辉河国家级自然保护区草原湿地生态承载力与可持续发展研究

张明+徐德琳+游广永

摘要：利用地面高光譜与地上生物量的对应测定，建立草原与湿地地面光谱的生物量模型，从而进行草原湿地生态承载力界定。结果表明，2000-2010年辉河草原湿地保护区的年产草量变化在2.002×108～6.650×108 kg，平均为4.603×108 kg，最高年份出现在2002年，最低年份出现在2007年，最高年份是最低年份的3.3倍。饲草利用率对草原湿地保护区生态承载力有直接的影响，不同饲草利用率水平下的产草量变化特点同样也是以2002年最高，2007年最低。对生态承载力的驱动分析表明，春季4-5月的适当高温和生长旺季（6-7月）的相对低温，加之6-7月的较高降水量，对草原湿地的生态承载力有极大的影响。从空间格局来看，生产力水平高值区明显分布在辉河河漫滩及周边地区与距离辉河较远的保护区东部。在生态承载力较高的年份，基于初级生产力水平分级的空间异质性较高，其表现形式就是斑块密度高、占优势的级别斑块大；在干旱的年份，基于初级生产力水平分级的空间异质性降低，表现为斑块数量少、占优势级别的斑块小，呈集中连片的分布。草原湿地生态承载力受到草地面积大小、饲草利用率和气候因素的影响。要从根本上提高草原湿地生态承载力，必须针对草地面积、饲草利用率2个方面进行科学合理的调控，以促进辉河国家级自然保护区的可持续发展。

关键词：生态承载力；可持续发展；生物量模型；辉河国家级自然保护区

中图分类号：F301.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）01-0056-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.01.014

Abstract： Based on the method of corresponding determination of ground hyperspectral and aboveground biomass，biomass model of ground spectrum of grassland and wetland was built and used to calculate ecological carrying capacity of grassland and wetland. The results showed that variation range of yield of grass was from 2.002×108 kg to 6.650×108 kg，the average was 4.603×108 kg. The highest year was 2002，which was 3.3 times than the lowest year 2007. The utilization rate of forage grass directly influenced ecological carrying capacity of Huihe natural reserve. Driving analysis of ecological carrying capacity showed that appropriate high temperature of spring season（April to May），relatively low temperature of growing season （June to July），and higher precipitation of summer season （June to July） were the 3 major factors affecting ecological carrying capacity.Spatial pattern was obvious，high productivity area mainly distributed in Huihe flood plain-neighboring region and eastern region of natural reserve. In year of high ecological carrying capacity，spatial heterogeneity of primary productivity level was also high，performing as high patch density and big dominant level patches. But in year of drought，spatial heterogeneity of primary productivity level was also low，performing as low patch density and small dominant level patches. Ecological carrying capacity of grassland and wetland was affected by grassland area，utilization rate of forage grass，and climate factor. So scientific and rational regulation should be applied to grassland area，utilization rate of forage grass to enhance ecological carrying capacity of grassland and wetland and promote sustainable development of Huihe National Nature Reserve.

Key words： ecological carrying capacity； sustainable development； biomass model； Huihe national nature reserveendprint

可持续发展的基本内涵是人类社会发展与经济增长必须控制在自然资源和环境容量能够支撑和允许的范围内，其实质是强调社会经济与资源、环境保护之间的协调[1]。由于自身的调节功能，生态系统对干扰具有一定的承受能力；只要外界干扰的强度不超过一定限度，生态系统可以维持其结构、功能的基本稳定；如果干扰超过生态系统的承载能力，生态系统的基本结构和功能将遭到破坏[2]。生态承载力的本质是生态系统的可持续承载，它有上下两个阈值，如果超出了这个范围，就不能正常发挥其功能，以至于偏离可持续发展轨道[3]。生态承载力可以描述人类活动与生态系统相互作用的界面特征，是生态系统与社会经济发展协调与否的重要判断依据，为区域发展、环境管理和生态保护提供科学依据。

目前，国内外生态承载力的研究方法主要有自然植被第一性生产力法、供需平衡法、生态承载力综合评价法、状态空间法和生态足迹法等[4]。近些年随着遥感技术的不断完善，许多研究人员利用TM、MODIS等不同类型的遥感数据来直接提取各种植被指数。其主要技术路线是利用GPS定位技术标定地面生物量和高光谱反射特征，建立卫星遥感的植被指数与草地生物量之间的回归模型，然后通过模型对TM或MODIS等遥感数据进行区域生产力分析。这种方法已经成为不同区域植被生产力（当年地上生物量）估产的主要手段之一，具有精度相对较高、可重复测定的特点，对研究草原生产力分布格局、进行区域生态承载力分析研究具有重要意义。但是，在这些研究方法中存在着地面生物量数据获取时间与遥感数据获取时间不同步、所测定样方数量不足、生物量在像元中的代表性较低等一系列的问题。因此，采用光谱仪通过地面高光谱和地上生物量的对应测定，构建与MODIS（或TM）波段一致的NDVI与地上生物量的统计学模型，然后用模型反演像元的NDVI的当年生产力值，成为提高区域生产力水平测定、进行生态承载力界定的可行方法。从基于高光谱地面估算模型的草原湿地生态承载力的界定方法来看，该方法的优点是应用了遥感技术手段使数据的来源与遥感卫星的观察频率一致，数据的精度与卫星的分辨率保持一致。

草原是全球陆地生态系统的重要组成部分，并发挥着食物生产、家畜饲养、生物多样性维持、碳素储存、水土保持及提供休闲和旅游景观等多种经济和生态服务功能[5]。在中国，草地不仅提供饲草饲料支撑畜牧业生产，在防风固沙、水土保持、水源涵养以及生物多样性保护和陆地生态系统碳循环中也扮演着重要角色。近年来，中国不少地区草地退化严重，植被覆盖率下降，沙尘暴等生态灾难时有发生，草地的生态服务功能下降，这些都阻碍了区域的可持续发展[6]。草原生态承载力（Ecological capacity of grassland）也称草原真实载畜能力，是指在一定条件下，草原或湿地生态系统在保证维持其基本生态功能，且不发生退化的基础上所能持续支持草食家畜的最大数量。内蒙古辉河国家级自然保护区内有常驻自然村落10个，2010年人口为4 401人，以从事畜牧业为主，牲畜约30万头[7]。对处于半干旱草原区的辉河自然保护区开展草原湿地生态承载力研究，分析生态承载力动态变化趋势与空间分布，有利于制定自然资源保护与发展策略，以促进自然保护区的可持续发展。

1 研究区域概况与方法

1.1 研究区域概况

辉河国家级自然保护区始建于1997年，1999 年晋升为自治区级自然保护区，2002年晋升为国家级自然保护区。辉河国家级自然保护区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗、新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗行政区域内，地理坐标为东经118°30′-119°45′，北纬48°05′-49°17′，总面积3 468.48 km2。辉河自然保护区所在区域在地质构造上属海西褶皱带地质构造，地貌基本上属丘陵-高平原的地貌组合，河流主要为辉河，发源于大兴安岭山地，自东南流向西北又折向北流，呈新月状，形成大面积沼泽，最终汇入伊敏河。流域地势南部高，北部低，海拔介于711～1 321 m。

保护区属中温带大陆性气候，冬季漫长寒冷，夏季温和短促，降水集中，春秋两季气候变化剧烈，降水少，风大。区域极端最低气温-46.6 ℃，最高气温37.7 ℃，多年年平均气温均值-1.5 ℃，无霜期90～110 d；日照充足，年日照时间平均2 900 h，日照百分率61%以上；降水量多集中在夏季，多年平均降水量325 mm，70%集中在6-9月；平均风速在4 m/s以上。植被分区属欧亚草原区亚洲中部亚区、蒙古高原植物省、蒙古高原东部典型草原洲。地带性植被为草甸草原和典型草原植被，隐域性植被有沼泽植被、水生植被、沙地疏林植被等。

1.2 研究方法

1.2.1 数据测定与收集 草原湿地生态承载力的界定将采用高光谱地面生物量估算模型，结合MODIS遥感数据，在内蒙古呼伦贝尔辉河国家级湿地自然保护区进行草原湿地生态承载力案例研究。充分利用MODIS遥感数据获取的连续性特点，分别采用2000-2010年的7月27日（或28日）的数据进行动态生态承载力评价。区域NDVI数据采用MODIS数据的16 d平均值，时间为每年的7月28（或27）日。所以地面高光谱测定的最佳时期在每年的7月下旬。

使用美国ASD公司的Fieldspec3光谱辐射仪进行草地植被光谱测定，视场角25°，光谱范围为350～2 500 nm；采样间隔为1.4 nm（350～1 000 nm）和2 nm（1 000～2 500 nm）；數据间隔1 nm，观测时传感器垂直向下，距离冠层0.5 m，每隔10～15 min用白板进行校正。为减少太阳辐照度的影响，选择的天气状况良好，晴朗无云，风力较小，太阳光强度充足并稳定的时段，野外光谱测量的时间在10：00～15：00。

每个1 m×1 m样方测量光谱数据5组，用数据线连接光谱仪和GPS，每组数据中带有地理坐标和海拔高度。每个小样方测完光谱后，将植物沿地面齐剪下称其鲜重，并用布袋取回，放入烘箱内，80 ℃恒温烘干10～12 h后称其干重。最后用每组光谱数据与对应的样方生物量数据构建光谱——地上当年生物量模型。endprint

1.2.2 生态承载力评价指标 承载力指标主要包括不同生态系统类型（研究区基础土地利用/覆被信息）、草地（湿地）植被生产力（产草量）水平分级、不同植被生产力水平的面积求算、牲畜停食干草累计天数、每个羊单位每天的干草需求量以及饲草利用效率等。

考虑到草原生态系统和湿地生态系统地上生物量的差异，按照研究区自然状况的特点，将草原湿地区划分为湿地生态系统和草地生态系统两个部分来进行分析。草原的357个样方所测定的地上生物量变化在33.5～554.9 g/m2，湿地的66个样方中所测定的地上生物量变化在71.5～838.0 g/m2。所以，对草原和湿地分别构建高光谱生产力模型，是对生产力空间异质性的最佳诠释。

MODIS卫星数据是由TERRA和AQUA二颗太阳同步极轨卫星提供的，它们对地球上的任何一个区域的扫描测定分别是在每天的上午（TERRA，地方时）和下午（AQUA，地方时）进行。其中，NDVI数据的发布是考虑到地球上的任何一个区域在观察的时段都可能受到云层存在的影响，所以采用16 d的平均值来表示每一栅格内的NDVI，TERRA与AQUA获得的NDVI数据在时间更新频率上相配合，可获得时差为8 d的NDVI数据，根据NDVI的变化，可以确定研究区的牲畜停食干草期在每年的具体时间（最大可能误差不超过8 d）。

根据国家标准每个羊单位每天的干草需求量采用1.8 kg标准。根据已有的研究结果，草原牧草的利用率在0.30～0.50。所以，在生态承载力界定中，采用0.02等值间隔的k值曲线在不同水平上进行评价。

1.2.3 地面高光谱估算模型 以地面光谱实测数据提取NDVI和地上生物量的相关性分析为基础，建立呼伦贝尔草原和湿地的地上干物质量估算的地面光谱模型。实测的地面植物光谱特征与高空遥感的地面植物光谱特征存在内在的联系，可以用实测的地面植物光谱特征代表高空遥感的地面植物光谱特征。为了保证统计学模型的可靠性和草场类型的多样性，在草原生态系统测定了357组地面光谱和生物量数据。同时，考虑到湿地隐域植被类型组成变化相对较小，在湿地生态系统测定了66组地面光谱和生物量数据。构建的地面光谱和生物量模型见图1，呼伦贝尔典型草原和湿地植被的最优估产模型为指数函数。

2 结果与分析

2.1 生态承载力分析

草原湿地生态承载力可以通过单位面积产草量（地上生物量）所支持的牲畜头数来简单的表述出来，而草原湿地的产草量在不同的年份中由于气候条件的波动而发生变化，所以草原湿地承载力是一个动态的指标，其与当年的气候特征密切相关。从承载力的分析结果（图2）来看，2000-2010年辉河草原湿地保护区的年产草量变化在2.002×108～6.650×108 kg，最高年份出现在2002年，最低年份出现在2007年，最高年份是最低年份的3.3倍。从平均水平来看，2000-2010年辉河湿地保护区的总产草量平均值为4.603×108 kg。

从不同饲草的利用系数变化对草原湿地的生态承载力的影响（图3）来看，当饲草利用效率为0.30，在研究期间内的生态承载力变化在114 662～380 887个羊单位；当饲草利用效率为0.50，在研究期间内的生态承载力变化在191 103～634 795个羊单位。不同饲草利用率水平下的产草量变化特点同样也是以2002年最高，在2007年最低。从图3还可以看出，饲草利用率对草原湿地区生态承载力有直接的影响。

2.2 生态承载力驱动分析

对产草量波动最大的2002年和2007年的气象资料分析（图4、图5）表明，从年平均气温的变化特点来看，除1、3、4、5 月以外，2002年的月平均气温普遍低于2007年。从年平均气温来看，2007年为1.1 ℃，高于2002年的-0.2 ℃。从年内降水量的波动特点来看，在植物生长最重要的6月和7月，2002年降水量分别达到59.4 mm和119.8 mm，远远高于2007年的36.9 mm和34.2 mm。同时，从年降水量的比较来看，2002年达到了316.1 mm，而2007年的年降水量仅为210.9 mm。由此可见，在春季4、5月的适当高温和生长旺季（6、7月）的相对低温，加之6、7月的较高降水量，对草原湿地的生态承载力有极大的影响。

2.3 生态承载力空间分布格局

從不同时期初级生产力（地上生物量）在2000-2010年的空间分布特点来看，辉河湿地保护区的初级生产力的分布有2个特点。从空间格局来看，生产力水平高值区明显分布在2个部分，第一部分位于辉河河漫滩及周边地区呈条带状分布，第二部分则分布于距离辉河较远的保护区东部；从时间格局来看，生产力格局在时间尺度上变化非常显著，生产力高值区在不同的年份都保持在最高的水平，而且分布于辉河河漫滩及周边地区的生产力高值区要大于距离辉河较远的保护区东部。选择2002、2004和2007年3个年份分别代表辉河湿地保护区最大承载力、平均承载力和最小承载力分析初级生产力的空间格局特征（表1、表2、表3）。

从生产力水平的差异来看，在气候条件较好、生态承载力最高的2002年，初级生产力最高水平达到700 g/m2，在代表平均水平的2004年初级生产力水平最高为600 g/m2，而代表最小承载力的2007年，初级生产力最高水平仅为450 g/m2。

从不同生产力水平的分布面积特点来看，在生态承载力最高的2002年，最大面积的初级生产力水平是200 g/m2级别，面积达到95 375.0 hm2，占总面积的29.778%；而生产力水平最低的50 g/m2级别，面积仅为4 544.5 hm2，占总面积的1.419%。在生态承载力近似平均水平的2004年，最大面积的初级生产力水平是150 g/m2级别，面积为106 926.3 hm2，占总面积的33.388%；而生产力水平最低级别的50 g/m2，面积达到16 129.8 hm2，占总面积的5.036%。在生态承载力最低的2007年，最大面积的初级生产力水平是达到最低水平的50 g/m2级别，面积高达154 098.5 hm2，占总面积的48.124%；在平均年份最大面积级别150 g/m2的水平上，面积仅为20 800.5 hm2，占总面积的6.496%。endprint

从斑块的数量特征来看，在承载力水平最高的2002年，斑块总数量达到7 339个，在平均水平的2004年斑块总数量为6 319个，而在承载力最低的2007年，斑块数量仅为3 463个。从斑块密度特点来看，在承载力水平最高的2002年，面积占优势地位的150、200、250、300 g/m2 4个级别初级生产力具有较高的斑块密度，分别达到0.349 9、0.424 4、0.450 6、0.311 0个/100 hm2；在承载力近似平均的2004年，面积占优势地位的100、150、200 g/m2 3个级别初级生产力同样具有较高的斑块密度，分别达到0.264 0、0.391 5、0.375 3个/100 hm2；在承载力水平最低的2007年，面积占绝对优势地位的50 g/m2级别初级生产力却拥有较低的斑块密度，为0.141 1个/100 hm2。这说明在气象条件较好、生态承载力较高或近似平均水平的年份，基于初级生产力水平分级的空间异质性较高，其表现形式就是斑块密度高、占优势的级别斑块多；在干旱的年份，基于初级生产力水平分级的空间异质性降低，表现为斑块数量少、占优势级别的斑块小，呈集中连片的分布。

3 小结与讨论

研究结果表明，草原湿地生态承载力受到草地面积大小、饲草利用率和气候因素的影响。其中，气候因素在草原管理实践中人工调控的经济性、可能性以及影响范围等都不具备使用意义。要从根本上提高草原湿地生态承载力，必须针对上述草地面积、饲草利用率2个方面进行科学合理的调控。

3.1 调整土地利用结构

从20世纪60年代以来，在辉河上游的森林区和林草过度区存在较为严重的森林资源过度砍伐和林缘草甸大面积垦殖，结果导致辉河湿地保护区内草地长期超载放牧。近10年来，辉河湿地降水量明显减少，沼泽湿地因气候影响明显缩小，辉河湿地面积萎缩近20%[8]。气温升高、降水量减少、蒸发量增加是湖泊面积变化的自然因素，辉河上游拦河坝的建立是影响湖泊面积变化的人为因素[9]。1995-2010年辉河自然保护区内发生转换的土地面积为911.13 km2，占保护区总面积的26.27%；其中，占自然保护区主体的高覆盖草地发生转换的面积最多（495.57 km2），主要转变为中覆盖草地（334.35 km2）[7]。所以，从调整土地结构的角度来看，可在辉河保护区内低效经营的耕作土地和分布在辉河河漫滩上的季节性集水形成的裸地（18 037.8 hm2）中适合人工草地种植的地块进行优质高产牧草栽培，实现增加草地面积、提高区域生态承载力的目的。

3.2 发展人工草地和饲料地

饲草产业化生产是通过高产、高效的生产经营方式，为市场提供质优、量足、价廉的饲草，满足家畜规模化、集约化生产的需要。饲草产业在整个草地畜牧业中占有举足轻重的地位，没有质优、量足、价廉的饲草，就发挥不出草地畜牧业的比较效益，就不可能有规模化、集约化的家畜生产，天然草地的生态压力也不能得到根本缓解，因此，大力发展优质、高产人工牧草种植，是实现牧区传统经济模式向可持续发展的经济模式转变的重要基础和保证，也是防止草原退化的重要举措。

3.3 调控饲养结构

饲草利用率直接和间接地影响到了区域生态承载力。呼伦贝尔草原的天然饲草利用率由20世纪50年代的0.5下降到2010年的0.3左右。导致这一结果的主要原因是草原牲畜数量增加引发的草原过度放牧啃食，使喜食性和可食性等营养价值高的草种比例下降。从提高饲草利用率的角度出发，辉河湿地保护区的放牧管理要在传统的冬、夏季牧场迁徙转移和仅有打草场、放牧场2种草场利用方式的基础上实行科学合理的草场利用模式。从改善饲草结构的角度出发，要针对辉河自然保护区内牧民居住分散、有较大的庭院空间，发展庭院高效人工草场的建设，改善目前以户承包为生产方式家庭内部饲草供应结构，达到提高以户为单位的饲草利用效率。针对辉河自然保护区内打草场承包到户的现实，对打草场执行严格的夏季禁牧。对公共牧场则要通过划区轮牧的方式，避免草原在局部地方出现过度放牧的现象，特别是在辉河两岸畜群饮水通道要严格实行分时、分区开放，避免草原沙化、退化，饲草利用率降低。对辉河湿地自然保护区内存在的滥挖药材的现象要严格限制，避免滥挖药材对草原植被的破坏和导致的饲草利用率下降。

3.4 降低实际载畜量

在发展草地畜牧业中要调整该地区的畜群结构，严格按照理论载畜量标准，压缩家畜头数，进一步改革和完善牧区草场承包责任制，通过生态补偿建立起牧民自觉以草定畜、保护草原、进行草场建设的激励机制，使“以草定畜”制度化、规范化，明确草地所有权和使用权，并通过土地流转、入股等形式使草原资源通过市场的手段实现优化配置。鼓励牧民以承包草场和牲畜为资本建立多户联合经营的大型牧场企业，使分散承包的草场得到适度集中，以便统一规划、合理分区放牧、提高草原牧场的规模经济效益和生态效益。

草原畜牧业生产是以第一性植物生产为基础的第二性生产，因而实现草原畜牧业可持续发展的决定因素，一是饲草饲料等资源的可持续发展，二是牧畜生产力的可持续发展[10]。研究草原湿地的生态承载力，将有助于草原的可持续发展。

参考文献：

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