張勇娟，曹 娟，辛?xí)云?，贠旭江，李新一，王加亭，閆瑞瑞，毛平平，朱曉昱※

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；2. 烏魯木齊市林業(yè)和草原局，新疆烏魯木齊 830000；3. 全國畜牧總站，北京100081）

0 引言

草原在我國生態(tài)系統(tǒng)中是最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)［1］，具有重要的戰(zhàn)略地位，是重要的天然生態(tài)屏障不可替代的“保護(hù)傘”和畜牧業(yè)發(fā)展的重要“基石”［2］，對防風(fēng)固沙、水土保持、水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、固碳以及維護(hù)生物多樣性發(fā)揮著不可替代的作用。對經(jīng)濟(jì)、社會、文化發(fā)展具有重要的價值和意義［3］。但是，近年來在我國不少地區(qū)由于長期持續(xù)超載過牧［4］，植被覆蓋率下降，草地出現(xiàn)大面積退化和荒漠化，同時生態(tài)服務(wù)明顯功能也下降［5］。為此，2011年6月1日國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)牧區(qū)又好又快發(fā)展的若干意見》，2015年4月25日國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》，明確提出對嚴(yán)重退化區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)實施禁牧和對除此以外的實施草畜平衡。從第一輪實施周期（2011—2015年）到第二輪實施周期（2016—2020年），中央財政每年從136億元增加到150億元［6］，通過增加投入補(bǔ)助獎勵資金，既保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境，又彌補(bǔ)了牧民的經(jīng)濟(jì)差距，最主要是造福了子孫后代造福，使草原生態(tài)環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展［7］。

草畜平衡政策就是通過監(jiān)督管理使人、草、畜達(dá)到動態(tài)平衡，即合理利用草地資源，實現(xiàn)草地生態(tài)健康和草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展［8］，因此及時準(zhǔn)確掌握某區(qū)域草畜平衡狀況意義重大［9］。目前已有眾多學(xué)者研究草畜平衡政策實施的效果，方法各異，比如李毛措［10］選擇典型樣地獲取草原可食牧草產(chǎn)量來評估整個同仁縣天然草地草畜平衡現(xiàn)狀，缺點(diǎn)是以點(diǎn)蓋面；特日格勒等［11］利用外業(yè)調(diào)查結(jié)合MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，估算杭錦旗草地地上生物量和天然草地合理載畜量評價杭錦旗的草畜平衡狀態(tài)；徐斌等［12］、張良俠等［13］基于遙感模型反演的產(chǎn)草量來評估載畜情況，缺點(diǎn)是只考慮草地現(xiàn)存量，未考慮牲畜采食量和補(bǔ)飼量。因此評估草畜平衡狀況，完全利用典型樣地地面監(jiān)測數(shù)據(jù)做不到全覆蓋，評估結(jié)果不準(zhǔn)確，不便于全面推廣實施；而通過利用典型樣地地面監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合遙感數(shù)據(jù)建立模型，反演整個區(qū)域草地現(xiàn)存量，加之牲畜采食量和補(bǔ)飼量，更真實、更可靠地評估草畜平衡狀況，有效服務(wù)生產(chǎn)［14］。因此，文章利用2010—2018年陳巴爾虎旗（以下簡稱陳旗）的遙感數(shù)據(jù)、地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行草地現(xiàn)存量產(chǎn)草量估算建模，并利用反演草地現(xiàn)存生物量結(jié)合牧業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中牲畜數(shù)量、補(bǔ)飼量等計算載畜平衡指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上分析其草畜平衡狀況，以期為陳旗草原管理和畜牧業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

陳旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市西北部的大興安嶺與呼倫貝爾高平原的交界地區(qū)，地處北緯 48°43′18″～50°10′35″，東經(jīng) 118°22′30″～121°10′45″，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，氣候年平均氣溫-2.5℃，年平均降水量322.3 mm。地勢較為平坦，平均海拔600～800 m，土壤主要由黑鈣土、暗栗鈣土和沙壤土組成。主要以蒙古族為主體的牧業(yè)旗，全旗人口5.8萬，土地總面積174.58萬hm2，草原面積152.71萬hm2，占土地總面積的87.47%，其中可利用草原面積144.33萬hm2，占草原總面積的94.51%。地帶性草原由東向西分布著溫性草甸草原、溫性草原；在山地垂直帶上分布有山地草甸；隱域性的低地草甸草原和沼澤類鑲嵌于其中（圖1）。

1.2 基于遙感的草產(chǎn)量估算

1.2.1 地面數(shù)據(jù)采集

地面調(diào)查數(shù)據(jù)源于內(nèi)蒙古陳旗草原工作站，2016—2018年每年在7月中旬至8月下旬進(jìn)行采集。草本樣方大小為1 m×1 m，灌木樣方為10 m×10 m。對每個樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入整理檢查，建立并存儲草原地面樣方數(shù)據(jù)信息，為草原大數(shù)據(jù)平臺提供。

圖1 陳旗草地類型和地面調(diào)查點(diǎn)分布圖Fig.1 The distribution map of grassland type and survey sample point in Chenqi

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)地面樣點(diǎn)實測產(chǎn)草量的時間選用同期少云（云覆蓋率＜20%）Landsat 8影像，數(shù)據(jù)集的時間分辨率為16 d，空間分辨率分別為30 m。對Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣糾正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理后，從中提取了紅光波段和近紅外波段的反射率數(shù)據(jù)，利用這2個波段的數(shù)據(jù)計算歸一化植被指數(shù)。

式（1）中，NIR為近紅外波段，R為紅光波段。NDVI可以反映植被的長勢變化，NDVI越大表明植被生長越好，值越小表明生長越差。通常情況下為了便于年際間變化比較，用草原長勢指數(shù)對長勢進(jìn)行分級，分為5級：依次為好、較好、持平、較差和差，每一級10%～15%上下浮動，差：G＜-15%，較差：-15%≤G＜-5%，持平：-5%≤G＜5%，較好：5%≤G＜15%，好：15%≤G。

式（2）中，NGGI為草原長勢指數(shù)，簡稱“G”；NDVI為多年同期平均值；NDVIm、NDVIn為不同時間同一時期的植被指數(shù)值。

1.2.3 建立估產(chǎn)模型和驗證

在建立估產(chǎn)模型時，將地面監(jiān)測樣點(diǎn)，去除不合理樣點(diǎn)，將剩余80個樣點(diǎn)，分成兩部分，一部分用于估產(chǎn)模型建立，一部分用于估產(chǎn)模型驗證，選取65個樣點(diǎn)數(shù)據(jù)利用可食草的產(chǎn)草量與相對應(yīng)的植被指數(shù)建立回歸關(guān)系，選擇指數(shù)、線性、對數(shù)和冪函數(shù)進(jìn)行估產(chǎn)的模型研究，確定研究區(qū)最優(yōu)產(chǎn)草量的估算模型。

為了檢驗?zāi)Ｐ湍M的地上生物量與實測生物量之間的精確度，選用15個樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，約占總樣本數(shù)的1/4來檢驗?zāi)Ｐ途?，主要指?biāo)采用均方根誤差（RMSE）和平均相對誤差（REE），計算公式為：

式（3）～（4）中，yi與yi分別為實測值與預(yù)測值，n為樣本數(shù)量。RMSE越小，說明擬合程度越好。REE越小，精度越好。

1.3 載畜量的計算

依據(jù)農(nóng)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然草地合理載畜量載畜量計算》（NY/T 635-2015），陳旗天然草場合理載畜量計算方法為：

牲畜采食量=實際載畜量×1個羊單位日食量×完全放牧天數(shù) （5）式（5）中各參數(shù)單位為，實際載畜量：羊單位；1個羊單位日食量：1.8 kg/（d · 只）；完全放牧天數(shù)：天。

式（6）中，可食干草量：kg；草地可利用面積：hm2；放牧利用率：%；牲畜采食量：kg；補(bǔ)充飼料量：kg；1個羊單位日食量：1.8 kg/（d· 只）；放牧天數(shù)：d。

2 結(jié)果與分析

2.1 遙感草原植被長勢變化

陳旗由于草畜平衡政策的實施，2015年較2010年，草地長勢差和較差面積分別僅占草地面積的24.01%和9.95%；面積持平部分占草地面積11.73%，主要分布于陳旗南部；等級為較好和好的草地占總面積的54.31%，主要分布于北部。2018較2010年，草地長勢變好，長勢等級為較差和差的草地占總面積的33.96%，主要是中部偏西地區(qū)，主要為溫性草甸草原類和低地草甸類；長勢等級較好和好的草地占82.12%（圖2）。

圖3（a）是陳旗草地長勢2018年較2015年變化情況，長勢等級為差和較差的草地占總面積的21.84%，主要是山地草甸類和溫性草甸草原類生長較差，位于陳旗西部，長勢等級為好和較好的草地占總面積的73.48%，主要分布在東部，草原類型主要以溫性草原和溫性荒漠草原為主。

圖3（b）是陳旗草地長勢2018年較2017年變化情況，長勢等級為差和較差的草地占總面積的22.95%，主要是山地草甸類生長較差，長勢等級為好和較好的草地占總面積的63.17%。

綜上所述，2011年開始實施草畜平衡政策，到2015年第一輪結(jié)束陳旗縣草地長勢變好，長勢等級為較好的草地占面積54.31%。2018年較2015年，草地長勢繼續(xù)變好，長勢等級為好和較好的草地占總面積的73.48%，主要分布在東部，草原類型主要以溫性草原和溫性荒漠草原為主。

圖2 2010—2018年草地長勢對比分布圖Fig.2 The grassland growth map from 2010 to 2018

圖3 2015—2018年草地長勢對比分布圖Fig.3 The grassland growth map from 2015 to 2018

2.2 草畜平衡情況

2.2.1 估產(chǎn)模型及生物量反演

地面樣點(diǎn)可食草的產(chǎn)草量與其對應(yīng)的NDVI值建立指數(shù)、線性、對數(shù)和冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系（表1），不同函數(shù)的估產(chǎn)模型的R2都在0.65～0.75，變化幅度較小，均方根誤差（RMSE）在250～280之間，模型精度78%以上，差異較小，綜合評價R2越大，RMSE越小，模型精度越大，模型最優(yōu)。結(jié)果表明冪函數(shù)能較好地模擬二者之間的關(guān)系，y=1 756.10x1.0017（R2=0.738 2）（圖 4）。

表1 基于NDVI值建立模型Table 1 Modeling based on NDVI value

圖4 產(chǎn)草量與NDVI的相關(guān)關(guān)系Fig.4 The correlation between grass yield and NDVI

利用模型反演2010年7月下旬產(chǎn)草量，產(chǎn)草量600～900 kg/hm2的比例為31.75%，產(chǎn)草量900～1 200 kg/hm2的比例為25.55%，主要為溫性草原和溫性草原類；產(chǎn)草量1 200～1 500 kg/hm2比例為14.33%，主要為低地草甸和草甸草原類；而低于600 kg/hm2的草地占24.98%，主要為溫性草原類。

2015年植被產(chǎn)草量有所增加，低于600 kg/hm2的草地占21.89%，比例較2010年有所減少；產(chǎn)草量600～900 kg/hm2的比例為33.97%，產(chǎn)草量900～1 200 kg/hm2的比例為17.13%，主要是溫性草原和溫性荒漠草原類；而產(chǎn)草量1 500～1 756 kg/hm2的范圍明顯增加，比例由2010年的3.4%提高到14.73%。

2017年植被產(chǎn)草量量繼續(xù)增加，低于600 kg/hm2的草地較2015年減少1倍；產(chǎn)草量600～900 kg/hm2的比例減少為16.38%，產(chǎn)草量900～1 200 kg/hm2和1 200～1 500 kg/hm2的比例明顯增加，增加到60.69%，主要是溫性草甸草原類、溫性草原和溫性草原類；而產(chǎn)草量1 500～1 756 kg/hm2的范圍較2015年減少到10.24%。

2018年7月下旬產(chǎn)草量，陳旗草地平均產(chǎn)草量1 231.76 kg/hm2，與往年同期相比處于最高值，比2015年提高了34.64%，比2010年提高了44.32%，產(chǎn)草量分布主要在900～1 756 kg/hm2，占86.32%；2015年比2010年提高7.19%，提高幅度不大?？傮w而言，實施草畜平衡政策后，陳旗天然草原平均產(chǎn)草量逐年提高。

圖5 2010年、2015年、2017年和2018年模型反演的產(chǎn)草量分布Fig.5 The maps of grass yield distribution by inversion model in 2010，2015，2017 and 2018

2.2.2 載畜平衡情況

基于陳旗2010年、2015年、2017年和2018年統(tǒng)計報表提供的全年牲畜數(shù)量，利用其他各類牲畜的換算比率規(guī)定，統(tǒng)計各年度實際載畜量，結(jié)合合理載畜量，參照《資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方法（試行）》（2016）［15］，應(yīng)用欠超載率對草畜平衡狀況進(jìn)行評價，草畜平衡分為5級：＜-10%為載畜不足，-10%～10%為載畜平衡，10%～20%為臨界超載，20%～50%為超載，＞50%為嚴(yán)重超載。2010年陳旗超載區(qū)占總面積的25.60%，其中嚴(yán)重超載占9.12%，主要集中在東部偏南的溫性荒漠草原類。2015年處于超載峰值，達(dá)到34.41%。隨著年際變化自2015年超載區(qū)逐年減少，其中2017年比2010年增加了4.5%，但比2015年減少4.31%；2018年超載區(qū)較2017年減少9.53%，2017年草畜平衡區(qū)比2015年增加了16.78%，比2010年增加了14.29%，2018年比2017年草畜平衡區(qū)增加了9.86%。載畜不足區(qū)域逐年減少。臨界超載區(qū)2018年比2015年、2017年都有所增加，主要為溫性荒漠草原類（圖6）。

圖6 2010年、2015年、2017年和2018年載畜情況分布Fig.6 The distribution maps of livestock carrying in 2010，2015，2017 and 2018

2010年陳旗在實施草畜平衡政策前，草地整體處于欠載，欠載率6.0%，實施草畜平衡后，2015年欠載1.2%，比2010年增加4.8個百分點(diǎn)，證明陳旗牲畜數(shù)量在不斷增加，但還是處于草畜平衡。2017年、2018年分別超載9.14%、6.17%，陳旗總體達(dá)到草畜平衡，但是接近臨界超載（表2）。

表2 載畜平衡評估結(jié)果Table 2 Assessment of livestock balance

3 結(jié)論

（1）根據(jù)Landsat8影像和實地分布特征選擇樣點(diǎn)獲得地上實際生物量，利用影像提取的植被指數(shù)值與現(xiàn)存地上生物量建立的冪函數(shù)估產(chǎn)模型，可以獲得草原生物量分布圖，結(jié)合實際牲畜數(shù)量、牲畜采食量，能夠得出草畜平衡分布圖，對研究草原的合理利用和草原生態(tài)的發(fā)展變化具有重要意義。

（2）根據(jù)最優(yōu)模型反演，陳旗2015年比2010年草原植被平均產(chǎn)草量有所增加，2018年草原植被平均產(chǎn)草量1 231.76 kg/hm2，往年同期相比處于最高值。通過植被長勢指數(shù)，2010—2018年長勢等級為較好和好的草地不斷增加，從54.31%增加到73.48%。草原生物量整體增加，草原植被長勢總體變好，草原生態(tài)環(huán)境在不斷改善。

（3）陳旗在草畜平衡政策測定年份中，總體基本達(dá)到草畜平衡，但接近臨界超載，希望調(diào)整牲畜結(jié)構(gòu)、控制牲畜數(shù)量的持續(xù)增加，來維持草原生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡、可持續(xù)發(fā)展。