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

doi:10.11686/cyxb2024180

Abstract

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

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.

Figures/Tables 13

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

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	-

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	-

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

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

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	***

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

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

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

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

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

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

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

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	—

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

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