生態(tài)工程前后三江源草地產(chǎn)草量與載畜壓力的變化分析

張良俠，樊江文，邵全琴，唐風沛，張海燕，李愈哲

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國礦業(yè)大學，北京100083）

“三江源”位于青海省南部，是中國長江、黃河、瀾滄江三大重要河流的發(fā)源地，素有“中華水塔”之稱，是中國生態(tài)環(huán)境安全和水源涵養(yǎng)的關鍵地區(qū)，同時也是中國生態(tài)系統(tǒng)最敏感的地區(qū)［1－3］。然而，由于氣候變化的影響，加之人類不合理地開發(fā)利用，三江源區(qū)出現(xiàn)了草地退化沙化加劇、水土流失嚴重、河流斷流、湖泊減少等生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象［4－8］，嚴重影響了該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并對其他相關地區(qū)的生態(tài)安全造成嚴重威脅。為保護和修復這一重要生態(tài)屏障，自2000年以來，國家先后批準成立了三江源國家級自然保護區(qū)，并于2005年投資75億元批準實施了《三江源自然保護區(qū)生態(tài)保護和建設工程》，開展生態(tài)恢復和治理工作。該工程建設內(nèi)容包括退牧還草，已墾草原還草，退耕還林，生態(tài)惡化土地治理，森林草原防火，草地鼠害治理，水土保持和保護管理設施與能力建設等8項［9］。

有研究表明，三江源生態(tài)工程的實施，對三江源區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響。如，邵全琴等［10］基于土地覆被轉(zhuǎn)類指數(shù)和土地覆被狀況指數(shù)，指出三江源區(qū)土地覆被和宏觀生態(tài)狀況在生態(tài)工程實施前表現(xiàn)為顯著變差，生態(tài)工程實施后則表現(xiàn)為略有好轉(zhuǎn)。李輝霞等［11］利用spot vegetation的逐旬歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)生態(tài)工程對三江源區(qū)植被的生長起到了積極的促進作用。另外，大多數(shù)三江源自然保護區(qū)的水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性保護等主要生態(tài)服務功能，在工程實施后呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)態(tài)勢［10］。賴敏等［12］對生態(tài)工程實施前后三江源自然保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估和分析，結果表明工程實施期間保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。作為三江源地區(qū)的主體生態(tài)系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)的變化是該區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況改變的關鍵。針對工程實施前的草地本底狀況，樊江文等［13－14］基于GLO－PEM模型和載畜壓力指數(shù)分別分析了工程實施前（1988－2005年）的草地產(chǎn)草量和載畜壓力的時空動態(tài)及驅(qū)動機制。然而，在工程實施之后，在氣候波動和人類恢復行動的疊加作用下，三江源地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)牧草供給功能和草畜平衡又會發(fā)生怎樣的變化，這是亟待討論的問題。因此，本研究擬通過計算1988－2012年三江源區(qū)草地產(chǎn)草量和載畜壓力指數(shù)，并對工程實施前后三江源區(qū)的草地產(chǎn)草量和載畜壓力進行比較，來探討氣候變化和人類活動對三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)牧草供給和草畜平衡的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源位于青海省南部（31°39′～36°12′N，89°45′～102°23′E），其行政區(qū)域包括瑪多、瑪沁、達日、甘德、久治、班瑪、稱多、雜多、治多、曲瑪萊、囊謙、玉樹、興海、同德、澤庫、河南等16個縣，以及格爾木市代管的唐古拉山鄉(xiāng)，總面積為36.3萬km2（圖1）。地形以山地地貌為主，山脈綿延、地勢高聳，海拔為3335～6564m。氣候?qū)俚湫偷母咴箨懶詺夂?，年平均氣溫為?.6～3.8℃，年平均降水量262.2～772.8mm［9］。

據(jù)統(tǒng)計，三江源地區(qū)擁有草地面積20.3萬km2，占源區(qū)總面積的65.4%［15］。該地區(qū)的草地類型由東南向西北總體上依次出現(xiàn)高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠的過渡（圖1）。高寒草甸以嵩草（Kobresiaspp.）等植物為優(yōu)勢種，高寒草原以寒冷旱生的多年生密叢禾草和莎草，如紫花針茅（Stipapurpurea）、青藏苔草（Carex moorcroftii）、紫羊茅（Festucarubra）、羊茅（Festucaovina）、沙生蒿（Artemisiadesertorum）等占優(yōu)勢。在草地利用上，該地區(qū)的草地分為冬春和夏秋兩季草場，且冬春和夏秋草場的比例大致為1.0∶1.2［16］。由于冬春草場放牧時間長，放牧壓力大，導致冬春季節(jié)草地退化尤為嚴重［17－18］。依據(jù)青海省三江源生態(tài)建設工程辦公室提供的數(shù)據(jù)，三江源區(qū)目前飼養(yǎng)草食家畜約1600萬羊單位。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

1.2 草地產(chǎn)草量計算

1988－2012年的草地產(chǎn)草量通過植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）來計算。草地植被NPP的計算采用全球生產(chǎn)效率（GLO－PEM）模型，該模型是基于遙感數(shù)據(jù)估算陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的光能利用率生產(chǎn)力模型［19］。

GLO－PEM模型采用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。其中，遙感數(shù)據(jù)為1988－2012年以來Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）的歸一化植被指數(shù)（NDVI，1km空間分辨率），該數(shù)據(jù)由中國氣象局氣象衛(wèi)星中心提供。本研究根據(jù)NOAA公布的最新校正方法和校正系數(shù)重新進行了輻射訂正，并采用手工幾何校正的方式，對該數(shù)據(jù)進行了精確的幾何糾正。在此NDVI數(shù)據(jù)基礎上，采用Liu等［20］開發(fā)的冠層輻射傳輸算法，反演獲得用于模型輸入的光合有效輻射比例（FPAR）。氣象數(shù)據(jù)包括光合有效輻射，氣溫及降水等，由中國氣象局和青海省氣象局提供。在覆蓋研究區(qū)的13個站點氣象數(shù)據(jù)基礎上，利用ANUSPLIN軟件進行空間插值，獲得了1988年以來氣溫、降水、相對濕度、風速、光合有效輻射等空間插值數(shù)據(jù)（1km空間分辨率）作為模型輸入。在此基礎上，利用GLO－PEM模型模擬了1988年以來三江源區(qū)草地植被逐年NPP。

草地產(chǎn)草量計算主要以GLO－PEM模型獲取的逐年NPP為基礎數(shù)據(jù)，通過NPP地上/地下分配，估算草地的產(chǎn)草量。

其中，GY為草地產(chǎn)草量，ANPP為植被地上部分生產(chǎn)力，BNPP為植被地下部分生產(chǎn)力。

BNPP計算采用了Gill等［21］提出的草地植被地下生產(chǎn)力計算方法。

其中，BGB為草地植被地下部分（根系）生物量；live BGB/BGB為活根系生物量占總根系生物量的比例；turnover為草地植物根系周轉(zhuǎn)值。

在本研究中，BGB和ANPP分別采用2003－2005年我們在三江源地區(qū)測定的高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、高寒荒漠草原和溫性草原等各類草地地下生物量和地上生產(chǎn)力的樣方數(shù)據(jù)；live BGB/BGB取值0.79（周興民［22］2002年在青海地區(qū)測定的實測值）。

研究區(qū)31個樣點的野外測定產(chǎn)草量與模型模擬的NPP獲取得到的產(chǎn)草量具有較好的相關性（R2＝0.54，P＜0.01）［13］。因此，本研究獲取的草地產(chǎn)草量具有可信性。

1.3 草地載畜壓力計算

為了分析和評價放牧對三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響，本研究采用“草地載畜壓力指數(shù)”的概念以評價不同草場的草畜矛盾特征：

其中，Ip為草地載畜壓力指數(shù)；Cs為草地現(xiàn)實載畜量，即單位面積草地實際承載的羊單位數(shù)量（標準羊單位/667 m2）；Cl為草地理論載畜量。如果Ip＝1，則Cs＝Cl，表明草地載畜量適宜；如果Ip＞1，表明草地超載；如果Ip＜1，則表明草地尚有載畜潛力。草地現(xiàn)實載畜量Cs的計算公式為：

其中，Cn為年末家畜存欄數(shù)，按羊單位計算，大的家畜按4個羊單位計算。其數(shù)據(jù)來源于青海省環(huán)境監(jiān)測中心站提供的統(tǒng)計資料；Ch為家畜出欄率，根據(jù)三江源的實際情況，按30%計算；Ar為草地面積（667m2）；Gt為草地放牧時間，根據(jù)三江源的實際情況，1988－1999年家畜在冬場草地的放牧時間按240d計算，夏場放牧時間按125d計算；2000－2012年家畜在冬場放牧時間按210d計算，在夏場放牧時間按155d計算（根據(jù)青海省草原站提供的數(shù)據(jù)，三江源區(qū)季節(jié)草地的放牧時間在2000年左右進行了調(diào)整）。

其中，Cl為草地理論載畜量，即單位面積草地可承載的羊單位（標準羊單位/hm2）；Ym為草地單位面積草地的產(chǎn)草量（kg/hm2）；Ut為牧草利用率，根據(jù)三江源草地的實際情況，按70%計算；Co為草地可利用率，根據(jù)三江源草地的實際情況，按91.45%計算；Ha為草地可食牧草比率，根據(jù)三江源草地的實際情況，草地可食牧草產(chǎn)量按占產(chǎn)草量的80%計算；Sf為一個羊單位家畜的日食量，根據(jù)有關標準，每羊單位按每天采食4kg鮮草計算；Df為牧草干鮮比，根據(jù)有關標準，牧草的干重與鮮重的比例按1∶3計算；Gt為草地放牧時間，與公式（5）一致。季節(jié)草場的平均理論載畜量按各季節(jié)草場面積的加權平均計算。

2 結果與分析

2.1 工程前后草地產(chǎn)草量的變化

據(jù)測算，自2005年三江源生態(tài)保護和建設工程實施以來，該地區(qū)草地的牧草產(chǎn)草量明顯提高。工程開始前17年（1988－2004年）的草地平均產(chǎn)草量為533kg/hm2，生態(tài)工程實施后8年（2005－2012年）草地平均產(chǎn)草量為694kg/hm2，相比產(chǎn)草量提高了30.31%（圖2）。

圖2 生態(tài)工程實施前后草地產(chǎn)草量比較Fig.2 Comparison of the grassland yield before and after the ecological protection and construction project

盡管三江源地區(qū)的草地產(chǎn)草量在工程實施后明顯提高，但在區(qū)域空間上提高的程度則明顯不同，表現(xiàn)出較明顯的區(qū)域分異特點。總體來說，三江源北部和東部地區(qū)的草地產(chǎn)草量提高幅度較大（圖3，圖4），其中興海縣提高了52.89%，治多縣提高了38.01%，唐古拉鄉(xiāng)提高了34.20%，瑪多縣提高了33.57%，曲麻萊縣提高了54.03%；而南部地區(qū)草地產(chǎn)草量的提高幅度相對較小，其中玉樹縣提高了9.91%，囊謙縣提高了12.81%，雜多縣提高了16.62%左右；其余各縣草地產(chǎn)草量均有中等幅度的提高（圖5）。

圖3 工程開始前17年（1988－2004年）（a）與工程實施后8年（2005－2012年）（b）平均產(chǎn)草量的空間格局Fig.3 Spatial pattern of the mean grassland yield before the ecological protection and construction project（1988－2004）（a）and after the project（2005－2012）（b）

圖4 三江源生態(tài)工程實施前后多年平均產(chǎn)草量的變化Fig.4 The difference of the mean grassland yield before and after the ecological protection and construction project

從產(chǎn)草量變化的時間序列看，從1988－2012年的25年中，三江源草地產(chǎn)草量總體呈增加的趨勢。在工程實施前的1988－2004年的17年中，草地產(chǎn)草量年度間波動很大（年度變異系數(shù)11.9%），但其變化總趨勢較為穩(wěn)定；工程實施后的2005－2012年，草地產(chǎn)草量年度波動也較大（變異系數(shù)11.6%），且其總體水平明顯高于工程前。上述草地產(chǎn)草量年度變化趨勢和波動現(xiàn)象，表明年度氣候因素對產(chǎn)草量的變化起了決定性作用。

2.2 工程前后草地載畜壓力的變化

三江源生態(tài)保護和建設工程的減畜工作始于2003年，自減畜工程實施以來，整個三江源地區(qū)家畜數(shù)量減少明顯（圖6）。減畜工程實施后（2003－2012年）家畜年平均數(shù)量已降至1541.27萬羊單位，與工程前15年（1988－2002年）平均1958.0萬羊單位相比，減幅達21.3%。

圖5 各縣工程實施前后平均產(chǎn)草量變化對比Fig.5 Comparison of the mean grassland yield for each county before and after the ecological protection and construction project

圖6 三江源全區(qū)1988年以來家畜存欄數(shù)變化Fig.6 Yearly changes of livestock number for the region from 1988to 2012

自1988年以來，草地現(xiàn)實載畜量持續(xù)下降，而理論載畜量有所提高（圖7）。在減畜工程實施前的15年（1988－2002年）中，三江源地區(qū)草地的現(xiàn)實載畜總量平均為2545.4萬羊單位，2003年減畜工程實施以來（2003－2012年）現(xiàn)實載畜總量平均為2003.7萬羊單位，現(xiàn)實載畜量降低了21.3%；理論載畜量則由工程實施前（1988－2002年）的1132.7萬羊單位增加為減畜工程實施以來（2003－2012年）的1292.1萬羊單位，理論載畜量增加了22.9%。

圖7 三江源地區(qū)草地現(xiàn)實載畜量和理論載畜量的年度變化Fig.7 Changes of grassland standing and proper carrying capacity in the region

減畜工程實施后，三江源地區(qū)草地的載畜壓力指數(shù)明顯降低，且具有逐年下降的趨勢（圖8）。統(tǒng)計表明，減畜工程前15年（1988－2002年）的平均載畜壓力指數(shù)為2.29，即草地超載約1.29倍；減畜工程實施以來（2003－2012年）平均載畜壓力指數(shù)為1.46，即超載0.46倍，兩者相比較降低了36.1%。這表明，三江源地區(qū)草地的載畜壓力逐漸減小，草地減畜工程取得初步成效。

圖8 1988－2012年三江源草地載畜壓力指數(shù)變化趨勢Fig.8 Changes of grazing pressure index in grassland of the region

3 討論

生態(tài)保護和建設工程實施后，三江源全區(qū)草地產(chǎn)草量普遍提高。工程實施后的2005－2012年8年的草地平均產(chǎn)草量比工程實施前1988－2004年17年的平均產(chǎn)草量提高了30.31%。該研究結果同劉憲鋒等［23］得出的三江源區(qū)近10年植被覆蓋度呈增加趨勢相一致。三江源區(qū)產(chǎn)草量的提高主要歸因于生態(tài)保護和建設工程的實施以及氣候暖濕化。依據(jù)青海省草原總站提供的草地監(jiān)測報告，生態(tài)保護和建設工程中的草地治理與保護項目，如，退牧還草，黑土灘綜合治理和草地鼠害防治工程的實施，均會提高工程區(qū)內(nèi)草地覆蓋度與生產(chǎn)力，從而提高草地產(chǎn)草量。邵全琴等［24］的研究也表明，生態(tài)工程實施后，草地類自然保護區(qū)內(nèi)草地面積處于擴張趨勢，植被覆蓋度呈增加趨勢，同時NPP呈現(xiàn)波動上升趨勢。另外，在生態(tài)工程中的人工增雨項目與氣候波動共同作用下，2005年后全區(qū)降水量呈增加趨勢［1，23，25］。如，2005－2009年全區(qū)年降水量較1975－2004年增加了61mm。2006－2011年，人工增雨使得三江源區(qū)總降水量共增加了388.48億m3（表1）。降水量的變化，對草地產(chǎn)草量的提高起到了積極的促進作用。同時，近幾十年來三江源地區(qū)氣溫呈增加趨勢［4，26－29］，且年平均氣溫的升高主要是由最低氣溫升高引起［28］。溫度的升高會導致植被返青期提前，從而提高草地產(chǎn)量。

表1 2006－2011年三江源地區(qū)人工增雨作業(yè)情況［30］Table 1 The artificial precipitation operation effect in the region from 2006to 2011 ×108 m3

研究結果顯示，減畜工程實施后，三江源全區(qū)載畜壓力明顯減輕。2003－2012年平均載畜壓力指數(shù)比1988－2002年15年平均載畜壓力指數(shù)下降了36.1%，表明生態(tài)工程對減輕草地載畜壓力產(chǎn)生了積極的影響。草地載畜壓力的明顯減輕主要是由草地產(chǎn)草量提高引起的理論載畜量增加和減畜工程造成的現(xiàn)實載畜量降低所決定的。第一，草地產(chǎn)草量的提高，使草地的理論載畜量有所增加。由公式（6）可以看出，產(chǎn)草量的增加會提高草地的理論載畜量。本研究結果表明，三江源全區(qū)2003－2012年的產(chǎn)草量較1988－2002年高，從而導致理論載畜量相應增加了22.9%。第二，大幅度的減畜工作使得三江源地區(qū)的家畜數(shù)量明顯減少，草地現(xiàn)實載畜量明顯下降。生態(tài)工程實施以來，三江源全區(qū)減畜工作取得了明顯成效，平均減畜比例超過20%，這對遏制草地嚴重退化的局面十分有利。同時，冬春場過重的放牧壓力在一定程度上逐漸由原來壓力相對較輕的夏場所承擔，即季節(jié)草場向均衡利用的方向發(fā)展，也使得草地載畜壓力指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢［14］。上述兩方面的原因，造成該地區(qū)的草畜矛盾趨緩，草地生態(tài)系統(tǒng)壓力減輕。

盡管生態(tài)工程對草地生態(tài)系統(tǒng)恢復已取得了一定的成效，但其成效具有局限性和初步性［1］。草地生態(tài)系統(tǒng)恢復所取得的成果，是由生態(tài)工程和氣候變化共同作用的結果，且氣候變化的貢獻大于生態(tài)工程。如，李輝霞等［11］通過將氣候變化與人類活動對植被歸一化植被指數(shù)（NDVI）的貢獻進行分離，得出氣候要素和人類活動對三江源地區(qū)植被NDVI的貢獻分別為79.32%和20.68%。可見，與實施8年的生態(tài)工程相比較，氣候因素對草地產(chǎn)草量的提高起了決定性作用。同時，草地退化態(tài)勢好轉(zhuǎn)僅表現(xiàn)在長勢上，群落結構并未發(fā)生好轉(zhuǎn)［1，24］。這表明，草地恢復是一項長期艱巨的任務，盡管三江源生態(tài)工程取得了一定的成效，應按照長期管護、鞏固成果的需求，建立生態(tài)保護和建設的長期機制。另外，減畜措施后的2003－2012年三江源平均載畜壓力指數(shù)為1.46，即草地超載0.46倍，表明三江源地區(qū)草地仍處于超載狀態(tài)。周華坤等［29］研究表明，超載過牧是三江源區(qū)草地退化的主要原因。因此，我們建議三江源草地恢復和治理的重點應繼續(xù)放在減畜減壓上。

4 結論

本研究基于GLO－PEM模型和載畜壓力指數(shù)，對比分析了三江源地區(qū)實施生態(tài)工程之后草地產(chǎn)草量和載畜壓力的變化。結果表明，工程實施后三江源全區(qū)草地產(chǎn)草量普遍提高，載畜壓力明顯減輕。其中，2005－2012年的草地平均產(chǎn)草量（694kg/hm2）較工程實施前1988－2004年的平均產(chǎn)草量（533kg/hm2）提高了30.31%；2003－2012年的平均載畜壓力指數(shù)（1.46）比減畜措施實施后1988－2002年的平均載畜壓力指數(shù)（2.49）下降了36.1%。草地產(chǎn)草量的提高，主要由生態(tài)保護和建設工程的實施以及氣候暖濕化所導致；而草地載畜壓力的減輕，主要由草地產(chǎn)草量的提高和減畜工程所決定。這表明，生態(tài)工程對草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復已初見成效。但草地恢復是一項長期艱巨的任務，應建立生態(tài)保護和建設的長期機制，并把恢復重點放在減畜減壓上。

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