張穎，章超斌，王釗齊，楊悅，張艷珍，李建龍*,安如

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046;2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院地理信息科學(xué)系，江蘇 南京 210098)

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氣候變化與人為活動對三江源草地生產(chǎn)力影響的定量研究

張穎1，章超斌1，王釗齊1，楊悅1，張艷珍1，李建龍1*,安如2

(1.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046;2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院地理信息科學(xué)系，江蘇 南京 210098)

近數(shù)十年來在氣候變化和生態(tài)工程實(shí)施的背景下，作為我國重要的生態(tài)屏障的三江源地區(qū)的氣候條件和人為干擾都發(fā)生了明顯的變化。本研究借助CASA模型和氣候生產(chǎn)力模型，結(jié)合對土地利用/覆蓋變化(LUCC)的分析，定量評估了氣候變化、LUCC和草地管理措施對三江源草地凈初級生產(chǎn)力(NPP)變化的影響。結(jié)果表明，1)2001-2012年間，三江源草地總面積增加了6749 km2，草地的平均NPP下降了5.47%，總NPP下降了5.00%。 2)由新增加的草地帶來的NPP總量為1293.12 Gg C，由轉(zhuǎn)出草地帶來的NPP總量損失為215.42 Gg C。 3) 2012年氣候總NPP比2001年下降了20.27%，而人為總NPP增加了41.51%。12年間氣候變化的趨勢不利于草地植被的生長，而人為活動對草地植被的負(fù)面影響力有明顯減弱。4)由氣候因素引起的草地總NPP變化量為-165.28 Tg C，而管理措施引起的總NPP變化量為140.03 Tg C； LUCC導(dǎo)致的草地總NPP變化量為2.22 Tg C。草地管理措施的改進(jìn)對遏制草地退化起到了決定性作用。

凈初級生產(chǎn)力；土地利用/覆蓋變化；草地管理措施；人類活動；氣候變化；三江源

三江源位于青海省南部，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地。區(qū)域內(nèi)原始自然植被及其富含有機(jī)質(zhì)的土壤使其水源涵養(yǎng)功能顯著，素有“中華水塔”之稱[1]。三江源是世界上海拔最高，高原生物多樣性最集中和生態(tài)系統(tǒng)最敏感、脆弱的地區(qū)[2]，也是全國最為重要的生態(tài)功能區(qū)之一。天然草地占三江源地區(qū)總面積的70%左右，近30～40年來，該區(qū)草地已呈全面退化的趨勢[3-4]，草地生產(chǎn)力下降，生態(tài)環(huán)境惡化，水源涵養(yǎng)能力急劇下降，不僅嚴(yán)重影響三江源區(qū)的居民生活，同時也威脅著長江黃河流域乃至東南亞地區(qū)的生態(tài)安全。三江源自然保護(hù)區(qū)于2000年成立，2003年晉升為國家級自然保護(hù)區(qū)，并于2005年批準(zhǔn)實(shí)施了《三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程》，開展生態(tài)恢復(fù)和治理工作。該工程建設(shè)內(nèi)容包括退牧還草、已墾草原還草、退耕還林、草地鼠害治理、水土保持和保護(hù)管理設(shè)施與能力建設(shè)等多項(xiàng)措施，以遏制草地生態(tài)退化的趨勢。

草地生態(tài)系統(tǒng)的退化或恢復(fù)的動態(tài)過程是氣候環(huán)境和人為活動共同作用的過程。土地利用/覆蓋變化(LUCC)是人類活動對地球表面影響最明顯的一個方面。劇烈的LUCC直接影響了生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能，包括區(qū)域氣候變化[5]、土壤質(zhì)量[6]和區(qū)域碳、水循環(huán)[7]，LUCC也顯著地影響著植被的分布格局和生產(chǎn)力[8]。而對土地覆蓋類型未發(fā)生改變的區(qū)域，人類對草地的開發(fā)管理措施，如放牧數(shù)量、放牧方式、藥材采掘、人工降雨也是對草地生態(tài)健康有重要影響的因素。針對三江源地區(qū)，已有一些研究對草地生產(chǎn)力動態(tài)及其驅(qū)動力進(jìn)行了監(jiān)測或分析，但是能夠定量的劃分不同的驅(qū)動因子，尤其是不同的人為影響的研究依然比較少見。

21世紀(jì)以來，遙感技術(shù)的應(yīng)用把人類認(rèn)識植被退化的視角從局部近距離直接介入性的研究推向區(qū)域性整體的定量模擬研究。植被退化的一個重要表現(xiàn)是植被生產(chǎn)力的下降，而植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)[9-11]是表征生產(chǎn)力狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是評價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要因子[12]。NPP也是響應(yīng)氣候變化和人類活動的一個敏感指標(biāo)，已經(jīng)成為衡量土地覆蓋類型變化和管理措施效果的生態(tài)指標(biāo)。近年來有不少學(xué)者借助遙感數(shù)據(jù)模擬的NPP作為草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況監(jiān)測指標(biāo)，來進(jìn)行較大時空尺度的草地退化監(jiān)測和退化驅(qū)動力研究[13-16]。

本研究利用多源遙感數(shù)據(jù)，以三江源草地為研究區(qū)，在模擬草地實(shí)際NPP與潛在NPP的基礎(chǔ)上，分析了保護(hù)區(qū)成立后12年(2001-2012年)中三江源草地LUCC的時空格局，并定量分析了氣候因素、LUCC和草地管理措施對草地退化的影響，進(jìn)而評價(jià)生態(tài)恢復(fù)工程中土地覆蓋類型變化和管理措施對草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的績效，以期為決策者制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

三江源全區(qū)地處青藏高原腹地(圖1)，地理位置31°39′-36°12′ N，89°45′-102°23′ E，行政區(qū)域涉及玉樹、海南、果洛、黃南4個藏族自治州的16 個縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，總面積35.66萬km2，其中長江源區(qū)面積15.41萬km2，黃河源區(qū)面積9.83萬km2，瀾滄江源區(qū)面積3.68萬km2，其他內(nèi)陸河流域的面積6.74萬km2。三江源以海拔3335～6564 m的山地地貌為主，主要山脈為東昆侖山及其支脈阿尼瑪卿山、巴顏喀拉山和唐古拉山山脈，地形起伏跌宕、河網(wǎng)密布、湖泊眾多、雪山連綿、冰川縱橫。三江源屬典型高原大陸氣候，年溫差小、日溫差大，年平均氣溫-5.38～4.14 ℃[17]，年平均降雨量262.2～772.8 mm，年蒸發(fā)量730～1700 mm，年日照時數(shù)2300～2900 h，熱量和水分的分布大致呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢。三江源植被空間分布呈明顯的高原地帶性，天然草地占全區(qū)總面積的 70% 左右，主要組成為高寒干草原草地和高寒草甸草地，分別占三江源地區(qū)草地總面積的 12.1% 和 82.6%。

圖1 研究區(qū)的地理位置、海拔及行政區(qū)劃Fig.1 Location, elevation, and the administrative division of the study area

1.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取及處理 2001-2012年的NDVI數(shù)據(jù)采用MODIS影像的MYD13A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為1 km。使用MRT(MODIS Reprojection Tools)將下載的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，并完成圖像的空間拼接和重采樣。利用Savtzky-Golay (S-G)濾波法對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理。S-G濾波法又稱最小二乘法或數(shù)據(jù)平滑多項(xiàng)式濾波法，是用一種最小二乘卷積擬合方法來平滑和計(jì)算一組相鄰值或光譜值的導(dǎo)數(shù)[18]。在遙感數(shù)據(jù)的降噪處理中得到廣泛的應(yīng)用[19-21]。將16 d的遙感數(shù)據(jù)，采用最大合成法得到草地NDVI的月遙感數(shù)據(jù)。

2001-2012年的土壤溫度數(shù)據(jù)采用MODIS影像的MOD11地表溫度數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。數(shù)據(jù)來自https：//wist.echo.nasa.gov/api/。

LUCC數(shù)據(jù)選用2001和2012年兩期的三江源地區(qū)土地利用圖，是基于IGBP(國際地圈生物圈計(jì)劃)分類系統(tǒng)的MCD12Q1產(chǎn)品，通過LPDAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)的EOS/MODIS數(shù)據(jù)中心下載，空間分辨率500 m(在本研究中重采樣為1 km)。MCD12Q1產(chǎn)品的IGBP分類法在全球范圍內(nèi)的分類精度可達(dá)74.8%，其中72.3%～77.4%的區(qū)域達(dá)到95%的置信區(qū)間[22]，該分類與中國2000 年1∶10 萬的土地分類數(shù)據(jù)在面積上一致性也最高[23]。本研究根據(jù)需要將IGBP分類系統(tǒng)最初的17個類別重新劃分為7個主要的土地利用類型[14]：水體、森林、草地、農(nóng)田、農(nóng)田/自然植被、城市、荒漠。在重分類過程中，常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林和密閉灌叢被歸并為森林，稀疏灌叢、森林草原、稀樹草原、草原和永久濕地被歸并為草地，雪/冰和水體被歸并為水體。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)獲取及處理 氣候數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)提供的2001-2012年三江源內(nèi)及其周邊50個標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月平均溫度、月降水量及月太陽總輻射資料。通過插值處理獲取與NDVI數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象數(shù)據(jù)柵格圖像。由于三江源地區(qū)位于青藏高原腹地，地形起伏跌宕且氣象站臺稀疏，常用的插值方法如克里格(Kringing)和反距離權(quán)重(IDW)等方法在該地區(qū)難以達(dá)到較高的精度[24]，為后期的NPP核算和數(shù)據(jù)分析帶來干擾。本研究采用澳大利亞國立大學(xué)基于薄盤光滑樣條函數(shù)開發(fā)的專用氣候數(shù)據(jù)空間插值程序ANUSPLIN對氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，該方法能夠引入多個影響因子(如海拔、日照時間等)作為協(xié)變量，從而大大提高插值精度[25]。該軟件在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[26-28]，并已證明在三江源地區(qū)能夠取得較高的插值精度[29]。

1.2.3 實(shí)測數(shù)據(jù) 由于實(shí)測NPP難度比較大, 往往采用生物量換算的NPP數(shù)據(jù)代替NPP實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證。本研究基于2012年8月在三江源實(shí)測的50個樣地的生物量數(shù)據(jù)。樣地面積為1 km×1 km，調(diào)查樣方面積為1 m×1 m，每個樣地取10個重復(fù)。齊地收割植物地上部分，后在70 ℃的恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后稱取干重。根據(jù)Wu等(2010)[30]對青藏高原草甸碳通量的研究，地上部分和地下部分的碳分配比例為58.7∶41.3，實(shí)測NPP的計(jì)算方法如下：

NPPm=DMAG(1+41.3/58.7)×0.542

(1)

式中：NPPm為實(shí)測NPP，DMAG代表地上部分的干物質(zhì)量；0.542為碳轉(zhuǎn)化效率[31]。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)際NPP的估算 本研究選用CASA[32](Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型來估算三江源地區(qū)NPP，CASA模型是由遙感、氣象以及植被類型、土壤類型共同驅(qū)動的一種基于光能利用率原理的過程模型，已被全球1900多個實(shí)測站點(diǎn)校準(zhǔn)[33]。模型通過遙感數(shù)據(jù)中提取的植被指數(shù)來估算太陽輻射中被植被吸收的光合有效輻射(APAR)，結(jié)合植被對于到達(dá)地表的光合有效輻射的利用效率(ε)來估算植被干物質(zhì)的增加量(NPP)。

CASA模型所估算的植被凈初級生產(chǎn)力可以由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個變量來確定，其估算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中：APAR(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效輻射；ε(x,t)表示像元x在t月份的實(shí)際光能利用率。植被吸收的光合有效輻射(APAR)取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例，計(jì)算公式如下：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(3)

式中：SOL(x，t)表示像元x在t月份的太陽總輻射量(MJ/m2)；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(400～700 nm)占太陽總輻射的比例；FPAR表示植被層對入射的光合有效輻射(PAR)的吸收比例，在一定范圍內(nèi)FPAR可以通過遙感影像產(chǎn)品提供的NDVI對FPAR進(jìn)行估算，公式如下：

(4)

式中：NDVIi,min和NDVIi,max分別代表不同植被覆蓋類型的最小NDVI值和最大NDVI值；NDVI(x，t)表示像元x在t月份的NDVI值。FPARmax和FPARmin的取值與植被覆蓋類型無關(guān)，分別為0.95和0.001。

光能利用率(ε)是指植被把所吸收的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率，它主要受溫度和水分的影響，計(jì)算公式如下：

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(5)

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示溫度對光能利用率的影響；Wε(x,t)表示水分條件對光能利用率的影響；εmax表示在理想狀態(tài)下植被的最大光能利用率，其取值因植被類型不同有較大差別。朱文泉等[31]根據(jù)誤差最小的原則，利用中國的NPP實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬各植被類型的最大光能利用率，本研究對εmax的取值也參照這一成果。其他具體計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置見文獻(xiàn)[34-35]。

1.3.2 氣候NPP和人為NPP的估算 為保證實(shí)際NPP與氣候NPP(即潛在NPP)的可對比性，氣候NPP的計(jì)算采用與CASA模型一致的模型構(gòu)造方式[14,36]，但其中的植被層對入射光合有效輻射的吸收比例FPAR的計(jì)算通過利用氣候變量來實(shí)現(xiàn)，而其他參數(shù)的計(jì)算與CASA模型相同。潛在NPP模型中FPAR的計(jì)算如下：

FPAR=1-e-kLAI

(6)

式中：k為常數(shù)0.5；LAI(leaf area index)為葉面積指數(shù)。

LAI=LAImin+fsw×fst×(LAImax-LAImin)

(7)

式中：LAImin和LAImax分別為最小和最大葉面積指數(shù)，其值由具體植被類型決定；fsw和fst分別表示土壤水分和土壤溫度對植被生長的限制。

fst=min{1，max[0，1-0.0016×(298-T)2]}

(8)

fsw=min{1，max[0，(Wsoil/Wmax)/Wcrit]}

(9)

式中：Wsoil和Wmax分別表示土壤含水量與土壤最大含水量，計(jì)算方法參考CASA模型中土壤水分子模型；Wcrit為常數(shù)0.25，表示土壤中凋萎含水量占最大含水量的比例；T為氣溫。

人為NPP反映人為活動對植被NPP的影響作用，為氣候NPP與實(shí)際NPP的殘差(潛在NPP-實(shí)際NPP)。

1.3.3 NPP變化影響力定量評估方法 為了便于定量分析，本研究中將草地覆蓋分為3類：第1類， 2001-2012年保持不變的草地(即在2001年和2012年其土地覆蓋類型都是草地)；第2類，新增加草地(即2001年土地利用類型為非草地，但2012年轉(zhuǎn)化為草地)；第3類，轉(zhuǎn)出的草地(即2001年土地利用類型為草地，但2012年草地轉(zhuǎn)化為其他土地利用類型)。

NPP的變化受到氣候變化和人類活動干擾等多種因素的驅(qū)動。本研究中，為了定量區(qū)分2001-2012年間兩個因素對NPP變化的驅(qū)動作用，假設(shè)實(shí)際NPP的變化量是氣候作用下NPP變化量和人類活動導(dǎo)致NPP變化量之和，即：

NPPactual=NPPclimate+NPPhuman

(10)

式中：NPPactual代表在氣候變化和人類活動的共同影響下的NPP變化量；NPPclimate代表僅考慮氣候條件下的潛在NPP的變化量。NPPhuman表示人類活動引起NPP變化，包括土地覆蓋類型變化引起的變化和管理措施引起的變化，即：

NPPhuman=NPPLUCC+NPPmanage

(11)

式中：NPPLUCC代表在土地覆蓋類型發(fā)生變化的草地(新增草地和轉(zhuǎn)出草地)上，人類活動影響下的NPP變化量，即土地覆蓋類型變化引起的NPP變化。這部分草地上實(shí)際NPP的變化量受氣候變化和人類對土地利用方式轉(zhuǎn)變的共同影響，因此NPPLUCC的計(jì)算方法為類型變化草地的實(shí)際NPP變化量(新增草地NPP的增量減去轉(zhuǎn)出草地導(dǎo)致的NPP損失量)，再減去氣候變化引起的NPP的變化量，公式為：

NPPLUCC=NPPturn in-NPPturn out-CNPPclim

(12)

式中：NPPturn in為2012年新增草地實(shí)際NPP總量，NPPturn out為2012年轉(zhuǎn)出草地的實(shí)際NPP總量，CNPPclim為土地覆蓋類型變化的草地上氣候總NPP的變化量。

NPPmanage代表在土地覆蓋類型沒有發(fā)生變化的草地上，人類活動影響下的NPP變化量，即草地管理措施引起的變化，其計(jì)算方法：

NPPmanage=NPP2012-NPP2001-UCNPPclim

(13)

式中：NPP2012和NPP2001分別為土地覆蓋類型未變化的草地上2012年和2001年的實(shí)際總NPP；UCNPPclim為土地覆蓋類型未變化的草地的氣候總NPP變化量。

1.3.4 CASA模型結(jié)果驗(yàn)證 CASA模型模擬的NPPactual與草地實(shí)測值NPPm的相關(guān)性分析的結(jié)果(圖2)，顯示NPP 實(shí)測值與模擬值吻合良好(R2=0.8579，P<0.001)。表明基于CASA模型模擬得到的草地實(shí)際NPP具有較高的模擬精度和可靠性。

圖2 三江源NPP模擬值與觀測值的比較Fig. 2 Comparison between simulated NPP and observed NPP of Three-River Source Region (TRSR)

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源LUCC類型轉(zhuǎn)化的空間分布特征

通過對比2012年和2001年兩期的土地覆蓋影像，逐像元的記錄土地覆蓋變化情況。三江源 2001-2012年的土地覆蓋空間分布及其變化面積狀況如圖3所示。 2001-2012年間，整體上三江源的土地覆蓋變化程度比較輕，絕大部分(96.10%)的土地覆蓋類型空間分布保持穩(wěn)定。草地是三江源最主要的土地覆蓋類型，始終占據(jù)著全區(qū)65%以上的面積。在土地覆蓋發(fā)生變化的類型中，相對顯著的是從荒漠向草地轉(zhuǎn)換(63)和從農(nóng)田向草地的轉(zhuǎn)換(32)。前者主要分布于三江源西北部的草地與荒漠交錯地帶，后者主要分布在三江源東部的甘德、河南等縣。

圖3 2001-2012年間三江源各土地類型間轉(zhuǎn)化的空間分布 Fig.3 The spatial distribution of transformation of different land cover types of the TRSR from 2001 to 2012 土地覆蓋類型的代碼如下：0表示水體，1表示森林，2表示草地，3表示農(nóng)田，4表示城鎮(zhèn)，5代表農(nóng)田/自然植被混合體，6表示荒漠。代碼02，12，32，52和62表明2001年的水體、森林、農(nóng)田、耕地/自然植被鑲嵌體和荒漠在2012年都轉(zhuǎn)換為草地。代碼20，21，23，25和26表明2001年的草地在2012年分別轉(zhuǎn)化為水體、林地、耕地、農(nóng)田/自然植被鑲嵌和荒漠。代碼22表示該土地在2001年和2012年都是草地。其余類推。下同。Codes for the conversions between grassland and other land use and cover types are as follow: Code 0, 1, 2, 3, 4, 5 and 6 represent water, forest, grassland, cropland, city, cropland/natural vegetation and desert, respectively. Code 02, 12, 32, 52 and 62 represent water, forest, cropland, cropland/natural vegetation and desert of 2001 converted to grassland in 2012, respectively. Code 20, 21, 23, 25 and 26 represent grassland of 2001 converted to water, forest, cropland, cropland/natural vegetation and desert in 2012, respectively. Code 22 represents this area was always grassland from 2001 to 2012, and so forth.The same below.

表1為三江源主要的土地覆蓋類型在2001年和2012年的分布面積及面積變化情況。 2001-2012年間，森林、農(nóng)田、農(nóng)田/自然植被和荒漠4種土地覆蓋類型面積呈現(xiàn)下降趨勢，其中農(nóng)田和農(nóng)田/自然植被混合像元的下降比例最大，均下降了87%；另外，森林和荒漠也有較大的下降比例，分別下降了29%和27%。草地和城市的面積呈現(xiàn)上升趨勢，分別增長了3%和39%。草地面積變化程度較為輕微，城市面積因基數(shù)較小而呈現(xiàn)出較高的增長率。

2.2 三江源NPP動態(tài)變化的特征分析

基于CASA模型和氣候生產(chǎn)力模型的三江源植被2001與2012年的氣候生產(chǎn)力、人為生產(chǎn)力及實(shí)際生產(chǎn)力的空間分布如圖4所示。

圖4a與圖4b為2001與2012年三江源植被氣候生產(chǎn)力的空間分布，全區(qū)平均氣候 NPP在2001與2012年分別為377.04與298.16 g C/(m2·yr)，2012年較2001年下降了20.92%，代表氣候條件趨于不利于植被生長。氣候NPP下降較為明顯的地區(qū)包含瑪多縣、曲麻萊縣的北部、治多縣中部和南部、治多縣西部；上升較快的地區(qū)主要分布在瑪沁縣、雜多縣和格爾木市的南部。

圖4c與圖4d為2001與2012年三江源植被人為生產(chǎn)力的空間分布，全區(qū)平均人為 NPP在2001與2012年的值分別為-165.72與-99.16 g C/(m2·yr)，人為活動均對植被生產(chǎn)力有負(fù)面影響，但2012年較2001年負(fù)面效應(yīng)消減了40.17%，表示人為活動對植被生長的不良影響有明顯的減弱。人為NPP增長較明顯的區(qū)域主要分布在瑪多縣的扎陵湖和鄂陵湖周邊區(qū)域、治多縣南部；減少比較明顯的區(qū)域分布于雜多縣和格爾木市南部、玉樹北部、治多縣的東南部。

表1 2001-2012年三江源土地利用變化情況Table 1 Area of land cover and dynamic change in the TRSR during 2001-2012

三江源實(shí)際NPP空間分布結(jié)果顯示(圖4e與圖4f)： 2001-2012年三江源全區(qū)NPP整體上呈現(xiàn)下降態(tài)勢，全區(qū)平均 NPP由2001年的207.57 g C/(m2·yr) 下降到2012年的196.21 g C/(m2·yr)，下降比例為5.47%。NPP下降程度較大的地區(qū)主要位于三江源的東南部班瑪縣、達(dá)日縣和南部的囊謙縣與玉樹縣，而增長程度較大的地區(qū)主要分布于興?？h北部、瑪多縣、治多縣和曲麻萊縣部分區(qū)域。

2001-2012年間，LUCC對草地NPP的影響情況如表2所示，2012年由新增加的草地帶來的NPP總量為1293.12 Gg C，其中由農(nóng)田轉(zhuǎn)化的草地NPP總量為803.08 Gg C，占據(jù)新增草地NPP總量的最大比例(62.12%)，其次是由荒漠轉(zhuǎn)化為草地帶來的NPP，總量為320.21 Gg C，占新增總量的24.76%。與此同時，轉(zhuǎn)出草地NPP總量損失為215.42 Gg C，其中轉(zhuǎn)化為荒漠導(dǎo)致的NPP損失為107.93 Gg C，占最大比例(50.10%)，因轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的損失86.70 Gg C，占40.25%。

圖4 2001年(a，c，e)和2012年(b，d，f)氣候NPP、人為NPP與實(shí)際NPP在三江源的空間分布Fig.4 Spatial distribution of NPPclimate, NPPhuman and NPPactual in the TRSR in 2001 (a, c and e) and 2012 (b, d and f)

2001代碼Code平均NPPMeanNPP[gC/(m2·yr)]面積Area(km2)總NPPTotalNPP(GgC)2012代碼Code平均NPPMeanNPP[gC/(m2·yr)]面積Area(km2)總NPPTotalNPP(GgC)未變化草地Unchangedgrassland未變化草地Unchangedgrassland22219.41209062.0045869.7122207.76209062.0043434.47將轉(zhuǎn)出的草地Turnoutgrassland新增加的草地Newlydevelopedgrassland21335.5721.007.0512324.82127.0041.2523367.38236.0086.7032328.062448.00803.08250.000.000.0052313.22336.00105.242649.222193.00107.936252.846060.00320.2120102.57109.0011.1802105.51228.0024.06轉(zhuǎn)出草地總計(jì)Sumofturnoutgrassland87.932450.00215.42新增草地總計(jì)Sumofnewgrassland140.579199.001293.12

2.3 三江源不同驅(qū)動因子對NPP變化的驅(qū)動力分析

圖5 2001與2012年三江源草地NPPclimate、NPPhuman和NPPactual的對比Fig.5 The comparison of NPPclimate, NPPhuman and NPPactual of the TRSR in 2001 and 2012

三江源草地2001與2012年的氣候NPP與人為影響NPP的對比情況如圖5所示。2001年氣候總NPP、人為總NPP與實(shí)際總NPP分別為791.69、-336.48和459.23 Tg C。2012年氣候總NPP、人為總NPP與實(shí)際總NPP分別為631.25、-193.78和436.56 Tg C。2012年氣候總NPP比2001年下降了20.27%，與此同時人為總NPP卻提升了41.51%，說明對于植被生產(chǎn)力，2012年的氣候條件比2001年惡劣，而人為活動產(chǎn)生的負(fù)面影響力有明顯減弱。

圖6為定量區(qū)分氣候變化、人類活動和LUCC與管理措施變化對三江源草地NPP變化的驅(qū)動作用的結(jié)果?？梢钥闯?，對于土地利用類型未發(fā)生改變的草地(圖6a)，12年間由氣候因素引起的草地總NPP變化量為-164.38 Tg C，而管理措施引起的總NPP變化量為140.03 Tg C；對于土地類型發(fā)生變化(失去或新增)的草地(圖6b)，由氣候因素和LUCC導(dǎo)致的草地總NPP變化量分別為-0.90和2.22 Tg C；對于全區(qū)草地而言(圖6c)，12年間氣候變化對草地植被生長帶來負(fù)面效應(yīng)，氣候因素導(dǎo)致的草地總NPP變化量為-165.28 Tg C，而人為活動對草地植被生產(chǎn)力的變化帶來正面效應(yīng)，有效地遏制了草地的退化，其中草地管理措施起到了決定性作用，管理措施和LUCC對草地總NPP的變化量分別為人類活動貢獻(xiàn)量的98.44%與1.56%。

2.4 三江源氣候變化趨勢

在氣候數(shù)據(jù)中提取出2001-2012年三江源生長季(5-9月)的溫度、輻射和降水的年際波動情況(圖7)。在12年間，生長季溫度和降水都呈現(xiàn)上升趨勢，2012年的生長季氣溫比2001年升高了0.84 ℃，降水增加了78.62 mm，而輻射卻呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，2012年全區(qū)的輻射比2001年降低了108.62 MJ/m2。

2.5 三江源家畜數(shù)量變化趨勢

基于年鑒[37]數(shù)據(jù)分析了三江源地區(qū)家畜年末存欄數(shù)和實(shí)際載畜量的逐年變化趨勢(圖8)，2001年以來，草地的實(shí)際載畜量和牲畜年末存欄數(shù)都呈下降趨勢，年末存欄數(shù)和實(shí)際載畜量的下降速度分別為10.217和16.175萬羊單位/年。實(shí)際載畜量在2003年較上一年出現(xiàn)了較大的降幅，達(dá)88萬羊單位。

圖6 2001-2012年間草地NPP變化量的氣候貢獻(xiàn)與人類活動貢獻(xiàn)Fig. 6 Contributions of climate change and human activities to NPP variations in 2001-2012

圖7 三江源氣候因子在生長季的年際波動Fig.7 Temporal variations in meteorological variables during the growth season in the TRSR

3 討論

圖8 2001-2012年三江源家畜數(shù)量變化Fig.8 Yearly change of livestock number in the TRSR in 2001-2012

3.1 氣候因素對草地退化的影響

氣候變化是影響植被動態(tài)的重要因素，尤其是在生態(tài)系統(tǒng)敏感脆弱的高海拔地區(qū)。青藏高原，是中國也是亞洲乃至全球氣候變化的敏感區(qū)，氣候變化的幅度比周邊區(qū)域更為劇烈[38-40]。三江源地處青藏高原腹地，氣候變化對其草地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著重要的影響。三江源在近50年來氣候整體上趨于暖濕化(主要為東部和北部)[41-42]，一些研究認(rèn)為這種氣候變化趨勢有利于植被生長與恢復(fù)[43-46]，也有研究指出盡管從30余年的時間尺度上三江源氣候變化表現(xiàn)出有利于對植被生長，但進(jìn)入21世紀(jì)的十幾年中，氣候變化趨勢已轉(zhuǎn)變?yōu)椴焕谥脖簧L，本研究結(jié)果也支持后一觀點(diǎn)。產(chǎn)生結(jié)論差異的原因除了研究時段的不同，還可能是由模型的差異引發(fā)。能為氣候變化趨勢在近十幾年內(nèi)有利于植被生產(chǎn)力增長提供直接證據(jù)的研究多借助Thornthwaite Memorial模型[43-44]計(jì)算氣候生產(chǎn)力。Thornthwaite Memorial模型計(jì)算過程中無需輻射參數(shù)，因而忽略了該時段內(nèi)輻射的降低趨勢對植被生長的影響，而本研究所采用的氣候生產(chǎn)力模型，充分考慮了太陽輻射、水分和溫度對于植被生產(chǎn)力的作用。盡管三江源具備較豐富的太陽輻射，但輻射在三江源的分布并不均勻，受季風(fēng)和海拔梯度的影響較大，呈現(xiàn)出從西北向東南遞減的趨勢。太陽輻射是植被光合作用的能量來源，對植被的生產(chǎn)力有重要影響。根據(jù)Nemani等[47]的研究，20世紀(jì)大氣中云層覆蓋的減少和輻射的增加是全球NPP增加的主要原因。Piao等[48]的研究結(jié)果也指出，相對于降水和溫度，輻射的增加對青藏高原NPP上升的影響作用更大。Zhang等[49]的研究也表明，太陽輻射是三江源地區(qū)對植被生產(chǎn)力影響最大的氣候因子，進(jìn)入21世紀(jì)后輻射的下降是導(dǎo)致植被的氣候生產(chǎn)力下降的關(guān)鍵因素。溫度的上升對植被氣候NPP也有正面貢獻(xiàn)，但是由于溫度對NPP的影響力不及輻射，不足以抵消輻射下降對NPP帶來的負(fù)面效應(yīng)[49]。另外，2001年后，降水呈現(xiàn)較快的增長速率，一方面降水的增加會造成溫度和輻射的下降，因而抑制了植被的光合作用，另一方面降水的增多加劇了三江源的土壤侵蝕，造成土壤養(yǎng)分的下降，降低了植被的生產(chǎn)力[50]。綜上而看，2001-2012年間三江源氣候變化的趨勢，不利于草地植被的生長，加劇了草地退化。

3.2 LUCC對草地退化的影響

三江源生態(tài)保護(hù)建設(shè)一期工程(2005-2013年)總投資75億元，主要內(nèi)容包括農(nóng)牧民生產(chǎn)生活基礎(chǔ)設(shè)施、支撐項(xiàng)目三大工程和草地保護(hù)、退耕還林還草、水土流失治理等22個子項(xiàng)目[51]。其中，退耕還林還草、沙地戈壁治理等生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施將促使土地利用類型發(fā)生改變。已有研究證明，生態(tài)恢復(fù)工程帶動的LUCC對區(qū)域草地環(huán)境恢復(fù)有積極影響的變化，如Mu等[14]的研究也發(fā)現(xiàn)2001-2009年間由生態(tài)恢復(fù)工程帶動的LUCC引起內(nèi)蒙古草地NPP增量約占草地NPP總增量的42.1%，周偉[52]的研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域2001-2010年的土地利用變化引起草地NPP凈增加654.82 Gg C。

有研究指出，近30余年來，三江源地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)格局分布相當(dāng)穩(wěn)定，是長江、黃河流域乃至全國各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)類型變幅最小的穩(wěn)定區(qū)[53]。本研究對2001和2012年兩期土地分類數(shù)據(jù)的對比也支持該結(jié)論。其原因主要是三江源較為特殊的地理位置及人口分布情況，使該地區(qū)人類改變土地利用類型的強(qiáng)度和廣度遠(yuǎn)低于全國其他地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐用駳v代沿襲的以畜牧業(yè)為主的生產(chǎn)方式也沒有發(fā)生重大變化，因此LUCC效應(yīng)微弱。本研究結(jié)果也顯示，2012年間三江源草地面積比2001年僅增加了0.32%，而由此引發(fā)的NPP增量占全區(qū)人為NPP增量的1.56%。由此可見，盡管當(dāng)前土地利用方式的優(yōu)化在三江源草地植被恢復(fù)的過程實(shí)施范圍有限，但此類措施可以達(dá)到較高的單位效益。

草地沙化是草地嚴(yán)重退化的一個重要特征。沙漠化逆轉(zhuǎn)是退耕還林還草工程的重要目標(biāo)之一，該工程計(jì)劃在1999-2012年間將全國1.73 ×1011hm2的沙漠轉(zhuǎn)化為綠色植被，其中主要針對沙漠-草地過渡地區(qū)[54]，三江源草地沙化較為嚴(yán)重的治多縣目前已凈減少沙化面積4.47×108hm2，是青海省治沙工程的重點(diǎn)實(shí)施區(qū)域[55]。本研究也發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)新增草地的66.09%是由荒漠轉(zhuǎn)化，多集中在三江源西北部治多縣境內(nèi)的草地與荒漠的交錯地帶。很多國內(nèi)外的研究都認(rèn)為在沙漠邊緣的草地實(shí)行人工種草能夠有效地防止草地沙漠化，并對沙漠化逆轉(zhuǎn)起到促進(jìn)作用，人工種植的灌木能形成具有較高肥力的小斑塊，營造出適合草本植物生長的微環(huán)境，隨著植被的生長，草本組成的植被斑塊開始擴(kuò)張，從而推動沙地向草地的轉(zhuǎn)化。

3.3 草地管理措施對草地退化的影響

草地退化不僅表現(xiàn)為草地面積的減少，還包括草地蓋度下降、生產(chǎn)力下降、群落退化等多方面。合理的草地管理經(jīng)營措施對于保護(hù)草地生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展有著重要作用。本研究結(jié)果顯示，由管理措施優(yōu)化對草地生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)占人為活動總貢獻(xiàn)的98.44%，起到?jīng)Q定性的作用。三江源草地的退化格局在20世紀(jì)70年代已經(jīng)形成[3]，在80與90年代由于牧民追求短期經(jīng)濟(jì)利益，政府缺乏系統(tǒng)有效的保護(hù)政策和管理引導(dǎo)措施，過度放牧和農(nóng)墾等不合理的人類活動加劇了三江源植被的退化。畜牧業(yè)是三江源地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)，牲畜存欄數(shù)的劇增是人類活動影響的重要方面，過牧被認(rèn)為是草地退化的根本原因[1]。三江源自2003年開始實(shí)施“減畜工程”[56]，工程實(shí)施后草地實(shí)際載畜量出現(xiàn)明顯下降。從較長時間尺度看，減畜工程前的15年(1988-2002年)牲畜存欄數(shù)平均值為1958萬羊單位，減畜工程后的10年(2003-2012年)的平均量已降至1541萬羊單位，比減畜工程前下降了21.3%。也有研究報(bào)道，三江源的載畜壓力在工程實(shí)施后有明顯下降[56-57]，草地減畜工程取得初步成效。

除減畜措施外，三江源還實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)措施，如人工降雨、人工補(bǔ)播草種、鼠害治理等措施。在生態(tài)恢復(fù)工程期間，已累計(jì)完成黑土灘綜合治理3.49×109hm2、地面及地下鼠害防治7.85×1010hm2，在實(shí)施區(qū)域有效的改良了退化的草地，草地的產(chǎn)草量、牧草品質(zhì)、抗災(zāi)害能力及物種多樣性均有明顯的提高，特別是人工增雨工程對緩解荒漠化的作用尤為顯著[58]。黑土灘治理區(qū)的植被覆蓋度由治理前的20%提高到80%以上。在近十幾年來的生態(tài)恢復(fù)工程的作用下，三江源的局部地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，遏制了工程實(shí)施區(qū)域的生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化的趨勢，草地生態(tài)壓力得以減輕，退化態(tài)勢有所減弱，使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸趨于合理。但值得注意的是，很多區(qū)域草地退化態(tài)勢好轉(zhuǎn)僅表現(xiàn)在長勢上，群落結(jié)構(gòu)并未發(fā)生好轉(zhuǎn)[56]，三江源草地“局部改善，總體惡化”的格局并沒有根本改變[2, 59]，三江源草地退化恢復(fù)及生態(tài)保護(hù)工程依然任重而道遠(yuǎn)。尤其是在當(dāng)前氣候條件惡化的背景之下，關(guān)于如何鞏固和發(fā)展當(dāng)前的工程成果，提高草地生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力，適應(yīng)不利的氣候變化趨勢的相應(yīng)工作應(yīng)該得到重視。

4 結(jié)論

本研究在模擬三江源草地實(shí)際NPP與潛在NPP的基礎(chǔ)上，定量分析了2001-2012年間三江源地區(qū)LUCC的時空格局，并對氣候變化、LUCC和草地管理措施對草地退化造成的影響進(jìn)行了定量的分析，主要結(jié)論如下：

1) 2001-2012年間，三江源草地總面積增加了6749 km2，新增草地主要由荒漠轉(zhuǎn)化而來。2012年草地的平均NPP相較2001年下降比例為5.47%，總NPP下降比例為5.00%。

2) 新增草地的NPP增加總量為1293.12 Gg C，其中由農(nóng)田轉(zhuǎn)化的草地占據(jù)最大比例。與此同時，2012年由轉(zhuǎn)出草地引起的NPP損失總量為215.42 Gg C，其中轉(zhuǎn)化為荒漠導(dǎo)致的NPP損失占最大比例。相對于土地覆蓋類型未變化的草地，LUCC引起的總NPP的變化量比較微小。

3) 2012年氣候總NPP比2001年下降了20.27%，而人為總NPP提升了41.51%。12年間氣候變化的趨勢不利于草地植被的生長，加劇了草地退化，而人為活動對草地植被的負(fù)面影響力有明顯減弱。

4) 12年間，由氣候因素引起的草地總NPP變化量為-165.28 Tg C，而管理措施引起的總NPP變化量為140.03 Tg C；LUCC導(dǎo)致的草地總NPP變化量分別為2.22 Tg C。草地管理措施的改進(jìn)對遏制草地退化起到了決定性作用。

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Quantitative assessment of relative roles of climate change and human activities on grassland net primary productivity in the Three-River Source Region, China

ZHANG Ying1, ZHANG Chao-Bin1, WANG Zhao-Qi1, YANG Yue1, ZHANG Yan-Zhen1, LI Jian-Long1*, AN Ru2

1.SchoolofLifeScience,NanjingUniversity,Nanjing210046,China； 2.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China

The Three-River Source Region (TRSR), a region with key importance for the ecological security of China, has been affected by climate change and by changes in human activities driven by a series of ecological restoration projects in recent decades. In this study, we analyzed land use and cover change (LUCC) in the TRSR and the consequent changes in grassland net primary productivity (NPP). For this analysis, we used the CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach) model, a climatic production model, and land use data for the study area from 2001 and 2012, which were derived from the MODIS global land cover product. The contributions of LUCC, land management measures, and climate change to NPP variations were analyzed quantitatively. The results showed that, during the 12 years, the net increase in grassland area was 6749 km2, and the average NPP and total NPP of grassland decreased by 5.47% and 5.00%, respectively. New grassland contributed 1293.12 Gg C (Gg=109g) to total NPP, while the loss of grassland led to a decrease of 215.42 Gg C. The climatic total NPP of grasslands decreased by 20.27% and the anthropogenic total NPP increased by 41.51%. These results indicate that climate conditions have negatively affected vegetation growth, whereas human activities have favorably affected vegetation recovery. The contributions of climate change, LUCC, and improved management measures to the variation in total NPP were -165.28 Tg C, 2.22 Tg C, and 140.03 Tg C, respectively. Therefore, improving grassland management measures can significantly reduce grassland deterioration due to climate change. Key words: net primary productivity (NPP); land use and cover change; grassland management measures; human activities; climate change; Three-River Source Region

10.11686/cyxb2016420

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-11-08；改回日期：2016-12-29

江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項(xiàng)目(SXGC[2014]287),國際APN全球變化項(xiàng)目(No.ARCP2015-03CMY-Li & CAF2015-RR14-NMY-Odeh),國家自然科學(xué)基金(41271361)和國家863計(jì)劃(2007AA10Z231)資助。

張穎(1986-)，女，山東泰安人，在讀博士。E-mail: binghuying@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail: jlli2008@nju.edu.cn, lijianlongnju@163.com

張穎, 章超斌, 王釗齊, 楊悅, 張艷珍, 李建龍, 安如. 氣候變化與人為活動對三江源草地生產(chǎn)力影響的定量研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(5): 1-14.

ZHANG Ying, ZHANG Chao-Bin, WANG Zhao-Qi, YANG Yue, ZHANG Yan-Zhen, LI Jian-Long, AN Ru. Quantitative assessment of relative roles of climate change and human activities on grassland net primary productivity in the Three-River Source Region, China. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(5): 1-14.