碌曲縣生長季草地植被覆蓋度與生產力動態特征

王延，楊彥東，俞慧云，曹文俠

(1.甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省草原技術推廣總站，甘肅 蘭州 730010； 3.甘肅省碌曲縣草原站，甘肅 碌曲 747200)

草地資源評價工作，首先要對其基礎情況進行全面的調查，我國在20世紀80年代組織實施了第一次草原普查工作，首次摸清了全國草原資源底數，為進一步落實草原承包經營、草原保護建設等發揮了重要作用。經過近40年自然條件的變化和人為因素的干擾，部分草地生態系統已經發生了較大的變化和演替，草地面積、植被蓋度、草地生產力、草地類型以及草地載畜量等都發生較大的變化，這就需要對現階段草地資源的動態特征進行全新的調查評價。我國草地面積大、類型多，傳統的調查方法難以適應大面積的調查工作。通過MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)遙感手段對草地資源進行調查的技術方法越來越成熟，這是由于地面植物對太陽光的紅光與近紅外光有吸收和反射作用，植被指數對兩者波段有機組合，能夠較好地反映出植物生長狀況、植被覆蓋度和生物量等季節變化特征[1]，是草地監測和評價草地工作中的首選指標，其中歸一化植被指數NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)的應用較為廣泛[2]。俞慧云[3]、王浩[4]等的研究表明NDVI像元二分關系模型和回歸模型能夠很好地反映出草地的植被蓋度和產草量，為長期制約草地生長季動態跟蹤與動態監測提供了可能。

本研究利用遙感技術手段，快速精確且經濟地獲取了碌曲縣草地植被的相關信息，同時結合地面樣地調查，對全縣2018年草地的植被蓋度和草產量的變化進行了研究，以期為遙感技術手段在草地生長季植被蓋度與生產力動態監測與評估中的推廣應用提供重要參考，也可為進一步掌握該縣草地生長季動態變化狀況，為當地的草原資源規劃管理、合理利用和生態保護等提供科學依據。

1 材料和方法

將遙感測量與地面調查相結合，利用地面數據驗證同期的MODIS-NDVI數據，選擇像元二分模型和回歸模型對碌曲縣6-9月草地植被蓋度和草產量的變化進行研究和評價。

1.1 研究區概況

碌曲縣位于N 33°57′～34°48′，E 101°36′～102°58′的甘肅省東南部、青藏高原東邊緣。屬于青藏高原氣候帶高原濕潤氣候區，春秋短促，冬長無夏，高寒陰濕，年均溫度2.3℃，無絕對無霜期。年降水量580～980 mm，年蒸發量1 200～1 350 mm。

碌曲縣擁有天然草地37.55萬hm2，占全縣土地總面積的96.1%，包括分布在海拔2 800～4 500 m的尕海鄉、郎木寺鎮、瑪艾鎮、拉仁關鄉、西倉鄉、雙岔鄉、阿拉鄉、李恰如牧場等地。境內地形地貌及氣候的變化，直接影響著植被的分布和自然配置，構成當地草地類型的多樣性，全縣草地劃分為2類10型。受氣候因素影響，全縣的植物種類以草本和灌木為主，主要有莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、蓼科(Polygonaceae)、菊科(Compositae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)、毛茛科(Ranunculaceae)、玄參科(Scrophulariaceae)、龍膽科(Gentianaceae)、十字花科(Brassicaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)、紫草科(Boraginaceae)、唇形科(Labiatae)和杜鵑花科(Ericaceae)等，其種類較為豐富。

1.2 數據源及數據處理

1.2.1 數據源及數據格式 采用MODIS衛星MOD13Q1的16 d合成數據(H6V05)，空間分辨率250 m，構建當地植被蓋度的像元二分模型和草產量的回歸模型，時間序列為2018年6-9月，數據來源USGS(United States Geological Survey)遙感影像。

1.2.2 數據處理 數據處理時，用ENVI(The Environment for Visualizing Images)和ArcGIS軟件對研究區地理數據進行糾正、轉換、裁切和建模等系列處理，同時，為了有效剔除數據集中的噪聲，將得到的MODIS-NDVI數據采用S-G(Savitzky-Golay)濾波法去除大氣、云等的影響，以提高研究的精度。

1.3 地面調查時間及內容

采用路線調查法，于2018年6-9月，每月下旬沿著固定的路線，進行地面樣方監測，設置了38個樣地，114個樣方的定位測定，調查路線穿越碌曲縣草地代表性區域，測定結果視為6-9月可食牧草生長性能指標，外業調查記錄樣方地的草地類、草地型、植被蓋度、草叢高度、可食牧草干草產量、樣方點的經緯度坐標等，主要用于驗證蓋度模型精度。

1.4 植被蓋度計算指標

1.4.1 草地蓋度反演 通常來說，植被蓋度與相應區域植被指數之間存在顯著正相關[4-5]，以NDVI為基礎，建立植被蓋度像元二分模型能夠較好地反演草地植被蓋度[6-7]，將NDVI按月、季或年中各旬數據取最大值，是一種有效的NDVI遙感數據合成方法，能夠減少云、多氣溶膠像元的選擇，進一步消除云、大氣、太陽高度角等干擾[8-9]，得到NDVI最大有效值。

蓋度=(NDVI-NDVIMIN)/ (NDVIMAX-NDVIMIN)

NDVIMAX和NDVIMIN分別代表純植被和裸地的NDVI值。以累計百分數0.5%～99.5%為置信區間，其中小于0.5%的為近似純土壤區NDVIMIN，大于99.5%的為近似純植物區NDVIMAX[10-11]。

1.4.2 蓋度模型精度驗證 用均方根誤差(RMSE)量化模型精度[12]，RMSE數值越低，則模型精度越高。計算公式如下：

公式中E(yi)為第i個實測值，yi為第i個模型預測值，n是觀測樣本總數。

1.5 草地類型劃分

草地類型劃分依據最新的采用最新的行業標準《草地分類》[13]，該標準將天然草地類型劃分為類、型兩級，將原來的18個類合并簡化為9類，其中高寒灌叢草甸歸并到高寒草甸。

1.6 產草量估算指標

草地產草量與植被指數顯著相關，利用研究區可食牧草鮮重監測數據，結合相應點NDVI值，建立不同月份回歸估產模型估測其產草量，并對比擬合效果。公式為

產草量=f(X250)

X250為空間分辨率250 m相應點的NDVI值，f為指數函數。

該模型中對MODIS影像進行集合校正、拼接等過程得到樣本區域的NDVI分布圖，其次根據地面樣點的采樣時間和經緯度信息，在對應時間段的NDVI分布圖中利用GIS技術提取每個采樣點的NDVI值，再次，在建立NDVI與對應草地地面樣方鮮草重量數據庫的基礎上，分區域建立NDVI與地面產草量之間的回歸方程，即監測模型。利用ERDAS IMAGINE軟件Modeler模塊，輸入草原類型的估產模型，計算NDVI圖像上每個像元最高地上產草量。將遙感計算值折算為標準風干重產草量，折算系數根據不同草地類型的風干重系數進行，具體參考《天然草地合理載畜量的計算》中有關規定確定[14]，其中山地草甸和高寒草甸的標準干草折算系數都為1.00。

2 結果與分析

2.1 全縣草地分類及面積占比

碌曲縣復雜的地形地貌和多變的氣候，直接影響了植被的分布和自然配置，構成草地類型的多樣性，根據行業標準《草地分類》(NY/T 2997-2016)：全縣草地劃分為高寒草甸類和山地草甸類2類，高寒草甸類面積為22.49萬hm2，山地草甸類面積為15.06萬hm2，分別占全縣草地總面積的56.86%和43.14%(表1)。各類草地分為10個型，其中山地草甸中苔草、雜類草型草地占比最大，高寒草甸中線葉嵩草、雜類草型草地占比最大。除此之外，林地和耕地面積分別為1.71萬hm2和0.3萬hm2。

2.2 植被蓋度與可食牧草干草產量變化

全縣及各鄉鎮6、7月植被平均蓋度大于8、9月，其中7月底達到最大95.79%，9月最小為91.64%，6月較低于7月為94.03%(表2)，8月為94.02%。由于地面樣方的測定是在每個月的下旬進行的，草原在5月中下旬開始返青，6月下旬已經生長1月之余，牧草的莖葉得到較為充足的生長發育，7月降水和溫度達到最大，牧草進入生長旺季，植被蓋度達到最大，而8月底則溫度開始降低霜降逐步加重，牧草減緩生長并轉向枯黃，植被蓋度開始下降，9月底停止生長進入枯黃期，草地蓋度低于6-8月。就各監測樣方的可食牧草干重而言，全縣和各鄉鎮6-9月均是逐漸增大，這與隨著生長時間的增長，牧草中所含的纖維素等逐步增大有一定的關系，其中，拉仁關鄉的整體大于其他各鄉鎮，郎木寺鎮的小于其他鄉鎮。

表2 碌曲縣監測樣方草地平均植被蓋度與可食牧草干重

2.3 植被蓋度變化與估測模型

2.3.1 像元二分模型蓋度 利用NDVI的像元二分模型對全縣不同的草地類型6-9月的植被平均蓋度變化進行計算，全縣整體草地平均蓋度、山地草甸和高寒草甸的平均蓋度均是7月達到最高，分別為81.77%，82.38%和81.33%，9月份最低，分別為49.45%，52.27%和47.32%，6月和8月平均蓋度低于7月而高于9月(圖1)。同時，不同草地類型的植被平均蓋度相互之間差異不顯著，整體呈現先增后降的單峰變化趨勢，皆是以7月最高，這與7月降水量及熱量最高有一定關系。

圖1 全縣及各類型草原平均蓋度動態Fig.1 Dynamic change of average coverage of grassland in the County

根據研究區地面測定的樣方數據對像元二分模型精度進行驗證，6-9月的均方根誤差(RMSE)12.68～18.57，估測精度均在81%以上，其中6月的估測精度最高(87%)。

2.3.2 草地蓋度分級變化 將研究區草地植被蓋度(F)按25%的梯度分為Ⅰ～Ⅳ四個等級，分別為Ⅰ級(75%

表3 全縣及不同類型草地蓋度等級占比

2.4 牧草產量變化與估測模型

將研究區草地干草產量按750 kg/hm2的比例劃分為1～7級，分別為：7級<750 kg/hm2、750 kg/hm2≤6級<1 500 kg/hm2、1 500 kg/hm2≤5級<2 250 kg/hm2、2 250 kg/hm2≤4級<3 000 kg/hm2、3 000 kg/hm2≤3級<3 750 kg/hm2、3 750 kg/hm2≤2級 4 500 kg/hm2、1級≥4 500 kg/hm2。建立產草量回歸模型對全縣6～9月產草量進行估算，干產草量分別為1 247.40、1 956.00、2 554.05和2 809.05 kg/hm2，全縣及各類型草地的可食牧草干草產量呈現逐步增大的趨勢(表4)。同期比較來看，平均草產量山地草甸各個時期的都高于高寒草甸，而總產草量山地草甸的低于高寒草甸。

表4 碌曲縣6～9月草地可食牧草干草平均產量

對全縣6-8月草地的干草產草量進行產草量等級劃分，6月份全縣的產量以6級為主，5級次之(圖4-A)；7月以5級為主，4級次之(圖4-B)；8月則以4級草地最多(圖4-C)，隨著生長季節的推移，其可食牧草干草重量逐步增大。

圖2 碌曲縣6～8月份牧草產量分級Fig.2 Classification map of forage yield in Luqu county from june to august

根據樣地樣方實測數據與相應點影像NDVI提取值建立6-8月產量估測模型，其可食牧草干草產量與NDVI之間采用指數關系式，表達式詳見表5。其中R2值越大，則表示擬合效果越好，擬合的函數愈逼真，愈接近實際情況，各模型中6月份的R2最大。

表5 碌曲縣6～8月草地NDVI估算模型

3 討論

草地資源研究中基礎情況的調查尤為重要，歷時十年的第一次全國草原資源普查首次摸清了我國草原資源的基本狀況[15]，但經過40年自然條件的變化和人為因素的干擾，部分草地已經發生微妙變化，原有的調查數據已經不能全面、準確地反映現有草地的生長狀況。而現階段MODIS遙感技術，為大范圍快速、有效、精確地測量草地資源提供了有力的技術支持和保障。研究表明，植被蓋度與NDVI之間存在顯著相關關系[16]，王浩[17]等利用MODIS-NDVI數據構建像元二分模型研究甘南州草地2000-2008的蓋度變化，結果表明，植被蓋度總體呈下降趨勢，其中2000、2004和2008年的植被蓋度分別為62.08%、63.32%和62.25%，李文龍等[18]利用該模型研究了瑪曲縣2000、2002、2004、2006和2008年高寒草甸的植被蓋度變化，也得出優等植被退化嚴重且植被蓋度呈總體下降趨勢，各年份植被蓋度分別為66.17%、56.41%、57.34%、77.38%和58.93%。本研究結果顯示：碌曲縣總的植被平均蓋度、山地草甸和高寒草甸的平均蓋度均是7月達到最高，分別為81.77%，82.38%和81.33%，9月份最低分別為49.45%，52.27%和47.32%，6月和8月平均蓋度低于7月而高于9月。全縣6-9月的草地植被蓋度呈現先上升后下降的趨勢，并在7月達到峰值，且6-8月均以Ⅰ級占比最大，受氣候等的影響，9月Ⅱ級蓋度的占比增大。馬琳雅[19]測定的2001-2011年甘南州各年份6-8月份的蓋度范圍為72.35%～83.42%、86.43%～90.28%、85.84%～89.17%，整體具有由高植被蓋度向較高植被蓋度轉換的趨勢，且各年份以7月最高，本研究中碌曲縣7月植被蓋度最高，與該觀點結果一致。

產草量直接影響草地的承載力，也是衡量草地退化程度的一個指標。草地產草量測定常采用實測產量法和遙感評估法，雖然實測產量法較為準確，但耗時費力，一般多用于草地產草量的采樣調查[20]，近20年的研究歷史表明利用遙感手段估算牧草產量是可行的，該方法將地面調查與遙感相結合，進行大范圍、快速草地生產力監測，能夠實現由點到面的擴展，同時可以利用NDVI的時間序列資料較好的評估牧草產量的季節變化等規律，已成為近年來草地資源及生產力動態監測的發展方向。俞聯平等[21]利用TM影像NDVI和 SAVI分別反演了永昌縣、甘州區和肅州區草原區和荒漠草原區草地生產力。陳進發等[22]基于TM-NDVI 的草地生產力監測表明，監測樣點生物量與 NDVI 相關系數達0.7以上。萬里強等[23]利用 MODIS-NDVI 和地面調查數據建立了瑪曲縣產草量回歸模型，計算了全縣及各鄉鎮的產草量。本研究結果表明：碌曲縣6-9月全縣干產草量分別為1 247.40、1 956.00、2 554.05和2 809.05 kg/hm2，總產量山地草甸低于高寒草甸，平均產草量山地草甸高于高寒草甸；6-8月可食牧草干草產量分級主要處在6級到4級之間，其中6月以6級為主，7月以5級為主，8月以4級為主，隨著生長季節的推移，可食牧草的干草重呈現出逐步增大的趨勢。碌曲縣西部以高寒草甸面積居多，并有一定數量的沼澤化草甸，中北部以高寒草甸類和山地草甸類為主，東北部有小面積林間草甸，牧草產量空間分布與草地的類型緊密相關，全縣草地產草量達到1級標準的很少，多分布在沼澤地帶附近。牧草的高產和中產區(單產>2 250 kg/hm2)多分布在中北部，西部海拔最高，年低溫相對低于其他地區，屬于低產區(單產<750 kg/hm2)。

碌曲縣第一次草原普查結果擁有天然草地毛面積41.90萬hm2，分為高寒草甸和高寒灌叢草甸兩個草地類，占比分別為11.31%和88.69%[15]。本研究中對草地類型劃分時采用最新的行業標準《草地分類》(NY/T 2997-2016)，該標準將高寒灌叢草甸歸并到高寒草甸，此次通過遙感影像測量出碌曲縣草地面積為37.55萬hm2，較第一次普查結果減少4.35萬hm2，同時根據水熱指標劃分出了15.06萬hm2的山地草甸和22.49萬hm2的高寒草甸，整體以高寒草甸為主。該結果與準確確定草地界線和完整地勾繪出草地圖斑有關，但也不排除因影像圖上面個別灌叢和草地界線確認偏差引起的誤判[8]。碌曲縣近年來草地植被蓋度和生產力整體有所向好轉變，這與當地的降水和溫度以及采取的系列保護修復技術有一定關系，王建兵[24]近40年甘南草原生命地帶偏移趨勢及干濕變化研究證明，甘南州的草原氣溫呈明顯上升的趨勢，其中以南部的瑪曲和碌曲縣最為明顯，王鶯[25]在氣候變化對黃河源區生態環境的影響研究中也提到，黃河源區降水略有增加，氣溫顯著升高。近年來我國實施的國家黃河源區草原生態保護與修復治理項目[26-27]。使得當地的退化草場得到有效的修復建設和保護，天然草地的植被覆蓋度、優良牧草比例和草地初級生產能力得以大幅度提高，恢復多種生態功能，使草地生態系統逐步進入良性循環。扭轉了天然草地持續惡化的勢頭，促進了當地生態、社會和經濟的協調發展。

4 結論

本研究基于MODIS影像，建立了碌曲縣草地NDVI的植被蓋度像元二分關系模型和產草量回歸模型，研究了碌曲縣2018年的植被蓋度和草產量，得出以下結論：

1)建立的植被蓋度像元二分關系模型和產草量回歸模型，能夠較好反映碌曲縣2018年草地植被蓋度和草產量動態規律。2018年6-9月草地植被平均蓋度呈現先上升后下降的趨勢，最大值出現在7月，為81.77%；各類草地可食牧草干草產量在6—9月呈現逐步增大的趨勢。

2)全縣草地有2類，為高寒草甸和山地草甸，其中高寒草甸草地面積為22.49萬hm2，山地草甸草地面積為15.06萬hm2，分別占全縣草地面積的59.89%和40.11%。本研究為當地草地生長季動態跟蹤與監測，草地資源規劃管理、合理利用和生態保護等方面提供了科學依據。