荷日恒村地处青海省黄南藏族自治州河南蒙古族自治县南部, 位于101° 32'-101° 44' E, 34° 27'-34° 44' N, 海拔3 5484 221 m(图1)。该地区地势南高北低, 属青藏高原特有气候, 热量低, 两季性明显, 雨热同期, 多年平均气温-1 ℃, 平均降水量587 mm。该地区草地类型以高寒草甸为主, 草地总面积156 km²。其中暖季放牧地面积占27%, 为公共放牧地; 冷季放牧地面积占73%, 已确权到户。冷暖两季放牧地分布极其不均衡。

图1

Fig. 1

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	图1 研究区位置Fig. 1 Geographic location of the study area

畜牧业是荷日恒村最主要的产业, 为村民最主要的经济来源。常年的家畜超载使该地放牧地出现不同程度的退化, 尤其是作为公共放牧地的暖季放牧地最为严重。近年来, 该村开始实行两季轮牧和休牧制度。每年6月初开始在暖季放牧地放牧23个月, 9月初转入冷季放牧地放牧翌年3月, 45月休牧两个月。但在实际走访调查中发现, 受当地牧民对生态认知的限制, 休牧制度并没有得到很好的贯彻, 休牧期放牧的情况仍然严重。

本研究使用的地面采样数据其采样时间为2015年5-8月和2016年5-8月每月月末, 每月采20个样方, 样方大小为1 m× 1 m。样方草样收集采用齐地面刈割的方法, 然后对样方内草样称重, 得到产草鲜重。之后将鲜草重折算成干草重, 鲜草折算风干草的系数参考《中国草地资源》, 按1∶ 3折算^[8]。除此, 样方还测定了经纬度坐标、海拔高度、草地类型、草地覆盖度、植株高度、可食草量等信息。

归一化植被指数NDVI是反映草地生长状况的重要遥感参数^{[9, 10, 11, 12, 13]}, 被广泛应用于草地产草量的估算中^{[14, 15, 16, 17]}。研究使用的遥感数据为美国陆地卫星LANDSAT系列, 空间分辨率为30 m、时间分辨率为16 d, 使用的影像为2015年和2016年每年5-8月的Landsat 8 OLI数据。对每景影像进行预处理, 计算每景影像NDVI后, 并对每月两景影像最大值进行合成。根据地面样方数据的采集时间和经纬度坐标信息, 提取对应月份NDVI最大值合成影像中每个样方点约100 m范围内9个像元的NDVI均值, 建立NDVI与对应样方牧草产量干重的月数据库。

2015年底荷日恒村各类牲畜存栏13 113头(只、匹), 其中牦牛8 148头, 绵羊4 427只, 马538匹^[18]。根据当地实际情况, 幼畜比占35%, 各类牲畜折算标准羊单位(SHU)的标准为:1头牦牛按4个SHU折算, 1只羊按1个SHU折算, 1匹马按6个SHU折算。经计算, 2015年年末荷日恒村共有家畜33 204 SHU。

1.3.1 月产草量计算 实测产草量NDVI指数关系模型已被证明适用于草地产草量估算^{[14, 15, 16, 17]}。本研究基于已建立的NDVI与对应样方月牧草产量干重的数据库, 构建了生长季5-8月地面-遥感相结合的牧草产量估算经验模型(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 5-8月各月牧草产量估算模型 Table 1 Monthly grass yield estimating model from May to August 月份Month 模型Model R2 5月 May Y=11.548× e5.849 8× NDVI 0.54 6月 June Y=130.21× e2.044 3× NDVI 0.55 7月 July Y=259.16× e2.193 9× NDVI 0.62 8月 August Y=82.861× e3.606 3× NDVI 0.60

表1 5-8月各月牧草产量估算模型 Table 1 Monthly grass yield estimating model from May to August

Landsat 8影像及NDVI数据计算月牧草产量, 受影像数据的云量影响比较大。牧草的生长和产量的积累有较为固定的生长规律曲线, 在牧草生长季其产量虽然存在月差异性, 但各月间仍有一定关系^[7]。为减少对数据质量的影响, 引入了牧草产量“ 月动态系数” 这一参数。基于上述模型对研究区过去10年生长季各月牧草产量进行本底计算, 从而得到各月牧草产量系数, 5, 6, 7, 8月份动态系数分别为0.06, 0.38, 1.00, 0.80, 用作影像云量大的月份的牧草产量替代计算。使用月动态系数替代算法虽不能表示月牧草产量空间上的差异, 但对产草总量的计算仍具有可信度。

1.3.2 月适宜载畜量计算 草地适宜(理论)载畜量是指在一定的草地面积和一定的放牧时间内, 在保证草地可持续生产力的情况下, 草地所能够承载的家畜数量^{[2, 19, 20]}。目前最为常用的草地载畜量计算方法是基于产草量, 利用草地可利用率和可食牧草比例等参数校正, 再除以一年内家畜生长牧草需求量, 即:

C_l= Y×K×U×CR×T。 (1)

式中:C_l为单位面积草地适宜(理论)载畜量(羊单位); Y为对应放牧时间内草地产草总量(kg); K为草地可食牧草比率(%); U为草地可利用率(%); R为一个标准羊单位的日食量(kg· d^-1); T为草地放牧天数(d); C为标准干草折算系数。

在研究区进行计算时, 根据相关标准, 生长季草地可利用率U取值为50%, 一个标准羊单位家畜的日食量R取值为1.8 kg· d^-1; 根据实测采样数据, 通过咨询当地专家, 并结合相关文献, 可食牧草比例K取值为80%; 放牧时间T按每月实际放牧天数或冷季放牧天数取值; 目前我国采用的美国相关标准, 每个羊单位日需粗蛋白量为0.053 9 kg· d^-1, 代谢能为8.38 MJ·d-1[21]。如果按照1羊单位日食干草1.8 kg· d^-1计算, 则粗蛋白含量大于0.04%或代谢能大于5 MJ· kg^-1, 家畜则不会发生蛋白营养或代谢能缺乏等现象。根据杜雪燕等^[22]在青海省河南县测定的各月天然草地牧草营养成分的结果表明, 该地区各月草地牧草粗蛋白含量和代谢能均较高, 能满足家畜生长需要, 无需进行季节调整, 因此标准干草折算系数C取值为1。

由于冷季补饲情况的不一致性, 难以计算每月的适宜载畜量, 本研究以整个冷季为时间段进行计算, 冷季的可利用牧草量以转入冷季放牧地时间8月末为计算点。研究区草地植被以短根茎、密丛型为主, 终年气温低、冷季时间长, 且土壤封冻早、冻结期长, 能在冷季很好的保护草地植被的根部不被破坏^[23]。同时, 该地区饲养家畜类型以欧拉羊和牦牛为主, 没有刨根吃净习性, 在较高草地可利用率的情况下, 不会对草地植被根部造成破坏, 并不会影响第2年草地返青生长。因此, 在咨询当地牧民和专家后, 确定冷季草地可利用率U取值为80%。

1.3.3 年适宜载畜量计算 为比较本研究提出的月适宜载畜量和目前较为常用的年适宜载畜量计算方法的异同, 本研究基于现有数据建立经验模型, 对荷日恒村年适宜载畜量进行了估算^[24]。年产草量计算模型的建立是基于7月采样数据与当年各期NDVI最大值合成影像得到的, 最终得到最适模型为:

Y=52.267× e^{4.575× NDVI}。 (2)

月适宜载畜量则根据式(1)计算得到。

1.3.4 载畜压力指数的计算 为了分析和评价不同时间尺度下荷日恒村草地放牧的草畜平衡状况, 采用草地载畜压力指数这一概念进行表征^{[25, 26]}:

I_p= CSCl。 (3)

式中:C_s为草地现实载畜量; C_l为草地适宜载畜量; I_p为草地载畜压力指数, 若I_p=1, 表明草畜平衡; 若I_p> 1, 表明草地超载; 若I_p< 1, 则表明草地尚有载畜潜力。

根据当地走访结果, 暖季结束后全村集中出栏, 出栏率约为30%。因此, 在计算过程中, 暖季放牧地现实载畜量与2015年末保持一致, 为33 204 SHU; 而冷季放牧地现实载畜量为出栏30%后的数量, 即23 243 SHU。

为减少遥感影像质量对计算结果的影响, 研究以2013-2016年Landsat 8 OLI数据计算得到的各月牧草产量均值来估计研究区荷日恒村各月适宜载畜量。荷日恒村月牧草产量变化结果显示(图2), 5月草地开始生长, 但此时牧草产量极低仅为110.86 kg· hm^-2, 6月牧草产量逐渐增加, 到7月末达到峰值(1 515.63 kg· hm^-2), 等到8月牧草产量开始逐渐减少。该结果与梁天刚等^[5]在甘南地区以及张福平等^[6]在祁连县计算的月草地生物量结果一致。空间上, 暖季放牧地产草量明显低于冷季放牧地, 到7、8月份这种差异更为明显。

图2

Fig. 2

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	图2 荷日恒村5-8月牧草产量(kg· hm-2)Fig. 2 The grass yield from May to August in Heriheng Village

按照当地放牧传统, 6月开始在暖季放牧地放牧, 此时, 放牧地载畜压力达到最大值, 适宜载畜量仅为16 169.97 SHU, 草地超载超过1倍(图3); 7月暖季放牧地适宜载畜量迅速增加, 达到39 726.66 SHU, 约为6月的2.5倍, 载畜压力为0.84, 可食牧草仍有剩余; 8月暖季放牧地适宜载畜量开始下降, 降低到29 388.46 SHU; 9月开始转入冷季放牧地, 放牧及休牧至翌年3月, 共273 d, 适宜载畜数量为20 214.27 SHU, 此时经过出栏后, 现实载畜量为23 243 SHU, 在不补饲的情况下, 冷季放牧地有轻微的超载, 载畜压力指数为1.15。

图3

Fig. 3

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	图3 季节放牧地不同月份适宜载畜量Fig. 3 The suitable carrying livestock over different month in seasonal pasture

当以“ 年” 为时间尺度不分季的对全村放牧地的草畜平衡状况进行评估时, 全村适宜载畜量为21 329.48 SHU, 与现实载畜量(33 204 SHU)相较, 草地严重超载, 载畜压力指数达到1.56。