夏河縣天然草原牧草生長盛期植被蓋度及產草量變化

　　摘要：植被蓋度及產草量是草地生產力監測及草原生態評價的重要指標。為及時掌握高寒草原區牧草生長關鍵期的植被蓋度及產草量變化，選擇基于NDVI的像元二分模型和指數回歸模型，結合地面調查對甘肅省夏河縣2018年6—8月草地植被蓋度、可食牧草產量及變化進行研究與評價。結果表明：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級為主(占63.86%),7月和8月Ⅰ級占比最大(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級蓋度草地分別占89.54%和86.05%，溫性草原以Ⅱ級為主(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量均隨牧草生育期延續而增大，全縣及高寒草甸、山地草甸、溫性草原平均干草產量8月分別達1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2;溫性草原類產草量最低，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月各草地類產草量由<1500kg/hm2產量級向1500～3000kg/hm2產量級轉變。

　　本文源自中國草食動物科學,2020,40(06):37-42.《中國草食動物科學》雜志，于1981年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:62-1206/Q，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：疾病防控、綜述與專論、研究簡報等。

　　受高海拔寒冷氣候條件影響，高寒草原區普遍存在冷季長、牧草生長期短的現象，一般從5月返青到9月底枯黃，因此，6—8月是高寒區牧草生長的關鍵期，也是評價草地產草量及其生態作用的首選期，適時測定掌握期間草原植被蓋度和產草量等指標，并分析其變化規律，將為制定科學的草原保護建設規劃，合理利用草原資源，保護草原生態提供重要的參考依據。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]，是甘南州四個牧業縣之一,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，是黃河一級支流大夏河的重要水源地，也是黃河流域重要的水涵養區，生態地理位置十分重要。夏河縣境內多深谷高山，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個牧業縣主要的草原類型[7]。因此，選擇夏河縣進行牧草生長期植被蓋度、產草量及其變化規律的研究，在甘南高寒牧區具有代表性。2017年俞聯平等[8]和杜笑村等[9]采用遙感與地面測定相結合的方法分別對合作市山地草甸和高寒草甸草原植被蓋度及產草量進行了研究，2018年楊林平等[10]采用相同方法對瑪曲縣草原植被蓋度進行了研究，但3人的研究僅限于山地草甸和高寒草甸，目前尚缺乏對夏河縣天然草原牧草生長盛期植被蓋度和產草量變化的系統研究和報道。本研究利用地理信息等現代空間技術在時空上高精度快速獲取地表植被波譜信息方面的巨大優勢及強大的數據處理分析功能，結合地面調查對夏河縣天然草原2018年6—8月植被蓋度及可食牧草產量的時空變化進行了研究，為夏河縣草原資源的規劃建設和合理利用，保護高寒牧區，尤其黃河源區的草原生態提供參考和指導。

　　1、材料與方法

　　在地面路線調查及樣方監測基礎上，選擇研究區外業調查同期MODISNDVI數據，利用NDVI與植被蓋度及產草量之間的相關關系，分別建立像元二分蓋度模型和指數回歸估產模型對2018年6—8月牧草生長盛期夏河縣天然草原植被蓋度和可食草產量及變化進行估測與評價。

　　1.1研究區概況

　　夏河縣地處甘肅省甘南藏族自治州西北部，位于東經101°54′～103°25′，北緯34°32′～35°34′間，海拔2200～4600m，地勢自東南向西北遞增[1,2,3]。年均氣溫2.6℃，降水量516mm[2,7]，氣候寒冷潮濕，冷季長，全年枯草期長達7個月，牧草生長期僅5個月。草牧業是夏河縣的基礎產業和優勢產業，全縣天然草原50.26萬km2，占土地總面積的80.13%[4,5,6]，牧業產值占農業總產值的75.5%[5]。

　　1.2數據來源及處理

　　1.2.1影像數據及處理

　　利用2018年6—8月的MODISMOD13Q1(H26V05)16d合成數據(空間分辨率250m)提取歸一化植被指數(NDVI)，數據來自USGS網站。

　　研究區相關地理數據的格式和投影轉換、圖像的剪切和拼接，蓋度和產草量模型構建等利用ENVI和ArcGIS。

　　1.2.2地面調查時間及內容

　　在2018年6—8月每月中旬，選擇夏河縣各草原類典型樣地，按業外樣方測定要求進行地面調查，記錄樣地及樣方的草原類型、植被蓋度、草叢高度、可食及不可食牧草鮮草產量、樣方點位置信息等。7—8月在各草地類布設驗證樣方測定植被蓋度及產草量，用于分析評價蓋度模型和產草量模型精度。

　　1.2.3蓋度及產草量估算

　　植被指數與區域內草地植被蓋度和產草量均呈正相關[11,12,13]，利用NDVI不僅能構建符合精度要求的像元二分蓋度模型，結合地面測產數據，也能建立符合精度要求的產草量估產模型[11,12,13,14,15]。

　　(1)蓋度計算公式為：

　　NDVImax代表以累計百分數0.5%為置信區間的裸地NDVI值，NDVImin代表以99.5%為置信區間的純植被NDVI值，低于0.5%和大于99.5%的區域，分別為近似純土壤區(NDVImin)和純植被區(NDVImax)。

　　(2)草地產草量反演：利用6、7、8月研究區天然草原可食牧草干重實測數據，結合同期相應點MODISNDVI提取值，建立不同月份回歸估產模型估測草地產草量。

　　1.2.4蓋度模型及產草量模型精度評價

　　模型精度通過量化計算均方根誤差(RMSE)進行驗證和評價[16,17],RMSE值越低精度反而越高。RMSE計算公式：

　　式中，E(yi)代表第i個實際測定值，yi代表第i個相應模型預測值，n為實測樣方總數。

　　2、結果與分析

　　2.1草地蓋度及變化

　　2.1.1分鄉鎮蓋度及變化

　　利用以NDVI為基礎的像元二分蓋度估測模型，估算牧草生長盛期(6—8月)夏河縣及各鄉鎮植被平均蓋度，結果見表1。

　　表1牧草生長期植被平均蓋度

　　全縣植被平均蓋度6月最低，7月達最高值，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%。

　　從分區域植被蓋度變化看，各鄉鎮植被蓋度也均以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的麻當、王格爾塘、拉卜楞、甘加等鄉鎮，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、博拉等鄉鎮平均蓋度較高。以7月平均蓋度來看，北部麻當鄉、王格爾塘鎮、甘加鄉和拉卜楞鎮植被平均蓋度均在75%以下，南部科才鄉、牙利吉鄉、桑科鄉、扎油鄉、博拉鄉和吉倉鄉均在80%以上，科才和牙利吉鄉最高，分別達83.24%和82.76%。

　　利用7月和8月研究區地面驗證樣方蓋度測定數據對像元二分模型精度進行了分析，7月和8月均方根誤差分別為14.78和16.52，模型估測精度分別達85.22%和83.48%，均滿足精度要求，且以7月精度較高。

　　2.1.2草地蓋度分級及變化

　　將研究區植被蓋度按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。6—8月夏河縣植被蓋度分級及變化見圖1。

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

　　圖16—8月夏河縣不同蓋度級別草地所占比例

　　2.1.3分類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不同草原類草地6—9月植被蓋度比較

　　2.1.4不同草地類蓋度分級及變化

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

　　圖36—8月各草原類不同蓋度級別草地所占比例

　　2.2草地可食牧草產量及變化

　　2.2.1草地產草量及變化

　　分別利用6、7和8月天然草地可食牧草干樣重量實測數據，結合同期相應點NDVI提取值，建立6、7和8月夏河縣產草量回歸估產模型如表2。

　　表26—8月夏河縣草地產草量估產模型

　　注：x為同期MODISNDVI值

　　利用6—8月產草量估產模型，反演出夏河縣天然草原可食牧草干草產量見圖4。從圖4看出，6—8月夏河全縣及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類草地單位面積可食牧草干草產量均隨牧草生育期延續而增大，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月各草原類可食牧草干草產量以山地草甸最高，溫性草原最低，山地草甸產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月可食牧草產量

　　利用研究區7月和8月驗證樣方產草量數據，對估產模型精度進行驗證，7月和8月RMSE分別為22.05和23.13，模型估產精度分別為77.95%和76.87%，均符合精度要求。

　　2.2.2不同草地類產量分級及變化

　　將研究區產草量按1500kg/hm2量差進行產草量分級，6—8月各草地類不同產量級草地占比見圖5。

　　從圖5看出，6—8月隨牧草生育期延續，各草地類產草量由<1500kg/hm2產量級向1500～3000kg/hm2產量級轉變。6月和7月高寒草甸以<1500kg/hm2產量級為主，分別占59.25%和56.17%,8月1500～3000kg/hm2產量級所占比例增加到70.01%;6月山地草甸<1500kg/hm2產量級占比達58.98%,7—8月1500～3000kg/hm2產量級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產量級占比最大。

　　圖56—8月各草原類不同產量級草地所占比例

　　2.2.3分區域草地產草量比較

　　7月和8月夏河縣各鄉鎮單位面積可食牧草干草產量統計見圖6。從圖6看出，各鄉鎮之間產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的麻當、王格爾塘、拉卜楞等鄉鎮，受干旱氣候條件制約，溫性草原類草地占比較大，可食牧草干草產量普遍較低，而南部和西部的科才、牙利吉、桑科、博拉、吉倉、阿木去乎、扎油等鄉鎮產草量較高。以8月單位面積可食牧草平均產量來看，北部麻當鄉、王格爾塘鎮和拉卜楞鎮可食牧草干草產量均在1500kg/km2以下，南部科才、牙利吉、桑科、博拉、吉倉、阿木去乎、扎油等鄉鎮均在2000kg/km2以上。8月產草量增幅北部鄉鎮大于南部，北部的麻當、王格爾塘、甘加等鄉鎮產草量增幅均在45%以上，南部的科才、牙利吉增幅在30%以下。

　　圖6夏河縣7—8月鄉鎮可食牧草產量

　　3、討論

　　本研究借鑒以往研究成果，將遙感與地面調查結合，采用MODISMOD13Q1的16d合成數據，通過基于NDVI的像元二分關系模型和回歸模型分別對甘南州夏河縣牧草生長盛期(6—8月)的草原植被蓋度及可食牧草產量的時空變化進行了研究，為高寒草原區草原生態及生產力監測與評價提供了借鑒和參考。本次調查夏河縣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]對瑪曲縣天然草原植被蓋度的測定結果基本一致(分別為75.63%和67.09%)，也與俞聯平等[8]、杜笑村等[9]2017年7—8月采用同樣方法對合作市山地草甸和高寒草甸植被蓋度的測定結果(分別為74.93%、77.10%和72.69%、78.89%)，馬琳雅[16]2009—2011年對甘南草地植被蓋度的研究結果(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年夏河縣和甘南州動態監測數據(分別為98.12%和96.87%)[18]，與此次調查采用遙感技術在較大尺度上提取的大面積、區域性天然草原的平均蓋度有關，而動態監測是典型草地類型固定樣地內樣方的測定數據。夏河縣天然草原植被蓋度以I級和II級蓋度為主，與馬琳雅[16]測定的2001—2011年甘南州植被蓋度以高和較高蓋度為主的結果一致。本研究中夏河縣天然草原及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類草地單位面積可食牧草干草產量均隨牧草生育期延續而增大，與俞慧云等[19]同期對瑪曲縣可食牧草鮮草產量的研究報道一致，也與杜笑村等[9]和俞聯平等[8]2017年對合作市高寒草甸和山地草甸牧草生長期產草量變化趨勢的研究結果一致。但本研究可食牧草干草產量山地草甸>高寒草甸>溫性草原的結果，與上述高寒草甸>山地草甸的報道[8,9]不一致，其原因除與不同類型草地可食牧草構成種類及鮮草含水量差異有關外，也與其分布的地域差別有關。

　　4、結論

　　(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級為主，7月和8月均以I級占比較大。

　　(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級蓋度草地分別占89.54%和86.05%,8月分別以I級和II級為主，6—8月溫性草原以II級蓋度草地為主。

　　(3)2018年6—8月夏河縣天然草原及高寒草甸、山地草甸、溫性草原類草地單位面積可食牧草干草產量均隨牧草生育期延續而增大，8月分別達1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2。6—8月溫性草原產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月各草地類產草量由<1500kg/hm2產量級逐漸向1500～3000kg/hm2產量級轉變。

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

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