全 文 ：第 19 卷 第 1 期
Vol. 19 No. 1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2011 年 1 月
Jan. 2011
藏北地区草地补播及放牧制度对草
地覆盖影响的遥感监测研究
宋春桥1, 2 , 游松财3 , 沈振西2 , 柯灵红1, 2 , 钟新科1, 2
( 1.中国科学院研究生院, 北京 100049; 2.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101;
3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081)
摘要: 草地畜牧业作为藏北地区的重要经济产业 ,一直以来政府和科研人员致力于通过试验示范区探索和推广天
然草场围封改良、补播改良、优质混播人工草地建植等措施来提高草场利用率和维持草地生态系统的可持续发展。
基于 GPS 实地测量人工、天然草场以及自由放牧、暖季休牧和禁牧不同放牧制度的草场试验样地范围, 以 2006 年
7 月及 2008 年年内时间序列的 CBERS02 星数据作为遥感数据源, 分别监测人工与天然的休牧草场、天然的自由
放牧暖季休牧禁牧草场的植被长势。利用归一化植被指数 ( NDVI)和差值植被指数 ( DVI)的均值、标准差、极值
及优势度反映不同草场植被长势、覆盖均匀度等情况。结果表明:人工补播的草场植被普遍长势、最佳长势及最劣
长势均优于天然草场,但人工草场的覆盖均匀度不及天然草场; 天然禁牧、天然暖季休牧、天然自由放牧草场长势
依次递减;休牧在九月中旬放牧之前与禁牧草场的植被覆盖均匀度基本保持一致,两者的 NDVI 标准差远低于自
由放牧草场,但休牧草场在放牧之后, 植被均匀度遭到破坏, NDVI标准差介于禁牧与自由放牧草场之间。此外, 该
研究采用 3S 技术, 从另一角度有效地实现了对草场覆被长势的动态、宏观监测。
关键词:放牧制度; 中巴资源卫星;植被指数; 人工草地;禁牧; 休牧;遥感
中图分类号: S812. 8 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2011) 01005806
Effect of Grazing Systems and Oversowing on Grassland Covering
of Northern Tibet Monitored by Remote Sensing
SONG Chunqiao1, 2 , YOU Songcai3 , SHEN Zhenx i2 , KE Linghong1, 2 , ZHONG Xinke1, 2
( 1. Inst itute of Geographic S cien ces and Natural Resources Research, Chinese Academ y of S cien ces , Beijing 100101, Chin a;
2. Graduate U niver sity of C hines e Academy of Sciences, Bei jing 100049, China; 3. In st itu te of Environment and Sus tainable
Developmen t in Agricul ture; Chinese Academy of Agricultu ral Sciences, Beijing 100081, China)
Abstract: Grassland agricul ture is an important econom ic foundat ion in norther n T ibet . Improving meas
ures, such as enclosur e of the g rassland, supplementary sow ing, establishment o f highquality ar tif icial
grassland by mixed sow ing , have been invest igated and implemented in some demonst rat ion zones by the
government and researchers. This paper using the sing letempor al data in July 2006 and t imeseries dataset
in 2008 der iv ed f rom CBERS02 satellite, together w ith the geog raphic bounds of art ificial and natural
grasslands and the region o f fr eedelay ingbanning g razing grasslands measured by GPS, vegetation cover
and g row ing characterist ics of dif ferent types of gr asslands w ere monitored and reported. The mean value,
standard deviation, ex t reme value and dominant index ( DI) w ere taken as indices to analyze the vegetat ion
grow th states. Results show ed that : the best , the poorest and average vegetat ion g row th of ar tif icial
grassland all exceed that of the natural gr assland, but the vegetation cover evenness o f the fo rmer is w or se
than the lat ter; the vegetat ion growth o f banning g razing , w armseason delaying g razing and free g razing
grasslands incrementally decreased; cover evenness o f w armseason delaying gr azing befor e g razing basical
ly r emained the same w ith that of banning g razing . Addit ionally , research pro ved that 3S technolo gy is an
ef fective appr oach for dynamic and ex tensive monitor ing gr assland coverage.
Key words: Gr azing system ; CBERS02; Vegetat ion index; Art ificial g rassland; Banning grazing; Dela
y ing g razing ; Remote sensing
藏北地处西藏自治区北部,青藏高原腹心地带, 全区土地总面积 3. 95 109 hm2 ,其中草地面积占
收稿日期: 20100118;修回日期: 20101230
基金项目:国家科技支撑项目( 2007BAC06B01) ;国有自然科学基金( 40971132)资助
作者简介:宋春桥( 1986 ) ,男,湖南衡阳人,硕士研究生,从事遥感与 GIS应用,生态环境遥感的研究, Email: chu nqiao_song@ 163. com
第 1期 宁春桥等:藏北地区草地补播及放牧制度对草地覆盖影响的遥感监测研究
近 80%。藏北地区作为西藏自治区主要的草地畜
牧业基地之一,也是东半球乃至全球生态和气候重
要的调节器 [ 1, 2]。然而, 草地三化一低(退化、沙
化、盐渍化及草场生产力低)的现状令人堪忧, 草地
退化已经成为一个世纪性难题, 并且还在加剧。卢
琦等[ 3] 研究表明目前我国退化草地约 1. 01 1014
hm 2 ,其中轻度、中度、重度退化草地所占比例分别
为 53. 18%, 32. 16%和 13. 16% ; 西藏、甘肃等省的
退化草地面积在 30%以上。因此,明确草地的退化
原因并提出合理的缓解办法可以改善生态环境,提
高区域生产力,才可以实现草原的可持续发展。
草场的生产力, 从区域范围上讲,主要取决于土
壤、地形、气候等自然环境条件。而从中小空间尺度
的草场上看,自然环境条件是相对恒定或有规律变
化的,其草场植被覆盖度主要受人为活动的影响, 如
放牧强度、草场类型、灌溉条件、土壤肥力等成为公
认的草地生产力驱动因子[ 4, 5, 6] 。鉴于草地退化对
生态安全、环境质量及社会经济的负面影响日趋严
重,恢复退化草地生态系统与满足畜牧牧草需求, 尤
其是建设人工草地和实现休牧、禁牧制度已成为研
究草业问题最重要的部分。
传统的不同草场长势对比分析需要进行实地详
细调查,采取牧草刈割等手段获取鲜重或干重分析。
随着空间信息技术(遥感、GIS、GPS)的发展, 3S 技
术应用于大、中尺度的草场监测、分析和研究, 近年
来不断取得进展。高清竹等[ 7] 采用 1981- 2000 年
全年逐旬 AVHRRNDV I数据(空间分辨率8 km
8 km)研究藏北地区草地退化情况, 研究表明植被
盖度与归一化植被指数 NDVI 之间存在着极显著
直线相关关系;王新欣等 [ 8] 借助 GIS 和 RS 影像对
草地牧草产量估测进行了研究; 刘爱军等 [ 9] 利用
MODIS数据对锡林郭勒草原的禁牧休牧效果进行
动态监测分析; 邹亚荣等 [ 10, 11]利用 TM 影像研究我
国东北及内蒙古东部地区的草地动态变化。本研究
以中巴资源卫星 02 星( CBERS02)影像及 GPS 测
量的草场围栏范围等数据, 对藏北地区那曲县的人
工- 天然草场以及自由放牧- 暖季休牧- 禁牧草场
的长势进行中小尺度的动态监测,探讨人工草场建
设及休牧禁牧制度对恢复退化草场的作用。
1 材料与方法
1. 1 研究区域概况
研究区域地理坐标范围为 N302620~ 3319
51, E900921~ 925837,平均海拔 4450 m ,全区
总面积约 3. 95 109 hm2。该地区气候属高原亚寒
带半干旱季风型气候, 其特点是气温低、空气稀薄、
太阳辐射强、昼夜温差大。其年均温约- 1. 5 ,年
日照时数 2846. 9 h, 年均降水量 421. 9 mm, 年均蒸
发量1690. 7 mm。包括安多、那曲2个县,下辖7镇
18乡,总人口约 11万,经济收入以牧业为主, 占整
个区域国民生产总值的 65%左右。
图 1 研究区域所在地理位置
Fig. 1 Location of study a rea
1. 2 试验样地选取
试验样地位于安多县南部的措玛乡和那曲县西
北部的纳玛切乡(图 1) , 设置 2组(地块)对照试验
样地(表 1)。其中, 对照组一中样地 1与 2位置相
邻,于 2003年在同一个天然草场对部分区域围栏进
行人工种植试验, 其中样地 1为补播种植的垂穗披
碱草( E lymus nutans ) ,样地 2为未补播的天然草地
对照, 2块样地从 2007年开始进行冬、春季节适度
放牧,即休牧利用;对照组二中的样地 3, 4, 5分别是
从 2003年在措玛乡同一片草场围栏进行原始自由
放牧、暖季休牧和禁牧 3种比较试验研究。5个试
验样地大小和形状不尽相同, 大约 400~ 2000 hm2 ,
2个对照试验研究均具备对照意义。
1. 3 数据准备与研究方法
1. 3. 1 数据采集 本研究的遥感影像数据采用中
巴资源 2号卫星的 CCD影像, 包括蓝( 0. 45~ 0. 52
m)、绿( 0. 52~ 0. 59 m)、红( 0. 63~ 0. 69 m)、近
红外( 0. 77~ 0. 89 m)及全色( 0. 51~ 0. 73 m) 5
个波段,星下点分辨率为 19. 5 m ,覆盖周期为 26 d。
由于藏北高寒草原植被返青比较晚, 生长期短, 7- 8
月是牧草生长旺盛期。因此, 选用 2006年 7月 25
日过境以及 2008年 4月 22 日、6 月 18日、7月 14
日、8月 5 日、9 月 29日和 10 月 22日的时间序列
CBERS02星影像(其中 2006年数据轨道号为 24/
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草 地 学 报 第 19卷
表 1 试验样地基本情况
Table 1 Intr oductions about sampling areas
编号
NO.
分组
Group
样地名称
Sam pling name
行政区划
Locat ion
中心经纬度坐标
Latitud e and longt itude
地形概况
Topography
土壤类型
Soil type
植被类型
Vegetation cover
1 一 人工休牧草场 纳玛切乡 N313620 , E912849 滩地 高寒草甸土 垂穗披碱草草地
2 一 天然休牧草场 纳玛切乡 N313617 , E912857 滩地 高寒草甸土 高山嵩草草甸
3 二 天然自由放牧草场 措玛乡 N320952 , E912857 滩地 高寒草原化草甸土 紫花针茅草原化草甸
4 二 天然休牧草场 措玛乡 N320946 , E912939 滩地 高寒草原化草甸土 紫花针茅草原化草甸
5 二 天然禁牧草场 措玛乡 N320948 , E913024 滩地 高寒草原化草甸土 紫花针茅草原化草甸
65, 2008 年内序列数据轨道号为 24/ 64,除 2008 年
8月 5日的影像云量在 40%左右,其他平均云量均
少于 10%,试验样地区域基本无云) 作为草场覆被
评价的主要遥感信息源。
其他数据包括那曲县 1 100000地形图, 以及
实地调查 GPS 样地采点数据(精度在 5 m 以内) ,用
于定位 5个样地的范围边界。
1. 3. 2 原理与方法
1. 3. 2. 1 植被指数 植被指数( VI)法是从遥感影
像获取大范围植被信息常用的经济且有效的办法。
VI与植被的盖度、生物量等有较好的相关性 [ 12~ 14]。
VI主要包括两种类型, 一类以斜率为基础, 如垂直
植被指数( PVI) ;另一类以距离为基础, 最常用的为
归一化差值植被指数( NDV I) [ 15]。归一化植被指数
( NDVI)可反映植被生长状态、覆盖度,且可以消除
部分辐射误差的影响。NDV 应用于检测植被生
长状态、植被覆盖度和消除部分辐射误差等; - 1
NDVI 1, 负值表示地面覆盖为云、水、雪等, 对可
见光高反射; 0值附近表示有岩石或裸土等, NIR 和
R近似相等; 正值表示有植被覆盖,且随覆盖度增大
而增大; NDVI的局限性表现在, 用非线性拉伸的方
式增强了 NIR和 R的反射率对比度。除此, 差值植
被指数( DVI)对土壤背景的变化较敏感, 在植被覆
盖度较低的地区有较好的反应。因此, 在藏北高寒
草地植被覆盖度不高的条件下,选取 NDVI 和 DVI
作为反映植被状况的指标。
1. 3. 2. 2 统计样区 首先通过 GPS测量的草地样
地航迹提取 5块样地草场的边界,通过样地草场的
边界数据对提取的植被指数影像作掩模处理, 分别
统计样地 1~ 5的 NDVI、DV I均值、最大值、最小值
及标准差,其中均值( X )及标准差( x )计算公式如
下:
X = 1
n
n
i= 1
X i ( 1)
x= n
i= 1
( X i- X ) 2 ( 2)
式中 X i 为各样地中单个像元的植被指数值, n
为各样地的总像元个数, X 为样地的植被指数均
值。
1. 3. 2. 3 草场优势度 草场优势度( Dom inant in
dex, DI)是用来反映采取措施后的草场相对与原草
场在植被指数均值统计上体现的优势率(公式 3)。
= r- t
t
( 3)
其中, r 为人工草场、暖季休牧草场或禁牧草场
的 VI 数值, t为天然草场或自由放牧草场的 VI 数
值。
1. 4 数据预处理
研究使用的 CBERS 02星影像数据为中国资源
卫星应用中心获取的二级产品, 已经过辐射校正和
几何粗校正,所以只需进行以地面控制点为依据的
几何精校正和配准。以 1100000地形图作为几何
基准,由于本地区地物比较单一, 通常以河流的拐
点、交汇处或者河流与道路的交叉点等作为控制点。
几何精纠正选用二次多项式,图像重采样选用双线
性内插法,影像纠正精度控制在 0. 8个像元以内。
归一化植被指数( NDVI)为红外波段与可见光
红光波段数值之差除以它们波段数值之和。其公式
为 NDVI= ( NIR- R) / ( NIR+ R) (式中 NIR, R波
段分别为 CCD4, CCD3)。运用 ENVI 4. 7 软件的
T ransfo rm 模块下的 NDV I选项来实现对该影像植
被指数的提取。另外,差值植被指数其公式为 DVI
= NIR- R,通过 ENV I软件的实现。
2 结果与分析
2. 1 人工与天然草场监测对比
图 2为 4个草场样地提取的 NDVI、DVI 植被
指数的统计图表, 对照组一为人工休牧草场(影像上
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第 1期 宁春桥等:藏北地区草地补播及放牧制度对草地覆盖影响的遥感监测研究
表现为 2727 个像元)与天然休牧草场 ( 3883 个像
元) 2块样地。可以看出, 2 种不同的 VI 数值在 2
组对照中表现出相同的趋势, 人工草场植被长势整
体上较天然草场好。依据 NDVI 数值分析, 人工休
牧草场的植被指数均值为 0. 364,天然休牧草场的
NDVI均值为 0. 338, 比人工休牧草场高出 0. 026,
优势度为 7. 69%。从差值植被指数 DVI 的提取结
果分析,人工休牧草场的 DV I数值为 79. 4, 天然休
牧草场的 DVI 平均值为 71. 3, 平均高出 8. 1, 优势
度为 11. 36%。
图 2中误差线反映的是试验样地 1, 2的 NDVI
与 DVI 的统计标准差,在一定程度上反映不同草场
的植被覆盖均匀程度。从人工草场与天然草场比较
的角度来看,人工草场的植被长势不均匀,可能原因
是人工草地播种草种出苗不匀导致部分地表牧草生
长状况不一,或者优势物种随着时间的自然演替出
现聚堆集群繁衍。
图 2 人工草地与天然草地的 NDVI (左)与
DVI (右)的均值和标准差对比
F ig. 2 Com par isons o f mean and standard dev iation o f
NDVI ( left) and DVI ( right) betw een ar tificial
g rasslands and natur al g rasslands
图3所示为试验样地 1, 2提取NDVI的最大值
和最小值对比, 从像元粒度上反映草场长势的最优
和最劣情况。图中明显反映, 人工草场(样地 1, 植
被指数 NDVI值为 0. 491)的草场最优长势显著高
于天然草场样地的最优植被长势。相比之下, 天然
草场的样地 2其最差长势也同样较样地 1偏低。
2. 2 不同放牧类型草场监测对比
选取试验草场植物从返青到枯黄整个生长季几
个关键时刻的遥感数据监测分析自由放牧及实行禁
牧、暖季休牧的 3种不同放牧制度的草地植被生长
状况,监测结果如图 4所示。
通过遥感影像提取 3种试验草场对应像元植被
指数 NDVI,然后进行区域统计分析得到 6个阶段
的 NDVI均值和标准差。第一阶段为 2008年 4月
22日,藏北地区高寒草地植被尚未返青, 基本上还
是裸露地表,自由放牧、暖季休牧和禁牧 3种草地的
NDV I均值分别为 0. 0570, 0. 0611和 0. 0604,植被
覆盖状态差异在 NDV I上无反映。第二阶段选取 6
月中下旬,此时草地已普遍返青,并处于植被生长初
级阶段, 3种草地都具有较低的植被覆盖度。统计
发现休牧与禁牧草场的 NDVI 均值均大于自由放
牧草场。说明草地实现暖季休牧和禁牧制度有利于
提前草地植物的返青期, 而自由放牧一旦超过草场
的自然承载力,将导致草地生产力退化以及土壤肥
力等自然条件下降, 将影响草场来年植被的恢复和
生长,进而更难以满足畜牧的需求。至于休牧草场
61
草 地 学 报 第 19卷
的植被覆盖略好于禁牧草场, 二者在该年内都还没
有放牧,部分学者认为这种情况是适度的放牧促进
草地改良,因为食草家畜的唾液或尿液中含有一些
对植物生长有刺激作用的未知因子。这种放牧优化
假设,即草地第一性净生产力与放牧率之间的关系
是非线性的,即随着放牧率的增加,草地的植物生产
先增加,直至达到最大值,尔后才随放牧率的增加而
下降[ 16~ 2 1]。第三、四阶段为七月中旬到八月上旬,
这个时段草场植被生长最为旺盛,草地覆盖度达到
最高。7月 14 日数据显示, 天然禁牧草场、天然休
牧草场和天然自由放牧草场的 NDVI 均值分别为
0. 3920, 0. 3711和 0. 3590,具有比较明显的差距, 休
牧与禁牧的优势度分别为 3. 40%和 9. 19%。结果
表明,禁牧草场长势最好, 禁牧、休牧制度对于恢复
和促进草地生产力具有明显的效果。自由放牧草场
由于放牧消耗和草场生产力下降, NDVI 值显著降
低。8月 5日的遥感监测结果与 7月 14 日的情况
基本一致, 且植被覆盖度增加,天然禁牧草场 NDVI
均值达 0. 4153, 优势度为 8. 35%。需要说明的是,
2008年 8 月 5 日的 CBERS02 数据由于 30% ~
40%的云量,且在样地 4(天然休牧草场)出现隐约
可现的云覆盖, 因此这个时刻的天然休牧草场的
NDVI均值只有 0. 3892, 为异常值, 实地调查发现
此时休牧草场的长势接近对照组的禁牧草场。第五
阶段为 9月 29日的监测,此时草场部分植被已经枯
黄,植被覆盖度显著下降,并且暖季休牧试验草场在
九月中下旬开始放牧。结果表明自由放牧、暖季休
牧和禁牧草场的 NDVI 均值分别为 0. 0805, 0. 0878
和 0. 1058,禁牧草场植被覆盖高于自由放牧和已经
开放的休牧草场。第六阶段为 10月 22日, 高寒草
甸生长季短,此时植被已基本枯黄,遥感监测得到的
NDVI值低。
从图 4中误差线反映的天然自由放牧、天然暖
季休牧、天然禁牧 3 种草场遥感监测得到的 NDVI
统计标准差对照情况来看, 天然自由放牧草场的标
准差折线明显高于休牧和禁牧草场的 NDVI 统计
标准差折线。这主要是因为自由放牧草场牲畜消耗
以及常年过度放牧造成草场不同程度的退化, 草地
植被长势分布不均。在图上 4 月 22日到 8 月 5 日
的折线段,禁牧和休牧草场的 NDV I值标准差基本
接近,都比较低,说明从 2003年到 2006年这几年间
的休牧和禁牧制度对于草地有一定程度的恢复, 长
势趋向均匀。但由于九月中下旬休牧草场开放, 牲
畜进入草场消耗, 草地覆被出现不均匀分布。图上
第五、六阶段 NDVI 值标准差迅速上升, 标准差分
别为 0. 0144和 0. 0107, 3种草场的长势均匀度出现
三重分级。
3 讨论与结论
藏北地区作为中国重要的牧区之一, 拥有近 3
千万平方公里的草场面积,对中国的畜牧业发展具
有十分重要的意义。但由于该区域自然条件脆弱、
全球变暖等因素, 以及草场过度放牧,草地出现不同
程度的退化、沙化和荒漠化。本文以 3S 技术为支
撑,对中科院地理所拉萨站在藏北地区安多县和那
曲县的不同放牧制度和人工补播对改善草场的效果
进行遥感动态监测研究, 结果表明在天然草场上补
播适合藏北高寒环境的一些人工草种, 如垂穗披碱
草,可以大幅度改善草场生长的植被覆盖度和均匀
度,从试验样地 1和 2对照试验研究可以得到证实。
休牧或禁牧的放牧方式对于阻止草场的退化和恢复
具有明显的效果, 通过试验样地 3, 4 和 5 监测结果
发现,暖季休牧、禁牧草场无论在草地返青季节、生
长初期,还是生长旺盛阶段( 7和 8月)、草地枯黄季
节,都比自由放牧的草场具有更好的植被覆盖度。
3S 技术( RS, GPS 与 GIS) , 能够便捷且近实时、多
尺度、大范围地对各种类型或不同放牧率的草地长
势进行动态监测或草量调查,但需要实地实测数据
作为验证手段。本文为第一阶段研究工作,后续研
究将进一步探讨遥感监测结果与草场生物量、植被
覆盖度以及放牧率的关系。
利用遥感数据提取 NDVI 与 DVI 2 种植被指
数进行草地覆盖的对比分析, 由于 NDVI 采用非线
性的方式计算近红外辐射值与红波段影像辐射值的
差异, DVI能很好地反映植被覆盖度的变化, 但对
土壤背景的变化较敏感。因此, 在植被覆盖度小于
60%情况下, DVI 随着生物量增加而增加, 利用差
值植被指数表现本研究中不同植被覆盖度,具有更
显著的特性。此外, 在 3 种不同放牧制度对草地覆
盖影响分析时发现,在植被生长初期,暖季休牧的草
场长势较禁牧草场更好, 对于是否属于放牧优化现
象,即适度的放牧有利于草场改良,有待于从植被生
理学和生态学角度进一步研究讨论。
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