卫星遥感数据的玛河流域草畜平衡研究

文│李静 牛康康（新疆维吾尔自治区农业技术推广总站）

田源（新疆维吾尔自治区农业资源区划和遥感应用中心）

目前，草原畜牧业发展与草原生产能力不协调，草原建设速度慢于退化速度等突出问题严重影响草原畜牧业的可持续发展和牧区经济社会的稳定。多数研究发现，超载过牧是草原退化的主要原因之一，草畜平衡成为治理草地退化的重要手段。

研究草原合理载畜量，首先是要准确测定牧草产量。传统的牧草产量测定一般采用实地采样法，但对于面积大、地形地貌复杂的牧草区，环境限制因素明显，存在样点分布不均，无法布点等问题，耗费大量的人力、物力，同样无法摆脱诸多客观和主观因素的限制。近年来，随着遥感技术的发展和在草地监测方面的应用，大大降低了通过人为测定带来的主客观因素。它具有准确性、综合性、动态性和快速性等特点，为大面积牧草产量的估测提供了必要的工具。

一、研究区概况、数据源及研究方法

1 研究区概况。玛河流域位于新疆维吾尔自治区准噶尔盆地南缘，北纬：43.05°～45.13°、东经：85.12°～87.6°，包括沙湾市、玛纳斯县、呼图壁县。地形垂直分布完整典型，气候差异显著，水热条件分配不均匀，草地类型丰富。所处的地理位置、地形、气候特点将草地分为低地草甸类、山地草甸类、温性草原类、温性草甸草原类、温性荒漠类、温性荒漠草原类、高寒草原类、高寒草甸类。主要有密从禾草、中生杂草、小禾草、半灌木分布在不同的草地类型中。

2.草地资源数据。采用国家基础地理中心提供的1∶100万草地类型图，并根据土地利用现状做进一步的修正。

3.地面草地数据。在7月牧草刈割季节，从试验区选取草地样方，每个样方大小1米×1米，将样方内牧草切割称取鲜重，建立草原地面样方数据库。

4.牲畜数据。在新疆统计年鉴上，获取2014年试验区域内食草性牲畜数量，主要包括牛、马、驴、山羊、绵羊。

5.遥感数据获取和预处理。一般7月是牧草刈割期生物量最大的时期，选择云量小于10%，能覆盖整个试验区域的高分一号WFV4传感器数据，用ENVI5.1软件做影像预处理（大气较正和几何精较正）和波段运算。

6.计算公式。

（1）天然草地合理载畜量的计算参考中华人民共和国和农业行业标准（NY/T 635-2002）和《自治区各地州不同草原类型载畜量标准测算说明》，计算公式如下：

天然草地适宜载畜量（羊单位）＝［饲草量×可食鲜草产量利用率］÷（家畜日食量×放牧天数）。

其中饲草量根据牧草反演数据得到，可食鲜草产量利用率：低地草甸类0.55，山地草甸类0.6，温性草原类0.5，温性草甸类0.55，温性荒漠类0.35，温性荒漠草原类0.35，高寒草甸类0.55。家畜日食量为5千克，放牧天数为365天。

（2）羊单位转化参考NY/T 635-2002方法，牛食草量是标准羊单位的6倍，马食草量是标准羊单位的6倍，驴食草量是标准羊单位的3倍，山羊食草量是标准羊单位的0.9倍，绵羊食草量为标准羊单位食草量。

（3）草畜平衡计算，参考NY/T 635-2002。

0～15%为平衡，15%～30%为超载，＞30%为重度超载。

公式中，B为草畜平衡指数，A为实际载畜量，表示草场实际已承载的放牧牲畜数量，单位为羊单位；R为合理载畜量，指在草原保持健康的条件下，草场最大可承载的牲畜数量，单位为羊单位。

表1 研究区草地合理载畜量

7.研究方法。在研究区草原产草量的基础上，利用统计知识和遥感技术，合理估算补充饲草料，并根据当前牲畜数（换算为标准羊单位）估算当前已采食的产草量。然后在现存草原产草量的基础上开展研究区草畜平衡监测工作，对其草畜平衡状况进行分析。最后把研究区的行政界线和草地类型图叠加到草原生产力分布图上，并按分区计算合理的载畜量（羊单位），确定载畜平衡指标，并进行研究区草畜平衡评价。

二、结果与分析

1.牧草产量模型构建。通过多数研究发现，NDVI（归一化植被指数）与草地生物量相关性高。因此，本研究利用地面样方鲜草产量数据与NDVI拟合回归方程，结果表明，鲜草重与NDVI呈极显著正相关。

2.牧草产量反演。利用以上牧草产量估测模型反演整个示范应用区，并对反演结果进行精度验证，线性模型R2＝0.6561，多项式模型R2＝0.6892，幂函数模型R2＝0.747，幂函数模型反演精度最高，因此，将幂函数y＝1546.1x1.9466作为估测草地牧草产量的最佳模型，可作为估测草地载畜量的基础数据。

3.草地载畜量估算。根据获取的不同草地类型牧草产量，利用天然草地合理载畜量计算公式，计算得到3个县市不同草地类型合理载畜量，玛纳斯县合理载畜量85.62万（羊单位），沙湾市合理载畜量91.33万（羊单位），呼图壁县合理载畜量74.35万（羊单位）。

4.实际载畜量计算。从2014年新疆统计年鉴提取玛纳斯县、沙湾县、呼图壁县主要的食草性动物（牛、马、驴、山羊、绵羊）数据。根据国标NY/T635-2002计算，将绵羊定义为家畜羊单位，将其他牲畜转化为羊单位，其中玛纳斯县实有载畜量为87.03万（羊单位），沙湾市实有载畜量为113.73万（羊单位），沙湾市实有载畜量为102.97万（羊单位）。

5.计算载畜平衡指数。根据上述研究发现，3个县市的合理羊单位牲畜量和实际羊单位牲畜量，根据草畜平衡计算公式，定性分析3个县市的载畜平衡状况。

结果表明，呼图壁县草畜平衡指数为38.5%，玛纳斯县草畜平衡指数为1.6%，沙湾县草畜平衡指数为24.5%。从结果可以看出，玛纳斯县载畜为草畜平衡，沙湾县有轻度超载，呼图壁县超载严重。

三、结论

本研究利用研究区GF-1卫星数据和野外调查数据，采用“3S”技术，以草地为监测对象，构建了遥感观测（植被指数）与地面观测（样方生产力）之间的多种牧草产量模型，并对整个研究区牧草产量进行反演，计算草地载畜量，对研究区所在的3个县市载畜能力进行定性分析，结果如下。

表2 研究区草地实际载畜量

表3 研究区草畜平衡指数

1.利用研究区2014年地面样方鲜草质量数据与影像上对应的NDVI值之间的关系建立了线性、多项式、幂函数估算模型，结果表明，鲜草重与NDVI呈极显著正相关。因此，利用NDVI构建的牧草产量模型可行。

2.利用牧草产量模型对整个研究区牧草产量进行反演，经过精度验证，幂函数模型y=1546.1x1.9466的反演精度最高，幂函数模型可作为估测牧草产量的最佳模型。

3.在知道牧草产量和不同草地类型利用率、牲畜日食量、放牧天数数据的情况下计算3个县市合理载畜量。其中，玛纳斯县合理载畜量为85.62万（羊单位），沙湾市合理载畜量为91.33万（羊单位），呼图壁县合理载畜量为74.35万（羊单位）。

4.通过2014年新疆统计年鉴获取3个县市食草性动物数据，再将其换算成羊单位数据，得到3个县市的实际载畜量，玛纳斯县实际载畜量为87.03万（羊单位），沙湾市实际载畜量为113.73万（羊单位），呼图壁县实际载畜量为102.97万（羊单位）。

5.利用合理载畜量和实际载畜量计算草畜平衡指数，根据定性分析，玛纳斯县草畜平衡，沙湾县超载，呼图壁县重度超载。

四、讨论

已有部分研究利用遥感技术对玛纳斯河流域草畜平衡情况进行分析，文章通过使用我国自主研发的GF-1卫星数据进行草畜平衡分析研究，效果好，说明GF-1卫星数据可应用到农牧业领域。