基于高分辨率影像的家庭牧场草地利用单元划分

乌 兰，韩国栋，乔 江，袁 清，闫瑞瑞，王萨仁娜,4

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.中国农业科学院草原研究所， 内蒙古 呼和浩特 010010；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；4.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022)

基于高分辨率影像的家庭牧场草地利用单元划分

乌 兰1，韩国栋1，乔 江2，袁 清2，闫瑞瑞3，王萨仁娜1,4

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019；2.中国农业科学院草原研究所， 内蒙古 呼和浩特 010010；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；4.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010022)

利用高分辨率遥感影像ALOS和实地调查相结合的方法，对内蒙古呼伦贝尔市境内的典型家庭牧场进行了草地利用单元划分和状态-转换模型的构建，在家庭牧场尺度上开展了草地资源合理利用及资源优化的配置研究.结果表明：研究区草地可划分为两种利用单元，第一种为广泛分布于研究区的高平原-冲积物暗栗钙土-羊草(Leymuschinensis)+贝加尔针茅(Stipabaicalensis)草地单元，占草地面积的98%；第二种为位于5号牧场北部的低地滩地-草甸土-灰脉苔草(Carexappendiculata)+委陵菜(Potentillachinensis)草地单元，仅占草地面积的2%.第一种草地利用单元的状态-转换模型存在羊草占优势和羊草退化的两个生态状态，依据演替顺序，第一个生态状态包括3个植物群丛，分别为羊草+贝加尔针茅+寸草苔(Carexduriuscula)、羊草+寸草苔、羊草+糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)+寸草苔群落，面积占77%；第二个生态状态只有糙隐子草+寸草苔1个群丛，面积占21%.说明该区草地退化状态不是很明显，通过一定的恢复措施可较易转换为羊草占优势的生态状态.

草地利用单元；地形；植被；土壤；ALOS；状态-转换模型

草地利用单元又称生态地境，是为统一管理草地而提出的生态分类单元，是在特定气候、地貌、土壤特征下形成的具有特定种类植被的地段，会对管理措施(如放牧、火烧)和自然干扰(如干旱、洪水)做出响应[1-2].其发展大致经历了地境、草地地境和生态地境3个阶段[3].地境也叫立地，是指森林或其他植被类型生存的空间及其相关的自然因子的综合[4]，最早运用在林学领域，是森林群落管理的基础；之后，逐渐被应用到草地顶级植物群落研究中；目前，为了解决以Dyksterhuis的演替-退化模型[5]为代表的传统顶级演替模型在应用中的局限性，以更好地揭示草地生态系统的非平衡性[6]，引入了状态-转换模型[7]，从而形成了生态地境理论.不同的草地利用单元在地形、植被、土壤和生态过程的综合作用下，植物群落或生产力存在较大差异，这使得草地利用和管理方式截然不同.我国传统的草地类型分类主要考虑草地的利用现状，很少从潜在性出发管理草地，草地利用单元的提出弥补了这一点.状态-转换模型通常与草地利用单元并用，表示草地植物群落所处的状态退化与否，可预测植物群落的发展趋势.因此，合理划分草地利用单元对揭示草地植被的形成、发展、演替规律，以及科学、有效地进行草地资源利用和管理具有重要意义.

近年来，国内外学者就草地利用单元划分进行了大量的研究[8-12]，其研究思路基本相同，主要依据地形、土壤、植被等因素进行大、中尺度的草地生态系统利用单元的划分，但对于小尺度，如家庭牧场这一经营形式下的研究甚少.家庭牧场作为草原畜牧业生产的基本单位，其放牧方式以定居式连续放牧为主[13].目前，草畜矛盾的不断加剧成为制约草原畜牧业经济发展的阻力[14]，只有大力发展以家庭牧场为主的集约化经营模式，才能使牧民的生活水平和质量得到提高，进而实现牧区经济的可持续发展.

作为草地资源调查的重要手段，遥感和GIS技术可完成草地资源信息的提取和草地资源图的编制[15]，高分辨率遥感影像在小尺度(如家庭牧场)的应用能为草地资源调查和监测提供更高精度的数据支持.为此，本研究选取呼伦贝尔市境内的典型家庭牧场，采用高分辨率遥感影像ALOS和实地调查相结合的方法，对家庭牧场尺度的草地进行了利用单元划分，旨在探索合理的划分方法，为家庭牧场尺度草地现状评估、制定合理利用方案和生态恢复提供理论依据，同时为时间序列上的草地变化监测以及比较分析奠定基础.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

实验地选择内蒙古呼伦贝尔市谢尔塔拉镇和陈巴尔虎旗境内的家庭牧场，地理位置为北纬49°14′52″～49°29′50″、东经119°0′11″～120°5′47″，海拔592～714 m.实验区土地面积4 190 hm2，草场占96.3%；气候属于温带半干旱大陆性气候，年均气温-3～-1℃，年均降水量385 mm，主要集中在6—8月；土壤为暗栗钙土，质地为壤质土；植被类型为以羊草(Leymuschinensis)和贝加尔针茅(Stipabaicalensis)为主的草甸草原以及小面积的低湿地草甸.

1.2 数据与处理

在实验地选取10个典型家庭牧场，标记为1—10号，分布于草甸草原区(1—10号)和小面积的低湿地草甸区(5号牧场的北部区域).为了对草地进行利用单元划分，本研究需收集地形、植被、土壤数据.地形数据选取ASTER可见光近红外(VNIR)子系统生成的DEM数据，提取研究区的高程和坡度.植被数据的采集于2011年7月进行，在每户牧场随机选取5个1 m×1 m的样方并记录GPS信息；统计样方内物种数；测定物种高度、盖度、密度；所有植物齐地面剪下，分种记录鲜重，带回实验室65℃烘至恒重后，称其干重.这些指标的测定用于植物重要值的分析.同时，在每个牧场有代表性的地段取1个土壤剖面，按发生层自下而上逐层采样，测定土壤厚度、结构.在各层最典型的中部位置取1 kg的土样，放入样品袋，带回实验室风干后测定土壤有机质含量和pH值，每个样品重复3次.其中的影像数据处理采用ERDAS Imagine8.3和Arcgis9.3软件进行，土壤数据处理采用SPSS13.0软件进行.

1.3 草地利用单元的划分方法

为了家庭牧场草地利用单元的划分及制图，采用2010年6月26日和9月9日的ALOS卫星多光谱(分辨率为10.0 m)和全色(分辨率为2.5 m)共4幅Level1B1级影像数据.对影像进行几何精校正、图像配准和融合等操作后，最终获取了研究区2.5 m分辨率的融合影像.其中空间变换选用二次多项式变换，图像重采样选用双线性内插法，图像融合采用主成分分析法.

本研究根据Bestelmeyer等[16]、Moseley等[11]的方法划分草地利用单元，命名采用连续命名法[7]，即地形在前，土属在中，植被群丛组最后(用“-”连接).结合研究区实际情况，采用目视解译与野外调查相结合的方法提取草地信息，根据土地类型分类[17]，将研究区分为草地与非草地(将耕地、河流、道路和裸地合并为非草地)；结合野外调查以及数据分析结果，确定每个牧场内的植物群丛，为状态-转换模型的构建提供依据；对已勾绘的图斑添加属性信息，同时借助外业调查对每个图斑进行实地核实，对遗漏图斑进行补充并修改图形数据和属性信息.依据数据的综合分析，最终确定草地利用单元的名称.与此同时，进行各地类的结果上图和面积统计.

本研究采用Stringham[7]的方法构建研究区状态-转换模型.模型主要由大、小方框，实、虚线构成：小方框代表单独的植物群落或群丛；大方框代表不同的生态状态，其在群落结构和生态过程(如侵蚀等)进化中存在较大差异；虚线表示群落之间转移的通道，通过措施的促进和气候波动，转移可逆；实线表示状态之间的转换，只有通过加速性措施(如播种、灌丛控制或者额外的土壤添加)转换才可逆，且需花费大量的物力.

2 结果与分析

2.1 调查数据分析

2.1.1 地形数据

从图1和图2可知，该区高程差异不大，大部分地区坡度小于5°，地形较平坦，属于高平原.5号牧场最北部海拔小于610 m，属于低地滩地；此外，8号牧场中部海拔虽然高于670 m，但因其坡度较平缓，也属于高平原.综上所述，该区地形为高平原和低地滩地.

图1 家庭牧场及周边区域高程图

图2 家庭牧场及周边区域坡度图

2.1.2 土壤剖面特征

从表1可知，除7号牧场以外，各牧场土壤均由3层构成，即腐殖质层(0～62 cm)、淋溶层(42～85 cm)和淀积层(68～110 cm).土壤结构以粒状结构为主，土壤有机质含量随土壤深度的增加而下降，且主要集中在腐殖质层；其中1—5和9号牧场土壤有机质含量最高，均大于17.2 g/kg，其余牧场在13.4～15.12 g/kg之间，最低分布于6—7号牧场，为13.4 g/kg，；各牧场有机质含量无显著差异.各牧场表层土壤pH值随着土壤深度的增加均有所上升，且腐殖质层pH值主要在6～7之间，6号和10号牧场除外，各牧场土壤pH值无显著差异.经综合判定，该研究区土壤在分层、结构、有机质含量、pH值等方面均表现出一致性，各牧场土壤是相似的.

表1 不同家庭牧场土壤剖面特征

注：表中方差分析结果显著水平为P<0.05.

2.1.3 植被特征

以各物种的重要值对每个牧场的植被类型进行分类，结果见表2.由表2可见，所选10个家庭牧场存在4种植物群丛，按牧场序号排列为：羊草+贝加尔针茅+寸草苔群丛(1—5号牧场)、羊草+糙隐子草+寸草苔群丛(6号牧场)、糙隐子草+寸草苔群丛(7—8号牧场)、羊草+寸草苔群丛(9—10号牧场).此外，在5号牧场低地滩地上分布的低湿地草甸内，为灰脉苔草+委陵菜群丛(5号牧场).因此，研究区植被主要可分为两种类型：一种为羊草+贝加尔针茅草甸草原；另一种为灰脉苔草+委陵菜低湿地草甸.

续表2

2.2 草地利用单元的划分

研究区10个家庭牧场可分为2种利用单元：一种是高平原-冲积物暗栗钙土-羊草+贝加尔针茅利用单元；另一种是低地滩地-草甸土-灰脉苔草+委陵菜利用单元.

2.2.1 高平原-冲积物暗栗钙土-羊草+贝加尔针茅草地利用单元

该利用单元广泛分布于研究区，面积为3 966 hm2，占整个草地的98%.它包括4个植物群丛，历史资料表明，它们属于羊草+贝加尔针茅+苔草群丛的不同退化阶段，其参考群丛为羊草+贝加尔针茅+寸草苔，如按演替的先后顺序在各自牧场排列为：

羊草+贝加尔针茅+寸草苔群丛(1—5号)→羊草+寸草苔群丛(9—10号)→羊草+糙隐子草+寸草苔群丛(6号)→糙隐子草+寸草苔群丛(7—8号).

羊草+贝加尔针茅+寸草苔群丛分布于陈巴尔虎旗境内的1—5号牧场，面积为1 671 hm2，占整个草地的41%(见图3、图4).从表2可知，本群丛中除了羊草、贝加尔针茅和寸草苔以外，糙隐子草、早熟禾等丛生小禾草也占有较大比例.伴生植物有变蒿、野韭、柴胡、麻花头等，多以中旱生杂类草为主.群落总盖度为42.85%，草层一般高度为10～30 cm.种类组成较为丰富，5个1 m2样方中出现的植物有20余种，群落产草量为1 040 kg/hm2.该类型草场附近有道路，周围居民点少，草地产量高，草地基况最好，是优质的放牧场和打草场，在8月中下旬结实季节，应另选草场放牧，以避免芒针对家畜的危害.

图3 1—4号家庭牧场草地利用单元

图4 5—6号家庭牧场草地利用单元

羊草+寸草苔群丛位于谢尔塔拉镇和陈巴尔虎旗境内的9—10号牧场，面积为972 hm2，占草地总面积的24%(见图5).本群丛中羊草和寸草苔是建群种，此外，糙隐子草、洽草等丛生小禾草的比例有所下降，下降最为明显的是糙隐子草.伴生植物有变蒿、二裂委陵菜、双齿葱等.群落总盖度为40.66%，草层一般高度为10～17 cm.种类组成较丰富，5个1 m2样方中出现的植物有30余种，群落产草量为500 kg/hm2.海拉尔河位于该草场南部，且有道路穿过草地.由于牲畜频繁往返河边饮水，以及交通线路密集等原因导致草地产量较低，草地出现一定程度的退化，公路两边更为明显.

羊草+糙隐子草+寸草苔群丛位于陈巴尔虎旗境内的6号牧场，面积为465 hm2，占草地总面积的12%(见图4).本群丛的羊草、糙隐子草明显少于前两种群丛，而寸草苔远远多于前两种群丛，丛生小禾草消失，出现二裂委陵菜、扁蓿豆、蒲公英、变蒿等旱生杂类草和小半灌木.群落总盖度为22.9%，草层一般高度为3～6.25 cm.种类组成较贫乏，植被出现明显的退化现象，5个1 m2样方内出现的植物只有12种，群落产草量为533 kg/hm2.草场东部有小镇，南部开矿，草地破坏严重，并不断造成草场大面积污染，大大减少了群落种类组成和产量，应有效控制放牧强度.

糙隐子草+寸草苔群丛位于谢尔塔拉镇的7—8号牧场，面积为858 hm2，占草地总面积的 21%(见图5).本群丛中糙隐子草和寸草苔的优势地位高于羊草，是建群种；也出现了变蒿、菊叶委陵菜、二裂委陵菜、麻花头、细叶白头翁等耐旱的旱生杂类草；此外，还出现以冷蒿为代表的旱生小灌木层.这说明本群落旱生强度增强，草地退化程度严重.群落总盖度为32%，草层一般高度为2.4～7.6 cm.5个1 m2样方中出现的植物约32种，群落产草量为500 kg/ hm2.草场西部为谢尔塔拉镇，南部为海拉尔河，草场北部与公路毗邻，由于牲畜往返饮水践踏严重、周围居民点集中、附近交通线路密集等原因，草地严重退化，草地基况最差，必须对其放牧强度和放牧时间进行有效管理.

2.2.2 低地滩地-草甸土-灰脉苔草+委陵菜草地利用单元

该利用单元位于陈巴尔虎旗境内的5号牧场北部，面积只有70 hm2，占草地总面积的2%(见图4).本群落中湿生植物较多，灰脉苔草和委陵菜是建群种；此外还有突节老鹳草、无芒雀麦、艾蒿等杂类草.群落总盖度为82.7%，草层一般高度为15～40 cm.5个1 m2样方中出现的植物约有10种.该类型利用单元虽然所占比例很小，但由于地形低洼，加之河流穿梭于草地，导致地下水位较高，植物生长茂密，适合大畜放牧.

图5 7—10号家庭牧场草地利用单元

2.3 状态-转换模型的建立

图6 第一种利用单元的状态-转换模型

在高平原-冲积物暗栗钙土-羊草+贝加尔针茅草地利用单元中有2种生态状态(见图6)，分别为羊草占优和羊草退化的生态状态.羊草占优势的生态状态包括羊草+贝加尔针茅+寸草苔、羊草+寸草苔和羊草+糙隐子草+寸草苔等3个群丛，三者间会发生可逆性转移；羊草退化的生态状态只有一个群丛，即糙隐子草+寸草苔群丛.该状态与上一状态相比，羊草退化现象非常明显，其优势度明显下降，优势植物由糙隐子草和寸草苔所取代.两个不同生态状态的转换由1a和1b连接，1a是由土壤肥力，如土壤有机质含量下降导致羊草退化的现象；1b主要指草地恢复性措施，如围封、降低放牧强度或禁牧等.

3 讨论

草地利用单元通常与状态-转换模型并用，从长期利用的角度考虑，有利于草地的经营、管理、评价、恢复和保护.北美学者所运用的分类体系是在结合原有土地利用分类和土壤分类的基础上划分草地利用单元[1,12]，其植被数据可以追溯到50年前甚至更远[18-19]，从而便于状态-转换模型的建立.但是我国的研究在分类标准以及在植被、土壤数据的可获取性等诸多方面存在差异，且国内研究主要以定性描述为主.因此本研究没有直接引用其划分标准，但基本思路和方法仍采用了北美学者的理论观点.

近年来，国内学者也引用此概念对不同草地生态系统进行了利用单元划分的研究.通过对呼伦贝尔市谢尔塔拉镇附近的草甸草原的实验发现，研究区绝大部分地区在地形、土壤和植被特征上相似性很高，属于同一利用单元.这与王明君等对呼伦贝尔草甸草原的不同退化强度草地属于同一草地利用单元的研究结果相一致[9].同时，在整个研究区内将地形条件、土壤属性以及植物群丛组上存在较大差异的草地划分为两种利用单元，这与红梅等[8]、高安社等[10]对大尺度草地生态系统的草地地境划分结果一致.与前人研究结果不同的是，本研究在野外调查的基础上，利用高分辨率遥感卫星ALOS和GIS技术划分了利用单元并完成了其制图工作，在小尺度范围内实现了利用单元的可视化表达，在划分方法上是一种新的尝试.然而，草地利用单元制图与草地类型制图有所区别，因状态-转换模型将中国草地类型的草地型以不同的状态加以表示，因而在实际应用中，大大降低了草地利用单元的数量，这在本研究中有所体现.同时，草地利用单元制图又与中国的土地类型制图不同，前者针对土地分类中的草地，依据所处的气候、地形、土壤将其分为不同的利用单元；后者在《土地利用现状分类》国标中将草地分为天然牧草地、人工牧草地以及其他草地[17]，其类型数量远远少于草地利用单元.另外，对于状态-转换模型的建立，由于探讨的是不同群丛所处的状态，从而在确定群落演替梯度时仅用了建群种的重要值，而没有对其进行其他分析.此外，今后有望在不同草地基况的较大尺度草原生态系统中运用此方法，为草地健康等级的评价提供参考，因此，具有一定的推广性.

在划分草地利用单元的诸多因素中，本研究注重地形和土壤因素.由于草地所处的地形地貌、坡度、坡向影响着气候、光照，进一步影响土壤和水分的再分配，从而间接影响植被；而土壤是在漫长的岁月中通过复杂的风化和成土过程形成的[20]，Monger等[21]指出生态地境之间的差异是由土壤的形成过程决定的，且土壤类型的变化要滞后于植被类型的变化，所运用的时间可达数十年甚至更长.因此，在本文中，羊草占优势状态存在3种植物群丛，它们所处地段土壤一致，植被不同，但属于同一种利用单元.

4 结论

(1) 研究区草地可划分为两种利用单元，第一种为广泛分布于研究区的高平原-冲积物暗栗钙土-羊草+贝加尔针茅单元，面积为3 966 hm2，占草地面积的98%；第二种为位于5号牧场北部的低地滩地-草甸土-灰脉苔草+委陵菜单元，面积为70 hm2，仅占草地面积的2%.

(2) 对高平原-冲积物暗栗钙土-羊草+贝加尔针茅利用单元构建的状态-转换模型表明其存在2种生态状态：分别为羊草占优势和羊草退化的生态状态，两者可通过恢复性措施转换.第一种生态状态包括3个植物群丛，依据演替顺序分别为羊草+贝加尔针茅+寸草苔、羊草+寸草苔、羊草+糙隐子草+寸草苔群丛；第二种生态状态中只有1个植物群丛，为糙隐子草+寸草苔群落群丛.两种状态所占比例分别为77%和21%，表明该区草地退化程度较低，通过一定的恢复措施可转换为羊草占优势的生态状态.

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(责任编辑：方 林)

Division of ecological site based on high resolution image in family ranch scale

WU Lan1，HAN Guo-dong1，QIAO Jiang2，YUAN Qing2，YAN Rui-rui3，WANG Sa-ren-na1,4

(1. College of Ecology and Environment Science，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China；2. Grassland Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Science，Hohhot 010010,China；3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081,China；4. Inner Mongolia Key Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information System，Hohhot 010022,China)

The reasonable utilization of grassland resource and optimal allocation of resource was conducted on family ranch scale. Xieertala Town of Hulunber City and Chenbarhu Banner are taken as the study region in this research，utilizing ALOS high resolution remote sensing image，GIS technology and field survey，the ecological site was developed. At the same time，the state-and-transition model was established. The results showed that，the study area was divided into two kinds of ecological sites. One was high plain-alluvium dark chestnut soil-Leymuschinensis+Stipabaicalensisand the area was 3 966 hm2，which accounted for 98% of the whole grassland ；The other was bottomland-meadow soil-Carexappendiculata+Potentillachinensisand the area was 70 hm2，that just accounted for 2%. There were two ecological states in the first kind of ecological site and one wasL.chinensisdominated state，the other wasL.chinensisdegraded ecological state. According to the succession theory，there were three plant communities inL.chinensisdominated state，includingL.chinensis+S.baicalensis+Carexduriuscula，L.chinensis+C.duriusculaandL.chinensis+Cleistogenessquarrosa+C.duriuscula. There was one plant community that was theC.squarrosa+C.duriusculainL.chinensisdegraded state. The area of two states was 77% and 21% respectively，which indicated that grassland degradation is not obvious in this region，and it was easier transformed toL.chinensisdominated state with some restoration.

ecological site；topography；vegetation；soil；ALOS；state-and-transition model

1000-1832(2014)04-0130-09

10.11672/dbsdzk2014-04-024

2014-04-05

科技部科技支撑计划项目(2012BAD13B02)；教育部和内蒙古草地资源可持续利用创新团队项目；公益性行业(农业)科研专项基金资助项目(201003019)；内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2011MS0607).

乌兰(1985—)，女，蒙古族，博士研究生，主要从事草原遥感监测和草地生态研究；通讯作者：韩国栋(1964—)，男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事草地生态学研究.

S 812.8 [学科代码] 230·2050

A