基于多源數(shù)據(jù)的家畜活動密度分布格網(wǎng)化研究

喬宇鑫 朱華忠 邵小明 鐘華平

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 850400；4.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210023；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

基于多源數(shù)據(jù)的家畜活動密度分布格網(wǎng)化研究

喬宇鑫1,3,5朱華忠1,4邵小明5鐘華平2

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝 850400；4.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210023；5.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

面向草地畜牧業(yè)格網(wǎng)化管理的區(qū)域發(fā)展需求，以新疆新源縣為研究對象，以家畜存欄統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合城鎮(zhèn)距離、村莊距離、河流距離、道路距離、海拔和濕潤度等地理空間數(shù)據(jù)，運用格網(wǎng)化技術(shù)，對新源縣家畜密度進行空間格局分析。結(jié)果表明：新源縣家畜活動密度平均為430標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2，但隨著相對城鎮(zhèn)、村莊距離的增加，海拔高度和氣候干旱程度的增加，家畜活動密度呈明顯降低的趨勢。這種空間格網(wǎng)化家畜分布數(shù)據(jù)比平均密度數(shù)據(jù)更易直觀表達家畜的真實分布狀況。基于家畜活動密度，可以將新源縣家畜放牧劃分為：稀擾區(qū)、適度區(qū)、輕擾區(qū)、中擾區(qū)和重擾區(qū)，其家畜活動密度分別為：110～300標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2、300～440標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2、440～570標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2、570～720標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2和720～980標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2。

多源數(shù)據(jù)；家畜密度；格網(wǎng)化；空間分布；新源縣

1 引言

一直以來，草地退化是草地生態(tài)研究的重點和熱點。引起草地退化的因素有很多，但超載過牧無疑是最為重要的因素之一[1]。與人口密度反映人類社會經(jīng)濟活動一樣，草食家畜的活動強度和密度直接影響草地的健康狀態(tài)。因此，研究放牧活動和草地生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動機制，分析草—畜關(guān)系，是實現(xiàn)人與草地和諧發(fā)展重要途徑[2]。家畜的活動受到很多因素影響，而對于放牧活動和草地關(guān)系的研究主要是對載畜量和放牧強度的研究[3]。如基于灰色—馬爾科夫殘差預(yù)測模型的草地載畜量預(yù)測[4]、氣候變化對草場載畜量的影響[5]、載畜量與植被指數(shù)NDVI之間的關(guān)系[6]、產(chǎn)草量與載畜量的遙感估算[7]、放牧強度和地形對內(nèi)蒙古典型草原物種多度分布的影響[8]等。但是，對于家畜活動在區(qū)域尺度的空間分布，或者說對家畜密度的空間分布格局的研究尚少。本文以新疆維吾爾自治區(qū)新源縣為例，以新源縣家畜統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、DEM（Digital Elevation Model）和濕潤度等空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建家畜活動密度與城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、海拔高度及濕潤度等要素的相關(guān)分布模型，通過格網(wǎng)化技術(shù)，對新源縣家畜活動的空間分布進行探討，以期能更為直觀地表達草食家畜在不同空間的活動強度，既是對載畜壓力、放牧強度等研究的有效補充，也可以更為準(zhǔn)確地反映家畜活動對草地退化的影響。

1 研究區(qū)背景、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)背景

新源縣位于新疆伊犁河谷東端，歸伊犁哈薩克自治州人民政府管轄。東起艾肯達坂，南與鞏留縣、和靜縣相鄰，東北與尼勒克縣、沙灣縣、和靜縣交界。新源縣地處北緯 43°03′-43°41′，東經(jīng) 82°28′-84°47′，全縣總面積為 7581km2，總?cè)丝跒?1.60萬人（2013 年）[9]。新源縣主要由7個鎮(zhèn)、4個鄉(xiāng)構(gòu)成，分別是新源鎮(zhèn)、則克臺鎮(zhèn)、阿熱勒托別鎮(zhèn)、塔勒德鎮(zhèn)、那拉提鎮(zhèn)、肖爾布拉克鎮(zhèn)、喀拉布拉鎮(zhèn)以及別斯托別鄉(xiāng)、坎蘇鄉(xiāng)、阿勒瑪勒鄉(xiāng)和吐爾根鄉(xiāng)。

2013年生產(chǎn)總值為70.15億元，比上年增長9.3%；總?cè)丝跒?1.6萬人，其中城鎮(zhèn)人口為20.99萬人，鄉(xiāng)村人口為10.61萬人，農(nóng)業(yè)人口為22.7萬人；農(nóng)作物播種面積為62.47hm2，糧食總產(chǎn)量為37.57萬噸；工業(yè)總產(chǎn)值為25.89億元，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值達到30.91億元，其中農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為12.36億元，牧業(yè)總產(chǎn)值為14.84億元。牲畜年末存欄為104.63萬頭（只），肉類總產(chǎn)量為38038噸，牛肉產(chǎn)量為13572噸，綿羊肉產(chǎn)量為10861噸，禽肉產(chǎn)量為1936噸，牛奶產(chǎn)量為82960噸，禽蛋產(chǎn)量為6432噸。目前，新源縣已成為全疆重要的糧食、油料、肉類生產(chǎn)基地之一[10]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

影響家畜活動分布的因素主要有城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、海拔高度以及氣候的干旱程度。本文參與家畜密度格網(wǎng)化分析的數(shù)據(jù)有城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、海拔高度和濕潤度的空間數(shù)據(jù)（圖1）。

高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺（www.geodata.cn），空間分辨率為1km；城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺（www.geodata.cn）的全國1：25萬地形圖SHP數(shù)據(jù)；濕潤度指數(shù)空間數(shù)據(jù)是以國家氣象局站點監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過ANUSPLIN插值軟件插值出伊萬諾夫濕潤度的空間數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)投影到GCS_WGS_1984，通過裁剪工具獲得新源縣各要素的1km×1km柵格數(shù)據(jù)。

區(qū)縣家畜數(shù)據(jù)來源于《新疆2013年統(tǒng)計年鑒》的草食家畜存欄統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并根據(jù)各家畜的出欄率，對不同草食家畜進行標(biāo)準(zhǔn)羊單位換算，計算得到新源縣草食家畜全年總飼養(yǎng)量430萬標(biāo)準(zhǔn)羊單位，平均430標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2。用于建模的家畜數(shù)據(jù)來源于2013年伊犁地區(qū)典型牧戶調(diào)查，調(diào)查的內(nèi)容主要有畜群規(guī)模、放牧路線與時間。

1.3 格網(wǎng)化策略與方法

1.3.1 格網(wǎng)化方法

家畜空間分布與飲水點、人類定居點和海拔高度關(guān)系密切。一般來說，放牧距離人類定居點如城鎮(zhèn)或者村莊越近，家畜活動越密集。另外，飲水半徑也是影響家畜活動的主要因素[11-12]，離飲水點越近，草場利用強度越大，家畜活動越密集，所以飲水點附近的草場退化往往比較嚴(yán)重。海拔和濕潤度通常是通過氣候和土壤等因素的變化來影響草地類型分布，從而影響家畜活動強度[13-14]。

為使家畜分布密度格網(wǎng)化結(jié)果更加精細(xì)，本文引入城鎮(zhèn)距離、村莊距離、河流距離、道路距離、海拔、濕潤度等多源信息，構(gòu)建家畜空間分布密度模型，模擬新源縣家畜活動強度。

1.3.2 模型研究方法

對于家畜活動和距離的關(guān)系，劉先華[15]指出，在定居放牧方式下，NDVI和定居點距離的關(guān)系大致呈對數(shù)變化規(guī)律，即有：

圖1 新源縣河流、居民點、海拔高度和濕潤度空間分布圖

其中，D為距定居點的距離，a、b為模型參數(shù)。

而克拉克人口模型[16]表示樣本單元距離城市唯一中心CBD（中央商務(wù)區(qū)）的遠(yuǎn)近是影響樣本單元人口密度大小的唯一因素，即有

本研究在放牧半徑試驗和放牧距離試驗研究的基礎(chǔ)上，通過兩種密度模型比較，認(rèn)為克拉克指數(shù)模型更加符合家畜密度分布規(guī)律，并構(gòu)建家畜密度格網(wǎng)化分布模型：

2 家畜分布格網(wǎng)化

2.1 空間化過程

統(tǒng)計新源地區(qū)的家畜存欄總數(shù)和土地面積，按照專家經(jīng)驗分配給不同種家畜出欄率，得到不同種家畜年飼養(yǎng)量，換算成年飼養(yǎng)量標(biāo)準(zhǔn)羊單位，計算單位面積飼養(yǎng)量標(biāo)準(zhǔn)羊單位。

通過柵格轉(zhuǎn)點工具將DEM柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量點數(shù)據(jù)，顯示單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為米，獲取新源縣柵格點SHP數(shù)據(jù)，每個點即柵格的中心點，共計6941個點。使用分析工具—近鄰分析—鄰域分析獲得圖上每個柵格點距離最近的河流、道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村莊的距離并導(dǎo)入Excel中。所有的數(shù)據(jù)集成及處理在ArcGIS中完成，統(tǒng)計建模在Excel中實現(xiàn)。

2.2 地理要素與家畜活動指數(shù)的建模

家畜活動指數(shù)是指一定時間段內(nèi)家畜在某一地段駐留活動的相對強度，通常以駐留時間在全年放牧?xí)r間分配相對比率來標(biāo)定，取值0～4。本文以新疆伊犁地區(qū)典型牧戶調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。在2013年選定了3個牧業(yè)村，每村選定10個牧戶進行牧戶典型調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要包括牧戶的人口結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟收入、耕地種植面積、草場面積、畜群結(jié)構(gòu)和規(guī)模等。同時，每村篩選了3個牧戶進行畜群游牧路徑信息調(diào)查，共9個畜群9條游牧路線，主要了解畜群游牧大概路線，大致的駐牧地點和駐留時間以及駐牧范圍。根據(jù)每個畜群的游牧路線的調(diào)查信息，甄別遴選出10個放牧駐留點并標(biāo)定各駐留點的家畜活動指數(shù)值，這樣就整合形成了具有相對地理信息的家畜活動指數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是本文構(gòu)建各地理要素與家畜活動相關(guān)統(tǒng)計模型的基礎(chǔ)。

在模型構(gòu)建過程中，借鑒了郭素珍、金曙光[12]的飲水半徑和放牧距離試驗，劉先華[15]的定居放牧試驗，以及王明君[17]的放牧強度試驗的理論基礎(chǔ)，結(jié)合本文典型牧戶畜群游牧路線駐留點的相關(guān)數(shù)據(jù)，并提取各駐牧點的相關(guān)地理要素數(shù)據(jù)，回歸建立城鎮(zhèn)、村莊、道路、河流、海拔高度、濕潤度與家畜活動密度的克拉克指數(shù)函數(shù)模型，并產(chǎn)生較好的效果。同時，根據(jù)各地理要素對家畜活動密度的影響的貢獻，采用專家打分方式確定各要素權(quán)重值，最終以格網(wǎng)化方法對新源縣的家畜密度進行空間插值，并分析新源縣家畜密度的空間分布格局。各地理要素的模型參數(shù)見表1。

表1 各要素的模型參數(shù)

2.3 單要素空間格網(wǎng)化分析

根據(jù)單要素的家畜密度分布格網(wǎng)化分析，可以得到城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、海拔和濕潤度等單要素驅(qū)動的新源縣家畜活動密度分布圖（圖2）。

從圖2中的（c）圖和（d）圖可以看出，家畜活動密度的分布隨距離遠(yuǎn)近呈現(xiàn)輻射狀規(guī)律，距離城鎮(zhèn)、村莊越近家畜活動密度越大；從圖2中的（e）圖和（f）圖可以發(fā)現(xiàn)，家畜活動密度的分布與河流和道路距離呈格網(wǎng)狀分布；從圖2中的（a）圖可以看到低海拔地區(qū)家畜活動密度大，高海拔地區(qū)家畜活動密度低；從圖2中的（b）圖可以看到隨著氣候條件變旱，家畜活動密度變低。

3 結(jié)果與討論

不同要素對家畜活動密度有不同的影響和不同的空間分布格局（圖2），因此存在很大的不確定性。為消除這種不確定性，通過式（3）進行格網(wǎng)化賦值，獲得新源縣家畜活動密度的空間分布圖（圖3）。

圖2 單要素驅(qū)動的新源縣家畜活動密度分布圖

從圖3和圖4可看出，在河谷地帶城鎮(zhèn)附近，如哈拉布拉鎮(zhèn)、肖爾布拉克鎮(zhèn)、阿勒熱托別鎮(zhèn)、坎蘇鄉(xiāng)和那拉提鎮(zhèn)等附近，人口相對稠密，經(jīng)濟活動較強，在耕地集中區(qū)其家畜活動密度最高，可達720～980標(biāo)準(zhǔn)羊單位/ km2，是全縣平均水平的1.6～2.3倍；在河谷地帶的城鎮(zhèn)外圍地區(qū)，村莊分布較密，在耕地分布區(qū)家畜活動密度為570～720標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2，是全縣平均水平的1.3～1.6倍；隨著海拔的升高，在山體的山腳地帶，有村莊分布，耕地分布較少，家畜活動密度為440～570標(biāo)準(zhǔn)羊單位/ km2，是全縣平均水平的1.0～1.3倍；在山體的中部地帶，村莊較少，家畜活動密度為300～440標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2，是平均水平的相對密度0.7～1.0倍；在山體的頂部地帶，海拔較高，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)村莊，家畜活動密度為110～300標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2，是平均水平的0.2～0.7倍。

根據(jù)新源縣家畜活動相對密度分布格局（圖3），可把新源縣家畜活動強度劃分為5個區(qū)，即，相對密度0.2～0.7為放牧稀擾區(qū)，相對密度0.7～1.0為放牧適度區(qū)，相對密度1.0～1.3為放牧輕擾區(qū)；相對密度1.3～1.6為放牧中擾區(qū)，相對密度1.6～2.3為放牧重擾區(qū)。

根據(jù)這樣的分區(qū)，結(jié)合張旭琛[18]對新疆伊犁地區(qū)草地地上生物量空間分布研究結(jié)果（圖5）和周李磊[13]對新疆伊犁地區(qū)草地土壤表層土壤容重空間分布研究結(jié)果（圖6）進行比較表明（表2）：家畜活動密度與草地地上生物量和土壤容重有很顯著的相關(guān)關(guān)系，放牧強度越大，土壤容重越重；放牧強度越大，地上生物量趨于減少。但在稀擾區(qū)則例外，這與本地區(qū)的高寒草甸類型的分布有關(guān)。從這方面驗證了采用多源信息數(shù)據(jù)對家畜活動密度空間格網(wǎng)化分析的合理性和可行性。

圖3 新源縣家畜活動密度分布圖

圖4 新源縣相對家畜活動密度分布圖

圖5 新源縣草地地上生物量空間分布

圖6 新源縣草地土壤表層土壤容重空間分布

本研究以家畜存欄標(biāo)準(zhǔn)羊單位統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及城鎮(zhèn)、道路、海拔等空間地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用格網(wǎng)化技術(shù)手段，對家畜活動密度進行空間化分析，是一個原創(chuàng)性的嘗試，在空間驗證上還存在一定的難度。但通過與草地植被和土壤容重的空間分布特征相驗證，可以獲得比較客觀的認(rèn)識，這種研究思路可以獲得合理的結(jié)果。并且在后續(xù)的研究中，將引進北斗星GPS系統(tǒng)對家畜畜群放牧路徑跟蹤試驗，可以獲得畜群的活動軌跡和駐留的時間，并能獲取不同地點準(zhǔn)確的家畜活動強度，對本研究作進一步驗證。

4 結(jié)論

本文以新源縣為研究區(qū)域，以城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、河流、道路、海拔和濕潤度等地理空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用格網(wǎng)化技術(shù)，分析家畜活動密度分布的空間格局。研究結(jié)果能合理反映研究區(qū)的家畜分布格局。

（1）家畜活動密度受城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村、河流、道路、海拔和濕潤度的影響，與城鎮(zhèn)、村莊的距離對家畜的空間分布貢獻最大，其次為海拔和濕潤度；道路和河流因數(shù)據(jù)沒有分級處理，而形成網(wǎng)格狀分布結(jié)果。

（2）新源縣家畜活動密度平均為430羊單位/km2，其中家畜活動低密度區(qū)為110～300標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2，高密度區(qū)為720～980標(biāo)準(zhǔn)羊單位/km2。

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Research on Gridding of Livestock Spatial Density Based on Multi-Source Information

QIAO Yuxin1,3,5, ZHU Huazhong1,4, SHAO Xiaoming5, ZHONG Huaping2
(1.State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Researches, CAS, Beijing 100101; 2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101; 3.Tibet Agriculture and Animal Husbandry College, Linzhi 850400; 4.Jiangsu Center for Collaborative innovation in Geographic Information Resource Development and Application, Nanjing 210023; 5.China Agricultural University, College of Resources and Environment, Beijing 100193)

In this paper, to satisfy the need of regional development for the grassland animal husbandry grid handling management, with Xinyuan county as a case study, on the basis of livestock amount of statistical data,combining with the geographic spatial information data such as villages and towns of distance, road distance,river distance, elevation and moist, using the grid handling technology, to analysis the space distribution pattern of livestock activities density in Xinyuan county. The analysis results show that： the average density of Xinyuan county livestock activities is 430 standard sheep unit/km2, but with the increase of distance away from the villages and towns, and the increase of altitude and climate drought degree, the density of livestock activity decreased significantly. At the same time, we can divide Xinyuan county livestock grazing region into different partition according to the relative density. The grazing dilute district livestock density is 110-300 standard sheep unit/km2, moderate grazing area is 300-440 standard sheep unit/km2, light grazing disturbance area is 440-570 standard unit/km2, sheep grazing disturbance in the area is 570-720 standard sheep unit/km2,heavy grazing disturbance area is 720-980 standard sheep unit/km2.

distribution density of livestock, grid handling, multi-source information, Xinyuan county

S812.2

A

10.3772/j.issn.1674-1544.2017.06.008

喬宇鑫（1993—），男，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院碩士研究生，主要研究方向：草地退化；朱華忠（1969—），男，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室副研究員，主要研究方向：土地遙感；鐘華平（1964—），男，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室副研究員，主要研究方向：草地退化（通訊作者）；邵小明（1962—），男，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授，主要研究方向：苔蘚多樣性。

科技基礎(chǔ)性工作專項重點項目“科技基礎(chǔ)性工作數(shù)據(jù)資料集成與規(guī)范化整編”（2013FY110900）；國家科技基礎(chǔ)條件平臺“地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺“（2005DKA32300）。

2017年7月14日。