基于NDVI 的乌兰布和沙漠养牛生态与经济效益研究

武心迪，白可喻

（1. 中国人民大学附属中学，北京 100080； 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081； 3. 国际生物多样性中心和国际热带农业中心联盟东亚办事处，北京 100081）

0 引言

乌兰布和沙漠是我国八大沙漠之一，总面积近1 万平方千米[1]，位于内蒙古自治区西部，东北部以河套绿洲为界，西部以阿拉善左旗的吉兰泰—图库木公路为界，西北部以狼山为界，东至黄河，南至贺兰山。由于自然气候变暖和人为破坏，乌兰布和沙漠东进南移的扩展速度非常惊人，已严重影响了周边地区的日常生活。

磴口县是内蒙古自治区巴彦淖尔市下辖县，地处乌兰布和沙漠东北部，处于南北纬40°~50°的“黄金奶源地”[2]，其温度、湿度、土壤、水源及降雨等条件都非常适合牧草生长和奶牛生存。2004 年，磴口县提出将奶牛养殖作为产业发展的突破口，采取政策引导、资金扶持、部门服务等方式，多形式拓展奶牛养殖规模[3-4]。近年来，磴口县的奶牛规模不断扩大。本文利用基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）的归一化植被指 数（NDVI）对乌兰布和沙漠养牛模式进行了研究。

1 研究内容与方法

1.1 研究区域

本研究区域位于内蒙古自治区磴口县，总面积为3677 平方千米，年平均气温为8.8 摄氏度，年均降水量为143 毫米，年均蒸发量为2493 毫米，年均无霜期为159 天，年日照时数为3300 小时以上，最大冻土深度为97 厘米。

1.2 研究内容

本文重点对磴口县奶牛存栏量、NDVI、植被覆盖度和GDP 的变化情况进行分析，研究上述指标的变化趋势。在此基础上，对磴口县奶牛存栏量与植被覆盖度进行关联研究，分析奶牛存栏量和植被覆盖度之间的关联关系；对磴口县奶牛产业经济占GDP 比重进行比较，分析奶牛存栏量对当地GDP 的影响；对磴口县奶牛存栏量与GDP 总量进行关联分析，计算奶牛存栏量和GDP 的关联系数；并根据分析结果，对沙漠奶牛养殖对当地生态和经济的影响进行综合评价和讨论。

1.3 研究方法

1.3.1 基于MODIS 遥感影像的NDVI 变化分析

沙漠养牛虽然可以利用沙漠干燥气候，减少奶牛感染和发病，但沙漠环境和气候对于牧场并不理想。磴口县探索将种树固沙、种草治沙和沙漠养牛结合起来[2]，绿化周边环境，改善区域植被覆盖。MODIS 携带 490 个探测器，分布在36 个光谱波段[5]，覆盖从可见光到红外波段，每两天就可以提供从可见光到红外波段的地球陆地、海洋和大气的全球观测数据。归一化植被指数数据产品（MODIS NDVI）[6]是MODIS 提供的一类反映植被指数的数据产品，其计算公式为：

式中，NIR 为近红外光谱，R 为红光谱，NDVI反映植被覆盖情况。

本文基于 MODIS NDVI 数据产品，选取2005—2021 年每年8 月5 日前后的MODIS NDVI 数据产品作为基础数据，叠加研究区空间范围数据，通过ArcGIS 软件完成研究区NDVI 数据产品的剪裁、渲染和制图，生成了17 个年度的NDVI 植被指数可视化图层。

1.3.2 基于NDVI 的植被覆盖度计算

为量化评估2005—2021 年植被变化情况，本文基于NDVI 数据，计算研究区2005—2021 年植被覆盖度变化情况。在计算植被覆盖度时，参考李苗苗提出的模型[7]，选取0.5%~99.5%置信范围计算植被覆盖度指数（Vegetation Fractional Coverage，VFC），具体公式如下：

式中，NDVIsoil是完全祼土或无植被覆盖时的NDVI 值，NDVIveg是完全被植被覆盖时的NDVI 值。本文选取NDVIsoil和NDVIveg分别为NDVI 的0.5%和95.5%置信范围边界值。

1.3.3 基于相关性模型的奶牛存栏数同植被覆盖度和GDP 关联性分析

为分析奶牛养殖和生态变化的关系，本文使用相关性分析模型，对奶牛数量和植被覆盖度进行相关性分析。对给定两个长度为n 的序列X 和Y，n>1，用X-和Y-表示序列X 和Y 的平均值，Xi和Yi分别表示序列X 和Y 的第i 个值，则X 和Y 的相关性系数r 为：

相关性系数r值域范围为[-1，1]。当r大于0时，表示正相关；当r 小于0 时，表示负相关。r 的绝对值越大，相关度越高。

2 数据来源

本文使用的数据源主要包括巴彦淖尔市人民政府办公室、磴口县政府官网发布的统计数据，MODIS 遥感数据，国家统计局的CPI 指数数据，以及部分互联网公开资料，具体数据来源如下表所示。

表1 数据来源与处理方法

3 结果与分析

3.1 奶牛存栏量变化分析

根据统计数据[8-10]，磴口县奶牛存栏量从2005年的1.40 万头左右（以2004 年底数量估算[4]），逐步增长至2021 年底的11.08 万头，奶牛存栏量如图1 所示。

图1 磴口县奶牛存栏量变化

从图1 可以看到，磴口县奶牛存栏量自2005年起持续增长。2018 年，由于奶牛品种和结构优化，存栏量从2017 年的7.31 万头降到2019 年的6.01万头。2020 年，大幅增长58.9%，奶牛存栏量达9.55 万头。2021 年，继续保持11.6%的高速增长，奶牛存栏量达11.08 万头，相比2005 年初的1.40万头增长7.9 倍，平均年增速为43.2%，这反映了当地奶牛养殖业的快速发展。

3.2 沙漠养牛对植被的影响分析

本文基于MODIS NDVI 数据产品，选取了2005—2021 年每年8 月5 日前后的MODIS NDVI数据产品作为基础数据，叠加研究区空间范围数据，通过ArcGIS 软件，完成研究区的NDVI 数据产品的剪裁、渲染和制图，生成了17 个年度的NDVI 植被指数可视化图层。由于篇幅所限，本文选取了其中的4 个关键节点年度展示当地植被变化，如图2 所示（绿色部分是植被）。

从图2 可以看出，研究区的植被覆盖发生了明显的变化，特别是左下角区域，从2005 年8 月基本没有植被覆盖到2021 年8 月出现大面积的植被覆盖。

图2 2005—2021 年研究区NDVI 变化

结合当地具体情况调研分析，上述变化明显的区域是当地重要奶牛养殖基地的牧场，该牧场周边持续开展绿化工作，利用循环养殖技术，经过十多年建设，构建了植被绿色带，推动了周边沙漠治理，改善了牧场周围的植被环境。

为量化评估2005—2021 年植被变化情况，本文基于NDVI 数据和公式（2）进一步计算研究区2005—2021 年植被覆盖度的变化情况，获得如下结果。

从图3 可以看出，2005—2021 年，研究区植被覆盖度整体呈上升趋势，2015 年由于气候原因有所下降，整体植被覆盖度从2005 年的21.85%上升到2021 年的37.31%。上述基于遥感的分析显示，沙漠养牛直接带动了牧场周边的沙漠治理，大幅度提升了植被覆盖度，改善了周边生态环境。

图3 2005—2021 年研究区植被覆盖度变化

3.3 沙漠养牛对地区经济的影响分析

研究分析了当地GDP 增长和奶牛产业发展的关系。研究发现，直接利用收集的数据计算产值，由于不同年度的物价变化，无法反映物价因素。针对上述问题，本文获取了国家统计局发布的年度CPI 数据[11]，并通过CPI 数据反推了2005—2020 年每头奶牛产生的经济价值。

基于反推的奶牛年度产生的经济价值，可以计算各年度奶牛产业占GDP 的比例，如图4 所示。

奶牛产业GDP 占比从2005 年的12.37%逐步升至2017 年的32.53%。2018 年和2019 年，由于奶牛品种优化和结构调整，奶牛产业GDP 占比有所下降，但2020 年又进入快速上升期，并超过2017 年的32.53%，达到36.4%；2021 年，奶牛产业GDP 占比继续增加，达到39.41%，是2005年的3.18 倍，这说明奶牛产业在磴口县经济发展中的比重日益增加，已是当地GDP 的重要组成部分。

图4 奶牛产业GDP 在磴口县GDP 中的占比

3.4 奶牛存栏量与植被覆盖度及GDP 的相关性分析

为进一步分析奶牛养殖和生态变化的关系，本文对奶牛数量和植被覆盖度进行相关性分析。根据公式（3），得到奶牛存栏量和植被覆盖的相关性系数为0.88，说明奶牛存栏量和当地植被覆盖存在正相关性。

表2 磴口县奶牛存栏量与当地植被指数相关性分析

为进一步分析奶牛养殖和GDP 关系，本文对奶牛存栏量和GDP 进行相关性分析，得到奶牛存栏量和GDP 相关性系数为0.69，说明奶牛数量和当地GDP 存在正相关性。

表3 磴口县奶牛存栏量与GDP 相关性分析

4 讨论与结论

本文针对乌兰布和沙漠养牛模式进行了研究，利用基于MODIS 的NDVI 数据产品对研究区进行了分析，比较了2005—2021 年该区域的奶牛存栏量和GDP 情况，并分析了奶牛产业GDP 在当地GDP 中的占比变化。通过分析发现，随着当地奶牛产业的发展，奶牛数量从2005 年的1.40 万头快速增长至2021 年的11.08 万头，奶牛产业GDP 占比也从2005 年的12.37%上升至2021 年的39.41%，反映了沙漠养牛直接或间接带动了当地GDP 的发展。基于MODIS 的NDVI 产品和遥感影像分析发现，当地植被指数也有明显变化，从2005 年的21.85%上升到2021 年的37.31%。进一步的相关性分析显示，奶牛存栏量和植被覆盖的相关性系数为0.88，说明奶牛数量和当地植被覆盖具有强关联；奶牛存栏量和GDP 相关性系数为0.69，说明奶牛数量和当地GDP 具有较强关联。综合来看，沙漠养牛对改善当地生态环境和促进经济增长均有明显的效果。

大量研究利用遥感技术对沙漠地区生态环境进行监测分析，达来等[12]利用遥感技术对近20 年黄河乌兰布和沙漠段生态环境状况变化进行分析，叶静芸等[13]利用遥感Quick Bird 影像对乌兰布和沙漠东北缘荒漠—绿洲过渡带植被地上生物量进行估算，王杰等[14]利用遥感技术对乌兰布和沙漠干旱地区遥感生态指数进行改进。车晓旭[15]对乌兰布和沙漠磴口县的“人工绿洲”区域进行研究，利用遥感影像NDVI 数据和植被采样数据对研究区域的植被变化进行分析，当地植被变化主要因素为人工干预（植树种草），也间接证明了本文研究的奶牛养殖带动当地植树种草和植被变化的结论。以往大多研究工作主要针对某一生态指标的分析和监测，尚未发现沙漠奶牛产业和植被覆盖度的关联分析、沙漠奶牛产业和GDP 的关联分析研究，本文开展的关联性研究是上述已有生态研究的扩展和补充。

由于缺少直接统计数据，本文在分析奶牛产业GDP 占比时，采用了模型估算和CPI 反推的方式进行了估算，待获取相关数据后，可进一步优化相关的占比分析。本文只对沙漠养牛对当地经济、植被影响进行了分析，后续工作可进一步对生物多样性、气温、风速及人均GDP、人均可支配收入等关联指标进行分析。