草地放牧強(qiáng)度遙感解譯方法
——以和靜縣高寒草原為例

邵明軒 王 潔 賈宏濤 劉耘華 程軍回 盛建東*

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052；2.俄克拉荷馬大學(xué) 微生物和植物生物學(xué)系，美國(guó) 諾曼 OK 73019)

放牧是人類活動(dòng)對(duì)草地最主要的干擾類型[1-2]。一方面，放牧?xí)苯訉?dǎo)致草地地上生物量變化，間接影響草地生物多樣性的穩(wěn)定、土壤微生物、及土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)周轉(zhuǎn)等方面[3-6]；過(guò)度放牧?xí)?dǎo)致適口性牧草逐漸減少，毒草及不適口牧草增多，植被群落密度減少等不利影響[7-8]。另一方面，禁牧易造成資源浪費(fèi)，不利于畜牧業(yè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展[9]。故保持合理的放牧強(qiáng)度對(duì)草地資源的保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展尤為重要[10]。如何快速、準(zhǔn)確的確定放牧強(qiáng)度，對(duì)天然草地的草畜平衡和科學(xué)管理有重要意義[11]。

目前，對(duì)于放牧適宜強(qiáng)度的確定方法，主要是通過(guò)實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)牲畜存欄數(shù)和草場(chǎng)面積，估算區(qū)域內(nèi)實(shí)際載畜量與草地理論載畜量的差異來(lái)劃分放牧強(qiáng)度[12]。這種方法耗時(shí)耗力且精度有限，未考慮區(qū)域內(nèi)不同草地類型的差異性，不適用于大范圍草地放牧強(qiáng)度的估算。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，為草地載畜量、放牧強(qiáng)度以及草場(chǎng)科學(xué)管理等提供了科學(xué)手段[13-16]。例如可利用牲畜攜帶GPS在放牧過(guò)程中記錄放牧軌跡，通過(guò)聚類分析方法估算牲畜分布的面積來(lái)判斷草地的放牧強(qiáng)度[17-18]。近年來(lái)研究利用無(wú)人機(jī)觀測(cè)牲畜分布及地上生物量變化對(duì)中小尺度的草場(chǎng)進(jìn)行放牧強(qiáng)度估算[19-20]。隨著大尺度、多時(shí)相、高光譜等衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于大規(guī)模的山地天然草地而言，衛(wèi)星遙感有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。其中，已有研究利用Landsat遙感影像建立了地上生物量及地表植被冠幅變化的反演模型，結(jié)合實(shí)際調(diào)查的放牧強(qiáng)度，估算出巴西隆多尼亞地區(qū)傳統(tǒng)放牛場(chǎng)不同植被類型(林地、草地)的放牧強(qiáng)度[21]。使用MODIS遙感影像分析對(duì)比放牧前后NDVI變化，估算內(nèi)蒙古草地的相對(duì)放牧強(qiáng)度等級(jí)[22-24]。利用衛(wèi)星遙感對(duì)草地放牧強(qiáng)度進(jìn)行初步探索，但在實(shí)際調(diào)查中，不同草地類型地上生物量和載畜量存在較大差異，不同草地類型同時(shí)劃分放牧強(qiáng)度將存在較大誤差[25]。因此，如何快速、有效地確定大范圍草地放牧?xí)r間及強(qiáng)度，還需要進(jìn)一步探索。

新疆和靜縣飼養(yǎng)牲畜主要以巴音布魯克黑頭羊和牦牛為主。全縣現(xiàn)有草場(chǎng)面積約24 600 km2，可利用草場(chǎng)面積約20 513 km2，19世紀(jì)80年代核定載畜量為130.5萬(wàn)只綿羊單位，現(xiàn)在實(shí)際載畜量為229.0萬(wàn)只綿羊單位[26]。為滿足我國(guó)人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，需要增加飼養(yǎng)牲畜數(shù)量，也是草原地區(qū)牧民提高收入的重要途徑。為協(xié)調(diào)草畜矛盾，如何快速的確定大范圍草地放牧強(qiáng)度，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題，但是當(dāng)前衛(wèi)星遙感解譯大范圍天然草地放牧強(qiáng)度的研究較少，因此，本研究擬以新疆和靜縣分布的典型高寒草原為研究對(duì)象，利用實(shí)地樣地調(diào)查的地上生物量與遙感影像所提取的NDVI建立生物量反演模型；通過(guò)分析NDVI在植被生長(zhǎng)季期間變化特征，開(kāi)展高寒草原草地放牧?xí)r間和放牧強(qiáng)度的遙感解譯分析研究，以期為利用多時(shí)相遙感影像快速確定草地放牧強(qiáng)度和放牧管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山中段南麓和靜縣高寒草原草地(82°28″～87°52″ E，42°36″～43°19″ N，圖1)。地勢(shì)西北高、東南低，研究區(qū)范圍內(nèi)海拔2 000～2 800 m，屬山區(qū)高寒氣候，冬春嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，夏秋短暫溫和，年均溫-4.8 ℃，年均降水量276.2 mm[27]。該區(qū)域主要以紫花針茅(Stipapurpurea)、羊茅(FestucaovinaL.)為主的高寒草原類草地，土壤類型為冷鈣土[27]。

圖1 和靜縣高寒草地樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of alpine grassland sample points in Hejing County

1.2 地上生物量調(diào)查

為建立和驗(yàn)證遙感反演的草地放牧強(qiáng)度，本研究借助2013年7月中旬—8月中旬對(duì)放牧的高寒草原19個(gè)典型樣地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行反演精度的驗(yàn)證。在野外調(diào)查過(guò)程中，首先遵循試驗(yàn)樣地布設(shè)的典型性原則，在認(rèn)真分析已有的草地類型圖和遙感圖像基礎(chǔ)上，布點(diǎn)時(shí)盡量考慮到草地型、坡度等因素的異質(zhì)性。選擇能夠代表高寒草原類型、地形及土壤等特征的樣地，按一定方向設(shè)置1條100 m樣線，可以較好地匹配MDOIS-MOD13Q1植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，在樣線上設(shè)10個(gè)1 m×1 m草本樣方。草本樣方地面以上所有綠色部分齊地面刈割，去除粘附的土壤、礫石等雜物后全部帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃殺青后，65 ℃烘干至恒重后稱量，獲取各樣點(diǎn)地上生物量數(shù)據(jù)，取其均值代表該樣地的地上生物量。

1.3 遙感數(shù)據(jù)獲取與處理

通過(guò)美國(guó)航空航天局地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心獲取的16 d合成為空間分辨率250 m的MOD13Q1植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，經(jīng)過(guò)大氣校正、云檢驗(yàn)、質(zhì)量控制和旬NDVI最大化處理后。利用圖像處理軟件MRT軟件進(jìn)行鑲嵌、拼接、投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等預(yù)處理，進(jìn)行地上生物量反演模型建立。同時(shí)利用ArcGIS 10.2及R軟件提取了19個(gè)樣地的2008—2017年每年每個(gè)周期NDVI值，用于判斷放牧?xí)r間及放牧強(qiáng)度，制作放牧強(qiáng)度分布圖。

1.4 放牧?xí)r間確定

放牧開(kāi)始與結(jié)束的時(shí)間是利用NDVI確定放牧強(qiáng)度的關(guān)鍵。由于高寒草原草地因海拔高、溫度低、積雪時(shí)間長(zhǎng)，生長(zhǎng)季短暫，一般作為夏季牧場(chǎng)進(jìn)行利用。本研究19個(gè)高寒草原樣地分布分別為：巴音郭楞鄉(xiāng)(8個(gè))、巴音布魯克鎮(zhèn)(2個(gè))、公乃斯鎮(zhèn)(3個(gè))、哈爾諾爾國(guó)營(yíng)牧場(chǎng)(1個(gè))、額勒在特烏魯鄉(xiāng)(5個(gè))，分別進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)和靜縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)年鑒及和靜縣畜牧局提供的放牧?xí)r間，結(jié)合實(shí)地走訪，確定了和靜縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏季放牧?xí)r間(表1)為6月10日—9月10日。實(shí)測(cè)放牧強(qiáng)度的結(jié)果依據(jù)當(dāng)?shù)匦竽翆＜页Ｄ瓯O(jiān)測(cè)調(diào)查的結(jié)果，同時(shí)結(jié)合本單位草學(xué)專家對(duì)于草地生長(zhǎng)狀況判別確定實(shí)測(cè)的放牧強(qiáng)度。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index，NDVI)，紅波段(R)和近紅外波段(NIR)反射率之差與之和的比值，用以表征地表植被的數(shù)量分配和質(zhì)量情況。即：

利用ArcMap 10.2軟件提取各樣方的位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NDVI值，利用Sigmaplot 14.0進(jìn)行NDVI與實(shí)測(cè)生物量模型建立。利用Graphpad Prism 8進(jìn)行2008—2017年每旬NDVI均值進(jìn)行突變分析用于判斷放牧起止時(shí)間。同時(shí)將生長(zhǎng)季期間(4—8月)NDVI進(jìn)行累積得到，即：ΣNDVI，用于整個(gè)研究區(qū)放牧強(qiáng)度劃分。

1.6 研究思路

放牧的直接結(jié)果是牲畜對(duì)于地上生物量的啃食作用，不同放牧強(qiáng)度的地上生物量變化特征不同，而這種變化特征可以利用多時(shí)相衛(wèi)星遙感圖像反演獲取，根據(jù)地上生物量的變化可以確定不同的放牧強(qiáng)度。因此，首先利用19個(gè)典型樣地的實(shí)測(cè)地上生物量與對(duì)應(yīng)日期NDVI建立反演模型，然后利用該模型分析近10年NDVI均值的變化過(guò)程，確定放牧起止時(shí)間?？紤]到天然草地面積廣闊，牧民轉(zhuǎn)場(chǎng)的時(shí)間及次數(shù)各有不同，加之不同區(qū)域、不同月份水熱條件存在較大差異，實(shí)時(shí)調(diào)查、采樣比較困難，即使在采樣地點(diǎn)選擇相對(duì)均一條件下，單一的利用某個(gè)旬度之間NDVI變化劃分放牧強(qiáng)度存在較大誤差。為此，通過(guò)分析19個(gè)典型樣地生長(zhǎng)季期間NDVI值的變化過(guò)程，將其歸類為4個(gè)放牧強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)不同放牧強(qiáng)度地上生物量及生長(zhǎng)季期間累積NDVI(ΣNDVI)值存在差異，據(jù)此作為劃分不同強(qiáng)度的界定方法。此方法在一定程度上避免了各地牧民轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間上的差異，提高了預(yù)測(cè)大范圍大區(qū)域放牧強(qiáng)度的精度。

2 結(jié)果與分析

2.1 高寒草原地上生物量遙感反演模型建立

草地地上生物量與NDVI之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[28]。為保持與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空一致性，選擇利用2013年MDOIS遙感植被指數(shù)來(lái)反演草地地上生物量，建立了該區(qū)域的草地地上生物量估算模型。對(duì)研究區(qū)高寒草原樣地的遙感植被指數(shù)(NDVI)與高寒草原草地地上生物量分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.732 9，P<0.000 1)。以提取樣地的NDVI為自變量，實(shí)地調(diào)查獲取的草地地上生物量y為因變量，分別建立了一元線性回歸模型、二次多項(xiàng)式、對(duì)數(shù)、指數(shù)和冪指數(shù)非線性等回歸模型(圖2)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，其中二次多項(xiàng)式模型是估算和靜地區(qū)高寒草原地上生物量最佳模型：

y=523.21 NDVI2-82.8 NDVI+55.84

式中：y為地上生物量，g/m2；NDVI為歸一化植被指數(shù)。

圖2 高寒草原地上生物量遙感植被指數(shù)反演模型Fig.2 Inversion model of aboveground biomass remote sensing vegetation index in alpine grassland

2.2 高寒草原放牧?xí)r間確定

在確定高寒草原草地遙感反演模型后，可合理有據(jù)的分析每16 d的NDVI的變化，從而進(jìn)行放牧?xí)r間的判斷。由于高寒草原生長(zhǎng)季短暫，多為夏季牧場(chǎng)。夏季牧場(chǎng)放牧開(kāi)始時(shí)，處于生長(zhǎng)季初期，與地上生物量相關(guān)的NDVI呈上升趨勢(shì)，而地上生物量的減少主要是由放牧引起的。以巴音布魯克鎮(zhèn)為例，分析該鎮(zhèn)范圍內(nèi)2個(gè)樣地10年均值年內(nèi)變化圖(圖3)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查知，該鎮(zhèn)高寒草原草地NDVI均值3月中旬至4月初期間由負(fù)變正，即4月初植被返青。這主要是春季氣溫逐漸提升，積雪融化，水熱條件改善，地上植物開(kāi)始返青，NDVI值逐漸上升。在6月9—26日期間出現(xiàn)會(huì)第一次下降又上升階段，由此判斷此時(shí)間段為開(kāi)始放牧的時(shí)間范圍，這與實(shí)地調(diào)查的夏季放牧開(kāi)始時(shí)間相吻合。草地放牧后，牲畜啃食作用雖會(huì)導(dǎo)致地上生物量減少，如果是適度放牧也會(huì)促進(jìn)后期植物的補(bǔ)償性增長(zhǎng)，地上生物量也會(huì)增加，此后一階段的NDVI指數(shù)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。隨著時(shí)間推移，8月底—9月初，氣溫下降，植被逐漸進(jìn)入枯黃期，NDVI逐漸降低，夏季放牧?xí)r間基本結(jié)束。在9月中旬—12月中下旬，高寒草原分布區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)降雪融雪交替，使得NDVI整體波動(dòng)下降，12月以后積雪完全覆蓋，NDVI降為負(fù)值。

利用同樣的方法分析和靜縣其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)、國(guó)營(yíng)牧場(chǎng)夏季放牧?xí)r間，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知放牧?xí)r間6月9日—9月30日，這與實(shí)際調(diào)查的放牧?xí)r間大致相近，具體時(shí)間隨當(dāng)年返青時(shí)間的早晚而變化。

圖3 巴音布魯克鎮(zhèn)10 年NDVI指數(shù)均值隨時(shí)間的變化Fig.3 Change of the average NDVI of Bayanbulak Town over 10 years

表1 和靜縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)遙感圖像預(yù)測(cè)的返青時(shí)間、放牧?xí)r間與實(shí)際調(diào)查放牧?xí)r間Table 1 The prediction of turning green time, grazing time by remote sensing images andactual investigation of grazing time of each township in Hejing County

為驗(yàn)證遙感確定放牧?xí)r間的可靠性。以2013年為例，利用6月26日與6月10日影像中后旬NDVI減前旬NDVI處理，得到和靜縣高寒草原草地6月10—26日地上生物量變化圖(圖4)，在此期間紅色為地上生物量下降區(qū)域可以判斷為此期間放牧區(qū)域，綠色為地上生物量上升區(qū)域，可以判斷為此期間未放牧區(qū)域。

圖4 和靜縣高寒草原草地2013年6月10—26日地上生物量變化Fig.4 Aboveground biomass variation diagram of alpine grassland in Hejing County on June 10 to 26, 2013

2.3 利用NDVI劃分高寒草原放牧強(qiáng)度方法

放牧開(kāi)始與結(jié)束的時(shí)間是利用NDVI確定放牧強(qiáng)度的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)19個(gè)樣地的生長(zhǎng)季NDVI的變化趨勢(shì)相似的樣地進(jìn)行歸類，制作了不同放牧強(qiáng)度下NDVI變化圖(圖5)，發(fā)現(xiàn)不同放牧強(qiáng)度存在差異特征。其中，圖5(a)的NDVI曲線呈現(xiàn)出前期快速上升，后期緩慢降低的趨勢(shì)，且NDVI的變化幅度最大，歸為未放牧區(qū)；圖5(b)的NDVI開(kāi)始上升的斜率較小且到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間較圖5(a)的晚，于177～209 d由于受到放牧干擾，出現(xiàn)小幅下降后又再次上升，然后至枯黃期前NDVI開(kāi)始逐漸平穩(wěn)下降，至枯黃期后快速降低的趨勢(shì)，歸為輕度放牧；圖5(c)的NDVI曲線整體上升和下降的幅度較小，于160～225 d出現(xiàn)多次下降后上升，而后逐漸下降趨勢(shì)，歸為中度放牧；圖5(d)的則表現(xiàn)出在整個(gè)生長(zhǎng)季期間NDVI值較低，且NDVI曲線比較平穩(wěn)，歸為重度放牧。

(a)未放牧；(b)輕度放牧；(c)中度放牧；(d)重度放牧(a) Ungrazed； (b) Light grazing； (c) Moderate grazing； (d) Heavy grazing圖5 不同樣地生長(zhǎng)季植被指數(shù)變化Fig.5 Changes of vegetation index in growing season of different plots

確定19個(gè)樣地的放牧強(qiáng)度后，對(duì)于不同放牧強(qiáng)度下實(shí)測(cè)地上生物量及反演的7月28日(地面實(shí)測(cè)時(shí)間一致)地上生物量進(jìn)行分析(表2)。

表2 不同放牧強(qiáng)度下實(shí)測(cè)及反演的地上生物量

通過(guò)分析19個(gè)樣地生長(zhǎng)季植被指數(shù)(圖5)及地上生物量(表2)發(fā)現(xiàn)，不同放牧強(qiáng)度地上生物量和NDVI存在較為明顯的差異，為避免放牧?xí)r間及轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間不同所造成的誤差，本研究利用不同放牧強(qiáng)度在生長(zhǎng)季期間累積NDVI(ΣNDVI)大小來(lái)界定不同放牧強(qiáng)度，結(jié)合植物蓋度、生物量等指標(biāo)制定了高寒草地放牧強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。其中：未放牧區(qū)域NDVI到達(dá)最大后屬于草本自然衰落式下降，生長(zhǎng)季ΣNDVI區(qū)間范圍在5以上；輕度放牧受到1個(gè)旬度的放牧干擾，生長(zhǎng)季ΣNDVI區(qū)間4～5；中度放牧受到放牧干擾后，NDVI回升較少，放牧期間受到2個(gè)甚至3個(gè)旬度的放牧干擾，生長(zhǎng)季ΣNDVI區(qū)間3～4；重度放牧整體NDVI較低，代表裸地面積較大，載畜量低，生長(zhǎng)季ΣNDVI區(qū)間范圍在3以下。

表3 高寒草原草地放牧強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading standard for grazing intensity of alpine grassland

2.4 精度驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)遙感獲取的NDVI數(shù)據(jù)分析，得出的19個(gè)樣地的不同放牧強(qiáng)度。其中未放牧2個(gè)，輕度放牧6個(gè)，中度放牧7個(gè)，重度放牧4個(gè)。利用實(shí)地調(diào)查的放牧強(qiáng)度19個(gè)樣地中，有17個(gè)樣地放牧強(qiáng)度符合調(diào)查的放牧強(qiáng)度，精度達(dá)到89.47%。其中7月28日調(diào)查的樣地屬于中度放牧，但是遙感獲取的ΣNDVI屬于重度放牧，可能是因?yàn)閷?shí)地調(diào)查時(shí)間處于草地恢復(fù)階段，地上生物量有所回升，但是整體ΣNDVI較低，調(diào)查后有再次放牧的可能性。此情況出現(xiàn)同時(shí)也可以說(shuō)明ΣNDVI劃分放牧強(qiáng)度的科學(xué)性。

2.5 高寒草原放牧強(qiáng)度空間分布

根據(jù)高寒草地放牧強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，利用研究區(qū)遙感影像反演的ΣNDVI值，制作了和靜縣高寒草原草地放牧強(qiáng)度等級(jí)分布圖(圖6)。未放牧區(qū)域，多位于圍欄區(qū)域和高海拔位置，主要分布在和靜縣西南部山區(qū)；輕度放牧區(qū)域，多處于海拔較高區(qū)域，未放牧和中度放牧的過(guò)渡地帶，主要分布在東北部和西南部山區(qū)；中、重度放牧區(qū)域，多位于山前路旁，海拔較低處。

圖6 和靜縣高寒草原草地放牧強(qiáng)度分布圖Fig.6 Distribution map of alpine grassland intensity grazing in Hejing County

3 討 論

3.1 植被指數(shù)與草地地上生物量之間的關(guān)系

研究表明植被指數(shù)與草地地上生物量存在顯著相關(guān)性[11-16]。放牧強(qiáng)度最直觀的表現(xiàn)是地上生物量的變化，為此本研究以巴音布魯克高寒草原草地為研究對(duì)象，利用MODIS的NDVI的植被指數(shù)為自變量，草地地上生物量y為因變量，建立了和靜地區(qū)高寒草原地上生物量的反演模型。楊靜雅[27]在和靜縣高寒草原草地研究中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于和靜縣高寒草原草地而言，二次項(xiàng)多項(xiàng)式遙感反演模型的反演效果較好。羅媛等[28]在基于紅光和近紅外反射光譜特征參數(shù)反演草地地上生物量的研究中發(fā)現(xiàn)，NDVI與草地地上生物量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此，可以通過(guò)NDVI對(duì)于研究區(qū)地上生物量的變化進(jìn)行判斷。

3.2 植被指數(shù)變化與放牧?xí)r間的關(guān)系

依據(jù)植被指數(shù)與地上生物量反演模型，通過(guò)植被指數(shù)可以了解地上生物量的變化。研究表明，當(dāng)NDVI為負(fù)值，代表為水體、積雪覆蓋等高反射物體[29]。因此，通過(guò)分析NDVI變化曲線發(fā)現(xiàn)，1—4月NDVI為負(fù)值，表明該時(shí)期巴音布魯克鎮(zhèn)高寒草原多被積雪覆蓋；4月初NDVI逐漸上升，表明積雪融化，草地逐漸返青；在生長(zhǎng)季期間，6月9—26日(很可能是因?yàn)槔涠?，返青時(shí)間不同而變化)內(nèi)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明地上生物量減少，生物量減少主要是受到了放牧的干擾所致。同時(shí)在實(shí)地調(diào)查中，夏季放牧開(kāi)始時(shí)間后(6月10日左右)在此區(qū)間范圍內(nèi)可互相印證。丁濤等[29]研究發(fā)現(xiàn)巴音布魯克高寒草原在9月初進(jìn)入非生長(zhǎng)季。草地進(jìn)入非生長(zhǎng)季后，草地逐漸枯黃，導(dǎo)致光合作用減弱，對(duì)紅光波段的反射增強(qiáng)，NDVI逐漸降低。因此，在生長(zhǎng)季期間NDVI的波動(dòng)可以間接反映是否存在放牧行為。

3.3 植被指數(shù)與放牧強(qiáng)度的相關(guān)性

植被指數(shù)變化可以間接反映放牧強(qiáng)度[21-24]。本研究基于海拔2 000～2 800 m的和靜地區(qū)的高寒草原草地，對(duì)該類草地類型進(jìn)行放牧強(qiáng)度的研究，一定程度上避免了不同草地類型所造成植被指數(shù)的差異而導(dǎo)致的誤差。從和靜縣放牧強(qiáng)度分布圖(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，其中未放牧區(qū)，多位于高海拔和圍欄區(qū)域，在生長(zhǎng)季開(kāi)始時(shí)NDVI呈現(xiàn)快速上升，緩慢下降趨勢(shì)。在Risser等[30]研究發(fā)現(xiàn)，草地未受到干擾，草本植物會(huì)出現(xiàn)惰性生長(zhǎng)，植被會(huì)出現(xiàn)黃綠色，NDVI也會(huì)逐漸降低，屬于草本的自然衰落枯萎。輕度放牧區(qū)，多處于海拔較高區(qū)域，地上生物量較高，草地載畜量高，從NDVI曲線中發(fā)現(xiàn)至177 d(6月26日)左右受到放牧干擾開(kāi)始下降，距放牧開(kāi)始時(shí)間往后延時(shí)，可能是因?yàn)橄募灸翀?chǎng)開(kāi)始放牧后，牧民從山下將羊群驅(qū)趕至此，導(dǎo)致放牧?xí)r間往后延時(shí)，放牧結(jié)束后NDVI再次上升，至枯黃期NDVI開(kāi)始逐漸下降。輕度放牧有利于草地發(fā)展，草地受到牲畜的唾液(水分)、排泄物(養(yǎng)分)等補(bǔ)給，草地會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)償性增長(zhǎng)，地上生物量在一定時(shí)間后會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)甚至超過(guò)未放牧之前的生物量[25,31]。中度放牧區(qū)，多位于山前路旁，通過(guò)分析NDVI曲線發(fā)現(xiàn)在161 d(6月11日)左右開(kāi)始下降，在177 d(6月26日)左右再次上升；在193 d(7月12日)左右再次下降，至生長(zhǎng)季末期NDVI逐漸降低。可能是因?yàn)槟撩裨谙募痉拍習(xí)r間開(kāi)始后，經(jīng)過(guò)此區(qū)域去往高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)場(chǎng)，高海拔地區(qū)放牧結(jié)束后，再次經(jīng)過(guò)此區(qū)域。該區(qū)域一是受到多次放牧干擾，二是由于后一次放牧干擾，接近生長(zhǎng)季末期，不利于草地再次生長(zhǎng)。重度放牧區(qū)域，整體NDVI較低，可能是因?yàn)榈厣仙锪可?，裸地較多，導(dǎo)致載畜量低，放牧強(qiáng)度高。通過(guò)分析19個(gè)不同放牧強(qiáng)度的樣地，可以發(fā)現(xiàn)不同放牧強(qiáng)度的ΣNDVI及地上生物量有明顯差異。孫睿等[32]研究發(fā)現(xiàn)可以利用ΣNDVI估算大區(qū)域范圍內(nèi)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)整體的地表變化。本研究通過(guò)探索ΣNDVI進(jìn)行劃分放牧強(qiáng)度的可行性，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)季ΣNDVI與放牧強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。

4 結(jié) 論

草地放牧強(qiáng)度的確定是合理放牧和草地可持續(xù)利用的關(guān)鍵。本研究利用實(shí)地調(diào)查典型樣地的地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合MODIS遙感數(shù)據(jù)源提取的NDVI，建立了巴音布魯克高寒草原草地的地上生物量反演模型。利用2008—2017年NDVI變化曲線確定了放牧?xí)r間為6月9日—9月30日，進(jìn)而建立了基于生長(zhǎng)季期間ΣNDVI指標(biāo)的放牧強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即：未放牧、輕度放牧、中度放牧和重度放牧。本研究結(jié)果可為該區(qū)域高寒草原草地快速、有效確定草地放牧?xí)r間及放牧強(qiáng)度，科學(xué)合理利用草地資源，維持草畜平衡提供科學(xué)依據(jù)。