论文题目：半干旱黄土丘陵区温性草原MNPP估算及其草畜平衡特征研究
摘要：气候变化与人类活动对我国草地生态系统产生了重要影响,特别是我国半干旱生态脆弱地区对其响应更加敏感。天然草场作为传统畜牧业重要的基础生产资料,是草地生态系统生态链条中的重要环节,对其第一性生产估算和预测是确定合理载畜量的关键。原州区是宁夏温性草原面积最大的区域,典型的半农半牧区,自上个世纪30年代后出现了不同程度的破坏,退耕还林还草政策逐步开始实施,“禁牧舍饲”成为了半干旱黄土丘陵区温性草原主要的畜牧方式。经过20多年“退耕还林还草”草地管理措施的实施,草地生态环境得到极大改善,草场全部未开发利用且耕地陆续退出,家畜日粮供给来源日益萎缩,人畜争粮现象依然长期存在,动态调整草原管理政策以缓解农户家畜采食饲草的压力值得商榷,重新评估温性草原草畜平衡关系显得尤为重要,是动态调整草原管理政策必须回答的科学问题。在国家倡导发展生态畜牧业的前提下,必须要统筹所有与畜牧业有关的天然草地和人工草地资源进行合理配置,才能够促进现代生态畜牧业的健康可持续发展。本研究通过揭示草畜平衡影响因素发生机理,以此为指导,以2020年为时间截面,分析温性草原第一性生产影响因素,构建产草量和营养量预测分析模型,以典型村域为切入点,分析不同饲草料资源配置特征及其单位面积产量和营养载畜量,最终实现县域—村域—农户之间草畜平衡关系尺度转换,从而实现半干旱黄土丘陵区温性草原草畜平衡影响因素识别,为快速、准确、高效、无损的实现温性草原载畜能力的估算提供技术支撑,同时也为实现政府综合制定畜牧业发展政策,动态调整草原管理政策提供科学依据。主要成果如下:（1）基于CASA模型估算了原州区2020年逐月草地NPP。结果显示草地MNPP主要累积在5～10月份,全年草地NPP在36.16～881.00 g·Cm-2·a-1之间波动。为了进一步提高其估算精度,自变量设定气压（PS）、温度（T）、水汽压（HPA）、湿度（RHU）、日照时数（HR）、太阳辐射（SOL）、归一化植被指数（NDVI）、风速（WS）、降雨（P）等相关气象因子,相关性分析结果表明上述气象因子与草地MNPP相关（p＜0.01）。考虑到草地MNPP与气象因子变量之间的时空不确定性,建立了一种基于时空地理加权回归模型（Geographically and Temporally Weighted Regression,GTWR）算法的草地 MNPP 时空变化估算模型,结果很好描述了草地MNPP变化及其影响因素之间的时空非平稳性特征。与OLS、GWR、TWR模型算法估算结果相比,GTWR模型的调节R2达到了 0.974,由此表明了 GTWR模型在改进草地MNPP估算中的优势,实现了草地MNPP时空分布可视化,计算结果与CASA模型估算结果基本一致,在此基础上还表现出了更多细节。（2）基于2020年8月温性草原主生长季不同区域样地产草量实测样方数据,结合研究区同期水文气象、数字地形、NPP以及其他辅助数据,提出了一种基于多尺度地理加权回归（Mixed Geographically Weighted Regression Model,MGWR）算法的产草量估算模型,构建起一种新的产草量及其影响因素之间的函数关系,描述了草产量在作用尺度与影响效果方面与影响因素之间的空间非平稳性特征。结果表明:在模拟效果上,RMSE和Radius指数分别为92.6180和39.0543,模拟效果最佳。在预测性能上,MGWR模型算法预测性能最优,拟合度R2达到了 0.8306,产草量在研究区呈现出南高北低、西高东低的空间分布格局,是一种拟合产草量与影响因素关系的潜力模型,提供了更为真实有效的空间过程描述;在作用尺度上,不透水面指数（PRI）作用尺度最大,其次是高程（DEM）、植被净初级生产能力（NPP）、距沟谷距离（DS）、距河流距离（DR）、7月平均降雨（AJR）以及气温日较差（DTR）,夜间灯光（NL）、距道路距离（DP）和相对湿度（RH）作用尺度最为有限;在影响效果上,除了RH具有负向作用以外,其它影响因素均对产草量具有正负向双重作用。（3）引入灰色关联度模型（Gray Relation Analysis Model,GRAM）并构建了 9大常规营养量NIRS模型,DM、ADF、CP、NDF的交互验证决定系数（1-VR）为0.948、0.900、0.962、0.917,而且交互验证相对分析误差（RPDCV）均大于3,因此可以用于温性草原近红外定标模型的预测;而ADL、ASH、Ca则交互验证相对分析误差（RPDCV）均小于3且大于2.5,说明定标模型需要进一步增加样本量来提高预测精度;EE和P的交互验证相对分析误差（RPDCV）均小于2.5,说明两者的定标模型暂时还不能用于温性草原近红外定标模型的预测。营养量空间异质性分析结果表明:营养价值较高的是彭堡村（γi=0.7192）,营养价值良好村域占据18个,其余多数都为营养价值中等的村域,较差的区域占据了 29个村域,总体上呈现北高南低的空间格局,较高的区域集中在中北部地区。（4）白河村天然饲草产量较低,人工饲草种植面积较少,但单位面积营养输出量CP和EE输出量比天然饲草均值较高;VEA含量说明不同类型饲草料资源均能提高家畜的生产性能,白河村乙丙比说明人工饲草能量利用效率高于天然饲草,DCP和ME载畜量（8.59 SU·hm-2和9.10 SU·hm-2）均高于不同类型的饲草产量载畜量;蔡川村由于位于云雾山脚下天然饲草产量较高,人工饲草种植面积较高且闲置耕地较多,其营养载畜量（5.55 SU/hm2和3.24 SU·hm-2）均大于天然饲草的营养载畜量,天然饲草的营养载畜量（2.69 SU·hm-2和1.41 SU·hm-2）均高于白河村（2.51 SU·hm-2和0.95 SU·hm-2）;黄堡村不同区域天然饲草产量差异较大,其均值较白河村和蔡川村产量都较大,但没有蔡川村产草输出量空间异质性大,作为位于六盘山区的村域,在天然饲草产量方面优势明显,同时人工饲草种植面积很大但用地紧张,结果表明人工饲草载畜能力优势明显,高达13.17 SU·hm-2,是所有典型村域中载畜量最大的村域,食草家畜所需的CP输出量在人工饲草中表现优越,能够承载23.41 SU·hm-2载畜量,是所有典型村域中载畜能力最强的饲草类型。从不同检测方式来看,联合美国Dairy One反刍动物营养实验室进行了典型村域的天然饲草营养价值检测,拟合结果显示3个典型村DM和Ca的拟合精度均较高,白河村和黄堡村的NDF和CP的拟合精度均较高,白河村的ADF拟合精度较高,蔡川村需要添加更多的样本以提高营养含量预测精度。（5）目前原州区总体上能够承载157.62万羊单位,处于严重超载状态;在典型村域中,白河村承载8107.59羊单位处于轻度超载水平,蔡川村和黄堡村分别承载14938.72羊单位和10221.86羊单位,均处于不同程度极度超载水平,饲草产量暂时无法满足现有养殖规模;在农户尺度下,白河村典型农户承载4284.01羊单位处于严重超载水平,蔡川村典型农户承载13837.66羊单位处于草畜平衡水平,黄堡村典型农户承载9612.78羊单位处于超载水平。基于上述结果和影响因素的相关性分析,提出了半干旱黄土丘陵区温性草原草畜平衡影响因素作用机理,建议采取动态调整畜牧业政策、推动畜牧业信息化建设、改良饲草种植品质、促进畜牧业现代化养殖以及丰富畜种结构等5点草畜平衡管理措施。
关键词：半干旱黄土丘陵区;温性草原;草地第一性生产;草畜平衡;载畜量
学科专业：草学
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 研究内容与关键问题
1.3 技术路线
1.4 研究区概况
1.5 本章小结
第二章 文献综述
2.1 遥感技术在饲草生产中的应用
2.2 近红外光谱技术在饲草营养量估算中的应用
2.3 载畜量研究进展
2.4 草畜平衡研究进展
2.5 草畜平衡影响因素研究进展
2.6 本章小结
第三章 温性草原草地MNPP遥感估算
3.1 数据来源
3.2 研究方法
3.3 草地MNPP时空分布特征分析
3.4 草地MNPP估算模型构建
3.5 草地MNPP遥感估算结果
3.6 草地MNPP影响因素时空异质性分析
3.7 本章小结
第四章 温性草原草地产草量遥感估算
4.1 数据来源
4.2 研究方法与样方点确定
4.3 草地产草量估算模型构建
4.4 草地产草量遥感估算结果
4.5 草地产草量影响因素空间异质性分析
4.6 本章小结
第五章 温性草原草地营养量定标估算
5.1 数据来源
5.2 研究方法与样方点确定
5.3 草地营养量估算模型构建
5.4 草地营养量定标估算结果
5.5 草地营养量价值空间异质性分析
5.6 本章小结
第六章 川道灌溉农牧区草畜平衡特征
6.1 典型村域概况
6.2 典型农户饲草料资源配置特征
6.3 典型村域饲草料资源平衡特征
6.4 本章小结
第七章 退耕林草农牧区草畜平衡特征
7.1 典型村域概况
7.2 典型农户饲草料资源配置特征
7.3 典型村域饲草料资源平衡特征
7.4 本章小结
第八章 阴湿草地农牧区草畜平衡特征
8.1 典型村域概况
8.2 典型农户饲草料资源配置特征
8.3 典型村域饲草料资源平衡特征
8.4 本章小结
第九章 温性草原草畜平衡分析及其管理对策
9.1 温性草原草畜平衡状况
9.2 温性草原草畜平衡影响因素识别
9.3 管理对策
9.4 本章小结
第十章 结论与展望
10.1 主要结论
10.2 创新点与展望
参考文献
致谢