基于MODIS数据和植被特征估算草地生物量

准确估算草地生物量,对全球气候变化背景下的陆地生态系统碳循环研究具有重要意义。过去几十年,草地生物量估算研究大多集中在北方,而南方草地具有类型繁多和分布零散等特征,对其生物量进行评估的报道较少。本文以云南省为例,应用2012—2014年草地生物量野外调查资料和同期MODIS遥感数据,建立草地地上生物量(AGB)遥感估算模型;再引入草地植被群落特征(高度和盖度)信息对统计模型进行优化,并进行生物量空间反演。结果表明:优化后模型的估算精度由原来的35.0%提升为43.7%;反演得到云南省3年年均AGB的总量介于1 026.86万~1 408.54万t,平均为1 221.11万t;从空间分布上看,云南省草地AGB密度总体上呈现西部高东部低、南部高北部低的格局。本研究首次将遥感植被指数数据与实测植被群落特征参数结合,使估算精度比传统的纯粹光学遥感模拟方法显著提升24.9%,但精确估算大面积的草地AGB,需要进一步探索如何将激光雷达数据或遥感立体影像中提取的植被特征信息应用于草地AGB估算研究。     

西北农牧交错区草地类型遥感划分方法

草地是西北农牧交错区最大的生态屏障。为使各类型草地在生态环境建设中发挥最大的效应,以甘肃省为典型研究区,综合运用遥感技术,研究了西北农牧交错区草地类型的划分方法。利用草地生长期（4－9月）内11个时相的中分辨率成像光谱仪（MODIS）增强型植被指数（EVI）数据构建时间序列数据集,根据同期的野外采样点,提取各类型草地生长期内的典型时间谱特征曲线。在西北农牧交错区,要结合数字高程（DEM）信息和以黄河分界的东西两区域为主要自然因子,将研究区分成若干自然子区域。在各子区,分别根据各像素时间谱特征曲线与典型时间谱特征曲线的相似度,构建决策树完成分类。以1︰500 000草地资源类型图资料为真值样本,验证表明,分类结果精度总体一致性为71.41%,Kappa系数为0.66,各类型面积所占比例非常接近样本值。MODIS EVI时间序列影像弥补了其空间分辨率低的不足,草地类型生长季时间谱特征曲线增强了各草地类型之间的差异性,使得MODIS数据适合于草地二级类型的划分。加之MIODIS数据免费获取,且适合用于大区域遥感监测,使得低成本高精度且宏观的遥感草地类型划分成为可能。     

Landsat 8和机器学习估算蒙古高原草地地上生物量

草地地上生物量（Above-Ground Biomass，AGB）是反映草地植被利用状况的重要参数，其精准监测对于草地科学管理与合理利用具有重要意义。近年来，遥感技术因其能快速、准确获取大尺度草地光谱信息，已经广泛应用于草地地上生物量的估算中。该研究以中国内蒙古呼伦贝尔市与其毗邻的蒙古国东方省草原区为研究区，利用Landsat 8数据计算的9种植被指数、气象数据和地面调查数据，比较分析6种机器学习算法构建的回归模型性能，重新构建优化的随机森林回归模型。结果表明，优化后的随机森林回归模型性能更稳定，预测值与实测值之间决定系数为0.801，均方根误差为43.709 g/m2，相对均方根误差为23.077。研究区域地上生物量呈中部较低，东西两侧较高的空间分布特征，最高可达357.2 g/m2，最低为33.0 g/m2，与该区域降水量与草地利用方式的空间异质性密切相关。该研究表明，基于Landsat 8数据结合气象数据构建的机器学习模型在草地生物量遥感反演中有较大潜力，地上生物量反演结果可以为草地资源合理利用与评价提供参考。     

基于星载ICESat-2/ATLAS数据的森林地上生物量估测

为探讨星载激光雷达数据ICESat-2（Ice,Cloud,and land Elevation Satellite-2）在山地森林地上生物量（Aboveground Biomass,AGB）的估测可行性和方法。以ATLAS（Advanced Terrain Laser Altimeter System）光子点云数据为主要信息源,以滇西北典型山地香格里拉为研究区,结合地面54块实测生物量遥感样地,在前期进行点云数据去噪、分类预处理基础上,对研究区74 873个林地光斑进行冠层参数及地形因子的提取（共计53个变量）,采用非参数模型随机森林回归和超参数优化后的随机森林进行建模,以均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）、决定系数（R2）、总体估测精度（P1）作为模型的评价指标,建立研究区AGB模型。研究结果表明：1）分析以ICESat-2/ATLAS提取的冠层参数、地形因子与生物量的相关性可知,冠层光子总数与生物量具有极显著相关性（P<0.01）,基于陆地卫星的乔木冠层百分比、冠层光子比率、坡度、光子总数、表观反射率与生物量具有显著相关性（0.01相似文献   

2001-2015年伊犁河谷草地蒸散发时空变化分析

蒸散发（Evapotranspiration,ET）是陆地生态系统环境调节的重要方式。草地退化背景下,研究草地蒸散发的时空变化,对掌握草退化生态效应具有重要意义。选择草地退化严重的伊犁河谷作为研究区,利用2001-2015年MODIS ET和NDVI遥感数据以及气温和降水站点数据,借助于GIS空间分析技术,反演植被覆盖度,插值生成气温和降水空间分布数据,进而进行差值和相关性计算,对该区草地ET时空变化及其影响因素进行分析和探讨。结果表明:（1）伊犁河谷草地多年平均ET为395.74 mm;空间上43.21%区域ET位于400~500 mm;全区ET不仅海拔分异明显,且与覆盖度的空间分异总体一致;（2）近15 a伊犁河谷全区草地平均ET减少11.06%,空间上ET发生减少面积占到98.07%,其中51.82%的减少比例位于10%~20%,主要分布在海拔较低的洪积平原和低山区;（3）2011-2015年时段ET变化的空间分异发生较大转变,低海拔区ET减少比例明显缩减,而高海拔区ET减少比例扩大;（4）伊犁河谷草地植被覆盖度与ET的相关性最高,植被覆盖度是决定草地ET空间分布及时空变化的关键因素,降水对草地ET空间分布及变化的影响高于气温。伊犁河谷植被覆盖度、降水及气温的降低均构成草地ET降低的驱动因素,但复杂的地形使伊犁河谷草地ET与其影响因素的相关性呈现明显且多样的空间差异。     

基于MODIS的东北三省植被NPP潜在气候生产力估算

大范围准确的植被生产潜力的估测,可为区域生态建设与保护提供决策支撑。基于MODIS/MCD12Q1数据、MODIS/MOD17A3数据和气象观测数据,在分析2001—2013年东北三省植被单位面积NPP年累积量时空变化的基础上,划分植被类别,构建东北三省植被NPP气候估算模型,并对研究区2013年植被NPP潜在气候生产力进行了估算。结果表明:（1）2001—2013年东北三省植被单位面积NPP年累积平均值（NPP     

基于Landsat 8和Sentinel-2数据的砒砂岩区生物量估算的差异性

[目的]分析基于不同空间分辨率遥感影像估算的地上生物量(above ground biomass, AGB)差异,为遥感估算荒漠生态系统AGB的研究中不同空间分辨率影像的选择提供依据。[方法]在地面AGB调查的基础上,结合Landsat 8与Sentinel-2影像建立AGB-MSAVI统计模型,对砒砂岩区AGB进行了遥感估算,并分析不同植被覆盖区(高、中、低)AGB估算的差异性。[结果] Landsat 8与Sentinel-2影像均能较好地实现AGB估算,AGB估算结果在空间分布上具有相似性。基于Landsat 8和Sentinel-2数据估算AGB模型平均相对误差分别为13.41%和11.42%,基于Sentinel-2数据的AGB估算精度较高。[结论]不同植被覆盖区Sentinel-2与Landsat 8数据估算的AGB存在一定的差异,低植被覆盖和高植被覆盖区,两种遥感数据估算的AGB差异相对较小;中植被覆盖区,遥感数据受到空间分辨率的制约,空间异质性影响相对显著,两种遥感数据估算的AGB差异较大。高空间分辨率遥感影像对AGB估算精度的提高具有一定效果。     

基于遥感的中国草地生产力初步计算

草地生产力研究对于评估草地生态系统食物供给具有重要意义.在基于MODIS的2001年l km中国陆地生态系统土地覆盖类型产品和植被净初级生产力(NPP)产品,运用各种草地生产力计算模型,初步计算了当年中国各草地生产力指标.计算得到:2001年,中国草地生态系统产干草1.44亿t,理论载畜量为1.08亿个羊单位,潜在食物供给为羊肉308.92万t.结果表明,基于遥感的草地生产力计算方法机理性较强,现势性好,可在较短时间内获取大范围年度草地生产力指标,其计算结果较为符合中国草地生产力的实际分布情况.     

基于Landsat 8 OLI数据的砒砂岩区生物量遥感估算

为了评价砒砂岩区植被生长状况和地上生物量的空间分布特征,采用Landsat 8 OLI和同期实测生物量数据对砒砂岩区生物量估算方法进行了研究。结果表明:(1)NDVI,RVI,SAVI,MSAVI与地上生物量(Above ground biomass,AGB)的相关性显著,其中MSAVI和AGB的相关性最高(R²=0.4416),SAVI次之(R²=0.3923),NDVI(R²=0.1375)和RVI(R²=0.1306)相对最低,NDVI和RVI在荒漠生态系统生物量遥感估算中并不是效果最佳的植被指数;(2)高斯低通3×3滤波核滤波的MSAVI与AGB的相关性(R²=0.4757)高于未滤波处理图像,滤波后建立的AGB-MSAVI_GLPF3估算模型平均相对误差MRE为13.41%,模型具有较高的估算精度;(3)遥感估算2019年砒砂岩研究区总AGB为9.2×10⁵t,其中AGB低值区的面积占比为13.03%,AGB中值区面积占比为47.56%,AGB高值区面积占比为39.41%。荒漠生态系统AGB与MSAVI的相关性显著,基于高斯低通滤波建立起的AGB-MSAVI_GLPF3模型可以较好地实现砒砂岩区AGB遥感估算。     

利用改进的MOD16模型估算区域蒸散发

蒸散发（Evapotranspiration,ET）是地表水循环和能量循环的关键纽带,准确、定量地估算区域ET对于理解陆-气相互作用、全球气候变化等至关重要。MOD16模型基于Penman-Monteith（P-M）方程,是一种获取区域ET的重要遥感模型。然而,MOD16模型没有直接利用土壤水分信息,而是通过相对湿度（Relative Humidity,RH）、饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit,VPD）、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）等间接表达土壤水分信息的作用,这可能会给区域ET的估算带来一些不确定性。该研究将归一化水指数（Normalized Difference Water Index,NDWI）作为土壤水分信息的补充项,对MOD16模型的地表阻抗进行修正,以改进MOD16模型（改进后的模型为MOD16-sm）,并将改进后的模型在中国西北干旱区绿洲进行验证和应用。模型验证包括模拟值与观测值的对比及误差分析。模拟值与观测值的对比分析结果表明,MOD16-sm模型获取的ET精度较高,决定系数（Coefficient of Determination,R2）为0.77,均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为0.8 mm/d,平均绝对误差（Mean Absolute Deviation,MAE）为0.46 mm/d;误差分析结果显示,MOD16-sm模型估算结果的误差控制优于MOD16模型,结合模拟值与观测值的对比分析可知,MOD16-sm模型改善了MOD16模型的部分高估现象,MOD16-sm模型能更好地反映土壤水分对ET的影响。模型应用包括ET估算值的空间分布分析及ET估算值的频率分布统计。对MOD16-sm模型的估算结果进行空间分析发现,高植被覆盖区的ET值较高,低植被覆盖区的ET值较低,说明MOD16-sm模型的ET估算结果与土地利用类型密切相关;研究区ET估算值的频率分布结果表明,MOD16-sm模型能较好地反映和表达出不同植被覆盖区的ET通量异质性。因此,利用NDWI对MOD16模型进行改进是可行的和合理的,该研究可为提高区域ET的估算精度提供参考和思路。     

连续式秸秆捆烧锅炉设计与供暖工程减排潜力分析

针对连续式捆烧设备在连续进料过程中,秸秆捆连续稳定燃烧性能差、挥发分气体燃烧不充分、秸秆捆难燃尽,而导致热效率低、排放高的问题,该研究基于分级燃烧原理与秸秆捆燃烧特性,在设计计算过程中,对燃烧、换热、配风系统等较为重要设计参数给出了合理的参考值,并通过烟气预热干燥秸秆捆、增加挥发分二次燃尽的三级风、往复炉排增加捆间间隙等方式提高秸秆捆的燃烧性能。设备试制后,利用玉米秸秆捆为燃料开展了热工与排放性能试验。试验结果表明,连续式秸秆捆烧锅炉的平均热效率为80.37%,颗粒物、NOx、SO2平均排放质量浓度分别为48、197、7 mg/m3,环保与能效指标均符合设计要求与国家标准。并对建立的采暖示范工程进行排放、污染物等测算,结果表明采用秸秆捆烧供暖单位面积可减少标煤使用量23.1 kg/m2,CO2当量排放量58 kg/m2。该研究能为秸秆能源化利用与北方清洁区域供暖提供技术支撑,助力农业农村领域碳达峰、碳中和的目标实现。     

基于改进关键场的干旱风沙草原牧区草畜平衡评价

牧区合理载畜量的确定是进行草畜平衡评价的核心工作之一,对指导牧区经济、社会和生态环境的可持续发展具有重要意义。中国西北干旱风沙草原受不合理放牧的影响,草地退化、沙化、盐碱化问题突出,为保护草原生态系统而实施的季节性间歇放牧制度使得牧区草畜供需关系进一步复杂化,牧区合理载畜量的确定缺乏有效的计算方法,草畜平衡评价的指导意义不强。该研究选取鄂托克旗牧区作为典型研究区,引入载畜量年内波动系数和草地生产力丰平枯系数2个动态参数,构建了一种基于改进关键场的牧区合理载畜量计算方法,并结合草畜平衡指数(Balance of Grassland and LivestockIndex,BGLI)对鄂托克旗牧区的草畜平衡状况进行了分析。结果表明,干旱风沙草原牧区草畜供需过程非一致性显著,牧业年度内形成了包含5个子过程的动态周期;改进关键场方法充分考虑了这一供需节律匹配关系,对传统和关键场方法进行了改进和完善,其在干旱风沙草原牧区合理载畜量计算中更具适用性,合理载畜量计算结果表明牧区各分区的冷季草场占比过高,现状年桌子山及山前平原分区、都斯图流域分区以及内流河分区的全年合理载畜量分别为8.60、53.49和27.66万羊单位;基于改进关键场方法对鄂托克旗牧区进行草畜平衡评价可知,现状年内流河分区超载最为严重,牧区各草场及全年的BGLI值均在105%左右,桌子山及山前平原分区次之,均在40%以上,而都斯图流域分区草畜平衡状况相对良好。     

基于秸秆补饲的青藏高原草地载畜量平衡遥感监测

为了快速准确地掌握青藏高原草地生产力/产草量及草畜平衡情况,促进藏区草地资源可持续利用,实现青藏高原生态与生产协调发展,有必要对青藏高原不同行政区域天然草地及补饲后的载畜能力和草畜平衡问题开展研究。该研究首先结合MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)数据、青藏高原草地类型图、气象数据、土壤质地数据等数据,利用改进的CASA(carnegie-ames-stanford-approach)模型,对青藏高原草地产草量进行了估算,并分析了青藏高原草地天然产草量的空间分布情况。然后利用草谷比法估算了青藏高原饲用秸秆资源量及空间分布情况,计算得出各县市可利用的秸秆资源的载畜量情况。最后根据草地产草量、秸秆资源载畜量和实际载畜量,利用草畜平衡模型,模拟得出各县市的超载过牧情况。结果表明:2010年,青藏高原年产草量区域差异十分明显,西藏年产草量最大为2642.89万t,青海藏区次之,为2 307.60万t;云南藏区最低,为37.36万t。青藏高原天然草地总载畜量为8 363.04万只(羊单位,以下同),其中,青海省藏区为2 889.10万只,西藏为2 789.35万只,四川藏区为1 854.10万只,甘肃藏区为796.42万只,云南藏区为34.09万只。青藏高原饲用秸秆资源量为372.16万t,其中青海藏区和西藏的饲用秸秆资源总量占整个藏区的74.77%;其他3个省份的可饲用秸秆总量比例仅占25.23%。青藏高原饲用秸秆资源可饲养牲畜293.53万只,其中青海省藏区为172.48万只,西藏为46.80万只,四川藏区为31.94万只,甘肃藏区为19.69万只,云南藏区为22.65万只。青藏高原各县市超载过牧十分突出。在未补饲情况下,超载率超过5倍的县市占7.69%,2~5倍的占13.46%,1~2倍的占28.84%,超载率小于1倍的占38.82%,未超载的仅占11.19%。通过补饲秸秆资源,未超载过牧的县市比例未发生变化,但各县市的超载过牧情况有所改善。超载率超过5倍的县市比例下降了3.2个百分点,2~5倍的下降了4.49个百分点,1~2倍的增加了5.49个百分点,超载率小于1倍的增加了2.2个百分点。因此,今后青藏高原需根据草地资源及饲用秸秆资源的承载能力严格控制牛羊的养殖数量,实现生态环境和畜牧业的可持续发展。     

基于灰色-马尔科夫残差预测模型的甘南草地载畜量预测

为了预测草地实际载畜量与理论载畜量,为草地畜牧业的可持续发展提供理论依据和决策支持基础,通过对甘南州4个县市1998-2009年的草地实际载畜量和理论载畜量数据分析,以灰色GM(1,1)模型和马尔科夫预测模型为基础,建立了优化改进的灰色等维—马尔科夫残差预测模型,以甘南州合作市实际载畜量为实例进行验证,预测结果显著(p<0.01),预测误差低于7.06%,表明该预测模型精度较高,适用于对草地载畜量的预测研究。最后,利用该模型对2010-2014年甘南州4县市草地实际载畜量和理论载畜量进行预测分析,基本符合草地载畜量实际变化过程,为相关部门合理确定草地载畜量和进行科学草地管理提供参考。     

考虑饲草料质量的家庭牧场水土草畜平衡计算方法与应用

家庭牧场作为牧区的基本生产单元，开展家庭牧场水土草畜平衡计算合理确定灌溉人工草地和牲畜饲养规模，对促进水资源可持续利用和维护草地生态安全具有实际管理意义。该研究针对牧区具体管理单元水土草畜平衡调控方法缺乏的问题，同时考虑了不同种类饲草料质量的差别，提出了考虑饲草料质量的家庭牧场水土草畜平衡计算方法，以内蒙古自治区鄂托克前旗典型家庭牧场为例，计算结果表明家庭牧场现状灌溉人工草地和牲畜均处于轻度超载状态，水资源超载率为6.05%，考虑饲草料质量前后牲畜超载率分别为12.98%和5.38%。针对现状平衡状况提出了调整种植结构和灌溉形式组合的8套优化调控方案，经不同方案可供水量变化以及可承载的灌溉人工草地和牲畜饲养规模对比分析，表明种植质量更高的饲草料、采用更节水的灌溉形式可明显提升水资源对灌溉人工草地和饲草资源对牲畜的承载能力，为给家庭牧场水资源和天然草地更多的修养生息空间，建议家庭牧场保持现有人工草地面积不增加，将紫花苜蓿灌溉形式调整为地下滴灌。将燕麦灌溉形式调整为滴灌时，核减牲畜至464羊单位维持家庭牧场水土草畜平衡；将固定式喷灌燕麦调整为滴灌玉米或地下滴灌紫花苜蓿，虽计算的适宜牲畜高于现状牲畜饲养量，但仍保持现有牲畜饲养规模。提出的计算方法可为牧区水土草畜平衡计算与管理提供一种新的思路。     

基于草原生态保护的牧区水土资源配置模式

为科学保护草原生态,该文在分析牧区面临形势与挑战的基础上,针对"以需定供"配置模式不适应牧区发展需求的问题,提出"水-土-草-畜"的牧区水土资源配置模式。该模式以保护草原生态系统良性发展为前提,以最严格水资源管理制度所确定的区域用水总量为控制指标,以水资源、土地资源和草地资源承载能力为底线,以牧区"水-土-草-畜"平衡为准则,合理配置牧区水土资源,确定适宜的农牧业发展规模。依据该模式推算中国牧区2030年适宜农牧业灌溉面积为936.1万hm2,适宜牲畜饲养量为2.88亿羊单位,在灌溉人工草地和天然草原耦合利用条件下天然草原开发利用达到平衡。牧区"水-土-草-畜"配置模式为实现草原地区生态环境与经济社会协调可持续发展提供了一种新思路。     

Hay strewing, brush harvesting of seed and soil disturbance as tools for the enhancement of botanical diversity in grasslands

Since the middle of the last century agricultural intensification within Europe has led to a drastic decline in the extent of botanically diverse grasslands. Whilst measures to enhance the diversity of agriculturally-improved grasslands are in place, success has often been limited. One of the primary factors limiting success is the paucity of sources of propagules of desirable species in the surrounding landscape. The restoration of two contrasting grassland types (lowland hay meadow and chalk grassland) was examined using a replicated block experiment to assess the effectiveness of two methods of seed application (hay strewing and brush harvesting) and two methods of pre-treatment disturbance (power harrowing and turf stripping). The resulting changes in botanical composition were monitored for 4 years. Seed addition by both methods resulted in significant temporal trends in plant species composition and increases in plant species richness, which were further enhanced by disturbance. Power harrowing increased the effectiveness of the seed addition treatments at the lowland hay meadow site. At the chalk grassland site a more severe disturbance created by turf stripping was used and shown to be preferable. Whilst both hay strewing and brush harvesting increased plant species richness, hay strewing was more effective at creating a sward similar to that of the donor site. Soil disturbance and seed application rate at the recipient site and timing of the hay cut at the donor site are all factors to be considered prior to the commencement of restoration management.     

干旱区灌溉饲草料地载畜量计算方法

水分是制约干旱区荒漠草原草畜平衡管理的最关键因子,解决这一问题的关键在于如何合理实现"以水定草,以草定畜,实现水草畜平衡"的思路。鉴于传统理论载畜量计算方法在产草量估测和牲畜采食量计算中存在较大误差,该文从水量平衡角度出发,提出了基于水草畜平衡的理论载畜量计算方法,以内蒙古中部达尔罕茂明安联合旗为研究区域,根据不同降水量和灌溉水量条件下的水分生产率曲线,对1 a生优质牧草青贮玉米进行估产,在分析不同体质量下绵羊采食和饮水规律的基础上,分别计算出草量载畜量和水量载畜量,以此确定理论载畜量。计算结果表明,在丰水年情景,该文方法比传统方法多6只羊/万m2,有利于提高畜牧业的经济效益;在枯水年情景,该文方法比传统方法少7只羊/万m2,有利于保护草原生态,避免草原退化。该文提出的载畜量计算方法适用于达茂旗荒漠草原,对牧区畜牧业的可持续发展和草原生态环境保护具有重要的指导作用。     

宁夏盐池县缓坡丘陵区草地生态农业模式研究

通过对盐池县四墩子村农牧业生产系统结构的合理调整和调控措施的应用,形成了土地－植物－动物“三位一体”的草地生产格局,使该地区具备了与生态不稳定性相抗衡的能力。这一实践对这一地区的国土整治,区域综合治理及农牧业生产都有很重要的作用。