基于多源数据的家畜活动密度分布格网化研究

乔宇鑫 朱华忠 邵小明 钟华平

（1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101；3.西藏农牧学院，西藏林芝 850400；4.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏南京 210023；5.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

基于多源数据的家畜活动密度分布格网化研究

乔宇鑫1,3,5朱华忠1,4邵小明5钟华平2

（1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室，北京 100101；3.西藏农牧学院，西藏林芝 850400；4.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏南京 210023；5.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

面向草地畜牧业格网化管理的区域发展需求，以新疆新源县为研究对象，以家畜存栏统计数据为基础，结合城镇距离、村庄距离、河流距离、道路距离、海拔和湿润度等地理空间数据，运用格网化技术，对新源县家畜密度进行空间格局分析。结果表明：新源县家畜活动密度平均为430标准羊单位/km2，但随着相对城镇、村庄距离的增加，海拔高度和气候干旱程度的增加，家畜活动密度呈明显降低的趋势。这种空间格网化家畜分布数据比平均密度数据更易直观表达家畜的真实分布状况。基于家畜活动密度，可以将新源县家畜放牧划分为：稀扰区、适度区、轻扰区、中扰区和重扰区，其家畜活动密度分别为：110～300标准羊单位/km2、300～440标准羊单位/km2、440～570标准羊单位/km2、570～720标准羊单位/km2和720～980标准羊单位/km2。

多源数据；家畜密度；格网化；空间分布；新源县

1 引言

一直以来，草地退化是草地生态研究的重点和热点。引起草地退化的因素有很多，但超载过牧无疑是最为重要的因素之一[1]。与人口密度反映人类社会经济活动一样，草食家畜的活动强度和密度直接影响草地的健康状态。因此，研究放牧活动和草地生态系统变化驱动机制，分析草—畜关系，是实现人与草地和谐发展重要途径[2]。家畜的活动受到很多因素影响，而对于放牧活动和草地关系的研究主要是对载畜量和放牧强度的研究[3]。如基于灰色—马尔科夫残差预测模型的草地载畜量预测[4]、气候变化对草场载畜量的影响[5]、载畜量与植被指数NDVI之间的关系[6]、产草量与载畜量的遥感估算[7]、放牧强度和地形对内蒙古典型草原物种多度分布的影响[8]等。但是，对于家畜活动在区域尺度的空间分布，或者说对家畜密度的空间分布格局的研究尚少。本文以新疆维吾尔自治区新源县为例，以新源县家畜统计数据为基础，结合城镇、村庄、河流、道路、DEM（Digital Elevation Model）和湿润度等空间数据，构建家畜活动密度与城镇、村庄、河流、道路、海拔高度及湿润度等要素的相关分布模型，通过格网化技术，对新源县家畜活动的空间分布进行探讨，以期能更为直观地表达草食家畜在不同空间的活动强度，既是对载畜压力、放牧强度等研究的有效补充，也可以更为准确地反映家畜活动对草地退化的影响。

1 研究区背景、数据与方法

1.1 研究区背景

新源县位于新疆伊犁河谷东端，归伊犁哈萨克自治州人民政府管辖。东起艾肯达坂，南与巩留县、和静县相邻，东北与尼勒克县、沙湾县、和静县交界。新源县地处北纬 43°03′-43°41′，东经 82°28′-84°47′，全县总面积为 7581km2，总人口为31.60万人（2013 年）[9]。新源县主要由7个镇、4个乡构成，分别是新源镇、则克台镇、阿热勒托别镇、塔勒德镇、那拉提镇、肖尔布拉克镇、喀拉布拉镇以及别斯托别乡、坎苏乡、阿勒玛勒乡和吐尔根乡。

2013年生产总值为70.15亿元，比上年增长9.3%；总人口为31.6万人，其中城镇人口为20.99万人，乡村人口为10.61万人，农业人口为22.7万人；农作物播种面积为62.47hm2，粮食总产量为37.57万吨；工业总产值为25.89亿元，农林牧渔业总产值达到30.91亿元，其中农业总产值为12.36亿元，牧业总产值为14.84亿元。牲畜年末存栏为104.63万头（只），肉类总产量为38038吨，牛肉产量为13572吨，绵羊肉产量为10861吨，禽肉产量为1936吨，牛奶产量为82960吨，禽蛋产量为6432吨。目前，新源县已成为全疆重要的粮食、油料、肉类生产基地之一[10]。

1.2 数据来源

影响家畜活动分布的因素主要有城镇、村庄、河流、道路、海拔高度以及气候的干旱程度。本文参与家畜密度格网化分析的数据有城镇、村庄、河流、道路、海拔高度和湿润度的空间数据（图1）。

高程模型（DEM）数据来源于国家地球系统科学数据共享平台（www.geodata.cn），空间分辨率为1km；城镇、村庄、河流、道路数据来源于国家地球系统科学数据共享平台（www.geodata.cn）的全国1：25万地形图SHP数据；湿润度指数空间数据是以国家气象局站点监测数据，通过ANUSPLIN插值软件插值出伊万诺夫湿润度的空间数据。全部数据投影到GCS_WGS_1984，通过裁剪工具获得新源县各要素的1km×1km栅格数据。

区县家畜数据来源于《新疆2013年统计年鉴》的草食家畜存栏统计数据，并根据各家畜的出栏率，对不同草食家畜进行标准羊单位换算，计算得到新源县草食家畜全年总饲养量430万标准羊单位，平均430标准羊单位/km2。用于建模的家畜数据来源于2013年伊犁地区典型牧户调查，调查的内容主要有畜群规模、放牧路线与时间。

1.3 格网化策略与方法

1.3.1 格网化方法

家畜空间分布与饮水点、人类定居点和海拔高度关系密切。一般来说，放牧距离人类定居点如城镇或者村庄越近，家畜活动越密集。另外，饮水半径也是影响家畜活动的主要因素[11-12]，离饮水点越近，草场利用强度越大，家畜活动越密集，所以饮水点附近的草场退化往往比较严重。海拔和湿润度通常是通过气候和土壤等因素的变化来影响草地类型分布，从而影响家畜活动强度[13-14]。

为使家畜分布密度格网化结果更加精细，本文引入城镇距离、村庄距离、河流距离、道路距离、海拔、湿润度等多源信息，构建家畜空间分布密度模型，模拟新源县家畜活动强度。

1.3.2 模型研究方法

对于家畜活动和距离的关系，刘先华[15]指出，在定居放牧方式下，NDVI和定居点距离的关系大致呈对数变化规律，即有：

图1 新源县河流、居民点、海拔高度和湿润度空间分布图

其中，D为距定居点的距离，a、b为模型参数。

而克拉克人口模型[16]表示样本单元距离城市唯一中心CBD（中央商务区）的远近是影响样本单元人口密度大小的唯一因素，即有

本研究在放牧半径试验和放牧距离试验研究的基础上，通过两种密度模型比较，认为克拉克指数模型更加符合家畜密度分布规律，并构建家畜密度格网化分布模型：

2 家畜分布格网化

2.1 空间化过程

统计新源地区的家畜存栏总数和土地面积，按照专家经验分配给不同种家畜出栏率，得到不同种家畜年饲养量，换算成年饲养量标准羊单位，计算单位面积饲养量标准羊单位。

通过栅格转点工具将DEM栅格数据转成矢量点数据，显示单位统一转换为米，获取新源县栅格点SHP数据，每个点即栅格的中心点，共计6941个点。使用分析工具—近邻分析—邻域分析获得图上每个栅格点距离最近的河流、道路、乡镇村庄的距离并导入Excel中。所有的数据集成及处理在ArcGIS中完成，统计建模在Excel中实现。

2.2 地理要素与家畜活动指数的建模

家畜活动指数是指一定时间段内家畜在某一地段驻留活动的相对强度，通常以驻留时间在全年放牧时间分配相对比率来标定，取值0～4。本文以新疆伊犁地区典型牧户调查数据为基础。在2013年选定了3个牧业村，每村选定10个牧户进行牧户典型调查，调查内容主要包括牧户的人口结构、经济收入、耕地种植面积、草场面积、畜群结构和规模等。同时，每村筛选了3个牧户进行畜群游牧路径信息调查，共9个畜群9条游牧路线，主要了解畜群游牧大概路线，大致的驻牧地点和驻留时间以及驻牧范围。根据每个畜群的游牧路线的调查信息，甄别遴选出10个放牧驻留点并标定各驻留点的家畜活动指数值，这样就整合形成了具有相对地理信息的家畜活动指数的基础数据，也是本文构建各地理要素与家畜活动相关统计模型的基础。

在模型构建过程中，借鉴了郭素珍、金曙光[12]的饮水半径和放牧距离试验，刘先华[15]的定居放牧试验，以及王明君[17]的放牧强度试验的理论基础，结合本文典型牧户畜群游牧路线驻留点的相关数据，并提取各驻牧点的相关地理要素数据，回归建立城镇、村庄、道路、河流、海拔高度、湿润度与家畜活动密度的克拉克指数函数模型，并产生较好的效果。同时，根据各地理要素对家畜活动密度的影响的贡献，采用专家打分方式确定各要素权重值，最终以格网化方法对新源县的家畜密度进行空间插值，并分析新源县家畜密度的空间分布格局。各地理要素的模型参数见表1。

表1 各要素的模型参数

2.3 单要素空间格网化分析

根据单要素的家畜密度分布格网化分析，可以得到城镇、村庄、河流、道路、海拔和湿润度等单要素驱动的新源县家畜活动密度分布图（图2）。

从图2中的（c）图和（d）图可以看出，家畜活动密度的分布随距离远近呈现辐射状规律，距离城镇、村庄越近家畜活动密度越大；从图2中的（e）图和（f）图可以发现，家畜活动密度的分布与河流和道路距离呈格网状分布；从图2中的（a）图可以看到低海拔地区家畜活动密度大，高海拔地区家畜活动密度低；从图2中的（b）图可以看到随着气候条件变旱，家畜活动密度变低。

3 结果与讨论

不同要素对家畜活动密度有不同的影响和不同的空间分布格局（图2），因此存在很大的不确定性。为消除这种不确定性，通过式（3）进行格网化赋值，获得新源县家畜活动密度的空间分布图（图3）。

图2 单要素驱动的新源县家畜活动密度分布图

从图3和图4可看出，在河谷地带城镇附近，如哈拉布拉镇、肖尔布拉克镇、阿勒热托别镇、坎苏乡和那拉提镇等附近，人口相对稠密，经济活动较强，在耕地集中区其家畜活动密度最高，可达720～980标准羊单位/ km2，是全县平均水平的1.6～2.3倍；在河谷地带的城镇外围地区，村庄分布较密，在耕地分布区家畜活动密度为570～720标准羊单位/km2，是全县平均水平的1.3～1.6倍；随着海拔的升高，在山体的山脚地带，有村庄分布，耕地分布较少，家畜活动密度为440～570标准羊单位/ km2，是全县平均水平的1.0～1.3倍；在山体的中部地带，村庄较少，家畜活动密度为300～440标准羊单位/km2，是平均水平的相对密度0.7～1.0倍；在山体的顶部地带，海拔较高，远离城镇村庄，家畜活动密度为110～300标准羊单位/km2，是平均水平的0.2～0.7倍。

根据新源县家畜活动相对密度分布格局（图3），可把新源县家畜活动强度划分为5个区，即，相对密度0.2～0.7为放牧稀扰区，相对密度0.7～1.0为放牧适度区，相对密度1.0～1.3为放牧轻扰区；相对密度1.3～1.6为放牧中扰区，相对密度1.6～2.3为放牧重扰区。

根据这样的分区，结合张旭琛[18]对新疆伊犁地区草地地上生物量空间分布研究结果（图5）和周李磊[13]对新疆伊犁地区草地土壤表层土壤容重空间分布研究结果（图6）进行比较表明（表2）：家畜活动密度与草地地上生物量和土壤容重有很显著的相关关系，放牧强度越大，土壤容重越重；放牧强度越大，地上生物量趋于减少。但在稀扰区则例外，这与本地区的高寒草甸类型的分布有关。从这方面验证了采用多源信息数据对家畜活动密度空间格网化分析的合理性和可行性。

图3 新源县家畜活动密度分布图

图4 新源县相对家畜活动密度分布图

图5 新源县草地地上生物量空间分布

图6 新源县草地土壤表层土壤容重空间分布

本研究以家畜存栏标准羊单位统计数据，以及城镇、道路、海拔等空间地理信息数据为基础，运用格网化技术手段，对家畜活动密度进行空间化分析，是一个原创性的尝试，在空间验证上还存在一定的难度。但通过与草地植被和土壤容重的空间分布特征相验证，可以获得比较客观的认识，这种研究思路可以获得合理的结果。并且在后续的研究中，将引进北斗星GPS系统对家畜畜群放牧路径跟踪试验，可以获得畜群的活动轨迹和驻留的时间，并能获取不同地点准确的家畜活动强度，对本研究作进一步验证。

4 结论

本文以新源县为研究区域，以城镇、乡村、河流、道路、海拔和湿润度等地理空间信息数据为基础，采用格网化技术，分析家畜活动密度分布的空间格局。研究结果能合理反映研究区的家畜分布格局。

（1）家畜活动密度受城镇、乡村、河流、道路、海拔和湿润度的影响，与城镇、村庄的距离对家畜的空间分布贡献最大，其次为海拔和湿润度；道路和河流因数据没有分级处理，而形成网格状分布结果。

（2）新源县家畜活动密度平均为430羊单位/km2，其中家畜活动低密度区为110～300标准羊单位/km2，高密度区为720～980标准羊单位/km2。

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Research on Gridding of Livestock Spatial Density Based on Multi-Source Information

QIAO Yuxin1,3,5, ZHU Huazhong1,4, SHAO Xiaoming5, ZHONG Huaping2
(1.State Key Laboratory of Resources and Environment Information System, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Researches, CAS, Beijing 100101; 2. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101; 3.Tibet Agriculture and Animal Husbandry College, Linzhi 850400; 4.Jiangsu Center for Collaborative innovation in Geographic Information Resource Development and Application, Nanjing 210023; 5.China Agricultural University, College of Resources and Environment, Beijing 100193)

In this paper, to satisfy the need of regional development for the grassland animal husbandry grid handling management, with Xinyuan county as a case study, on the basis of livestock amount of statistical data,combining with the geographic spatial information data such as villages and towns of distance, road distance,river distance, elevation and moist, using the grid handling technology, to analysis the space distribution pattern of livestock activities density in Xinyuan county. The analysis results show that： the average density of Xinyuan county livestock activities is 430 standard sheep unit/km2, but with the increase of distance away from the villages and towns, and the increase of altitude and climate drought degree, the density of livestock activity decreased significantly. At the same time, we can divide Xinyuan county livestock grazing region into different partition according to the relative density. The grazing dilute district livestock density is 110-300 standard sheep unit/km2, moderate grazing area is 300-440 standard sheep unit/km2, light grazing disturbance area is 440-570 standard unit/km2, sheep grazing disturbance in the area is 570-720 standard sheep unit/km2,heavy grazing disturbance area is 720-980 standard sheep unit/km2.

distribution density of livestock, grid handling, multi-source information, Xinyuan county

S812.2

A

10.3772/j.issn.1674-1544.2017.06.008

乔宇鑫（1993—），男，中国农业大学资源与环境学院硕士研究生，主要研究方向：草地退化；朱华忠（1969—），男，中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室副研究员，主要研究方向：土地遥感；钟华平（1964—），男，中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室副研究员，主要研究方向：草地退化（通讯作者）；邵小明（1962—），男，中国农业大学资源与环境学院教授，主要研究方向：苔藓多样性。

科技基础性工作专项重点项目“科技基础性工作数据资料集成与规范化整编”（2013FY110900）；国家科技基础条件平台“地球系统科学数据共享服务平台“（2005DKA32300）。

2017年7月14日。