基于一年期物候监测的珠穆朗玛峰国家级自然保护区河谷阶地青稞地块生态利用研究

蔡 葵，石运杰，拱子凌

(1.云南大学经济学院，云南昆明 650500;2.云南大学资源环境与地球科学学院，云南昆明 650500;3.珠峰雪豹保护中心，西藏日喀则 857000)

土地生态利用是指在土地利用过程中，更加注重生态、经济和环境保护因素的土地资源分配过程，土地生态利用不仅发挥了土地的生产性，而且更深刻地体现了土地生态服务内在的非生产性［1-2］。在当前生态文明建设和乡村振兴战略大背景下，土地生态利用显得格外重要。一方面，宏观的土地生态利用可以支持区域生物多样性和可持续发展，这方面的研究主要体现在通过对土地资源的合理配置来提升潜在生物多样性效益和生态系统服务价值，进而对土地利用进行规划［3］，还有一些研究从大尺度土地利用变化着手，分析区域生态环境改变造成的生态系统服务价值变化［4］。另一方面，微观层面的土地生态利用更注重对生态行为、经济投入等细节的研究，结果表明农业投入、投资结构、土地流转等行为直接影响着土地经济增长的速度、结构、方式和方向等［5-6］，而生态农业、化肥与农药施用、土地生态利用模式等都对土地生态、经济效益有显著影响，对乡村可持续发展起重要作用［7］。总体而言，宏观层面的土地生态利用研究缺乏对生态利用特征规律的描述，从社区甚至更小的地块尺度分析土地生态利用特征，反而更容易阐明乡村土地生态利用的发展方向。随着物候相机在植被物候变化研究领域的逐步应用［8-9］，基于物候监测的方法也为微观尺度的土地利用过程还原、土地利用行为及其变化规律的研究提供了可能。

珠穆朗玛峰(以下简称“珠峰”)国家级自然保护区位于西藏南部，与尼泊尔接壤，平均海拔4 961 m，总面积33 819 km2，是国家级综合性保护区，具有海拔高、地形复杂、气候恶劣、生态系统脆弱的特点，农业生产受到诸多因素限制。据2018年实地调查，区内现有耕地12 738 hm2，约占区域总面积的0.38%。虽然面积比例小，但耕地系统对人口聚居的河谷地区生态环境有显著影响。有研究表明，该区域传统的农业结构为粮食作物-经济作物-饲料绿肥作物的三元结构［10］，其中粮食作物主要为喜凉作物青稞(裸大麦)。青稞是保护区乃至整个青藏高原地区普遍种植的传统作物，它不仅是藏族群众的主要粮食，其秸秆还是高原家畜的优质饲草料。青稞也是我国最重要的杂粮作物之一，且正在由区域性粮食作物向全球性健康食源作物发展［11］。珠峰自然保护区的青稞种植区域分布于保护区内的实验区，据新修订的《中华人民共和国自然保护区条例》要求，该区域限制人类频繁活动，所以正面临着经济开发与生态环境保护的双重压力。区内农牧民的耕地利用方式需要在达到生态要求的前提下进行适当调整，因此研究掌握青稞种植区域的利用模式，探明其利用方式和规律是协调研究区保护与发展的重要前提。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区Z村位于珠峰自然保护区西部吉隆县境内。该村域平均海拔约4 710 m，境内多为高山峡谷，属高原山地性气候区，常年气温较低，年均气温在0℃以下，昼夜温差大，年无霜冻日数在130 d以下。年均降水量在300 mm左右，相对变率约为11%，且常年多风，蒸发量较大，春夏两季蒸发量占比较高。年均日照时数超过3 000 h，年日照百分率为73%，太阳总辐射值为192.4 kcal·cm-2·a-1。截至2018年底，全村耕地面积为7.27 hm2，其中青稞播种面积占比达81%以上。Z村耕地多分布于海拔相对较低的河谷阶地区，规模小而破碎，距离居民点较远，不利于生产活动。但耕地区域靠近河流水源和道路，灌溉、运输较为便利。该村的青稞一般在每年4月底种植，9月底收获，青稞是村民主要种植的粮食作物。随着生产投入加大和农业机械化水平提高，近几年青稞产出效率不断提高。该研究的感兴趣区(region of interesting，ROI)青稞地块位于Z村西南部河谷阶地区域，总面积为2 227.28 m2，海拔介于4 227～4 230 m 之间(图1)。

1.2 数据获取

1.2.1 物候相机

物候相机影像集是通过物候相机以固定姿态和时间间隔对目标区域重复拍摄获得的信息集合，可以准确地展现感兴趣区一年期内的土地利用变化状况，具有信息记录完整的特点，对微观土地利用研究具有很高价值。利用型号为TLC 200的Brinno物候相机(设置拍摄时间为每日07:00—23:00，成像时间间隔为1 h，拍摄的影像具有R-G-B 3个波段)，以人工选点和设置固定角度安放的方式记录感兴趣区信息，得到2017年8月至2018年8月的一年期时间序列影像集(图2)。首先，借助Brinno Video Player影像处理软件，筛选出具有特殊土地利用行为时间点的237幅影像作为数据源，提取感兴趣区地块利用信息。其次，选取每月上、中、下旬同一时间点拍摄的36幅影像(上旬选取每月5日或6日，中旬选取每月15日或16日，下旬选取每月25日或26日，时间点统一选定为17:00—18:00之间)，作为提取植被生长变化状况的数据源。

图1 感兴趣区(ROI)范围示意Fig.1 Region of interesting(ROI)

图2 2017年8月—2018年8月青稞地块的时间序列影像Fig.2 Time series images of highland barley land from August 2017 to August 2018

1.2.2 参与式农村评估

参与式农村评估法(participatory rural appraisal，PRA)是通过协助农户对其生计、资源利用等方面的深入分析，了解社区社会、经济、资源的有效方法。该研究主要采用参与式农村评估法中的焦点组讨论和可视工具，于2017年8月、2018年8月2次对Z村进行实地调查。调查的对象为村长、副村长、妇女主任、村民1、村民2、村民3和村民4，共7人，以获取2017—2018年该村土地利用相关信息。

通过社区调查得到研究区2017—2018年土地利用类型及种植情况、青稞生产时间节点、青稞生产投入量(种子、化肥、农家肥、农药、柴油)、青稞生产产出量(粮食、秸秆)和农业生产过程中涉及的投入与产出物的物价信息，其中，物价依据Z村实地调查及2017—2018年日喀则市物价局标准综合确定;通过物候相机影像提取感兴趣区地块利用过程中的各时段信息、地块利用特点、地块劳动力投入、放牧规律、土地利用行为、降水次数和青稞地块利用时间数据，影像数据的提取过程需要结合实地调查和对村民访谈所掌握的情况来判定;植被物候变化数据则是根据物候相机影像信息借助ENVI 5.3软件处理分析得到。

1.3 土地利用程度分级

根据可以表征土地利用程度［12-13］、耕地利用强度［14-20］和草地利用强度［21-22］的各类指标，参考能值分析理论［23］，结合青稞地块本身所呈现的功能和价值，依据马利邦等［24］整理的土地利用程度分级赋值表，青稞地块属于土地人为再生利用级中的半人工地类(耕作区)，基于此将不同阶段青稞地块的利用程度进一步划分为高、中、低3个亚级(表1)，用以客观表征青稞地块耕种阶段和放牧阶段的利用差异。

表1 青稞地块土地利用程度亚级分级参照表Table 1 Reference table of sub-level classification of land use degree on highland barley land

1.4 绿叶指数(green leaf index，GLI)

GLI由 LOUHAICHI等［25］于 2001年提出。GLI通过判断红光波段与蓝光波段像元亮度(DN)的平均值是否大于绿光波段DN值来生成灰度图像，并进行归一化处理，使图像的像元值在-1～1之间。通常情况下，负值代表土壤与非植被区域，正值代表植被区域，其值越高则植被生长状况越好。计算方法为

式(1)中，IGL为绿叶指数;RDN、GDN、BDN分别为红、绿、蓝3种颜色分量的DN值。

1.5 经济效益

经济效益分析是指在一定生产方式下，依照经济学标准，结合实际生产状况，利用经济手段对生产中的投入和产出价值作出科学判定。经济效益计算方法为

式(2)～(3)中，y为青稞地块单位面积纯收益，元·(667 m2)-1;w为净收入，元;s为面积，667 m2;a为青稞产量，kg;b为青稞谷粒销售单价，元·kg-1;c为秸秆折合收益，元;d为总成本，元，既包括农药、种子、化肥、灌溉、机械、水电在内的直接生产费用，也包括投入劳动折合成的人工费用。

2 结果与分析

2.1 土地利用规律分析

表2显示，2017年8月—2018年8月感兴趣区青稞地块的利用过程主要分为2个阶段。第1阶段为传统耕种阶段，时间为4月底到9月底，共5个月。其中，种植期为4月底到5月初，该时段用于青稞耕种活动的劳动力和机械投入较多，还会伴随着羊群的采食放牧行为;生长期为5月初到9月初，这个阶段有少量的田间管理活动，没有出现放牧行为;收获期为9月初到9月底，这个阶段投入了较多的劳动力和机械，而且在收获后期还出现了少量牛采食的行为，也伴随着中小型植食性野生动物的觅食活动。第2阶段为放牧阶段，时间为9月底到次年4月底，共7个月。牧牛期为9月底到10月初，这个阶段最大的特点是出现较高频数的牛群采食放牧活动;翻耕期为10月初到10月底，该阶段除投入少量的人力和机械外，还出现了牛群采食行为;休牧期为10月底到12月初，这期间降雪次数增多，无放牧等活动;牧羊期为12月初到次年4月底，牧羊频次和羊出现频次极高，这个阶段的降雪次数仍然较多。

从表3可知，牧牛行为集中在9、12月和次年1月，9月感兴趣区牛出现频数达117次，是全年牧牛强度最高的月份。牧羊行为出现在12月—次年4月，持续时间长，其中12月羊出现频数为418次，次年1月为568次，2月为493次，3月下降至225次，到4月已经降低到178次，羊出现频数呈现出先增加后减少的趋势，峰值出现在1月。野生动物则出现在9—10月，这与青稞的收获阶段相吻合。另外，劳动力的投入分布在8—10月和次年3—7月，其中9月最多，为15人次。降水次数方面，2017年8月—2018年8月累计降水33次，除8—10月外，其余月份都有降水出现，3月和5月降水次数较为集中。

表2 2017年8月—2018年8月感兴趣区青稞地块的利用规律Table 2 Regular pattern of land use in the ROI of the study area from August 2017 to August 2018

表3 2017—2018年感兴趣区土地利用行为及降水次数统计Table 3 Statistics of land use behavior and precipitation frequency in the ROI of the study area from 2017 to 2018

图3展示了感兴趣区青稞地块的有机循环系统。人类对青稞地块系统投入劳动力和技术，在地块土壤的支持和农家肥、农业用水、化肥、农药的共同作用下，产出青稞谷物、秸秆及田埂优质牧草。青稞谷物成为维持居民生存的重要口粮，一部分青稞秸秆和田埂的优质牧草成为牲畜的饲草料。掉落的青稞谷物和还田的碎末状青稞秸秆成为动物的丰富食源，为牲畜和野生动物提供了食物，作为回报，这些牲畜和野生动物留下的粪便保障了地块系统的生产力。牲畜和人类粪便作为农家肥又被投入到地块中，维持着系统的平衡。

2.2 土地利用程度分析

由表4可知，青稞地块一年期高利用程度级别为种植期、生长期和收获期，时长高达160 d;中利用程度级别为牧牛期和牧羊期，共计142 d;低利用程度级别为翻耕期和休牧期，仅33 d。当青稞地块发挥种植功能时，感兴趣区体现出的直接价值较高，青稞地块在种植、生长和收获期的利用程度级别为高，此时地块所承受的压力较大。当地块完成耕种任务转而承担草场任务时，感兴趣区能够体现出潜在的草地价值，在放牧阶段，牧牛和牧羊期的地块利用程度级别为中。与耕种阶段相比，放牧阶段的地块利用程度大大降低，这个阶段不会对耕地造成太大压力，而且牲畜粪便、密集的降雪可为土壤补充养分和水分，更加有利于下一个循环的生产活动。

图3 青稞地块的有机循环系统Fig.3 Organic circulation system of highland barley land

2.3 植被物候变化分析

2.3.1 植被物候变化

计算得到感兴趣区的GLI灰度图像，选择1、3、5、7、9和11月的图像(图4)开展分析，上述时间点的GLI灰度直方图见图5。

表4 2017年8月—2018年8月青稞地块各阶段利用程度Table 4 Land use degree of highland barley land at various stages from August 2017 to August 2018

由图4可见，各时期的植被覆盖有明显变化。1、3、5、11月，青稞地块区域呈暗灰色，尚无植被覆盖，周边田埂略显白色，有枯草覆盖;7月，感兴趣区呈白色，植被覆盖度高;9月，收割完成的区域为灰色，尚未收割的区域呈现白色，田埂呈灰白色。

图4 2017—2018年感兴趣区部分时间点的绿叶指数(GLI)灰度图Fig.4 GLI grayscale map of break points in the ROI from 2017 to 2018

从图5可见，11月和1月的GLI波峰出现在0值左侧，以裸露土壤为主;3月和5月的GLI波峰出现在0值右侧，介于0～0.05之间，并向0.05处转移，植被覆盖度逐渐增大;7月的GLI波峰已经移动至0.2附近，植被覆盖状况极好;9月的GLI波峰向左移动，小于0.1，植被覆盖状况逐渐变差。

图6为2017—2018年感兴趣区GLI值的时间序列变化。1—12月，GLI值呈现出平缓波动—上升—下降—平缓波动的规律。其中，1月初到4月中旬，GLI值在0值附近波动，整体植被覆盖状况较差，以裸露土壤为主;4月中旬到7月下旬，GLI值迅速上升并达到峰值，该阶段体现了青稞的生长过程;7月下旬到10月上旬，GLI值表现为迅速下降趋势，这个阶段是青稞逐渐成熟到收割完成的过程;10月初到12月底，GLI值在0值附近平缓波动，青稞收获完成后，地块以裸露土壤为主。

根据物候相机影像集资料和实地调查信息分析，得到青稞地块利用时间历:1—4月中旬放牧，4月下旬—9月耕种，10—12月放牧。结合图6分析可知，GLI值变化与耕种、放牧行为存在相关性。GLI稳定为正值时，青稞地块发挥耕种功能;GLI在0值附近波动时，青稞地块表现为放牧功能。这和一般草地植被覆盖与放牧情况的关系恰恰相反，也体现出青稞地块作为放牧场的独特之处。

图5 2017—2018年感兴趣区部分时间点的绿叶指数(GLI)灰度频数分布折线图Fig.5 GLI grayscale line graph of gray frequency distribution of the break points in the ROI from 2017 to 2018

图6 2017—2018年感兴趣区绿叶指数(GLI)的时间序列变化Fig.6 GLI time series change of ROI from 2017 to 2018

2.3.2 GLI值与土地利用行为的对比分析

图7展示了感兴趣区GLI值的一年期变化与牛出现频数、羊出现频数、野生动物出现频数、劳动力投入量、降水次数的对比图。如图7(a)所示，从9月下旬开始，感兴趣区青稞收割完成后出现牛群活动现象，GLI在这一时期下降至0值附近。11月没有牛出现，12月到次年2月出现少量牛觅食行为，牛出现的时期GLI值均在0值附近波动。

如图7(b)所示，12月初感兴趣区出现羊群活动，12月下旬达最大值，1—3月均有密集的羊群觅食活动。对应GLI值变化来看，羊出现的阶段GLI在0值附近平稳波动，当GLI值大于0并开始上升时，羊群便不再出现。

从图7(c)可见，野生动物出现的时期正处于青稞收获完成阶段，GLI值下降至0，植被基本消失，野生动物活动频繁。结合放牧活动分析发现，牛和野生动物往往在GLI值下降至0时出现，而且出现的时间较短，在1个月左右;而羊往往出现在GLI稳定于0值附近至GLI值开始上升时。羊的出现晚于牛，但持续时间长达4个半月。

从图7(d)可见，GLI值为0.02时劳动力投入量较大，劳动力投入量较高往往发生在青稞的种植和收获阶段。当GLI为0值或负值时，感兴趣区一般不会有劳动力投入。

从图7(e)可见，感兴趣区降水分布不均匀，降水多发生在1—5月，由于该时段温度低，多以降雪形式出现。GLI处于0值附近时，降水次数多;GLI为正值时，植被处于生长期时，降水次数少。植被生长期降水次数偏少，对于作物生长会产生一定的影响。

2.4 经济效益分析

由表5可知，在考虑生产投入的前提下，感兴趣区青稞地块的经济收益为98.15元·(667 m2)-1，与牧业劳动和外出务工相比经济效益偏低。在生产投入中，劳动力投入的费用最高，为654元·(667 m2)-1，柴油和农药投入也超过 200元·(667 m2)-1，种子、化肥和农家肥的投入费用相对较低。生产产出以粮食和秸秆为主，按照当地市场价格，粮食收益为1 242元·(667 m2)-1，秸秆折合成饲草料，收益为162元·(667 m2)-1。结合实地调查情况分析，Z村的农业生产主要目的为满足自身粮食需求，因此对耕地的直接经济利益诉求较低。

图7 感兴趣区绿叶指数(GLI)一年期变化与土地利用行为及降水次数的对比Fig.7 Comparison of GLI and land use behavior and precipitation frequency in the ROI from 2017 to 2018

表5 2017—2018年每667 m2青稞地块的生产投入及产出经济效益Table 5 Input and output per 667 m2in highland barley land from 2017 to 2018

3 讨论

珠峰自然保护区地处青藏高原，恶劣的自然条件造就了当地居民独特的耕种和放牧智慧。从生态利用角度看，一方面由于高海拔区域植被稀少，保护区范围内的牧业比重较大，农耕区可供牲畜采食的畜草严重短缺，村民历来重视对青稞秸秆的利用。青稞秸秆不仅被用来饲养牲畜、烧火做饭，还被广泛用于盖房、取暖、堆沤肥和直接还田等，避免了焚烧造成的污染和资源浪费。另一方面，传统认知中，耕地主要作为耕作区域发挥种植功能，长时间涉及放牧等其他活动的现象很少出现。但Z村青稞地块不仅承担着种植任务，还在较长时段里发挥着放牧场的职能。耕地功能的扩展，极大地提高了耕地的利用率，促进生产的同时提高了耕地生态系统的稳定性。青稞地块生态系统实现了资源的物尽所用，不仅减少了生产、生活垃圾，而且做到了有机循环，对可持续生计和生态保护具有积极效果。

从经济效益角度看，笔者研究的感兴趣青稞地块收益甚微，但在藏区村民传统的种植思维和自然环境共同作用下，青稞的生产文化已经融入到村民的日常生活中，并且在一定程度上促进了生计效益的提高。首先，为提高青稞产量，村民不断学习总结青稞生产技能经验，并且通过邻里间的种植经验交流和农牧部门的技能培训等方式提升自身的种植管理能力。其次，受限于自然地理环境，该区域青稞地块的利用仍然较为粗犷，而村民通过对土地增加经济和资源投入，提高地块的集约度，进而提高生产效率和扩大生产能力。不仅如此，村民还要学会控制牲畜进入青稞地块的时间和范围，做到在不破坏生产活动的同时对资源利用达到最大化。尽管经济效益低下，但整个青稞生产活动过程中村民的生计效益得以提高。

虽然Z村的土地利用具有独特的耕种和放牧智慧，但是受从事农业劳作的劳动力流失影响，传统青稞生产方式的传承受到威胁。实地调查显示，Z村劳动力多为中老年及妇女，青壮年外出务工现象普遍，且呈上升趋势，年青一代从事务农放牧的意愿较低，传统的土地利用智慧正面临着消失的危机。

该研究利用物候监测手段有效记录了感兴趣区的土地利用变化状况，统计了诸如土地利用时段、劳动力投入、牲畜出现频数、降水次数等信息，有效模拟了感兴趣区的物候变化，通过物候监测数据提高了研究精度和说服力，但该研究方法仍然存在相机角度偏转、影像分辨率低、波段较少等问题。因此，对微观土地利用研究而言，在必要的情况下可以利用多波段相机来提高分辨率和稳定性。

4 结论

(1)2017—2018年感兴趣区青稞地块的利用分为耕种和放牧2个阶段，持续时长分别为5个月和7个月。其中，耕种活动集中在4—9月，牧牛期为9、12月和次年1月，牧羊期为12月—次年4月。耕种活动和放牧活动共同形成了感兴趣区青稞地块的有机循环系统。

(2)2017—2018年感兴趣区青稞地块土地利用程度高级别为种植期、生长期和收获期，时长高达160 d;土地利用程度中级别为牧牛期和牧羊期，共计142 d;土地利用程度低级别为翻耕期和休牧期，为33 d。中、低级别阶段不会对耕地造成太大压力。

(3)不同时期感兴趣区青稞地块的植被覆盖变化较大，全年GLI值呈现出平缓波动—上升—下降—平缓波动的规律，与青稞地块利用时间历的耕种和放牧期相吻合。土地利用行为与GLI值存在一定相关性，其中牛和野生动物在GLI下降至0值时出现，羊在GLI稳定于0值处的波动阶段出现，持续到GLI开始上升时截止。此外，劳动力投入量较大的时期GLI为正值，在GLI值为0时降水次数更加频繁。

(4)感兴趣区青稞地块的经济效益为98.15元·(667 m2)-1，劳动力投入费用最高，其次为柴油和农药，种子、化肥和农家肥投入费用最低。产出物为粮食和秸秆，以粮食收益为主，总体经济效益偏低。