草地放牧强度遥感解译方法
——以和静县高寒草原为例

邵明轩 王 洁 贾宏涛 刘耘华 程军回 盛建东*

(1.新疆农业大学 草业与环境科学学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室,乌鲁木齐 830052；2.俄克拉荷马大学 微生物和植物生物学系，美国 诺曼 OK 73019)

放牧是人类活动对草地最主要的干扰类型[1-2]。一方面，放牧会直接导致草地地上生物量变化，间接影响草地生物多样性的稳定、土壤微生物、及土壤营养物质周转等方面[3-6]；过度放牧会导致适口性牧草逐渐减少，毒草及不适口牧草增多，植被群落密度减少等不利影响[7-8]。另一方面，禁牧易造成资源浪费，不利于畜牧业和当地经济的发展[9]。故保持合理的放牧强度对草地资源的保护和经济可持续发展尤为重要[10]。如何快速、准确的确定放牧强度，对天然草地的草畜平衡和科学管理有重要意义[11]。

目前，对于放牧适宜强度的确定方法，主要是通过实地调查统计牲畜存栏数和草场面积，估算区域内实际载畜量与草地理论载畜量的差异来划分放牧强度[12]。这种方法耗时耗力且精度有限，未考虑区域内不同草地类型的差异性，不适用于大范围草地放牧强度的估算。随着空间信息技术的发展，为草地载畜量、放牧强度以及草场科学管理等提供了科学手段[13-16]。例如可利用牲畜携带GPS在放牧过程中记录放牧轨迹，通过聚类分析方法估算牲畜分布的面积来判断草地的放牧强度[17-18]。近年来研究利用无人机观测牲畜分布及地上生物量变化对中小尺度的草场进行放牧强度估算[19-20]。随着大尺度、多时相、高光谱等卫星遥感技术的快速发展，对于大规模的山地天然草地而言，卫星遥感有着得天独厚的优势。其中，已有研究利用Landsat遥感影像建立了地上生物量及地表植被冠幅变化的反演模型，结合实际调查的放牧强度，估算出巴西隆多尼亚地区传统放牛场不同植被类型(林地、草地)的放牧强度[21]。使用MODIS遥感影像分析对比放牧前后NDVI变化，估算内蒙古草地的相对放牧强度等级[22-24]。利用卫星遥感对草地放牧强度进行初步探索，但在实际调查中，不同草地类型地上生物量和载畜量存在较大差异，不同草地类型同时划分放牧强度将存在较大误差[25]。因此，如何快速、有效地确定大范围草地放牧时间及强度，还需要进一步探索。

新疆和静县饲养牲畜主要以巴音布鲁克黑头羊和牦牛为主。全县现有草场面积约24 600 km2，可利用草场面积约20 513 km2，19世纪80年代核定载畜量为130.5万只绵羊单位，现在实际载畜量为229.0万只绵羊单位[26]。为满足我国人口增加和经济发展的需求，需要增加饲养牲畜数量，也是草原地区牧民提高收入的重要途径。为协调草畜矛盾，如何快速的确定大范围草地放牧强度，是当前亟待解决的问题，但是当前卫星遥感解译大范围天然草地放牧强度的研究较少，因此，本研究拟以新疆和静县分布的典型高寒草原为研究对象，利用实地样地调查的地上生物量与遥感影像所提取的NDVI建立生物量反演模型；通过分析NDVI在植被生长季期间变化特征，开展高寒草原草地放牧时间和放牧强度的遥感解译分析研究，以期为利用多时相遥感影像快速确定草地放牧强度和放牧管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于天山中段南麓和静县高寒草原草地(82°28″～87°52″ E，42°36″～43°19″ N，图1)。地势西北高、东南低，研究区范围内海拔2 000～2 800 m，属山区高寒气候，冬春严寒漫长，夏秋短暂温和，年均温-4.8 ℃，年均降水量276.2 mm[27]。该区域主要以紫花针茅(Stipapurpurea)、羊茅(FestucaovinaL.)为主的高寒草原类草地，土壤类型为冷钙土[27]。

图1 和静县高寒草地样点分布图Fig.1 Distribution of alpine grassland sample points in Hejing County

1.2 地上生物量调查

为建立和验证遥感反演的草地放牧强度，本研究借助2013年7月中旬—8月中旬对放牧的高寒草原19个典型样地的实测数据，进行反演精度的验证。在野外调查过程中，首先遵循试验样地布设的典型性原则，在认真分析已有的草地类型图和遥感图像基础上，布点时尽量考虑到草地型、坡度等因素的异质性。选择能够代表高寒草原类型、地形及土壤等特征的样地，按一定方向设置1条100 m样线，可以较好地匹配MDOIS-MOD13Q1植被指数数据集，在样线上设10个1 m×1 m草本样方。草本样方地面以上所有绿色部分齐地面刈割，去除粘附的土壤、砾石等杂物后全部带回实验室，105 ℃杀青后，65 ℃烘干至恒重后称量，获取各样点地上生物量数据，取其均值代表该样地的地上生物量。

1.3 遥感数据获取与处理

通过美国航空航天局地球观测系统数据中心获取的16 d合成为空间分辨率250 m的MOD13Q1植被指数数据集，经过大气校正、云检验、质量控制和旬NDVI最大化处理后。利用图像处理软件MRT软件进行镶嵌、拼接、投影转换、格式转换及研究区提取等预处理，进行地上生物量反演模型建立。同时利用ArcGIS 10.2及R软件提取了19个样地的2008—2017年每年每个周期NDVI值，用于判断放牧时间及放牧强度，制作放牧强度分布图。

1.4 放牧时间确定

放牧开始与结束的时间是利用NDVI确定放牧强度的关键。由于高寒草原草地因海拔高、温度低、积雪时间长，生长季短暂，一般作为夏季牧场进行利用。本研究19个高寒草原样地分布分别为：巴音郭楞乡(8个)、巴音布鲁克镇(2个)、公乃斯镇(3个)、哈尔诺尔国营牧场(1个)、额勒在特乌鲁乡(5个)，分别进行调查统计和静县各乡镇统计年鉴及和静县畜牧局提供的放牧时间，结合实地走访，确定了和静县各乡镇夏季放牧时间(表1)为6月10日—9月10日。实测放牧强度的结果依据当地畜牧专家常年监测调查的结果，同时结合本单位草学专家对于草地生长状况判别确定实测的放牧强度。

1.5 数据处理与分析

归一化植被指数(Normalized difference vegetation index，NDVI)，红波段(R)和近红外波段(NIR)反射率之差与之和的比值，用以表征地表植被的数量分配和质量情况。即：

利用ArcMap 10.2软件提取各样方的位置点对应的NDVI值，利用Sigmaplot 14.0进行NDVI与实测生物量模型建立。利用Graphpad Prism 8进行2008—2017年每旬NDVI均值进行突变分析用于判断放牧起止时间。同时将生长季期间(4—8月)NDVI进行累积得到，即：ΣNDVI，用于整个研究区放牧强度划分。

1.6 研究思路

放牧的直接结果是牲畜对于地上生物量的啃食作用，不同放牧强度的地上生物量变化特征不同，而这种变化特征可以利用多时相卫星遥感图像反演获取，根据地上生物量的变化可以确定不同的放牧强度。因此，首先利用19个典型样地的实测地上生物量与对应日期NDVI建立反演模型，然后利用该模型分析近10年NDVI均值的变化过程，确定放牧起止时间。考虑到天然草地面积广阔，牧民转场的时间及次数各有不同，加之不同区域、不同月份水热条件存在较大差异，实时调查、采样比较困难，即使在采样地点选择相对均一条件下，单一的利用某个旬度之间NDVI变化划分放牧强度存在较大误差。为此，通过分析19个典型样地生长季期间NDVI值的变化过程，将其归类为4个放牧强度。发现不同放牧强度地上生物量及生长季期间累积NDVI(ΣNDVI)值存在差异，据此作为划分不同强度的界定方法。此方法在一定程度上避免了各地牧民转场时间上的差异，提高了预测大范围大区域放牧强度的精度。

2 结果与分析

2.1 高寒草原地上生物量遥感反演模型建立

草地地上生物量与NDVI之间存在显著的正相关关系[28]。为保持与地面实测数据的时空一致性，选择利用2013年MDOIS遥感植被指数来反演草地地上生物量，建立了该区域的草地地上生物量估算模型。对研究区高寒草原样地的遥感植被指数(NDVI)与高寒草原草地地上生物量分析结果发现二者呈极显著的正相关关系(R2=0.732 9，P<0.000 1)。以提取样地的NDVI为自变量，实地调查获取的草地地上生物量y为因变量，分别建立了一元线性回归模型、二次多项式、对数、指数和幂指数非线性等回归模型(图2)。经过统计检验，其中二次多项式模型是估算和静地区高寒草原地上生物量最佳模型：

y=523.21 NDVI2-82.8 NDVI+55.84

式中：y为地上生物量，g/m2；NDVI为归一化植被指数。

图2 高寒草原地上生物量遥感植被指数反演模型Fig.2 Inversion model of aboveground biomass remote sensing vegetation index in alpine grassland

2.2 高寒草原放牧时间确定

在确定高寒草原草地遥感反演模型后，可合理有据的分析每16 d的NDVI的变化，从而进行放牧时间的判断。由于高寒草原生长季短暂，多为夏季牧场。夏季牧场放牧开始时，处于生长季初期，与地上生物量相关的NDVI呈上升趋势，而地上生物量的减少主要是由放牧引起的。以巴音布鲁克镇为例，分析该镇范围内2个样地10年均值年内变化图(图3)，结合实地调查知，该镇高寒草原草地NDVI均值3月中旬至4月初期间由负变正，即4月初植被返青。这主要是春季气温逐渐提升，积雪融化，水热条件改善，地上植物开始返青，NDVI值逐渐上升。在6月9—26日期间出现会第一次下降又上升阶段，由此判断此时间段为开始放牧的时间范围，这与实地调查的夏季放牧开始时间相吻合。草地放牧后，牲畜啃食作用虽会导致地上生物量减少，如果是适度放牧也会促进后期植物的补偿性增长，地上生物量也会增加，此后一阶段的NDVI指数出现一定的波动。随着时间推移，8月底—9月初，气温下降，植被逐渐进入枯黄期，NDVI逐渐降低，夏季放牧时间基本结束。在9月中旬—12月中下旬，高寒草原分布区开始出现降雪融雪交替，使得NDVI整体波动下降，12月以后积雪完全覆盖，NDVI降为负值。

利用同样的方法分析和静县其他乡镇、国营牧场夏季放牧时间，结果见表1。由表1可知放牧时间6月9日—9月30日，这与实际调查的放牧时间大致相近，具体时间随当年返青时间的早晚而变化。

图3 巴音布鲁克镇10 年NDVI指数均值随时间的变化Fig.3 Change of the average NDVI of Bayanbulak Town over 10 years

表1 和静县各乡镇遥感图像预测的返青时间、放牧时间与实际调查放牧时间Table 1 The prediction of turning green time, grazing time by remote sensing images andactual investigation of grazing time of each township in Hejing County

为验证遥感确定放牧时间的可靠性。以2013年为例，利用6月26日与6月10日影像中后旬NDVI减前旬NDVI处理，得到和静县高寒草原草地6月10—26日地上生物量变化图(图4)，在此期间红色为地上生物量下降区域可以判断为此期间放牧区域，绿色为地上生物量上升区域，可以判断为此期间未放牧区域。

图4 和静县高寒草原草地2013年6月10—26日地上生物量变化Fig.4 Aboveground biomass variation diagram of alpine grassland in Hejing County on June 10 to 26, 2013

2.3 利用NDVI划分高寒草原放牧强度方法

放牧开始与结束的时间是利用NDVI确定放牧强度的关键。通过对19个样地的生长季NDVI的变化趋势相似的样地进行归类，制作了不同放牧强度下NDVI变化图(图5)，发现不同放牧强度存在差异特征。其中，图5(a)的NDVI曲线呈现出前期快速上升，后期缓慢降低的趋势，且NDVI的变化幅度最大，归为未放牧区；图5(b)的NDVI开始上升的斜率较小且到达最高点的时间较图5(a)的晚，于177～209 d由于受到放牧干扰，出现小幅下降后又再次上升，然后至枯黄期前NDVI开始逐渐平稳下降，至枯黄期后快速降低的趋势，归为轻度放牧；图5(c)的NDVI曲线整体上升和下降的幅度较小，于160～225 d出现多次下降后上升，而后逐渐下降趋势，归为中度放牧；图5(d)的则表现出在整个生长季期间NDVI值较低，且NDVI曲线比较平稳，归为重度放牧。

(a)未放牧；(b)轻度放牧；(c)中度放牧；(d)重度放牧(a) Ungrazed； (b) Light grazing； (c) Moderate grazing； (d) Heavy grazing图5 不同样地生长季植被指数变化Fig.5 Changes of vegetation index in growing season of different plots

确定19个样地的放牧强度后，对于不同放牧强度下实测地上生物量及反演的7月28日(地面实测时间一致)地上生物量进行分析(表2)。

表2 不同放牧强度下实测及反演的地上生物量

通过分析19个样地生长季植被指数(图5)及地上生物量(表2)发现，不同放牧强度地上生物量和NDVI存在较为明显的差异，为避免放牧时间及转场时间不同所造成的误差，本研究利用不同放牧强度在生长季期间累积NDVI(ΣNDVI)大小来界定不同放牧强度，结合植物盖度、生物量等指标制定了高寒草地放牧强度分级标准(表3)。其中：未放牧区域NDVI到达最大后属于草本自然衰落式下降，生长季ΣNDVI区间范围在5以上；轻度放牧受到1个旬度的放牧干扰，生长季ΣNDVI区间4～5；中度放牧受到放牧干扰后，NDVI回升较少，放牧期间受到2个甚至3个旬度的放牧干扰，生长季ΣNDVI区间3～4；重度放牧整体NDVI较低，代表裸地面积较大，载畜量低，生长季ΣNDVI区间范围在3以下。

表3 高寒草原草地放牧强度分级标准Table 3 Grading standard for grazing intensity of alpine grassland

2.4 精度验证

通过对遥感获取的NDVI数据分析，得出的19个样地的不同放牧强度。其中未放牧2个，轻度放牧6个，中度放牧7个，重度放牧4个。利用实地调查的放牧强度19个样地中，有17个样地放牧强度符合调查的放牧强度，精度达到89.47%。其中7月28日调查的样地属于中度放牧，但是遥感获取的ΣNDVI属于重度放牧，可能是因为实地调查时间处于草地恢复阶段，地上生物量有所回升，但是整体ΣNDVI较低，调查后有再次放牧的可能性。此情况出现同时也可以说明ΣNDVI划分放牧强度的科学性。

2.5 高寒草原放牧强度空间分布

根据高寒草地放牧强度分级标准(表3)，利用研究区遥感影像反演的ΣNDVI值，制作了和静县高寒草原草地放牧强度等级分布图(图6)。未放牧区域，多位于围栏区域和高海拔位置，主要分布在和静县西南部山区；轻度放牧区域，多处于海拔较高区域，未放牧和中度放牧的过渡地带，主要分布在东北部和西南部山区；中、重度放牧区域，多位于山前路旁，海拔较低处。

图6 和静县高寒草原草地放牧强度分布图Fig.6 Distribution map of alpine grassland intensity grazing in Hejing County

3 讨 论

3.1 植被指数与草地地上生物量之间的关系

研究表明植被指数与草地地上生物量存在显著相关性[11-16]。放牧强度最直观的表现是地上生物量的变化，为此本研究以巴音布鲁克高寒草原草地为研究对象，利用MODIS的NDVI的植被指数为自变量，草地地上生物量y为因变量，建立了和静地区高寒草原地上生物量的反演模型。杨静雅[27]在和静县高寒草原草地研究中也发现，对于和静县高寒草原草地而言，二次项多项式遥感反演模型的反演效果较好。罗媛等[28]在基于红光和近红外反射光谱特征参数反演草地地上生物量的研究中发现，NDVI与草地地上生物量之间存在显著的正相关关系。因此，可以通过NDVI对于研究区地上生物量的变化进行判断。

3.2 植被指数变化与放牧时间的关系

依据植被指数与地上生物量反演模型，通过植被指数可以了解地上生物量的变化。研究表明，当NDVI为负值，代表为水体、积雪覆盖等高反射物体[29]。因此，通过分析NDVI变化曲线发现，1—4月NDVI为负值，表明该时期巴音布鲁克镇高寒草原多被积雪覆盖；4月初NDVI逐渐上升，表明积雪融化，草地逐渐返青；在生长季期间，6月9—26日(很可能是因为冷冬暖冬，返青时间不同而变化)内出现下降趋势，表明地上生物量减少，生物量减少主要是受到了放牧的干扰所致。同时在实地调查中，夏季放牧开始时间后(6月10日左右)在此区间范围内可互相印证。丁涛等[29]研究发现巴音布鲁克高寒草原在9月初进入非生长季。草地进入非生长季后，草地逐渐枯黄，导致光合作用减弱，对红光波段的反射增强，NDVI逐渐降低。因此，在生长季期间NDVI的波动可以间接反映是否存在放牧行为。

3.3 植被指数与放牧强度的相关性

植被指数变化可以间接反映放牧强度[21-24]。本研究基于海拔2 000～2 800 m的和静地区的高寒草原草地，对该类草地类型进行放牧强度的研究，一定程度上避免了不同草地类型所造成植被指数的差异而导致的误差。从和静县放牧强度分布图(图6)可以发现，其中未放牧区，多位于高海拔和围栏区域，在生长季开始时NDVI呈现快速上升，缓慢下降趋势。在Risser等[30]研究发现，草地未受到干扰，草本植物会出现惰性生长，植被会出现黄绿色，NDVI也会逐渐降低，属于草本的自然衰落枯萎。轻度放牧区，多处于海拔较高区域，地上生物量较高，草地载畜量高，从NDVI曲线中发现至177 d(6月26日)左右受到放牧干扰开始下降，距放牧开始时间往后延时，可能是因为夏季牧场开始放牧后，牧民从山下将羊群驱赶至此，导致放牧时间往后延时，放牧结束后NDVI再次上升，至枯黄期NDVI开始逐渐下降。轻度放牧有利于草地发展，草地受到牲畜的唾液(水分)、排泄物(养分)等补给，草地会出现补偿性增长，地上生物量在一定时间后会继续增长甚至超过未放牧之前的生物量[25,31]。中度放牧区，多位于山前路旁，通过分析NDVI曲线发现在161 d(6月11日)左右开始下降，在177 d(6月26日)左右再次上升；在193 d(7月12日)左右再次下降，至生长季末期NDVI逐渐降低。可能是因为牧民在夏季放牧时间开始后，经过此区域去往高海拔地区转场，高海拔地区放牧结束后，再次经过此区域。该区域一是受到多次放牧干扰，二是由于后一次放牧干扰，接近生长季末期，不利于草地再次生长。重度放牧区域，整体NDVI较低，可能是因为地上生物量少，裸地较多，导致载畜量低，放牧强度高。通过分析19个不同放牧强度的样地，可以发现不同放牧强度的ΣNDVI及地上生物量有明显差异。孙睿等[32]研究发现可以利用ΣNDVI估算大区域范围内某个时间段内整体的地表变化。本研究通过探索ΣNDVI进行划分放牧强度的可行性，发现生长季ΣNDVI与放牧强度呈负相关。

4 结 论

草地放牧强度的确定是合理放牧和草地可持续利用的关键。本研究利用实地调查典型样地的地上生物量实测数据，结合MODIS遥感数据源提取的NDVI，建立了巴音布鲁克高寒草原草地的地上生物量反演模型。利用2008—2017年NDVI变化曲线确定了放牧时间为6月9日—9月30日，进而建立了基于生长季期间ΣNDVI指标的放牧强度分级标准，即：未放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧。本研究结果可为该区域高寒草原草地快速、有效确定草地放牧时间及放牧强度，科学合理利用草地资源，维持草畜平衡提供科学依据。