四川省天然草原生產(chǎn)力監(jiān)測方法研究

張新躍，周 俗，唐川江，張緒校，侯 眾

（四川省草原工作總站，四川 成都610041）

四川草原面積共有2．087×107hm2，占全省幅員面積的43%，可利用天然草原面積1．767×107hm2，占全省草原總面積的85%［1］，草原年均鮮草產(chǎn)量8×1011kg以上，僅次于內(nèi)蒙古、新疆，居全國第三。按照20世紀(jì)80年代全國分類，四川草原類型共有11類35組126個型，面積較大的類是高寒草甸草地類、高寒灌叢草地類和山地灌草叢草地類，分別占全省草原總面積的49%、15%和9%。天然草原牧草構(gòu)成以禾本科、豆科、莎草科和雜類草為主，其中禾本科植被107屬355種，豆科植物64屬213種。各組草地中，第4組“莎草、雜類草草地組”面積最大［2］，可利用面積占全省草原總可利用面積的29%，雜類草草甸草地、禾草－雜類草草甸草地、禾草－雜類草－豆科草農(nóng)隙地草地、禾草－雜類草－闊葉灌木草叢草地可利用面積均在1．33×106hm2以上，共占全省草原可利用面積的32%。

川西北高原總體地勢高、原面遼闊，70%的可利用草原分布在這里，主要為高寒草甸草地和高寒灌叢草地，在海拔較低的地方有山地疏林草地。川西南地區(qū)屬山地地區(qū)，草地資源垂直分異顯著，海拔1 500m以下主要為山地灌叢草地，1 500～2 800m為山地草甸草地和山地灌草叢，2 800～3 500m以高山草甸草地為主，可利用草原面積占全省的11%。盆地邊緣山地地區(qū)草地分布廣泛，主要為以白茅（Imperata cylindrica var．major）、藎草（Arthraxon hispidus）等禾本科牧草為主的灌草叢草地，盆地內(nèi)草地較少，僅有農(nóng)隙地和零星的灌草叢草地。由于四川草原類型多樣，地形復(fù)雜，利用 MODIS進(jìn)行草地監(jiān)測干擾因素多，技術(shù)難度大［3－4］。本研究探索適用于省、州級草原部門開展較大范圍的草原監(jiān)測工作的監(jiān)測技術(shù)和方法，以期為全面、客觀、快速地估測天然草原生產(chǎn)力，對草原植被與生態(tài)狀況進(jìn)行科學(xué)分析與評價提供基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測與調(diào)查方法

1．1 總體技術(shù)思路 以20世紀(jì)80年代全省草原資源調(diào)查資料為本底，設(shè)立固定監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測路線，進(jìn)行地面調(diào)查，獲取樣地地上生物量數(shù)據(jù)。結(jié)合MODIS遙感影像，提取植被指數(shù)；用地學(xué)分析和數(shù)理統(tǒng)計分析，建立植被指數(shù)與草原生物量的相關(guān)性模型，并對模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正；用模型結(jié)合本底資料估測出地上生物量，并對結(jié)果精度進(jìn)行評價［5－6］。

根據(jù)四川省草原類型的分布特征，對全省草原11類35個組中，分布面積10萬hm2以上的草地組進(jìn)行定位監(jiān)測，10萬hm2以下的草地組進(jìn)行路線監(jiān)測。定位監(jiān)測主要通過在重點(diǎn)草原類型、重點(diǎn)區(qū)域或選擇有代表性的地段設(shè)立固定監(jiān)測點(diǎn)，定期在監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行樣方調(diào)查。路線監(jiān)測根據(jù)監(jiān)測工作的需要，設(shè)定好一定的路線，開展樣地、樣方調(diào)查。固定監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定要求每個固定監(jiān)測點(diǎn)代表特定的草地組、植被狀況與生態(tài)條件，監(jiān)測點(diǎn)樣地內(nèi)植被特征、生態(tài)狀況和利用狀況基本均勻、一致，樣地邊緣離公路或河流500m以外，每個監(jiān)測點(diǎn)面積1 000hm2，依據(jù)地形設(shè)為圓形、正方形或多邊形。監(jiān)測路線設(shè)定在全省10萬hm2以下的14個草地組中，依據(jù)各草地組的分布范圍和特點(diǎn)，每個草地組制定1～4條野外調(diào)查路線。

1．2 地面調(diào)查

1．2．1 樣地設(shè)置 固定監(jiān)測點(diǎn)：在固定監(jiān)測點(diǎn)區(qū)域內(nèi)選擇樣地，樣地要能真實(shí)反映和代表區(qū)域內(nèi)植被和生態(tài)狀況的總體水平。樣地水平間距不小于250 m，盡量選在坡度較小、比較平緩的地方。共計26個固定監(jiān)測點(diǎn)。

路線調(diào)查：在調(diào)查路線上選定有代表性的草地按一定的方向和間距依次確定各樣地，樣地水平間距不小于250m。樣地要有代表性，遠(yuǎn)離公路、河流、建筑物300m以上。共計14條監(jiān)測路線。

1．2．2 樣方設(shè)置 在樣地內(nèi)布設(shè)樣方。草本樣地（草本及矮小灌木樣地，高度在80cm以下的草本、50cm以下的較小灌木）每個樣地設(shè)3個樣方，樣方一般為1m2，若植被分布呈斑塊狀或者較為稀疏，可將樣方擴(kuò)大為2～4m2。灌木樣地（高大灌木及高大草本）每個樣地1個樣方，樣方面積100m2（20m×5m或10m×10m），灌木樣方內(nèi)設(shè)置3個草本樣方。共計1 943個草本樣方，431個灌木樣方。

1．2．3 地面信息獲取 用GPS記錄每個樣方的位置，并拍每個樣方的俯視照片和周圍景觀照片；對樣方情況進(jìn)行描述，注明草原自然條件和利用方式等；測定樣方內(nèi)植物種類組成、平均高度、蓋度等。只有草本及小灌木的樣方采用齊地面刈割法測產(chǎn)，按照地上可食產(chǎn)草量和總產(chǎn)草量分別測定鮮質(zhì)量，然后將鮮草裝袋，待自然風(fēng)干后再測風(fēng)干質(zhì)量；在具有灌叢的監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)，先采用100m2的樣方，測取樣方灌叢質(zhì)量，再在該樣方內(nèi)做3個1m2小樣方，測草本及矮小半灌木的質(zhì)量。

1．3 衛(wèi)星影像的獲取與植被指數(shù)計算 MO－DIS數(shù)據(jù)由四川省地震局MODIS數(shù)據(jù)地面接收站接收的Terra衛(wèi)星影像，為 MODIS 1B級數(shù)據(jù)，HDF格式，使用其中的1～2波段（250m分辨率）計算植被指數(shù)。四川省草地類型分布圖根據(jù)“84年全國草地調(diào)查”制成的1∶50萬類型圖，經(jīng)“Arc－GIS”軟件數(shù)字化，定義坐標(biāo)系和投影方式，形成的帶地理信息，包含各類、組、型草地的分類、分布信息的數(shù)字線畫地圖（DLG）。各級數(shù)字地圖和影像均采用蘭勃托（Lambert）投影，中央經(jīng)度104°E，標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為27°N和33°N。MODIS利用“ENVI”或“ERDAS”軟件對MODIS 1B級數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要過程有預(yù)處理、圖像糾正、圖像增強(qiáng)、鑲嵌與裁切與歸一化植被指數(shù)（NDVI）、增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI）計算，獲取全省植被指數(shù)分布圖［7］。

1．4 植被指數(shù)合成與生物量模型建立

1．4．1 植被指數(shù)合成 根據(jù)四川草原地區(qū)的植被特點(diǎn)和水熱條件，選用標(biāo)準(zhǔn)的NDVI和EVI，按照計算公式進(jìn)行波段運(yùn)算。采用最大值合成（MVC）法合成植被指數(shù)，合成期為16d。

1．4．2 模型建立 根據(jù)四川省草原各類型空間分布特點(diǎn)，按不同的草地組分別建立估產(chǎn)模型。為了使估產(chǎn)結(jié)果能全面、宏觀地反映全省草原整體狀況，將主要的草地組（可利用面積6．67×105hm2以上）單獨(dú)建立模型；分布零星、分散、面積較小的草地組合并建模。建模的方法見“草原資源遙感監(jiān)測－基于MODIS數(shù)據(jù)的生物量估測技術(shù)規(guī)程”，包括灰度值提取、建立模型和驗(yàn)證、修正等過程。

1．5 結(jié)果計算與評價 利用植被指數(shù)圖和已建立的估產(chǎn)模型反演草原生物量，逐像元計算，統(tǒng)計不同草原類型、不同區(qū)域的生物量。結(jié)合本底資料、實(shí)測數(shù)據(jù)對生物量估測的精度進(jìn)行評價。生物量估測值與真值（地面調(diào)查數(shù)據(jù)）的誤差越小，精度越高。相對誤差（ε）和精度（p）計算公式如下：

式中，μ為真值，x為生物量估測值。

2 結(jié)果

2．1 樣方植被蓋度與高度 2006－2009年，經(jīng)對全省草原牧草生長的高峰期（7月20日－8月10日）1 943個草本樣方和431個灌木樣方調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在35組草地中，7組草地為全省主要的草地類型（組），其中第4、5、2、9組為草本和矮小灌木為主的草地，28、12、23為高大灌木和喬木為主的草地，面積占總可利用面積的71%（表1）。面積最大的第4組“莎草、雜類草草地組”，草群高度平均12cm，植被蓋度70．5%，為四川高寒草甸的代表。其次為第5組雜類草草甸草地，面積占全省可利用草原面積的8%，草群高度平均13．9cm，植被蓋度為80%。在灌叢草地中，第28組“禾草、雜類草、闊葉灌木草叢草地”面積最大，主要分布于四川盆地邊緣和內(nèi)地，草群平均高度達(dá)170．7cm，植被蓋度89．4%。

2．2 樣方產(chǎn)量與對應(yīng)植被指數(shù) 由樣方統(tǒng)計出的各組草地的鮮草產(chǎn)量在361．69～1 085．3g／m2，可食率68%～92%，鮮干比（2．1∶1）～（3．9∶1），EVI2在0．354～0．645。其中第4組草地鮮草產(chǎn)量600g／m2左右，可食鮮草530g／m2，折合干草145 g／m2，代表了全省草原可食產(chǎn)量的平均水平（表2）。

2．3 主要草地組生物量模型 應(yīng)用3年的樣方數(shù)據(jù)和同期植被指數(shù)，通過“SPSS 11．0”軟件的回歸分析，并經(jīng)過修正得出的產(chǎn)量模型及相關(guān)參數(shù)（表3）。模型采用指數(shù)和對數(shù)方程，依據(jù)草地組共建立9個模型，前7個為各組單獨(dú)的估產(chǎn)模型，第8個為除去4、5、2、9組的其他以草本為主的草地的估產(chǎn)模型，第9個為除去28、12、23組的其他以灌叢為主的草地的估產(chǎn)模型。相關(guān)系數(shù)最高的為第4組草地模型，達(dá)0．688 3，這與該組草地分布廣袤、植被狀況均勻一致有關(guān)。第5、28組草地相關(guān)系數(shù)也較高，均在0．600 0以上。第23組為灌叢草地，分布相對零星、面積較小，相關(guān)系數(shù)較低，為0．471 0。

表1 主要草地組植被狀況

表2 樣方產(chǎn)量與對應(yīng)植被指數(shù)

2．4 全省草地生物量

2．4．1 全省主要草地組產(chǎn)量 應(yīng)用估產(chǎn)模型和同期MODIS影像植被指數(shù)EVI計算，估測2007－2009年3年各組草地的生物產(chǎn)量，根據(jù)樣方調(diào)查數(shù)據(jù)所得的可食率和鮮干比，求得可食鮮草和干草產(chǎn)量（表4）。天然草原產(chǎn)量年際變化明顯，全省總產(chǎn)量2009年最高，較2007年增加約7．4%，比2008年高0．6%。全省3年平均可食產(chǎn)量8．39×1010kg，折合干草2．53×1010kg，平均可食鮮草產(chǎn)量4．75×103kg／hm2。各組草地中，平均可食產(chǎn)量較高的為灌叢草地，其中第28組草地鮮草產(chǎn)量平均6．13×103kg／hm2，面積最大的第4組草地平均產(chǎn)量為4．28×103kg／hm2，基本代表了我省高原地區(qū)的平均產(chǎn)量。

表3 主要草地組的產(chǎn)量模型及參數(shù)

2．4．2 主要地區(qū)草原產(chǎn)量 甘孜、阿壩、涼山三州是全省天然草原主要集中分布區(qū)，天然草原年平均可食鮮草產(chǎn)量6．42×1010kg，占全省天然草原可食鮮草總產(chǎn)量的76．9%，理論載畜量2．18×107羊單位。三州中產(chǎn)量最高的為甘孜州，年均可食鮮草3．29×1010kg，占三州總產(chǎn)量的51%，其次為阿壩州，年均產(chǎn)量1．84×1010kg，占三州總產(chǎn)量的29%，最低的為涼山州，年均1．29×1010kg，占20%．內(nèi)地廣元、綿陽、雅安、達(dá)州市等草山草坡年平均可食鮮草1．94×1010kg，占全省的13．2%，理論載畜量7．88×106羊單位（表5）。

表4 2007－2009年各組草地可食產(chǎn)量

表5 各地區(qū)草原產(chǎn)量與理論載畜量

3 討論與小結(jié)

3．1 影響監(jiān)測結(jié)果的因素

3．1．1 草原分布變化 近年來實(shí)施了一系列生態(tài)保護(hù)工程，部分草原植被群落發(fā)生演替，盆地和盆周地區(qū)的大部分草原為20世紀(jì)森林破壞后的次生植被，經(jīng)一定時期的恢復(fù)，逐漸被高大灌木或喬木所代替。四川省一直沿用20世紀(jì)80年代全國草原普查資料，會對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生一定影響，尤其以四川盆地周邊的地區(qū)影響較大。

3．1．2 復(fù)雜地形 四川草原地區(qū)多為高山和峽谷，地形復(fù)雜，受小環(huán)境影響，植被類型多樣且分布不連續(xù)。由于MODIS成像面積大，利于獲取宏觀信息；局部地形地貌復(fù)雜的地區(qū)，監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性降低，應(yīng)使用高分辨率的衛(wèi)星影像。

3．1．3 多云天氣 每年7、8月為草原生產(chǎn)力監(jiān)測的適宜時期，同時也是全省的多雨季節(jié)，長期陰云密布，影響MODIS衛(wèi)星對地觀測數(shù)據(jù)，圖像雖然采用16d最大值合成，但每年仍有部分地區(qū)（特別是涼山州）的影像無法完全去除云干擾。

3．2 適用情況 MOIS－NDVI和EVI是最常用的植被指數(shù)，在農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測評估中得到普遍應(yīng)用，在草原生產(chǎn)力監(jiān)測中，由于MODIS成像面積大，利于獲取宏觀同步信息，而且資料來源均勻、連續(xù)、實(shí)時性強(qiáng)，成本低，應(yīng)用潛力極大。在我國北方草原生產(chǎn)力監(jiān)測中MODIS數(shù)據(jù)得到大量研究和應(yīng)用，在南方草原尚屬起步階段。應(yīng)用本研究提供的技術(shù)方法和估測模型進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果基本符合各地實(shí)際，能夠滿足省、州級草原部門較大范圍草原測產(chǎn)工作的需要［8－9］。

［1］ 四川省畜牧局．四川省天然草地資源調(diào)查統(tǒng)計冊［R］．1987．

［2］ 張新躍，周俗，唐川江，等．四川省莎草、雜類草草地生產(chǎn)力遙感監(jiān)測［J］．草業(yè)科學(xué)，2009，26（6）：57－61．

［3］ 張旭，劉新春，肖繼東，等．EOS／MODIS影像處理在塔里木河下游植被監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．干旱區(qū)研究，2005，22（4）：532－536．

［4］ 周清波，劉佳，王利民，等．EOS－MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析［J］．農(nóng)業(yè)圖書情報學(xué)刊，2005，17（2）：202－205．

［5］ 劉愛軍，邢旗，高娃，等．內(nèi)蒙古2003年天然草原生產(chǎn)力監(jiān)測及載畜能力測算［J］．內(nèi)蒙古草業(yè)，2003，15（4）：1－3．

［6］ 趙冰茹，劉闖，劉愛軍，等．利用 MODIS－NDVI進(jìn)行草地估產(chǎn)研究——以內(nèi)蒙古錫林郭勒草地為例［J］．草業(yè)科學(xué)，2004，21（8）：12－15．

［7］ DB 51／T 1089－2010基于 MODIS數(shù)據(jù)的草原地上生物量遙感估測技術(shù)規(guī)程［S］．四川省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2010．

［8］ 任繼周，胡自治，陳全功，等．草地遙感應(yīng)用動態(tài)與研究進(jìn)展［J］．草業(yè)科學(xué)，1996，13（1）：55－60．

［9］ 烏蘭吐雅，劉愛軍，高娃．內(nèi)蒙古天然草原植被20年動態(tài)遙感監(jiān)測［J］．草業(yè)科學(xué)，2009，26（9）：40－42．