夏河县天然草原牧草生长盛期植被盖度及产草量变化
摘要：植被盖度及产草量是草地生产力监测及草原生态评价的重要指标。为及时掌握高寒草原区牧草生长关键期的植被盖度及产草量变化，选择基于NDVI的像元二分模型和指数回归模型，结合地面调查对甘肃省夏河县2018年6—8月草地植被盖度、可食牧草产量及变化进行研究与评价。结果表明：6—8月夏河县植被平均盖度7月(79.48%)较6月高24.30%，较8月高7.62%;6月盖度以Ⅱ级为主(占63.86%),7月和8月Ⅰ级占比最大(分别为83.17%和55.64%)。7月高寒草甸、山地草甸和温性草原盖度分别较6月高28.27%、21.62%和22.27%，较8月高10.92%、5.06%和8.01%;7月高寒草甸和山地草甸Ⅰ级盖度草地分别占89.54%和86.05%，温性草原以Ⅱ级为主(55.28%)。6、7和8月温性草原植被盖度最低，分别较山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，较高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。单位面积可食牧草产量均随牧草生育期延续而增大，全县及高寒草甸、山地草甸、温性草原平均干草产量8月分别达1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2;温性草原类产草量最低，6—8月分别是山地草甸的50.64%、48.32%和63.56%，是高寒草甸的47.61%、46.57%和53.22%。从6月到8月各草地类产草量由<1500kg/hm2产量级向1500～3000kg/hm2产量级转变。
本文源自中国草食动物科学,2020,40(06):37-42.《中国草食动物科学》杂志，于1981年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:62-1206/Q，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：疾病防控、综述与专论、研究简报等。
受高海拔寒冷气候条件影响，高寒草原区普遍存在冷季长、牧草生长期短的现象，一般从5月返青到9月底枯黄，因此，6—8月是高寒区牧草生长的关键期，也是评价草地产草量及其生态作用的首选期，适时测定掌握期间草原植被盖度和产草量等指标，并分析其变化规律，将为制定科学的草原保护建设规划，合理利用草原资源，保护草原生态提供重要的参考依据。地处甘肃省西南部，甘南藏族自治州西北部的夏河县[1,2,3]，是甘南州四个牧业县之一,全县草原面积占土地总面积的80.13%[4,5,6]，大夏河和洮河贯穿县域的东部和南部，是黄河一级支流大夏河的重要水源地，也是黄河流域重要的水涵养区，生态地理位置十分重要。夏河县境内多深谷高山，属典型的高原大陆性气候，寒冷而潮湿，从海拔2200m的河谷到4000m左右的高原及高山[1,2,3]，依海拔高度和水热条件，依次分布着温性草原、山地草甸和高寒草甸等，拥有甘南州4个牧业县主要的草原类型[7]。因此，选择夏河县进行牧草生长期植被盖度、产草量及其变化规律的研究，在甘南高寒牧区具有代表性。2017年俞联平等[8]和杜笑村等[9]采用遥感与地面测定相结合的方法分别对合作市山地草甸和高寒草甸草原植被盖度及产草量进行了研究，2018年杨林平等[10]采用相同方法对玛曲县草原植被盖度进行了研究，但3人的研究仅限于山地草甸和高寒草甸，目前尚缺乏对夏河县天然草原牧草生长盛期植被盖度和产草量变化的系统研究和报道。本研究利用地理信息等现代空间技术在时空上高精度快速获取地表植被波谱信息方面的巨大优势及强大的数据处理分析功能，结合地面调查对夏河县天然草原2018年6—8月植被盖度及可食牧草产量的时空变化进行了研究，为夏河县草原资源的规划建设和合理利用，保护高寒牧区，尤其黄河源区的草原生态提供参考和指导。
1、材料与方法
在地面路线调查及样方监测基础上，选择研究区外业调查同期MODISNDVI数据，利用NDVI与植被盖度及产草量之间的相关关系，分别建立像元二分盖度模型和指数回归估产模型对2018年6—8月牧草生长盛期夏河县天然草原植被盖度和可食草产量及变化进行估测与评价。
1.1研究区概况
夏河县地处甘肃省甘南藏族自治州西北部，位于东经101°54′～103°25′，北纬34°32′～35°34′间，海拔2200～4600m，地势自东南向西北递增[1,2,3]。年均气温2.6℃，降水量516mm[2,7]，气候寒冷潮湿，冷季长，全年枯草期长达7个月，牧草生长期仅5个月。草牧业是夏河县的基础产业和优势产业，全县天然草原50.26万km2，占土地总面积的80.13%[4,5,6]，牧业产值占农业总产值的75.5%[5]。
1.2数据来源及处理
1.2.1影像数据及处理
利用2018年6—8月的MODISMOD13Q1(H26V05)16d合成数据(空间分辨率250m)提取归一化植被指数(NDVI)，数据来自USGS网站。
研究区相关地理数据的格式和投影转换、图像的剪切和拼接，盖度和产草量模型构建等利用ENVI和ArcGIS。
1.2.2地面调查时间及内容
在2018年6—8月每月中旬，选择夏河县各草原类典型样地，按业外样方测定要求进行地面调查，记录样地及样方的草原类型、植被盖度、草丛高度、可食及不可食牧草鲜草产量、样方点位置信息等。7—8月在各草地类布设验证样方测定植被盖度及产草量，用于分析评价盖度模型和产草量模型精度。
1.2.3盖度及产草量估算
植被指数与区域内草地植被盖度和产草量均呈正相关[11,12,13]，利用NDVI不仅能构建符合精度要求的像元二分盖度模型，结合地面测产数据，也能建立符合精度要求的产草量估产模型[11,12,13,14,15]。
(1)盖度计算公式为：
NDVImax代表以累计百分数0.5%为置信区间的裸地NDVI值，NDVImin代表以99.5%为置信区间的纯植被NDVI值，低于0.5%和大于99.5%的区域，分别为近似纯土壤区(NDVImin)和纯植被区(NDVImax)。
(2)草地产草量反演：利用6、7、8月研究区天然草原可食牧草干重实测数据，结合同期相应点MODISNDVI提取值，建立不同月份回归估产模型估测草地产草量。
1.2.4盖度模型及产草量模型精度评价
模型精度通过量化计算均方根误差(RMSE)进行验证和评价[16,17],RMSE值越低精度反而越高。RMSE计算公式：
式中，E(yi)代表第i个实际测定值，yi代表第i个相应模型预测值，n为实测样方总数。
2、结果与分析
2.1草地盖度及变化
2.1.1分乡镇盖度及变化
利用以NDVI为基础的像元二分盖度估测模型，估算牧草生长盛期(6—8月)夏河县及各乡镇植被平均盖度，结果见表1。
表1牧草生长期植被平均盖度
全县植被平均盖度6月最低，7月达最高值，8月有所下降。7月全县平均盖度(79.48%)较6月高24.30%，较8月高7.62%。
从分区域植被盖度变化看，各乡镇植被盖度也均以6月最低，7月最高。6—8月位于夏河县北部和中部山谷地区的麻当、王格尔塘、拉卜楞、甘加等乡镇，受干旱等气候条件影响，植被平均盖度普遍较低，而南部和西部的科才、牙利吉、桑科、博拉等乡镇平均盖度较高。以7月平均盖度来看，北部麻当乡、王格尔塘镇、甘加乡和拉卜楞镇植被平均盖度均在75%以下，南部科才乡、牙利吉乡、桑科乡、扎油乡、博拉乡和吉仓乡均在80%以上，科才和牙利吉乡最高，分别达83.24%和82.76%。
利用7月和8月研究区地面验证样方盖度测定数据对像元二分模型精度进行了分析，7月和8月均方根误差分别为14.78和16.52，模型估测精度分别达85.22%和83.48%，均满足精度要求，且以7月精度较高。
2.1.2草地盖度分级及变化
将研究区植被盖度按25%梯度分为100%≥F(盖度)>75%(Ⅰ)、75%≥F>50%(Ⅱ)、50%≥F>25%(Ⅲ)和25%≥F(Ⅳ)四级。6—8月夏河县植被盖度分级及变化见图1。
如图1所示，6月夏河县天然草原以II级盖度草地为主，占全县草原面积的63.86%，其次为I级草地，占20.89%;7月和8月均以I级盖度草地为主，尤其7月I级盖度草地所占比例高达83.17%,8月I级盖度草地下降为55.64%,II级增加到41.00%。相比盖度级别7月最高。
图16—8月夏河县不同盖度级别草地所占比例
2.1.3分类草地植被盖度及变化
从图2看出，高寒草甸、山地草甸和温性草原植被盖度均以7月最高，6月最低，7月植被盖度分别较6月高28.27%、21.62%和22.27%，较8月高10.92%、5.06%和8.01%。6—8月各草原类植被盖度均以山地草甸最高，温性草原最低，温性草原分别较山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，较高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。
图2不同草原类草地6—9月植被盖度比较
2.1.4不同草地类盖度分级及变化
如图3所示，高寒草甸植被盖度级别7月最高，I级盖度草地占89.54%;8月以II级和I级盖度草地为主，分别占54.81%和43.12%;6月以II级草地为主，占59.31%,I级盖度草地仅占22.22%。山地草甸盖度级别也是7月最高，7月和8月I级盖度草地占比分别达86.05%和71.94%;6月以II级盖度草地为主，占68.66%。6—8月温性草原植被盖度均以II级盖度草地为主，分别占56.19%、55.28%和61.23%,7月I级盖度草地占比第二，为27.56%，而6月和8月III级草地占比第二，分别为38.74%和23.47%。
图36—8月各草原类不同盖度级别草地所占比例
2.2草地可食牧草产量及变化
2.2.1草地产草量及变化
分别利用6、7和8月天然草地可食牧草干样重量实测数据，结合同期相应点NDVI提取值，建立6、7和8月夏河县产草量回归估产模型如表2。
表26—8月夏河县草地产草量估产模型
注：x为同期MODISNDVI值
利用6—8月产草量估产模型，反演出夏河县天然草原可食牧草干草产量见图4。从图4看出，6—8月夏河全县及高寒草甸、山地草甸、温性草原类草地单位面积可食牧草干草产量均随牧草生育期延续而增大，且均以8月增幅最大，分别较7月增加38.43%、26.22%、45.30%和66.03%。6—8月各草原类可食牧草干草产量以山地草甸最高，温性草原最低，山地草甸产草量分别是温性草原的2.10、2.15和1.88倍，高寒草甸分别是温性草原的1.97、2.07和1.57倍，山地草甸产草量分别较高寒草甸增加6.37%、3.75%和19.44%。
图4夏河县6—8月可食牧草产量
利用研究区7月和8月验证样方产草量数据，对估产模型精度进行验证，7月和8月RMSE分别为22.05和23.13，模型估产精度分别为77.95%和76.87%，均符合精度要求。
2.2.2不同草地类产量分级及变化
将研究区产草量按1500kg/hm2量差进行产草量分级，6—8月各草地类不同产量级草地占比见图5。
从图5看出，6—8月随牧草生育期延续，各草地类产草量由<1500kg/hm2产量级向1500～3000kg/hm2产量级转变。6月和7月高寒草甸以<1500kg/hm2产量级为主，分别占59.25%和56.17%,8月1500～3000kg/hm2产量级所占比例增加到70.01%;6月山地草甸<1500kg/hm2产量级占比达58.98%,7—8月1500～3000kg/hm2产量级所占比例分别增加到52.95%和82.51%;6—8月温性草原均以<1500kg/hm2产量级占比最大。
图56—8月各草原类不同产量级草地所占比例
2.2.3分区域草地产草量比较
7月和8月夏河县各乡镇单位面积可食牧草干草产量统计见图6。从图6看出，各乡镇之间产草量变化与植被盖度基本一致，位于夏河县北部和中部山谷地区的麻当、王格尔塘、拉卜楞等乡镇，受干旱气候条件制约，温性草原类草地占比较大，可食牧草干草产量普遍较低，而南部和西部的科才、牙利吉、桑科、博拉、吉仓、阿木去乎、扎油等乡镇产草量较高。以8月单位面积可食牧草平均产量来看，北部麻当乡、王格尔塘镇和拉卜楞镇可食牧草干草产量均在1500kg/km2以下，南部科才、牙利吉、桑科、博拉、吉仓、阿木去乎、扎油等乡镇均在2000kg/km2以上。8月产草量增幅北部乡镇大于南部，北部的麻当、王格尔塘、甘加等乡镇产草量增幅均在45%以上，南部的科才、牙利吉增幅在30%以下。
图6夏河县7—8月乡镇可食牧草产量
3、讨论
本研究借鉴以往研究成果，将遥感与地面调查结合，采用MODISMOD13Q1的16d合成数据，通过基于NDVI的像元二分关系模型和回归模型分别对甘南州夏河县牧草生长盛期(6—8月)的草原植被盖度及可食牧草产量的时空变化进行了研究，为高寒草原区草原生态及生产力监测与评价提供了借鉴和参考。本次调查夏河县2018年7月和8月植被平均盖度分别为79.48%和73.85%，与同期杨林平等[10]对玛曲县天然草原植被盖度的测定结果基本一致(分别为75.63%和67.09%)，也与俞联平等[8]、杜笑村等[9]2017年7—8月采用同样方法对合作市山地草甸和高寒草甸植被盖度的测定结果(分别为74.93%、77.10%和72.69%、78.89%)，马琳雅[16]2009—2011年对甘南草地植被盖度的研究结果(分别为78.17%、78.27%和78.02%)相近。本研究2018年7—8月植被平均盖度低于当年夏河县和甘南州动态监测数据(分别为98.12%和96.87%)[18]，与此次调查采用遥感技术在较大尺度上提取的大面积、区域性天然草原的平均盖度有关，而动态监测是典型草地类型固定样地内样方的测定数据。夏河县天然草原植被盖度以I级和II级盖度为主，与马琳雅[16]测定的2001—2011年甘南州植被盖度以高和较高盖度为主的结果一致。本研究中夏河县天然草原及高寒草甸、山地草甸、温性草原类草地单位面积可食牧草干草产量均随牧草生育期延续而增大，与俞慧云等[19]同期对玛曲县可食牧草鲜草产量的研究报道一致，也与杜笑村等[9]和俞联平等[8]2017年对合作市高寒草甸和山地草甸牧草生长期产草量变化趋势的研究结果一致。但本研究可食牧草干草产量山地草甸>高寒草甸>温性草原的结果，与上述高寒草甸>山地草甸的报道[8,9]不一致，其原因除与不同类型草地可食牧草构成种类及鲜草含水量差异有关外，也与其分布的地域差别有关。
4、结论
(1)夏河县2018年6—8月植被平均盖度7月较6月高24.30%，较8月高7.62%;6月盖度以II级为主，7月和8月均以I级占比较大。
(2)高寒草甸、山地草甸和温性草原7月盖度分别较6月高28.27%、21.62%和22.27%，较8月高10.92%、5.06%和8.01%。6—8月温性草原植被盖度较低，分别较山地草甸低20.44%、20.01%和22.20%，较高寒草甸低15.87%、19.81%和17.65%。7月高寒草甸和山地草甸I级盖度草地分别占89.54%和86.05%,8月分别以I级和II级为主，6—8月温性草原以II级盖度草地为主。
(3)2018年6—8月夏河县天然草原及高寒草甸、山地草甸、温性草原类草地单位面积可食牧草干草产量均随牧草生育期延续而增大，8月分别达1929.60、1800.92、2150.96和1144.74kg/hm2。6—8月温性草原产草量分别是山地草甸的50.64%、48.32%和63.56%，是高寒草甸的47.61%、46.57%和53.22%。从6—8月各草地类产草量由<1500kg/hm2产量级逐渐向1500～3000kg/hm2产量级转变。
(4)夏河县北部和中部山谷地区温性草原占比较大，植被盖度和可食牧草干草产量普遍较低，而南部和西部较高。
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