基于遥感反演的草畜平衡实施效果评估方法探讨——以山丹县为例

doi:10.11686/cyxb2024180

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (4): 1-15.DOI: 10.11686/cyxb2024180

• 研究论文 •

基于遥感反演的草畜平衡实施效果评估方法探讨——以山丹县为例

许雪梅¹(), 姜佳昌², 牛欣¹^,³, 周宏伟⁴, 韩天虎⁵, 曹晓明⁶, 梁春燕⁷, 李旭东¹, 牛得草¹()

^1.兰州大学草地农业科技学院，草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室，甘肃兰州 730020
^2.甘肃省草原技术推广总站，甘肃兰州 730046
^3.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000
^4.山丹县草原工作站，甘肃张掖 734199
^5.甘肃省治沙研究所，甘肃兰州 730071
^6.中国林业科学研究院生态保护与修复研究所，北京 100091
^7.甘肃省兰草新生态科技有限公司，甘肃兰州 730050

收稿日期:2024-05-14 修回日期:2024-07-18 出版日期:2025-04-20 发布日期:2025-02-19
通讯作者: 牛得草
作者简介:Corresponding author. E-mail： xiaocao0373@163.com
许雪梅（1999-），女，蒙古族，内蒙古通辽人，硕士。E-mail： 1467398812@qq.com
基金资助:
甘肃省林业和草原局甘肃省草原监测评价科技支撑项目(HT-GSZYTC-ZCJC-21009);甘肃省林业和草原局甘肃省草原监测评价项目(GSZYTC-ZCJC-21010);甘肃省林业和草原局科技计划项目(2021kj071)

Evaluation of forage-livestock balance implementation via remote sensing inversion： A case study in Shandan County， Gansu Province

Xue-mei XU¹(), Jia-chang JIANG², Xin NIU¹^,³, Hong-wei ZHOU⁴, Tian-hu HAN⁵, Xiao-ming CAO⁶, Chun-yan LIANG⁷, Xu-dong LI¹, De-cao NIU¹()

^1.State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems，College of Pastoral Agriculture Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，China
^2.Gansu Grassland Technical Extension Station，Lanzhou 730046，China
^3.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China
^4.Grassland Workstation in Shandan County，Zhangye 734199，China
^5.Gansu Desert Control Research Institute，Lanzhou 730071，China
^6.Institute of Ecological Conversation and Restoration，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China
^7.Gansu Lancao New Ecological Technology Corporation，Lanzhou 730050，China

Received:2024-05-14 Revised:2024-07-18 Online:2025-04-20 Published:2025-02-19
Contact: De-cao NIU

摘要/Abstract

摘要：

草畜平衡实施效果评估对于草地合理管理以及草地畜牧业可持续性发展至关重要。本研究利用遥感技术获取了植被特征数据，并根据专家意见制定了草地植被指标基准值，开展了草畜平衡实施效果评估，且利用传统方法探讨了该方法的可靠性。另外，本研究通过构建综合草畜平衡指数（CFBI）进行了村级尺度的草畜平衡实施效果综合评定。基于遥感反演的草畜平衡实施效果评估结果显示，2022年山丹县部分草地存在超载情况，超载和严重超载面积仅占总面积的1.09%，各行政村草地之间的综合草畜平衡指数存在明显差异（-10.91~-3.72）。基于遥感技术的草畜平衡实施效果评估方法可以为山丹县草地禁牧区与放牧区的动态调整提供科学依据。

关键词: 遥感反演, 草畜平衡, 草地利用现状, 综合草畜平衡指数

Abstract:

Evaluating the effectiveness of forage-livestock balance is crucial for the rational management of grasslands and the sustainable development of grassland livestock. In this study， we utilized remote sensing technology to obtain data on vegetation characteristics and established baseline vegetation indicators based on expert opinions. The effectiveness of forage-livestock balance implementation was assessed， and the reliability of this strategy was explored using traditional methods. Additionally， we developed a comprehensive forage-livestock balance index （CFBI） to evaluate effectiveness at the village scale. The results indicated that， based on remote sensing inversion， some grasslands in Shandan County， Gansu Province， were overgrazed in 2022， but the overgrazed area and severely overgrazed area accounted for only 1.09% of the total area. There were significant differences in the CFBI among the grasslands in various administrative villages （range， -10.91 to -3.72）. The remote sensing-based method for assessing the effectiveness of forage-livestock balance provides scientific evidence for the dynamic adjustment of grazing and non-grazing zones in Shandan County.

Key words: remote sensing inversion, forage-livestock balance, the present situation of grassland utilization, comprehensive forage-livestock balance index

许雪梅, 姜佳昌, 牛欣, 周宏伟, 韩天虎, 曹晓明, 梁春燕, 李旭东, 牛得草. 基于遥感反演的草畜平衡实施效果评估方法探讨——以山丹县为例[J]. 草业学报, 2025, 34(4): 1-15.

Xue-mei XU, Jia-chang JIANG, Xin NIU, Hong-wei ZHOU, Tian-hu HAN, Xiao-ming CAO, Chun-yan LIANG, Xu-dong LI, De-cao NIU. Evaluation of forage-livestock balance implementation via remote sensing inversion： A case study in Shandan County， Gansu Province[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2025, 34(4): 1-15.

图/表 13

图1 研究区位置、草地类型分布以及采样点基于自然资源部标准地图服务网站甘S（2023）10号和甘S（2023）322号标准地图制作，底图边界无修改。Based on the standard map service website Gan S（2023） No.10 and Gan S（2023） No.322 of the Ministry of Natural Resources， the boundary of the base map is not modified.

Fig.1 Location of study area， distribution of grassland types， and sampling points

表1 不同草地类型生长季植被指标基准值

Table 1 Reference values of vegetation indicators during the growing season for different types of grassland

草地类型 Grassland type	植被盖度 Fractional vegetation coverage （FVC， %）	植被盖度相对百分数的减少率 Rate of decrease in FVC as a percentage （T₁）	剩余牧草现存量 Residual biomass （RB，kg·hm^-2）	剩余牧草现存量相对百分数的减少率 Rate of decrease in RB as a percentage （T₂）	抗干扰能力 Anti-interference ability （A）
高寒草甸类Alpine meadow	50	-	200	-	6
山地草甸类Mountain meadow	50	-	270	-	6
温性草原类Temperate steppe	45	-	290	-	4
温性草原化荒漠类Temperate steppe desert	30	-	250	-	3
温性荒漠类Temperate desert	10	-	230	-	2
温性荒漠草原类Temperate desert steppe	35	-	200	-	1
最高阈值Maximum threshold （ $T m a x$ ）	-	30	-	50	-

表1 不同草地类型生长季植被指标基准值

Table 1 Reference values of vegetation indicators during the growing season for different types of grassland

草地类型 Grassland type	植被盖度 Fractional vegetation coverage （FVC， %）	植被盖度相对百分数的减少率 Rate of decrease in FVC as a percentage （T₁）	剩余牧草现存量 Residual biomass （RB，kg·hm^-2）	剩余牧草现存量相对百分数的减少率 Rate of decrease in RB as a percentage （T₂）	抗干扰能力 Anti-interference ability （A）
高寒草甸类Alpine meadow	50	-	200	-	6
山地草甸类Mountain meadow	50	-	270	-	6
温性草原类Temperate steppe	45	-	290	-	4
温性草原化荒漠类Temperate steppe desert	30	-	250	-	3
温性荒漠类Temperate desert	10	-	230	-	2
温性荒漠草原类Temperate desert steppe	35	-	200	-	1
最高阈值Maximum threshold （ $T m a x$ ）	-	30	-	50	-

表2 综合分值与草畜平衡状况分级

Table 2 Comprehensive index and forage-livestock balance classification

分级Grade	综合分值CI
未超载Non-overgrazed	CI≤25
基本平衡Balance	25<CI≤50
超载Overgrazed	50<CI≤75
严重超载Severe overgrazed	CI>75

表3 综合分值CI与草畜平衡指数

Table 3 CI and forage-livestock balance index

序号Number	综合分值CI	草畜平衡指数FBI	序号Number	综合分值CI	草畜平衡指数FBI
1	CI≤-250	-11	12	0<CI≤25	0
2	-250<CI≤-225	-10	13	25<CI≤50	1
3	-225<CI≤-200	-9	14	50<CI≤75	2
4	-200<CI≤-175	-8	15	75<CI≤100	3
5	-175<CI≤-150	-7	16	100<CI≤125	4
6	-150<CI≤-125	-6	17	125<CI≤150	5
7	-125<CI≤-100	-5	18	150<CI≤175	6
8	-100<CI≤-75	-4	19	175<CI≤200	7
9	-75<CI≤-50	-3	20	200<CI≤225	8
10	-50<CI≤-25	-2	21	225<CI≤250	9
11	-25<CI≤0	-1	22	CI>250	10

表4 Sentinel-2获取的草地植被盖度和剩余牧草现存量回归分析与精度评价

Table 4 Regression analysis and accuracy evaluation of grassland FVC and RB retrieved from Sentinel-2

植被指数 Vegetation index	植被指标 Vegetation indicators	模型类型 Model type	模型 Model	R²	RMSE	MAE	P
NDVI	RB （kg·hm^-2）	乘幂Power	y=13132x^1.6042	0.8194	318.09	222.31	***
		线性Linear	y=9600.9x-659.99	0.8074	348.23	288.64	***
		指数Exponential	y=141.02e^8.6068^x	0.7571	398.22	251.93	***
		对数Logarithmic	y=1699.3ln x+4221.7	0.7229	480.50	433.19	***
	FVC （%）	对数Logarithmic	y=37.601ln x+142.08	0.7260	15.06	12.82	***
		乘幂Power	y=189.55x^0.554	0.7007	17.94	15.62	***
		线性Linear	y=188.9x+37.41	0.6606	18.08	16.06	***
		指数Exponential	y=40.882e^2.7352^x	0.5849	21.30	19.18	***
EVI	RB （kg·hm^-2）	指数Exponential	y=144.26e^5.4707^x	0.7789	458.31	290.33	***
		乘幂Power	y=3987.1x^1.3179	0.6913	539.38	308.35	***
		线性Linear	y=6304.2x-697.44	0.6551	398.51	339.40	***
		对数Logarithmic	y=1406.1ln x+2951.1	0.4986	503.42	398.30	***
	FVC （%）	对数Logarithmic	y=37.859ln x+126.64	0.5921	17.29	14.01	***
		乘幂Power	y=153.12x^0.5672	0.5811	19.79	16.58	***
		线性Linear	y=132.76x+36.095	0.5491	19.11	16.64	***
		指数Exponential	y=39.971e^1.9341^x	0.4803	22.25	19.73	***

图2 山丹县草地植被盖度（a）与剩余牧草现存量（b）空间分布基于自然资源部标准地图服务网站甘S（2023）322号标准地图制作，底图边界无修改。Based on the standard map service website Gan S（2023） No.322 of the Ministry of Natural Resources， the boundary of the base map is not modified.

Fig.2 Spatial distribution of fractional vegetation coverage （a） and residual biomass （b） in Shandan County grasslands

图3 山丹县草畜平衡综合分值（a）与草畜平衡等级（b）空间分布基于自然资源部标准地图服务网站甘S（2023）322号标准地图制作，底图边界无修改。Based on the standard map service website Gan S （2023） No.322 of the Ministry of Natural Resources， the boundary of the base map is not modified.

Fig.3 Spatial distribution of comprehensive index （a） and forage-livestock balance grade （b） in Shandan County

图4 山丹县草畜平衡等级面积占比A：未超载Non-overgrazed； B：基本平衡Balance； C：超载Overgrazed； D：严重超载Severe overgrazed.

Fig.4 Area proportion of forage-livestock balance grades in Shandan County

图5 山丹县草畜平衡指数空间分布（a）与面积占比（b）基于自然资源部标准地图服务网站甘S（2023）322号标准地图制作，底图边界无修改。Based on the standard map service website Gan S （2023） No.322 of the Ministry of Natural Resources， the boundary of the base map is not modified.

Fig.5 Spatial distribution of forage-livestock index （a） and area proportion （b） in Shandan County

表5 山丹县各行政村综合草畜平衡指数

Table 5 CFBI for each village in Shandan County

村Village	CFBI
朱湾村Zhuwan village	-10.91
中河村Zhonghe village	-10.82
上河村Shanghe village	-10.76
老军乡国有土地（羊种场）State owned land in Laojun town （Yangzhong farm）	-10.56
老军乡国有土地（羊虎口）State owned land in Laojun town （Yanghukou）	-10.47
老军乡国有土地（老军、丰城堡滩）State owned land in Laojun town （Laojun， Fengchengbaotan）	-10.45
马营村Maying village	-10.40
新墩村Xindun village	-10.39
硖口村Xiakou village	-10.38
河湾村Hewan village	-10.28
新泉村Xinquan village	-10.27
大黄山林场Dahuangshan forest farm	-10.25
前山村Qianshan village	-10.17
东山村Dongshan village	-10.15
东沟村Donggou village	-10.12
夹河村Jiahe village	-10.05
陈户镇国有土地（大沙河及黑山子）State owned land in Chenhu town （Dashahe and Heishanzi）	-10.01
老军乡国有土地（青羊口农场）State owned land in Laojun town （Qingyangkou farm）	-10.00
西沟村Xigou village	-9.96
楼庄村Louzhuang village	-9.87
羊虎沟村Yanghugou village	-9.86
郭泉村Guoquan village	-9.84
城南村Chengnan village	-9.82
窑坡村Yaopo village	-9.81
清泉镇国有土地（瞭高山）State owned land in Qingquan town （Liaogao mountains）	-9.54
下河西村Xiahexi village	-9.52
上山湾村Shangshanwan village	-9.49
老军乡国有土地（花草滩、东水泉）State owned land in Laojun town （Huacaotan and Dongshuiquan）	-9.46
沙沟村Shagou village	-9.43
刘庄村Liuzhuang village	-9.37
陈户镇国有土地（北山）State owned land in Chenhu town （Beishan）	-9.36
汪庄村Wangzhuang village	-9.35
下河村Xiahe village	-9.26
北滩村Beitan village	-9.18
上寨村Shangzhai village	-9.15
清泉镇国有土地（中牧山丹马场）State owned land in Qingquan town （Zhongmu Shandan Racecourse）	-9.09
陈户镇国有土地（陈户公滩）State owned land in Chenhu town （Chenhugongtan）	-9.08
柳荫村Liuyin village	-9.03
杨坝村Yangba village	-8.99
东关村Dongguan village	-8.96
山湾村Shanwan village	-8.96
侯山村Houshan village	-8.87
芦堡村Lubao village	-8.79
双湖村Shuanghu village	-8.78
大马营镇国有土地State owned land in Damaying town	-8.78
四坝村Siba village	-8.76
位奇镇国有土地（新开）State owned land in Weiqi town （Xinkai）	-8.73
杜庄村Duzhuang village	-8.66
新庄村Xinzhuang village	-8.64
高庙村Gaomiao village	-8.56
老军乡国有土地（焉支山）State owned land in Laojun town （Yanzhi Mountain）	-8.48
位奇村Weiqi village	-8.47
下寨村Xiazhai village	-8.46
潘庄村Panzhuang village	-8.28
位奇镇国有土地（北山）State owned land in Weiqi town （Beishan）	-8.26
巴寨村Bazhai village	-8.15
老军乡国有土地（良种场）State owned land in Laojun town （Liangzhong farm）	-7.84
周庄村Zhouzhuang village	-7.78
新开村Xinkai village	-7.68
吴宁村Wuning village	-7.67
二十里堡村Ershi village	-7.14
下西山村Xiaxishan village	-7.01
花寨村Huazhai village	-6.95
高湖村Gaohu village	-6.93
上西山村Shangxishan village	-6.66
清泉镇国有土地（北山）State owned land in Qingquan town （Beishan）	-6.51
十里堡村Shilibao village	-5.66
东乐镇国有土地（北滩）State owned land in Dongle town （Beitan）	-5.44
李泉村Liquan village	-5.43
祝庄村Zhuzhuang village	-5.24
东乐镇国有土地（山羊堡滩）State owned land in Dongle town （Shanyangbaotan）	-5.24
红寺湖村Hongsihu village	-3.72

表5 山丹县各行政村综合草畜平衡指数

Table 5 CFBI for each village in Shandan County

村Village	CFBI
朱湾村Zhuwan village	-10.91
中河村Zhonghe village	-10.82
上河村Shanghe village	-10.76
老军乡国有土地（羊种场）State owned land in Laojun town （Yangzhong farm）	-10.56
老军乡国有土地（羊虎口）State owned land in Laojun town （Yanghukou）	-10.47
老军乡国有土地（老军、丰城堡滩）State owned land in Laojun town （Laojun， Fengchengbaotan）	-10.45
马营村Maying village	-10.40
新墩村Xindun village	-10.39
硖口村Xiakou village	-10.38
河湾村Hewan village	-10.28
新泉村Xinquan village	-10.27
大黄山林场Dahuangshan forest farm	-10.25
前山村Qianshan village	-10.17
东山村Dongshan village	-10.15
东沟村Donggou village	-10.12
夹河村Jiahe village	-10.05
陈户镇国有土地（大沙河及黑山子）State owned land in Chenhu town （Dashahe and Heishanzi）	-10.01
老军乡国有土地（青羊口农场）State owned land in Laojun town （Qingyangkou farm）	-10.00
西沟村Xigou village	-9.96
楼庄村Louzhuang village	-9.87
羊虎沟村Yanghugou village	-9.86
郭泉村Guoquan village	-9.84
城南村Chengnan village	-9.82
窑坡村Yaopo village	-9.81
清泉镇国有土地（瞭高山）State owned land in Qingquan town （Liaogao mountains）	-9.54
下河西村Xiahexi village	-9.52
上山湾村Shangshanwan village	-9.49
老军乡国有土地（花草滩、东水泉）State owned land in Laojun town （Huacaotan and Dongshuiquan）	-9.46
沙沟村Shagou village	-9.43
刘庄村Liuzhuang village	-9.37
陈户镇国有土地（北山）State owned land in Chenhu town （Beishan）	-9.36
汪庄村Wangzhuang village	-9.35
下河村Xiahe village	-9.26
北滩村Beitan village	-9.18
上寨村Shangzhai village	-9.15
清泉镇国有土地（中牧山丹马场）State owned land in Qingquan town （Zhongmu Shandan Racecourse）	-9.09
陈户镇国有土地（陈户公滩）State owned land in Chenhu town （Chenhugongtan）	-9.08
柳荫村Liuyin village	-9.03
杨坝村Yangba village	-8.99
东关村Dongguan village	-8.96
山湾村Shanwan village	-8.96
侯山村Houshan village	-8.87
芦堡村Lubao village	-8.79
双湖村Shuanghu village	-8.78
大马营镇国有土地State owned land in Damaying town	-8.78
四坝村Siba village	-8.76
位奇镇国有土地（新开）State owned land in Weiqi town （Xinkai）	-8.73
杜庄村Duzhuang village	-8.66
新庄村Xinzhuang village	-8.64
高庙村Gaomiao village	-8.56
老军乡国有土地（焉支山）State owned land in Laojun town （Yanzhi Mountain）	-8.48
位奇村Weiqi village	-8.47
下寨村Xiazhai village	-8.46
潘庄村Panzhuang village	-8.28
位奇镇国有土地（北山）State owned land in Weiqi town （Beishan）	-8.26
巴寨村Bazhai village	-8.15
老军乡国有土地（良种场）State owned land in Laojun town （Liangzhong farm）	-7.84
周庄村Zhouzhuang village	-7.78
新开村Xinkai village	-7.68
吴宁村Wuning village	-7.67
二十里堡村Ershi village	-7.14
下西山村Xiaxishan village	-7.01
花寨村Huazhai village	-6.95
高湖村Gaohu village	-6.93
上西山村Shangxishan village	-6.66
清泉镇国有土地（北山）State owned land in Qingquan town （Beishan）	-6.51
十里堡村Shilibao village	-5.66
东乐镇国有土地（北滩）State owned land in Dongle town （Beitan）	-5.44
李泉村Liquan village	-5.43
祝庄村Zhuzhuang village	-5.24
东乐镇国有土地（山羊堡滩）State owned land in Dongle town （Shanyangbaotan）	-5.24
红寺湖村Hongsihu village	-3.72

图6 山丹县不同草地类型面积及综合草畜平衡指数A：高寒草甸Alpine meadow； B：山地草甸Mountain meadow； C：温性草原Temperate steppe； D：温性草原化荒漠Temperate steppe desert； E：温性荒漠Temperate desert； F：温性荒漠草原Temperate desert steppe.

Fig.6 Area and CFBI of different grassland types in Shandan County

表6 各项指标描述

Table 6 Description of each indicator

项目Project	最大值Maximum value	最小值Minimum value	权重Weight （%）
草地面积Grassland area （×10⁴ hm²）	3.50	0.0004	—
综合抗干扰指数Comprehensive anti-interference index	5.57	1.00	—
斑块数量Number of patches	205.00	1.00	39.08
平均斑块面积Mean patch size （hm²）	3401.37	1.47	39.08
面积加权平均形状指数Area-weighted mean shape index	15.37	1.60	15.08
聚集度Aggregation index	98.81	67.18	6.74
草地细碎化综合指数Comprehensive index of grassland fragmentation	1338.90	6.70	—

图7 各行政村的综合草畜平衡指数与草地面积、综合抗干扰指数和草地细碎化综合指数间的关系CAI：综合抗干扰指数Comprehensive anti-interference index； CIGF：草地细碎化综合指数Comprehensive index of grassland fragmentation.

Fig.7 The relationship between comprehensive forage-livestock balance index of each village and grassland area， CAI， CIGF

参考文献 45

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基于遥感反演的草畜平衡实施效果评估方法探讨——以山丹县为例

Evaluation of forage-livestock balance implementation via remote sensing inversion： A case study in Shandan County， Gansu Province

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