古浪县草原资源及其温性草原植被覆盖及生产力评价

俞慧云，韩 冰，陈本建，俞联平

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730010)



古浪县草原资源及其温性草原植被覆盖及生产力评价

俞慧云1，韩 冰1，陈本建1，俞联平2

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省草原技术推广总站，甘肃 兰州 730010)

将3S技术与地面调查相结合，通过决策树分类、像元二分模型和二元回归模型，分别对古浪县草原资源、温性草原植被覆盖及其生产力情况进行了研究。结果表明，古浪县总草原面积22.41万hm2，其中高寒草甸、山地草甸、温性草原、温性荒漠和温性荒漠草原分别占1.68%、1.66%、32.55%、24.02%和40.08%；正常年景古浪县温性草原以20%

古浪县；草原资源；温性草原；植被覆盖度；草地生产力

中国是世界第2草原大国，草原面积占世界草地面积的12.4%，总面积约4亿hm2，占国土面积的41%，为耕地面积的2倍，其中北方3.13亿hm2[1]，天然草地对农牧区经济的繁荣和生态环境的保护以及草地畜牧业的健康发展都发挥着重要的作用。

自20世纪80年代我国第1次草原资源普查以来，由于人类活动的干预，加之自然条件的变化，使草地生态系统出现了不同程度的演替，草原面积、草地植被盖度、草地产草量和载畜能力等也发生了相应变化[2]。为提高对天然草地资源保护、建设和合理利用的科学性，需要对当前草地资源的数量、质量、分布和生产力、生态功能等基本情况重新进行调查与评价。

地处河西走廊东端的古浪县，位于青藏、蒙新、黄土3大高原的交汇地带，南依祁连山东延支脉乌鞘岭、毛毛山，北靠腾格里沙漠，地貌类型复杂，气候带明显，是河西走廊北部风沙源的前沿，保护并合理利用古浪县天然草原，对维护甘肃生态安全有重要意义。

研究充分利用3S技术在空间信息获取与处理的高速、实时以及信息应用的高精度、可定量化等方面的优势[2-7]，与地面调查相结合，对古浪县草原资源进行调查，并以古浪县温性草原为例，就其植被盖度及生产力变化进行研究与评价，为古浪县天然草原的合理保护、建设和利用提供依据和参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

古浪地处河西走廊东端，位于N 37°09′～37°54′、E 102°38′～103°54′，地势南高北低，海拔1 550～3 469 m，地貌类型复杂多样，由东南向西北从山地、平川向荒漠、沙漠过渡。全年平均气温5.9℃，极端最高气温33℃，极端最低气温-30℃，多年平均降水量为306.7 mm，降水量从北向南，随海拔升高而增大，且分布不均，其中川区年均降水量200 mm；浅山区300 mm；高寒二阴山区为350～450 mm，年蒸发量2 300 mm，无霜期142 d，日照时数2 632.9 h。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源 影像数据采用草地界限及图斑勾绘，选择2.5 m分辨率spot合成影像；植被指数提取及盖度反演选用1991、2001、2006、2013和2014年度Landsat TM影像，轨道为131/34，接收时间均为8月，云量<2%(数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间云，http://www.gscloud.cn)；2000～2010年MODIS增强植被指数(EVI)数据选择中国250 m EVI月(7月)合成产品(http://www.gscloud.cn))；30 m分辨率高程数据来源于http://www.gscloud.cn。

收集古浪及周边武威、民勤、永昌、乌鞘岭、松山、景泰、永登等气象台站近20年平均降水量、温度、湿度、≥0℃积温等气象数据。

辅助资料包括1∶5万地形图和古浪县行政区划图、古浪县土地利用现状图和第1次草原普查相关专业图件。

1.2.2 草地界限及图斑勾绘 根据解译标志对2.5 m分辨率影像图进行目视判读，依据影像反映出的形、色、面积大小等找到地类的基本界线，作为判读耕地、草地、居民点和水域等的分类界线并进行地类图斑矢量界线勾绘。

1.2.3 草地分类 按《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》(1996)规定的草地类型分类单位与标准进行草地分类[8]。

利用ENVI软件，采用决策树分类方法[9]划分草地类界线。

结合现场路线和样地调查采集的分类信息，以及草原水平和垂直分带等相关知识，利用湿润度、≥0℃积温、植被指数、坡度、坡向等指标和参数，通过决策树分类完成草原类划分。

伊万诺夫湿润度计算公式[8,10]：

式中：K为某月湿润度(年湿润度=年降水量/年蒸发力)；R为该月降水量；E0为该月蒸发力；t为该月平均气温；f为月平均相对湿度。

计算混淆矩阵等，通过混淆矩阵评价分类精度[9]。

1.2.4 草地植被盖度计算 国内外研究表明，植被指数反映了植被的状况，同植被覆盖度有良好的相关关系[11]，通过计算归一化植被指数(NDVI)，建立NDVI同植被覆盖度之间关系模型(像元二分模型)来计算植被盖度[6,11]。

归一化植被指数(NDVI)提取：利用ERDAS或者ENVI软件从Landsat TM第3、4波段提取DNVI数据。归一化植被指数计算公式：

式中：ρnir为红外光波段反射率，ρred为红光波段反射率。

基于归一化植被指数建立像元二分模型计算植被盖度公式：

f=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

NDVImax和NDVImin分别代表研究区最好植被覆盖和最差植被覆盖的植被指数，即茂盛植被覆盖区和裸地的NDVI值。

统计NDVI图像直方图，选取累积百分数为0.5%～99.5%为置信区间，小于0.5%的为近似纯土壤覆盖区植被指数(NDVImin)，大于99.5%的区域为纯植被覆盖区植被指数(NDVImax)[6]，对像元二分模型进行改进。

草地盖度反演模型精度验证均方根误差(RMSE) 常用来量化模型精度，实际测定值与模型预测结果之间的相关系数r常被用来评估模型的准确性[6]。RMSE计算公式：

式中：E(yi)表示第i个实际观测值，yi为模型反演出的第i个预测值，n是观测样本总数，RMSE数值越低，表明回归模型越精确。

1.2.5 草地产草量估算 根据各样方点草地产草量鲜重的实测数据，结合相应点植被指数采样值，通过spass19.0软件，拟合并建立温性草原草地产草量估算回归模型，估测草地产草量。

2 结果与分析

2.1 古浪县草原资源

依据《中国草地类型的划分标准和中国草地类型分类系统》，在遥感判读的基础上，结合相关的专业知识及野外调查资料，利用决策树分类，将全县天然草地划分为高寒草甸、山地草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性荒漠5个大类(图1)。

图1 古浪县草地分类图Fig.1 Grassland classification map in Gulang County

古浪县总草原面积22.41万hm2，其中，高寒草甸3 769.03 hm2，山地草甸3 728.08 hm2，分别占全县草原面积的1.68%和1.66%，主要分布在祁连山(乌鞘岭及毛毛山)北坡海拔2 700 m以上山地；温性草原72 941.21 hm2，占全县草原面积的32.55%，主要分布在黑松驿、黄羊川、古丰、井泉、横梁、十八里、干城等乡镇海拔2 300～2 700 m的山区；温性荒漠53 832.85 hm2，占全县草原面积的24.02%，分布在古浪县西北部的黄花滩、海子滩、直滩、大靖等乡镇海拔1 800 m以下地区，西北边与腾格里沙漠和内蒙古阿右旗相接；温性荒漠草原介于温性草原和温性荒漠之间，面积89 829.56 hm2，占全县草原面积的40.08%。与20世纪80年代相比[12]，草甸类草地(8 349.87 hm2)减少852.76 hm2，草原类草地(172 100.66 hm2)减少了9 329.89 hm2。

利用草原普查现场测定样方资料对决策树分类结果进行精度验证，经计算混淆矩阵总体分类精度为83.33%，Kappa系数为0.76，满足总体分类精度达到80%基本要求。

2.2 不同年份温性草原植被盖度(FVC)及变化

利用改进像元二分模型从Landsat TM /NDVI反演生成1991、2001、2006、2013和2014年5个时段(各年度8月)古浪县温性草原植被平均盖度及变化(图2)，各年度不同盖度草地所占温性草原面积比例见表1。

1991年温性草原平均盖度为59.24%，2001年下降为49.28%，2001年后呈上升趋势，2006与2013年相近，平均盖度分别为57.94%和57.85%，2014为69.62%，近10年温性草原植被盖度呈逐年改善趋势(图2)。

图2 不同年份植被盖度及变化趋势Fig.2 Vegetation coverage and change trend in different years

盖度梯度1991年面积/hm2占%2001年面积/hm2占%2006年面积/hm2占%2013年面积/hm2占%2014年面积/hm2占%FVC<20%0.000.000.000.001.350.000.000.000.000.0020≤FVC<40%0.360.00135.650.184.400.0149.950.070.450.0040≤FVC<60%47239.1464.7668241.9593.5651002.3469.9249982.5168.522788.833.8260≤FVC<80%24698.7133.864302.915.9020569.1628.2021832.4429.9364074.1687.84FVC≥80%1003.001.37260.700.361363.961.871076.311.486077.778.33

1991年温性草原以 40%≤FVC<60%盖度草地为主，占温性草原总面积的64.76%，其次为60%≤FVC<80%盖度草地，占33.86%；2001年以40%≤FVC<60%盖度草地为主，占温性草原总面积的93.56%； 2006年以40%≤FVC<60%盖度草地为主，占温性草原总面积的69.92%，其次为60%≤FVC<80%盖度草地，占28.20%；2013也以40%≤FVC<60%盖度草地为主，占温性草原总面积的68.52%，其次为60%≤FVC<80%盖度草地，占29.93%；2014年60%≤FVC<80%盖度草地占温性草原总面积的87.84%(表1)。正常年景温性草原以40≤FVC<60%盖度为主，雨量充沛时盖度可达到60%～80%。

2013年8月在古浪县温性草原区共布设 35个样地，共94个盖度验证及产草量测定样方(图3)，各样方点测定盖度与2013年相应点估测盖度显著正相关(r=0.68，P<0.01)，精度评价均方根误差(RMSE)=13.92，模型精度达到85%以上，表明选择NDVI，用改进象元二分模型估算温性草原草地植被盖度具有较好的代表性。

2.3 2013年温性草原产草量

利用2013年8月植物地上部分鲜重的实测数据，结合相应点NDVI采样值，建立温性草原区草地产草量估产模型(二次多项式模型：y=-6 760.27x2+7 656.63x-198.186，R2=0.52，r=0.72，P<0.01)，经样方点草地产草量与相应点NDVI采样值的相关分析，NDVI与产草量之间显著正相关(相关系数r=0.72，P<0.01)。以NDVI为基础，利用该模型反演温性草原产草量分级(图4)。经测算古浪县温性草原平均鲜草产量为1 042.70 kg/hm2，总鲜草产量76 055.8 t，其中，产量<500 kg/hm2的温性草原面积408.17 hm2，占温性草原总面积的0.006%；产量500～1 000 kg/hm2的草原面积36 478.44 hm2，占其总面积的50.01%；产量1 000～1 500 kg/hm2和1 500～2 000 kg/hm2的温性草原分别为30 536.89 hm2和5 517.71 hm2，分别其总面积的41.87%和0.076%，以鲜草产量500～1 000 kg/hm2的温性草原所占面积最大，其次为1 000～1 500 kg/hm2草地。每羊单位按日消耗4 kg鲜草[12]，饲草放牧利用率按70%估算(考虑牧草再生率)，72 941.21 hm2温性草原可承载3.65万个羊单位放牧利用。与20世纪80年代的鲜草产量1 290 kg/hm2相比[12]，温性草原鲜草产量减少247.30 kg/hm2。

图3 盖度验证及产草量测定样方布局Fig.3 Coverage verification and grass yield determination plotlayout

图4 温性草原产草量分级图Fig.4 Classification map of grass yield in steppe

3 讨论

3.1 古浪县草原资源

古浪是将3S技术运用到草原普查工作中，对大范围的快速、准确普查提供了有力的技术支持。以往草地资源遥感调查大都选用30 m分辨率TM影像作为草地分类的数据源，采用人机交互的方式划分草地类型(如内蒙和青海[13-14])，俞联平等[2,7]也以TM影像为数据源对甘肃省甘州、肃州和永昌等县(区)的天然草原资源进行了评价。利用30 m分辨率影像数据很难准确划分插花草地界线，为确保草地资源评价的精度，本研究选择2.5 m分辨率影像数据勾绘草地界线，草地分类在参考影像解译标志和外业调查样方信息的基础上，修正湿润度、≥0℃积温、植被指数以及坡度、坡向等指标和参数，通过决策树分类方法确定草地分类界线。

3.2 温性草原植被盖度及变化

草地FVC测定主要有地面测量和遥感测量2种方法[1,6]。地面测量法又可分为目估法、采样法、仪器法和模型法，由于FVC具有显著的时空分异特点，地面实测方法估算FVC很难在较大的空间范围内达到较高的精度，且受时间、区域和天气条件等限制，局限性较大，同时需花费较多的人力和物力[1,6]。遥感测量法主要有回归模型法和混合像元分解法[16]，回归模型法是通过对遥感数据某一波段、波段组合或利用遥感数据计算出的植被指数与实测盖度进行回归分析，建立经验估算模型估测植被盖度，如顾祝军等[17]将地面FVC实测数据与Landsat ETM+的NDVI进行回归，建立了1-4次多项式盖度估算关系模型。North[18]和Xiao等[19]分别使用 ATSR-2和Landsat ETM NDVI数据与实测植被盖度进行回归建模，估算植被 FVC。Dymond等[20]在新西兰地区用SPOT影像建立了FVC与 NDVI的非线性模型，并利用该模型估计FVC。马琳雅等[3]研究表明，MODIS增强型植被指数EVI的对数函数(y=33.658ln(x)+112.65)可以较好地模拟甘南州草地FVC分布状况，总精度可达93.31%，草地FVC越高，对数反演模型的误差越小。回归模型法依赖于大量实测数据，在较小范围内对特定区域或特定植被类型的模拟精度较高[16,21]。像元二分模型是线性混合像元分解模型中最简单的模型，其假设像元只由植被与非植被覆盖地表两部分构成，其中植被覆盖地表占像元的百分比即为该像元的FVC[16]。李苗苗等[22]、刘广峰等[23]、吴云等[24]和唐志光等[25]利用该模型分别对密云水库上游、毛乌素沙地、海河流域及三江源区的FVC进行了估算且精度较高。王浩等[1]研究表明，利用改进的象元二分模型对甘南州大面积高寒草地FVC变化进行研究是可行且准确的，李文龙等[26]对玛曲县高寒草甸的研究也取得了相似结果。选择NDVI，利用改进像元二分模型估测温性草原FVC具有较好的代表性。正常年景古浪县温性草原以40≤FVC<60%盖度为主，雨量充沛时盖度可达到60%～80%，且近10年温性草原FVC出现逐步改善的趋势，与武正丽等[27]2000～2011祁连山区FVC整体呈现增加趋势和师庆东等[28]1982～2000年西部干旱区植被总体成增长趋势的研究报道一致。2000～2010年古浪县温性草原MODIS增强型植被指数(EVI)变化趋势(图5)也间接印证了这一点，2000和2002年温性草原EVI较低， 2003年开始上升，2004年后趋于稳定，与植被盖度的变化趋势一致。究其原因，一是因为2013年后国家实施了退牧还草等一系列草原生态保护建设工程，以及禁、休牧等相关植被恢复政策措施[29-30]，另一方面与近年来全球气候变暖导致的降水增加有关[27-28]。

图5 2000～2010年EVI变化趋势Fig.5 Changing trend of EVI from 2000 to 2010

3.3 温性草原草地产草量

草地初级生产力的测定一般用收获法抽样估算，较小范围的草地资源调查用收获法估产简单易行，估测精度较高，但如果在大尺度草地上进行测产，用传统方法不仅耗时费力，且由于样方点设置、样点数目等受人为主观因素的影响造成较大误差，测定结果也是对某时刻植被静态的描述[3]。利用3S集成技术，可快速、经济地获得便于计算机加工分析、可定位定量研究的大量信息，进行草地产草量及其动态监测。王兮之等[3]基于RS和GIS的甘南草地生产力估测模型构建的研究表明，在高寒草甸地区归一化植被指数(NDVI)与草地地上生物量鲜重之间存在显著正相关(线型和指数模型)，利用遥感估产，具有传统测产方法无法比拟的快速、省力、准确、覆盖面大等优点。梁天刚等[5]对甘南牧区草地地上生物量与载畜量遥感动态监测；张正健等[29]基于NDVI对西藏高寒草甸、高寒荒漠草原、温性草原和高寒草原等不同草地类型生物量进行回归建模；吴门新等[30]利用NDVI资料估算中国北方草原区牧草产量；俞联平等[2,7]分别用归一化植被指数(NDVI)、土壤调节植被指数(SAVI)和修正土壤调节植被指数(MSAVI)建立了永昌、甘州和肃州三县(区)草原草甸区和荒漠区草地产草量估产模型，估测草地产草量和载畜能力。目前古浪县温性草原单位面积鲜草产量较上世纪80年代低247.30kg/hm2，说明草地生态尚未恢复到当时的水平[12]。

4 结论

古浪县总草原面积22.41万hm2，其中高寒草甸、山地草甸、温性草原、温性荒漠和温性荒漠草原分别占全县草原面积的1.68%、1.66%、32.55%、24.02%和40.08%。目前古浪县草甸类草地和草原类草地面积分别较上世纪80年代减少852.76 hm2和9 329.89 hm2。

正常年景古浪县温性草原以40≤FVC<60%盖度为主，雨量充沛时盖度可达到60%～80%，且近10年温性草原FVC出现逐步改善的趋势。2000～2010年古浪县温性草原MODIS增强型植被指数(EVI)变化趋势显示，2000和2002年温性草原EVI较低，2003年开始上升，2004年后趋于稳定。

经估算温性草原平均鲜草产量为1 042.70 kg/hm2，总鲜草产量76 055.8 t，以鲜草产量500～1 000 kg/hm2的温性草原所占面积最大，占温性草原总面积的50.01%，其次为1 000～1 500 kg/hm2草地，占41.87%。全县72 941.21 hm2温性草原可承载3.65万个羊单位。

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Evaluation of vegetation coverage and productivity of temperate steppe in Gulang County

YU Hui-yun1,HAN Bing1,CHEN Ben-jian1,YU Lian-ping2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China； 2.GrasslandTechnicalExtensionStationofGansuProvince,GansuLanzhou730010,China)

3S technology and ground survey were used to evaluate the natural grassland resource,the vegetation coverage and productivity of temperate steppe in Gulang County through decision tree classification,dimidiate pixel model and binary regression model.The results showed that the total grassland area was 224 100 ha,the alpine meadow,mountain meadow,temperate steppe,temperate desert and temperate desert grassland accounted for 1.68%,1.66%,32.55%,24.02%,40.08% respectively.The vegetation coverage of temperate steppe(FVC) mainly ranged in 20%

Gulang County；grassland resource；warm steppe；vegetation coverage(FVC)；grassland productivity

2015-11-09；

2015-11-23

甘肃省第二次草原资源普查项目；甘肃省青年科技基金(1308RJYA083)资助

俞慧云(1990-)，女，甘肃古浪人，在读硕士生。

E-mail：306729672@qq.com

S 812

A

1009-5500(2016)05-0098-07

陈本建为通讯作者。