巴音布鲁克国家级高寒草原湿地保护区生态承载力与可持续发展研究

张 明，徐德琳，游广永

（环境保护部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042）

可持续发展的实质是强调环境保护与社会经济资源之间的协调，其基本内涵是在自然资源和环境容量能够支撑和允许的范围内控制人类社会发展与经济增长[1]。由于自身的调节功能，生态系统对干扰具有一定的承受能力；只要外界干扰的强度不超过一定限度，生态系统可以维持其结构、功能的基本稳定；如果干扰超过生态系统的承载能力，生态系统的基本结构和功能将遭到破坏[2]。生态系统的可持续承载是生态承载力的本质，如果超出了生态承载力上下两个阈值的范围，生态系统就会偏离可持续发展轨道，导致不能正常发挥其功能[3]。生态承载力作为生态系统与社会经济发展协调与否的重要判断指标，可以用于描述生态系统与人类活动相互作用的基本特征，从而为区域社会发展与生态环境管理提供理论依据。

应用于生态承载力的研究方法众多，其中自然植被第一性生产力法、供需平衡法、生态承载力综合评价法、状态空间法和生态足迹法等应用较为广泛[4]。随着遥感技术的日趋完善，近年来利用TM、MODIS 等不同类型的遥感数据来直接提取各种植被指数的方法被普通遍认可。把地面生物量和高光谱反射特征相结合，再利用GPS定位技术进行标定，建立草地生物量与植被指数之间的回归模型，然后通过模型对TM或 MODIS等遥感数据进行区域生产力分析。这种方法已经成为不同区域植被生产力（当年地上生物量）估产的主要手段之一，具有精度相对较高、可重复测定的特点，对研究草原生产力分布格局、进行区域生态承载力分析研究具有重要意义。但是，在这些研究方法中存在着地面生物量数据获取时间与遥感数据获取时间不同步、所测定样方数量不足、生物量在像元中的代表性较低等一系列的问题。利用光谱仪测定地面高光谱和对应的地上生物量，就可以构建与NDVI与地上生物量的数学模型，通过模型可以反演遥感数据区域的NDVI对应的生产力值，这种方法逐渐成为提高区域生产力水平测定、进行生态承载力界定的可行方法。从基于高光谱地面估算模型的草原湿地生态承载力的界定方法来看，该方法的优点是应用了遥感技术手段使数据的来源与遥感卫星的观察频率一致，数据的精度与卫星的分辨率保持一致。

草原生态系统为区域可持续发展提供食物生产、家畜饲养、生物多样性维持、碳素储存、水土保持及提供休闲和旅游景观等多种经济和生态服务功能[5]。在我国，草地不仅提供饲草饲料支撑畜牧业生产，在防风固沙、水土保持、水源涵养以及生物多样性保护和陆地生态系统碳循环中也扮演着重要角色；近年来，在我国不少地区草地退化严重，植被覆盖率下降，沙尘暴等生态灾难时有发生，草地的生态服务功能下降，这些都阻碍了区域的可持续发展[6]。 草原生态承载力（ecological capacity of grassland），也称草原真实载畜能力，是指在一定条件下，草原或湿地生态系统在保证维持其基本生态功能，且不发生退化的基础上所能持续支持草食家畜的最大数量。对处于半干旱草原区的巴音布鲁克国家级自然保护区开展草原湿地生态承载力研究，分析生态承载力动态变化趋势与空间分布，有利于制定自然资源保护与发展策略，以促进自然保护区的可持续发展。

1 研究区域概况

巴音布鲁克国家级自然保护区位于和静县西北，伊犁谷底东南，中部天山南麓，天山山脉中部的尤鲁都斯盆地的底部沼泽。海拔约 2 500 m，地理坐标东经 83°42′～85°51′，北纬 42°59′～43°07′，保护区总面积 14.87 万 hm2[7]。土壤类型有高山谷地泥沼泽土、泥炭沼泽土、草甸沼泽土、草甸土、草甸草原土；年均温为-4.7 ℃，年较差 36.1 ℃，7 月最高温为 28.1 ℃，1 月最低温-48.1 ℃，年降水量 216.8～361.8 mm，平均为 276.2 mm，降雨集中在6—8月；降雪集中于1—3月，最大降雪深度达26 cm，年降雪天数最多可达185 d；年蒸发量 l 128.9 mm，5～7 月冻土深度可达 439 cm，地面解冻始于 4—5 月，冬季水面封冰期达 5 个月；每年多刮东北风，一般 3～6级，最大 11 级，历年平均日照时数 2 822.9 h[7]。

巴音布鲁克国家级自然保护区拥有植物种类50科160属262种[8]。从草原类型特点来看，巴音布鲁克草原湿地保护区主要有高寒草原、高寒草甸化草原、高寒草原化草甸、高寒草甸、山地灌丛草甸和沼泽化高寒草甸。草原植被类型主要有紫花针茅(Stipa purpurea)与羊茅(Festuca ovina)高寒草原、线叶嵩草(Kobresia capillifolia)与紫花针茅高寒草原化草甸、细果苔草(Carex stenocarpa)与线叶嵩草高寒草甸、天山羽衣草 (Alchemilla tianschanica)与细果苔草高寒草甸、线叶嵩草与细果苔草高寒草甸、线叶嵩草与珠芽蓼 (Polygoncm viriparum)高寒草甸等。

2 研究方法

2.1 数据测定与收集

草原湿地生态承载力的界定将采用高光谱地面生物量估算模型，结合MODIS遥感数据，在新疆巴音布鲁克国家级湿地自然保护区进行草原湿地生态承载力案例研究。充分利用MODIS遥感数据获取的连续性特点，分别采用每年的7月27日（或28日）的数据进行2000—2010年间的动态生态承载力评价。区域NDVI数据采用MODIS数据的16 d平均值，时间为每年的7月28（或27）日。所以地面高光谱测定的最佳时期在每年的7月下旬。

草地植被光谱测定使用美国ASD公司的Fieldspec3光谱辐射仪，光谱范围为350～2 500 nm，视场角25°；采样间隔为350～1 000 nm区间1.4 nm、1 000～2 500 nm区间2 nm；数据间隔：1 nm，观测时传感器垂直向下，距离冠层0.5 m，每隔10～15 min用白板进行校正。选择的天气状况良好，晴朗无云，风力较小，太阳光强度充足并稳定的时段，以减少太阳辐照度的影响。

样方大小为每个1 m×1 m，光谱数据每个样方测量5组，并记录每组数据的地理坐标和海拔高度。测完光谱后，将每个小样方的植物地上部分取样，称其鲜重后，于80 ℃恒温烘干10～12 h称其干质量。最后用每组光谱数据与对应的样方生物量数据构建光谱——地上当年生物量模型。

2.2 生态承载力评价指标

本研究的承载力指标主要包括不同生态系统类型（研究区基础土地利用/覆被信息）、草地（湿地）植被生产力（产草量）水平分级、不同植被生产力水平的面积求算、牲畜停食干草累计天数、每个羊单位每天的干草需求量以及饲草利用效率等。

按照研究区自然状况的特点，将 草原湿地区划分为湿地生态系统和草地生态系统二个部分来进行分析。主要是考虑到了草原生态系统和湿地生态系统的地上生物量的差异。草 原的357个样方所测定的地上生物量变化在33.5～554.9 g/m2， 湿地的66个样方中所测定的地上生物量变化在71.5～838.0 g/m2。 所以，对草原和湿地分别构建高光谱生产力模型，是对生产力空间异质性的最佳诠释。

MODIS卫星数据是由TERRA和AQUA二颗太阳同步极轨卫星提供的，它 们对地球上的任何一个区域的扫描测定分别是在每天的上午（TERRA，地方时）和下午（AQUA，地方时）进行。其中，NDVI 数据的发布是考虑到地球上的任何一个区域在观察的时段都可能受到云层存在的影响，所以采用16 d的平均值来表示每一栅格内的NDVI值，TERRA与AQUA获得的NDVI数据在时间跟频率上相配合，可获得时差为8 d 的NDVI数据，根据NDVI 的变化，可以确定研究区的牲畜停食干草期在每年的具体时间（最大可能误差不超过8 d）。

根据国家标准每个羊单位每天的干草需求量采用1.8 kg标准。根 据已有的研究结果，草 原牧草的利用率在0.30～0.50。所以，在生态承载力界定中，采用0.02等值间隔的k值曲线在不同水平上进行评价。

2.3 地面光谱生物量模型

利用地面光谱实测NDVI数据和地上生物量进行相关性分析，建立草原和湿地的地上干物质量估算的地面光谱模型。实测的地面植物光谱特征与高空遥感的地面植物光谱特征存在内在的联系，可以用实测的地面植物光谱特征代表高空遥感的地面植物光谱特征。为 了保证统计学模型的可靠性和草场类型的多样性，我们在草原生态系统测定了357组地面光谱和生物量数据。同 时，考 虑到湿地是隐域植被类型组成变化相对较小，在湿地生态系统测定了66组地面光谱和生物量数据。构建的地面光谱和生物量模型见图1，典型草原和湿地植被的最优估产模型为指数函数。

图1 不同生态系统地面光谱生物量模型

3 研究结果与分析

3.1 产草量分析

根据实地调查的情况表明， 巴音布鲁克国家级高寒草原湿地保护区的草原利用制度是以湿地中心地带（核心保护区）为冬季牧场，边缘的试验区和缓冲区为春季方牧场。草场在每年的5月中旬返青，畜群迁至高海拔山地牧场。所以，本文选取的7月28日遥感数据所反映的生产力基本没有受到放牧的影响。

从不同时期巴音布鲁克高寒草原湿地保护区的承载力分析结果来看（图2），从2002—2010年，平均产草量为288 542 304 kg，最高年份是2006年，最低年份是2004年，最接近平均水平地是2010年。

3.2 生态承载力动态特征分析

从巴音布鲁克保护区最大理论承载力的分析结果来看（ 表1），20 02—2010年的平均产草量为288 542 304 kg，平均单位面积产草量为1 962.5 kg/hm2，平均最大理论承载力为438 930羊单位。从变化幅度来看，2006年是研究期间内生产力最高的年份，最大理论承载力达到475 367羊单位；2004年是研究期间内生产力最低的年份，最大理论承载力为378 924羊单位；二者与平均水平的差值分别为36 437个羊单位和-60 006个羊单位。

在考虑到在饲草利用率的条件下，不同的饲草利用率对应的草原承载力有所不同（表2）。当饲草的利用率为0.30时，多年的平均承载力为131 679个羊单位。在 饲草利用率为0.35时，多 年的平均承载力为153 625 个羊单位。在饲草利用率为0.40时，多年的平均承载力为175 572个羊单位。

图2 巴音布鲁克保护区年产草量变化

表1 巴音布鲁克高寒草原最大理论承载力分析

表2 巴音布鲁克高寒草原不同饲草利用率承载力分析

3.3 生态承载力变化的驱动分析

实地调查的情况表明，以 7月28日的遥感数据所计算的巴音布鲁克国家级高寒草原湿地保护区的草原生产力基本没有受到畜群采食的影响，其不同年份之间的波动变化只能是源于气候条件的变化。

从巴音布鲁克的气候年际变化特点来看（图3），1958—2010年的53年平均降水量为273.2 mm，而 2002—2010年9年间的平均降水量为303.3 mm，增加了30.1 mm（图3a）。从年平均温度的变化来看，53年的年平均温度为-4.33 ℃，而近9年的年平均温度为3.27 ℃，增加了1.06 ℃（图3b）。说明近10年来巴音布鲁克草原经历了一个明显降水增加、气 温升高的时期。从 巴音布鲁克53 年气候的平均月际变化特点来看（ 图 3c，d），降水量主要集中6、7、8月，占全年降水量的67.6%；而同期平均温度也在10 ℃左右，是高寒草原的最适宜生长期。

图3 巴音布鲁克气候特征

对年降水量和年平均气温与产草量的分析表明（图4a，b），降水量的变化对巴音布鲁克高寒草原的产草量影响要大于温度，因为降水量与产草量的回归关方程相关系数大于年均温度与产草量的相关系数。

图4 巴音布鲁克保护区降水和气温与产草量的关系

4 讨论与结论

4.1 草原湿地的生态承载力

由于生态承载力考虑的因素较多，所以生态承载力的研究可以依据简化论的原则按某一关键要素（稀缺资源）或研究目的进行。以区域可持续性发展研究为例，某区域系统内部各个要素，可以通过自身的发展及相互间的作用反馈，影响区域可持续性发展的整体能力，对影响最大的要素（如草原湿地区域中的产草量）进行生态承载力分析，就是简化论方法的应用。本研究结果表明，草原湿地生态承载力受到草地面积大小、饲草利用率和气候因素的影响。

草原湿地生态承载力研究是建立在草原生态承载力的基础上，从土地利用方式来看在各种类型经济区域中草原区人口最为稀疏、生态环境最为脆弱。草场牲畜数量是否在草原生态承载力范围之内，决定了草原区域能否维系生态系统的平衡，更影响我国草原区域社会、经济长远规划制订和经济发展战略选择。草原区域系统承载力的高低，不仅受到草原生产力和资源存贮量等自然因素的影响，而且也与利用方式（如饲草利用率）密切相关。

4.2 草原湿地生态承载力与区域可持续发展

人类对资源的永续利用是人地和谐的最终指标。所以生态承载力研究与区域可持续性发展密切结合是草原湿地生态系统追求的目标。区 域的可持续发展是建立在资源利用的稳定以及持续供给的基础上，因 此，对生态承载力开展研究是制定区域可持续性发展战略的主要途径。生态承载力作为可持续性发展的基础，其概念是服务于区域可持续发展，反映了人类社会对资源环境及生态系统的认知水平。在一个相对较短的时期内，人类的认识水平和技术水平是固定的，可以作为常量，此时，承载力就具有相对的稳定性，可用于区域可持续性发展的判定。区域的经济与社会发展必须消耗一定物质资源并排放相应的污染物。从生态承载力的角度看，这种资源的消耗和环境污染物的排放必须限定在资源储量和环境容纳的限值范围内。相对来说，较高的承载力意味着具有较丰富的资源、较大环境容量、较为适宜的人口规模以及较好的经济环境和较高的科技含量。因此，提高整个区域的生态系统承载力，才能实现区域的可持续性发展。正是从这个意义上来说，生态承载力是区域可持续发展能力的基础和前提。

4.3 实现草原湿地可持续发展的措施

研究结果表明，草原湿地生态承载力受到草地面积大小、饲草利用率和气候因素的影响。其中，气候因素在草原管理实践中人工调控得经济性、可能性以及影响范围等都不具备使用意义。要从根本上提高草原湿地生态承载力，必须针对上述草地面积、饲草利用率两个方面进行科学合理的调控。

首先要恢复草原植被。该区域土地的利用方式从 l8 世纪以来一直没有发生任何改变，均为自然放牧；近 25 年来巴音布鲁克地区的 LUCC 在一级分类中都为草地，只是覆盖程度发生了变化[8]。巴音布鲁克草地退化面积占 67.3%，高达 304 800 hm2； 此类状况在小尤鲁都斯盆地更为严重，退化草地占 81.9%，总面积为 162 210 hm2[9]。经过初步研究，巴音布鲁克草原退化的原因主要是不合理的放牧制度和牲畜超载，气候因素其次[10]。禁牧与休牧制度是防止草地退化、恢复草地植被的重要措施，也是当前我国草地生态建设的重要内容。应有计划地针对已经退化和严重退化的草地实施禁牧和休牧，并紧密结合巴音布鲁克退牧还草及生态移民工程，坚持好禁牧、休牧制度，以实现恢复草原植被、增加草地覆盖度、提高区域生态承载力的目的。

其次要发展人工草地和饲料地。通过高产、高效的生产经营方式实现饲草产业化生产，从而为市场提供价廉、量足、质优的饲草，以满足区域社会发展的需要。饲草产业在整个草地畜牧业中占有举足轻重的地位，对草原地区可持续发展起着决定性作用。才能从根本上缓解天然草地生态系统的压力。因此，大力发展优质、高 产人工牧草种植，是 实现牧区传统经济模式向可持续发展的经济模式转变的重要基础和保证，也是防止草原退化的重要举措。

再次要调控饲养结构。饲草利用率直接和间接地都影响到了区域生态承载力。草原牲畜数量增加引发的草原过度放牧啃食，是喜食性和可食性等营养价值高的草种比例下。从提高饲草利用率的角度出发，巴音布鲁克草原的放牧管理要在传统的冬、夏牧场迁徙转移和仅有打草场、放牧场二种草场利用方式的基础上，实行科学合理的草场利用模式。从改善饲草结构的角度出发，要针巴音布鲁克草原内牧民居住分散、有较大的庭院空间，发 展庭院高效人工草场的建设，改 善目前以户承包为生产方式家庭内部饲草供应结构，达到提高以户为单位的饲草利用效率。针对巴音布鲁克草原内打草场承包到户的现实，对打草场执行严格的夏季禁牧。对公共牧场则要通过划区轮牧的方式，避免草原在局部地方出现过度放牧的现象，特别是在河湖岸边畜群饮水通道要严格实行分时、分区开放，避免草原沙化、退化，饲草利用率降低。对巴音布鲁克草原内存在的滥挖药材的现象要严格限制，避免滥挖药材对草原植被的破坏和导致的饲草利用率下降。

最后要降低实际载畜量。在发展草地畜牧业中要调整本区的畜群结构，严格按照理论载畜量标准，压缩家畜头数，进一步完善牧区草场承包责任制，通过生态补偿制度建立起牧民自觉以草定畜、保护草原、进行草场建设的激励机制，使“以草定畜”制度化、规范化，明确草地所有权和使用权，并通过土地流转，入股等形式使草原资源通过市场的手段实现最优配置。通过建立多户联合经营的大型牧场企业等方式，使分散承包的草场得到适度集中，实现草原牧场的规模化与集约化，从而提高草原区域的经济效益和生态效益，达到可持续发展的目的。

饲草饲料等资源的可持续发展与牧畜生产力的可持续发展，是实现草原畜牧业可持续发展的决定因素[11]。必须针对巴音布鲁克国家级自然保护区草地覆盖度、饲草利用率两个方面进行科学合理的调控，才能从根本上提高该区域的草原湿地生态承载力，从而实现区域的可持续发展。

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