青海省草畜平衡遥感监测评估研究*

蔡 福，王学江，井梅秀，苏 妍，包海忠

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110166；2.青海省农牧业遥感中心，西宁 810008）

0 引言

草地资源是畜牧业主要生产资料［1］，中国是世界上草地资源除澳大利亚、加拿大外最丰富的国家，天然拥有草地面积达4亿hm2，占国土面积的41.67%，相当于耕地、林地各自面积的3.3倍和3倍［2］，在国民经济社会发展中扮演着重要角色。合理利用草地资源将有利于推进畜牧业持续稳定发展，对于做好“三农”工作、稳定增加农民收入和调整农村产业结构等具有重要意义［3］。草畜平衡是在适度放牧（或割草）利用并维持草地可持续生产的条件下，满足承养家畜正常生长、繁殖、生产畜产品的需要，所能承养的家畜头数和时间，也可认为是草原使用者为保护草原生态系统良性循环，通过草原和其他途径获取的可利用草料总量与其饲养牲畜的草料需要量之间的动态平衡［4］，是天然草地可持续利用和放牧家畜高效生产的前提。草畜平衡评估技术则是实现草原生态保护和草原畜牧业可持续发展的基础［5］。

国内外相关研究均证实，长期持续超载过牧必然导致天然草地的退化和荒漠化［6］。关于草畜平衡的计算方法已有不少学者进行了相关研究，如根据降雨—草地生产力—载畜量之间的关系进行草地承载力研究［7-8］。国内学者在草地生产力和草畜平衡研究方面多是基于气候、草原生产力、牲畜量等角度开展的研究，取得了一系列的重要成果［9-10］。由于我国草原类型多，放牧利用率差异大，草畜平衡的计算受到明显影响，尤其在宏观尺度上影响更大。另外，由于牧草的生长规律，草原在不同时间可供牲畜采食的饲草量不同，草原承载牲畜的能力不同，特别是同一草地暖季和冷季载畜能力差别较大［11-12］，增加了草畜平衡计算难度。针对上述现状和存在的问题，徐斌等［10］参考了农业部行业标准《天然草地合理载畜量的计算》，通过总饲草料储量和牲畜标准采食量等计算合理载畜量，并与实际载畜量相结合构建草畜平衡指数，评价牧区半牧区的草畜平衡状况，为我国草地资源合理化利用和保护提供重要的理论依据和科学参考。虽然该研究在国家尺度得到一些重要结论，但由于实地调查资料缺乏，针对某个区域考虑的各类指标比较单一，甚至把某些省划分为载畜平衡相同的区域，这一结论明显不能实现对主要草原省份草畜平衡的准确评估。草地是青海境内最大的陆地生态系统，也是非常脆弱的自然生态系统，总面积4 212.7万hm2，其中天然草地面积4 191.7万hm2，占全省各类生态系统总面积的60.47%［13］。草原畜牧业是青海省支柱产业之一，及时、准确监测评估草畜平衡状况直接关系到草原畜牧业乃至区域经济的健康可持续发展，对青海省生态保护与建设起到重要支撑作用。

针对以往研究的不足，本研究拟利用MODIS数据，通过建立遥感光谱信息与地面样方调查数据之间的定量关系模型，对2017年青海省草地产草量进行动态监测，并结合各类牲畜养殖数量的入户调查资料和合理载畜量有关标准对全省草畜平衡进行评估，旨在建立一套青海省草畜平衡定量评估方法，为开展相关领域业务及科研工作提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域及资料

青海省位于青藏高原东北部，地理位置介于北纬31°19′～31°39′，东经89°35′～103°04′。开展遥感监测所采用的数据为中分辨率成像光谱仪（MODIS）的陆地二级标准产品MOD13Q1，该产品为栅格归一化植被指数和增强型植被指数（NDVI/EVI）经16天最大值合成数据（Maximum Value Composites，MVC），空间分辨率为250 m。植被类型来源于《中华人民共和国植被图（1∶1 000 000）》［14］，该图是集全国260余名植被生态学与农林牧业专家经过20余年的努力和一再修订完善的巨制，它详细反映了我国11个植被类型组、55个植被型的960个群系和亚群系植被单位的分布状况、水平地带性和垂直地带性分布规律，及其与气候因子和地面环境因子的关系［15］。青海省植被分类情况见图 1（a）。

图1 青海省植被类型和地面调查点分布Fig. 1 The distributions of vegetation types and field survey sample points of Qinghai province

此外，本研究还采用青海省的省级和县级行政边界数据作为区域划分界线。地面调查数据来自2017年各县的实地调查数据，共计1 594个样点，内容包括样方编号、经纬度、海拔、植物盖度、草群平均高度、总产草量鲜重、可食产草量鲜重等，样点分布见图1（b）。总产草量的测产在草群生长旺盛、产量最高的时间（8月）进行，测定方法为：齐地面剪割草地地上部牧草后称重。草地可食产草量是最高月产草量减去有毒、有害和不可食草的重量［16］。补充饲料粮和各类牲畜养殖数量来源于分县调查数据，2017年共对青海省25个县的人工草地面积及产草量、补饲量各分量（秸秆、青稞、粮食等）、补饲天数、各类牲畜数量进行调查。

1.2 研究方法

1.2.1 遥感数据的处理

选用2017年7—8月NDVI数据进行最大值合成（MVC），得到青海省NDVI最大值空间分布数据（图2）。

图2 2017年青海省NDVI（MVC）数据Fig.2 NDVI（Maximum Value Composites）for grassland in Qinghai province in 2017

1.2.2 草畜平衡评估方法

草畜平衡是结合天然草地上的产草量、牲畜采食量和补饲料量得出理论载畜量，用实际载畜量和理论载畜量来进行评估，关键是获取监测单元内（县）的牲畜数量（换算为标准羊单位）和可被牲畜利用的饲草总量。具体计算过程如下。

（1）天然草地产草量计算

其中，Gn为天然草地产草量，Ge为可食产草量干重，根据遥感测产方法得到，Idry为标准干草折算系数，f为放牧利用率。由于折算系数和放牧利用率都是范围数据，在实际计算时，需要确定不同草地类型的折算系数和放牧利用率。根据《草地合理载畜量计算》标准［17］及辛有俊等［13］研究成果，把青海省草地类型分为9类，确定不同类别草地的折算系数和放牧利用率（表1）。

表1 不同草地类型的折算系数、放牧利用率及估算模型Table 1 Conversion coefficients，grazing efficiencies and evaluation models of different types of grasslands

续表

（2）牲畜采食量计算

牲畜采食量是一个复杂的动态过程，宏观估算中可以进行简化，以完全放牧天数进行粗略估算。计算公式如下：

其中，Gg为牲畜采食量；Ctr为实际载畜量，单位为羊单位，对于羊以外的其他草食牲畜均依据表2折算为标准羊单位，不同牲畜资料来自牧区和半牧区县上年度末畜牧业统计数据和当年家畜补饲情况的调查数据；u为每头羊日食草量，为1.8kg；D为完全放牧天数，经调查，青海省完全放牧时间为4—10月，即214 d。

表2 各种草食动物折算为标准羊单位的系数［17］Table 2 Conversion coefficients of standard sheep unit for different herbivores

县的实际载畜量计算如下：

式中，n代表草食牲畜的种类，Si为第i类草食牲畜的数量，fi为第i类草食牲畜的折算系数。

（3）补充饲料量计算

补充饲料量的计算数据主要来源于县调查数据，主要包括人工草地产草量、补饲秸秆量、青贮饲料量和粮食补饲量等。

式中，Gs为县总补饲量，Ga为人工草地草量，Gc为秸秆补饲量，Gd为青储补饲量，Gf为粮食补饲量。

（4）饲草料总量计算

饲草量总量（Gall）的计算公式如下：

（5）合理载畜量计算

合理载畜量（Cr）是指能保持草场健康和可持续发展的条件下，草场可最大限度承载的牲畜数量。计算公式如下：

（6）草畜平衡指标计算

根据各县计算的实际载畜量和合理载畜量进行草畜平衡状况的划分，载畜平衡指标（B）的计算公式如下：

（7）草畜平衡等级划分

根据各县（市）计算的具体草畜数据情况，进行草畜平衡状况的划分。参照《资源环境承载能力监测预警技术方法（试行）》［18］（2016）并结合青海省实际情况，将载畜情况分为5级，即：<-10%载畜不足，-10%～10%载畜平衡，10%～15%临界超载，15%～30%超载，>30%严重超载。

2 结果与分析

2.1 天然草地产草量计算

针对地面样点数据，剔除部分偏差较大的地面样方点，按草地类型建立NDVI最大值与样方可食产草量鲜重的关系（表1）。用决定系数R2来判断模型的拟合效果，R2越大，模型拟合效果越好。本研究中不同草地类型的R2值均在0.70以上，表明模型拟合效果较好。利用上述关系反演得到青海省草地产草量鲜重空间分布图（图3a）。对遥感估算得到的产草量鲜重数据依据《中国草地资源》中的各类草地类型折算干草的系数［19］（表3）计算得到可食产草量干重空间数据（图3b）。根据公式（1）计算得到天然草地产草量。

表3 各类草地类型折算干草的系数Table 3 Hay conversion coefficients of different types of grasslands

从遥感监测结果来看，青海省草地总产草量空间分布差异比较明显。鲜草单产在4 000kg/hm2以上的区域主要分布在东部零星地区；单产为 2 000～4 000kg/hm2的地区主要分布在东部局部区域；单产为1 000～2 000kg/hm2的区域主要分布在东部和南部；单产为500～1 000kg/hm2的区域主要分布在中部和西部；单产在500kg/hm2以下的区域主要分布于北部和西部。干草单产的空间分布格局与鲜草相似，以东部和南部地区居多。

图3 2017年青海省草地产草量鲜重（a）和干重（b）空间分布Fig.3 The spatial distributions of fresh（a）and dry（b）weight of grass yield for grassland in Qinghai province in 2017

2.2 青海各地区产草量情况

以县级行政边界统计各行政单元产草量情况，再进行市（州）级行政区尺度求和，得出2017年青海省草地鲜草总产量为8 732.03万t，干草总产量为2 774.49万t（表4）。

表4 2017年青海省各地区草地产草量情况Table 4 Grass yields in different areas in Qinghai province in 2017

干草单产居前3位的市（州）分别是西宁市、海北州和黄南州，超过1 000kg/hm2。平均干草单产小于300kg/hm2的县主要位于青海省西北部荒漠草原区的德令哈市和茫崖行委、冷湖行委。

2.3 补充饲料量情况

2017年青海省各地区秸秆补饲量、青储饲料量、人工草地产量和粮食补饲量见表5。

表5 2017年青海省各地补充饲料量情况 万tTable 5 Condition of supplement feeds in different areas in Qinghai province in 2017（Ten thousand tons）

2.4 牧区、半牧区草畜平衡评估结果

根据式（1）～（7）可以求得载畜平衡指标，根据草畜平衡划分等级可实现对青海省牧区及半牧区草畜平衡状况进行评价。表6给出2017年青海省牧区和半牧区草畜平衡评估结果。

表6 2017年青海省草畜平衡评估结果Table 6 Evaluation result of grassland-livestock balance in different areas in Qinghai province in 2017

续表

全省牧区和半牧区县中，5个县载畜不足，占17%；8个县载畜平衡，占28%；7个县超载，占24%；10个县严重超载，占33%。

牧区县共有26个，2017年合理载畜量为3 378万羊单位，实际载畜量为3 748万羊单位，载畜平衡指标为11%，处于临界超载状态（表7），其中载畜不足的县有5个：天峻县、格尔木市、治多县、玛多县和达日县，合理载畜量为577万羊单位，而实际载畜量为404万羊单位；载畜平衡的县有8个：德令哈市、都兰县、曲麻莱县、杂多县、称多县、久治县、玛沁县和甘德县，合理载畜量为986万羊单位，实际载畜量为1 001万羊单位；超载的县有6个：刚察县、海晏县、祁连县、玉树市、班玛县和泽库县，合理载畜量为869万羊单位，实际载畜量为1 050万羊单位；严重超载的县有7个：共和县、乌兰县、兴海县、同德县、贵南县、囊谦县和河南县，合理载畜量为946万羊单位，实际载畜量为1 293万羊单位。

表7 2017年青海牧区县草畜平衡情况Table 7 Condition of grassland-livestock balance in pastoral counties in Qinghai province in 2017

半牧区县有4个，2017年合理载畜量为212万羊单位，实际载畜量为283万羊单位，载畜平衡指标为33%，处于严重超载状态（表8），超载的县是同仁县，合理载畜量为52万羊单位，实际载畜量为60万羊单位；严重超载的县有3个，包括门源县、贵德县和尖扎县，合理载畜量为160万羊单位，实际载畜量为223万羊单位。从空间格局上看，牧区东部和南部地区超载状态严重，而西部地区载畜不足，中部地区处于载畜平衡状态，半牧区均处于超载状态（图4）。

表8 2017年青海半牧区县载畜平衡指标与等级Table 8 Condition of grassland-livestock balance in semi-pastoral counties in Qinghai province in 2017

图4 2017年青海省牧区（a）和半牧区（b）县草畜平衡空间分布情况Fig.4 Spatial distributions of grassland-livestock balance in pastoral（a）and semi-counties in Qinghai province（b）in 2017

3 结论

（1）青海省不同草地类型可食产草量与NDVI呈显著指数函数关系，估算模型决定系数R2都在0.70以上，其中高寒荒漠类草地的估算精度最高，R2达0.99，禾草、薹草高寒草原类草地估算精度较低，R2为0.70。

（2）遥感估算青海省2017年草地鲜草总产量为8 732.03万t，干草总产量为2 774.49万t。其中西宁市、海北州和黄南州干草单产最大，超过1 000kg/hm2，西北部荒漠草原区的德令哈市和茫崖行委、冷湖行委单产最小，在300kg/hm2以下。补饲量各分量中，人工草地产草量为最主要部分，总量达1 548.22万t，青稞饲料次之，为917.19万t，再次为秸秆补饲量775.93万t，粮食补饲量最少，为418.91万t。

（3）青海省牧区县2017年合理载畜量为3 378万羊单位，实际载畜量为3 748万羊单位，载畜平衡指标为11%，处于临界超载状态，其中牧区东部和南部地区超载状态严重，而西部地区载畜不足，中部地区处于载畜平衡状态。半牧区2017年合理载畜量为212万羊单位，实际载畜量为283万羊单位，载畜平衡指标为33%，处于严重超载状态。

4 讨论

本研究所采用的植被类型空间分布资料对草地分类较粗，不能与《天然草地合理载畜量的计算》标准中草地类型相匹配，是产草量计算过程中较为重要的误差来源，进而可能导致草畜平衡评估精度的下降。因此，准确的草地类型空间分布数据是改善评估精度的重要前提。此外，地面生物量调查数据的空间代表性是建立可食产草量与遥感光谱信息之间准确关系的基础，青海地区地形地貌复杂，中西部地区更是环境恶劣，地面采样工作困难，大大降低了调查资料的有效性，这也将引起产草量的估算误差。除了上述可能对草畜平衡评估结果产生的误差以外，分析草畜平衡状况的可能成因为，一方面，青海牧区海拔较高、气候恶劣，雪灾、旱灾等自然灾害频繁，是导致草原载畜处于临界超载状态的最主要原因。另外，青海省城市、城镇的奶类和肉制品主要来源于牧区和半牧区，使载畜量增大，也是导致超载的一个重要原因。