夏河縣天然草原牧草生長(zhǎng)盛期植被蓋度及產(chǎn)草量變化

　　摘要：植被蓋度及產(chǎn)草量是草地生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)及草原生態(tài)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。為及時(shí)掌握高寒草原區(qū)牧草生長(zhǎng)關(guān)鍵期的植被蓋度及產(chǎn)草量變化，選擇基于NDVI的像元二分模型和指數(shù)回歸模型，結(jié)合地面調(diào)查對(duì)甘肅省夏河縣2018年6—8月草地植被蓋度、可食牧草產(chǎn)量及變化進(jìn)行研究與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：6—8月夏河縣植被平均蓋度7月(79.48%)較6月高24.30%，較8月高7.62%;6月蓋度以Ⅱ級(jí)為主(占63.86%),7月和8月Ⅰ級(jí)占比最大(分別為83.17%和55.64%)。7月高寒草甸、山地草甸和溫性草原蓋度分別較6月高28.27%、21.62%和22.27%，較8月高10.92%、5.06%和8.01%;7月高寒草甸和山地草甸Ⅰ級(jí)蓋度草地分別占89.54%和86.05%，溫性草原以Ⅱ級(jí)為主(55.28%)。6、7和8月溫性草原植被蓋度最低，分別較山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，較高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。單位面積可食牧草產(chǎn)量均隨牧草生育期延續(xù)而增大，全縣及高寒草甸、山地草甸、溫性草原平均干草產(chǎn)量8月分別達(dá)1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2;溫性草原類(lèi)產(chǎn)草量最低，6—8月分別是山地草甸的50.64%、48.32%和63.56%，是高寒草甸的47.61%、46.57%和53.22%。從6月到8月各草地類(lèi)產(chǎn)草量由<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)向1500～3000kg/hm2產(chǎn)量級(jí)轉(zhuǎn)變。

　　本文源自中國(guó)草食動(dòng)物科學(xué),2020,40(06):37-42.《中國(guó)草食動(dòng)物科學(xué)》雜志，于1981年經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:62-1206/Q，本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：疾病防控、綜述與專(zhuān)論、研究簡(jiǎn)報(bào)等。

　　受高海拔寒冷氣候條件影響，高寒草原區(qū)普遍存在冷季長(zhǎng)、牧草生長(zhǎng)期短的現(xiàn)象，一般從5月返青到9月底枯黃，因此，6—8月是高寒區(qū)牧草生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，也是評(píng)價(jià)草地產(chǎn)草量及其生態(tài)作用的首選期，適時(shí)測(cè)定掌握期間草原植被蓋度和產(chǎn)草量等指標(biāo)，并分析其變化規(guī)律，將為制定科學(xué)的草原保護(hù)建設(shè)規(guī)劃，合理利用草原資源，保護(hù)草原生態(tài)提供重要的參考依據(jù)。地處甘肅省西南部，甘南藏族自治州西北部的夏河縣[1,2,3]，是甘南州四個(gè)牧業(yè)縣之一,全縣草原面積占土地總面積的80.13%[4,5,6]，大夏河和洮河貫穿縣域的東部和南部，是黃河一級(jí)支流大夏河的重要水源地，也是黃河流域重要的水涵養(yǎng)區(qū)，生態(tài)地理位置十分重要。夏河縣境內(nèi)多深谷高山，屬典型的高原大陸性氣候，寒冷而潮濕，從海拔2200m的河谷到4000m左右的高原及高山[1,2,3]，依海拔高度和水熱條件，依次分布著溫性草原、山地草甸和高寒草甸等，擁有甘南州4個(gè)牧業(yè)縣主要的草原類(lèi)型[7]。因此，選擇夏河縣進(jìn)行牧草生長(zhǎng)期植被蓋度、產(chǎn)草量及其變化規(guī)律的研究，在甘南高寒牧區(qū)具有代表性。2017年俞聯(lián)平等[8]和杜笑村等[9]采用遙感與地面測(cè)定相結(jié)合的方法分別對(duì)合作市山地草甸和高寒草甸草原植被蓋度及產(chǎn)草量進(jìn)行了研究，2018年楊林平等[10]采用相同方法對(duì)瑪曲縣草原植被蓋度進(jìn)行了研究，但3人的研究?jī)H限于山地草甸和高寒草甸，目前尚缺乏對(duì)夏河縣天然草原牧草生長(zhǎng)盛期植被蓋度和產(chǎn)草量變化的系統(tǒng)研究和報(bào)道。本研究利用地理信息等現(xiàn)代空間技術(shù)在時(shí)空上高精度快速獲取地表植被波譜信息方面的巨大優(yōu)勢(shì)及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理分析功能，結(jié)合地面調(diào)查對(duì)夏河縣天然草原2018年6—8月植被蓋度及可食牧草產(chǎn)量的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，為夏河縣草原資源的規(guī)劃建設(shè)和合理利用，保護(hù)高寒牧區(qū)，尤其黃河源區(qū)的草原生態(tài)提供參考和指導(dǎo)。

　　1、材料與方法

　　在地面路線調(diào)查及樣方監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，選擇研究區(qū)外業(yè)調(diào)查同期MODISNDVI數(shù)據(jù)，利用NDVI與植被蓋度及產(chǎn)草量之間的相關(guān)關(guān)系，分別建立像元二分蓋度模型和指數(shù)回歸估產(chǎn)模型對(duì)2018年6—8月牧草生長(zhǎng)盛期夏河縣天然草原植被蓋度和可食草產(chǎn)量及變化進(jìn)行估測(cè)與評(píng)價(jià)。

　　1.1研究區(qū)概況

　　夏河縣地處甘肅省甘南藏族自治州西北部，位于東經(jīng)101°54′～103°25′，北緯34°32′～35°34′間，海拔2200～4600m，地勢(shì)自東南向西北遞增[1,2,3]。年均氣溫2.6℃，降水量516mm[2,7]，氣候寒冷潮濕，冷季長(zhǎng)，全年枯草期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，牧草生長(zhǎng)期僅5個(gè)月。草牧業(yè)是夏河縣的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，全縣天然草原50.26萬(wàn)km2，占土地總面積的80.13%[4,5,6]，牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的75.5%[5]。

　　1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

　　1.2.1影像數(shù)據(jù)及處理

　　利用2018年6—8月的MODISMOD13Q1(H26V05)16d合成數(shù)據(jù)(空間分辨率250m)提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)，數(shù)據(jù)來(lái)自USGS網(wǎng)站。

　　研究區(qū)相關(guān)地理數(shù)據(jù)的格式和投影轉(zhuǎn)換、圖像的剪切和拼接，蓋度和產(chǎn)草量模型構(gòu)建等利用ENVI和ArcGIS。

　　1.2.2地面調(diào)查時(shí)間及內(nèi)容

　　在2018年6—8月每月中旬，選擇夏河縣各草原類(lèi)典型樣地，按業(yè)外樣方測(cè)定要求進(jìn)行地面調(diào)查，記錄樣地及樣方的草原類(lèi)型、植被蓋度、草叢高度、可食及不可食牧草鮮草產(chǎn)量、樣方點(diǎn)位置信息等。7—8月在各草地類(lèi)布設(shè)驗(yàn)證樣方測(cè)定植被蓋度及產(chǎn)草量，用于分析評(píng)價(jià)蓋度模型和產(chǎn)草量模型精度。

　　1.2.3蓋度及產(chǎn)草量估算

　　植被指數(shù)與區(qū)域內(nèi)草地植被蓋度和產(chǎn)草量均呈正相關(guān)[11,12,13]，利用NDVI不僅能構(gòu)建符合精度要求的像元二分蓋度模型，結(jié)合地面測(cè)產(chǎn)數(shù)據(jù)，也能建立符合精度要求的產(chǎn)草量估產(chǎn)模型[11,12,13,14,15]。

　　(1)蓋度計(jì)算公式為：

　　NDVImax代表以累計(jì)百分?jǐn)?shù)0.5%為置信區(qū)間的裸地NDVI值，NDVImin代表以99.5%為置信區(qū)間的純植被NDVI值，低于0.5%和大于99.5%的區(qū)域，分別為近似純土壤區(qū)(NDVImin)和純植被區(qū)(NDVImax)。

　　(2)草地產(chǎn)草量反演：利用6、7、8月研究區(qū)天然草原可食牧草干重實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合同期相應(yīng)點(diǎn)MODISNDVI提取值，建立不同月份回歸估產(chǎn)模型估測(cè)草地產(chǎn)草量。

　　1.2.4蓋度模型及產(chǎn)草量模型精度評(píng)價(jià)

　　模型精度通過(guò)量化計(jì)算均方根誤差(RMSE)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)[16,17],RMSE值越低精度反而越高。RMSE計(jì)算公式：

　　式中，E(yi)代表第i個(gè)實(shí)際測(cè)定值，yi代表第i個(gè)相應(yīng)模型預(yù)測(cè)值，n為實(shí)測(cè)樣方總數(shù)。

　　2、結(jié)果與分析

　　2.1草地蓋度及變化

　　2.1.1分鄉(xiāng)鎮(zhèn)蓋度及變化

　　利用以NDVI為基礎(chǔ)的像元二分蓋度估測(cè)模型，估算牧草生長(zhǎng)盛期(6—8月)夏河縣及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被平均蓋度，結(jié)果見(jiàn)表1。

　　表1牧草生長(zhǎng)期植被平均蓋度

　　全縣植被平均蓋度6月最低，7月達(dá)最高值，8月有所下降。7月全縣平均蓋度(79.48%)較6月高24.30%，較8月高7.62%。

　　從分區(qū)域植被蓋度變化看，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)植被蓋度也均以6月最低，7月最高。6—8月位于夏河縣北部和中部山谷地區(qū)的麻當(dāng)、王格爾塘、拉卜楞、甘加等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，受干旱等氣候條件影響，植被平均蓋度普遍較低，而南部和西部的科才、牙利吉、桑科、博拉等鄉(xiāng)鎮(zhèn)平均蓋度較高。以7月平均蓋度來(lái)看，北部麻當(dāng)鄉(xiāng)、王格爾塘鎮(zhèn)、甘加鄉(xiāng)和拉卜楞鎮(zhèn)植被平均蓋度均在75%以下，南部科才鄉(xiāng)、牙利吉鄉(xiāng)、桑科鄉(xiāng)、扎油鄉(xiāng)、博拉鄉(xiāng)和吉倉(cāng)鄉(xiāng)均在80%以上，科才和牙利吉鄉(xiāng)最高，分別達(dá)83.24%和82.76%。

　　利用7月和8月研究區(qū)地面驗(yàn)證樣方蓋度測(cè)定數(shù)據(jù)對(duì)像元二分模型精度進(jìn)行了分析，7月和8月均方根誤差分別為14.78和16.52，模型估測(cè)精度分別達(dá)85.22%和83.48%，均滿(mǎn)足精度要求，且以7月精度較高。

　　2.1.2草地蓋度分級(jí)及變化

　　將研究區(qū)植被蓋度按25%梯度分為100%≥F(蓋度)>75%(Ⅰ)、75%≥F>50%(Ⅱ)、50%≥F>25%(Ⅲ)和25%≥F(Ⅳ)四級(jí)。6—8月夏河縣植被蓋度分級(jí)及變化見(jiàn)圖1。

　　如圖1所示，6月夏河縣天然草原以II級(jí)蓋度草地為主，占全縣草原面積的63.86%，其次為I級(jí)草地，占20.89%;7月和8月均以I級(jí)蓋度草地為主，尤其7月I級(jí)蓋度草地所占比例高達(dá)83.17%,8月I級(jí)蓋度草地下降為55.64%,II級(jí)增加到41.00%。相比蓋度級(jí)別7月最高。

　　圖16—8月夏河縣不同蓋度級(jí)別草地所占比例

　　2.1.3分類(lèi)草地植被蓋度及變化

　　從圖2看出，高寒草甸、山地草甸和溫性草原植被蓋度均以7月最高，6月最低，7月植被蓋度分別較6月高28.27%、21.62%和22.27%，較8月高10.92%、5.06%和8.01%。6—8月各草原類(lèi)植被蓋度均以山地草甸最高，溫性草原最低，溫性草原分別較山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，較高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。

　　圖2不同草原類(lèi)草地6—9月植被蓋度比較

　　2.1.4不同草地類(lèi)蓋度分級(jí)及變化

　　如圖3所示，高寒草甸植被蓋度級(jí)別7月最高，I級(jí)蓋度草地占89.54%;8月以II級(jí)和I級(jí)蓋度草地為主，分別占54.81%和43.12%;6月以II級(jí)草地為主，占59.31%,I級(jí)蓋度草地僅占22.22%。山地草甸蓋度級(jí)別也是7月最高，7月和8月I級(jí)蓋度草地占比分別達(dá)86.05%和71.94%;6月以II級(jí)蓋度草地為主，占68.66%。6—8月溫性草原植被蓋度均以II級(jí)蓋度草地為主，分別占56.19%、55.28%和61.23%,7月I級(jí)蓋度草地占比第二，為27.56%，而6月和8月III級(jí)草地占比第二，分別為38.74%和23.47%。

　　圖36—8月各草原類(lèi)不同蓋度級(jí)別草地所占比例

　　2.2草地可食牧草產(chǎn)量及變化

　　2.2.1草地產(chǎn)草量及變化

　　分別利用6、7和8月天然草地可食牧草干樣重量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合同期相應(yīng)點(diǎn)NDVI提取值，建立6、7和8月夏河縣產(chǎn)草量回歸估產(chǎn)模型如表2。

　　表26—8月夏河縣草地產(chǎn)草量估產(chǎn)模型

　　注：x為同期MODISNDVI值

　　利用6—8月產(chǎn)草量估產(chǎn)模型，反演出夏河縣天然草原可食牧草干草產(chǎn)量見(jiàn)圖4。從圖4看出，6—8月夏河全縣及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類(lèi)草地單位面積可食牧草干草產(chǎn)量均隨牧草生育期延續(xù)而增大，且均以8月增幅最大，分別較7月增加38.43%、26.22%、45.30%和66.03%。6—8月各草原類(lèi)可食牧草干草產(chǎn)量以山地草甸最高，溫性草原最低，山地草甸產(chǎn)草量分別是溫性草原的2.10、2.15和1.88倍，高寒草甸分別是溫性草原的1.97、2.07和1.57倍，山地草甸產(chǎn)草量分別較高寒草甸增加6.37%、3.75%和19.44%。

　　圖4夏河縣6—8月可食牧草產(chǎn)量

　　利用研究區(qū)7月和8月驗(yàn)證樣方產(chǎn)草量數(shù)據(jù)，對(duì)估產(chǎn)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證，7月和8月RMSE分別為22.05和23.13，模型估產(chǎn)精度分別為77.95%和76.87%，均符合精度要求。

　　2.2.2不同草地類(lèi)產(chǎn)量分級(jí)及變化

　　將研究區(qū)產(chǎn)草量按1500kg/hm2量差進(jìn)行產(chǎn)草量分級(jí)，6—8月各草地類(lèi)不同產(chǎn)量級(jí)草地占比見(jiàn)圖5。

　　從圖5看出，6—8月隨牧草生育期延續(xù)，各草地類(lèi)產(chǎn)草量由<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)向1500～3000kg/hm2產(chǎn)量級(jí)轉(zhuǎn)變。6月和7月高寒草甸以<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)為主，分別占59.25%和56.17%,8月1500～3000kg/hm2產(chǎn)量級(jí)所占比例增加到70.01%;6月山地草甸<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)占比達(dá)58.98%,7—8月1500～3000kg/hm2產(chǎn)量級(jí)所占比例分別增加到52.95%和82.51%;6—8月溫性草原均以<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)占比最大。

　　圖56—8月各草原類(lèi)不同產(chǎn)量級(jí)草地所占比例

　　2.2.3分區(qū)域草地產(chǎn)草量比較

　　7月和8月夏河縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積可食牧草干草產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6。從圖6看出，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間產(chǎn)草量變化與植被蓋度基本一致，位于夏河縣北部和中部山谷地區(qū)的麻當(dāng)、王格爾塘、拉卜楞等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，受干旱氣候條件制約，溫性草原類(lèi)草地占比較大，可食牧草干草產(chǎn)量普遍較低，而南部和西部的科才、牙利吉、桑科、博拉、吉倉(cāng)、阿木去乎、扎油等鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)草量較高。以8月單位面積可食牧草平均產(chǎn)量來(lái)看，北部麻當(dāng)鄉(xiāng)、王格爾塘鎮(zhèn)和拉卜楞鎮(zhèn)可食牧草干草產(chǎn)量均在1500kg/km2以下，南部科才、牙利吉、桑科、博拉、吉倉(cāng)、阿木去乎、扎油等鄉(xiāng)鎮(zhèn)均在2000kg/km2以上。8月產(chǎn)草量增幅北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)大于南部，北部的麻當(dāng)、王格爾塘、甘加等鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)草量增幅均在45%以上，南部的科才、牙利吉增幅在30%以下。

　　圖6夏河縣7—8月鄉(xiāng)鎮(zhèn)可食牧草產(chǎn)量

　　3、討論

　　本研究借鑒以往研究成果，將遙感與地面調(diào)查結(jié)合，采用MODISMOD13Q1的16d合成數(shù)據(jù)，通過(guò)基于NDVI的像元二分關(guān)系模型和回歸模型分別對(duì)甘南州夏河縣牧草生長(zhǎng)盛期(6—8月)的草原植被蓋度及可食牧草產(chǎn)量的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，為高寒草原區(qū)草原生態(tài)及生產(chǎn)力監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供了借鑒和參考。本次調(diào)查夏河縣2018年7月和8月植被平均蓋度分別為79.48%和73.85%，與同期楊林平等[10]對(duì)瑪曲縣天然草原植被蓋度的測(cè)定結(jié)果基本一致(分別為75.63%和67.09%)，也與俞聯(lián)平等[8]、杜笑村等[9]2017年7—8月采用同樣方法對(duì)合作市山地草甸和高寒草甸植被蓋度的測(cè)定結(jié)果(分別為74.93%、77.10%和72.69%、78.89%)，馬琳雅[16]2009—2011年對(duì)甘南草地植被蓋度的研究結(jié)果(分別為78.17%、78.27%和78.02%)相近。本研究2018年7—8月植被平均蓋度低于當(dāng)年夏河縣和甘南州動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(分別為98.12%和96.87%)[18]，與此次調(diào)查采用遙感技術(shù)在較大尺度上提取的大面積、區(qū)域性天然草原的平均蓋度有關(guān)，而動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是典型草地類(lèi)型固定樣地內(nèi)樣方的測(cè)定數(shù)據(jù)。夏河縣天然草原植被蓋度以I級(jí)和II級(jí)蓋度為主，與馬琳雅[16]測(cè)定的2001—2011年甘南州植被蓋度以高和較高蓋度為主的結(jié)果一致。本研究中夏河縣天然草原及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類(lèi)草地單位面積可食牧草干草產(chǎn)量均隨牧草生育期延續(xù)而增大，與俞慧云等[19]同期對(duì)瑪曲縣可食牧草鮮草產(chǎn)量的研究報(bào)道一致，也與杜笑村等[9]和俞聯(lián)平等[8]2017年對(duì)合作市高寒草甸和山地草甸牧草生長(zhǎng)期產(chǎn)草量變化趨勢(shì)的研究結(jié)果一致。但本研究可食牧草干草產(chǎn)量山地草甸>高寒草甸>溫性草原的結(jié)果，與上述高寒草甸>山地草甸的報(bào)道[8,9]不一致，其原因除與不同類(lèi)型草地可食牧草構(gòu)成種類(lèi)及鮮草含水量差異有關(guān)外，也與其分布的地域差別有關(guān)。

　　4、結(jié)論

　　(1)夏河縣2018年6—8月植被平均蓋度7月較6月高24.30%，較8月高7.62%;6月蓋度以II級(jí)為主，7月和8月均以I級(jí)占比較大。

　　(2)高寒草甸、山地草甸和溫性草原7月蓋度分別較6月高28.27%、21.62%和22.27%，較8月高10.92%、5.06%和8.01%。6—8月溫性草原植被蓋度較低，分別較山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，較高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。7月高寒草甸和山地草甸I級(jí)蓋度草地分別占89.54%和86.05%,8月分別以I級(jí)和II級(jí)為主，6—8月溫性草原以II級(jí)蓋度草地為主。

　　(3)2018年6—8月夏河縣天然草原及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類(lèi)草地單位面積可食牧草干草產(chǎn)量均隨牧草生育期延續(xù)而增大，8月分別達(dá)1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2。6—8月溫性草原產(chǎn)草量分別是山地草甸的50.64%、48.32%和63.56%，是高寒草甸的47.61%、46.57%和53.22%。從6—8月各草地類(lèi)產(chǎn)草量由<1500kg/hm2產(chǎn)量級(jí)逐漸向1500～3000kg/hm2產(chǎn)量級(jí)轉(zhuǎn)變。

　　(4)夏河縣北部和中部山谷地區(qū)溫性草原占比較大，植被蓋度和可食牧草干草產(chǎn)量普遍較低，而南部和西部較高。

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