基于GIS的中國(guó)草地合理載畜量空間化

劉丹陽(yáng)，王鵬遠(yuǎn)，岳曉霞，柳小妮

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；)

基于GIS的中國(guó)草地合理載畜量空間化

劉丹陽(yáng)1，王鵬遠(yuǎn)2，岳曉霞1，柳小妮1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；)

天然草地合理載畜量是反映草地合理利用強(qiáng)度的基本單位。為提高草地合理載畜量的劃分精度，根據(jù)“極大似然逼近原理”，創(chuàng)建了異質(zhì)因子控制下的“線性回歸+區(qū)域化值殘差修正”數(shù)據(jù)空間化方法。以全國(guó)草地資源調(diào)查匯總數(shù)據(jù)中縣域理論載畜量和1∶400萬(wàn)中國(guó)草地資源圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用分省控制構(gòu)建了理論載畜量與植被類(lèi)型-生產(chǎn)力異質(zhì)植被斑塊的線性回歸模型，其判定系數(shù)由全國(guó)模型下的0.867提高到0.937，擬合優(yōu)勢(shì)度較高，所獲得的中國(guó)公里格網(wǎng)草地合理載畜量分布圖空間化精度也較高。中國(guó)公里格網(wǎng)草地合理載畜量分布圖不僅表明了不同類(lèi)草地因生產(chǎn)力的不同有不同的放牧要求，也體現(xiàn)了不同環(huán)境條件下草地載畜能力的差別，有效反映了單位面積內(nèi)草地植被載畜-生產(chǎn)力水平，為生態(tài)治理和草地資源保育工作中合理制定草地利用強(qiáng)度提供了理論參考。

GIS；多元線性回歸；草地；載畜量；空間化

草地資源作為可循環(huán)再生的自然資源，在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的同時(shí)，也是畜牧業(yè)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。中國(guó)草地面積廣大，草地類(lèi)型豐富，可利用價(jià)值與用途多種多樣，但同時(shí)卻面臨消失速度快、管理模式粗放、超載過(guò)牧以及草地生態(tài)退化狀況嚴(yán)重等突出問(wèn)題[2-4]。天然草地的合理載畜量正是反映這一資源承壓狀況的重要指標(biāo)之一[5,6]，我國(guó)公認(rèn)的天然草地合理利用強(qiáng)度也以天然草地合理載畜量為基本單位[7,8]。如何科學(xué)的確定草地合理載畜量，避免因盲目追求經(jīng)濟(jì)效益而肆意增大草原放牧率致使草畜關(guān)系失衡，同時(shí)提高草地生產(chǎn)力，引導(dǎo)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及合理利用草原、改善草原生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡、實(shí)現(xiàn)草地資源可持續(xù)利用以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的作用[9]。

國(guó)外對(duì)于草地載畜量確定的研究已有不少成果[10-14]，我國(guó)有關(guān)如何估算草地載畜量的研究也較多，如趙有益等[15]基于灰色-馬爾科夫殘差預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)了甘南草地載畜量；辛有俊等[16]參考農(nóng)業(yè)部《天然草地合理載畜量的計(jì)算》(NY/T636-2002)評(píng)價(jià)了青海省草地載畜量與載畜壓力；秦泗國(guó)等[17]對(duì)西藏那曲草原的研究表明，那曲草原整體處于超載狀態(tài)，且載畜量持續(xù)增加。

載畜量的估算方法多樣，在一般的草地資源調(diào)查成果中，載畜量數(shù)據(jù)表現(xiàn)為行政區(qū)劃單元(如市、縣)為記錄的表格數(shù)據(jù)。用這種數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)草地載畜量的空間分布格局時(shí)存在2個(gè)方面的主要問(wèn)題。一是空間精度不高，二是以縣級(jí)行政區(qū)為基本單元制定草地的載畜量，部分草地生產(chǎn)力相對(duì)較差卻仍有一定載畜能力的縣(市/區(qū)/旗)，因草地資源匱乏沒(méi)有調(diào)查結(jié)果而缺少對(duì)應(yīng)的草地載畜量，導(dǎo)致草地合理載畜量數(shù)據(jù)不完整[18]。為此，廖順寶等[18]根據(jù)屬性數(shù)據(jù)空間化思路，利用模型計(jì)算與殘差修正相結(jié)合的技術(shù)方法，將20世紀(jì)80年代全國(guó)草地理論載畜量調(diào)查數(shù)據(jù)，從市縣單元轉(zhuǎn)換到公里網(wǎng)格尺度這一更細(xì)的空間尺度上。廖順寶等[18]的分析手段側(cè)重于地學(xué)矢量目標(biāo)，為突出草地載畜量和草地生產(chǎn)力之間的關(guān)系，本研究在其研究基礎(chǔ)上，根據(jù)“極大似然逼近原理”，以全國(guó)草地資源調(diào)查匯總數(shù)據(jù)中縣域理論載畜量和1∶400萬(wàn)中國(guó)草地資源圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用分省控制，構(gòu)建理論載畜量與不同類(lèi)草地的面積和產(chǎn)草量2個(gè)因子密切相關(guān)的植被類(lèi)型-生產(chǎn)力異質(zhì)植被斑塊的線性回歸模型，探明草地植被空間異質(zhì)結(jié)構(gòu)下的放牧合理承載能力，提高草地合理載畜量的劃分精度，為生態(tài)治理和草地資源保護(hù)工作中合理制定草地利用強(qiáng)度提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)1∶400萬(wàn)草地分類(lèi)圖和中國(guó)1∶400萬(wàn)縣級(jí)行政區(qū)劃圖來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(www.geodata.cn)。中國(guó)1 km空間的空間分辨率基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS;www.usgs.gov)。中國(guó)分縣(市/區(qū)/旗)草地合理載畜量和單位面積產(chǎn)草量數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)草地資源數(shù)據(jù)》[19]。

1.2 研究方法

在Arc Map 10平臺(tái)上，以省為單位(草地面積較小且相鄰的省份歸并處理，如廣東、廣西和海南省)，創(chuàng)建中國(guó)1∶400萬(wàn)草地分類(lèi)圖中18個(gè)草地類(lèi)的幾何分離斑塊，以單位面積(1 km2)內(nèi)的草地載畜量為因變量，各類(lèi)草地的面積和其產(chǎn)草量的乘積為自變量，建立多元回歸模型。

為解決線性回歸過(guò)程中部分小樣本與擬合直線偏離程度較大的問(wèn)題，將載畜量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)插值為柵格圖層并與回歸模擬載畜量的柵格圖層進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，計(jì)算兩者間的殘差，最后在Arc Map 10平臺(tái)上將殘差插值為柵格圖層對(duì)回歸模擬載畜量分布圖加以修正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全國(guó)草地合理載畜量的空間化。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件建立多元回歸模型，同時(shí)對(duì)回歸方程進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)、回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)和殘差分析，以證明模型的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地類(lèi)的合理載畜量回歸模型

全國(guó)18個(gè)草地類(lèi)合理載畜量的線性回歸模型為：

y=111.770x1+39.902x2+8.373x3+30.434x4+1.778x5+40.159x6+74.550x7+3.974x8+52.592x9+338.321x10+255.979x11+446.260x12+492.910x13+553.951x14+119.583x15+257.989x16+79.554x17+312.687x18

式中：y-單位格網(wǎng)的內(nèi)草地合理載畜量(羊單位/km.a)；x1,x2,…,x18-單位格網(wǎng)內(nèi)不同類(lèi)草地的面積(km2)，常數(shù)項(xiàng)為0(無(wú)草地即無(wú)載畜量)。

SPSS回歸分析結(jié)果表明，通過(guò)觀察調(diào)整后的判定系數(shù)為0.867，擬合優(yōu)度較高，線性關(guān)系顯著?；貧w方程的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明(表1)，18個(gè)草地類(lèi)變量均大于顯著性水平，模型代表性較好。

表1 全國(guó)18類(lèi)草地合理載畜量回歸方程的顯著性檢驗(yàn)Table 1 Significance test of regression equation of reasonable carrying capacity in China

2.2 草地合理載畜量的空間分布

對(duì)全國(guó)以及北方草地(草地面積占全國(guó)草地面積70%)所在的幾個(gè)省的公里格網(wǎng)草地合理載畜量回歸分析結(jié)果(表2)表明，分省模型的判定系數(shù)由全國(guó)模型下的0.867提高到0.937(平均值)。全國(guó)和分省模型顯著性檢驗(yàn)的概率均為0，小于顯著性水平0.05。殘差修正后得到全國(guó)公里格網(wǎng)的草地合理載畜量空間分布圖。單位面積草地合理載畜量在全國(guó)范圍內(nèi)總體表現(xiàn)出隨降水量減少而降低的趨勢(shì)，尤其在東北-內(nèi)蒙古一帶更為明顯(圖1)。同時(shí)，川西北-甘肅甘南-青海玉樹(shù)環(huán)高原暖濕氣流焚風(fēng)草地區(qū)也印證了這一趨勢(shì)[20,21]。

圖1 中國(guó)公里格網(wǎng)草地合理載畜量分布Fig.1 Distribution of reasonable carrying capacity for Chinese grassland

表2 全國(guó)及分省公里格網(wǎng)草地合理載畜量回歸分析Table 2 Regression analysis of 1 km2 grid grassland reasonable carrying capacity in nation and provinces

中國(guó)單位面積草地合理載畜量與草地生產(chǎn)力密切相關(guān)。大興安嶺、川西北、太行山山麓、山西河谷臺(tái)地和天山—準(zhǔn)格爾盆地-阿爾金山山地焚風(fēng)坡以及河北承德等地的林緣草地，合理載畜量明顯高于周?chē)貐^(qū)；西藏拉薩河谷地帶和藏滇交界的長(zhǎng)江、瀾滄江以及雅魯藏布江河谷地帶，單位面積的草地合理載畜量呈現(xiàn)出與森林草地分布相符的條帶狀高值區(qū)。而巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠周邊及內(nèi)蒙古阿拉善盟-甘肅酒泉地區(qū)、中巴阿拉山口沿線和西藏阿里地區(qū)因氣候條件惡劣、土地沙化和荒漠化程度較高，其單位面積合理載畜量最?。挥炅織l件較差且開(kāi)發(fā)歷史時(shí)間較長(zhǎng)的西北內(nèi)陸地區(qū)如祁連山山麓、賀蘭山山麓和六盤(pán)山地區(qū)，反而在山區(qū)呈現(xiàn)單位面積草地合理載畜量較高的特點(diǎn)，這與西北地區(qū)山地冷蒸發(fā)水循環(huán)下的地表濕潤(rùn)度較高有關(guān)[22，23]。

3 討論與結(jié)論

草地合理載畜量由單位面積草地產(chǎn)草量、利用方式和利用周期等參數(shù)計(jì)算得到，其反映了理想化環(huán)境和生理?xiàng)l件下現(xiàn)實(shí)草地在確定時(shí)間內(nèi)能夠容納的食草動(dòng)物(綿羊單位)的數(shù)量[24-26]，對(duì)確定草地合理載畜量具有重要意義。草地的合理載畜量和草地的類(lèi)型密切相關(guān)，草地退化、沙化和荒漠化等牧場(chǎng)條件惡化問(wèn)題對(duì)草地合理載畜量也有一定的影響。

從生產(chǎn)應(yīng)用角度分析，按照草地產(chǎn)草量估測(cè)草地載畜量更為科學(xué)、合理。研究采用分省控制，構(gòu)建了理論載畜量與中國(guó)18個(gè)草地類(lèi)的分布面積和產(chǎn)草量之間的線性回歸模型，充分說(shuō)明了載畜量是衡量草地生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)。草地的生產(chǎn)能力和草地類(lèi)型密切相關(guān)，而草地的類(lèi)型又因高度變化和不同經(jīng)緯度下的積溫、濕潤(rùn)度變化而不同，因此，草地合理載畜量空間化過(guò)程中，空間因子至關(guān)重要。而殘差修正已被證明是一種較好的減小GIS空間插值結(jié)果誤差的方法[27，28]。通過(guò)殘差修正，在一定程度上降低了可能因地形變化導(dǎo)致1 km2面積內(nèi)的草地類(lèi)變化帶來(lái)的誤差，提高了中國(guó)草地合理載畜量的空間化精度。得到的全國(guó)公里格網(wǎng)草地合理載畜量的空間分布圖的分析結(jié)果也表明，不同類(lèi)草地因生產(chǎn)力的不同對(duì)放牧有不同的要求，在不同環(huán)境條件下草地的載畜能力亦有差別。

此次研究的不足之處在于建立多元回歸模型的過(guò)程中，對(duì)小斑塊賦予的權(quán)重值在一定程度上比大斑塊略低，而這些小斑塊恰是由于地形多變，加之開(kāi)墾、濫挖和過(guò)牧等人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的草原景觀破碎化，因而模型中存在數(shù)據(jù)值向大斑塊偏移的現(xiàn)象[29]，對(duì)中國(guó)南方(胡煥庸線以東)區(qū)域的回歸程度不是很理想。同時(shí)，研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為第1次全國(guó)草地資源調(diào)查匯總數(shù)據(jù)中的縣域理論載畜量和1∶400萬(wàn)中國(guó)草地資源圖，雖然數(shù)據(jù)的時(shí)效性不足，但已是迄今為止最完善、最全面的全國(guó)草地資源調(diào)查資料，故研究結(jié)果同樣具有一定的參考價(jià)值。如能結(jié)合草地資源的利用現(xiàn)狀，將會(huì)取得更滿意的結(jié)果。

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GIS-based spatial simulation of reasonable carrying capacity of grasslands in China

LIU Dan-yang1，WANG Peng-yuan2，YUE Xiao-xia1，LIU Xiao-ni1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.SchoolOfLifeSciences,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China)

Reasonable carrying capacity of grassland is a fundamental measure for maintaining proper utilization of grassland resources.In order to improve the accuracy in estimating the reasonable carrying capacity,the ‘Maximum Likelihood Estimate’ modeling method was used to develop a ‘multi-variable linear return analysis & residual correction’ approach based on the heterogeneous variables.The calculated carrying capacity for counties obtained from the Chinese Grassland Resources Survey and the 1∶4000000 Grassland Resource Map were used as the data source for modeling analyses.A linear regression model was developed to simulate the carrying capacity for different provinces by using vegetation type and heterogeneous plant production as independent variables.This method not only significantly improved the coefficient of determination from 0.867 of the national model to 0.937 of current model,but also improved the accuracy of the national reasonable carrying capacity map.The outcomes from this study provided indication on the stocking rate and productivity of per land area for different grassland types,which can be used to facilitate the decision making in grassland management.

GIS;multiple linear regression;grassland;reasonable carrying capacity;spatialization

2015-04-20；

2015-09-29

“草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué))開(kāi)放課題”(No.CYZS-2011014)資助

劉丹陽(yáng)(1989-)，女，滿族，碩士研究生。 E-mail：liudy198905@126.com 王鵬遠(yuǎn)為通訊作者。

S 812.8

A

1009-5500(2015)05-0092-05