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

（1. 中國(guó)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(guó)畜牧總站，北京100081）

0 引言

草原在我國(guó)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(duì)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(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化發(fā)展具有重要的價(jià)值和意義［3］。但是，近年來(lái)在我國(guó)不少地區(qū)由于長(zhǎng)期持續(xù)超載過(guò)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(shí)生態(tài)服務(wù)明顯功能也下降［5］。為此，2011年6月1日國(guó)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(jiàn)》，2015年4月25日國(guó)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(jiàn)》，明確提出對(duì)嚴(yán)重退化區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)實(shí)施禁牧和對(duì)除此以外的實(shí)施草畜平衡。從第一輪實(shí)施周期（2011—2015年）到第二輪實(shí)施周期（2016—2020年），中央財(cái)政每年從136億元增加到150億元［6］，通過(guò)增加投入補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)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(guò)監(jiān)督管理使人、草、畜達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即合理利用草地資源，實(shí)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(shí)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(shí)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(lái)評(píng)估整個(gè)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(píng)價(jià)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(lái)評(píng)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(píng)估草畜平衡狀況，完全利用典型樣地地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做不到全覆蓋，評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確，不便于全面推廣實(shí)施；而通過(guò)利用典型樣地地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合遙感數(shù)據(jù)建立模型，反演整個(gè)區(qū)域草地現(xiàn)存量，加之牲畜采食量和補(bǔ)飼量，更真實(shí)、更可靠地評(píng)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(jiǎn)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(jì)數(shù)據(jù)中牲畜數(shù)量、補(bǔ)飼量等計(jì)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(shì)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(wàn)，土地總面積174.58萬(wàn)hm2，草原面積152.71萬(wàn)hm2，占土地總面積的87.47%，其中可利用草原面積144.33萬(wàn)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(duì)每個(gè)樣方數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入整理檢查，建立并存儲(chǔ)草原地面樣方數(shù)據(jù)信息，為草原大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(shí)測(cè)產(chǎn)草量的時(shí)間選用同期少云（云覆蓋率＜20%）Landsat 8影像，數(shù)據(jù)集的時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率分別為30 m。對(duì)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(gè)波段的數(shù)據(jù)計(jì)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(zhǎng)勢(shì)變化，NDVI越大表明植被生長(zhǎng)越好，值越小表明生長(zhǎng)越差。通常情況下為了便于年際間變化比較，用草原長(zhǎng)勢(shì)指數(shù)對(duì)長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行分級(jí)，分為5級(jí)：依次為好、較好、持平、較差和差，每一級(jí)10%～15%上下浮動(dòng)，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(zhǎng)勢(shì)指數(shù)，簡(jiǎn)稱“G”；NDVI為多年同期平均值；NDVIm、NDVIn為不同時(shí)間同一時(shí)期的植被指數(shù)值。

1.2.3 建立估產(chǎn)模型和驗(yàn)證

在建立估產(chǎn)模型時(shí)，將地面監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)，去除不合理樣點(diǎn)，將剩余80個(gè)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(yàn)證，選取65個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)利用可食草的產(chǎn)草量與相對(duì)應(yīng)的植被指數(shù)建立回歸關(guān)系，選擇指數(shù)、線性、對(duì)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(yàn)?zāi)Ｐ湍M的地上生物量與實(shí)測(cè)生物量之間的精確度，選用15個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，約占總樣本數(shù)的1/4來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途?，主要指?biāo)采用均方根誤差（RMSE）和平均相對(duì)誤差（REE），計(jì)算公式為：

式（3）～（4）中，yi與yi分別為實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值，n為樣本數(shù)量。RMSE越小，說(shuō)明擬合程度越好。REE越小，精度越好。

1.3 載畜量的計(jì)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(jì)算》（NY/T 635-2015），陳旗天然草場(chǎng)合理載畜量計(jì)算方法為：

牲畜采食量=實(shí)際載畜量×1個(gè)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(shí)際載畜量：羊單位；1個(gè)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(gè)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(zhǎng)勢(shì)變化

陳旗由于草畜平衡政策的實(shí)施，2015年較2010年，草地長(zhǎng)勢(shì)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(jí)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(zhǎng)勢(shì)變好，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)勢(shì)等級(jí)較好和好的草地占82.12%（圖2）。

圖3（a）是陳旗草地長(zhǎng)勢(shì)2018年較2015年變化情況，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)較差，位于陳旗西部，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)勢(shì)2018年較2017年變化情況，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)較差，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)為好和較好的草地占總面積的63.17%。

綜上所述，2011年開(kāi)始實(shí)施草畜平衡政策，到2015年第一輪結(jié)束陳旗縣草地長(zhǎng)勢(shì)變好，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)為較好的草地占面積54.31%。2018年較2015年，草地長(zhǎng)勢(shì)繼續(xù)變好，長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)勢(shì)對(duì)比分布圖Fig.2 The grassland growth map from 2010 to 2018

圖3 2015—2018年草地長(zhǎng)勢(shì)對(duì)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(duì)應(yīng)的NDVI值建立指數(shù)、線性、對(duì)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(píng)價(jià)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(shí)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(jì)報(bào)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(jì)各年度實(shí)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(cè)預(yù)警技術(shù)方法（試行）》（2016）［15］，應(yīng)用欠超載率對(duì)草畜平衡狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，草畜平衡分為5級(jí)：＜-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(shí)施草畜平衡政策前，草地整體處于欠載，欠載率6.0%，實(shí)施草畜平衡后，2015年欠載1.2%，比2010年增加4.8個(gè)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(píng)估結(jié)果Table 2 Assessment of livestock balance

3 結(jié)論

（1）根據(jù)Landsat8影像和實(shí)地分布特征選擇樣點(diǎn)獲得地上實(shí)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(shí)際牲畜數(shù)量、牲畜采食量，能夠得出草畜平衡分布圖，對(duì)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(guò)植被長(zhǎng)勢(shì)指數(shù)，2010—2018年長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)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(zhǎng)勢(shì)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(cè)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(lái)維持草原生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡、可持續(xù)發(fā)展。