衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的瑪河流域草畜平衡研究

文│李靜 ?？悼担ㄐ陆S吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）

田源（新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃和遙感應(yīng)用中心）

目前，草原畜牧業(yè)發(fā)展與草原生產(chǎn)能力不協(xié)調(diào)，草原建設(shè)速度慢于退化速度等突出問題嚴(yán)重影響草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和牧區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，超載過牧是草原退化的主要原因之一，草畜平衡成為治理草地退化的重要手段。

研究草原合理載畜量，首先是要準(zhǔn)確測(cè)定牧草產(chǎn)量。傳統(tǒng)的牧草產(chǎn)量測(cè)定一般采用實(shí)地采樣法，但對(duì)于面積大、地形地貌復(fù)雜的牧草區(qū)，環(huán)境限制因素明顯，存在樣點(diǎn)分布不均，無法布點(diǎn)等問題，耗費(fèi)大量的人力、物力，同樣無法擺脫諸多客觀和主觀因素的限制。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和在草地監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，大大降低了通過人為測(cè)定帶來的主客觀因素。它具有準(zhǔn)確性、綜合性、動(dòng)態(tài)性和快速性等特點(diǎn)，為大面積牧草產(chǎn)量的估測(cè)提供了必要的工具。

一、研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)源及研究方法

1 研究區(qū)概況?，敽恿饔蛭挥谛陆S吾爾自治區(qū)準(zhǔn)噶爾盆地南緣，北緯：43.05°～45.13°、東經(jīng)：85.12°～87.6°，包括沙灣市、瑪納斯縣、呼圖壁縣。地形垂直分布完整典型，氣候差異顯著，水熱條件分配不均勻，草地類型豐富。所處的地理位置、地形、氣候特點(diǎn)將草地分為低地草甸類、山地草甸類、溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、高寒草甸類。主要有密從禾草、中生雜草、小禾草、半灌木分布在不同的草地類型中。

2.草地資源數(shù)據(jù)。采用國(guó)家基礎(chǔ)地理中心提供的1∶100萬草地類型圖，并根據(jù)土地利用現(xiàn)狀做進(jìn)一步的修正。

3.地面草地?cái)?shù)據(jù)。在7月牧草刈割季節(jié)，從試驗(yàn)區(qū)選取草地樣方，每個(gè)樣方大小1米×1米，將樣方內(nèi)牧草切割稱取鮮重，建立草原地面樣方數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.牲畜數(shù)據(jù)。在新疆統(tǒng)計(jì)年鑒上，獲取2014年試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)食草性牲畜數(shù)量，主要包括牛、馬、驢、山羊、綿羊。

5.遙感數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理。一般7月是牧草刈割期生物量最大的時(shí)期，選擇云量小于10%，能覆蓋整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的高分一號(hào)WFV4傳感器數(shù)據(jù)，用ENVI5.1軟件做影像預(yù)處理（大氣較正和幾何精較正）和波段運(yùn)算。

6.計(jì)算公式。

（1）天然草地合理載畜量的計(jì)算參考中華人民共和國(guó)和農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 635-2002）和《自治區(qū)各地州不同草原類型載畜量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算說明》，計(jì)算公式如下：

天然草地適宜載畜量（羊單位）＝［飼草量×可食鮮草產(chǎn)量利用率］÷（家畜日食量×放牧天數(shù)）。

其中飼草量根據(jù)牧草反演數(shù)據(jù)得到，可食鮮草產(chǎn)量利用率：低地草甸類0.55，山地草甸類0.6，溫性草原類0.5，溫性草甸類0.55，溫性荒漠類0.35，溫性荒漠草原類0.35，高寒草甸類0.55。家畜日食量為5千克，放牧天數(shù)為365天。

（2）羊單位轉(zhuǎn)化參考NY/T 635-2002方法，牛食草量是標(biāo)準(zhǔn)羊單位的6倍，馬食草量是標(biāo)準(zhǔn)羊單位的6倍，驢食草量是標(biāo)準(zhǔn)羊單位的3倍，山羊食草量是標(biāo)準(zhǔn)羊單位的0.9倍，綿羊食草量為標(biāo)準(zhǔn)羊單位食草量。

（3）草畜平衡計(jì)算，參考NY/T 635-2002。

0～15%為平衡，15%～30%為超載，＞30%為重度超載。

公式中，B為草畜平衡指數(shù)，A為實(shí)際載畜量，表示草場(chǎng)實(shí)際已承載的放牧牲畜數(shù)量，單位為羊單位；R為合理載畜量，指在草原保持健康的條件下，草場(chǎng)最大可承載的牲畜數(shù)量，單位為羊單位。

表1 研究區(qū)草地合理載畜量

7.研究方法。在研究區(qū)草原產(chǎn)草量的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)知識(shí)和遙感技術(shù)，合理估算補(bǔ)充飼草料，并根據(jù)當(dāng)前牲畜數(shù)（換算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位）估算當(dāng)前已采食的產(chǎn)草量。然后在現(xiàn)存草原產(chǎn)草量的基礎(chǔ)上開展研究區(qū)草畜平衡監(jiān)測(cè)工作，對(duì)其草畜平衡狀況進(jìn)行分析。最后把研究區(qū)的行政界線和草地類型圖疊加到草原生產(chǎn)力分布圖上，并按分區(qū)計(jì)算合理的載畜量（羊單位），確定載畜平衡指標(biāo)，并進(jìn)行研究區(qū)草畜平衡評(píng)價(jià)。

二、結(jié)果與分析

1.牧草產(chǎn)量模型構(gòu)建。通過多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，NDVI（歸一化植被指數(shù)）與草地生物量相關(guān)性高。因此，本研究利用地面樣方鮮草產(chǎn)量數(shù)據(jù)與NDVI擬合回歸方程，結(jié)果表明，鮮草重與NDVI呈極顯著正相關(guān)。

2.牧草產(chǎn)量反演。利用以上牧草產(chǎn)量估測(cè)模型反演整個(gè)示范應(yīng)用區(qū)，并對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，線性模型R2＝0.6561，多項(xiàng)式模型R2＝0.6892，冪函數(shù)模型R2＝0.747，冪函數(shù)模型反演精度最高，因此，將冪函數(shù)y＝1546.1x1.9466作為估測(cè)草地牧草產(chǎn)量的最佳模型，可作為估測(cè)草地載畜量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.草地載畜量估算。根據(jù)獲取的不同草地類型牧草產(chǎn)量，利用天然草地合理載畜量計(jì)算公式，計(jì)算得到3個(gè)縣市不同草地類型合理載畜量，瑪納斯縣合理載畜量85.62萬（羊單位），沙灣市合理載畜量91.33萬（羊單位），呼圖壁縣合理載畜量74.35萬（羊單位）。

4.實(shí)際載畜量計(jì)算。從2014年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒提取瑪納斯縣、沙灣縣、呼圖壁縣主要的食草性動(dòng)物（牛、馬、驢、山羊、綿羊）數(shù)據(jù)。根據(jù)國(guó)標(biāo)NY/T635-2002計(jì)算，將綿羊定義為家畜羊單位，將其他牲畜轉(zhuǎn)化為羊單位，其中瑪納斯縣實(shí)有載畜量為87.03萬（羊單位），沙灣市實(shí)有載畜量為113.73萬（羊單位），沙灣市實(shí)有載畜量為102.97萬（羊單位）。

5.計(jì)算載畜平衡指數(shù)。根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，3個(gè)縣市的合理羊單位牲畜量和實(shí)際羊單位牲畜量，根據(jù)草畜平衡計(jì)算公式，定性分析3個(gè)縣市的載畜平衡狀況。

結(jié)果表明，呼圖壁縣草畜平衡指數(shù)為38.5%，瑪納斯縣草畜平衡指數(shù)為1.6%，沙灣縣草畜平衡指數(shù)為24.5%。從結(jié)果可以看出，瑪納斯縣載畜為草畜平衡，沙灣縣有輕度超載，呼圖壁縣超載嚴(yán)重。

三、結(jié)論

本研究利用研究區(qū)GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采用“3S”技術(shù)，以草地為監(jiān)測(cè)對(duì)象，構(gòu)建了遙感觀測(cè)（植被指數(shù)）與地面觀測(cè)（樣方生產(chǎn)力）之間的多種牧草產(chǎn)量模型，并對(duì)整個(gè)研究區(qū)牧草產(chǎn)量進(jìn)行反演，計(jì)算草地載畜量，對(duì)研究區(qū)所在的3個(gè)縣市載畜能力進(jìn)行定性分析，結(jié)果如下。

表2 研究區(qū)草地實(shí)際載畜量

表3 研究區(qū)草畜平衡指數(shù)

1.利用研究區(qū)2014年地面樣方鮮草質(zhì)量數(shù)據(jù)與影像上對(duì)應(yīng)的NDVI值之間的關(guān)系建立了線性、多項(xiàng)式、冪函數(shù)估算模型，結(jié)果表明，鮮草重與NDVI呈極顯著正相關(guān)。因此，利用NDVI構(gòu)建的牧草產(chǎn)量模型可行。

2.利用牧草產(chǎn)量模型對(duì)整個(gè)研究區(qū)牧草產(chǎn)量進(jìn)行反演，經(jīng)過精度驗(yàn)證，冪函數(shù)模型y=1546.1x1.9466的反演精度最高，冪函數(shù)模型可作為估測(cè)牧草產(chǎn)量的最佳模型。

3.在知道牧草產(chǎn)量和不同草地類型利用率、牲畜日食量、放牧天數(shù)數(shù)據(jù)的情況下計(jì)算3個(gè)縣市合理載畜量。其中，瑪納斯縣合理載畜量為85.62萬（羊單位），沙灣市合理載畜量為91.33萬（羊單位），呼圖壁縣合理載畜量為74.35萬（羊單位）。

4.通過2014年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒獲取3個(gè)縣市食草性動(dòng)物數(shù)據(jù)，再將其換算成羊單位數(shù)據(jù)，得到3個(gè)縣市的實(shí)際載畜量，瑪納斯縣實(shí)際載畜量為87.03萬（羊單位），沙灣市實(shí)際載畜量為113.73萬（羊單位），呼圖壁縣實(shí)際載畜量為102.97萬（羊單位）。

5.利用合理載畜量和實(shí)際載畜量計(jì)算草畜平衡指數(shù)，根據(jù)定性分析，瑪納斯縣草畜平衡，沙灣縣超載，呼圖壁縣重度超載。

四、討論

已有部分研究利用遙感技術(shù)對(duì)瑪納斯河流域草畜平衡情況進(jìn)行分析，文章通過使用我國(guó)自主研發(fā)的GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行草畜平衡分析研究，效果好，說明GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)可應(yīng)用到農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域。