CN115049248A - 一种草地绿色承载力测算方法 - Google Patents

一种草地绿色承载力测算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种草地绿色承载力测算方法，包括：利用叠置分析、地统计学等方法，绘制适宜放牧区、野生食草动物的空间分布图，测算了维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量，测算了优先保障野生食草动物对牧草最大需求前提下的可利用牧草和理论绿色载畜量，测算长江源区草地绿色承载力，为有效保护野生食草动物，正确估算载畜量，促进草畜平衡，维护草地生态系统良性循环，制定科学合理的野生食草动物保护和草地保护措施，提供重要的决策依据，具有重要地理论和实践意义。

Description

一种草地绿色承载力测算方法
技术领域
本发明涉及草地承载力测算技术领域，特别涉及一种基于生态系统服务功能稳定维持的草地绿色承载力测算方法。
背景技术
生态承载力(Ecological Carrying Capacity，ECC)一直是生态学研究的热点、难点和理论前沿，是生态系统可持续性研究中的重要议题。放牧是对高寒草地影响最为广泛也是最常见的土地利用方式。根据中度干扰假说，中等程度的干扰能刺激物种竞争，此时生态系统具有较高的物种多样性和生态系统生力。前人认为，承载力本质上特定管理措施下为了实现特定目标的最优化水平，而不是数量最大化。高吉喜(2001)、王宁等(2004)认为生态承载力是在特定时期、特定区域内生态系统的自我维持、自我调节、自我发展的能力。就目前研究现状来看，承载力的评价主要还是从资源供求的角度进行的，其评价方法和理论尚不完善。
现有技术对草畜平衡的研究主要集中于牧草产量、家畜采食量、牧草可利用率和载畜量的计算等几个方面。草地产草量的测量估算主要有三种方法：一是直接收获法，适合小区域草地产量测定。二是产量模拟模型，难以应用于大尺度区域。三是遥感模型测量法，适合于大区域，是目前区域产草量估算的常用方法之一。如应用MODIS产品数据预测该区域的草场产量。Zhang等(2014)基于MODIS NPP估算了三江源不同草地类型的产草量和载畜能力。三江源地区野生食草动物资源丰富。目前，对野生大型食草动物种群数量、生境选择与习性等的研究工作大多采用样线法。随着遥感、全球卫星定位系统、地理信息系统等技术的迅速发展。通过航空遥感数据研究野生食草动物种群数量趋势及影响因素、野生食草动物生境、产草量、生态容量等研究逐渐成为热点。
草地生态系统承载着区域畜牧业的发展和当地居民的生存生活，随着社会经济的发展，其承载压力日益增加。因此，如何科学构建国家级重点生态功能区草地绿色承载力评价体系，解决草畜平衡问题，将草地牲畜放牧强度控制在怎样的范围，有效发挥江河源头区的水源涵养、水土保持等重要生态功能成为亟待解决的科学问题。草地绿色承载力指稳定维持水源涵养、水土保持、防风固沙等生态系统服务功能条件下，既能满足野生食草动物需求又能有效维护草畜平衡，满足绿色协调可持续发展需求的草地承载能力。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种草地绿色承载力测算方法。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种草地绿色承载力测算方法，包括以下步骤：
步骤1，明确适宜放牧区空间分布范围。
步骤2，计算维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量(PESi)；
步骤3，用牧草生物量(FB)扣除维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量(PESi)，剩下牧草为可供野生食草动物和家畜食用部分，即可利用牧草生物量 (GELi)。
步骤4，计算适宜区野生食草动物的牧草最大需求量(PDi)。
步骤5，优先保障野生食草动物的牧草最大需求量前提下，按照区域所在乡镇划分功能区，分析剩余可利用牧草的理论绿色载畜量(TGGCi)。
步骤6，测算各个功能区和乡镇实际载畜量。根据理论绿色载畜量和实际载畜量计算草地绿色承载力(GECRi)，判断区域草地是盈余状态或超载状态。
进一步地，步骤1明确适宜放牧区空间分布范围，去除不适合放牧区。不适合放牧区包括：国家公园核心区；非草地区；沙漠化地区。
进一步地，步骤2计算维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量(PESi)。
PESi＝MAX(ANPPWAi,ANPPWIi)×C
PESi为区域i维持生态系统服务功能所需牧草生物量，其中服务功能主要包括：防风固沙和水土保持，ANPPWAi为区域i水土保持功能所需地上净初级生产力， ANPPWIi为区域i防风固沙功能所需地上净初级生产力。ANPPWA与ANPPWI计算公式如下：
ANPPWA＝f(SCWA)
ANPPWI＝f(SCWI)
C＝A/R·K·LS·P
SCWA、SCWI分别为水土保持功能、防风固沙功能所需植被盖度,％，f为植被盖度与地上净初级生产力间的函数，由当地实测得到；C为植被覆盖因子。
进一步地，步骤3，用牧草生物量(FB)扣除维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量，剩下牧草为可供野生食草动物和家畜食用部分，即可利用牧草生物量(GELi)。
GELi＝FB-PESi
FB为研究区牧草生物量，PESi为区域i维持生态系统服务功能所需牧草生物量。
进一步地，步骤4中最大需求量计算。计算公式如下:
Figure RE-GDA0003775008370000031
式中，PDi为区域i野生食草动物牧草需求量(kg)；j和n为野生食草动物物种的序号和总数；Lij为区域i第j种野生食草动物的数量；Sj和Dj为第j种野生食草动物的标准绵羊单位折算系数和采食天数；I为标准绵羊单位的采食量(kg/d)。
进一步地，步骤5中理论绿色载畜量的计算；
理论绿色载畜量指扣除维持生态系统功能(防风固沙、水土保持等)后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，剩余牧草的载畜量，理论绿色载畜量计算公式为：
TGGCi＝(GELi-PDi)/(I×D)
式中，TGGCi为区域i的理论绿色载畜量，羊单位；GELi为区域i可利用牧草生物量(kg)(在适宜放牧区内计算维持生态系统服务功能所需生物量，利用牧草生物量抵消生态系统服务功能所需牧草生物量，最终得到区域可利用牧草生物量)；PDi为区域i野生食草动物牧草需求量(kg)；D为放牧天数(d)；I为标准绵羊单位的采食量(kg/d)。
进一步地，步骤6中草地绿色承载力的计算；
草地绿色承载力指扣除防风固沙和水土保持部分的生物量后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，通过家畜存栏量和理论绿色载畜量来表征，草地绿色承载力计算公式为:
GECRi＝(TGGCi-HLi)/TGGCi
式中，GECRi为草地绿色承载力；HLi为区域i的牲畜存栏量，羊单位；TGGCi为理论绿色载畜量，羊单位；当草地绿色承载力大于0时，草地盈余；反之，草地超载。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
利用叠置分析、地统计学等方法，绘制适宜放牧区、野生食草动物的空间分布图，测算了维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量，测算了优先保障野生食草动物对牧草最大需求前提下的可利用牧草和理论绿色载畜量，测算草地绿色承载力，为有效保护野生食草动物，正确估算载畜量，促进草畜平衡，维护草地生态系统良性循环，制定科学合理的野生食草动物保护和草地保护措施，提供重要的决策依据，具有重要地理论和实践意义。
附图说明
图1是本发明实施例草地绿色承载力测算方法流程图；
图2是本发明实施例长江源区功能分区内野生食草动物分布对比图；
图3是本发明实施例长江源区功能分区内野生食草动物牧草需求量图；
图4是本发明实施例长江源适宜区内家畜可利用牧草分布图；
图5是本发明实施例长江源国家公园理论绿色载畜量、草地绿色承载力对比图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
野生食草动物研究方法
在适宜放牧区内通过计算维持生态系统服务功能所需生物量，利用牧草生物量抵消生态系统服务功能所需牧草生物量，最终得到区域可利用牧草生物量。将长江源所在12个乡镇作为研究对象，按照功能划分为核心保育区、生态保育修复区、传统利用区、人类活动区，计算每个区以及所涉及的两个县和12个乡镇的承载情况。
由于野生食草动物与家畜的食草习性几乎相同、重叠分布区域大，加之野生食草动物数量的不断增加，近年来藏区野生食草动物与家畜争食牧草的现象愈演愈烈。考虑到长江源地区在生物多样性保护中的重要地位，将野生食草动物牧草需求量纳入长江源地区草地绿色承载力评估。按照三江源草地类型，计算理论绿色载畜量，通过与实际载畜量对比，求得各理论数值。
野生食草动物牧草需求量
长江源园区共有兽类7目17科38种，园区内藏羚，藏原羚(Procaprapicticaudata)、西藏野驴(Equus kiang)，岩羊/盘羊，野牦牛的分布最广泛。
按照“与家畜食草习性相近、分布区域重叠且争食牧草”原则，选择藏羚、藏原羚(Procapra picticaudata)、西藏野驴(Equus kiang)、岩羊(Pseudois nayaur)、野牦牛等野生食草动物，牦牛、马、绵羊、山羊等家畜进行长江源动物牧草需求量计算。计算公式如下:
Figure RE-GDA0003775008370000061
式中，PDi为区域i野生食草动物/家畜牧草需求量(kg)；j和n为野生食草动物/家畜物种的序号和总数；Lij为区域i第k种野生食草动物/家畜的数量；Sj和Dj为第j种野生食草动物/家畜的标准绵羊单位折算系数和采食天数；I为标准绵羊单位的采食量(kg/d)。其中，野生食草动物种类和数量根据三江源野生食草动物资源调查资料确定，家畜种类和数量根据2018年统计年鉴确定。
适宜放牧区确定
根据生态保护要求、生态脆弱性、土地利用/覆被类型等，在研究区中提出定划定不适合放牧区，得到适宜放牧区。不适宜放牧区主要包括:国家公园核心保育区、生态保育修复区；耕地、建设用地、湖泊、裸地、盐碱地等非草地区；沙漠化地区。这里主要选择了流沙、半流沙两种沙漠化比较严重的类型。
草地绿色承载力
理论绿色载畜量指扣除维持生态系统功能(防风固沙、水土保持)后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，利用剩余可利用牧草生物量测算理论绿色载畜量，其计算公式为:
TGGCi＝(GELi-PNi)/(I×D)
式中，TGGCi为区域i的理论绿色载畜量，羊单位；GELi为区域i可利用牧草生物量，kg(在适宜放牧区内通过计算维持生态系统服务功能所需生物量，利用牧草生物量抵消生态系统服务功能所需牧草生物量，最终得到区域可利用牧草生物量)；PNi为区域i野生食草动物牧草需求量，kg；D为放牧天数(d)；I为标准绵羊单位的采食量(kg/d)。
草地绿色承载力指扣除防风固沙和水土保持部分的生物量后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，通过家畜存栏量和理论绿色载畜量来表征，其计算公式为:
GECRi＝(TGGCi-HLi)/TGCi
式中，GECRi为草地绿色承载力；HLi为区域i的牲畜存栏量，羊单位；TGGCi为理论绿色载畜量，羊单位；当草地绿色承载力大于0时，草地盈余；反之，草地超载。
评估技术流程
如图1所示，本实施例的评价基本思路是以生态系统稳定维持、野生动植物有效保护为根本目标。长江源区的核心保育区、生态保育恢复区为禁牧区，因此假设2个管控区内的牧草全部供给野生食草动物；长江源区的传统利用区和人类活动区，属于野生食草动物和家畜混合区，计算理论绿色载畜量主要包括以下几个步骤:(1)明确适宜放牧区空间分布范围。(2)利用牧草生物量扣除维持生态功能所需要的牧草量，剩下牧草为可供野生食草动物和家畜食用的可利用牧草生物量。(3)计算适宜区野生食草动物的牧草最大需求量。(4)优先保障野生食草动物的牧草最大需求量前提下，按照长江源国家公园所在乡镇划分功能区，分析剩余可利用牧草所能承载的理论绿色载畜量。(5)测算各个功能区和乡镇实际载畜量。(6)根据理论绿色载畜量和实际载畜量计算草地绿色承载力，判断长江源园区和各个乡镇草地盈余状态，及是否超载，为地方政府提供决策依据。
结果与分析
1.野生食草动物基本特征
如图2可知，园区内藏羚数量最多，且主要分布在核心保育区和传统利用区，占野生食草动物比例为52.31％，藏原羚、藏野驴、岩羊/盘羊、野牦牛主要分布在核心保育区。
2.适宜区牧草的产草量
基于Arcgis软件，根据适宜放牧区确定方法，运用栅格计算功能，绘制长江源区适宜区内牧草空间分布图。
3.扣除维持生态系统服务功能后适宜区内可利用牧草生物量
确定适宜放牧区后，利用水土保持和防风固沙两类栅格数据，通过arcgis镶嵌功能，求得其最大值作为维持生态系统服务功能所需要的生物量。在计算适宜区内家畜所需牧草量之前，首先利用牧草生物量扣除维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量，剩下牧草为可供野生食草动物和家畜食用部分，即可利用牧草生物量。将长江源园区所涉及的12个乡镇划分为核心保育区、生态保育修复区、传统利用区、人类活动区，然后统计各个功能区的牧草量：就功能区而言，核心保育区和生态保育修复区占总牧草量的82.16％，传统利用区和人类活动区占总牧草量的17.84％。
4.野生食草动物牧草需求量
如图3所示，长江源野生食草动物总需牧草量为78387.53吨，其中核心保育区、生态保育修复区中野生食草动物的牧草需求量达到59265.24吨，人类活动区和传统利用区野生食草动物牧草需求量达到19122.28吨。其中核心保育区野生食草动物的牧草需求量占比为72.57％。根据公式计算长江源源野生食草动物牧草需求量结果显示，藏野驴的牧草需求量最高，为26139.29吨，各种动物均在长江源园区核心保育区内所需牧草量最多。
5.理论绿色载畜量
扣除维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量，扣除野生食草动物所需的牧草量，剩余牧草即为家畜可利用牧草量(图4)，仅考虑评价区中的传统利用区和人类活动区内可利用牧草量测算理论绿色载畜量。长江源总的草地载畜量为 318.60万羊单位。长江源园区各功能区的理论绿色载畜量如表1：
表1长江源国家公园所在县区理论绿色载畜量
Figure RE-GDA0003775008370000091
曲麻莱县和治多县各乡镇理论绿色载畜量如图5所示。
6.实际家畜量
家畜的换算单位主要参照国家农业行业标准《天然草地合理载畜量的计算》 (NY/T635-2015)，并结合青海家畜的实际体重，按照各类幼畜在畜群中的比例，给出各类家畜羊单位折算系数，参照各县区的2018年统计年鉴，以及玉树州的 2018统计年鉴，计算存栏数和出栏数。
7.草地绿色承载力特征
在充分确保野生食草动物最大牧草需求量的前提下，结合理论绿色载畜量和实际家畜载畜量，测算长江源各县区草地绿色承载力(图5)。长江源园区总的草地绿色承载力大于0，说明草畜平衡，草地并未超载。但根据长江源园区所在乡镇数据显示，曲麻莱县和治多县草地绿色承载力均小于0，家畜均为超载；曲麻河乡、治渠乡和立新乡草地绿色承载力小于0，家畜超载，其他乡镇草地绿色承载力均大于0，草地盈余。
表2长江源国家公园草地绿色承载力
Figure RE-GDA0003775008370000101
结论
本实施例建立了长江源区国家公园草地绿色承载力的分析方法和技术流程。通过分析得到如下主要结论:
(1)长江源园区的草地类型以高寒草甸类草地、高寒草原为主。类食草动物主要包括藏羚、藏野驴、藏原羚、岩羊/盘羊、野牦牛对牧草需求量为78387.53 吨。其中，52.31％的类食草动物分布在长江源区的核心保育区、传统利用区。
(2)长江源区的理论绿色载畜量为318.60万羊单位，结合长江源区所在乡镇理论绿色载畜量和实际家畜载畜量，长江源草地绿色承载力大于0，未超载；结合各乡镇的草地绿色承载力来看，绝大部分乡镇呈现草地绿色承载力大于0。由于该区主要是核心保育区和生态保育恢复区，家畜获得牧草量较少，且该区域家畜数量较多，因此需要合理放牧，确保草畜平衡，减少草地压力。
(3)长江源国家公园以保护脆弱的生态环境和野生动植物为主要目标。其中，核心保育区主要是以保护原始的高寒生态系统、保护珍稀野生食草动物物种和种群恢复，生态保育修复区主要是维护高寒生态系统健康稳定、保护珍稀野生食草动物物种。因此，在测算草地理论绿色载畜量时，为确保草地生态良性循环充分维护、野生食草动物最大牧草需求，在国土空间上扣除了核心保育区、生态保育修复区、不适宜放牧区。同时考虑了扣除维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量、扣除野生食草动物所需的牧草量，测算的长江源区草地绿色承载力更加科学合理，可在类似国家公园区推广应用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，明确适宜放牧区空间分布范围；
步骤2，计算维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量(PESi)；
步骤3，用牧草生物量(FB)抵扣维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量(PESi)，剩下牧草为可供野生食草动物和家畜食用部分，即可利用牧草生物量(GELi)；
步骤4，计算适宜区野生食草动物的牧草最大需求量(PDi)；
步骤5，优先保障野生食草动物的牧草最大需求量前提下，按照区域所在乡镇划分功能区，分析剩余可利用牧草的理论绿色载畜量(TGGCi)；
步骤6，测算各个功能区和乡镇实际载畜量；根据理论绿色载畜量和实际载畜量计算草地绿色承载力(GECRi)，判断区域草地是盈余状态或超载状态。
2.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤1明确适宜放牧区空间分布范围，去除不适合放牧区。不适合放牧区包括:①核心保护区域；②非草地区；③沙漠化地区。
3.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤2中计算维持生态系统服务功能所需要的牧草生物量；计算公式如下:
PESi＝MAX(ANPPWAi,ANPPWIi)×C
PESi为区域i维持生态系统服务功能所需牧草生物量，其中服务功能包括：防风固沙和水土保持，ANPPWAi为区域i水土保持功能所需地上净初级生产力，ANPPWIi为区域i防风固沙功能所需地上净初级生产力。ANPPWA与ANPPWI计算公式如下：
ANPPWA＝f(SCwA)
ANPPWI＝f(SCWI)
C＝A/R·K·LS·P
SCWA、SCWI分别为水土保持功能、防风固沙功能所需植被盖度，％，f为植被盖度与地上净初级生产力间的函数，由当地实测得到；C为植被覆盖因子。
4.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤3中计算可利用牧草生物量(GELi)；计算公式如下：
GELi＝FB-PESi
FB为研究区牧草生物量，PESi为区域i维持生态系统服务功能所需牧草生物量。
5.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤4中最大需求量计算；计算公式如下：
Figure RE-FDA0003775008360000021
式中，PDi为区域i野生食草动物牧草需求量，kg；j和n为野生食草动物物种的序号和总数；Lij为区域i第j种野生食草动物的数量；Sk和Dk为第j种野生食草动物的标准绵羊单位折算系数和采食天数；I为标准绵羊单位的采食量，kg/d。
6.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤5中理论绿色载畜量的计算；
理论绿色载畜量指扣除维持生态系统服务功能后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，剩余牧草的载畜量，理论绿色载畜量计算公式为：
TGGCi＝(GELi-PDi)/(I×D)
式中，TGGCi为区域i的理论绿色载畜量，羊单位；GELi为区域i可利用牧草生物量，kg；在适宜放牧区内通过计算维持生态系统服务功能所需生物量，利用牧草生物量抵消生态系统服务功能所需牧草生物量，最终得到区域可利用牧草生物量；PDi为区域i野生食草动物牧草需求量，kg；D为放牧天数，d；I为标准绵羊单位的采食量，kg/d。
7.根据权利要求1所述的一种草地绿色承载力测算方法，其特征在于：步骤6中草地绿色承载力的计算；
草地绿色承载力指扣除防风固沙和水土保持等生态系统服务功能所需的生物量后，在确保野生食草动物的牧草需求量的前提下，通过家畜存栏量和理论绿色载畜量来表征，草地绿色承载力计算公式为:
GECRi＝(TGGCi-HLi)/TGGCi
式中，GECRi为草地绿色承载力；HLi为区域i的牲畜存栏量，羊单位；TGGCi为理论绿色载畜量，羊单位；当草地绿色承载力大于0时，草地盈余；反之，草地超载。
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