基于地上净初级生产力与地上生物量的若尔盖高原放牧强度遥感监测

翟 星，王继燕,2，于 冰,2，苏 勇,2，杨莹辉,2

（1. 西南石油大学土木工程与测绘学院，四川 成都 610500；2. 西南石油大学防灾应急研究中心，四川 成都 610500）

若尔盖高原是世界上面积最大的高原沼泽泥炭湿地之一[1]，是我国黄河上游主要的水源地，具有重要的生态环境资源优势[2]。然而，受人类活动的影响，该区域出现了湿地、草地退化和土地沙化等现象[3]，其水源涵养及生态环境受到严重威胁[4]。放牧是该区域最主要的人类活动[5]，准确、快速地估测放牧强度有助于掌握若尔盖高原的放牧情况，了解人类活动对该区域水源涵养及生态环境的影响，为该地区合理安排人类活动、保护生态环境提供数据与理论支持。

随着遥感技术的发展，遥感影像为大范围、长时序草地动态监测提供了强有力的手段，被广泛应用于放牧强度的监测[6]。一些学者[7-8]基于归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)与实测的放牧强度数据建立一定的函数模型，实现了区域尺度放牧强度的表达；另外一些学者[8-11]则认为，放牧显著影响着地上生物量(aboveground biomass, AGB)，并通过估算生物量来反映放牧强度的变化。然而，现有放牧强度估算方法大多是基于实测放牧强度与植被指数或生物量之间的相关性建立经验模型估算放牧强度，不能反映放牧引起的地面植被的变化，也较难适用于不同地区、不同时间放牧强度的监测[12-13]，给准确估算区域尺度放牧强度带来了挑战。地上净初级生产力(aboveground net primary productivity, ANPP)是绿色植被通过光合作用固定的有机碳扣除植被本身呼吸(自养呼吸)消耗的部分，即植被生物量的净增加量[14]，能在一定程度上反映自然和人类活动引起的地表景观变化[15]。若仅考虑人类活动(主要为放牧)，ANPP 与地上生物量的差值是牧草自然生长和放牧共同作用的结果，可以用于不同地区和不同时段草地放牧强度的估算，为估算区域尺度放牧强度提供了新的契机。

因此，本研究基于遥感数据和地面实测数据，利用ANPP 和地上生物量的差值估算若尔盖高原区域尺度放牧强度，分析该区域放牧强度的时空变化，以期为若尔盖高原生态环境保护、人类活动及社会经济可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

若尔盖高原地处于青藏高原的东北部[16]，行政上主要包括四川省的若尔盖县、红原县和阿坝县，以及甘肃省的玛曲县和碌曲县，面积约42 770.02 km2，平均海拔约3 500 m[17]。该区域属于青藏高原寒冷气候区，冬季漫长而寒冷，夏季短暂而湿润，春秋短促且分异不明显[18]，年平均气温为0.7 ℃，年均降水量650 mm，主要集中在6 月 − 8 月，约占年降水量的1/2[16]。研究区内草地利用类型以放牧为主，主要分为夏牧场(5 月至9 月)和冬牧场(10 月至次年4 月)[4]，牲畜以耗牛、羊为主[19]。

1.2 数据来源

所使用的数据主要包括归一化植被指数(NDVI)、气象数据、野外实测数据以及统计数据。其中NDVI 数据主要选取2010−2019 年生长季(7 月 −8 月) MOD13Q1 植被指数产品，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m，用于构建地上净初级生产力模型和地上生物量模型。气象数据主要包括2010−2019 年逐月的平均温度及降水量数据，来自于中国气象科学数据共享服务网。野外实测数据为地上生物量数据，于2019 年6 月 − 8 月生长季利用刈割法沿若尔盖湿地生态保护区随机采样，样点尽量选择在不同植被种类覆盖的草地上且分布均匀(样点分布如图1 所示)。并结合若尔盖地区的气候特点和相关文献资料，利用生物量干重与净初级生产力的比值(0.45)[20]获得地上净初级生产力，即按每2.2 g干重约等于1 g 碳换算。统计数据通过走访调查获得采样附近牧场牛、羊总数及牧场面积，并根据《NY/T 635-2015 天然草地合理载畜量的计算》[11]将牛羊数量换算为标准牛单位，利用公式(1)计算放牧强度。

图1 研究区位置示意图Figure 1 Location of the study area

2 研究方法

鉴于NDVI 能较好地反映草地ANPP 与地上生物量的变化[21]，本研究分别基于NDVI 与ANPP、NDVI与野外实测的地上生物量建立回归模型，用于估算若尔盖高原ANPP 以及地上生物量，进而估算若尔盖高原区域尺度放牧强度。

2.1 地上净初级生产力模拟

地上净初级生产力是判定草地生态系统中碳平衡和碳循环的关键因素，也是判定草地生态环境中植被生长状况的主要因子[22]。而NDVI 是衡量植被覆盖率和不同植被种群生长状况的最佳指示因子，被广泛应用于植被ANPP 的估算[23]，并且与ANPP存在统计学上的正相关关系。随着NDVI 的增加，ANPP 也随之增加[24]。因此，基于地面实测数据建立并比较了ANPP 与NDVI 之间的线性、对数、二次项、幂函数和指数回归模型(表1)。其中，幂函数回归模型R2最高(R2= 0.705)，均方根误差(root mean square error, RMSE)最小，为77.2 g·m−2。因此，本研究基于若尔盖高原区域尺度NDVI，利用幂函数回归模型反演该区域ANPP。

鉴于气象因素能显著影响草地生长状况及植被光合作用[25]，继而影响ANPP 估算结果，参考前人研究[26]，引入温度和降水量两个气象因子对幂函数回归模型进行优化，避免ANPP 估算结果在不同时间段存在较大波动，如公式(2)。

表1 地上净初级生产力(ANPP)与归一化植被指数(NDVI)之间的回归模型Table 1 Regression model between aboveground net primary productivity (ANPP)and normalized difference vegetation index (NDVI)

2.2 地上生物量模拟

地上生物量是衡量草地长势及生态系统服务功能的重要参数，对于草地生态系统碳收支、资源可持续发展等研究具有重要意义[27]。而NDVI 是判定植被生长状态、植被覆盖度的重要因子，能够反映植物冠层的变化，与地上生物量具有一定相关性且存在统计学上的正相关关系[28]。然而，由于不同地区或者不同时段的生物量变化存在一定差异性，两者表现出不同的回归关系[29]。本研究基于地面实测数据比较了AGB 与NDVI 之间的线性、幂函数、对数、指数回归模型(表2)。其中，幂函数回归模型R2最高(R2= 0.788)，RMSE 最小(71.4 g·m−2)，AGB 模拟效果最好。因此，本研究利用幂函数回归模型模拟若尔盖高原区域尺度地上生物量。

表2 地上生物量与归一化植被指数之间的回归模型Table 2 Regression model between aboveground biomass and normalized difference vegetation index (NDVI)

2.3 放牧强度模拟

放牧强度(grazing Intensity，GI)是评价草地现状的重要指标，主要用于定量化表达牲畜对草地利用的强度，也称为放牧压强或放牧率[11,30]，单位为AU·hm−2。在仅考虑放牧的情况下，放牧强度与短时间牲畜采食量(feed intake，FI)直接相关[31]。因此，引入净初级生产力(ANPP)计算牧草生长量后，一定时间段内单位面积牲畜采食量可以利用单位时间内牧草生长量和单位时间内地上生物量变化差值计算求得，即：

式中：T 代表时间，P 为单位牲畜1 d 的采食量，ANPPt为t 时间内地上净初级生产力积累，AGBt为t 时间内地上生物量的变化。

依据《NY/T 635-2015 天然草地合理载畜量的计算》[11]和实地统计数据，1 个牛单位每天的啃食量P 约为13 kg 干草。那么模拟放牧强度则为：

3 结果与分析

3.1 放牧强度反演结果验证

为评价若尔盖高原放牧强度模拟精度，将模拟放牧强度数据与实测放牧强度实测数据比较（图2）。

图2 放牧强度检验Figure 2 Validation of grazing intensity

若尔盖高原放牧强度模拟结果与实测放牧强度较为一致，其散点均匀分布在1 : 1 线两侧，其相关系数为0.781 3。可知，本研究模拟的放牧强度与实测放牧强度的相关性较好，模拟结果较为可靠，能够做进一步的分析。

3.2 若尔盖高原放牧强度空间分布

若尔盖高原区域尺度平均放牧强度为1.87 AU·hm−2，根据国家放牧强度评定标准以及若尔盖地区放牧强度分级经验[7,10,32]，属于过度放牧状态，其放牧强度最低值为0.31 AU·hm−2，主要分布若尔盖高原西北部地区，而最高值为3.29 AU·hm−2，主要分布在若尔盖高原东部地区。从空间分布上看，若尔盖高原区域尺度放牧强度整体呈现东南部偏高、西北部偏低的分布态势(图3)。其中，若尔盖高原东部地区平均放牧强度在2 AU·hm−2以上，而若尔盖高原西北部、西南部地区平均放牧强度在1.5 AU·hm−2以下。此外，对于放牧强度估算结果为0 或低于0 的区域是由于河流位置、人为设施等因素造成，在结果图中全部用0 表示。

从行政区域上看，若尔盖县大部分地区为纯牧区，平均放牧强度最高，为2.31 AU·hm−2，其南部地区放牧强度较高，北部地区相对较低；其次为红原县，平均放牧强度为2.01 AU·hm−2，其北部地区放牧强度较高，南部地区相对较低；碌曲县、阿坝县均拥有纯牧区和半农半牧区，且平均放牧强度与研究区均值相近，分别为1.81 和1.72 AU·hm−2；玛曲县地区海拔相对较高，属于半农半牧地区，平均放牧强度最低，为1.41 AU·hm−2，其放牧强度偏高的区域主要集中于玛曲县南部地区。

图3 若尔盖高原2019 年放牧强度空间分布Figure 3 Spatial distribution map of grazing intensity in Zoige Plateau in 2019

3.3 若尔盖高原放牧强度时间变化

若尔盖高原2010−2019 年放牧强度均值为1.78 AU·hm−2，最低为0.23 AU·hm−2，主要分布在若尔盖高原西北部地区和西南部地区，而最高值为2.98 AU·hm−2，主要分布在若尔盖东部地区，与2019 年相似。从时间变化上看，若尔盖高原2010 − 2019 年放牧强度具有明显的波动，整体呈上升的趋势(图4)。其中，2012 和2017 年放牧强度达到峰值，分别为2.05 和2.49 AU·hm−2，2014 年最低，为1.62 AU·hm−2。2010 −2012 及2014 − 2017 年放牧强度呈逐渐上升的趋势，2012 − 2014 及2017 − 2019 年放牧强度呈现下降的趋势。

从行政区域上来看(图5)，若尔盖高原各区县与整个地区2010−2019 年放牧强度变化趋势基本一致，呈微弱增加后降低，再增加后平衡的趋势，但部分地区放牧强度变化趋势存在显著差异。其中，东部若尔盖县和红原县平均放牧强度常年处于1.6～2.5 AU·hm−2，且缓慢增加。西部玛曲县和阿坝县放牧强度相对较低，处于1～1.7 AU·hm−2，并分别于2014 年和2016 年达到峰值后，趋于平稳。北部碌曲县放牧强度先下降后增加，保持在整个区域平均值左右，最低为1.38 AU·hm−2，最高为1.89 AU·hm−2。

图4 放牧强度变化趋势Figure 4 Trend of grazing intensity

图5 若尔盖高原各区(县) 2010−2019 年放牧强度变化趋势Figure 5 Trend of grazing intensity in each district (county) of the Zoige Plateau from 2010 to 2019

4 讨论

4.1 放牧强度模拟方法

本研究基于NDVI 数据、地面实测数据以及气象数据，通过建立关系模型模拟若尔盖高原ANPP和地上生物量，进而模拟该区域草地放牧强度。与前人研究相比[7,13]，此方法在生物量差异法的基础上，引入了ANPP 数据计算牧草生长量，使得生物量差异法能够获取一段时间内的牲畜采食量，从而获取放牧强度的信息，具有一定可取性。同时，考虑研究区水热条件，将其作为调节因子引入ANPP 估算模型，避免了ANPP 估算结果阶跃式波动，使模拟结果更加可靠。此外，本研究将ANPP 与地上生物量相结合用于区域尺度放牧强度的模拟，一定程度上反映了地面植被的变化，为若尔盖高原放牧强度时空变化分析提供了较为可靠的数据来源。通过修改相应的参数，此方法亦可尝试用于其他地区、其他时间放牧强度的监测。

然而，在ANPP 估算模型构建过程中，本研究只考虑了温度和降水，却没有关注其他气象因子(湿度、日照等)[33]，这些因素是否会影响模型模拟精度，还有待商榷。另外，在估算放牧强度的过程中，ANPP 与地上生物量均通过经验回归模型获得，有可能存在误差累积的问题。同时，本研究在放牧强度模型的计算中，并没有考虑成年牲畜和未成年牲畜之间的采食量差异[34]，有可能使得放牧强度模型估算结果中的数值偏高。因此，为了提高放牧强度估算精度，下一步的工作可以从收集更多空间、范围的数据，考虑多种影响因素，构建更加普适性的模型等几个方面开展。

4.2 地上净初级生产力ANPP 和地上生物量的分布与放牧强度的关系

不少学者指出，ANPP 和地上生物量是估测放牧强度的关键变量，并认为ANPP 和地上生物量的分布是草原放牧强度的直接体现[35]。经模型分析可知，若尔盖高原ANPP 为13.4～369.3 g·m−2，平均为152 g·m−2。从空间分布上看，该区域草地ANPP 呈现东南偏高、西北偏低的分布态势(图6)。其中，若尔盖高原西北部地区由于山地特征明显、海拔较高，气候相对干燥且多稀疏草原，ANPP 平均值低于150 g·m−2，而东部地区海拔较低、气候湿润、植物光合作用较强，草地长势较好，ANPP 平均值高于250 g·m−2。此外，若尔盖高原受当地气候影响，其计算后的各像元值通常为正数，说明该区域在非生长季仍具有一定的固碳能力，特别是海拔较低的植被覆盖区域的固碳能力较强。而若尔盖高原地上生物量为31.7～516.3 g·m−2，平均为221 g·m−2。从空间分布上看，若尔盖高原地上生物量呈现中部及北部较高，南部较低的分布态势(图6)。其中，若尔盖高原中部、北部地区河流较多、水热条件较好，更适合草地生长[36]，其地上生物量大于350 g·m−2。而玛曲县西部、阿坝县西部等地区海拔相对较高、水热条件稍差，主要分布长势较差的草地，同时，若尔盖县东部等地区由于过度放牧的影响，其地上生物量较低，小于150 g·m−2。

图6 若尔盖高原地上净初级生产力(ANPP)分布和地上生物量(AGB)空间分布Figure 6 Spatial distribution of aboveground net primary productivity vegetation (ANPP)and aboveground biomass (AGB) in Zoige Plateau

综上所述，将ANPP、AGB 分布和放牧强度分布对比可知，放牧强度高的区域，ANPP 值正常或偏高，AGB 值偏低，放牧强度低的区域，ANPP 值正常或偏低，AGB 值偏高，说明若尔盖高原主要的放牧区位于海拔较低、水热条件好、植被长势较好的区域，即该区域ANPP 值较高。但在过度放牧的条件下，该区域地上生物量相对较低，也导致ANPP 值下降，与前人研究一致[11]。另外，主城区附近的地区ANPP 和地上生物量均相对较低，这是由于人类活动、建筑设施等不可控因素，导致植被指数相对较低，影响ANPP 和地上生物量的计算。

4.3 若尔盖高原放牧强度现状及影响因素

近10 年来，若尔盖高原呈现过度放牧的状态，且东南部地区放牧强度高于西北地区。这是因为若尔盖高原东部海拔较低、气候湿润，有丰富的水文资源，且分布大量的天然草原[17]，是主要的纯牧区；而西部地区海拔较高、水热条件较差，主要分布长势较差的草地，且该区域为半农半牧区，放牧活动受到一定制约。另外，若尔盖高原放牧强度随时间变化呈现上升的趋势，这是因为该区域以畜牧业为主，随着经济发展对自然需求的增加，放牧活动频繁，对该区域生态系统造成了一定的影响。

杨晶晶等[37]研究发现，除ANPP、地上生物量外，放牧强度还对草原植物群落和物种多样性有一定影响。肖翔等[38]对不同放牧强度下土壤物理性质进行了对比研究，表明随着放牧强度的增加，土壤硬度随之增大。综上所述，放牧强度对生态环境中不同的自然因素均有一定影响。然而，由于受文献资料的限制和模型本身的局限性，本研究除ANPP、地上生物量外没有考虑其他因素的影响。

5 结论

为快速准确估算若尔盖高原区域尺度放牧强度，本研究基于遥感数据、气象数据和地面实测数据建立关系模型估算地上净初级生产力和地上生物量，通过地上净初级生产力与地上生物量的差值实现了区域尺度放牧强度的估算。主要结论如下：

本研究通过放牧强度估算模型，分析若尔盖高原放牧强度分布情况，并通过地面实测数据的对比验证，R2为0.781 3，达到极显著相关水平P ＜ 0.05，且RMSE 较小，精度可到70%以上，表明该方法模拟若尔盖高原放牧强度是可行的。该方法将若尔盖高原不同放牧强度等级的区域区分的同时，也能计算出其放牧强度的具体数值，具有一定参考价值。

若尔盖高原放牧强度整体呈现出东南部偏高、西北部偏低的分布态势。其中，若尔盖县放牧强度最高，为2.31 AU·hm−2，其次是红原县、碌曲县、阿坝县，而玛曲县放牧强度最低，为1.41 AU·hm−2。在时间变化上，若尔盖高原2010−2019 年放牧强度先增加后减少，再增后小幅度减少，整体呈增加的趋势。

若尔盖高原近年来处于过度放牧状态，且ANPP和地上生物量的分布态势与放牧强度的大小具有一定的关联性。其中，若尔盖高原ANPP 为0～400 g·m−2，呈东南高西北低的分布态势。而若尔盖高原地上生物量在31.7～516.3 g·m−2，呈现中部及北部较高，其余部分较低的分布态势。