王子瀅,李周園,*,董世魁,符曼琳,李泳珊,李生梅,武勝男,馬春暉,馬天嘯,曹 越

1 北京林業(yè)大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,北京 100083

2 中國科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所),沈陽 110016

3 清華大學(xué)建筑學(xué)院景觀學(xué)系,北京 100084

青藏高原是世界上海拔最高、分布面積最大、自然地理環(huán)境最復(fù)雜的高原,是長江、黃河、雅魯藏布江、怒江、瀾滄江以及恒河和印度河等亞洲主要河流的發(fā)源地,被譽(yù)為“世界屋脊”、“地球第三極”與“亞洲水塔”。青藏高原強(qiáng)烈隆升所帶來的與周邊區(qū)域的海拔差異影響著中國乃至亞洲地區(qū)的大氣環(huán)流體系,形成了從熱帶到寒帶,從濕潤到干旱等多種氣候類型[1—3],造就了藏高原地區(qū)豐富的生物區(qū)系及生態(tài)系統(tǒng)多樣性,從東南向西北依次分布著森林、灌叢、草地、荒漠等自然生態(tài)系統(tǒng),鑲嵌分布著濕地生態(tài)系統(tǒng)、冰川生態(tài)系統(tǒng),在農(nóng)區(qū)與牧區(qū)之內(nèi)包含著不斷發(fā)展擴(kuò)張的城鎮(zhèn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。青藏高原整體是中國乃至亞洲的重要生態(tài)安全屏障,在水源涵養(yǎng)、水土保持、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、固碳增匯等方面發(fā)揮著基礎(chǔ)而關(guān)鍵的作用[4]。

20世紀(jì)80年代至今的近40年間,在全球變化與人類活動(dòng)加劇的作用下,青藏高原的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生著廣泛而深刻的變化,敏感脆弱的高寒草甸、荒漠草地出現(xiàn)大規(guī)模退化,同時(shí)高原局地經(jīng)歷著不同程度的冰川消融、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)墾殖、草地灌叢化以及生態(tài)修復(fù)保護(hù)等一系列空間格局的動(dòng)態(tài)演變,不同生態(tài)系統(tǒng)類型此消彼長、相互轉(zhuǎn)變。過去40年間也是遙感與地理信息技術(shù)迅猛發(fā)展與海量環(huán)境數(shù)據(jù)積累的階段,在全球關(guān)鍵區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測與宏觀生態(tài)學(xué)機(jī)制研究中取得長足進(jìn)展。利用衛(wèi)星遙感定期觀測和解譯的土地覆被與分類數(shù)據(jù),對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的宏觀時(shí)空格局動(dòng)態(tài)研究,主要集中于三個(gè)方面：(1)氣候變化下以高寒草地為主自然植被生態(tài)系統(tǒng)面積與質(zhì)量變化[5—9],(2)人為活動(dòng)對高原生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)與干預(yù)過程的監(jiān)測與評估[10—12],(3)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制的量化分析。以往的研究針對某一類或幾類相對獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)演變進(jìn)行剖析,對于全域各類生態(tài)系統(tǒng)的橫向比較和歸納甚少；對于外部驅(qū)動(dòng)因素的分析指標(biāo),以往很多研究選取自然或人為活動(dòng)中的幾個(gè)或一個(gè)變量相對獨(dú)立地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,未見有選取綜合的驅(qū)動(dòng)因素開展多層次的機(jī)制分析。特別地,隨著近年來時(shí)空數(shù)據(jù)分析與多元統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)方法的發(fā)展與普及,對于生態(tài)系統(tǒng)格局演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制的理論和實(shí)證探討朝向多元化和深層次發(fā)展,對于兼有時(shí)間和空間維度信息的關(guān)鍵變量的轉(zhuǎn)換與分析,成為解析和闡發(fā)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與過程之間因果耦合的有效途徑[13]。

青藏高原之所以是我國生態(tài)較為脆弱的區(qū)域是由于該區(qū)植被對氣候變化以及人類活動(dòng)的影響較為敏感[14],且近年來青藏高原整體暖濕化特征明顯,其中青藏高原大部分地區(qū)呈現(xiàn)降水量每10年增加2.2%的趨勢[15—16]。在自然以及人為因素的雙重影響下,青藏高原地區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不可避免的相互轉(zhuǎn)化[17],如氣候變暖可導(dǎo)致冰川、草地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)向濕地生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[18—19]。當(dāng)前,相關(guān)學(xué)者基于對地觀測與地理環(huán)境數(shù)據(jù)對青藏高原典型區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素開展了一系列研究[20]。Tong等[21]發(fā)現(xiàn)濕度差異和降水、蒸發(fā)變化引起的年際動(dòng)態(tài)是促成三江源區(qū)域水體與濕地發(fā)生格局改變的主要驅(qū)動(dòng)因子。而引起瑪曲草地生態(tài)系統(tǒng)面積消減的主要驅(qū)動(dòng)因子為人類活動(dòng)的增加[22]。張鐿鋰等[23]認(rèn)為,珠穆朗瑪峰自然保護(hù)區(qū)內(nèi)冰川等自然生態(tài)系統(tǒng)對于人類活動(dòng)以及自然因子的影響均表現(xiàn)出較為迅速的響應(yīng)。目前也有針對青藏高原全局尺度的土地利用景觀格局[24]以及土地覆被變化驅(qū)動(dòng)力[25]的相關(guān)研究,但深入解析青藏高原地區(qū)生態(tài)格局演變驅(qū)動(dòng)因素,仍有待進(jìn)一步采取綜合的自然與人為活動(dòng)指標(biāo),系統(tǒng)地構(gòu)建多層次歸因模型,量化外部環(huán)境對于具有不同特征的各類自然與人工生態(tài)系統(tǒng)變化的貢獻(xiàn)比率。

本研究基于土地利用覆被變化數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù),對青藏高原地區(qū)全域9類主要生態(tài)系統(tǒng),結(jié)合人為活動(dòng)強(qiáng)度、土壤侵蝕度和生物豐度等綜合化的驅(qū)動(dòng)因素空間數(shù)據(jù)集,對該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)宏觀演變特征、環(huán)境變化格局進(jìn)行研究,利用結(jié)構(gòu)方程模型定量計(jì)算驅(qū)動(dòng)作用關(guān)系,旨在探究如下科學(xué)問題：(1)青藏高原1980—2018年間生態(tài)系統(tǒng)的分布格局在時(shí)空上是如何演變的？(2)其變化的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制如何？本研究揭示的高原生態(tài)系統(tǒng)演變及驅(qū)動(dòng)因素的作用路徑,為系統(tǒng)剖析過去近40年間青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的演變與驅(qū)動(dòng)因素以及發(fā)展保護(hù)該地區(qū)生態(tài)屏障功能對策提供實(shí)證理論依據(jù)與科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

青藏高原位于中國的西南部,范圍為26°00′12″—39°46′50″ N,73°18′52″—104°46′59″ E,總面積為2.6×106km2,占全國陸地總面積的26.8%[26],主要包括青海省和西藏自治區(qū)全域,以及甘肅省西南部地區(qū)、四川北部地區(qū)、云南西北部、新疆維吾爾自治區(qū)南部地區(qū)[27]。青藏高原地處高原氣候區(qū),全域最冷月平均氣溫低達(dá)-15—10℃,大部分地區(qū)最暖月均溫<10℃[28]。從東南部海拔3500 m以上的橫斷山脈到中部海拔5000 m以上的唐古拉山,再到西北緣海拔6000 m以上的昆侖山[29],依次分布著森林、灌叢、草地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)等,水體與濕地、荒漠、冰川、農(nóng)田以及城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌其中(圖1)。

圖1 青藏高原海拔圖與生態(tài)系統(tǒng)類型分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

本研究中8期(1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年)柵格土地利用數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供(http://www.resdc.cn/),分辨率為30 m。該數(shù)據(jù)包含6個(gè)一級類型以及25個(gè)二級類型,對原始不同土地利用與覆被類型依生態(tài)系統(tǒng)屬性進(jìn)行劃分,得到9類青藏高原的生態(tài)系統(tǒng)類型,即森林、灌叢、草地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、冰川、水體與濕地、裸地、荒漠。將該9類生態(tài)系統(tǒng)中的森林、灌叢、草地、水體與濕地、冰川、裸地、荒漠,依據(jù)其主體物質(zhì)構(gòu)成劃分為以植被為主體和以無機(jī)環(huán)境要素為主體的兩類自然生態(tài)系統(tǒng),前者地表形態(tài)以植物覆蓋的有機(jī)生命體為主組成,而后者以不同形態(tài)的無機(jī)物或有機(jī)非生命體組成為主,即水、冰、二氧化硅、碳酸鈣、腐殖質(zhì)等。另外的農(nóng)田與城鎮(zhèn)作為人工生態(tài)系統(tǒng)單作一類(表1)。

表1 青藏高原土地覆被類型及其生態(tài)系統(tǒng)類型歸類

年均氣溫、年均降水?dāng)?shù)據(jù)(1980—2015年,共36期)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心平臺提供的全國氣象插值數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為1 km。數(shù)字高程數(shù)據(jù)來源于北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地理數(shù)據(jù)平臺(http://geodata.pku.edu.cn),空間分辨率為250 m,利用數(shù)字高程圖在QGIS 3.16里進(jìn)行坡度計(jì)算,生成以百分比為單位的坡度柵格圖層,以反映區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)形成與變化影響的海拔、坡度因素。土壤侵蝕度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心平臺,空間分辨率為1 km,用于定量反映土地要素對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)格局演變的作用。根據(jù)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能理論[30—31],考慮到生物豐度格局對于生態(tài)系統(tǒng)功能變化過程有直接效應(yīng),選取以2005年土地覆被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、依據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范所設(shè)置的轉(zhuǎn)化參數(shù),對不同生態(tài)系統(tǒng)賦予不同權(quán)重,生成生物豐度指數(shù)空間分布柵格圖層,該變量指單位面積上不同生態(tài)系統(tǒng)類型在生物物種數(shù)量上的差異,間接地反映被評價(jià)區(qū)域內(nèi)生物的豐貧程度,空間分辨率為1 km[32]。人類活動(dòng)相對強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源于荒野度指數(shù)(Wilderness Quality Index,WQI)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,已公開發(fā)表[33],空間分辨率為1 km。該圖層基于來自2015—2018年間的相關(guān)數(shù)據(jù)集,通過測度土地利用自然度、人口密度、距居民點(diǎn)遙遠(yuǎn)度、距道路遙遠(yuǎn)度、居民點(diǎn)密度和道路密度6項(xiàng)指標(biāo)并進(jìn)行加權(quán)線性疊加得到荒野度。利用該數(shù)據(jù)集,取差值方式計(jì)算得到量化人類活動(dòng)相對強(qiáng)度的綜合指數(shù)(Human Activity Index,HAI),

HAI=1-WQI

(1)

以上圖層以第二次青藏高原綜合科學(xué)考察所劃定的矢量邊界進(jìn)行統(tǒng)一裁剪并疊置圖層,以高斯克呂格統(tǒng)一投影坐標(biāo)系,以便后續(xù)計(jì)算和提取數(shù)值分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)格局演變量化

由于相鄰年份之間各類生態(tài)系統(tǒng)變化幅度不明顯,本研究選擇2000年為間隔,分別計(jì)算1980—2000年、2000—2018年以及1980—2018年期間不同類型生態(tài)系統(tǒng)面積相比較起始年份的變化比率。同時(shí),青藏高原生態(tài)系統(tǒng)面積建立分辨率為1 km的空間網(wǎng)格,對39年間每1 km網(wǎng)格內(nèi)9類典型生態(tài)系統(tǒng)所占百分比的動(dòng)態(tài)趨勢進(jìn)行線性回歸,以每10 a百分比(%/10a)為單位,用來反映不同生態(tài)系統(tǒng)宏觀動(dòng)態(tài)消長變化速率,利用Python語言編程處理得到生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化率柵格圖層。

1.3.2驅(qū)動(dòng)因素變化速率計(jì)算

驅(qū)動(dòng)因素?cái)?shù)據(jù)空間分辨率可綜合時(shí)間序列長度以及空間尺度特征,結(jié)合研究需要進(jìn)行選擇,且分辨率的大小對最后結(jié)果無顯著影響[34],因此本文選擇將氣溫、降水、海拔、坡度、人為活動(dòng)指數(shù)信息以及土壤侵蝕度、生物豐度指數(shù)等地理信息數(shù)據(jù)產(chǎn)品重采樣,建立分辨率為50 km的空間網(wǎng)格。對于動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)因素(氣溫、降水),分別計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)平均氣溫和降水的動(dòng)態(tài)變化速率,即以年均值作為因變量、時(shí)間序列的年份作為自變量進(jìn)行線性回歸,取得氣候因子斜率值分布,作為氣候驅(qū)動(dòng)因子的量化結(jié)果。

1.3.3驅(qū)動(dòng)因素綜合分析

本研究將上述處理得到的生態(tài)系統(tǒng)格局變化速率、氣候變化速率、海拔、坡度、人為活動(dòng)指數(shù)以及土壤侵蝕度、生物豐度指數(shù)的圖層數(shù)據(jù)匯總整合,作為驅(qū)動(dòng)因素,即自變量,以三大類生態(tài)系統(tǒng)的變化率加和作為量化生態(tài)格局演變的作用效益,即因變量,分別在R語言進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型計(jì)算。其中,結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)造中,根據(jù)以往研究基礎(chǔ)和知識提出先驗(yàn)假設(shè),以生態(tài)系統(tǒng)變化率作為解釋因變量的終點(diǎn)目標(biāo),氣候變化、地形地貌與人為活動(dòng)既對青藏高原生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變有直接作用,又可以通過影響植被地下的土壤侵蝕程度和植被本身的生物多樣性分布來間接作用生態(tài)系統(tǒng)的演變速率,即構(gòu)造一套以氣候變化、地形地貌以及人為活動(dòng)強(qiáng)度為外生變量、其他因子為內(nèi)生中間變量的多層次結(jié)構(gòu)方程模型(圖2),利用分步回歸的方式在‘piecewiseSEM’程序包里,利用采集得到的柵格圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模、檢驗(yàn)并計(jì)算變量之間的路徑系數(shù),完成驅(qū)動(dòng)因素分析。

圖2 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化與驅(qū)動(dòng)因子關(guān)系的概念圖

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)分布特征

青藏高原地區(qū)1980—2018年間的生態(tài)系統(tǒng)分布總體變化情況如表2所示。由表可知,由自然植被要素為主的生態(tài)系統(tǒng)(森林、草地、灌叢)是青藏高原最主要的自然生態(tài)系統(tǒng),1980年三者占青藏高原總面積的61.7%,2018年時(shí)三者面積占比變化不大,約為61.9%。以無機(jī)環(huán)境要素為主的生態(tài)系統(tǒng)(水體與濕地、冰川、荒漠、裸地)1980年整體占青藏高原全區(qū)總面積的36.0%,2018年占青藏高原全區(qū)面積的35.8%。對于人工生態(tài)系統(tǒng)(城鎮(zhèn)、農(nóng)田)而言,1980年代城鎮(zhèn)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)面積僅占青藏高原全域的2.2%,2018年二者總面積占青藏高原全域的2.3%。

表2 1980—2018年青藏高原生態(tài)系統(tǒng)面積/(×104 km2)

2.2 青藏高原生態(tài)格局時(shí)空變化特征

青藏高原生態(tài)格局時(shí)空變化的量化計(jì)算結(jié)果顯示,從表3可知,1980—2000年期間,森林、冰川以及荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積呈現(xiàn)負(fù)增長,其中冰川生態(tài)系統(tǒng)減少最為明顯,局部縮減達(dá)到28.1%,其余生態(tài)系統(tǒng)面積均呈現(xiàn)增加趨勢,其中人工生態(tài)系統(tǒng)(城鎮(zhèn)、農(nóng)田)增長率分別達(dá)到了7.9%和1.5%。2000—2018年間,森林、草地、冰川、荒漠以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)負(fù)增長趨勢,其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減少了1.8%,而城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)依舊呈現(xiàn)較高的增加幅度,達(dá)到30.2%,同時(shí)水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)面積增加也較多,達(dá)到1.7%?？傮w說來,以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)在近40年中,森林生態(tài)系統(tǒng)面積較1980年減少了0.3%,灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)則各增加了0.2%和0.4%；以無機(jī)環(huán)境要素為主的生態(tài)系統(tǒng)整體變化幅度大于自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng),其中冰川生態(tài)系統(tǒng)面積減少幅度最大,減少了28.2%,水體與濕地與裸地生態(tài)系統(tǒng)則分別增加了2.4%和1.8%。人工生態(tài)系統(tǒng)中城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)增幅較大,40年間增加了近40.4%,而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)則呈現(xiàn)先增后降的趨勢。

表3 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)面積平均變化比率/%

圖3展示了各類生態(tài)系統(tǒng)變化速率的空間分布,在1980—2018年間,青藏高原東北緣祁連山脈至橫斷山脈以及岡底斯山脈附近的森林生態(tài)系統(tǒng)面積變化呈現(xiàn)增加趨勢,西藏高原東南緣至念青唐古拉山脈的森林生態(tài)系統(tǒng)面積減少,同時(shí)該區(qū)域也是灌叢生態(tài)系統(tǒng)變化集中發(fā)生的地區(qū)。青藏高原昆侖山以西至喜馬拉雅山以北地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)面積的減少率高達(dá)33%/10a,其余地區(qū)大部分草地生態(tài)系統(tǒng)的變化率則呈現(xiàn)正增長。水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化則與草地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出相反的態(tài)勢。冰川生態(tài)系統(tǒng)消減速率較快,部分地區(qū)可達(dá)-25.0%/10a,但有仍有區(qū)域冰川生態(tài)系統(tǒng)處于擴(kuò)張趨勢,增長速率達(dá)到8%/10a。西藏西部裸地與荒漠生態(tài)系統(tǒng)增加速率較快,速率分別可達(dá)32%/10a以及15%/10a。在青藏高原東部省份內(nèi),人工生態(tài)系統(tǒng)如農(nóng)田以及城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張明顯,呈現(xiàn)正增長的趨勢。

圖3 1980—2018年青藏高原九類主要生態(tài)系統(tǒng)變化速率空間分布格局

2.3 青藏高原生態(tài)格局演變的潛在驅(qū)動(dòng)機(jī)制

圖4顯示了1980—2018年青藏高原的氣溫變化速率格局,全域氣溫變化速率介于-0.01—0.22 0.1℃/10a之間。溫度每10年的變化速率在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分布,西北邊緣以及東南地區(qū)呈現(xiàn)氣溫降低的趨勢,中部地區(qū)氣溫呈現(xiàn)增加的趨勢。圖4顯示了1980年至2018年青藏高原地區(qū)的降水變化速率格局,全域降水變化速率介于-15—25 mm/10a。同樣的,降水變化速率也呈現(xiàn)出一定的空間規(guī)律,從西部到東部逐漸降低。圖4還顯示了青藏高原地區(qū)的土壤侵蝕度以及人為活動(dòng)指數(shù)的空間格局分布,土壤侵蝕程度較高的地區(qū)集中在柴達(dá)木盆地以及青藏高原西南部,人為活動(dòng)指數(shù)則呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異特征,青藏高原東南邊緣人為活動(dòng)指數(shù)超過0.5。

圖4 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵自然與人為驅(qū)動(dòng)因子空間格局

結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果可知(圖5),氣溫、降水、海拔、土壤侵蝕度以及生物豐度對以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)演變的速率的影響是負(fù)向顯著的,其路徑系數(shù)分別為-0.21、-0.13、-0.20、-0.34和-0.56,只有坡度對其演變速率的影響是正向顯著的,其路徑系數(shù)為0.25。而對于以無機(jī)環(huán)境要素為主的生態(tài)系統(tǒng)而言,氣溫、降水、海拔、土壤侵蝕度以及生物豐度對其演變的速率的影響是正向顯著的,其路徑系數(shù)分別為0.20、0.13、0.24、0.34和0.58,只有坡度對其演變速率的影響是負(fù)向顯著,路徑系數(shù)為-0.27。僅有海拔顯著負(fù)向影響人工生態(tài)系統(tǒng)的演變速率,其路徑系數(shù)為-0.13。

氣溫、降水、海拔、坡度以及人為活動(dòng)的變化能直接對以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)、以無機(jī)環(huán)境要素為主的生態(tài)系統(tǒng)以及人工生態(tài)系統(tǒng)的演變速率產(chǎn)生影響,也可通過改變土壤侵蝕度以及生物多樣性間接對三大類生態(tài)系統(tǒng)的演變速率產(chǎn)生影響。通過直接連接和間接連接路徑乘積并按不同驅(qū)動(dòng)因素加和計(jì)算可知(圖5),以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)的演變速率與除坡度以外的環(huán)境因子變化之間的耦合關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)反饋和保守性的變化,以無機(jī)環(huán)境要素為主的生態(tài)系統(tǒng)的演變速率與環(huán)境變化之間的耦合關(guān)系則呈現(xiàn)相反的態(tài)勢。綜合來看,直接驅(qū)動(dòng)因子中氣溫變化因子以及間接驅(qū)動(dòng)因子中的生物豐度因子對不同脆弱性的生態(tài)系統(tǒng)演變速率有著較大的影響。而對人工生態(tài)系統(tǒng)而言,只有海拔因子對于其演變速率有著相對較大的影響。

圖5 青藏高原生態(tài)格局演變驅(qū)動(dòng)因素分析的結(jié)構(gòu)方程模型量化結(jié)果

3 討論

引起青藏高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局演變的因素錯(cuò)綜復(fù)雜,自然以及人為因素則是造成其變化的主要原因。通過本研究發(fā)現(xiàn),氣溫是本研究分析的驅(qū)動(dòng)因素中,對青藏高原生態(tài)格局變化速率影響最大的因子。近40年來青藏高原地區(qū)整體增溫現(xiàn)象明顯,表現(xiàn)出高于全球增溫幅度的暖化現(xiàn)象[35],青藏高原地區(qū)的降水情況則存在區(qū)域分異的情況,大部分地區(qū)降水量每10年增加2.2%,局部地區(qū)如青藏高原東部以及東南部地區(qū)年降水量則產(chǎn)生下降趨勢[15—16, 36],氣候整體呈現(xiàn)暖濕以及冷干的組合。本研究顯示氣溫以及降水可以直接或者通過改變土壤侵蝕程度或是生物豐度間接影響不同類型生態(tài)系統(tǒng)格局的演變速率,同時(shí)氣溫、降水還可以通過影響土壤的礦化程度[37]、濕度[38],或是植被物候[39]、植被指數(shù)[40]來進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)格局的演變。本研究中以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)(森林、灌叢、草地)演變速率隨著氣溫、降水以及海拔變化幅度的增加而減慢,抵抗力較強(qiáng),表現(xiàn)出相對保守的演變特征。造成該現(xiàn)象的原因主要有以下三方面：(1)該類生態(tài)系統(tǒng)具有相對復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)、多樣的物種以及多層次的營養(yǎng)級,在面對外界擾動(dòng)時(shí),具有更強(qiáng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性[41—43]。在考慮降水量的條件下,森林、灌叢生態(tài)系統(tǒng)所在地區(qū)擁有更低的土壤侵蝕強(qiáng)度,較高植被覆蓋度的草地生態(tài)系統(tǒng)也可以緩解一部分由降水所帶來的侵蝕力[44]。(2)氣候的改變創(chuàng)造了更有利于森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)面積增加的條件。由于青藏高原地區(qū)森林、灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)對于熱量及水分的需求處于虧欠的狀態(tài),氣溫與降水的增加大大緩解了它們對于水分及熱量的需求,降低灌叢因低溫而導(dǎo)致死亡的概率[45],增加草地凈初級生產(chǎn)力[15],使其能夠保持原有的狀態(tài)正常生長,并不會(huì)出現(xiàn)極大速率的改變。(3)暖濕以及冷干的氣候分異導(dǎo)致青藏高原生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)總體趨好,局部變差的態(tài)勢。隨之可能帶來的就是部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)分布面積增加,部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化,面積減少[15],再加之大部分森林、灌叢、草地生態(tài)系統(tǒng)在這三者內(nèi)相互轉(zhuǎn)移,因此從青藏高原這一大范圍來看,雖局部地區(qū)變化明顯,但整體依舊呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定的格局狀態(tài)。

本研究中以無機(jī)要素環(huán)境為主的生態(tài)系統(tǒng)(水體與濕地、冰川、荒漠、裸地)表現(xiàn)出的韌性有限,隨環(huán)境變化而改變迅速,對環(huán)境擾動(dòng)敏感,具有較高的脆弱性。造成該趨勢的原因可能有以下兩方面：(1)以水為組成主體的冰川以及水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)對氣溫變化極為敏感。在近幾十年內(nèi),81%的冰川生態(tài)系統(tǒng)處于退縮狀態(tài)[46],冰川融水以及地表徑流量變化將導(dǎo)致水體與濕地生態(tài)系統(tǒng)分布呈現(xiàn)局部擴(kuò)張的格局[47]。(2)該大類生態(tài)系統(tǒng)植被覆蓋較為稀疏,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。青藏高原整體“暖濕化”的趨勢可能會(huì)在青藏高原局部地區(qū)帶來集中降水,冰雹與暴雪的產(chǎn)生將會(huì)對擁有稀疏植被覆蓋的荒漠以及裸地生態(tài)系統(tǒng)表面產(chǎn)生嚴(yán)重影響,如在地勢陡峭區(qū)域則會(huì)引發(fā)泥石流、滑坡等自然災(zāi)害,加劇土壤侵蝕程度,對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的破壞。本研究中人工生態(tài)系統(tǒng)(城鎮(zhèn)、農(nóng)田)的變化速率除隨著坡度增加而減慢以外,受其他自然因素的影響較小。這可能是因?yàn)槿斯ど鷳B(tài)系統(tǒng)受較強(qiáng)的人為意識的控制,人類選擇的低海拔的平緩地區(qū)更有利于農(nóng)田以及城鎮(zhèn)的擴(kuò)張。

總地來講,可以歸納指出青藏高原以植被為主體的自然生態(tài)系統(tǒng),空間上發(fā)生的消長變化反映其對環(huán)境的響應(yīng)主要由地表植被與環(huán)境互作,對外部環(huán)境改變具有生態(tài)幅的適應(yīng)度,反映無機(jī)非生命體所沒有的特質(zhì),有機(jī)生命體組成的植被對氣候響應(yīng)通過有機(jī)組分和生理生態(tài)過程,其呈現(xiàn)的負(fù)反饋關(guān)系表示了青藏高原的植被具有典型的自適應(yīng)和滯后性的復(fù)雜系統(tǒng)的特征[48—49]；而對于以無機(jī)環(huán)境要素為主體的自然生態(tài)系統(tǒng),其宏觀動(dòng)態(tài)變化最主要反映的是非有機(jī)生命體對外部環(huán)境變化的響應(yīng),如冰川消融、水流侵蝕、水體和風(fēng)沙輸運(yùn)等過程,該生態(tài)系統(tǒng)下所包含的生命有機(jī)體總量低,整體所體現(xiàn)韌性幅度窄,對環(huán)境改變的響應(yīng)反饋即時(shí)迅速[50—52]。

人為活動(dòng)因子作為驅(qū)動(dòng)因素之一放大了自然因子對于生態(tài)系統(tǒng)格局演變的作用。本研究得出的結(jié)果表明,從青藏高原全域的尺度來看,近40年內(nèi)人為活動(dòng)強(qiáng)度對各大類生態(tài)系統(tǒng)格局的演變的影響尚不明顯,但有研究表明在人口密集區(qū)域,人為活動(dòng)相較于氣候影響,對植被施加了更大的壓力[53—54]。對生態(tài)資源利用的不恰當(dāng)行為如森林采伐、過度放牧、煤礦開采、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)等都對各類生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了一系列負(fù)面影響[47, 55],其中過度放牧等人類活動(dòng)是導(dǎo)致青藏高原高寒草地加速退化的重要因素[56—57],但是積極的人為活動(dòng)如生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程、退牧還草工程以及國家公園建設(shè)等措施都對生態(tài)系統(tǒng)分布格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量起到了正向的調(diào)節(jié)作用[58—59]。

4 結(jié)論

本文通過對1980—2018年歸納后的青藏高原生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化特征以及造成其變化的驅(qū)動(dòng)因素分析可得：

(1)近40年期間,青藏高原全域內(nèi)各類生態(tài)系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定,其中以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)(森林、灌叢、草地)面積占比大,總計(jì)可達(dá)61.9%,以無機(jī)要素環(huán)境為主的生態(tài)系統(tǒng)(水體與濕地、冰川、荒漠、裸地)平均占比分別約為4.6%、1.5%、12.2%、0.2%,人工生態(tài)系統(tǒng)(城鎮(zhèn)、農(nóng)田)平均占比分別約為0.1%以及2.1%。以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)(森林、灌叢、草地)面積隨年份的增加變化幅度不大,分別變化了-0.3%、0.2%和0.4%,森林生態(tài)系統(tǒng)變化速率發(fā)生較快地區(qū)為青藏高原東部祁連山脈、橫斷山脈以及念青唐古拉山脈地區(qū),青藏高原整體灌叢增加速率顯著大于灌叢面積減小速率,在東南橫斷山脈附近局部擴(kuò)張最高可達(dá)約7%/10a。草地生態(tài)系統(tǒng)波動(dòng)速率最大,局部可達(dá)30%/10a。無機(jī)要素環(huán)境為主的生態(tài)系統(tǒng)(水體與濕地、冰川、荒漠、裸地)中冰川生態(tài)系統(tǒng)面積變化率最高,達(dá)到了-28.2%,其中喜馬拉雅山脈的冰川消減最為明顯。人工生態(tài)系統(tǒng)(城鎮(zhèn)、農(nóng)田)中城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)變化幅度最大,增加了約40.4%,其中城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)在省會(huì)地區(qū)變化較為明顯,青海省東部、四川省、云南省以及西藏自治區(qū)東南部的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)變化較為劇烈。

(2)本研究中氣溫、降水、海拔、土壤侵蝕度以及生物豐度因子對以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)(森林、灌叢、草地)和無機(jī)要素環(huán)境為主的生態(tài)系統(tǒng)(水體與濕地、冰川、荒漠、裸地)的演變速率有著顯著影響,從影響程度來看,氣溫變化這一直接驅(qū)動(dòng)因素的總路徑系數(shù)最大。以自然植被為主的生態(tài)系統(tǒng)在外部環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素的影響下反映出具有相對高的抵抗力,具有一定的保守性；而無機(jī)要素環(huán)境為主的生態(tài)系統(tǒng)隨環(huán)境變化而改變迅速,對環(huán)境擾動(dòng)敏感,具有一定脆弱性。因此根據(jù)上述關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)和實(shí)證量化結(jié)果,保護(hù)面積最大、韌性最強(qiáng)、具有較強(qiáng)恢復(fù)潛力的森林、灌叢和草地生態(tài)系統(tǒng)將更有利于發(fā)揮青藏高原的生態(tài)屏障功能。