基于地上凈初級生產(chǎn)力與地上生物量的若爾蓋高原放牧強度遙感監(jiān)測

翟 星，王繼燕,2，于 冰,2，蘇 勇,2，楊瑩輝,2

（1. 西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500；2. 西南石油大學(xué)防災(zāi)應(yīng)急研究中心，四川 成都 610500）

若爾蓋高原是世界上面積最大的高原沼澤泥炭濕地之一[1]，是我國黃河上游主要的水源地，具有重要的生態(tài)環(huán)境資源優(yōu)勢[2]。然而，受人類活動的影響，該區(qū)域出現(xiàn)了濕地、草地退化和土地沙化等現(xiàn)象[3]，其水源涵養(yǎng)及生態(tài)環(huán)境受到嚴重威脅[4]。放牧是該區(qū)域最主要的人類活動[5]，準確、快速地估測放牧強度有助于掌握若爾蓋高原的放牧情況，了解人類活動對該區(qū)域水源涵養(yǎng)及生態(tài)環(huán)境的影響，為該地區(qū)合理安排人類活動、保護生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)與理論支持。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像為大范圍、長時序草地動態(tài)監(jiān)測提供了強有力的手段，被廣泛應(yīng)用于放牧強度的監(jiān)測[6]。一些學(xué)者[7-8]基于歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)與實測的放牧強度數(shù)據(jù)建立一定的函數(shù)模型，實現(xiàn)了區(qū)域尺度放牧強度的表達；另外一些學(xué)者[8-11]則認為，放牧顯著影響著地上生物量(aboveground biomass, AGB)，并通過估算生物量來反映放牧強度的變化。然而，現(xiàn)有放牧強度估算方法大多是基于實測放牧強度與植被指數(shù)或生物量之間的相關(guān)性建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ凸浪惴拍翉姸?，不能反映放牧引起的地面植被的變化，也較難適用于不同地區(qū)、不同時間放牧強度的監(jiān)測[12-13]，給準確估算區(qū)域尺度放牧強度帶來了挑戰(zhàn)。地上凈初級生產(chǎn)力(aboveground net primary productivity, ANPP)是綠色植被通過光合作用固定的有機碳扣除植被本身呼吸(自養(yǎng)呼吸)消耗的部分，即植被生物量的凈增加量[14]，能在一定程度上反映自然和人類活動引起的地表景觀變化[15]。若僅考慮人類活動(主要為放牧)，ANPP 與地上生物量的差值是牧草自然生長和放牧共同作用的結(jié)果，可以用于不同地區(qū)和不同時段草地放牧強度的估算，為估算區(qū)域尺度放牧強度提供了新的契機。

因此，本研究基于遙感數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)，利用ANPP 和地上生物量的差值估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強度，分析該區(qū)域放牧強度的時空變化，以期為若爾蓋高原生態(tài)環(huán)境保護、人類活動及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原地處于青藏高原的東北部[16]，行政上主要包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣和阿壩縣，以及甘肅省的瑪曲縣和碌曲縣，面積約42 770.02 km2，平均海拔約3 500 m[17]。該區(qū)域?qū)儆谇嗖馗咴錃夂騾^(qū)，冬季漫長而寒冷，夏季短暫而濕潤，春秋短促且分異不明顯[18]，年平均氣溫為0.7 ℃，年均降水量650 mm，主要集中在6 月 ? 8 月，約占年降水量的1/2[16]。研究區(qū)內(nèi)草地利用類型以放牧為主，主要分為夏牧場(5 月至9 月)和冬牧場(10 月至次年4 月)[4]，牲畜以耗牛、羊為主[19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

所使用的數(shù)據(jù)主要包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)、氣象數(shù)據(jù)、野外實測數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中NDVI 數(shù)據(jù)主要選取2010?2019 年生長季(7 月 ?8 月) MOD13Q1 植被指數(shù)產(chǎn)品，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m，用于構(gòu)建地上凈初級生產(chǎn)力模型和地上生物量模型。氣象數(shù)據(jù)主要包括2010?2019 年逐月的平均溫度及降水量數(shù)據(jù)，來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。野外實測數(shù)據(jù)為地上生物量數(shù)據(jù)，于2019 年6 月 ? 8 月生長季利用刈割法沿若爾蓋濕地生態(tài)保護區(qū)隨機采樣，樣點盡量選擇在不同植被種類覆蓋的草地上且分布均勻(樣點分布如圖1 所示)。并結(jié)合若爾蓋地區(qū)的氣候特點和相關(guān)文獻資料，利用生物量干重與凈初級生產(chǎn)力的比值(0.45)[20]獲得地上凈初級生產(chǎn)力，即按每2.2 g干重約等于1 g 碳換算。統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過走訪調(diào)查獲得采樣附近牧場牛、羊總數(shù)及牧場面積，并根據(jù)《NY/T 635-2015 天然草地合理載畜量的計算》[11]將牛羊數(shù)量換算為標準牛單位，利用公式(1)計算放牧強度。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Location of the study area

2 研究方法

鑒于NDVI 能較好地反映草地ANPP 與地上生物量的變化[21]，本研究分別基于NDVI 與ANPP、NDVI與野外實測的地上生物量建立回歸模型，用于估算若爾蓋高原ANPP 以及地上生物量，進而估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強度。

2.1 地上凈初級生產(chǎn)力模擬

地上凈初級生產(chǎn)力是判定草地生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡和碳循環(huán)的關(guān)鍵因素，也是判定草地生態(tài)環(huán)境中植被生長狀況的主要因子[22]。而NDVI 是衡量植被覆蓋率和不同植被種群生長狀況的最佳指示因子，被廣泛應(yīng)用于植被ANPP 的估算[23]，并且與ANPP存在統(tǒng)計學(xué)上的正相關(guān)關(guān)系。隨著NDVI 的增加，ANPP 也隨之增加[24]。因此，基于地面實測數(shù)據(jù)建立并比較了ANPP 與NDVI 之間的線性、對數(shù)、二次項、冪函數(shù)和指數(shù)回歸模型(表1)。其中，冪函數(shù)回歸模型R2最高(R2= 0.705)，均方根誤差(root mean square error, RMSE)最小，為77.2 g·m?2。因此，本研究基于若爾蓋高原區(qū)域尺度NDVI，利用冪函數(shù)回歸模型反演該區(qū)域ANPP。

鑒于氣象因素能顯著影響草地生長狀況及植被光合作用[25]，繼而影響ANPP 估算結(jié)果，參考前人研究[26]，引入溫度和降水量兩個氣象因子對冪函數(shù)回歸模型進行優(yōu)化，避免ANPP 估算結(jié)果在不同時間段存在較大波動，如公式(2)。

表1 地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)與歸一化植被指數(shù)(NDVI)之間的回歸模型Table 1 Regression model between aboveground net primary productivity (ANPP)and normalized difference vegetation index (NDVI)

2.2 地上生物量模擬

地上生物量是衡量草地長勢及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要參數(shù)，對于草地生態(tài)系統(tǒng)碳收支、資源可持續(xù)發(fā)展等研究具有重要意義[27]。而NDVI 是判定植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度的重要因子，能夠反映植物冠層的變化，與地上生物量具有一定相關(guān)性且存在統(tǒng)計學(xué)上的正相關(guān)關(guān)系[28]。然而，由于不同地區(qū)或者不同時段的生物量變化存在一定差異性，兩者表現(xiàn)出不同的回歸關(guān)系[29]。本研究基于地面實測數(shù)據(jù)比較了AGB 與NDVI 之間的線性、冪函數(shù)、對數(shù)、指數(shù)回歸模型(表2)。其中，冪函數(shù)回歸模型R2最高(R2= 0.788)，RMSE 最小(71.4 g·m?2)，AGB 模擬效果最好。因此，本研究利用冪函數(shù)回歸模型模擬若爾蓋高原區(qū)域尺度地上生物量。

表2 地上生物量與歸一化植被指數(shù)之間的回歸模型Table 2 Regression model between aboveground biomass and normalized difference vegetation index (NDVI)

2.3 放牧強度模擬

放牧強度(grazing Intensity，GI)是評價草地現(xiàn)狀的重要指標，主要用于定量化表達牲畜對草地利用的強度，也稱為放牧壓強或放牧率[11,30]，單位為AU·hm?2。在僅考慮放牧的情況下，放牧強度與短時間牲畜采食量(feed intake，F(xiàn)I)直接相關(guān)[31]。因此，引入凈初級生產(chǎn)力(ANPP)計算牧草生長量后，一定時間段內(nèi)單位面積牲畜采食量可以利用單位時間內(nèi)牧草生長量和單位時間內(nèi)地上生物量變化差值計算求得，即：

式中：T 代表時間，P 為單位牲畜1 d 的采食量，ANPPt為t 時間內(nèi)地上凈初級生產(chǎn)力積累，AGBt為t 時間內(nèi)地上生物量的變化。

依據(jù)《NY/T 635-2015 天然草地合理載畜量的計算》[11]和實地統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1 個牛單位每天的啃食量P 約為13 kg 干草。那么模擬放牧強度則為：

3 結(jié)果與分析

3.1 放牧強度反演結(jié)果驗證

為評價若爾蓋高原放牧強度模擬精度，將模擬放牧強度數(shù)據(jù)與實測放牧強度實測數(shù)據(jù)比較（圖2）。

圖2 放牧強度檢驗Figure 2 Validation of grazing intensity

若爾蓋高原放牧強度模擬結(jié)果與實測放牧強度較為一致，其散點均勻分布在1 : 1 線兩側(cè)，其相關(guān)系數(shù)為0.781 3?？芍狙芯磕M的放牧強度與實測放牧強度的相關(guān)性較好，模擬結(jié)果較為可靠，能夠做進一步的分析。

3.2 若爾蓋高原放牧強度空間分布

若爾蓋高原區(qū)域尺度平均放牧強度為1.87 AU·hm?2，根據(jù)國家放牧強度評定標準以及若爾蓋地區(qū)放牧強度分級經(jīng)驗[7,10,32]，屬于過度放牧狀態(tài)，其放牧強度最低值為0.31 AU·hm?2，主要分布若爾蓋高原西北部地區(qū)，而最高值為3.29 AU·hm?2，主要分布在若爾蓋高原東部地區(qū)。從空間分布上看，若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強度整體呈現(xiàn)東南部偏高、西北部偏低的分布態(tài)勢(圖3)。其中，若爾蓋高原東部地區(qū)平均放牧強度在2 AU·hm?2以上，而若爾蓋高原西北部、西南部地區(qū)平均放牧強度在1.5 AU·hm?2以下。此外，對于放牧強度估算結(jié)果為0 或低于0 的區(qū)域是由于河流位置、人為設(shè)施等因素造成，在結(jié)果圖中全部用0 表示。

從行政區(qū)域上看，若爾蓋縣大部分地區(qū)為純牧區(qū)，平均放牧強度最高，為2.31 AU·hm?2，其南部地區(qū)放牧強度較高，北部地區(qū)相對較低；其次為紅原縣，平均放牧強度為2.01 AU·hm?2，其北部地區(qū)放牧強度較高，南部地區(qū)相對較低；碌曲縣、阿壩縣均擁有純牧區(qū)和半農(nóng)半牧區(qū)，且平均放牧強度與研究區(qū)均值相近，分別為1.81 和1.72 AU·hm?2；瑪曲縣地區(qū)海拔相對較高，屬于半農(nóng)半牧地區(qū)，平均放牧強度最低，為1.41 AU·hm?2，其放牧強度偏高的區(qū)域主要集中于瑪曲縣南部地區(qū)。

圖3 若爾蓋高原2019 年放牧強度空間分布Figure 3 Spatial distribution map of grazing intensity in Zoige Plateau in 2019

3.3 若爾蓋高原放牧強度時間變化

若爾蓋高原2010?2019 年放牧強度均值為1.78 AU·hm?2，最低為0.23 AU·hm?2，主要分布在若爾蓋高原西北部地區(qū)和西南部地區(qū)，而最高值為2.98 AU·hm?2，主要分布在若爾蓋東部地區(qū)，與2019 年相似。從時間變化上看，若爾蓋高原2010 ? 2019 年放牧強度具有明顯的波動，整體呈上升的趨勢(圖4)。其中，2012 和2017 年放牧強度達到峰值，分別為2.05 和2.49 AU·hm?2，2014 年最低，為1.62 AU·hm?2。2010 ?2012 及2014 ? 2017 年放牧強度呈逐漸上升的趨勢，2012 ? 2014 及2017 ? 2019 年放牧強度呈現(xiàn)下降的趨勢。

從行政區(qū)域上來看(圖5)，若爾蓋高原各區(qū)縣與整個地區(qū)2010?2019 年放牧強度變化趨勢基本一致，呈微弱增加后降低，再增加后平衡的趨勢，但部分地區(qū)放牧強度變化趨勢存在顯著差異。其中，東部若爾蓋縣和紅原縣平均放牧強度常年處于1.6～2.5 AU·hm?2，且緩慢增加。西部瑪曲縣和阿壩縣放牧強度相對較低，處于1～1.7 AU·hm?2，并分別于2014 年和2016 年達到峰值后，趨于平穩(wěn)。北部碌曲縣放牧強度先下降后增加，保持在整個區(qū)域平均值左右，最低為1.38 AU·hm?2，最高為1.89 AU·hm?2。

圖4 放牧強度變化趨勢Figure 4 Trend of grazing intensity

圖5 若爾蓋高原各區(qū)(縣) 2010?2019 年放牧強度變化趨勢Figure 5 Trend of grazing intensity in each district (county) of the Zoige Plateau from 2010 to 2019

4 討論

4.1 放牧強度模擬方法

本研究基于NDVI 數(shù)據(jù)、地面實測數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)，通過建立關(guān)系模型模擬若爾蓋高原ANPP和地上生物量，進而模擬該區(qū)域草地放牧強度。與前人研究相比[7,13]，此方法在生物量差異法的基礎(chǔ)上，引入了ANPP 數(shù)據(jù)計算牧草生長量，使得生物量差異法能夠獲取一段時間內(nèi)的牲畜采食量，從而獲取放牧強度的信息，具有一定可取性。同時，考慮研究區(qū)水熱條件，將其作為調(diào)節(jié)因子引入ANPP 估算模型，避免了ANPP 估算結(jié)果階躍式波動，使模擬結(jié)果更加可靠。此外，本研究將ANPP 與地上生物量相結(jié)合用于區(qū)域尺度放牧強度的模擬，一定程度上反映了地面植被的變化，為若爾蓋高原放牧強度時空變化分析提供了較為可靠的數(shù)據(jù)來源。通過修改相應(yīng)的參數(shù)，此方法亦可嘗試用于其他地區(qū)、其他時間放牧強度的監(jiān)測。

然而，在ANPP 估算模型構(gòu)建過程中，本研究只考慮了溫度和降水，卻沒有關(guān)注其他氣象因子(濕度、日照等)[33]，這些因素是否會影響模型模擬精度，還有待商榷。另外，在估算放牧強度的過程中，ANPP 與地上生物量均通過經(jīng)驗回歸模型獲得，有可能存在誤差累積的問題。同時，本研究在放牧強度模型的計算中，并沒有考慮成年牲畜和未成年牲畜之間的采食量差異[34]，有可能使得放牧強度模型估算結(jié)果中的數(shù)值偏高。因此，為了提高放牧強度估算精度，下一步的工作可以從收集更多空間、范圍的數(shù)據(jù)，考慮多種影響因素，構(gòu)建更加普適性的模型等幾個方面開展。

4.2 地上凈初級生產(chǎn)力ANPP 和地上生物量的分布與放牧強度的關(guān)系

不少學(xué)者指出，ANPP 和地上生物量是估測放牧強度的關(guān)鍵變量，并認為ANPP 和地上生物量的分布是草原放牧強度的直接體現(xiàn)[35]。經(jīng)模型分析可知，若爾蓋高原ANPP 為13.4～369.3 g·m?2，平均為152 g·m?2。從空間分布上看，該區(qū)域草地ANPP 呈現(xiàn)東南偏高、西北偏低的分布態(tài)勢(圖6)。其中，若爾蓋高原西北部地區(qū)由于山地特征明顯、海拔較高，氣候相對干燥且多稀疏草原，ANPP 平均值低于150 g·m?2，而東部地區(qū)海拔較低、氣候濕潤、植物光合作用較強，草地長勢較好，ANPP 平均值高于250 g·m?2。此外，若爾蓋高原受當?shù)貧夂蛴绊懀溆嬎愫蟮母飨裨低ǔ檎龜?shù)，說明該區(qū)域在非生長季仍具有一定的固碳能力，特別是海拔較低的植被覆蓋區(qū)域的固碳能力較強。而若爾蓋高原地上生物量為31.7～516.3 g·m?2，平均為221 g·m?2。從空間分布上看，若爾蓋高原地上生物量呈現(xiàn)中部及北部較高，南部較低的分布態(tài)勢(圖6)。其中，若爾蓋高原中部、北部地區(qū)河流較多、水熱條件較好，更適合草地生長[36]，其地上生物量大于350 g·m?2。而瑪曲縣西部、阿壩縣西部等地區(qū)海拔相對較高、水熱條件稍差，主要分布長勢較差的草地，同時，若爾蓋縣東部等地區(qū)由于過度放牧的影響，其地上生物量較低，小于150 g·m?2。

圖6 若爾蓋高原地上凈初級生產(chǎn)力(ANPP)分布和地上生物量(AGB)空間分布Figure 6 Spatial distribution of aboveground net primary productivity vegetation (ANPP)and aboveground biomass (AGB) in Zoige Plateau

綜上所述，將ANPP、AGB 分布和放牧強度分布對比可知，放牧強度高的區(qū)域，ANPP 值正?；蚱撸珹GB 值偏低，放牧強度低的區(qū)域，ANPP 值正?；蚱停珹GB 值偏高，說明若爾蓋高原主要的放牧區(qū)位于海拔較低、水熱條件好、植被長勢較好的區(qū)域，即該區(qū)域ANPP 值較高。但在過度放牧的條件下，該區(qū)域地上生物量相對較低，也導(dǎo)致ANPP 值下降，與前人研究一致[11]。另外，主城區(qū)附近的地區(qū)ANPP 和地上生物量均相對較低，這是由于人類活動、建筑設(shè)施等不可控因素，導(dǎo)致植被指數(shù)相對較低，影響ANPP 和地上生物量的計算。

4.3 若爾蓋高原放牧強度現(xiàn)狀及影響因素

近10 年來，若爾蓋高原呈現(xiàn)過度放牧的狀態(tài)，且東南部地區(qū)放牧強度高于西北地區(qū)。這是因為若爾蓋高原東部海拔較低、氣候濕潤，有豐富的水文資源，且分布大量的天然草原[17]，是主要的純牧區(qū)；而西部地區(qū)海拔較高、水熱條件較差，主要分布長勢較差的草地，且該區(qū)域為半農(nóng)半牧區(qū)，放牧活動受到一定制約。另外，若爾蓋高原放牧強度隨時間變化呈現(xiàn)上升的趨勢，這是因為該區(qū)域以畜牧業(yè)為主，隨著經(jīng)濟發(fā)展對自然需求的增加，放牧活動頻繁，對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的影響。

楊晶晶等[37]研究發(fā)現(xiàn)，除ANPP、地上生物量外，放牧強度還對草原植物群落和物種多樣性有一定影響。肖翔等[38]對不同放牧強度下土壤物理性質(zhì)進行了對比研究，表明隨著放牧強度的增加，土壤硬度隨之增大。綜上所述，放牧強度對生態(tài)環(huán)境中不同的自然因素均有一定影響。然而，由于受文獻資料的限制和模型本身的局限性，本研究除ANPP、地上生物量外沒有考慮其他因素的影響。

5 結(jié)論

為快速準確估算若爾蓋高原區(qū)域尺度放牧強度，本研究基于遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型估算地上凈初級生產(chǎn)力和地上生物量，通過地上凈初級生產(chǎn)力與地上生物量的差值實現(xiàn)了區(qū)域尺度放牧強度的估算。主要結(jié)論如下：

本研究通過放牧強度估算模型，分析若爾蓋高原放牧強度分布情況，并通過地面實測數(shù)據(jù)的對比驗證，R2為0.781 3，達到極顯著相關(guān)水平P ＜ 0.05，且RMSE 較小，精度可到70%以上，表明該方法模擬若爾蓋高原放牧強度是可行的。該方法將若爾蓋高原不同放牧強度等級的區(qū)域區(qū)分的同時，也能計算出其放牧強度的具體數(shù)值，具有一定參考價值。

若爾蓋高原放牧強度整體呈現(xiàn)出東南部偏高、西北部偏低的分布態(tài)勢。其中，若爾蓋縣放牧強度最高，為2.31 AU·hm?2，其次是紅原縣、碌曲縣、阿壩縣，而瑪曲縣放牧強度最低，為1.41 AU·hm?2。在時間變化上，若爾蓋高原2010?2019 年放牧強度先增加后減少，再增后小幅度減少，整體呈增加的趨勢。

若爾蓋高原近年來處于過度放牧狀態(tài)，且ANPP和地上生物量的分布態(tài)勢與放牧強度的大小具有一定的關(guān)聯(lián)性。其中，若爾蓋高原ANPP 為0～400 g·m?2，呈東南高西北低的分布態(tài)勢。而若爾蓋高原地上生物量在31.7～516.3 g·m?2，呈現(xiàn)中部及北部較高，其余部分較低的分布態(tài)勢。