青海省草畜平衡遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估研究*

蔡 福，王學(xué)江，井梅秀，蘇 妍，包海忠

（1.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，沈陽(yáng) 110166；2.青海省農(nóng)牧業(yè)遙感中心，西寧 810008）

0 引言

草地資源是畜牧業(yè)主要生產(chǎn)資料［1］，中國(guó)是世界上草地資源除澳大利亞、加拿大外最豐富的國(guó)家，天然擁有草地面積達(dá)4億hm2，占國(guó)土面積的41.67%，相當(dāng)于耕地、林地各自面積的3.3倍和3倍［2］，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中扮演著重要角色。合理利用草地資源將有利于推進(jìn)畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，對(duì)于做好“三農(nóng)”工作、穩(wěn)定增加農(nóng)民收入和調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等具有重要意義［3］。草畜平衡是在適度放牧（或割草）利用并維持草地可持續(xù)生產(chǎn)的條件下，滿足承養(yǎng)家畜正常生長(zhǎng)、繁殖、生產(chǎn)畜產(chǎn)品的需要，所能承養(yǎng)的家畜頭數(shù)和時(shí)間，也可認(rèn)為是草原使用者為保護(hù)草原生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，通過(guò)草原和其他途徑獲取的可利用草料總量與其飼養(yǎng)牲畜的草料需要量之間的動(dòng)態(tài)平衡［4］，是天然草地可持續(xù)利用和放牧家畜高效生產(chǎn)的前提。草畜平衡評(píng)估技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)草原生態(tài)保護(hù)和草原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［5］。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究均證實(shí)，長(zhǎng)期持續(xù)超載過(guò)牧必然導(dǎo)致天然草地的退化和荒漠化［6］。關(guān)于草畜平衡的計(jì)算方法已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如根據(jù)降雨—草地生產(chǎn)力—載畜量之間的關(guān)系進(jìn)行草地承載力研究［7-8］。國(guó)內(nèi)學(xué)者在草地生產(chǎn)力和草畜平衡研究方面多是基于氣候、草原生產(chǎn)力、牲畜量等角度開(kāi)展的研究，取得了一系列的重要成果［9-10］。由于我國(guó)草原類(lèi)型多，放牧利用率差異大，草畜平衡的計(jì)算受到明顯影響，尤其在宏觀尺度上影響更大。另外，由于牧草的生長(zhǎng)規(guī)律，草原在不同時(shí)間可供牲畜采食的飼草量不同，草原承載牲畜的能力不同，特別是同一草地暖季和冷季載畜能力差別較大［11-12］，增加了草畜平衡計(jì)算難度。針對(duì)上述現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，徐斌等［10］參考了農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然草地合理載畜量的計(jì)算》，通過(guò)總飼草料儲(chǔ)量和牲畜標(biāo)準(zhǔn)采食量等計(jì)算合理載畜量，并與實(shí)際載畜量相結(jié)合構(gòu)建草畜平衡指數(shù)，評(píng)價(jià)牧區(qū)半牧區(qū)的草畜平衡狀況，為我國(guó)草地資源合理化利用和保護(hù)提供重要的理論依據(jù)和科學(xué)參考。雖然該研究在國(guó)家尺度得到一些重要結(jié)論，但由于實(shí)地調(diào)查資料缺乏，針對(duì)某個(gè)區(qū)域考慮的各類(lèi)指標(biāo)比較單一，甚至把某些省劃分為載畜平衡相同的區(qū)域，這一結(jié)論明顯不能實(shí)現(xiàn)對(duì)主要草原省份草畜平衡的準(zhǔn)確評(píng)估。草地是青海境內(nèi)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是非常脆弱的自然生態(tài)系統(tǒng)，總面積4 212.7萬(wàn)hm2，其中天然草地面積4 191.7萬(wàn)hm2，占全省各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)總面積的60.47%［13］。草原畜牧業(yè)是青海省支柱產(chǎn)業(yè)之一，及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)評(píng)估草畜平衡狀況直接關(guān)系到草原畜牧業(yè)乃至區(qū)域經(jīng)濟(jì)的健康可持續(xù)發(fā)展，對(duì)青海省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)起到重要支撐作用。

針對(duì)以往研究的不足，本研究擬利用MODIS數(shù)據(jù)，通過(guò)建立遙感光譜信息與地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系模型，對(duì)2017年青海省草地產(chǎn)草量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合各類(lèi)牲畜養(yǎng)殖數(shù)量的入戶調(diào)查資料和合理載畜量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全省草畜平衡進(jìn)行評(píng)估，旨在建立一套青海省草畜平衡定量評(píng)估方法，為開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域業(yè)務(wù)及科研工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域及資料

青海省位于青藏高原東北部，地理位置介于北緯31°19′～31°39′，東經(jīng)89°35′～103°04′。開(kāi)展遙感監(jiān)測(cè)所采用的數(shù)據(jù)為中分辨率成像光譜儀（MODIS）的陸地二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品MOD13Q1，該產(chǎn)品為柵格歸一化植被指數(shù)和增強(qiáng)型植被指數(shù)（NDVI/EVI）經(jīng)16天最大值合成數(shù)據(jù)（Maximum Value Composites，MVC），空間分辨率為250 m。植被類(lèi)型來(lái)源于《中華人民共和國(guó)植被圖（1∶1 000 000）》［14］，該圖是集全國(guó)260余名植被生態(tài)學(xué)與農(nóng)林牧業(yè)專(zhuān)家經(jīng)過(guò)20余年的努力和一再修訂完善的巨制，它詳細(xì)反映了我國(guó)11個(gè)植被類(lèi)型組、55個(gè)植被型的960個(gè)群系和亞群系植被單位的分布狀況、水平地帶性和垂直地帶性分布規(guī)律，及其與氣候因子和地面環(huán)境因子的關(guān)系［15］。青海省植被分類(lèi)情況見(jiàn)圖 1（a）。

圖1 青海省植被類(lèi)型和地面調(diào)查點(diǎn)分布Fig. 1 The distributions of vegetation types and field survey sample points of Qinghai province

此外，本研究還采用青海省的省級(jí)和縣級(jí)行政邊界數(shù)據(jù)作為區(qū)域劃分界線。地面調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)自2017年各縣的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，共計(jì)1 594個(gè)樣點(diǎn)，內(nèi)容包括樣方編號(hào)、經(jīng)緯度、海拔、植物蓋度、草群平均高度、總產(chǎn)草量鮮重、可食產(chǎn)草量鮮重等，樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1（b）?？偖a(chǎn)草量的測(cè)產(chǎn)在草群生長(zhǎng)旺盛、產(chǎn)量最高的時(shí)間（8月）進(jìn)行，測(cè)定方法為：齊地面剪割草地地上部牧草后稱(chēng)重。草地可食產(chǎn)草量是最高月產(chǎn)草量減去有毒、有害和不可食草的重量［16］。補(bǔ)充飼料糧和各類(lèi)牲畜養(yǎng)殖數(shù)量來(lái)源于分縣調(diào)查數(shù)據(jù)，2017年共對(duì)青海省25個(gè)縣的人工草地面積及產(chǎn)草量、補(bǔ)飼量各分量（秸稈、青稞、糧食等）、補(bǔ)飼天數(shù)、各類(lèi)牲畜數(shù)量進(jìn)行調(diào)查。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)的處理

選用2017年7—8月NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成（MVC），得到青海省NDVI最大值空間分布數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 2017年青海省NDVI（MVC）數(shù)據(jù)Fig.2 NDVI（Maximum Value Composites）for grassland in Qinghai province in 2017

1.2.2 草畜平衡評(píng)估方法

草畜平衡是結(jié)合天然草地上的產(chǎn)草量、牲畜采食量和補(bǔ)飼料量得出理論載畜量，用實(shí)際載畜量和理論載畜量來(lái)進(jìn)行評(píng)估，關(guān)鍵是獲取監(jiān)測(cè)單元內(nèi)（縣）的牲畜數(shù)量（換算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位）和可被牲畜利用的飼草總量。具體計(jì)算過(guò)程如下。

（1）天然草地產(chǎn)草量計(jì)算

其中，Gn為天然草地產(chǎn)草量，Ge為可食產(chǎn)草量干重，根據(jù)遙感測(cè)產(chǎn)方法得到，Idry為標(biāo)準(zhǔn)干草折算系數(shù)，f為放牧利用率。由于折算系數(shù)和放牧利用率都是范圍數(shù)據(jù)，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要確定不同草地類(lèi)型的折算系數(shù)和放牧利用率。根據(jù)《草地合理載畜量計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)［17］及辛有俊等［13］研究成果，把青海省草地類(lèi)型分為9類(lèi)，確定不同類(lèi)別草地的折算系數(shù)和放牧利用率（表1）。

表1 不同草地類(lèi)型的折算系數(shù)、放牧利用率及估算模型Table 1 Conversion coefficients，grazing efficiencies and evaluation models of different types of grasslands

續(xù)表

（2）牲畜采食量計(jì)算

牲畜采食量是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，宏觀估算中可以進(jìn)行簡(jiǎn)化，以完全放牧天數(shù)進(jìn)行粗略估算。計(jì)算公式如下：

其中，Gg為牲畜采食量；Ctr為實(shí)際載畜量，單位為羊單位，對(duì)于羊以外的其他草食牲畜均依據(jù)表2折算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位，不同牲畜資料來(lái)自牧區(qū)和半牧區(qū)縣上年度末畜牧業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和當(dāng)年家畜補(bǔ)飼情況的調(diào)查數(shù)據(jù)；u為每頭羊日食草量，為1.8kg；D為完全放牧天數(shù)，經(jīng)調(diào)查，青海省完全放牧?xí)r間為4—10月，即214 d。

表2 各種草食動(dòng)物折算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位的系數(shù)［17］Table 2 Conversion coefficients of standard sheep unit for different herbivores

縣的實(shí)際載畜量計(jì)算如下：

式中，n代表草食牲畜的種類(lèi)，Si為第i類(lèi)草食牲畜的數(shù)量，fi為第i類(lèi)草食牲畜的折算系數(shù)。

（3）補(bǔ)充飼料量計(jì)算

補(bǔ)充飼料量的計(jì)算數(shù)據(jù)主要來(lái)源于縣調(diào)查數(shù)據(jù)，主要包括人工草地產(chǎn)草量、補(bǔ)飼秸稈量、青貯飼料量和糧食補(bǔ)飼量等。

式中，Gs為縣總補(bǔ)飼量，Ga為人工草地草量，Gc為秸稈補(bǔ)飼量，Gd為青儲(chǔ)補(bǔ)飼量，Gf為糧食補(bǔ)飼量。

（4）飼草料總量計(jì)算

飼草量總量（Gall）的計(jì)算公式如下：

（5）合理載畜量計(jì)算

合理載畜量（Cr）是指能保持草場(chǎng)健康和可持續(xù)發(fā)展的條件下，草場(chǎng)可最大限度承載的牲畜數(shù)量。計(jì)算公式如下：

（6）草畜平衡指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)各縣計(jì)算的實(shí)際載畜量和合理載畜量進(jìn)行草畜平衡狀況的劃分，載畜平衡指標(biāo)（B）的計(jì)算公式如下：

（7）草畜平衡等級(jí)劃分

根據(jù)各縣（市）計(jì)算的具體草畜數(shù)據(jù)情況，進(jìn)行草畜平衡狀況的劃分。參照《資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法（試行）》［18］（2016）并結(jié)合青海省實(shí)際情況，將載畜情況分為5級(jí)，即：<-10%載畜不足，-10%～10%載畜平衡，10%～15%臨界超載，15%～30%超載，>30%嚴(yán)重超載。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然草地產(chǎn)草量計(jì)算

針對(duì)地面樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，剔除部分偏差較大的地面樣方點(diǎn)，按草地類(lèi)型建立NDVI最大值與樣方可食產(chǎn)草量鮮重的關(guān)系（表1）。用決定系數(shù)R2來(lái)判斷模型的擬合效果，R2越大，模型擬合效果越好。本研究中不同草地類(lèi)型的R2值均在0.70以上，表明模型擬合效果較好。利用上述關(guān)系反演得到青海省草地產(chǎn)草量鮮重空間分布圖（圖3a）。對(duì)遙感估算得到的產(chǎn)草量鮮重?cái)?shù)據(jù)依據(jù)《中國(guó)草地資源》中的各類(lèi)草地類(lèi)型折算干草的系數(shù)［19］（表3）計(jì)算得到可食產(chǎn)草量干重空間數(shù)據(jù)（圖3b）。根據(jù)公式（1）計(jì)算得到天然草地產(chǎn)草量。

表3 各類(lèi)草地類(lèi)型折算干草的系數(shù)Table 3 Hay conversion coefficients of different types of grasslands

從遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，青海省草地總產(chǎn)草量空間分布差異比較明顯。鮮草單產(chǎn)在4 000kg/hm2以上的區(qū)域主要分布在東部零星地區(qū)；單產(chǎn)為 2 000～4 000kg/hm2的地區(qū)主要分布在東部局部區(qū)域；單產(chǎn)為1 000～2 000kg/hm2的區(qū)域主要分布在東部和南部；單產(chǎn)為500～1 000kg/hm2的區(qū)域主要分布在中部和西部；單產(chǎn)在500kg/hm2以下的區(qū)域主要分布于北部和西部。干草單產(chǎn)的空間分布格局與鮮草相似，以東部和南部地區(qū)居多。

圖3 2017年青海省草地產(chǎn)草量鮮重（a）和干重（b）空間分布Fig.3 The spatial distributions of fresh（a）and dry（b）weight of grass yield for grassland in Qinghai province in 2017

2.2 青海各地區(qū)產(chǎn)草量情況

以縣級(jí)行政邊界統(tǒng)計(jì)各行政單元產(chǎn)草量情況，再進(jìn)行市（州）級(jí)行政區(qū)尺度求和，得出2017年青海省草地鮮草總產(chǎn)量為8 732.03萬(wàn)t，干草總產(chǎn)量為2 774.49萬(wàn)t（表4）。

表4 2017年青海省各地區(qū)草地產(chǎn)草量情況Table 4 Grass yields in different areas in Qinghai province in 2017

干草單產(chǎn)居前3位的市（州）分別是西寧市、海北州和黃南州，超過(guò)1 000kg/hm2。平均干草單產(chǎn)小于300kg/hm2的縣主要位于青海省西北部荒漠草原區(qū)的德令哈市和茫崖行委、冷湖行委。

2.3 補(bǔ)充飼料量情況

2017年青海省各地區(qū)秸稈補(bǔ)飼量、青儲(chǔ)飼料量、人工草地產(chǎn)量和糧食補(bǔ)飼量見(jiàn)表5。

表5 2017年青海省各地補(bǔ)充飼料量情況 萬(wàn)tTable 5 Condition of supplement feeds in different areas in Qinghai province in 2017（Ten thousand tons）

2.4 牧區(qū)、半牧區(qū)草畜平衡評(píng)估結(jié)果

根據(jù)式（1）～（7）可以求得載畜平衡指標(biāo)，根據(jù)草畜平衡劃分等級(jí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)青海省牧區(qū)及半牧區(qū)草畜平衡狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。表6給出2017年青海省牧區(qū)和半牧區(qū)草畜平衡評(píng)估結(jié)果。

表6 2017年青海省草畜平衡評(píng)估結(jié)果Table 6 Evaluation result of grassland-livestock balance in different areas in Qinghai province in 2017

續(xù)表

全省牧區(qū)和半牧區(qū)縣中，5個(gè)縣載畜不足，占17%；8個(gè)縣載畜平衡，占28%；7個(gè)縣超載，占24%；10個(gè)縣嚴(yán)重超載，占33%。

牧區(qū)縣共有26個(gè)，2017年合理載畜量為3 378萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為3 748萬(wàn)羊單位，載畜平衡指標(biāo)為11%，處于臨界超載狀態(tài)（表7），其中載畜不足的縣有5個(gè)：天峻縣、格爾木市、治多縣、瑪多縣和達(dá)日縣，合理載畜量為577萬(wàn)羊單位，而實(shí)際載畜量為404萬(wàn)羊單位；載畜平衡的縣有8個(gè)：德令哈市、都蘭縣、曲麻萊縣、雜多縣、稱(chēng)多縣、久治縣、瑪沁縣和甘德縣，合理載畜量為986萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為1 001萬(wàn)羊單位；超載的縣有6個(gè)：剛察縣、海晏縣、祁連縣、玉樹(shù)市、班瑪縣和澤庫(kù)縣，合理載畜量為869萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為1 050萬(wàn)羊單位；嚴(yán)重超載的縣有7個(gè)：共和縣、烏蘭縣、興海縣、同德縣、貴南縣、囊謙縣和河南縣，合理載畜量為946萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為1 293萬(wàn)羊單位。

表7 2017年青海牧區(qū)縣草畜平衡情況Table 7 Condition of grassland-livestock balance in pastoral counties in Qinghai province in 2017

半牧區(qū)縣有4個(gè)，2017年合理載畜量為212萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為283萬(wàn)羊單位，載畜平衡指標(biāo)為33%，處于嚴(yán)重超載狀態(tài)（表8），超載的縣是同仁縣，合理載畜量為52萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為60萬(wàn)羊單位；嚴(yán)重超載的縣有3個(gè)，包括門(mén)源縣、貴德縣和尖扎縣，合理載畜量為160萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為223萬(wàn)羊單位。從空間格局上看，牧區(qū)東部和南部地區(qū)超載狀態(tài)嚴(yán)重，而西部地區(qū)載畜不足，中部地區(qū)處于載畜平衡狀態(tài)，半牧區(qū)均處于超載狀態(tài)（圖4）。

表8 2017年青海半牧區(qū)縣載畜平衡指標(biāo)與等級(jí)Table 8 Condition of grassland-livestock balance in semi-pastoral counties in Qinghai province in 2017

圖4 2017年青海省牧區(qū)（a）和半牧區(qū)（b）縣草畜平衡空間分布情況Fig.4 Spatial distributions of grassland-livestock balance in pastoral（a）and semi-counties in Qinghai province（b）in 2017

3 結(jié)論

（1）青海省不同草地類(lèi)型可食產(chǎn)草量與NDVI呈顯著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，估算模型決定系數(shù)R2都在0.70以上，其中高寒荒漠類(lèi)草地的估算精度最高，R2達(dá)0.99，禾草、薹草高寒草原類(lèi)草地估算精度較低，R2為0.70。

（2）遙感估算青海省2017年草地鮮草總產(chǎn)量為8 732.03萬(wàn)t，干草總產(chǎn)量為2 774.49萬(wàn)t。其中西寧市、海北州和黃南州干草單產(chǎn)最大，超過(guò)1 000kg/hm2，西北部荒漠草原區(qū)的德令哈市和茫崖行委、冷湖行委單產(chǎn)最小，在300kg/hm2以下。補(bǔ)飼量各分量中，人工草地產(chǎn)草量為最主要部分，總量達(dá)1 548.22萬(wàn)t，青稞飼料次之，為917.19萬(wàn)t，再次為秸稈補(bǔ)飼量775.93萬(wàn)t，糧食補(bǔ)飼量最少，為418.91萬(wàn)t。

（3）青海省牧區(qū)縣2017年合理載畜量為3 378萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為3 748萬(wàn)羊單位，載畜平衡指標(biāo)為11%，處于臨界超載狀態(tài)，其中牧區(qū)東部和南部地區(qū)超載狀態(tài)嚴(yán)重，而西部地區(qū)載畜不足，中部地區(qū)處于載畜平衡狀態(tài)。半牧區(qū)2017年合理載畜量為212萬(wàn)羊單位，實(shí)際載畜量為283萬(wàn)羊單位，載畜平衡指標(biāo)為33%，處于嚴(yán)重超載狀態(tài)。

4 討論

本研究所采用的植被類(lèi)型空間分布資料對(duì)草地分類(lèi)較粗，不能與《天然草地合理載畜量的計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)中草地類(lèi)型相匹配，是產(chǎn)草量計(jì)算過(guò)程中較為重要的誤差來(lái)源，進(jìn)而可能導(dǎo)致草畜平衡評(píng)估精度的下降。因此，準(zhǔn)確的草地類(lèi)型空間分布數(shù)據(jù)是改善評(píng)估精度的重要前提。此外，地面生物量調(diào)查數(shù)據(jù)的空間代表性是建立可食產(chǎn)草量與遙感光譜信息之間準(zhǔn)確關(guān)系的基礎(chǔ)，青海地區(qū)地形地貌復(fù)雜，中西部地區(qū)更是環(huán)境惡劣，地面采樣工作困難，大大降低了調(diào)查資料的有效性，這也將引起產(chǎn)草量的估算誤差。除了上述可能對(duì)草畜平衡評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生的誤差以外，分析草畜平衡狀況的可能成因?yàn)?，一方面，青海牧區(qū)海拔較高、氣候惡劣，雪災(zāi)、旱災(zāi)等自然災(zāi)害頻繁，是導(dǎo)致草原載畜處于臨界超載狀態(tài)的最主要原因。另外，青海省城市、城鎮(zhèn)的奶類(lèi)和肉制品主要來(lái)源于牧區(qū)和半牧區(qū)，使載畜量增大，也是導(dǎo)致超載的一個(gè)重要原因。