翟 星,王繼燕,2,于 冰,2,蘇 勇,2,楊瑩輝,2
(1. 西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院,四川 成都 610500;2. 西南石油大學(xué)防災(zāi)應(yīng)急研究中心,四川 成都 610500)
若爾蓋高原是世界上面積最大的高原沼澤泥炭濕地之一[1],是我國黃河上游主要的水源地,具有重要的生態(tài)環(huán)境資源優(yōu)勢[2]。然而,受人類活動的影響,該區(qū)域出現(xiàn)了濕地、草地退化和土地沙化等現(xiàn)象[3],其水源涵養(yǎng)及生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅[4]。放牧是該區(qū)域最主要的人類活動[5],準(zhǔn)確、快速地估測放牧強(qiáng)度有助于掌握若爾蓋高原的放牧情況,了解人類活動對該區(qū)域水源涵養(yǎng)及生態(tài)環(huán)境的影響,為該地區(qū)合理安排人類活動、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)與理論支持。
隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,遙感影像為大范圍、長時序草地動態(tài)監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的手段,被廣泛應(yīng)用于放牧強(qiáng)度的監(jiān)測[6]。一些學(xué)者[7-8]基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)與實(shí)測的放牧強(qiáng)度數(shù)據(jù)建立一定的函數(shù)模型,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度的表達(dá);另外一些學(xué)者[8-11]則認(rèn)為,放牧顯著影響著地上生物量(aboveground biomass, AGB),并通過估算生物量來反映放牧強(qiáng)度的變化。然而,現(xiàn)有放牧強(qiáng)度估算方法大多是基于實(shí)測放牧強(qiáng)度與植被指數(shù)或生物量之間的相關(guān)性建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)P凸浪惴拍翉?qiáng)度,不能反映放牧引起的地面植被的變化,也較難適用于不同地區(qū)、不同時間放牧強(qiáng)度的監(jiān)測[12-13],給準(zhǔn)確估算區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度帶來了挑戰(zhàn)。地上凈初級生產(chǎn)力(aboveground net primary productivity, ANPP)是綠色植被通過光合作用固定的有機(jī)碳扣除植被本身呼吸(自養(yǎng)呼吸)消耗的部分,即植被生物量的凈增加量[14],能在一定程度上反映自然和人類活動引起的地表景觀變化[15]。若僅考慮人類活動(主要為放牧),ANPP 與地上生物量的差值是牧草自然生長和放牧共同作用的結(jié)果,可以用于不同地區(qū)和不同時段草地放牧強(qiáng)度的估算,為估算區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度提供了新的契機(jī)。
因此,本研究基于遙感數(shù)據(jù)和地面實(shí)測數(shù)據(jù),利用ANPP 和地上生物量的差值估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度,分析該區(qū)域放牧強(qiáng)度的時空變化,以期為若爾蓋高原生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人類活動及社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。
若爾蓋高原地處于青藏高原的東北部[16],行政上主要包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣,以及甘肅省的瑪曲縣和碌曲縣,面積約42 770.02 km2,平均海拔約3 500 m[17]。該區(qū)域?qū)儆谇嗖馗咴錃夂騾^(qū),冬季漫長而寒冷,夏季短暫而濕潤,春秋短促且分異不明顯[18],年平均氣溫為0.7 ℃,年均降水量650 mm,主要集中在6 月 ? 8 月,約占年降水量的1/2[16]。研究區(qū)內(nèi)草地利用類型以放牧為主,主要分為夏牧場(5 月至9 月)和冬牧場(10 月至次年4 月)[4],牲畜以耗牛、羊?yàn)橹鱗19]。
所使用的數(shù)據(jù)主要包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)、氣象數(shù)據(jù)、野外實(shí)測數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中NDVI 數(shù)據(jù)主要選取2010?2019 年生長季(7 月 ?8 月) MOD13Q1 植被指數(shù)產(chǎn)品,時間分辨率為16 d,空間分辨率為250 m,用于構(gòu)建地上凈初級生產(chǎn)力模型和地上生物量模型。氣象數(shù)據(jù)主要包括2010?2019 年逐月的平均溫度及降水量數(shù)據(jù),來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。野外實(shí)測數(shù)據(jù)為地上生物量數(shù)據(jù),于2019 年6 月 ? 8 月生長季利用刈割法沿若爾蓋濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)隨機(jī)采樣,樣點(diǎn)盡量選擇在不同植被種類覆蓋的草地上且分布均勻(樣點(diǎn)分布如圖1 所示)。并結(jié)合若爾蓋地區(qū)的氣候特點(diǎn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料,利用生物量干重與凈初級生產(chǎn)力的比值(0.45)[20]獲得地上凈初級生產(chǎn)力,即按每2.2 g干重約等于1 g 碳換算。統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過走訪調(diào)查獲得采樣附近牧場牛、羊總數(shù)及牧場面積,并根據(jù)《NY/T 635-2015 天然草地合理載畜量的計算》[11]將牛羊數(shù)量換算為標(biāo)準(zhǔn)牛單位,利用公式(1)計算放牧強(qiáng)度。
圖1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Location of the study area
鑒于NDVI 能較好地反映草地ANPP 與地上生物量的變化[21],本研究分別基于NDVI 與ANPP、NDVI與野外實(shí)測的地上生物量建立回歸模型,用于估算若爾蓋高原ANPP 以及地上生物量,進(jìn)而估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度。
地上凈初級生產(chǎn)力是判定草地生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡和碳循環(huán)的關(guān)鍵因素,也是判定草地生態(tài)環(huán)境中植被生長狀況的主要因子[22]。而NDVI 是衡量植被覆蓋率和不同植被種群生長狀況的最佳指示因子,被廣泛應(yīng)用于植被ANPP 的估算[23],并且與ANPP存在統(tǒng)計學(xué)上的正相關(guān)關(guān)系。隨著NDVI 的增加,ANPP 也隨之增加[24]。因此,基于地面實(shí)測數(shù)據(jù)建立并比較了ANPP 與NDVI 之間的線性、對數(shù)、二次項(xiàng)、冪函數(shù)和指數(shù)回歸模型(表1)。其中,冪函數(shù)回歸模型R2最高(R2= 0.705),均方根誤差(root mean square error, RMSE)最小,為77.2 g·m?2。因此,本研究基于若爾蓋高原區(qū)域尺度NDVI,利用冪函數(shù)回歸模型反演該區(qū)域ANPP。
鑒于氣象因素能顯著影響草地生長狀況及植被光合作用[25],繼而影響ANPP 估算結(jié)果,參考前人研究[26],引入溫度和降水量兩個氣象因子對冪函數(shù)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化,避免ANPP 估算結(jié)果在不同時間段存在較大波動,如公式(2)。
表1 地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間的回歸模型Table 1 Regression model between aboveground net primary productivity (ANPP)and normalized difference vegetation index (NDVI)
地上生物量是衡量草地長勢及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要參數(shù),對于草地生態(tài)系統(tǒng)碳收支、資源可持續(xù)發(fā)展等研究具有重要意義[27]。而NDVI 是判定植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度的重要因子,能夠反映植物冠層的變化,與地上生物量具有一定相關(guān)性且存在統(tǒng)計學(xué)上的正相關(guān)關(guān)系[28]。然而,由于不同地區(qū)或者不同時段的生物量變化存在一定差異性,兩者表現(xiàn)出不同的回歸關(guān)系[29]。本研究基于地面實(shí)測數(shù)據(jù)比較了AGB 與NDVI 之間的線性、冪函數(shù)、對數(shù)、指數(shù)回歸模型(表2)。其中,冪函數(shù)回歸模型R2最高(R2= 0.788),RMSE 最小(71.4 g·m?2),AGB 模擬效果最好。因此,本研究利用冪函數(shù)回歸模型模擬若爾蓋高原區(qū)域尺度地上生物量。
表2 地上生物量與歸一化植被指數(shù)之間的回歸模型Table 2 Regression model between aboveground biomass and normalized difference vegetation index (NDVI)
放牧強(qiáng)度(grazing Intensity,GI)是評價草地現(xiàn)狀的重要指標(biāo),主要用于定量化表達(dá)牲畜對草地利用的強(qiáng)度,也稱為放牧壓強(qiáng)或放牧率[11,30],單位為AU·hm?2。在僅考慮放牧的情況下,放牧強(qiáng)度與短時間牲畜采食量(feed intake,F(xiàn)I)直接相關(guān)[31]。因此,引入凈初級生產(chǎn)力(ANPP)計算牧草生長量后,一定時間段內(nèi)單位面積牲畜采食量可以利用單位時間內(nèi)牧草生長量和單位時間內(nèi)地上生物量變化差值計算求得,即:
式中:T 代表時間,P 為單位牲畜1 d 的采食量,ANPPt為t 時間內(nèi)地上凈初級生產(chǎn)力積累,AGBt為t 時間內(nèi)地上生物量的變化。
依據(jù)《NY/T 635-2015 天然草地合理載畜量的計算》[11]和實(shí)地統(tǒng)計數(shù)據(jù),1 個牛單位每天的啃食量P 約為13 kg 干草。那么模擬放牧強(qiáng)度則為:
為評價若爾蓋高原放牧強(qiáng)度模擬精度,將模擬放牧強(qiáng)度數(shù)據(jù)與實(shí)測放牧強(qiáng)度實(shí)測數(shù)據(jù)比較(圖2)。
圖2 放牧強(qiáng)度檢驗(yàn)Figure 2 Validation of grazing intensity
若爾蓋高原放牧強(qiáng)度模擬結(jié)果與實(shí)測放牧強(qiáng)度較為一致,其散點(diǎn)均勻分布在1 : 1 線兩側(cè),其相關(guān)系數(shù)為0.781 3??芍?,本研究模擬的放牧強(qiáng)度與實(shí)測放牧強(qiáng)度的相關(guān)性較好,模擬結(jié)果較為可靠,能夠做進(jìn)一步的分析。
若爾蓋高原區(qū)域尺度平均放牧強(qiáng)度為1.87 AU·hm?2,根據(jù)國家放牧強(qiáng)度評定標(biāo)準(zhǔn)以及若爾蓋地區(qū)放牧強(qiáng)度分級經(jīng)驗(yàn)[7,10,32],屬于過度放牧狀態(tài),其放牧強(qiáng)度最低值為0.31 AU·hm?2,主要分布若爾蓋高原西北部地區(qū),而最高值為3.29 AU·hm?2,主要分布在若爾蓋高原東部地區(qū)。從空間分布上看,若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度整體呈現(xiàn)東南部偏高、西北部偏低的分布態(tài)勢(圖3)。其中,若爾蓋高原東部地區(qū)平均放牧強(qiáng)度在2 AU·hm?2以上,而若爾蓋高原西北部、西南部地區(qū)平均放牧強(qiáng)度在1.5 AU·hm?2以下。此外,對于放牧強(qiáng)度估算結(jié)果為0 或低于0 的區(qū)域是由于河流位置、人為設(shè)施等因素造成,在結(jié)果圖中全部用0 表示。
從行政區(qū)域上看,若爾蓋縣大部分地區(qū)為純牧區(qū),平均放牧強(qiáng)度最高,為2.31 AU·hm?2,其南部地區(qū)放牧強(qiáng)度較高,北部地區(qū)相對較低;其次為紅原縣,平均放牧強(qiáng)度為2.01 AU·hm?2,其北部地區(qū)放牧強(qiáng)度較高,南部地區(qū)相對較低;碌曲縣、阿壩縣均擁有純牧區(qū)和半農(nóng)半牧區(qū),且平均放牧強(qiáng)度與研究區(qū)均值相近,分別為1.81 和1.72 AU·hm?2;瑪曲縣地區(qū)海拔相對較高,屬于半農(nóng)半牧地區(qū),平均放牧強(qiáng)度最低,為1.41 AU·hm?2,其放牧強(qiáng)度偏高的區(qū)域主要集中于瑪曲縣南部地區(qū)。
圖3 若爾蓋高原2019 年放牧強(qiáng)度空間分布Figure 3 Spatial distribution map of grazing intensity in Zoige Plateau in 2019
若爾蓋高原2010?2019 年放牧強(qiáng)度均值為1.78 AU·hm?2,最低為0.23 AU·hm?2,主要分布在若爾蓋高原西北部地區(qū)和西南部地區(qū),而最高值為2.98 AU·hm?2,主要分布在若爾蓋東部地區(qū),與2019 年相似。從時間變化上看,若爾蓋高原2010 ? 2019 年放牧強(qiáng)度具有明顯的波動,整體呈上升的趨勢(圖4)。其中,2012 和2017 年放牧強(qiáng)度達(dá)到峰值,分別為2.05 和2.49 AU·hm?2,2014 年最低,為1.62 AU·hm?2。2010 ?2012 及2014 ? 2017 年放牧強(qiáng)度呈逐漸上升的趨勢,2012 ? 2014 及2017 ? 2019 年放牧強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢。
從行政區(qū)域上來看(圖5),若爾蓋高原各區(qū)縣與整個地區(qū)2010?2019 年放牧強(qiáng)度變化趨勢基本一致,呈微弱增加后降低,再增加后平衡的趨勢,但部分地區(qū)放牧強(qiáng)度變化趨勢存在顯著差異。其中,東部若爾蓋縣和紅原縣平均放牧強(qiáng)度常年處于1.6~2.5 AU·hm?2,且緩慢增加。西部瑪曲縣和阿壩縣放牧強(qiáng)度相對較低,處于1~1.7 AU·hm?2,并分別于2014 年和2016 年達(dá)到峰值后,趨于平穩(wěn)。北部碌曲縣放牧強(qiáng)度先下降后增加,保持在整個區(qū)域平均值左右,最低為1.38 AU·hm?2,最高為1.89 AU·hm?2。
圖4 放牧強(qiáng)度變化趨勢Figure 4 Trend of grazing intensity
圖5 若爾蓋高原各區(qū)(縣) 2010?2019 年放牧強(qiáng)度變化趨勢Figure 5 Trend of grazing intensity in each district (county) of the Zoige Plateau from 2010 to 2019
本研究基于NDVI 數(shù)據(jù)、地面實(shí)測數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù),通過建立關(guān)系模型模擬若爾蓋高原ANPP和地上生物量,進(jìn)而模擬該區(qū)域草地放牧強(qiáng)度。與前人研究相比[7,13],此方法在生物量差異法的基礎(chǔ)上,引入了ANPP 數(shù)據(jù)計算牧草生長量,使得生物量差異法能夠獲取一段時間內(nèi)的牲畜采食量,從而獲取放牧強(qiáng)度的信息,具有一定可取性。同時,考慮研究區(qū)水熱條件,將其作為調(diào)節(jié)因子引入ANPP 估算模型,避免了ANPP 估算結(jié)果階躍式波動,使模擬結(jié)果更加可靠。此外,本研究將ANPP 與地上生物量相結(jié)合用于區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度的模擬,一定程度上反映了地面植被的變化,為若爾蓋高原放牧強(qiáng)度時空變化分析提供了較為可靠的數(shù)據(jù)來源。通過修改相應(yīng)的參數(shù),此方法亦可嘗試用于其他地區(qū)、其他時間放牧強(qiáng)度的監(jiān)測。
然而,在ANPP 估算模型構(gòu)建過程中,本研究只考慮了溫度和降水,卻沒有關(guān)注其他氣象因子(濕度、日照等)[33],這些因素是否會影響模型模擬精度,還有待商榷。另外,在估算放牧強(qiáng)度的過程中,ANPP 與地上生物量均通過經(jīng)驗(yàn)回歸模型獲得,有可能存在誤差累積的問題。同時,本研究在放牧強(qiáng)度模型的計算中,并沒有考慮成年牲畜和未成年牲畜之間的采食量差異[34],有可能使得放牧強(qiáng)度模型估算結(jié)果中的數(shù)值偏高。因此,為了提高放牧強(qiáng)度估算精度,下一步的工作可以從收集更多空間、范圍的數(shù)據(jù),考慮多種影響因素,構(gòu)建更加普適性的模型等幾個方面開展。
不少學(xué)者指出,ANPP 和地上生物量是估測放牧強(qiáng)度的關(guān)鍵變量,并認(rèn)為ANPP 和地上生物量的分布是草原放牧強(qiáng)度的直接體現(xiàn)[35]。經(jīng)模型分析可知,若爾蓋高原ANPP 為13.4~369.3 g·m?2,平均為152 g·m?2。從空間分布上看,該區(qū)域草地ANPP 呈現(xiàn)東南偏高、西北偏低的分布態(tài)勢(圖6)。其中,若爾蓋高原西北部地區(qū)由于山地特征明顯、海拔較高,氣候相對干燥且多稀疏草原,ANPP 平均值低于150 g·m?2,而東部地區(qū)海拔較低、氣候濕潤、植物光合作用較強(qiáng),草地長勢較好,ANPP 平均值高于250 g·m?2。此外,若爾蓋高原受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊?,其計算后的各像元值通常為正?shù),說明該區(qū)域在非生長季仍具有一定的固碳能力,特別是海拔較低的植被覆蓋區(qū)域的固碳能力較強(qiáng)。而若爾蓋高原地上生物量為31.7~516.3 g·m?2,平均為221 g·m?2。從空間分布上看,若爾蓋高原地上生物量呈現(xiàn)中部及北部較高,南部較低的分布態(tài)勢(圖6)。其中,若爾蓋高原中部、北部地區(qū)河流較多、水熱條件較好,更適合草地生長[36],其地上生物量大于350 g·m?2。而瑪曲縣西部、阿壩縣西部等地區(qū)海拔相對較高、水熱條件稍差,主要分布長勢較差的草地,同時,若爾蓋縣東部等地區(qū)由于過度放牧的影響,其地上生物量較低,小于150 g·m?2。
圖6 若爾蓋高原地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)分布和地上生物量(AGB)空間分布Figure 6 Spatial distribution of aboveground net primary productivity vegetation (ANPP)and aboveground biomass (AGB) in Zoige Plateau
綜上所述,將ANPP、AGB 分布和放牧強(qiáng)度分布對比可知,放牧強(qiáng)度高的區(qū)域,ANPP 值正常或偏高,AGB 值偏低,放牧強(qiáng)度低的區(qū)域,ANPP 值正?;蚱?,AGB 值偏高,說明若爾蓋高原主要的放牧區(qū)位于海拔較低、水熱條件好、植被長勢較好的區(qū)域,即該區(qū)域ANPP 值較高。但在過度放牧的條件下,該區(qū)域地上生物量相對較低,也導(dǎo)致ANPP 值下降,與前人研究一致[11]。另外,主城區(qū)附近的地區(qū)ANPP 和地上生物量均相對較低,這是由于人類活動、建筑設(shè)施等不可控因素,導(dǎo)致植被指數(shù)相對較低,影響ANPP 和地上生物量的計算。
近10 年來,若爾蓋高原呈現(xiàn)過度放牧的狀態(tài),且東南部地區(qū)放牧強(qiáng)度高于西北地區(qū)。這是因?yàn)槿魻柹w高原東部海拔較低、氣候濕潤,有豐富的水文資源,且分布大量的天然草原[17],是主要的純牧區(qū);而西部地區(qū)海拔較高、水熱條件較差,主要分布長勢較差的草地,且該區(qū)域?yàn)榘朕r(nóng)半牧區(qū),放牧活動受到一定制約。另外,若爾蓋高原放牧強(qiáng)度隨時間變化呈現(xiàn)上升的趨勢,這是因?yàn)樵搮^(qū)域以畜牧業(yè)為主,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對自然需求的增加,放牧活動頻繁,對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的影響。
楊晶晶等[37]研究發(fā)現(xiàn),除ANPP、地上生物量外,放牧強(qiáng)度還對草原植物群落和物種多樣性有一定影響。肖翔等[38]對不同放牧強(qiáng)度下土壤物理性質(zhì)進(jìn)行了對比研究,表明隨著放牧強(qiáng)度的增加,土壤硬度隨之增大。綜上所述,放牧強(qiáng)度對生態(tài)環(huán)境中不同的自然因素均有一定影響。然而,由于受文獻(xiàn)資料的限制和模型本身的局限性,本研究除ANPP、地上生物量外沒有考慮其他因素的影響。
為快速準(zhǔn)確估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度,本研究基于遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地面實(shí)測數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型估算地上凈初級生產(chǎn)力和地上生物量,通過地上凈初級生產(chǎn)力與地上生物量的差值實(shí)現(xiàn)了區(qū)域尺度放牧強(qiáng)度的估算。主要結(jié)論如下:
本研究通過放牧強(qiáng)度估算模型,分析若爾蓋高原放牧強(qiáng)度分布情況,并通過地面實(shí)測數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證,R2為0.781 3,達(dá)到極顯著相關(guān)水平P < 0.05,且RMSE 較小,精度可到70%以上,表明該方法模擬若爾蓋高原放牧強(qiáng)度是可行的。該方法將若爾蓋高原不同放牧強(qiáng)度等級的區(qū)域區(qū)分的同時,也能計算出其放牧強(qiáng)度的具體數(shù)值,具有一定參考價值。
若爾蓋高原放牧強(qiáng)度整體呈現(xiàn)出東南部偏高、西北部偏低的分布態(tài)勢。其中,若爾蓋縣放牧強(qiáng)度最高,為2.31 AU·hm?2,其次是紅原縣、碌曲縣、阿壩縣,而瑪曲縣放牧強(qiáng)度最低,為1.41 AU·hm?2。在時間變化上,若爾蓋高原2010?2019 年放牧強(qiáng)度先增加后減少,再增后小幅度減少,整體呈增加的趨勢。
若爾蓋高原近年來處于過度放牧狀態(tài),且ANPP和地上生物量的分布態(tài)勢與放牧強(qiáng)度的大小具有一定的關(guān)聯(lián)性。其中,若爾蓋高原ANPP 為0~400 g·m?2,呈東南高西北低的分布態(tài)勢。而若爾蓋高原地上生物量在31.7~516.3 g·m?2,呈現(xiàn)中部及北部較高,其余部分較低的分布態(tài)勢。