高登滿 李鐵龍 王利民 李艷華 閆科技 赫 磊
(1.河北省豐寧林管處草原林場,河北 豐寧 068350;2.山西省林業(yè)和草原局,山西 太原 030000)
河北省西部環(huán)山,北部是壩上高原,東臨渤海,東南部是華北大平原。全省總面積18.77萬km2,現(xiàn)有草地約4.74萬km2,占全省總面積的25.25%,其中可利用草地約有4.11萬km2,占草地總面積的86.78%。而河北壩上地區(qū)擁有130多萬km2的天然草原,約占全省草原總面積的30%。河北省草原害鼠年危害面積4.32萬km2,占全省草原總面積的8.6%,草原害鼠都是植食性種類,不同種類的食性存在差異,蝗蟲的分布與植物分布有關(guān);不同草地類型有不同的蝗蟲類群發(fā)生,蝗蟲優(yōu)勢種類也常因植被類型的不同而有所差異。許鵬等人研究發(fā)現(xiàn)蝗蟲群落結(jié)構(gòu)與宜生區(qū)內(nèi)的草地類型緊密相關(guān)。河北省草原害鼠最高蟲口密度達917頭/m2,平均蟲口密度達50.5頭/m2,其災害已經(jīng)成為我省重要自然災害之一,需進行綜合防治。
草原害鼠宜生區(qū)是指適宜于某種草原害鼠生長發(fā)育的區(qū)域。該區(qū)域應具有相同或相似的生態(tài)環(huán)境,草原害鼠形成一定種群數(shù)量,可能形成危害。草原害鼠危害可造成草地退化、沙化、水土流失,造成草地生產(chǎn)能力的下降,草地生態(tài)環(huán)境日趨惡化。因此,要充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段,把防治草原害鼠的工作由長期的被動防治轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏媱澋闹鲃臃乐?,建立起有效的草原害鼠宜生區(qū)監(jiān)測體系。
3S技術(shù)的發(fā)展為草原害鼠的監(jiān)測和防治提供了新的方法和技術(shù)支持。3S技術(shù)是以RS(遙感,remote sensing)、GIS(地理 信息 系統(tǒng),geographic information system)、GPS(全球定位系統(tǒng),global position system)三者獨立技術(shù)中的有關(guān)部分與其他高新技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)部分有機構(gòu)成一個整體結(jié)合而形成的一項新的綜合技術(shù)。倪紹祥等自1996年以來在青海湖地區(qū)利用3S技術(shù)對草地蝗蟲的發(fā)生、動態(tài)變化規(guī)律、蝗蟲的預測模型、預測系統(tǒng)等方面都進行了探索研究。3S技術(shù)已廣泛應用于病蟲害的預測預報方面,實現(xiàn)了很多常規(guī)方法無法達到的技術(shù)要求,節(jié)省了大量人力物力,取得了豐碩的成果和寶貴經(jīng)驗。而將3S技術(shù)應用于草原害鼠宜生區(qū)劃定方面的研究還未見報道,本試驗通過運用3S技術(shù)對蝗蟲宜生區(qū)不同生態(tài)因子進行量化,從而確定各生態(tài)因子對蝗蟲發(fā)生的宜生指數(shù),獲得草原害鼠宜生區(qū)域分布圖,為后續(xù)草原害鼠的有效防治提供依據(jù)。
豐寧滿族自治縣位于承德市北部,介于東經(jīng)115o55'~117o23',北緯40o54'~42o01'之間,平均海拔1050米。自然地貌由東南向西北呈階梯性增高,分為壩下淺山區(qū)、接壩深山區(qū)、壩上高原區(qū)三個不同類型的地貌單元。全縣草原面積大約有44.13萬公頃,占土地總面積的50.4%。該縣是河北省草原害鼠為害嚴重的區(qū)域,年發(fā)生草原害鼠為害總面積約2.33-2.67萬公頃。
1.2.1 生態(tài)因子選擇
本研究主要選擇了非生物因子,包括氣候因子(溫度、降雨量)、草原類型立地類型(坡度、坡向等)等。
1.2.2 數(shù)據(jù)準備
a. 收集整理多年地面調(diào)查數(shù)據(jù)
根據(jù)選擇的生態(tài)因子整理調(diào)查數(shù)據(jù):如樣點的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被蓋度、地上生物量、草原類型、土壤類型等信息。
b. 收集專題圖件
收集行政區(qū)劃、土壤類型、草原類型、地上生物量、數(shù)字高程、溫度、降水等基礎(chǔ)圖件。
c. 遙感影像
選用由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國畜牧總站提供的2015年8月LandsatTM8影像,影像進行了校正和重投影處理。
d. DEM影像數(shù)據(jù)
數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model),簡稱DEM,它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。亦由農(nóng)業(yè)部全國畜牧總站提供的空間分辨率為90m的SRTM-DEM。DEM除了包括地面高程信息外,還可以派生地貌特性(包括坡度、坡向等),以及計算地形特征參數(shù)(包括山峰、山脊、平原、位面、河道和溝谷等)。
本研究中按照豐寧區(qū)域經(jīng)緯度查找DEM數(shù)據(jù)文件。使用ERDAS 的Mosaic Images工具對涉及豐寧的兩幅DEM影像進行拼接和重投影,保持與遙感影像的坐標和投影一致。
1.2.3 生成宜生指數(shù)圖
a.量化地面抽樣數(shù)據(jù)
根據(jù)草原害鼠種群數(shù)量和危害次數(shù)對草原害鼠發(fā)生程度進行量化,見表1。
表1 草原害鼠發(fā)生程度量化值
b. 對不同生態(tài)因子進行量化
依據(jù)不同生態(tài)因子對草原害鼠發(fā)生的影響程度,對各項生態(tài)因子地面抽樣數(shù)據(jù)進行量化,定性數(shù)據(jù)分屬性量化,定量數(shù)據(jù)分區(qū)間量化。豐寧的草原類型就屬于定性數(shù)據(jù),坡度數(shù)據(jù)為定量數(shù)據(jù)。
c. 建立宜生指數(shù)模型
利用地面抽樣數(shù)據(jù),采用多指標綜合加權(quán)模型,建立生態(tài)因子和草原害鼠發(fā)生程度量化數(shù)據(jù)間的宜生指數(shù)模型。各因子加權(quán)值為1。
式中n為宜生因子個數(shù);Wi為第i個生態(tài)因子的權(quán)重;Ei(X,Y,Z)為空間上任何一點的宜生指數(shù);SR(X,Y,Z)為綜合宜生指數(shù)
實例模型:本次豐寧宜生區(qū)劃定試驗點采用的模型是
($n1_grass*0.7+$n3_precip*0.3)*$n2_slope/100
草原類型(grass)、降水(precip)分別占0.7和0.3權(quán)重線性加權(quán),之后坡度作為發(fā)生規(guī)律協(xié)同因子。模型在ERDAS環(huán)境下輸入完成后進行保存,點擊模型按鈕進行運算。
d. 宜生指數(shù)復合運算生成宜生指數(shù)圖
利用ERDAS軟件Modeler中的Modeler Maker模塊,按照建立的模型,將各生態(tài)因子生成的量化柵格圖進行空間運算,生成宜生指數(shù)圖。
圖1 宜生指數(shù)圖運算模型
按照上述方法對豐寧縣全境草原基于草原類型、氣候、土壤、坡度、坡向、海拔等各方面因素,以及2015年TM8影像,利用創(chuàng)建的模型在ERDAS軟件環(huán)境下進行運算,得出了豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)圖,即圖2。
圖2 豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)圖
從宜生指數(shù)區(qū)域圖的分布情況可以看出,草原害鼠在豐寧縣的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有分布,并且在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分布多少和位置各不相同;從圖中各地區(qū)不同顏色可以明顯看出,草原害鼠宜生區(qū)主要分布在豐寧壩上及接壩地區(qū),尤其以大灘鎮(zhèn)、魚兒山鎮(zhèn)、外溝門鄉(xiāng)、草原鄉(xiāng)分布比例較大,宜生指數(shù)較高。
由圖3可知,豐寧縣草原害鼠宜生指數(shù)分級較多,各層次的草原害鼠宜生區(qū)占據(jù)像元數(shù)(一個像元=30*30米)在各級的分布各不相同。其中,宜生指數(shù)為35的像元數(shù)值最大,有851399個,合計76622.08公頃;宜生指數(shù)為0的像元數(shù)值最小,有50101個,合計4508.86公頃;宜生指數(shù)為3、5、10、15、20、35、45、50的像元數(shù)均已超過兩萬。像元數(shù)越大,宜生區(qū)草原害鼠分布面積越廣,數(shù)量越多。
圖3 豐寧縣宜生指數(shù)屬性
在蝗蟲危害的動態(tài)監(jiān)測中,有蝗災規(guī)律與環(huán)境相互關(guān)系的機理研究和草原害鼠空間分布型與抽樣技術(shù)、物理化學監(jiān)測技術(shù)等方面的研究。但是這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方法實時性差,對于大范圍的宏觀動態(tài)監(jiān)測不能進行,要明確特定生態(tài)系統(tǒng)的可入侵性以及入侵與災變的關(guān)系是很困難的。預測的方法主要有觀測法、實驗法、數(shù)理統(tǒng)計法等,實驗法和觀測法的工作量大,實驗法一般用在中、短期預報,時效期很短,而觀測法的可靠性又差,數(shù)理統(tǒng)計的范圍有限。本研究采用了“3S”技術(shù),宜生區(qū)用GPS采集足夠的樣點數(shù)據(jù)做支持,并與TM影像數(shù)據(jù)進行耦合,最后在地理信息系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)處理,成為保證宜生區(qū)準確劃定的重要技術(shù)手段。
草原害鼠發(fā)生和消長的影響因子較多,很多研究中采用的蝗蟲生境監(jiān)測指標有植被蓋度、草原類型、土壤類型、降雨量等方面,也有利用遙感技術(shù)獲取與蝗蟲密切相關(guān)的各種生境因子,結(jié)合GIS技術(shù)研究蝗蟲的生境因子對東亞飛蝗生育周期的影響機理。而本研究則較全面地采用溫度、降雨量、草原類型、坡度、坡向等因子作為主要影響因子,并結(jié)合了樣點的地理位置、海拔高度、坡度、坡向、植被蓋度、地上生物量、草原類型、土壤類型等信息,還對行政區(qū)劃、數(shù)字高程等基礎(chǔ)圖件進行收集,并選用由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國畜牧總站提供的2015年8月LandsatTM8影像,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國畜牧總站提供的空間分辨率為90m的SRTM-DEM。按照豐寧區(qū)域經(jīng)緯度查找DEM數(shù)據(jù)文件,使用ERDAS 的Mosaic Images工具對涉及豐寧的兩幅DEM影像進行拼接和重投影,保持與遙感影像的坐標和投影一致,最終得到了豐寧區(qū)的草原害鼠宜生指數(shù)圖。
本研究結(jié)果與實地調(diào)查的草原害鼠分布區(qū)域基本一致,技術(shù)方法可行,省時省工,準確性高,能夠作為草原害鼠宜生區(qū)的劃定研究的技術(shù)方法?!?S”技術(shù)具有高度的實用性和方便性,在草原害鼠宜生區(qū)劃定研究中草原害鼠的信息系統(tǒng)可以快速更新,可以為草原害鼠監(jiān)測管理部門提供草原害鼠防治的決策依據(jù),具有廣泛的應用前景。該方法既加快了對草地資源的宏觀監(jiān)測速度,又能夠快速、準確地反映草原害鼠的動態(tài)變化;可廣泛應用于草原害鼠的監(jiān)測研究中,為草原害鼠危害的預測預報工作提供新思路、新方法,并且可以作為河北省草原保護建設(shè)新技術(shù)應用的一項成果。
經(jīng)分析,豐寧縣的草原害鼠宜生區(qū)域指數(shù)圖得知草原害鼠宜生區(qū)主要分布在豐寧縣的壩上及接壩地區(qū),大灘鎮(zhèn)、魚兒山鎮(zhèn)、外溝門鄉(xiāng)、草原鄉(xiāng)分布比例居多,宜生指數(shù)較高。本研究結(jié)果可以準確快速地進行草原害鼠的宜生區(qū)劃定,具備向整個壩上地區(qū)推廣應用的基礎(chǔ)條件,可作為河北省草原保護建設(shè)新技術(shù)應用的一項成果,建議結(jié)合蝗蟲種類對宜生區(qū)劃定作進一步研究。