呼倫貝爾天然打草場分布及生物量遙感估算

閆瑞瑞，唐 歡，丁 蕾，姚 靜，陳寶瑞，辛?xí)云健?，?旭，閆曉紅，牛文遠(yuǎn)

呼倫貝爾天然打草場分布及生物量遙感估算

閆瑞瑞1，唐 歡2，丁 蕾1，姚 靜1，陳寶瑞1，辛?xí)云?※，王 旭1，閆曉紅3，牛文遠(yuǎn)3

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 100081；2. 銅陵學(xué)院，銅陵 244000；3. 內(nèi)蒙古和信園蒙草抗旱綠化股份有限公司，呼和浩特 010000）

天然打草場在中國草地畜牧業(yè)中具有非常重要的功能，是保障草畜季節(jié)平衡、確保家畜安全過冬，災(zāi)后應(yīng)急救援的飼草儲備資源。目前關(guān)于天然打草場的資源分布與生物量高低等信息的研究欠缺，限制了區(qū)域性飼草儲備資源的有效利用。該研究利用遙感技術(shù)和實地調(diào)查相結(jié)合的方法對陳巴爾虎旗天然打草場的資源分布及生物量估算進(jìn)行了全面調(diào)查。結(jié)果表明：陳巴爾虎旗天然打草場面積達(dá)80.28×104hm2，其中鄂溫克民族蘇木打草場面積居首位，為22.69×104hm2，巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)及西烏珠爾蘇木的打草場面積次之，面積均大于9.00×104hm2，寶日希勒鎮(zhèn)面積最小，為0.64×104hm2。基于MODIS-NDVI與打草場實測量建立的反演模型相對誤差為20.56%，能夠比較準(zhǔn)確地估算牧草產(chǎn)量；陳巴爾虎旗天然打草場平均生物量為1.24×103kg/hm2，總生物量為992.90×106kg，生物量空間分布呈東高西低，鄂溫克蘇木打草場總生物量較高，為304.21×106kg，巴彥哈達(dá)蘇木次之，為221.01×106kg，其他蘇木占47.10%；研究區(qū)天然打草場面積和生物量主要分布在溫性草原和溫性草甸草原，少量分布在低地草甸草原、山地草甸草原及沙地草原。該研究結(jié)果可為將來分析典型牧區(qū)陳巴爾虎旗天然打草場變化提供數(shù)據(jù)支撐。

遙感；植被；模型；天然打草場；資源分布；NDVI；生物量估算

閆瑞瑞，唐 歡，丁 蕾，姚 靜，陳寶瑞，辛?xí)云?，?旭，閆曉紅，牛文遠(yuǎn). 呼倫貝爾天然打草場分布及生物量遙感估算[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(15)：210－218. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.027 http://www.tcsae.org Yan Ruirui, Tang Huan, Ding Lei, Yao Jing, Chen Baorui, Xin Xiaoping, Wang Xu, Yan Xiaohong, Niu Wenyuan. Natural mowing grassland resource distribution and biomass estimation based on remote sensing in Hulunber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 210－218. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.027 http://www.tcsae.org

0 引 言

呼倫貝爾草原是中國半干旱牧區(qū)草地資源的重要組成部分，總面積約8.87×104km2，是中國溫帶草原分布最集中、最具代表性的地區(qū)[1]。呼倫貝爾天然打草場占內(nèi)蒙古自治區(qū)打草場面積的28.1%，且類型多樣，生產(chǎn)力較高，在草地畜牧業(yè)中具有非常重要的功能。草原是呼倫貝爾陳巴爾虎旗最大的天然生態(tài)系統(tǒng)，對發(fā)展畜牧業(yè)、保持水土、維持生態(tài)平衡和生物多樣性都有重大作用和價值[2]；打草利用是陳巴爾虎旗天然草原傳統(tǒng)的利用方式之一，與放牧利用相輔相成，保障著家畜的飼草供給。但由于在利用時間和空間上比較固定，連年打草，退化現(xiàn)象嚴(yán)重。加之目前關(guān)于天然打草場的資源分布與生物量高低等信息的研究欠缺，嚴(yán)重限制了區(qū)域性飼草儲備資源的有效利用。因此，開展陳巴爾虎旗天然打草場資源空間分布狀況和生產(chǎn)性能的研究，能夠為合理利用草地資源、平衡牧區(qū)草畜供求關(guān)系、促進(jìn)草地畜牧業(yè)良性發(fā)展等方面提供科學(xué)依據(jù)。

由于受到氣候、地形和勞動力時間限制等因素的影響，野外調(diào)查方法難以全面、準(zhǔn)確地獲取天然打草場的分布信息，針對這種情況，日益成熟的遙感技術(shù)為監(jiān)測天然打草場不同植被類型分布提供了可能[3]。相關(guān)研究表明，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠高效、客觀、準(zhǔn)確地監(jiān)測天然打草場[4]，陸地衛(wèi)星Landsat因其較高的空間、時間分辨率在土地覆蓋/利用、農(nóng)作物信息提取等得到廣泛應(yīng)用[5-6]。植被指數(shù)是遙感監(jiān)測草原產(chǎn)草量的重要指標(biāo)之一，其中MODIS-NDVI是應(yīng)用最廣泛、反映植被信息敏感且比較穩(wěn)定的植被指數(shù)，其時空分辨率可以較好地滿足宏觀尺度草原植被的時空變化特征。國內(nèi)外大量學(xué)者通過長期研究，利用MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)建立了不同草地類型的多種模型用于估算草原生產(chǎn)力，并得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]，然而應(yīng)用于天然打草場資源方面的研究較少[4]，更多的是研究打草場的合理利用以及利用方式[11-16]。本研究基于遙感技術(shù)和實地調(diào)查相結(jié)合的方法對中國呼倫貝爾陳巴爾虎旗占主要地位的天然打草場進(jìn)行全面調(diào)查，建立基于遙感數(shù)據(jù)的NDVI與天然打草場地上生物量之間的關(guān)系模型，從而實現(xiàn)陳巴爾虎旗天然打草場資源現(xiàn)狀分布及生物量估算。

1 研究區(qū)概況

陳巴爾虎旗位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市西北部，地處呼倫貝爾大草原腹地，地理坐標(biāo)為北緯48°48′～50°12′，東經(jīng)118°22′～121°02′，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年平均氣溫1.0 ℃左右，年降水量300～550 mm[1]。植被類型以溫性草原、溫性草甸草原、沙地草原、山地草甸、低地草甸打草場類型為主。該旗境內(nèi)可利用草原面積162.5×104hm2，年可利用飼草貯量2.42×109kg。

2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1.1 地面樣方數(shù)據(jù)

2015年7月中旬至下旬，利用遙感技術(shù)和實地調(diào)查相結(jié)合的方法[5]對陳巴爾虎旗天然打草場進(jìn)行了全面調(diào)查。共89個調(diào)查點，遍布陳旗3個鎮(zhèn)6個蘇木43個嘎查，如圖1所示。每個樣方的采樣面積是1 m×1 m，分物種采樣，每個調(diào)查點采集2～4個樣方，記錄經(jīng)緯度，記錄每個物種的蓋度、高度、多度（株叢數(shù)），并采集物種（齊地面剪下，留茬不超過0.5 cm）記錄其鮮質(zhì)量，帶回實驗室用烘箱65 ℃烘干48 h至恒質(zhì)量，記錄樣方干質(zhì)量，樣地生物量為樣方干質(zhì)量的平均值。

圖1 研究區(qū)及調(diào)查點分布圖Fig.1 Study area and ground sampling points

2.1.2 遙感影像數(shù)據(jù)

基于2009年－2011年中國半干旱牧區(qū)天然打草場數(shù)字化的結(jié)果[4]，遙感數(shù)據(jù)使用了2015年9月7日Landsat 5 TM 123～124行，25～26列共4景影像，處理方法見唐歡等[4]文獻(xiàn)。由于Landsat數(shù)據(jù)合并后存在邊界輻射差異等問題，本文在計算地上生物量時采用MODIS13Q1 250 m分辨率的NDVI（歸一化植被指數(shù)）數(shù)據(jù)，選擇于野外樣方采集同時期獲取的MODIS的2015年第209天和第225天數(shù)據(jù)，研究區(qū)位于Tile號為h25v03和h25v04，對影像進(jìn)行投影、格式轉(zhuǎn)換、合并以及鑲嵌等預(yù)處理后，再進(jìn)行最大值合成，得到每年MODIS NDVI數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 基于TM影像的天然打草場識別

TM的432波段分別賦予紅、綠、藍(lán)合成的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像，植被在影像上表現(xiàn)為紅色，而打草場是呈現(xiàn)深淺不一的暗紅色。地勢平坦且影像質(zhì)量好的地區(qū)，利用顏色（草地呈現(xiàn)紅色、打草場呈現(xiàn)暗紅色）、形狀（較規(guī)則的條帶狀）和紋理（較細(xì)、均一、不粗糙）可進(jìn)行直接判讀；其它地區(qū)可利用時相動態(tài)對比，一是利用打草前的影像與打草后的影像對比，二是利用同時段歷史影像進(jìn)行對比，三是利用專題圖、地形圖或高分辨率影像與遙感影像重合進(jìn)行識別，本研究主要與Google earth影像進(jìn)行對比解譯。信息復(fù)合法貫穿在整個解譯過程中，直接判定法和對比分析法判出的打草場為固定打草場，信息復(fù)合法判出的為機動打草場。

2.2.2 基于MODIS13Q1的天然打草場生物量估算

由于地面樣方數(shù)據(jù)的質(zhì)量會顯著影響模型估算的準(zhǔn)確性[8]，因此，在建模型前對地面樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗。根據(jù)草地類型、含水量等，剔除表現(xiàn)異常的4個樣點數(shù)據(jù)。有效數(shù)據(jù)中，隨機選取56個樣點數(shù)據(jù)（總數(shù)據(jù)的2/3）構(gòu)建模型，余下的28個樣點數(shù)據(jù)檢驗?zāi)Ｐ途?。根?jù)地面樣方點坐標(biāo)信息，利用Arcgis10軟件提取每個樣方點周圍1×1個像元（250 m × 250 m）的NDVI均值。利用統(tǒng)計軟件SPSS，對植被指數(shù)（NDVI）與樣方生物量進(jìn)行一元線性回歸分析，得到陳巴爾虎旗天然打草場生物量-NDVI估算模型。

式中Biomass為地面實測樣方生物量，kg/hm2；a、b為模型系數(shù)；NDVI為影像對應(yīng)的歸一化植被指數(shù)。

利用未參加建模28個樣點數(shù)據(jù)，通過平均相對誤差RME（relative mean error）來評價模型精度。計算公式如下

式中Yi為實測干草產(chǎn)量，kg/hm2；iY′為估算的干草產(chǎn)量，kg/hm2；Y為平均實測干草產(chǎn)量，kg/hm2；N為樣點數(shù)。

最后，根據(jù)建立的生物量-NDVI估算模型，對陳巴爾虎旗草原區(qū)進(jìn)行生物量反演，得到生物量分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 陳巴爾虎旗天然打草場分布狀況

3.1.1 天然打草場分布總體狀況

基于2009－2011年研究區(qū)遙感影像結(jié)果，2015年7月中旬-下旬，利用遙感技術(shù)和實地調(diào)查相結(jié)合的方法，對陳巴爾虎旗3個鎮(zhèn)6個蘇木43個嘎查天然打草場（包括固定打草場、機動打草場）進(jìn)行了全面調(diào)查。研究發(fā)現(xiàn)，陳巴爾虎旗天然打草場面積達(dá)80.28×104hm2，占內(nèi)蒙古天然打草場面積的11.81%，占呼倫貝爾天然打草場的44.78%，占陳巴爾虎旗可利用草原面積的49.51%。陳巴爾虎旗固定打草利用的面積為72.55×104hm2，占打草場總面積的90.37%；機動打草場面積為7.73×104hm2，占打草場總面積的9.63%（圖2）。打草場主要分布在溫性草原（55.94%）和溫性草甸草原（31.25%），分別占對應(yīng)類型可利用草原面積的70.69%及63.59%，少量分布在低地草甸草原（4.89%）、山地草甸草原（5.94%）及沙地草原（1.99%），分別占對應(yīng)類型可利用草原面積的13.98%、23.88%及14.31%（表1）。

對陳巴爾虎旗各嘎查打草場面積進(jìn)行統(tǒng)計、聚類分析，結(jié)果如表2所示，打草場面積在6.67×104hm2以上的有4個嘎查、4.67×104～6.67×104hm2的有10個嘎查、2.67×104～4.67×104hm2的有16個嘎查、0.67×104～2.67×104hm2的有9個嘎查、低于0.67×104hm2的有4個嘎查。

圖2 陳巴爾虎旗天然打草場資源分布圖Fig.2 Spatial distribution of cutting pasture in Prairie Chenbarhubanner

表1 陳巴爾虎旗各草原類型的可利用草原及天然打草場面積及比例Table 1 Steppe area and natural mowing grassland area and proportion of grassland types in Chenbarhu banner

表2 各嘎查天然打草場面積Table 2 Natural mowing grassland area of each study villagein area

3.1.2 不同蘇木天然打草場分布狀況。

陳巴爾虎旗各蘇木可利用草原及打草場的面積見表3，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鄂溫克民族蘇木的打草場面積占全旗打草場面積的28.26%；巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)及西烏珠爾蘇木的打草場面積均大于9.00×104hm2，其余4個蘇木的打草場面積較小，均不足全旗打草場的10%，其中寶日希勒鎮(zhèn)面積最小，為0.64×104hm2，僅占全旗打草場面積的0.80%。雖然寶日希勒鎮(zhèn)的打草場面積及可利用草原面積均最小，但其打草場占可利用草原面積的比例最高（79.74%）。巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木的可利用草原有超過一半的面積為打草場，特尼河蘇木的打草場占可利用草原的比例最小，為31.31%。

陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場的草地類型分布見圖3、表4。巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木、哈日干圖蘇木打草場的草地類型以溫性草原為主，其中，哈日干圖蘇木的分布比例最高，為94.74%；巴彥哈達(dá)蘇木的分布比例最低，為66.60%。鄂溫克民族蘇木、巴彥庫仁鎮(zhèn)、寶日希勒鎮(zhèn)打草場主要分布溫性草甸草原，其中，寶日希勒鎮(zhèn)打草場全部為溫性草甸草原，巴彥庫仁鎮(zhèn)的分布比例超過95%，鄂溫克蘇木的分布比例最低，為63.38%。特泥河蘇木有過78.85%的打草場分布在山地草甸草原，此外，鄂溫克蘇木、巴彥哈達(dá)蘇木的打草場在山地草甸草原也有分布，分布比例分別為15.37%及1.04%。除寶日希勒鎮(zhèn)外的所有蘇木打草場在低地草甸均有分布，但是分布比例均不超過12.22%。沙地草原在東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木、哈日干圖蘇木有少量分布，分布比例的范圍為1.72%～6.37%?？傮w上，陳巴爾虎旗的各蘇木除特泥河蘇木打草場主要分布在山地草甸草原外，其余蘇木打草場主要分布溫性草原或溫性草甸草原。所有蘇木的打草場在低地草甸草原及沙地草原的分布比例都較低。

表3 陳巴爾虎旗各蘇木的可利用草原及天然打草場的面積及比例Table 3 Steppe area and natural mowing grassland area and proportion of villages in Chenbarhu banner

圖3 陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場的草地類型分布圖Fig.3 Grassland types distribution of natural mowing grassland in Chenbarhu banner

表4 陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場的草地類型面積及比例Table 4 Natural mowing grassland area and proportion of grassland types in Chenbarhu banner

3.2 陳巴爾虎旗天然打草場生物量

3.2.1 草原生物量估算模型構(gòu)建與精度檢驗

將2015年實測生物量與對應(yīng)的MODIS NDVI建立線性模型模型（圖4a），線性模型的決定系數(shù)R2為0.552 4，相關(guān)性系數(shù)R為0.743，在0.01水平上顯著相關(guān)。

利用未參加建模的28個地面點生物量實測值與模擬值作對比圖，對模型進(jìn)行精度檢驗，從圖4b上可看出觀測值與模擬值基本上能均勻的分布在1:1線附近，并根據(jù)模擬值與實測值絕對差值占實測值的比例計算相對誤差，該模型平均相對誤差為20.56%。結(jié)果表明利用NDVI草原生物量反演模型可以比較準(zhǔn)確地估算牧草產(chǎn)量。

圖4 陳巴爾虎旗生物量估算模型Fig.4 Biomass estimation model of Chenbarhu banner

3.2.2 天然打草場生物量總體狀況

利用NDVI-生物量模型，估算2015年陳巴爾虎旗天然打草場以及草原的生物量，陳巴爾虎旗天然打草場生物量分布如圖5所示。統(tǒng)計陳巴爾虎旗各草原類型的可利用草原及天然打草場平均生物量、總生物量及比例（表5），陳巴爾虎旗天然打草場平均生物量為1.24× 103kg/hm2，略高于可利用草原的平均生物量（1.21× 103kg/hm2）；總生物量為992.90×106kg，占可利用草原總生物量的50.68%。打草場與可利用草原平均生物量的高低順序一致，即山地草甸草原最高（均為1.36× 103kg/hm2），其次是溫性草甸草原，再次是低地草甸草原，然后是溫性草原，沙地草原最低（1.02×103kg/hm2）。溫性草原雖然平均生物量不高，但是分布面積大（44.91×104hm2），所以總生物量最高（532.04×106kg），占打草場總生物量的53.59%，占可利用草原總生物量的37.66%。溫性草甸草原天然打草場面積為25.09×104hm2，總生物量排第二位，生物量為330.87×106kg，占打草場總生物量的33.32%，占可利用草原總生物量的約26.16%。其他類型打草場面積和生物量分別僅占12.81%和13.09%，其中山地草甸雖然平均生物量最高，但面積較?。?.76×104hm2），所以總生物量較低，僅占打草場總生物量6.51%，占可利用草原總生物量的13.88%。低地草甸草原的平均生物量接近所有草地類型的平均生物量，其總生物量占打草場總生物量的4.93%，占可利用草原總生物量的17.67%。沙地草原平均生物量最低、分布面積最?。?.60×104hm2），所以總生物量最低，僅占打草場總生物量的1.65%，可利用草原總生物量的4.65%?？傮w上，溫性草原及溫性草甸草原生物量打草場占可利用草原總生物量的比例高（＞ 64%），山地草甸草原、低地草甸草原及沙地草原生物量打草場占可利用草原總生物量的比例低（＜23%）。

圖5 陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場生物量分布圖Fig.5 Biomass distribution of natural mowing grassland in Chenbarhu banner

表5 陳巴爾虎旗各草原類型的可利用草原及天然打草場平均生物量、總生物量及比例Table 5 Steppe and natural mowing grassland mean biomass, total biomass and proportion of grassland types in Chenbarhu banner

3.2.3 不同蘇木天然打草場生物量

對陳巴爾虎旗各蘇木可利用草原及打草場的平均生物量及總生物量進(jìn)行統(tǒng)計（表6，圖5），結(jié)果表明，所有蘇木在打草場的平均生物量均略高于在可利用草原的平均生物量。鄂溫克蘇木打草場平均生物量較高，為1.34×103kg/hm2，哈日干圖蘇木打草場的平均生物量最低，為1.00×103kg/hm2。鄂溫克民族蘇木的打草場總生物量最高，占全旗打草場總生物量的30.64%，巴彥哈達(dá)蘇木為221.01×106kg，占22.26%，其他蘇木占47.10%，其中東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)及西烏珠爾蘇木的打草場總生物量次之，均超過全旗打草場總生物量的10%；其余4個蘇木的打草場總生物量較小，均不足全旗打草場的10%，其中寶日希勒鎮(zhèn)最小，僅占全旗打草場總生物量的0.70%。雖然寶日希勒鎮(zhèn)的打草場總生物量及可利用草原總生物量均最小，但其打草場占可利用草原總生物量的比例最高（81.62%）。巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木的可利用草原有超過一半的總生物量為打草場，特尼河蘇木的打草場占可利用草原的比例最小，為32.41%。

進(jìn)一步對陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場的草地類型生物量及比例進(jìn)行研究（表7）。結(jié)果表明，巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木、哈日干圖蘇木打草場的生物量主要分布在溫性草原，其中，哈日干圖蘇木的分布比例最高，為95.31%；巴彥哈達(dá)蘇木的分布比例最低，為65.09%。鄂溫克民族蘇木、巴彥庫仁鎮(zhèn)、寶日希勒鎮(zhèn)打草場主的生物量要分布溫性草甸草原，其中，寶日希勒鎮(zhèn)打草場全部為溫性草甸草原，巴彥庫仁鎮(zhèn)的分布比例超過95%，鄂溫克蘇木的分布比例最低，為63.69%。特泥河蘇木78.98%的打草場的生物量分布在山地草甸草原，此外，鄂溫克蘇木、巴彥哈達(dá)蘇木的打草場的生物量在山地草甸草原也有分布，分布比例分別為15.62%及1.08%。除寶日希勒鎮(zhèn)外的所有蘇木打草場的生物量在低地草甸均有分布，但是分布比例均不超過13%。東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)、西烏珠爾蘇木、哈日干圖蘇木在沙地草原在有少量生物量分布，分布比例的范圍為1.56%～5.77%。總體上，陳巴爾虎旗的各蘇木除特泥河蘇木的打草場生物量分布在山地草甸草原外，其余蘇木打草場生物量主要分布溫性草原或溫性草甸草原。所有蘇木的打草場在低地草甸草原及沙地草原的生物量分布比例都較低。

表6 陳巴爾虎旗各蘇木的可利用草原及天然打草場平均生物量、總生物量及比例Table 6 Steppe and natural mowing grassland mean biomass, total biomass and proportion of villages in Chenbarhu banner

表7 陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場草原類型平均生物量、總生物量及比例Table 7 Natural mowing grassland mean biomass, total biomass and proportion of grassland types in Chenbarhu banner

4 討 論

利用遙感技術(shù)對草地資源分布及生物量估算研究吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。本文基于Landsat TM影像對呼倫貝爾陳巴爾虎旗天然打草場現(xiàn)狀分布，研究發(fā)現(xiàn)陳巴爾虎旗天然打草場主要分布在溫性草原、溫性草甸草原，在低地草甸草原、山地草甸草原和沙地草原僅有少量分布。溫性草甸草原、溫性草原植被覆蓋度較高，比較適合打草；低地草甸草原、沙地草原植被覆蓋度低，山地草甸草原地勢起伏、地形復(fù)雜，不適宜進(jìn)行長期打草，可在圍欄內(nèi)進(jìn)行放牧和打草兼用。除特尼河蘇木外，調(diào)查范圍內(nèi)其他地區(qū)天然打草場均適合打草。不同草地類型對呼倫貝爾陳巴爾虎旗各蘇木天然打草場的空間分布具有一定的影響。

近年來國內(nèi)外學(xué)者運用多種方法對中國草地生產(chǎn)力進(jìn)行了評估，主要采用實際產(chǎn)量法、實際產(chǎn)量-生態(tài)因子回歸法、潛力模型評估法、遙感評估法[4,17-20]，但結(jié)果可能由于采用的數(shù)據(jù)源、估算方法，地面樣方數(shù)據(jù)的采集數(shù)量和時間、以及研究的尺度和范圍不同存在一定差異[21-24]。其中，用于大尺度生物量反演的遙感數(shù)據(jù)源主要有AVHRR和MODIS，MODIS—NDVI（250 m）與AVHRR—NDVI（1 000 m）相比，輸入的RED和NIR值是經(jīng)過大氣校正的地面反射值，且波幅較窄，有效地克服了NIR區(qū)水汽吸收的影響[25-26]。文中采用MODIS- NDVI的遙感評估法進(jìn)行了天然打草場不同草地類型生物量估算研究，對比得出陳巴爾虎旗天然打草場平均生物量溫性草甸草原略低于山地草甸草原、溫性草原略低于低地草甸草原、沙地草原明顯低于其他草地類型，不同草地類型生物量分配狀況與面積分布基本一致。

本文結(jié)果表明，運用遙感和地面相結(jié)合的方法對天然打草場資源分布的定性、定量研究都達(dá)到了一定精度，但在通過遙感影像目視解譯及遙感監(jiān)測草地生物量過程研究中也存在一些不確定的因素，在遙感影像目視解譯中影像獲取時間、影像質(zhì)量和解譯人員的經(jīng)驗均會對打草場資源清查造成一定影響。另外，草原生物量的分布受生物和非生物因素共同影響，主要包括氣候因素（氣溫、降水）、土壤濕度和養(yǎng)分以及植物種類等因素[27-30]，如何更準(zhǔn)確地計算草地生物量，是今后需要進(jìn)一步深入研究的課題。

5 結(jié) 論

通過遙感技術(shù)和實地調(diào)查對陳巴爾虎旗天然打草場的資源分布及生物量估算進(jìn)行監(jiān)測分析。結(jié)果表明，陳巴爾虎旗天然打草場面積達(dá)80.28×104hm2，其中固定打草場面積占90.37%，機動打草場面積占9.63%；鄂溫克民族蘇木打草場面積居首位，為22.69×104hm2，巴彥哈達(dá)蘇木、東烏珠爾蘇木、呼和諾爾鎮(zhèn)及西烏珠爾蘇木的打草場面積次之，面積均大于9.00×104hm2，寶日希勒鎮(zhèn)面積最小，為0.64×104hm2?；贛ODIS-NDVI與打草場實測量建立的反演模型相對誤差為20.56%，能夠比較準(zhǔn)確地估算牧草產(chǎn)量；陳巴爾虎旗天然打草場平均生物量為1.24×103kg·hm2，總生物量為992.90×106kg，生物量空間分布呈東高西低，鄂溫克民族蘇木的打草場總生物量最高，為304.21×106kg，占全旗打草場總生物量的30.64%，巴彥哈達(dá)蘇木為221.01×106kg，占22.26%；其他蘇木占47.10%；研究區(qū)天然打草場面積和生物量主要分布在溫性草原和溫性草甸草原，少量分布在低地草甸草原、山地草甸草原及沙地草原。溫性草原和溫性草甸草原打草場面積分別為44.91×104和25.09×104hm2，生物量分別為532.04×106和330.87×106kg，其他類型打草場面積和生物量分別僅占12.81%和13.09%；該研究結(jié)果可為將來分析典型牧區(qū)陳巴爾虎旗天然打草場變化提供數(shù)據(jù)支撐。

[1] 聶浩剛，岳樂平，楊文，等. 呼倫貝爾草原沙漠化現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢與成因分析[J]. 中國沙漠，2005，25(5)：635－639.

Nie Haogang, Yue Leping, Yang Wen, et al. Present situation, evolution trend and causes of sandy desertification in hulunbuir steppe[J]. Journal of Desert Research, 2005, 25(5): 635－639. (in Chinese with English abstract)

[2] 斯琴畢力格. 內(nèi)蒙古陳巴爾虎旗草原退化現(xiàn)狀下的畜牧業(yè)發(fā)展對策的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2007.

Siqin Bilige. Study on the Strategy of Stock Raising Development of the Grassland Degeneration Chen Barhu Banner of Inner Mongolia[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2007. (in Chinese with English abstract)

[3] 董洲，趙霞，梁棟，等. 內(nèi)蒙古灌叢化草原分布特征的遙感辨識[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(11)：152－158.

Dong Zhou, Zhao Xia, Liang Dong, et al. Remote sensing identification of shrub encroachment in grassland in InnerMongolia[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014,30(11): 152－158. (in Chinese with English abstract)

[4] 唐歡，高娃，徐麗君，等. 基于Landsat TM影像的半干旱牧區(qū)天然打草場面積的遙感監(jiān)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(23)：160－167.

Tang Huan, Gao Wa, Xu Lijun, et al. Monitoring forage harvesting area in semi-arid pasture based on Landsat TM images[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(23): 160－167. (in Chinese with English abstract)

[5] 張猛，曾永年. 基于多時相Landsat數(shù)據(jù)融合的洞庭湖區(qū)水稻面積提取[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(13)：178－185.

Zhang Meng, Zeng Yongnian. Mapping paddy fields of Dongting Lake area by fusing Landsat and MODIS data[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 178－185. (in Chinese with English abstract)

[6] Vittek M, Brink A, Donnay F, et al. Land cover change monitoring using Landsat MSS/TM satellite image data over West Africa between 1975 and 1990[J]. Remote Sensing, 2014, 6(1): 658－676.

[7] 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.

Zhao Bingru, Liu Chuang, Liu Aijun, et al. Estimate the yield of grassland using MODIS-NDⅥ—A case study of the grassland in Xilinguole in InnerM ongolia[J]. Pratacultural Science, 2004, 21(8): 12－15. (in Chinese with English abstract)

[8] 楊秀春，徐斌，朱曉華, 等. 北方農(nóng)牧交錯帶草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測模型[J]. 地理研究，2007，26(2)：213－221.

Yang Xiuchun, Xu Bin, Zhu Xiaohua, et al. Models of grass production based on remote sensing monitoring in northern agro-grazing ecotone[J]. Geographical Research, 2007, 26(2): 213－221. (in Chinese with English abstract)

[9] Kawamura K, Akiyama T, Yokota H O, et al. Quantifying grazing intensities using geographic information systems and satellite remote sensing in the Xilingol steppe region, Inner Mongolia, China[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2005, 107(1): 83－93.

[10] 羅玲，王宗明，任春穎，等. 基于MODIS數(shù)據(jù)的松嫩草原產(chǎn)草量遙感估算模型與空間反演[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(5)：182－187.

Luo Ling, Wang Zongming, Ren Chunying, et al. Models for estimation of grassland production and spatial inversion based on MODIS data in Songnen Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(5): 182－187. (in Chinese with English abstract)

[11] 梁燕，韓國棟，周禾，等. 內(nèi)蒙古克什克騰旗羊草草原打草場合理利用的研究[J]. 草原與草業(yè)，2011, 23(3)：32－36.

Liang Yan, Han Guodong, Zhou He, et al. The reasonable use of research of Leymus Chinensis grassland pasture in Hexigten Banner of Inner Mongolia[J]. Inner Mongolia Prataculture, 2011, 23(3): 32－36. (in Chinese with English abstract)

[12] 陳亞軍. 基于氣象條件的內(nèi)蒙古天然打草場利用方式研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2007.

Chen Yajun. Study on the Way of Using Natural Grassland in Inner Mongolia Based on the Meteorological Conditions[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2007. (in Chinese with English abstract)

[13] 楊尚明，金娟，衛(wèi)智軍，等. 刈割對呼倫貝爾割草地群落特征的影響[J]. 中國草地學(xué)報，2015，1(1)：90－96.

Yang Shangming, Jin Juan, Wei Zhijun, et al. Effect of cutting on community characteristics in grassland for hay in Hulunber[J]. Chinese Journal of Grassland, 2015, 1(1): 90－96. (in Chinese with English abstract)

[14] 鮑雅靜，李政海，韓興國，等. 刈割對羊草葉面積指數(shù)的影響[J]. 草地學(xué)報，2004，12(4)：313－320.

Bao Yajing, Li Zhenghai, Han Xingguo, et al. Effect of mowing to the leaf area index of the leymus chinensis population[J]. Acta Agrestia Sinica. 2004, 12(4): 313－320. (in Chinese with English abstract)

[15] 裴彩霞，董寬虎. 不同刈割期和干燥方法對牧草營養(yǎng)成分含量的影響[J]. 中國草地，2002，24(1)：32－37.

Pei Caixia, Dong Kuanhu. Effect of different harvest time and drying methods on nutrient as water soluble carbon hydrates of herbage[J]. Grassland of China, 2002, 24(1): 32－37.( in Chinese with English abstract)

[16] 朝魯孟其其格，閆曉紅，金花，等. 錫林郭勒盟天然打草場退化與防治措施研究展望[J]. 草原與草業(yè)，2016，28(1)：6－9.

Chaolumeng Qiqige, Yan Xiaohong, Jin Hua, et al. The research prospects of grassland degradation and control measures in Xilingol[J]. Grassland and Prataculture, 2016, 28(1): 6－9. (in Chinese with English abstract)

[17] 黃敬峰，王秀珍，蔡承俠，等. 利用NOAA/AVHRR資料監(jiān)測北疆天然草地生產(chǎn)力[J]. 草業(yè)科學(xué)，1999，16(5)：62－69，72.

Huang Jingfeng, Wang Xiuzhen, Cai Chengxia, et al. Using NOAA/AVHRR data monitoring natural grassland productivity in the northern Xinjiang Uygur autonomous region[J]. Pratacultural Science, 1999, 16(5): 62－69, 72. (in Chinese with English abstract)

[18] 韋莉，趙軍，潘竟虎，等. 基于MODIS數(shù)據(jù)的黃土高原草地凈初級生產(chǎn)力的估算研究[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，24(5)：660－664.

Wei Li, Zhao Jun, Pan Jinghu, et al. A research of net primary productivity model of grassland based on MODIS data in the Loess Plateau of China[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2009, 24(5): 660－664. (in Chinese with English abstract)

[19] 王鶯，夏文韜，梁天剛，等. 基于MODIS植被指數(shù)的甘南草地凈初級生產(chǎn)力時空變化研究[J]. 草業(yè)學(xué)報，2010，19(1)：201－210.

Wang Ying, Xia Wentao, Liang Tiangang, et al. Spatial and temporal dynamic changes of net primary product based on MODIS vegetation index in Gannan grassland[J].Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(1): 201－210. (in Chinese with English abstract)

[20] 徐斌，楊秀春，陶偉國，等. 中國草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測[J].生態(tài)學(xué)報，2007，27(2)：405－413.

Xu Bin, Yang Xiuchun, Tao Weiguo, et al. Remote sensing monitoring upon the grass production in China[J].Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(2): 405－413. (in Chinese with English abstract)

[21] 馬文紅，楊元合，賀金生，等. 內(nèi)蒙古溫帶草地生物量及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 中國科學(xué)，2008，38(1)：84－92.

Ma Wenhong, Yang Yuanhe, He Jinsheng, et al. Relationship between biomass and environmental factors in temperate grassland in inner Mongolia[J]. Chinese Science, 2008, 38(1): 84－92. (in Chinese with English abstract)

[22] Ni J. Forage yield-based carbon storage in grasslands of China[J]. Climatic Change, 2004, 67(2): 237－246.

[23] 崔霞，梁天剛，劉勇. 基于MOD09GA產(chǎn)品的草地生物量遙感估算模型[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報：自科版，2009，45(5)：79－87.

Cui Xia, Liang Tiangang, Liu Yong.Modeling of aboveground biomass of grassland using remotely sensed MOD09GA data[J]. Journal of Lanzhou University: Natural Sciences, 2009, 45(5): 79－87. (in Chinese with English abstract)

[24] 樸世龍，方精云，賀金生，等. 中國草地植被生物量及其空間分布格局[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2004(4)：491－498.

Piao Shilong, Fang Jingyun, He Jinsheng, et al. Spatial distribution of grassland biomass in China[J]. ActaPhytoecologica Sinica, 2004(4): 491－498. (in Chinese with English abstract)

[25] van Leeuwen W J D, Alfredo R Huete, Trevor Laing. M0DIS vegetation index compositing approach: A prototype with AVHRR Data[J]. Remote Sens.Environ. 1999, 69(3): 264—284.

[26] Ikeda H, Okamoto K, Fukuhara M Estimation of aboveground grassland phytomass with a growth model using Landsat TM and climate data[J]. INT. J. Remote Sensing., 1999, 20(11): 2283－2294.

[27] Augustine D J. Spatial heterogeneity in the herbaceous layer of a semi-arid savanna ecosystem[J]. Plant Ecology, 2003, 167(2): 319－332.

[28] Baer S G, Blair J M, Collins S L, et al. Soil resources regulate productivity and diversity in newly established tallgrass prairie[J]. Ecology, 2008, 84(3): 724－735.

[29] 金云翔，徐斌，楊秀春，等. 草原生物量及碳密度遙感估算：以內(nèi)蒙古正藍(lán)旗為例[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29(5)：11－16.

Jin Yunxiang, Xu Bin, Yang Xiu Chun, et al. Remote sensing estimation of grassland biomass and carbon density: Case of zhenglan banner[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(5): 11－16. (in Chinese with English abstract)

[30] 白永飛，李凌浩，王其兵，等. 錫林河流域草原群落植物多樣性和初級生產(chǎn)力沿水熱梯度變化的樣帶研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2000，24(6)：667－673.

Bai Yongfei, Li Linghao, Wang Qibing, et al. Changes in plant species diversity and productivity along grad ients of precipitation and elevation in the Xilin river basin, Inner Mongolia[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2000, 24(6): 667－673. (in Chinese with English abstract)

Natural mowing grassland resource distribution and biomass estimation based on remote sensing in Hulunber

Yan Ruirui1, Tang Huan2, Ding Lei1, Yao Jing1, Chen Baorui1, Xin Xiaoping1※, Wang Xu1, Yan Xiaohong3, Niu Wenyuan3
(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hulunber Grassland Ecosystem Observation and Research Station, Beijing 100081, China; 2. Tong Ling Univerisity, Anhui 244000, China; 3. Inner Mongolia Hotision Monsod Drought Resistant Greening INC, Hohhot 010000, China)

The natural mowing grassland plays an important role in grassland animal husbandry, which is not only the forage reserve resource for ensuring the seasonal balance of grassland and livestock, but also can ensure the safe wintering of livestock as forage grassland and post-disaster emergency rescue of forage grass resources reserves in China. However, the information about the resource distribution and biomass estimate of mowing pasture in natural grassland in China is lacked, which limits the effective utilization of regional forage reserve resources. Therefore, a systematic study on forage harvesting in natural grassland is necessary and important. In this study, the estimation of resource distribution and biomass of Chen Barag Banner in the Hulunber meadow steppe in north-eastern China was carried out by using remote sensing technology and field investigation. The field investigation was conducted in 2015 and the investigation time was from the middle of July to the end of July. The results showed that the area of forage harvesting pasture in the Chen Barag Banner regions was 80.28×104hm2, which accounted for 90.37% of fixed harvesting pasture and 9.63% of temporary harvesting pasture. Among them, the largest area of forage harvesting pasture appeared in Ewenke village, reaching 2.28×105hm2, followed by Bayanhada village, east Wuzhuer village, Hohnuor village and west Wuzhuer village; the pasture area of each village was larger than 9.00×104hm2, and the pasture area of Baorixile village was the smallest, which was 0.64×104hm2. Combining the simultaneous MODIS-NDVI (normalized differential vegetation index) datum with biomass investigation of cutting pasture, a relation model between MODIS-NDVI and biomass was developed, and the relative error of the production estimation model was 20.56%. It was feasible for the power function model to be applied in remote sensing monitoring. The average biomass of Chen Barag Banner natural cutting grassland was 1.24×103kg/hm2, and the total biomass was 992.90×106kg, among which the largest village biomass was Ewenke village, reaching 304.21×106kg, Bayanhada village was 221.01×106kg, and the other villages accounted for 47.10% of cutting pasture biomass. Temperate steppe (55.94%) and temperate meadow steppe (31.25%) were the main vegetation types for those pastures, and the lowland meadow steppe (4.89%), mountain meadow (5.94%) and desert steppe (1.99%) were distributed with a small area. The area of temperate grassland and temperate meadow grassland was 44.91×104and 25.09×104hm2, and the biomass was 532.04×106and 330.87×106kg, respectively. The proportions of grassland area and biomass of other types of grasslands were only 12.81% and 13.09%, respectively. The results have made up for the deficiency for the area data of the region forage harvesting pasture and provided data support for analysis of forage harvesting pasture changes of Chen Barag Banner in the Hulunber meadow steppe of north-eastern China in the future.

remote sensing; vegetation; models; natural mowing grassland; resource distribution; NDVI; biomass estimation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.027

TP79; S127

A

1002-6819(2017)-15-0210-09

2017-01-17

2017-07-14

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303060）；國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0500601）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（1610132016033，1610132016027）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-34）資助。

閆瑞瑞，女，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，博士，從事草地生態(tài)方面的研究。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。

Email：yanruirui19790108@163.com

※通信作者：辛?xí)云剑?，甘肅天水人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事草地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、模擬與優(yōu)化管理研究。北京 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100081。Email：xinxp@sina.com