海拔高度、氣候及天然草場的植被類型，而受人為干擾較少的觀點有所不同。與各影響因素對總放牧家畜及牦牛空間分布的解釋程度存在差異，綿羊在川西北地區主要分布于降雨量相對較少的若爾蓋縣地區，其空間分布的異質性主要歸因于降雨和溫度，其次是人口數量和出欄率。部分研究表示溫度和降雨與羊的幼畜成活率[31]、腐蹄病的發病率具有一定的關系[32-33]。本研究認為降雨量過多、溫度過高，增加羊只患病率，提高養殖成本和管理難度，是制約川西北藏綿羊分布范圍的重要因素。

從各影響因素對家畜空間分布的交互作用來看，各影響因素對牦牛、綿羊、總的家畜空間格局的影響表現為協同增強，這與胡江等[34]提出的家畜空間分布受多種因子交互影響的觀點相類似。

本文以2016年川西北典型牧業縣鄉鎮尺度的放牧家畜總存欄數、牦牛存欄數、綿羊存欄數、人口數量、人口密度、出欄率、植被覆蓋度和2006-2016年十年間的年降雨量和年均溫及該地區的高程、坡度、植被類型、土地覆蓋類型、草地面積等數據為基礎，有效地分析了各因子對川西北家畜空間分布的影響。但影響家畜空間分布的因素較多，以鄉鎮為單元的數據獲取比較困難，所以家畜分布和少數影響因素的分析僅立足于2016年的部分數據，對于其他影響因素的補充和更長時間尺度的分析，有待進一步探討。

5 結 論

(1) 各影響因素對家畜空間分布的影響具有差異，牦牛作為川西北的主要放牧家畜，跟總放牧家畜的分布具有相似特征。單因子方面，人口數量是影響川西北總的放牧家畜和牦牛空間分布的主要人為因子，年均溫和草地面積是主要的自然因子；

(2) 總體來看，自然因素對川西北地區綿羊空間分布的影響大于人為因素，其中自然因素代理變量降雨和溫度的解釋程度最大；

(3) 家畜存在空間分布差異是多種因素互相作用的結果，各影響因子之間的交互作用對川西北放牧家畜的影響力表現為協同增強。