閆瑞瑞,楊桂霞,張宏斌,張保輝,辛曉平

（農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點開放實驗室 呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站中國農(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）

呼倫貝爾草原是歐亞大陸草原的重要組成部分,是發(fā)展畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ),蘊藏著豐富的飼料資源,但由于放牧壓力日益增加,大面積草地退化,生產(chǎn)力下降,草畜矛盾加劇。進行草地資源現(xiàn)狀評估及牧草產(chǎn)量和載畜力的區(qū)域估算,對當?shù)卣嘘P(guān)部門引導(dǎo)牧民合理放牧及草地資源的可持續(xù)利用具有重要意義[1]。

草原牧草產(chǎn)量是維護草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ),準確及時獲取牧草產(chǎn)量能夠及時、合理、高效地評價利用和保護草地資源。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在利用衛(wèi)星遙感進行牧草產(chǎn)量估測方面進行了大量的研究[2-11]。如Thornley和Cannell[3]利用模擬模型估算牧草產(chǎn)量。李剛等[9]將改進的CASA模型在內(nèi)蒙古草地生產(chǎn)力估算中進行了應(yīng)用,并利用地面實測樣方數(shù)據(jù)對改進后的模型進行驗證,結(jié)果表明利用改進后的CASA模型模擬的NPP值與地面實測值基本一致。

通過NPP反映草地在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,是評價草地生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子,也是確定草地載畜量的重要參數(shù)。最近幾年關(guān)于在牧草產(chǎn)量遙感反演的基礎(chǔ)上進行載畜量估測的研究也逐漸增多[12-19],如陳世榮等[12]利用基于NPP的遙感評估法計算了2001年中國草地生產(chǎn)力各指標,包括干草總產(chǎn)量、理論載畜量。青海省等地在牧草產(chǎn)量遙感反演、載畜量估測等方面也做了大量工作[13-15,18-20]。本研究以呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原為研究區(qū)域,分析草地資源現(xiàn)狀,利用修改后的CASA模型估算NPP,并與地面實測值進行比較分析,在此基礎(chǔ)上進一步測算該地區(qū)適宜載畜量,為合理保護草原、維持草地生態(tài)系統(tǒng)的平衡,促進生態(tài)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

圖1 研究區(qū)樣點分布圖

1.1 研究區(qū)自然概況研究區(qū)域位于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站附近內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市謝爾塔拉牧場（49°19′N,120°03′E,海拔 628 m）（圖 1）。屬于溫帶半干旱大陸性氣候,年均氣溫-5～-2℃,年平均降水量350～400 mm,主要集中在7～9月,最高和最低氣溫分別為36.17和-48.5℃；≥10℃年積溫1 580～1 800℃·d,無霜期110 d左右。2009年年均氣溫-1℃,年均降水量368 mm（圖2）,平均風速16 m/d,1和7月最高、最低氣溫分別為25.1、14.2和-21.2、-29.4℃。地形為波狀起伏的高平原,植被以中旱生植物為主體,代表性植被類型為溫帶草甸草原。該類草地包括3個亞類,即平原、丘陵溫性草甸草原,山地溫性草甸草原和沙地溫性草甸草原。草群高度一般20～60 cm,蓋度50%～80%,種的飽和度約為20種/m2,優(yōu)勢植物主要有貝加爾針茅（Stipabaicalensis）、羊 草（Leymus chinensis）、日 蔭 菅（Carex pedif ormis）、線葉菊（Fili folium sibiricum）等。土壤為黑鈣土和暗栗鈣土。

圖2 2009年呼倫貝爾謝爾塔拉牧場月平均溫度和降水量

1.2 研究方法

1.2.1NPP估算模型 本研究采用國際上廣泛應(yīng)用的光能利用率模型——CASA模型的PAR和FPAR參數(shù)的計算進行改進后的CASA模型,對內(nèi)蒙古呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原生長季的生產(chǎn)力進行模擬。利用牧草生長季節(jié)地面數(shù)據(jù)進行估算驗證。

CASA模型的改進[8]:

（1）CASA模型

CASA模型計算NPP的方法如下:

式中,NPP（x,t）為x處t月植被的凈初級生產(chǎn)力；PAR（x,t）為x處t月照射到地表的光合有效輻射；FPAR（x,t）為x處t月植被截取光合有效輻射的比率；ε（x,t）為x處t月植被的光能利用效率,即植被將光能轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)的能力。

（2）CASA模型算法改進:

PAR算法的改進

式中,Iap為實際照射到地表的光合有效輻射,也是CASA模型中需輸入的PAR；Ipp為晴朗天氣下照射到地表的光合有效輻射,即潛在光合有效輻射；R*為TOMS在370 nm處的紫外反射。

FPAR算法的改進:

改進后CASA模型應(yīng)用:

本研究利用改進后的CASA模型計算2009年內(nèi)蒙古呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原牧草生長季的NPP,并利用2009年的地面數(shù)據(jù)對模擬的結(jié)果進行驗證。

1.2.2地面調(diào)查 選擇謝爾塔拉牧場的3個主要草甸草原類型,即羊草+雜類草草甸草原、貝加爾針茅草甸草原、羊草+中生性雜類草草甸草原,土壤質(zhì)地均為暗栗鈣土。在每一草甸草原類型內(nèi)選擇2種不同利用方式的草地,分別在樣地內(nèi)隨機設(shè)置樣方,樣方面積為1 m ×1 m,5次重復(fù),記錄樣地基本情況、主要植被種類,用GPS測定樣方地理位置、海拔高度,測量植被高度、蓋度、生物量,并取1 kg土壤帶回室內(nèi)進行分析（表1）。實地測量數(shù)據(jù)均在青草期測定的,即在6月中旬-9月中旬對選定樣地進行實地測量獲得。

表1 典型樣地基本情況

1.2.3載畜率估算 本研究采用1頭500 kg非泌乳奶牛為1個標準家畜單位。根據(jù)天然草地合理載畜量的計算標準[21],當年幼畜3∶1折為成年畜,2齡大牲畜以3∶2折為成年畜。當?shù)?標準家畜肉牛單位飼草消耗量干物質(zhì)約為8 kg/d。草地載畜量的衡量指標是載畜率,本研究估算載畜率用最簡便的方法,即草地單位面積產(chǎn)草量和家畜日食量比值法[5],其估算公式為:

1.2.4數(shù)據(jù)處理 應(yīng)用Excel 2003和SAS 9.0統(tǒng)計軟件,對所得模擬實測的牧草產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行比較分析,當P＜0.05時差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1NPP季節(jié)動態(tài)變化運用CASA模型計算得到2009年呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原的NPP（以C計）分為6個等級,從小到大依次賦予由淺入深的綠色（圖3）,分析各月計算結(jié)果可以了解到草原NPP的時空變化。時間上,2009年4月到10月的NPP,自4、5月開始,牧草生長緩慢,NPP分別為36.54和34.41 g/m2；6月大部分草類由返青期進入生長期,返青期開始迅速生長,隨著溫度的升高,降水量的增加,NPP顯著增加,達到42.01 g/m2；7月份,雨熱同期,草地生長旺盛,NPP達到最大,為71.92 g/m2；8月份,隨著積溫增加,草地蒸散量增大,土壤水分減少,對植被生長形成限制,NPP又逐漸降低為 63.53 g/m2；8月下旬-9月,溫度開始降低,草類成熟,部分枯黃,NPP繼續(xù)下降為52.15 g/m2；9月下旬-10月牧草幾乎徹底枯黃,由圖3可以看出,NPP在10月下降為30.31 g/m2。草原NPP年內(nèi)變化與草原植被的返青期-生長期-衰退期緊密相對應(yīng)。

圖 3 2009年4-10月謝爾塔拉草甸草原 NPP的動態(tài)監(jiān)測

2.2 模擬牧草產(chǎn)量與實測牧草產(chǎn)量關(guān)系利用CASA模型模擬出呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原NPP,通過GIS軟件獲得地面樣方（GPS點）對應(yīng)的牧草產(chǎn)量模擬值。碳量到干生物量的換算根據(jù)周壽榮[22]“草地生物體中45%～50%的干物質(zhì)由碳素組成”的經(jīng)驗進行,本研究以45%求得各種草甸草原類型的模擬與實測平均值。從圖4可以看出,不同草地類型模擬計算得到的牧草產(chǎn)量與樣方實測牧草產(chǎn)量的變化趨勢基本相一致,均呈現(xiàn)單峰曲線。羊草+雜類草草甸草原6-9月模擬值分別為 83.90、165.29、175.17和 106.33 g/m2,實測值分別為 75.76、134.51、170.76和111.65 g/m2,相對誤差介于2.58%～22.88%,平均誤差為10.24%,模擬值與實測值的峰值均出現(xiàn)在8月份,分別為175.17與170.76 g/m2。貝加爾針茅草甸草原6-9月模擬值分別為99.98、161.69、127.98和123.67 g/m2,實測值分別為 91.33、159.28、131.47和 129.12 g/m2,相對誤差介于1.52%～9.47%,平均誤差為4.47%；羊草+中生性雜類草草甸草原6-9月模擬值分別為100.41、157.29、141.06和 124.89 g/m2,實測值分別為103.00 、148.76 、138.33 和 119.88 g/m2,相對誤差介于1.97%～15.92%,平均誤差為6.54%；貝加爾針茅草甸草原與羊草+中生性雜類草草甸草原模擬和實測高峰值均出現(xiàn)在7月。謝爾塔拉草甸草原牧草產(chǎn)量估測值平均變化范圍為94.76～161.42 g/m2,實測值平均變化范圍為90.03～147.52 g/m2,相對誤差介于0.83%～9.43%,平均誤差為5.95%,模擬值與實測值高峰也出現(xiàn)在7月,且分別為161.42、147.52 g/m2。經(jīng)方差分析,不同草地類型在不同月份牧草產(chǎn)量估算值與實測值之間均無顯著性差異（P＞0.05）。利用CASA模型模擬的NPP值在羊草+雜類草草甸草原、貝加爾針茅草甸草原和羊草+中生性雜類草草甸草原模擬精度分別達89.96%、95.53%和93.46%,謝爾塔拉草甸草原的平均模擬精度達到94.05%。

圖4 牧草產(chǎn)量估算值與實測值比較

圖5 謝爾塔拉草甸草原不同植被類型鮮草產(chǎn)量、總蓋度和植株平均高度的對比

圖6 不同生長階段謝爾塔拉草甸草原牧草產(chǎn)量與總蓋度、牧草高度的相關(guān)性

2.3 不同草甸草原類型幾個生物特性參數(shù)的對比為了進一步驗證上述結(jié)果,采用實地觀測資料,對比分析謝爾塔拉不同草甸草原植被總蓋度、平均高度以及地上鮮草產(chǎn)量的季節(jié)變化狀況（圖5）。在選定的區(qū)域內(nèi),羊草+雜類草草甸草原、貝加爾針茅草甸草原、羊草+中生性雜類草草甸草原鮮草產(chǎn)量季節(jié)變化趨勢相同,呈現(xiàn)單峰曲線,7月份牧草鮮草產(chǎn)量達到最高,分別為338.25、415.05 和 450.06 g/m2。6、7、9 月份貝加爾針茅草甸草原和羊草+中生性雜類草草甸草原牧草產(chǎn)量高于羊草+雜類草草甸草原,8月份羊草+雜類草草甸草原和羊草+中生性雜類草草甸草原牧草產(chǎn)量高于貝加爾針茅草甸草原,但經(jīng)方差分析,不同草地類型的牧草鮮草產(chǎn)量不同月份均無顯著性差異（P＞0.05）。牧草蓋度是衡量群落功能的重要指標,高度是影響牧草產(chǎn)量的主要因素之一,將牧草鮮草產(chǎn)量與牧草總蓋度、平均高度分別進行對比,發(fā)現(xiàn)不同牧草鮮草產(chǎn)量差別與總蓋度的分布有很大的一致性,7月份貝加爾針茅草甸草原、羊草+中生性雜類草草甸草原總蓋度顯著高于羊草+雜類草草甸草原（P＜0.05）,其他月份不同草地類型均無顯著性差異（P＞0.05）；牧草平均高度6、7、9月份羊草+中生性雜類草草甸草原顯著高于羊草+雜類草草甸草原（P＜0.05）。

總蓋度、牧草高度與牧草產(chǎn)量在各地段變化趨勢類似,群落生長各階段總蓋度、牧草高度與牧草產(chǎn)量之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系（圖6）。7月牧草蓋度與其產(chǎn)量相關(guān)度均達到極顯著水平（R2=0.999 4,P＜0.01）。9月牧草高度與牧草產(chǎn)量間具有極顯著的相關(guān)性（R2=0.984 8,P＜0.01）。并且牧草高度、蓋度和鮮草產(chǎn)量7、8月份達到了全生長期的最高值。因此,可以在月度牧草產(chǎn)量估算的基礎(chǔ)上,求取牧草季節(jié)最大產(chǎn)量,即為年度最大產(chǎn)量,進而通過該區(qū)域年最高牧草產(chǎn)量以及標準牛單位需草量等估算草地年最高載畜力。

2.4 草地載畜力估測天然草地是傳統(tǒng)畜牧業(yè)賴以生存和發(fā)展的載體。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,超載導(dǎo)致的草場退化問題尤為突出。因此,對天然草地載畜力進行估算可為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。草地的合理載畜量,是指在一定的草地面積和一定的利用時間內(nèi),在適度放牧（或割草）利用并維護草地可持續(xù)生產(chǎn)的條件下,滿足承養(yǎng)家畜正常生長、繁殖、生產(chǎn)畜產(chǎn)品的需要所能承養(yǎng)的家畜頭數(shù)和時間。合理載畜量又稱理論載畜量。

在進行理論載畜量估算時,考慮到草地可持續(xù)利用的需要,溫帶草甸放牧地的利用率為50%～60%,割草地的利用率為75%,本研究取溫帶草甸草原草地可利用率平均為70%；當?shù)?標準家畜單位飼草消耗量約為8 kg/d。經(jīng)計算,2009年謝爾塔拉草甸草原平均理論載畜率為0.306 6牛單位/hm2。本區(qū)域劃分季節(jié)放牧地和割草地,草地面積約24 666.67 hm2,可以估算2009年謝爾塔拉草甸草原適宜載畜量為7 562.40牛單位。經(jīng)調(diào)查,2009年6月實際載畜量達8 573.33牛單位,超載率達13.37%。

3 討論與結(jié)論

天然牧草產(chǎn)量的測定分以樣地的實地測定和利用模型進行估測2個方面,實地測定已在不同草原類型做了大量工作,本研究利用改進后的CASA模型估算2009年牧草生長季呼倫貝爾謝爾塔拉草甸草原的NPP值。自5月開始,隨月份增加,NPP依次增加,到7月份達到最大,然后又漸漸降低,草原NPP年內(nèi)變化與草原植被的返青期-生長期-衰退期相對應(yīng),這與石瑞香等[23]的研究結(jié)果相一致。

CASA模型是針對北美地區(qū)植被而建立的凈第一性生產(chǎn)力NPP模型,樸世龍等[4]研究了CASA模型不足之處,認為CASA模型雖然充分考慮了環(huán)境條件和植被本身特征,但在一些參數(shù)的確定和求算過程的細節(jié)上仍有一些不足。李剛等[9]針對模型修改了模型參數(shù)（PAR,FPAR）,使之成為適合草地估算的模型。本研究將CASA模型模擬結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果對比,2009年牧草生長季謝爾塔拉草甸草原牧草產(chǎn)量模擬值與實測值變化趨勢基本相一致,且相對誤差介于0.83%～9.43%,平均誤差為5.95%,牧草產(chǎn)量的模擬精度達到94.05%,這與李剛等[9]研究未退化的草甸草原和典型草原的模擬精度為90%以上的結(jié)果相吻合；這一結(jié)果表明,改進后的CASA模型在模擬不同尺度草甸草原草地生產(chǎn)力精度均有了較大提高。

謝爾塔拉不同草甸草原植被類型的植被總蓋度、平均高度以及地上生物量鮮草產(chǎn)量的季節(jié)變化呈現(xiàn)單峰曲線,牧草高度、蓋度和鮮草產(chǎn)量7、8月份達到了全生長期的最高值,群落生長各階段總蓋度、牧草高度與牧草產(chǎn)量之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系,這與周麗艷等[24]研究不同時期貝加爾針茅草原草群高度與地上生物量、群落總蓋度存在極顯著的相關(guān)性相一致。

不同區(qū)域草地年最高載畜力估算,受著多種因素的影響,如放牧時間、草地面積、牧草長勢、可利用程度等。本研究根據(jù)區(qū)域年最高產(chǎn)草總量以及標準牛單位需草量等估測載畜量[17]。經(jīng)計算測得2009年謝爾塔拉草甸草原平均理論載畜率為0.306 6牛單位/hm2,適宜載畜量為7 562.40牛單位,超載率達13.37%。研究結(jié)果為合理利用草地資源,科學(xué)調(diào)度以實現(xiàn)草畜平衡,促進畜牧業(yè)健康發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供了依據(jù)和參考。

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