蘇日娜，俎佳星，金花，朝魯孟其其格，王志軍，查木哈，那亞，李俊清*

1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3. 內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100051；4. 赤峰市環(huán)境監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；5. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

內(nèi)蒙古草地生產(chǎn)力及載畜量變化分析

蘇日娜1，俎佳星2，金花3，朝魯孟其其格3，王志軍3，查木哈4，那亞5，李俊清1*

1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3. 內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 100051；4. 赤峰市環(huán)境監(jiān)測中心站，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；5. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018

草地生產(chǎn)力和載畜量歷來是草地生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點問題，但多年來的研究成果卻未能有效地揭示草畜供求關(guān)系。以內(nèi)蒙古3個植被類型（草甸草原、典型草原、荒漠草原）為研究對象，基于MODIS遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用光能利用率模型（CASA模型）和連續(xù)3年（2011—2013年）大量成對（圍欄和放牧）的野外樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了不同類型草地凈初級生產(chǎn)力（NPP）、牧草利用率及超載情況。結(jié)果表明：（1）2011—2013年內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原NPP平均值分別為122、116.2和39.3 g?m-2?a-1；（2）2011—2013年內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原利用率分別為41.28%、40.38%、38.05%；（3）2011年3種類型草地均過度放牧，超載率分別為43.59%、44.95%和75.92%，2012年草甸草原和荒漠草原過度放牧，超載率為1.21%、57.53%，2013年荒漠草原過度放牧，超載率為57.38%，而2012年典型草原，2013年草甸草原和典型草原與理論載畜量相比尚有127.4、1158.82、392.33萬羊單位潛力，可持續(xù)放牧。因此，在內(nèi)蒙古草原牧場放牧管理時，應(yīng)結(jié)合不同類型草地和降水條件，在荒漠草原及干旱年份適當(dāng)減少載畜量從而實現(xiàn)草畜動態(tài)平衡。研究結(jié)果可為草地放牧管理決策提供參考依據(jù)。

內(nèi)蒙古；植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）；牧草利用率；理論載畜量；超載量

草地是全球分布面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，約占陸地面積的三分之一（任海彥等，2009；Eldridge et al.，2015）。草地具有重要的生態(tài)和社會功能，為人類提供了許多產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)（趙同謙等，2004；Sasaki et al.，2009）。植物凈初級生產(chǎn)力（NPP）是反映草地功能的重要指標(biāo)，決定了生態(tài)系統(tǒng)的基本功能，有助于畜牧業(yè)管理及動植物資源的可持續(xù)利用，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩溫室效應(yīng)以及維護(hù)全球氣候穩(wěn)定等全球熱點問題研究方面具有重要作用（Mu et al.，2013；李剛等，2008；Gao et al.，2013）。草地也是受人類活動影響最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，人類活動干擾特別是長期過度放牧使草地資源在質(zhì)和量上都出現(xiàn)明顯的下降（張雙陽，2010；楊婧等，2014），導(dǎo)致草原退化、沙化、鹽漬化面積逐年增加，生態(tài)環(huán)境令人擔(dān)憂（Diaz et al.，2007）。據(jù)統(tǒng)計，73%的干旱、半干旱生態(tài)系統(tǒng)由于長期過度放牧發(fā)生了不同程度的退化（Reynolds et al.，2002；Wan et al.，2015）。內(nèi)蒙古是歐亞大陸草原的重要組成部分，也是比較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，常處于波動的變化之中，由于中國草地畜牧業(yè)的發(fā)展長期以增加家畜頭數(shù)為最大目標(biāo)，長期的過度放牧導(dǎo)致約90%的天然草原出現(xiàn)不同程度的退化，其中嚴(yán)重退化草地占60%以上（Bai et al.，2012）。同時，大量的研究表明，過度放牧是引起天然草地退化最直接的、起主導(dǎo)作用的因素之一（楊浩等，2009；Sch?nbach et al.，2011）。因此，深入理解不同類型草地生產(chǎn)力和載畜量的供求關(guān)系對草地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，利用CASA（Carnegie Ames Stanford Approach）模型估算草地凈初級生產(chǎn)力已成為目前植被NPP研究的主要方法，從而對植被NPP估算結(jié)果的驗證也成為遙感模型中必不可缺少的組成部分（Li et al.，2012；Zhang et al.，2013）。近年來很多研究者對利用CASA模型估算草地凈初級生產(chǎn)力的研究做過許多工作，其中主要包括凈初級生產(chǎn)力與氣候的關(guān)系、土地利用的關(guān)系和時空變化等（穆少杰等，2013；韓艷飛等，2014；楊紅飛等，2014；Li et al.，2015），但是如何在大尺度上進(jìn)行估產(chǎn)模型的驗證則是遙感反演模型應(yīng)用的難點，而且從載畜量的角度出發(fā)，通過計算不同類型草地利用率分析超載率的研究較少。鑒于此，以內(nèi)蒙古3個植被類型（草甸草原、典型草原、荒漠草原）為研究對象，基于連續(xù)3年（2011—2013年）的大量成對（圍欄和放牧）的野外樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用CASA模型模擬不同類型草地凈初級生產(chǎn)力，分析牧草利用率，研究內(nèi)蒙古草地生產(chǎn)力與載畜量時空動態(tài)平衡，探討內(nèi)蒙古天然草地放牧生態(tài)系統(tǒng)管理策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)位于內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)（37.4°~ 53.38°N，97.2°~126.07°E），總面積約1.18×106km2，屬典型的中溫帶大陸性氣候，具有降水少且分布不均、熱量偏低、無霜期短、寒暑變化劇烈的顯著特征。年降水為50~450 mm，且70%~80%的降水發(fā)生在生長季5—8月。年平均氣溫為0~8 ℃，氣候自東向西由濕潤、半濕潤區(qū)逐步過渡到半干旱、干旱區(qū)，相應(yīng)地，草原類型（圖1）也自東向西劃分為草甸草原、典型草原及荒漠草原，土壤類型依次為黑鈣土、棕鈣土、沙壤土（中國科學(xué)院內(nèi)蒙古寧夏綜合考察隊，1985）。

本研究包括了內(nèi)蒙古草原3個主要植被類型：草甸草原、典型草原和荒漠草原。草甸草原位于內(nèi)蒙古東部，典型的物種包括貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、羊草（Leymus chinensis）、線葉菊（Filifolium sibiricum）、腳苔草（Carex pediformis）、地榆（Sanguisorba officinalis）。典型草原位于內(nèi)蒙古草原中部，主要建群種有大針茅（Stipa grandis）、克氏針茅（Stipa krylovii）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、冷蒿（Artemisia frigida）和亞洲百里香（Artemisia frigida）?；哪菰植荚趦?nèi)蒙古的西部，主要建群植物有小針茅（Stipa klemenzii）、沙生針茅（Stipa caucasica）和多根蔥（Allium polyrhizum）（Chen et al.，2015）。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA/ EOS LPDAAC）數(shù)據(jù)分發(fā)中心2011—2013年MODIS產(chǎn)品MOD13A3數(shù)據(jù)集（https://ladsweb. nascom.nasa.gov/data/search.html)，時間分辨率為月，空間分辨率為1 km，時間序列為1—12月。利用MODIS網(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT（MODIS Reprojection Tools）對該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、拼接處理。并利用內(nèi)蒙古行政區(qū)劃圖裁剪出內(nèi)蒙古地區(qū)2011—2013年逐月柵格圖像。

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.nmic.cn/home.do）提供的2011—2013年內(nèi)蒙古及周邊8個省的標(biāo)準(zhǔn)氣象站點的逐月氣溫、降水和太陽總輻射數(shù)據(jù)。根據(jù)各氣象站點的經(jīng)緯度信息，采用ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging空間插值，獲取與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象數(shù)據(jù)柵格圖像。通過數(shù)據(jù)掩膜，裁剪出內(nèi)蒙古地區(qū)逐月氣象因子（月平均溫度、月降水量、月太陽總輻射）柵格數(shù)據(jù)集。利用比例尺為1∶10000000的矢量格式的2000年內(nèi)蒙古植被圖，通過歸類合并，將內(nèi)蒙古的植被分為3類（草甸草原、典型草原和荒漠草原），并將矢量圖轉(zhuǎn)化成1 km空間分辨率、經(jīng)緯網(wǎng)投影的柵格圖層，以與其他數(shù)據(jù)匹配。

1.3 研究方法

1.3.1 草地生產(chǎn)力的估算

1.3.1.1 NPP估算模型

CASA模型是一種光能利用率模型，該模型通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供的NDVI估算太陽輻射中被植被吸收的光合有效輻射（APAR），并結(jié)合植被對太陽光能的利用率（ε）來模擬植被干物質(zhì)的增加量（NPP）。主要由遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽輻射以及植被類型等因子共同驅(qū)動。NPP是植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與光能的利用率（ε）兩個變量的函數(shù)：

式中，t表示時間；x表示某時間點所測的空間位置；SOL(x, t)為t時間在像元x處的太陽總輻射量；FPAR(x, t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0.5為植被所能利用的太陽有效輻射，即光合有效輻射（波長范圍0.4~0.7 μm）占太陽總輻射的比例。在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)PAR與NDVI線性相關(guān)，不同植被類型的NDVI最大值和最小值不同，具體值參考文獻(xiàn)（穆少杰等，2013；朱文泉等，2007）；Tε1(x, t)和Tε2(x, t)表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用；Wε(x, t)為水分脅迫影響系數(shù)，反映水分條件的影響；εmax是理想條件下的最大光能利用率0.389 g?MJ-1（穆少杰等，2013）。由于內(nèi)蒙古植物生長季比較短，4月底開始返青，9月底枯黃，因此，計算了生長期（5—8月）草地NPP。

1.3.2 實驗設(shè)計和野外采樣方法

依據(jù)植被類型和群落組成的空間分布，在內(nèi)蒙古退牧還草項目區(qū)共設(shè)置了250對（放牧和圍封）樣地，包括草甸草原63對，典型草原148對，荒漠草原39對（圖1）。每對樣地相鄰但分別位于對比的圍欄內(nèi)和自由放牧區(qū)。所有的圍封樣地均用鐵絲網(wǎng)圍起，基本無人畜干擾；放牧樣地為長期自由放牧。2011—2013年每年8月15—30日在圍封和放牧區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個1 m×1 m的樣方，調(diào)查蓋度、高度、物種豐富度和地上生物量。采用目測法確定群落蓋度；用直尺測量植物自然高度；物種豐富度采用計數(shù)法測定，記錄優(yōu)勢物種種名，并將植株地上部分齊地面剪取，稱取鮮重后分袋保存，帶回實驗室后置于60 ℃烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量（約48 h），獲得干質(zhì)量。

1.3.3 草地利用率和理論載畜量估算方法

草地利用率是草地合理利用的重要內(nèi)容，既可以作為放牧策略用以確定載畜量，也可以作為放牧技術(shù)用于根據(jù)環(huán)境條件變化和牧草產(chǎn)量來調(diào)整放牧率（徐敏云等，2014）。

根據(jù)概念：

草地利用率=被采食的牧草生物量/牧草總生物量×100% （2）

本研究中的草地利用率由圍封和放牧區(qū)隨機(jī)選取的成對樣地進(jìn)行計算獲得，公式中牧草總生物量為8月份圍欄內(nèi)樣地的牧草總生物量，被采食的牧草生物量為自由放牧樣地的牧草總生物量。

理論載畜量是指在一定的放牧?xí)r間內(nèi)，在一定的草地面積上，保證草地植被及家畜正常生長發(fā)育的前提下所能容納的牲畜數(shù)量（王瑞杰等，2011）根據(jù)可食牧草的年產(chǎn)量及利用率，按照放牧家畜（以綿羊為單位）年需草量計算出的可能飼養(yǎng)牲畜數(shù)量。理論載畜量通常用以下公式計算（方精云等，1996；蘇大學(xué)等，2003）：

式中，A為某一種草地類型的理論載畜量；Bi為i種草地類型可利用面積；NPP為草地凈初級生產(chǎn)力；Ci為i種草地類型牧草地上生物量占總生物量的比例；Di為i種草地牧草利用率；E為綿羊日食量；0.45為植物以碳形式植物生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；365表示草地利用放牧天數(shù)。在計算中，NPP主要為利用光能利用率模型計算的結(jié)果。比例系數(shù)Ci主要利用樸世龍等（2004）（表1）總結(jié)出的不同草地類型的地下與地上部分生物量比例系數(shù)進(jìn)行計算，得到3種草地類型的地上生物量占總生物量的比例。在本文中，不同類型草原利用率Di利用內(nèi)蒙古退牧還草項目區(qū)250對（圍封和放牧）樣地進(jìn)行計算。每羊單位日食量按2 kg干草計算。

超載率的計算公式如下：

圖1 內(nèi)蒙古野外樣地分布圖Fig. 1 Location map of the study sites in Inner Mongolia grasslands

表1 不同草地類型的地下與地上生物量比例Table 1 The ratio of belowground to aboveground biomass for different vegetation types

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗證

NPP受環(huán)境因子的影響較大，不同年份間存在年際波動，地面實時測量數(shù)據(jù)是NPP模型估算結(jié)果驗證的最佳數(shù)據(jù)。本文利用2011—2013年內(nèi)蒙古不同草地類型（草甸草原、典型草原、荒漠草原）250個圍封樣地的地上生物量（風(fēng)干質(zhì)量）的樣方數(shù)據(jù)，計算地面實測凈初級生產(chǎn)力（NPPobserved），且利用實測數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)，對應(yīng)提取基于CASA模型模擬估測的凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)（NPPsimulated），然后進(jìn)行精度驗證。光能利用率模型計算的NPP包括地上和地下的總生物量，根據(jù)內(nèi)蒙古不同草地類型（草甸草原、典型草原、荒漠草原）地上和地下生物量的比值5.26、4.25和7.89（樸世龍等，2004），計算了實測草地植被凈初級生產(chǎn)力；實測最大生物量單位是干物質(zhì)的重量，轉(zhuǎn)換成以碳計量時采用的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45（樸世龍等，2004），建立實測值與估算的NPP之間的線性回歸關(guān)系（見圖2）。由圖可知，模擬值與實測值之間有較好的相關(guān)性，能夠反映生產(chǎn)力的實際情況，可以認(rèn)為CASA模型適用于內(nèi)蒙古草地NPP的估算。

2.2 內(nèi)蒙古草地NPP的空間分布特征

內(nèi)蒙古草地植被NPP受水熱條件的限制相當(dāng)明顯，總體呈現(xiàn)從東到西遞減的趨勢（圖3）。NPP在不同植被類型，不同降水年份中的差異也比較明顯。東部草甸草原的植被覆蓋率較高，物種種類多樣，凈初級生產(chǎn)力也較高，平均NPP為122 g?m-2?a-1；中部地區(qū)主要為典型草原，降水比草甸草原少，平均NPP在116.17 g?m-2?a-1左右；西部的荒漠草原植被覆蓋率極低，有些地區(qū)甚至寸草不生，NPP最小，平均值為39.28 g?m-2?a-1。在2011—2013年不同降水年份中也有較大差異，植被生長季平均NPP分別為185.01、306.59和340.74 g?m-2?a-1。

圖2 2011—2013內(nèi)蒙古草地凈初級生產(chǎn)力（NPP）模擬值與實測值比較Fig. 2 Comparison between simulated NPP and observed NPP of Inner Mongolia grassland from 2011to 2013

圖3 內(nèi)蒙古牧草生長季NPP空間分布示意圖Fig. 3 The spatial distribution of NPP in growing season in Inner Mongolia

2.3 內(nèi)蒙古不同類型草地利用率

與圍封樣地相比，2011—2013年草甸草原和典型草原放牧樣地中草地地上生物量顯著降低，而荒漠草原無影響。經(jīng)計算，草甸草原利用率為41.28%，典型草原利用率為40.38%，荒漠草原利用率為38.05%（圖4）。

2.4 內(nèi)蒙古不同類型草地載畜量

根據(jù)CASA模型計算得出的NPP及內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院提供的不同類型草地可利用面積所計算出來的理論載畜量與各旗縣實際載畜量進(jìn)行對比，得到內(nèi)蒙古不同類型草地超載放牧情況。如表2所示，2011—2013年內(nèi)蒙古實際載畜量為12753.24、13158.74、13725.32萬羊單位，且2011年草甸草原、典型草原、荒漠草原超載率分別為43.59%、44.95%和75.92%；2012年草甸草原超載率為1.21%，荒漠草原超載率為57.53%；2013年荒漠草原超載率為57.38%，而2012年典型草原，2013年草甸草原和典型草原與理論載畜量相比尚有127.4、1158.82、392.33萬羊單位的潛力，可持續(xù)放牧。

3 討論

3.1 內(nèi)蒙古不同類型草地NPP

模擬得到2011—2013年內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原NPP平均值分別為122、116.2和39.3 g?m-2?a-1，這與穆少杰等（2013）于2001—2010年對內(nèi)蒙古3種類型草地凈初級生產(chǎn)力（依次為草甸草原450~550 g?m-2?a-1、典型草原200~350 g?m-2?a-1和荒漠草原100~150 g?m-2?a-1）的估測結(jié)果有所不同，但與李剛等（2008）于2003年對內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原NPP的估算值（為180.03、211.59、65.43 g?m-2?a-1）和朱文泉等（2007）于2002年對內(nèi)蒙古草甸草原的NPP平均值（259.9 g?m-2?a-1）的模擬結(jié)果接近。不同研究者模擬內(nèi)蒙古植被NPP往往存在較大差異，主要原因是模型估算研究中，遙感數(shù)據(jù)所確定的fAPAR的準(zhǔn)確估計和光能轉(zhuǎn)化率的變化性以及研究時間段、草地類型、空間分辨率等方面存在不同所致（張峰等，2008；楊勇等，2015）。

圖4 不同類型草地牧草的可利用率Fig. 4 Pasture utilization of different vegetation types

表2 內(nèi)蒙古不同類型草地2011—2013年載畜量狀況Table 2 The condition of livestock number of different vegetation types in Inner Mongolia from 2011 to 2013 104sheep unit

近期研究表明，氣溫、降水和人為作用是影響草地植被NPP的重要因素（Liang et al.，2015），且多個研究表明，降水是影響草地NPP的主要氣候因子（Bai et al.，2004；閆偉兄等，2009；龍慧靈等，2010）。而本研究中，內(nèi)蒙古草地NPP在2011—2013年呈增加趨勢，主要為降水因子的年際變異所驅(qū)動（2011—2013年降水量分別為192.5 mm、289.4 mm和293.8 mm）。然而，不同草地類型NPP對降水量、溫度的依賴性卻有明顯差異。通過對內(nèi)蒙古不同草原類型NPP的研究發(fā)現(xiàn)，草原植被NPP和草原類型有密切的關(guān)系，研究區(qū)內(nèi)草甸草原降雨充沛，適合植被生長，因此有較高的NPP，典型草原次之，荒漠草原最小。同時，植被類型不同，其光能利用率也不相同，加之氣溫和水分脅迫也會使光能利用率降低（張娜等，2003），這都是造成不同草原類型間NPP差異的原因。另外，植被降水利用效率也是造成NPP不同的原因之一（楊勇等，2015）。

3.2 內(nèi)蒙古不同類型草地利用率

草地利用率是確定載畜量使草地可持續(xù)利用的重要依據(jù)。早有研究表明，以45%的草地利用率估算的草地載畜量比30%的草地利用率估算的高出1倍（林波等，2008）?？梢姡敛堇寐适且疠d畜量變化的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確評估草地牧草利用率是確保不超載放牧的關(guān)鍵所在。不同草地類型牧草的利用率隨放牧家畜種類、牧草類型以及草地自身耐牧能力不同而不同，這種過程較為復(fù)雜。不同文獻(xiàn)報道的相同類型草地之間牧草利用率也存在一定的差異，但目前尚無確定牧草利用率的標(biāo)準(zhǔn)方法。一般為經(jīng)驗估計和實際測量兩種（徐敏云等，2014）。本研究利用內(nèi)蒙古草原利用退牧還草項目區(qū)成對野外樣地（圍封和放牧）數(shù)據(jù)計算牧草利用率。結(jié)果表明，草甸草原和典型草原放牧區(qū)地上生物量與圍封區(qū)相比顯著降低，但是荒漠草原差異不顯著，原因可能來自多個方面。其一，荒漠草原是草原向荒漠過渡的旱生性最強(qiáng)的草原生態(tài)系統(tǒng)，氣候干旱，自然環(huán)境嚴(yán)酷，群落結(jié)構(gòu)簡單，植被對土壤的固結(jié)能力較差，植被蓋度和高度很低，生態(tài)環(huán)境脆弱。其二，干旱區(qū)草地恢復(fù)是一個緩慢的過程，而且群落演替階段躍遷需要特殊的降雨事件（楊霞等，2015；金曉明等，2010）。本研究中草甸草原、典型草原、荒漠草原利用率分別為41.28%、40.38%、38.05%，遠(yuǎn)低于常用來衡量草地合理利用率的標(biāo)準(zhǔn)，即“采食一半，保留一半”及《天然草地合理利用率的計算標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的草甸草原合理利用率為50%~55%、典型草原45%~50%、荒漠草原40%~45%（蘇大學(xué)等，2003）。主要有下幾個原因：第一，不同的草地類型由于牧草生物學(xué)特性的不同可能導(dǎo)致草地自身耐牧能力不同，從而造成不同草地類型之間利用率可能存在較大的差異，甚至相同類型的草地之間因所處環(huán)境條件的差異也存在一定的差異。第二，各種類家畜對不同牧草的采食喜好性不同，天然草地放牧家畜的種類及放牧結(jié)構(gòu)對利用率具有較大的影響。第三，降水和溫度會影響不同類型草地利用率（王瑞杰等，2011；楊智明等，2010）。

3.3 內(nèi)蒙古不同類型草地載畜量

研究結(jié)果表明，內(nèi)蒙古草地載畜情況在不同降雨年份及不同草地類型中均出現(xiàn)超載現(xiàn)象。自改革開放以來，由于畜牧業(yè)生產(chǎn)長期以來追求牲畜存欄數(shù)量，客觀上鼓勵了牲畜數(shù)量的無限制發(fā)展，使草場長期處于超載過牧狀態(tài)，再加上人為不科學(xué)利用，從而導(dǎo)致草畜矛盾十分嚴(yán)重（Bai et al.，2008；秦潔等，2016）。1960年內(nèi)蒙古全區(qū)僅有牲畜約4281.60萬羊單位，到2013年牲畜數(shù)量增長到13725.32萬羊單位。這雖然在一定程度改善了當(dāng)?shù)啬撩竦纳钏?，但同時也造成草地的嚴(yán)重退化（李莉等，2011；Hao et al.，2014）。氣候條件對放牧也有重要的作用，2011年是干旱年份，降水較少，草地蓋度、生產(chǎn)力均低，當(dāng)家畜數(shù)量超過草地的承載能力時就會出現(xiàn)過度放牧現(xiàn)象?；哪菰谘芯科趦?nèi)均出現(xiàn)嚴(yán)重超載，這是因為荒漠草原氣候干旱，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，草地植被根系層不如典型草原和草甸草原致密，對放牧干擾后的恢復(fù)較慢，長期過度放牧很容易造成草地退化，甚至還會出現(xiàn)植被消失、土地沙化、沙塵暴等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境惡化問題（黃琛等，2014；趙衛(wèi)等，2015）。

4 結(jié)論

本研究利用地面數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，通過光能利用率CASA模型，對內(nèi)蒙古2011—2013年不同植被類型凈初級生產(chǎn)力進(jìn)行了估算，分析其時空分布，并根據(jù)模擬的NPP數(shù)據(jù)和大量野外成對樣地（圍封和放牧）數(shù)據(jù)探討內(nèi)蒙古不同類型草地的超載放牧情況，得到以下結(jié)論：

（1）2011—2013年內(nèi)蒙古植被NPP的年平均值為277.45 g?m-2?a-1，不同植被類型NPP差別較大，草甸草原、典型草原、荒漠草原NPP平均值分別為122、116.2和39.3 g?m-2?a-1。

（2）2011—2013年內(nèi)蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原利用率分別為41.28%、40.38%、38.05%。

（3）3種類型草地在降雨少的2011年份及荒漠草原在研究期內(nèi)均出現(xiàn)不同程度的超載放牧情況，而2012年典型草原，2013年草甸草原和典型草原可持續(xù)放牧。本研究進(jìn)一步表明，在內(nèi)蒙古草原牧場放牧管理時，應(yīng)結(jié)合不同類型草地和降水條件，在荒漠草原及干旱年份適當(dāng)減少牲畜頭數(shù)，從而實現(xiàn)草畜動態(tài)平衡。

參考文獻(xiàn)：

BAI Y F, HAN X G, WU J G, et al. 2004. Ecosystem stability and compensatory effects in the Inner Mongolia grassland [J]. Nature, 431(7005): 181-184.

BAI Y F, WU J G, CLARK C M, et al. 2012. Grazing alters ecosystem functioning and C∶N∶P stoichiometry of grasslands along a regional precipitation gradient [J]. Journal of Applied Ecology, 49(6): 1204-1215.

BAI Y F, WU J G, XING Q, et al. 2008. Primary production and rain use efficiency across a precipitation gradient on the Mongolia Plateau [J]. Ecology, 89(8): 2140.

CHEN D M, CHENG J H, CHU P F, et al. 2015. Regional-scale patterns of soil microbes and nematodes across grasslands on the Mongolian plateau: relationships with climate, soil, and plants [J]. Ecography, 38(6): 622-631.

DIAZ S, SANDRA LAVOREL, MCINTYRE S, et al. 2007. Plant trait responses to grazing—a global synthesis [J]. Global Change Biology, 13(2): 313-341.

ELDRIDGE D J, POORE A G, RUIZCOLMENERO M, et al. 2015. Ecosystem structure, function, and composition in rangelands are negatively affected by livestock grazing [J]. Ecological Applications, 26(4): 1273-1283.

GAO Q Z, WAN Y F, LI Y, et al. 2013. Effects of topography and human activity on the net primary productivity (NPP) of alpine grassland in northern Tibet from 1981 to 2004 [J]. International Journal of Remote Sensing, 34(6): 2057-2069.

HANKE W, BOHNER J, DREBER N, et al. 2014. The impact of livestock grazing on plant diversity: an analysis across dryland ecosystems and scales in southern Africa [J]. Ecological Applications A Publication of the Ecological Society of America, 24(5): 1188-1203.

HAO L, SUN G, LIU Y Q, et al. 2014. Effects of precipitation on grassland ecosystem restoration under grazing exclusion in Inner Mongolia, China [J]. Landscape Ecology, 29(10): 1657-1673.

LI A, BIAN J, LEI G, et al. 2012. Estimating the Maximal Light Use Efficiency for Different Vegetation through the CASA Model Combined with Time-Series Remote Sensing Data and Ground Measurements [J]. Remote Sensing, 4(12): 3857-3876.

LI X B, LI G Q, WANG H, et al. 2015. Influence of meadow changes on net primary productivity: a case study in a typical steppe area of XilinGol of Inner Mongolia in China [J]. Geosciences Journal, 19(3): 561-573.

LIANG W, YNAG Y T, FAN D M, et al. 2015. Analysis of spatial and temporal patterns of net primary production and their climate controls in China from 1982 to 2010 [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 204: 22-36.

MU S J, ZHOU S X, CHEN Y Z, et al. 2013. Assessing the impact of restoration-induced land conversion and management alternatives on net primary productivity in Inner Mongolian grassland, China [J]. Global & Planetary Change, 108(3): 29-41.

REYNOLDS JF, STAFFORD SMITH D. 2002. Global Desertification:Do Humans Cause Deserts? [M]. Berlin: Dahlem University Press: 88.

SASAKI T, OKAYASU T, OHKURO T, et al. 2009. Rainfall variability may modify the effects of long-term exclosure on vegetation in Mandalgobi, Mongolia [J]. Journal of Arid Environments, 73(10): 949-954.

SCH?NBACH P, TAUBE F. 2011. Grassland responses to grazing: effects of grazing intensity and management system in an Inner Mongolian steppe ecosystem [J]. Plant and Soil, 340(1): 103-115.

WAN H W, BAI Y F, HOOPER D U, et al. 2015. Selective grazing and seasonal precipitation play key roles in shaping plant community structure of semi-arid grasslands [J]. Landscape Ecology, 30(9): 1767-1782.

ZHANG R R, LI Z H, YUAN Y W, et al. 2013. Analyses on the Changes of Grazing Capacity in the Three-River Headwaters Region of China under Various Climate Change Scenarios [J]. Advances in Meteorology, 2013(22): 134-138.

方精云, 劉國華, 徐嵩齡. 1996. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳的儲存量[C]//溫室氣體的釋放和過程的測量論文集. 北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社: 391-397.

韓艷飛, 柯長青, 李晶. 2014. 近30年關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力對土地利用變化的動態(tài)響應(yīng)[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 28(6): 68-74.

黃琛, 張宇, 王靜, 等. 2014. 不同放牧強(qiáng)度下短花針茅荒漠草原植被的空間異質(zhì)性[J]. 植物生態(tài)學(xué)報 (英文版), 38(11): 1184-1193.

金曉明, 韓國棟. 2010. 放牧對草甸草原植物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響[J]. 草業(yè)科學(xué), 27(4): 7-10.

李剛, 周磊, 王道龍, 等. 2008. 內(nèi)蒙古草地NPP變化及其對氣候的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 17(5): 1948-1955.

李莉, 王元素, 洪紱曾, 等. 2011. 喀斯特地區(qū)長期草地利用制度對群落穩(wěn)定性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 20(8): 1204-1208.

林波, 譚支良, 湯少勛, 等. 2008. 草地生態(tài)系統(tǒng)載畜量與合理放牧率研究方法進(jìn)展[J]. 草業(yè)科學(xué), 25(8): 91-99.

龍慧靈, 李曉兵, 黃玲梅, 等. 2010. 內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力及其與氣候的關(guān)系[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 34(7): 781-791.

穆少杰, 李建龍, 周偉,等. 2013. 2001—2010年內(nèi)蒙古植被凈初級生產(chǎn)力的時空格局及其與氣候的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)報, 33(12): 3752-3764.

樸世龍, 方精云, 賀金生, 等. 2004. 中國草地植被生物量及其空間分布格局[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 28(4): 491-498.

秦潔, 韓國棟, 王忠武, 等. 2016. 內(nèi)蒙古不同草地類型隱子草種群對放牧強(qiáng)度的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 25(1): 36-42.

任海彥, 鄭淑霞, 白永飛. 2009. 放牧對內(nèi)蒙古錫林河流域草地群落植物莖葉生物量資源分配的影響[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 33(6): 1065-1074.

蘇大學(xué), 孟有達(dá), 武保國. 2003. NY/ T635—2002, 天然草地合理載畜量的計算[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

王瑞杰, 覃志豪, 王桂英. 2011. 呼倫貝爾草原產(chǎn)草量及載畜平衡研究[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), (12): 1782-1785.

徐斌, 辛?xí)云? 陶偉國, 等. 2005. 草地超載狀況該如何應(yīng)對[J]. 中國畜牧業(yè), (21): 48-50.

徐敏云, 高立杰, 李運起. 2014. 草地載畜量研究進(jìn)展:參數(shù)和計算方法[J]. 草業(yè)學(xué)報, 23(4): 311-321.

閆偉兄, 陳素華, 烏蘭巴特爾, 等. 2009. 內(nèi)蒙古典型草原區(qū)植被NPP對氣候變化的響應(yīng)[J]. 自然資源學(xué)報, 24(9): 1625-1634.

楊浩, 白永飛, 李永宏, 等. 2009. 內(nèi)蒙古典型草原物種組成和群落結(jié)構(gòu)對長期放牧的響應(yīng)[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 33(3): 499-507.

楊紅飛, 剛成誠, 穆少杰, 等. 2014. 近10年新疆草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力及其時空格局變化研究[J]. 草業(yè)學(xué)報, 23(3): 39-50.

楊婧, 褚鵬飛, 陳迪馬, 等. 2014. 放牧對內(nèi)蒙古典型草原α、β和γ多樣

性的影響機(jī)制[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 38(2): 188-200.

楊勇, 李蘭花, 王保林, 等. 2015. 基于改進(jìn)的CASA模型模擬錫林郭勒草原植被凈初級生產(chǎn)力[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 34(8): 2344-2352.

楊智明, 李建龍, 杜廣明, 等. 2010. 寧夏灘羊放牧系統(tǒng)草地利用率及草畜平衡性研究[J]. 草業(yè)學(xué)報, 19(1): 35-41.

楊霞, 王珍, 運向軍, 等. 2015. 不同降雨年份和放牧方式對荒漠草原初級生產(chǎn)力及營養(yǎng)動態(tài)的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報, 24(11): 1-9.

張峰, ZHOU G S, 王玉輝. 2008. 基于CASA模型的內(nèi)蒙古典型草原植被凈初級生產(chǎn)力動態(tài)模擬[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 32(4): 786-797.

張娜, 于貴瑞, 于振良, 等. 2003. 基于3S的自然植被光能利用率的時

空分布特征的模擬[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 27(3): 325-336.

張雙陽. 2010. 內(nèi)蒙古草甸草原家庭牧場放牧優(yōu)化管理方式研究[D]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué).

趙同謙, 歐陽志云, 賈良清, 等. 2004. 中國草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間接價值評價[J]. 生態(tài)學(xué)報, 24(6): 1101-1110.

趙衛(wèi), 沈渭壽, 劉波, 等. 2015. 西藏地區(qū)草地承載力及其時空變化[J].科學(xué)通報, (21): 2014-2028.

中國科學(xué)院內(nèi)蒙古寧夏綜合考察隊. 1985. 內(nèi)蒙古植被[M]. 北京: 科學(xué)出版社.

朱文泉, 潘耀忠, 張錦水. 2007. 中國陸地植被凈初級生產(chǎn)力遙感估算[J]. 植物生態(tài)學(xué)報, 31(3): 413-424.

Changes in grassland productivity and livestock carrying capacity in Inner Mongolia [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(4): 605-612.

Surina, ZU Jiaxing, JIN Hua, ChaoLumengqiqige, WANG Zhijun, Chamuha, NA Ya, LI Junqing. 2017.

Changes in Grassland Productivity and Livestock Carrying Capacity in Inner Mongolia

Surina1, ZU Jiaxing2, JIN Hua3, ChaoLumengqiqige3, WANG Zhijun3, Chamuha4, NA Ya5, LI Junqing1*
1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. Institute of Grassland Surveying and Planning, Inner Mongolia, Hohhot 010051, China;
4. Environmental monitoring central station of Chifeng, Inner Mongolia, Chifeng 024000, China;
5. Inner Mongolia Agricultural University, College of Grassland, Resources and Environment, Huhhot 010020, China

Because of the combined effects of human activities and climate change, the grasslands in Inner Mongolia show varied degrees of overgrazing. Although grassland productivity and livestock carrying capacity have always been subjects of interest in grassland ecosystem research, the findings from many years of research, however, have failed to effectively translate into improved supply-demand relationships of livestock forage. In addition, the degradation of the grassland ecosystems remains a concern. Therefore, in-depth analyses of grassland productivity, livestock carrying capacity, and the supply-demand relationship of livestock forage will have significant impacts on the sustainable development of grasslands and the forage-livestock balance in Inner Mongolia. Based on MODIS remote sensing data, three types of vegetation (meadow steppe, typical steppe, and desert steppe) in Inner Mongolia were studied using the light energy utilization model (CASA model). The net primary productivity (NPP), pasture utilization, and over capacity conditions were analyzed using paired field samples (fenced and grazed) over three consecutive years (2011—2013). The results showed the following: (1) From 2011 to 2013, the average NPPs of meadow steppe, typical steppe, and desert steppe in Inner Mongolia were 122.0, 116.2 and 39.3 g·m-2·a-1, respectively. (2) From 2011 to 2013, the grassland utilization rates for meadow steppe, typical steppe, and desert steppe were 41.28%, 40.38% and 38.05%, respectively. (3) In 2011, all three types of grasslands were overgrazed. The rates of overgrazed areas were 43.59%, 44.95% and 75.92% for meadow steppe, typical steppe, and desert steppe, respectively. In 2012, the meadow steppe and desert steppe were overgrazed, with utilization rates of 1.21% and 57.53%, respectively. In 2013, the desert steppe was overgrazed with a utilization rate of 57.38%. The typical steppe in 2012, the meadow steppe in 2013, and the typical steppe in 2013 still had 1.274, 11.588 2, and 3.923 3 million sheep units, respectively, of potential grazing capacity compared with the theoretical livestock carrying capacity. These results indicate that these grasslands could support sustainable grazing. Hence, in Inner Mongolia, grassland pasture management measures should consider different types of grasslands and precipitation levels in order to reduce livestock carrying capacity for desert steppes and drought years, thereby achieving dynamic forage livestock balance. The findings of this study will provide reference data for grassland pasture management.

Inner Mongolia; net primary productivity; pasture utilization ratio; optimal carrying capacity; overloading rate

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.009

S812.6; X171.1

A

1674-5906（2017）04-0605-08

蘇日娜, 俎佳星, 金花, 朝魯孟其其格, 王志軍, 查木哈, 那亞, 李俊清. 2017. 內(nèi)蒙古草地生產(chǎn)力及載畜量變化分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(4): 605-612.

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項（201509042）；內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)用與研發(fā)計劃項目（20142002）

蘇日娜（1985年生），女（蒙古族），博士研究生，主要從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail: surina2-srn@163.com

*通信作者：李俊清（1957年生），男，教授，主要從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail: lijunqing8100@163.com

2017-03-01