新疆天然草地地上生物量的便捷估測技術(shù)研究

摘要：準(zhǔn)確估測天然草地地上生物量對草地凈生產(chǎn)力與草地生態(tài)系統(tǒng)管理至關(guān)重要。本研究選取了新疆北疆離河不同距離的天然草地4個樣地 ，南疆圍欄內(nèi)外2個樣地 、不同海拔高度3個樣地 為調(diào)查樣地。利用一種簡易的測量板，量取測量板壓力下的群落高度，建立群落高度與地上生物量之間的回歸模型估測地上生物量，通過估測精度確定最優(yōu)估測模型，并對實測生物量與估測生物量進行差異顯著性檢驗驗證模型的精確性。結(jié)果表明：北疆離河不同距離天然草地的最優(yōu)估測模型為樣地 的估測模型 y = 2 . 1 4 1 8 x - 0 . 1 9 8 6 ， ，估測精度達 9 7 . 7 9 % ;南疆圍欄內(nèi)外的最優(yōu)估測模型為樣地 的估測模型 0.741，精度為 8 6 . 7 8 % ；不同海拔高度的最優(yōu)估測模型為樣地 的估測模型 ，精度達 9 2 . 2 9 % 。結(jié)論：利用簡易測量板可便捷地估測出新疆天然草地的地上生物量。

中圖分類號：S812 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0435（2025）04-1308-08

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2025.04.032

Abstract：Accurate estimation of aboveground biomass in natural grasslands is crucial for assessing net productivity and managing grassland ecosystems. This study selected four sample plts of natural grasslands at different distances from rivers in northern Xinjiang，two sample plots inside and outside fences in southern Xinjiang，and three sample plots at different altitudes as investigation sites.A simple measurement board was used to measure the community height under its pressre，and a regression model between community height and aboveground biomass was established to estimate the aboveground biomass.The optimal estimation model was determined based on estimation accuracy，and the significance of differences between measured and estimated biomass was tested to verify the model's accuracy.The results showed that the optimal estimation model for natural grasslands at diffrent distances from rivers in northern Xinjiang was the model of plot ： y = 2 . 1 4 1 8 x - 0 . 1 9 8 1 6， ，with an estimation accuracy of 9 7 . 7 9 % ； the optimal estimation model for plots inside and outside fences in southern Xinjiang was the model of plot ， ，with an accuracy of 8 6 . 7 8 % ； and the optimal estimation model for plots at different altitudes was the model of plot . ： 1 4 9 2 x + 1 . 7 3 4 2 ，with an accuracy of 9 2 . 2 9 % .Conclusion： The aboveground biomass of natural grasslands in Xinjiang can be conveniently estimated using a simple measurement board.

Key words： Xinjiang natural grassand；Aboveground biomass of grassland；Estimation technology research； Estimation accuracy

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的重要組成部分，也是發(fā)展畜牧業(yè)、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。新疆天然草地是我國天然草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在生物多樣性保護和畜牧業(yè)經(jīng)濟中發(fā)揮著關(guān)鍵作用4。近幾十年來，隨著人口的膨脹，隨之而來家畜數(shù)量的大幅增長，新疆的天然草地已經(jīng)不堪重負(fù)，日趨退化，環(huán)境安全和生態(tài)保育面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。因此，研究新疆天然草地現(xiàn)狀、草地地上生物量等，可以有效地衡量草地生產(chǎn)功能，是草地利用決策和資源管理的基礎(chǔ)，對修復(fù)退化天然草地有重要意義[5-6]。

無論是天然草地還是人工草地，評估地上生物量是了解該草地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[，但對草地生物量進行定量、準(zhǔn)確、簡單、快速地測量仍然是一個世界性的問題，并且沒有足夠的研究。目前，草地地上生物量的調(diào)查方法依據(jù)主要的測量數(shù)據(jù)，可將草地地上生物量的測量方法粗略分為兩種。一種是破壞性測量，即傳統(tǒng)的人工刈割測量。在許多地區(qū)，傳統(tǒng)的調(diào)查方式需要高額的成本和大量的勞動力，且面臨著嚴(yán)峻危險的地形結(jié)構(gòu)，使得調(diào)查周期長，所得的數(shù)據(jù)不具有時效性和準(zhǔn)確性，導(dǎo)致某些工作的預(yù)測值不準(zhǔn)確而造成相應(yīng)的誤差8。另一種即非破壞性測量，主要是通過前期探究草地生物量與氣候因子9植被特征、遙感影像1提取的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立可靠的數(shù)學(xué)模型后，通過直接觀察測量這些外部數(shù)據(jù)間接地估測草地的地上生物量。通過氣候因子、植被特征、遙感影像所得出的數(shù)理模型估測，精度較低且適用范圍窄，比如通過植被特征的模型估測，李文等[11]的結(jié)果表明該測量工具對于草地蓋度在 40 % 以上的草層可實現(xiàn)準(zhǔn)確快速地測量，不能廣泛適用于各種草地。遙感技術(shù)估測生物量是通過實測生物量與遙感檢測的植被指數(shù)之間建立估測模型，可以更好地與實測生物量數(shù)據(jù)相匹配得出估測生物量[12-13]。由于遙感監(jiān)測中使用的每種植被指數(shù)都有其自身的局限性，并且衛(wèi)星影像與實際采集樣方間存在大小差異，有些細(xì)節(jié)特征還不能突顯[14]，因此探究出快速、準(zhǔn)確、無破壞性的地上生物量估測方法顯得尤為重要[15-17]。

草地地上生物量的調(diào)查方法，無論是遙感監(jiān)測或傳統(tǒng)的人工劉割測量都具有相應(yīng)的優(yōu)缺點。為了改善和彌補上述兩種調(diào)查方法的不足，本研究以新疆南北疆圍欄內(nèi)外、不同海拔高度、沿河不同距離的天然草地為研究樣地，設(shè)計了一種直徑為 的圓形鋁塑板簡易測量方法，試圖利用這種簡易的測量板，通過建立測量板下草地植物群落高度與實測地上生物量之間的關(guān)系模型，利用估測精度確定地上生物量的最優(yōu)估測模型，探究一種可以便捷地估測天然草地地上生物量的方法，不僅使調(diào)查方法快速、準(zhǔn)確、無破壞，并且為新疆天然草地地上生物量的便捷估測提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地設(shè)置

本研究野外調(diào)查在新疆維吾爾自治區(qū)北疆和南疆的天然草地內(nèi)進行。

北疆的研究樣地位于巴音郭楞蒙古自治州和靜縣阿拉溝鄉(xiāng)烏拉斯臺村的夏季牧場 ，海拔 。研究區(qū)屬典型的中溫帶干旱荒漠氣候，多年平均降水 ，多年平均氣溫 ，土壤以棕漠土為主。研究區(qū)草地植被主要植物種有結(jié)縷草（Zoysiajaponica）銀背委陵菜（Potentillaargentea）輪葉鼠尾草（Salviajaponica）披堿草（Elymusdahuricus）、冷蒿（Artemisia frigida）、狗牙根（Cynodon dacty-Lon）等。野外取樣調(diào)查在烏拉斯臺村夏季牧場內(nèi)距離烏拉斯臺河不同距離的4個區(qū)域內(nèi)進行，分別設(shè)置了離河 的樣地 、離河 的樣地 、離河 的樣地 離河 的樣地 。

南疆的研究樣地位于克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣闊克莫依諾克套村的天然夏季牧場 。屬中溫帶干旱沙漠氣候[18]，多年平均降水量 ，降水主要集中在5一8月，本調(diào)查樣地土壤屬于草甸土。植被類型主要為溫帶荒漠植被，區(qū)域內(nèi)無高大喬木，主要生長有怪柳（Tamarixchinensis）、梭梭（Haloxylonammodendron）、鹽爪爪（Kalidiumfoliatum）花花柴（Kareliniacaspia）、芨芨草（Achnatherumsplendens）等，植被覆蓋率較低[19]。本研究在上述夏季牧場中選取圍欄內(nèi)外（用樣地 和樣地 表示）和3個不同海拔高度（海拔高度 為樣地 、海拔高度 為樣地 、海拔高度 為樣地 ）的天然草地進行了野外調(diào)查。

1.2 研究方法

1.2.1草地調(diào)查時間與方法北疆野外調(diào)查于

2022年7月28日—30日進行，南疆野外調(diào)查于2023年8月3日—7日進行。采用直徑為 、重量為199.5g的圓形鋁塑材質(zhì)測量板進行樣方法調(diào)查，樣方面積約為 。利用這個測量板在上述北疆離河不同距離的4個樣地和南疆圍欄內(nèi)外的2個樣地及不同海拔高度的3個樣地內(nèi)進行隨機取樣調(diào)查。將上述測量板輕輕地放在草層上方，測量自然重力壓置下群落的高度，每個樣方測量4次，取平均值作為測量板下的群落高度，然后將測量板下的植物地上部分齊地面劉割，自然風(fēng)干后稱重得到實測地上生物量。北疆每個樣地選取11個樣方，南疆每個樣地選取20個樣方進行了調(diào)查取樣。

1.2.2數(shù)據(jù)解析方法本研究利用決定系數(shù) 、總相對誤差RS、平均相對誤差絕對值RMA、估測精度 P 等確定最優(yōu)模型[20]。

（1）決定系數(shù)

表示相關(guān)性程度的大小，決定系數(shù)越高，板下的群落高度與實測地上生物量之間相關(guān)程度越高。

（2）總相對誤差（RS）和平均相對誤差絕對值（RMA）

平均相對誤差絕對值 100 % （204號

式中， 是實測值， 是估測值， n 表示樣本數(shù)。本研究北疆4個樣地的 n 均為11，南疆5個樣地 n 均為

（3）估測精度 （ P ）

P 表示估測值與實測值之間的吻合程度， P 值一般要大于 70 % ，估測精度越大，說明估測值與實測值之間越吻合[21-22]

式中， 為置信水平 α 時的 t 分布值， T 為回歸模型中的參數(shù)個數(shù)， 是平均估測值。

（4）數(shù)據(jù)分析

通過Excel數(shù)據(jù)處理作圖，通過SPSS進行相關(guān)性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1北疆離河不同距離天然草地群落地上生物量估測

在北疆離河不同距離的天然草地中，利用測量板測得的群落高度與測量板下植物地上生物量之間的關(guān)系進行分析。結(jié)果如圖1a-1d所示，4個樣地 和 的群落高度與地上生物量之間均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（ ，決定系數(shù) 在0.899以上。

由表1可知，利用樣地 的群落高度與地上生物量之間關(guān)系的線性模型估測樣地 和 的地上生物量。然后，用樣地 的群落高度與地上生物量之間關(guān)系的線性模型估測樣地 和 的地上生物量，以此類推。其中利用樣地 的線性模型y = 2 . 1 4 1 8 x - 0 . 1 9 8 6 ，把樣地 、樣地 和樣地 的平均群落高度數(shù)據(jù)代入線性模型估測得到的地上生物量與實測生物量相關(guān)性最好， 值在0.899以上，3個線性模型的總相對誤差均小于 10 % ，平均相對誤差絕對值均小于 30 % ，滿足誤差要求，估測精度在 9 6 . 1 4 % ～ 9 7 . 7 9 % 之間（表1）。

利用 的線性模型估測樣地 和 的地上生物量（表2），把樣地 和 的平均高度數(shù)據(jù)代入線性模型估測得到的地上生物量與實測生物量相關(guān)性好， 值在0.905以上，3個線性模型的總相對誤差均小于 10 % ，平均相對誤差絕對值均小于30 % ，滿足誤差要求，估測精度在 9 5 . 0 8 % ～ 9 7 . 1 2 % 之間。

利用 的線性模型估測樣地 和 的地上生物量，利用 的線性模型估測樣地 和 的地上生物量，估測精度相對較低，估測精度分別在8 1 . 8 6 % ～ 9 3 . 9 9 % 和 7 5 . 9 5 % ～ 9 7 . 2 7 % 之間。

通過上述分析得出，北疆離河不同距離的天然草地的最優(yōu)估測模型為樣地 的估測模型 y = 2 . 1 4 1 8 x - 0 . 1 9 8 6 0

2.2新疆南疆天然草地地上生物量估測

2.2.1新疆南疆圍欄內(nèi)外天然草地地上生物量估測南疆圍欄內(nèi)外的草地群落中，利用測量板測得的群落高度與地上生物量之間的關(guān)系用圖2表示。從圖2a-2b中可以看出，樣地 和樣地 的群落高度與地上生物量也均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系中 ， 值在0.741以上。因此，分別利用上述建立的樣地 和樣地 的線性模型，互相進行地上生物量的估測，其中樣地 的線性模型 y = 2 . 7 2 8 6 x + 0 . 6 1 8 9 估測樣地 ，總相對誤差為- 1 0 . 2 7 % ，平均相對誤差絕對值為 2 7 . 3 4 % ，基本滿足預(yù)定的誤差要求，估算精度為 8 6 . 7 8 % （表3），而利用樣地 的線性模型估測樣地 的地上生物量，其估測精度為 8 3 . 7 0 % ，但總相對誤差和平均相對誤差絕對值均不滿足誤差要求（表3）。

表2利用樣地 的估測模型估測 和 樣地地上生物量

注：（a）代表樣地 ；（b）代表樣地 （204號 Note：（a）representsplot ；（b）representsplot

2.2.2新疆南疆不同海拔天然草地地上生物量估測在南疆不同海拔的草地群落中，對利用測量板測得的群落高度與地上生物量之間的關(guān)系進行了分析，具體如圖3a-3c。樣地 和 的群落高度與地上生物量仍均呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)關(guān)系（ P lt; 0.01），且3個樣地的決定系數(shù) 均超過0.741。首先利用樣地 的線性模型估測樣地 和樣地 的地上生物量，總相對誤差小于 10 % ，平均相對誤差絕對值小于 30 % ，均滿足誤差要求，估測精度分別達到91. 9 7 % 和 9 2 . 2 9 % （表4）。此外，利用 和 的線性模型估測其他樣地時，估測精度也在8 9 . 3 9 % ～ 9 2 . 1 7 % 之間（表5和表6）。其中利用樣地 的線性模型 y = 2 . 1 4 9 2 x + 1 . 7 3 4 2 ，把樣地 和 的平均高度數(shù)據(jù)代入線性模型估測得到的地上生物量與實測生物量相關(guān)性最好， 值在0.806以上（表4），估測精度最高。

因此，南疆不同海拔高度天然草地的最優(yōu)估測模型為樣地 的估測模型 y = 2 . 1 4 9 2 x + 1 . 7 3 4 2

最后，對上述分析得到的精確度最高的估測模型進行差異顯著性檢驗，結(jié)果如表7所示。 P 值均大于0.05，實測值與估測值之間均沒有顯著性差異。因此，把 的線性模型 y = 2 . 1 4 1 8 x - 0.1986，確定為北疆不同離河距離地上生物量估測的最優(yōu)模型；把 的線性模型 0.6189，確定為南疆圍欄內(nèi)外地上生物量估測的最優(yōu)模型；把 的線性模型 y = 2 . 1 4 9 2 x + 1 . 7 3 4 2 確定為南疆不同海拔高度地上生物量估測的最優(yōu)模型。

3討論

為了更好地監(jiān)測和開發(fā)利用新疆天然草地資源，確定合理的載畜量，本研究利用簡易測量板，簡化地上生物量的估測方法，為提高估測草地地上生物量的效率和精準(zhǔn)度提供了新思路與新方法。

3.1簡易測量板的利用

梁衛(wèi)衛(wèi)[23]利用兩種不同材質(zhì)（鋁塑板和高分子板）、不同形狀規(guī)格的測量板包括：圓形測量板直徑分別為 ， ， ， ， 五種規(guī)格，正方形測量板邊長分別為 ， 四種規(guī)格。在白三葉人工草地進行調(diào)查研究，建立測量板下群落高度與生物量之間的線性模型估測地上生物量，結(jié)果表明白三葉人工草地地上生物量預(yù)測精度最佳的測量板為直徑 ，重量 的鋁塑板。王玉霞等24在對以白三葉為優(yōu)勢植物種的人工草地群落地上生物量簡易估測時，高分子板的決定系數(shù)平均值為0.48，鋁塑板的決定系數(shù)平均值為0.56，且鋁塑板 值最大為0.68，高分子板最大為0.60，使用鋁塑板比高分子板具有較高的可靠性。測量板的選擇在不同類型草地的地上生物量估測顯得尤為重要，在植被密集整齊單一的人工草地或天然草地，應(yīng)采用較重的測量板，如鋁塑材質(zhì)測量板，得到的估測精度較高[17]，而草地植被稀疏、種類組成多樣時建議采用較輕的測量板，如高分子材質(zhì)測量板。本研究借鑒梁衛(wèi)衛(wèi)23和王玉霞等[24-25]的方法，在前期預(yù)試驗的基礎(chǔ)上利用直徑 ，重量 的鋁塑板，以新疆南北疆天然草地為研究對象，探究測量板下群落高度與草地地上生物量之間的關(guān)系，建立測量板下群落高度與草地地上生物量的線性模型，表明它們之間均存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系（ 值在 之間， ，利用這個測量板對新疆南北疆的天然草地地上生物量進行了估測，確定了新疆南北疆不同生境條件、不同利用方式、不同海拔高度的天然草地地上生物量估測的最優(yōu)估測模型。

本研究利用測量板重力作用下，由草層可支撐測量板高度來估測草地地上生物量。值得注意的是放置測量板時，盡量選擇地面平坦的位置，將測量板輕輕地放置在草層上方，當(dāng)測量板在草層的支撐下穩(wěn)定后，再測量板下的群落高度。

3.2估測模型與估測精度

本研究利用測量板下群落高度推測地上生物量，僅建立了高度與地上生物量之間關(guān)系的線性模型推測地上生物量，精度達到 8 6 . 7 8 % ～ 9 7 . 7 9 % 如果高度與地上生物量之間的關(guān)系利用線性模型之外的更為復(fù)雜的模型，估測精度可能會發(fā)生變化，作為進一步研究的課題。本研究以不同海拔高度的樣地為例，利用了 值最高的模型，為冪函數(shù)模型和多項式模型，對其他樣地進行估測發(fā)現(xiàn)，估測的精度在一些樣地會有增高的現(xiàn)象，但是也存在降低的情況。線性模型的估測精度為 8 9 . 3 9 % ～ 9 2 . 2 9 % ，而利用其他模型估測的精度為 8 2 . 8 8 % ＼～9 2 . 4 0 % （本文圖表中未列出），因此本研究選擇形式最簡單的線性模型可以更好地估測地上生物量。

Chen等2通過利用植物群落蓋度 x 高度與地上生物量之間建立線性模型，推測白三葉與梯牧草混播試驗中白三葉的地上生物量，顯示了很高的精度，決定系數(shù) 在 之間。本研究利用簡易測量板，于新疆不同類型天然草地（離河不同距離、圍欄內(nèi)外和不同海拔高度）作為調(diào)查樣地，利用直徑為 圓形鋁塑板，通過建立測量板重力下群落高度與地上生物量之間關(guān)系的線性方程，利用該線性方程進行草地地上生物量的估測并通過分析檢驗篩選出最優(yōu)估測模型。得到測量板下高度與地上生物量之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系（ ，這與Chen等[26]、姜峻等[27]、黃小娟和侯扶江[28的研究結(jié)論一致，只是本研究沒有利用蓋度指標(biāo)，而僅用高度和地上生物量的關(guān)系，可以精確推測地上生物量，原因可能是測量板重力的作用，綜合了草地群落中植物種的數(shù)量、蓋度、株高、莖稈粗細(xì)等的作用，相當(dāng)于體積推測生物量，從而提高了估測的精準(zhǔn)性，這是本研究的重要創(chuàng)新點。既簡化了試驗過程，也提高了估測精度。表明測量板的應(yīng)用可以顯著提高生物量估測的精準(zhǔn)性。

3.3本研究估測模型是否具有通用性

通過上述研究發(fā)現(xiàn)利用測量板對新疆南北疆不同生境、不同利用方式、不同海拔高度的天然草地的地上生物量進行估測時，得到的最優(yōu)模型各不相同，不同類型的天然草地利用各自的線性模型能夠很好的以較高精度對地上生物量進行估測，但是它們相互估測時，存在估測精度、總相對誤差（Relativestandarderror，RS）和平均相對誤差絕對值（Meanrelativeerror，RMA）不符合的現(xiàn)象，即使?jié)M足總相對誤差（RS）和平均相對誤差絕對值（RMA）條件，估測精度也明顯降低。楊爍[29]對于楊陵畧荒草地、關(guān)山草原和渭南草甸草地3種不同類型草地測量板下群落高度與地上生物量之間關(guān)系的線性模型進行兩兩相互驗證時得出，估測精度大部分比自身進行估測降低了 6 . 2 2 % ～ 1 9 . 1 2 % 僅有部分比自身估測高出 1 . 1 5 % ，與本研究結(jié)果一致。

本研究分析還發(fā)現(xiàn)，如果對平均群落高度接近的樣地的線性模型之間相互進行地上生物量的估測，如樣地 和 的平均群落高度分別為 ，樣地 和 的平均群落高度分別為 和 ，樣地 ， 和 的平均群落高度分別為 中 ， ，因此把群落高度相近樣地進行分組，其中 和 群落高度接近，為一組； 和 的平均群落高度接近，為一組；樣地 和 的平均群落高度接近，為一組，這樣進行估測時，估測精度總體均保持較高水平，不同分組下的精度范圍分別為 9 3 . 9 9 % ～ 9 6 . 1 4 % ， 8 0 . 4 6 % ～ 9 7 . 2 4 % 8 9 . 3 9 % ～ 9 2 . 2 9 % ，說明對不同類型草地進行地上生物量估測時，運用群落高度接近的線性模型可提高估測精度。

因此，本研究得出的估測模型雖然各不相同，但是利用測量板估測新疆不同區(qū)域不同類型天然草地地上生物量的方法是通用的，而且精準(zhǔn)便捷高效。

4結(jié)論

的線性模型 y = 2 . 1 4 1 8 x - 0 . 1 9 8 6 為北疆不同離河距離天然草地地上生物量估測的最優(yōu)模型，估測精度為 9 7 . 7 9 % 的線性模型 0.6189為南疆圍欄內(nèi)外天然草地地上生物量估測的最優(yōu)模型，估測精度為 8 6 . 7 8 % 的線性模型y = 2 . 1 4 9 2 x + 1 . 7 3 4 2 為南疆不同海拔高度天然草地地上生物量估測的最優(yōu)模型，估測精度為9 2 . 2 9 % 。本研究的結(jié)論可為精確估測新疆天然草地地上生物量提供理論依據(jù)，同時也為草地管理和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

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（責(zé)任編輯 劉婷婷）