衛星遙感數據的瑪河流域草畜平衡研究

文│李靜 ?？悼担ㄐ陆S吾爾自治區農業技術推廣總站）

田源（新疆維吾爾自治區農業資源區劃和遙感應用中心）

目前，草原畜牧業發展與草原生產能力不協調，草原建設速度慢于退化速度等突出問題嚴重影響草原畜牧業的可持續發展和牧區經濟社會的穩定。多數研究發現，超載過牧是草原退化的主要原因之一，草畜平衡成為治理草地退化的重要手段。

研究草原合理載畜量，首先是要準確測定牧草產量。傳統的牧草產量測定一般采用實地采樣法，但對于面積大、地形地貌復雜的牧草區，環境限制因素明顯，存在樣點分布不均，無法布點等問題，耗費大量的人力、物力，同樣無法擺脫諸多客觀和主觀因素的限制。近年來，隨著遙感技術的發展和在草地監測方面的應用，大大降低了通過人為測定帶來的主客觀因素。它具有準確性、綜合性、動態性和快速性等特點，為大面積牧草產量的估測提供了必要的工具。

一、研究區概況、數據源及研究方法

1 研究區概況?，敽恿饔蛭挥谛陆S吾爾自治區準噶爾盆地南緣，北緯：43.05°～45.13°、東經：85.12°～87.6°，包括沙灣市、瑪納斯縣、呼圖壁縣。地形垂直分布完整典型，氣候差異顯著，水熱條件分配不均勻，草地類型豐富。所處的地理位置、地形、氣候特點將草地分為低地草甸類、山地草甸類、溫性草原類、溫性草甸草原類、溫性荒漠類、溫性荒漠草原類、高寒草原類、高寒草甸類。主要有密從禾草、中生雜草、小禾草、半灌木分布在不同的草地類型中。

2.草地資源數據。采用國家基礎地理中心提供的1∶100萬草地類型圖，并根據土地利用現狀做進一步的修正。

3.地面草地數據。在7月牧草刈割季節，從試驗區選取草地樣方，每個樣方大小1米×1米，將樣方內牧草切割稱取鮮重，建立草原地面樣方數據庫。

4.牲畜數據。在新疆統計年鑒上，獲取2014年試驗區域內食草性牲畜數量，主要包括牛、馬、驢、山羊、綿羊。

5.遙感數據獲取和預處理。一般7月是牧草刈割期生物量最大的時期，選擇云量小于10%，能覆蓋整個試驗區域的高分一號WFV4傳感器數據，用ENVI5.1軟件做影像預處理（大氣較正和幾何精較正）和波段運算。

6.計算公式。

（1）天然草地合理載畜量的計算參考中華人民共和國和農業行業標準（NY/T 635-2002）和《自治區各地州不同草原類型載畜量標準測算說明》，計算公式如下：

天然草地適宜載畜量（羊單位）＝［飼草量×可食鮮草產量利用率］÷（家畜日食量×放牧天數）。

其中飼草量根據牧草反演數據得到，可食鮮草產量利用率：低地草甸類0.55，山地草甸類0.6，溫性草原類0.5，溫性草甸類0.55，溫性荒漠類0.35，溫性荒漠草原類0.35，高寒草甸類0.55。家畜日食量為5千克，放牧天數為365天。

（2）羊單位轉化參考NY/T 635-2002方法，牛食草量是標準羊單位的6倍，馬食草量是標準羊單位的6倍，驢食草量是標準羊單位的3倍，山羊食草量是標準羊單位的0.9倍，綿羊食草量為標準羊單位食草量。

（3）草畜平衡計算，參考NY/T 635-2002。

0～15%為平衡，15%～30%為超載，＞30%為重度超載。

公式中，B為草畜平衡指數，A為實際載畜量，表示草場實際已承載的放牧牲畜數量，單位為羊單位；R為合理載畜量，指在草原保持健康的條件下，草場最大可承載的牲畜數量，單位為羊單位。

表1 研究區草地合理載畜量

7.研究方法。在研究區草原產草量的基礎上，利用統計知識和遙感技術，合理估算補充飼草料，并根據當前牲畜數（換算為標準羊單位）估算當前已采食的產草量。然后在現存草原產草量的基礎上開展研究區草畜平衡監測工作，對其草畜平衡狀況進行分析。最后把研究區的行政界線和草地類型圖疊加到草原生產力分布圖上，并按分區計算合理的載畜量（羊單位），確定載畜平衡指標，并進行研究區草畜平衡評價。

二、結果與分析

1.牧草產量模型構建。通過多數研究發現，NDVI（歸一化植被指數）與草地生物量相關性高。因此，本研究利用地面樣方鮮草產量數據與NDVI擬合回歸方程，結果表明，鮮草重與NDVI呈極顯著正相關。

2.牧草產量反演。利用以上牧草產量估測模型反演整個示范應用區，并對反演結果進行精度驗證，線性模型R2＝0.6561，多項式模型R2＝0.6892，冪函數模型R2＝0.747，冪函數模型反演精度最高，因此，將冪函數y＝1546.1x1.9466作為估測草地牧草產量的最佳模型，可作為估測草地載畜量的基礎數據。

3.草地載畜量估算。根據獲取的不同草地類型牧草產量，利用天然草地合理載畜量計算公式，計算得到3個縣市不同草地類型合理載畜量，瑪納斯縣合理載畜量85.62萬（羊單位），沙灣市合理載畜量91.33萬（羊單位），呼圖壁縣合理載畜量74.35萬（羊單位）。

4.實際載畜量計算。從2014年新疆統計年鑒提取瑪納斯縣、沙灣縣、呼圖壁縣主要的食草性動物（牛、馬、驢、山羊、綿羊）數據。根據國標NY/T635-2002計算，將綿羊定義為家畜羊單位，將其他牲畜轉化為羊單位，其中瑪納斯縣實有載畜量為87.03萬（羊單位），沙灣市實有載畜量為113.73萬（羊單位），沙灣市實有載畜量為102.97萬（羊單位）。

5.計算載畜平衡指數。根據上述研究發現，3個縣市的合理羊單位牲畜量和實際羊單位牲畜量，根據草畜平衡計算公式，定性分析3個縣市的載畜平衡狀況。

結果表明，呼圖壁縣草畜平衡指數為38.5%，瑪納斯縣草畜平衡指數為1.6%，沙灣縣草畜平衡指數為24.5%。從結果可以看出，瑪納斯縣載畜為草畜平衡，沙灣縣有輕度超載，呼圖壁縣超載嚴重。

三、結論

本研究利用研究區GF-1衛星數據和野外調查數據，采用“3S”技術，以草地為監測對象，構建了遙感觀測（植被指數）與地面觀測（樣方生產力）之間的多種牧草產量模型，并對整個研究區牧草產量進行反演，計算草地載畜量，對研究區所在的3個縣市載畜能力進行定性分析，結果如下。

表2 研究區草地實際載畜量

表3 研究區草畜平衡指數

1.利用研究區2014年地面樣方鮮草質量數據與影像上對應的NDVI值之間的關系建立了線性、多項式、冪函數估算模型，結果表明，鮮草重與NDVI呈極顯著正相關。因此，利用NDVI構建的牧草產量模型可行。

2.利用牧草產量模型對整個研究區牧草產量進行反演，經過精度驗證，冪函數模型y=1546.1x1.9466的反演精度最高，冪函數模型可作為估測牧草產量的最佳模型。

3.在知道牧草產量和不同草地類型利用率、牲畜日食量、放牧天數數據的情況下計算3個縣市合理載畜量。其中，瑪納斯縣合理載畜量為85.62萬（羊單位），沙灣市合理載畜量為91.33萬（羊單位），呼圖壁縣合理載畜量為74.35萬（羊單位）。

4.通過2014年新疆統計年鑒獲取3個縣市食草性動物數據，再將其換算成羊單位數據，得到3個縣市的實際載畜量，瑪納斯縣實際載畜量為87.03萬（羊單位），沙灣市實際載畜量為113.73萬（羊單位），呼圖壁縣實際載畜量為102.97萬（羊單位）。

5.利用合理載畜量和實際載畜量計算草畜平衡指數，根據定性分析，瑪納斯縣草畜平衡，沙灣縣超載，呼圖壁縣重度超載。

四、討論

已有部分研究利用遙感技術對瑪納斯河流域草畜平衡情況進行分析，文章通過使用我國自主研發的GF-1衛星數據進行草畜平衡分析研究，效果好，說明GF-1衛星數據可應用到農牧業領域。