2006-2013年三江源草地產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化及其對降水的響應(yīng)

張雅嫻，樊江文，曹巍，張海燕

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

2006-2013年三江源草地產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化及其對降水的響應(yīng)

張雅嫻1,2，樊江文1*，曹巍1，張海燕1,2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

三江源地區(qū)是我國重要的江河發(fā)源地，分析該地區(qū)多年草地產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化，探討產(chǎn)草量與降水量的關(guān)系，對于在未來氣候變化情景下合理管理草地、指導(dǎo)畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。利用2006-2013年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和同期442個地面采樣數(shù)據(jù)，對3個草地類型分別建立NDVI與實(shí)測產(chǎn)草量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型，并用這些模型推算2006-2013年三江源草地產(chǎn)草量的分布；同時，從三江源不同類型草地產(chǎn)草量與年降水量、不同月份降水量及不同降水累積時期的關(guān)系入手，探討三江源地區(qū)草地生產(chǎn)力如何響應(yīng)降水格局的變化。結(jié)果表明，從整個三江源地區(qū)來看：(1)2006-2013年產(chǎn)草量呈現(xiàn)增加的趨勢，不同草地類型產(chǎn)草量對年降水量變化的響應(yīng)程度不同。(2)對產(chǎn)草量影響最重要的降水月份是前一年10月，其次是當(dāng)年4和5月。(3)驅(qū)動產(chǎn)草量年際變化最重要的累積降水時期是前一年的10月到當(dāng)年5月。(4)前一年秋季和當(dāng)年春季的累積降水量對第二年產(chǎn)草量有著至關(guān)重要的影響。

三江源；產(chǎn)草量；NDVI；時空分布；降水格局

作為中國和東南亞地區(qū)重要的江河發(fā)源地，三江源地區(qū)因其復(fù)雜的高海拔山地地貌、典型的高寒植被系統(tǒng)和獨(dú)特的青藏高原氣候，在全球氣候變化、生態(tài)保護(hù)等研究領(lǐng)域廣受關(guān)注。草地生態(tài)系統(tǒng)是三江源地區(qū)最主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，其面積占三江源地區(qū)總面積的65%左右，廣闊的草地對三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境、氣候調(diào)節(jié)有著極其重要的影響。三江源地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)不僅影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)生產(chǎn)，對整個中國及東南亞的水源涵養(yǎng)、生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有重大意義。近幾十年來，全球氣候變化和人類活動干擾(如超載過牧、三江源生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)工程的實(shí)施等)都直接或間接地對三江源草地生產(chǎn)力產(chǎn)生影響[1-3]。由于三江源地區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境位置，目前對源區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況、草地退化、土地利用/覆蓋變化等研究豐富且較成熟，但對源區(qū)多年草地生產(chǎn)力的定量研究尚不足。而對草地生產(chǎn)力進(jìn)行定量研究，有助于及時準(zhǔn)確地掌握草地生產(chǎn)力的時空分布狀況，有利于進(jìn)一步研究草地生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，更好地指導(dǎo)源區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

大量研究發(fā)現(xiàn)，三江源地區(qū)氣溫的總趨勢是升高的[4-9]，草地生態(tài)系統(tǒng)對增溫的響應(yīng)結(jié)論較為一致，主要表現(xiàn)為生長季提前、生長季的生長加速以及生長季延長[10-11]。但相比于氣溫，降水格局(降水空間格局、降水季節(jié)分配及降水年際變化等)的變化要更為復(fù)雜得多，具有更強(qiáng)的時空變異性，在不同地區(qū)增減趨勢表現(xiàn)出較大的差異，源區(qū)降水格局變化趨勢的研究還有很大的爭議[12]。在氣候變暖背景下，如何根據(jù)降水格局變化合理調(diào)整草地恢復(fù)、管理和利用策略，是當(dāng)下地區(qū)乃至國家層面的一項緊迫任務(wù)。三江源草地植被生產(chǎn)力如何響應(yīng)不同時間尺度降水量的變化？什么時期的降水量對三江源草地植被生產(chǎn)力影響更大？本研究試圖從這兩個問題入手，為進(jìn)一步分析降水格局變化對三江源草地生態(tài)系統(tǒng)的影響提供一定的科學(xué)參考，以及為在未來氣候變化情景下如何進(jìn)行草地生態(tài)系統(tǒng)管理提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

三江源區(qū)地處青海省南部，地理位置位于東經(jīng)89°45′-102°23′，北緯31°39′-36°12′，行政區(qū)域包括玉樹、果洛、海南、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36.3萬km2，約占青海省總土地面積的50%。屬于青藏高原腹地，以山地地貌為主，地勢由東南至西北逐漸抬升，平均海拔約為4497 km。源區(qū)氣候?qū)俚湫偷母咴箨懶詺夂?，冷熱兩季交替、干濕兩季分明，受到來自南部孟加拉灣暖濕氣流及阿尼瑪卿山和巴顏喀拉山的攔截作用，造成源區(qū)由東南至西北溫度和降水量均逐漸降低[13](圖1)。

三江源區(qū)主要草地類型為高寒草甸、高寒草原及溫性草原3種[2]，受地勢和水熱條件空間分布影響，源區(qū)內(nèi)由東南至西北出現(xiàn)高寒草甸到高寒草原的過渡，以及東北部集中分布小面積的溫性草原。源區(qū)集中著全球大江大河、冰川、雪山、沼澤及豐富的高原生物資源，生態(tài)功能影響范圍大。但該地區(qū)生態(tài)脆弱，草地植被群落結(jié)構(gòu)簡單，對人類活動及氣候變化的響應(yīng)敏感，極易發(fā)生生產(chǎn)力的退化。

1.2地面樣方調(diào)查數(shù)據(jù)

1.3遙感數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)

歸一化植被指數(shù)NDVI作為反映草地生長狀況的重要遙感參數(shù)，在草地生產(chǎn)力遙感估算模型中應(yīng)用甚廣。本文使用2006-2013年每年6-8月草地生長季的MODIS-NDVI 8 d合成產(chǎn)品，空間分辨率為500 m。通過對每年生長季10期影像進(jìn)行幾何校正、拼接、最大值合成(Maximum Value Composite Syntheses, MVC)得到研究區(qū)2006-2013年每年NDVI最大值合成影像。根據(jù)地面樣方數(shù)據(jù)的采集時間和經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，利用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)技術(shù)提取對應(yīng)年份NDVI最大值合成影像中每個樣方點(diǎn)約1.5 km范圍內(nèi)9個像元的NDVI均值，建立NDVI與對應(yīng)樣方產(chǎn)草量干重的數(shù)據(jù)庫。

研究區(qū)2006-2013年的降水空間數(shù)據(jù)是利用ANUSPLIN進(jìn)行空間插值得到。

1.4產(chǎn)草量模型建立與驗(yàn)證

研究區(qū)受高海拔地勢及特殊的青藏高原氣候條件影響，草地生產(chǎn)力空間變化大，如果全區(qū)采用同一產(chǎn)草量估算模型，難以反映草地生產(chǎn)力的空間差異性。本文結(jié)合1∶100萬比例尺的草地類型分布圖，綜合考慮研究區(qū)草地類型的空間分布、氣候因素、地形地貌、土壤情況等，以及采樣點(diǎn)的分布，將研究區(qū)草原劃分為高寒草甸、高寒草原、溫性草原3個草原區(qū)[14-16](圖2)?；谝呀⒌腘DVI與對應(yīng)樣方產(chǎn)草量干重的數(shù)據(jù)庫，分區(qū)構(gòu)建地面-遙感相結(jié)合的產(chǎn)草量估算模型。

通過分析研究區(qū)樣方產(chǎn)草量干重與NDVI散點(diǎn)關(guān)系(圖3)，本文分別在3個草原區(qū)建立了一元線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次多項式函數(shù)5種回歸模型。經(jīng)過F檢驗(yàn)，比較回歸方程的決定系數(shù)(R2，相關(guān)系數(shù)的平方)，并根據(jù)預(yù)留的地面樣方數(shù)據(jù)計算均方根誤差(RMSE)和平均相對誤差(REE)，對各個模型進(jìn)行精度評價，由此選取每個草原區(qū)的產(chǎn)草量估算最優(yōu)模型，推算整個研究區(qū)的產(chǎn)草量分布。模型驗(yàn)證計算公式如下：

(1)

(2)

式中：Yi為樣方i產(chǎn)草量(干重)；Yi′為對應(yīng)樣方位置模型計算所得產(chǎn)草量；N為樣方數(shù)。

所有模型均通過了F顯著性檢驗(yàn)，且R2均大于0.4，表明NDVI與不同草地類型產(chǎn)草量顯著相關(guān)。不分區(qū)建立的模型中，指數(shù)函數(shù)關(guān)系模型的相關(guān)性最高。而分區(qū)建立的模型中，高寒草甸區(qū)、高寒草原區(qū)、溫性草原區(qū)相關(guān)性最高的函數(shù)關(guān)系分別是一元二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和一元二次函數(shù)。造成這種差異的原因可能是不同草地類型植被功能群組成特征、氣候條件以及其所處的地形地勢不同。綜合比較后，分別選取指數(shù)函數(shù)、一元二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和一元二次函數(shù)作為不分區(qū)、高寒草甸區(qū)、高寒草原區(qū)、溫性草原區(qū)的最優(yōu)模型，并用預(yù)留的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢驗(yàn)。經(jīng)計算(表1)，不分區(qū)推算的三江源產(chǎn)草量相對誤差要大于分區(qū)推算的三江源產(chǎn)草量相對誤差。單獨(dú)來看，溫性草原區(qū)和高寒草原區(qū)的相對誤差較小，而高寒草甸區(qū)的相對誤差相對較大。綜合來看，分區(qū)建立不同估算模型再推算整個研究區(qū)產(chǎn)草量的方法建立的模型精度更高，更能體現(xiàn)出研究區(qū)內(nèi)不同草地類型區(qū)間的差異。

在設(shè)計產(chǎn)品時，必須注意藝術(shù)性與實(shí)用性的結(jié)合。一般來說，在保證產(chǎn)品功能的基礎(chǔ)上，它是否具有更好的美學(xué)形式，直接影響消費(fèi)者的消費(fèi)欲望。在設(shè)計產(chǎn)品時，設(shè)計師意識到形狀的統(tǒng)一和變化功能，考慮模型的比例、規(guī)模和平衡，確保設(shè)計符合美學(xué)原則，為人們提供良好的視覺體驗(yàn)。比如設(shè)計水瓶的時候，都要考慮到盲人，要設(shè)計符合人手大小的水壺，也要設(shè)置盲文提醒，方便特殊人士也能夠享受到同樣的消費(fèi)。

1.5產(chǎn)草量與降水量關(guān)系建立

本文對產(chǎn)草量與降水量關(guān)系的研究，是基于442個地面采樣數(shù)據(jù)與逐月降水?dāng)?shù)據(jù)建立回歸相關(guān)模型，來開展不同時期降水對草地生產(chǎn)力的影響分析，不同時期降水量對產(chǎn)草量的影響用決定系數(shù)來衡量。不同時期降水包括了1-12月年降水、不同月份降水、不同季節(jié)降水、不同累積降水時期降水，其中春、夏、秋、冬各季時間分別為3-5月、6-8月、9-11月、12-2月。

圖1 三江源地理位置Fig.1 Geographic location of the Three River Headwater Region

圖2 草原類型圖Fig.2 Grassland classing in the Three River Headwater Region

在探討不同月份降水量與產(chǎn)草量關(guān)系時，將前一年生長季也納入討論范圍，選擇前一年6月-當(dāng)年8月逐月累積降水量與產(chǎn)草量作相關(guān)性分析，以此來比較不同月份對當(dāng)年產(chǎn)草量影響的差異。

為揭示不同累積降水時期對產(chǎn)草量影響作用的強(qiáng)度，本文結(jié)合單獨(dú)月份降水量對產(chǎn)草量影響大小的結(jié)果，考慮到降水對草地生產(chǎn)力影響的滯后效應(yīng)，按6個時間方向設(shè)計累計降水時期并逐一分析產(chǎn)草量與不同累計降水時期降水量的相關(guān)關(guān)系。分別從前一年9月、前一年10月和前一年6月按時間順序逐月順推或逆推直到滿12個月，每個累積降水時期比前一個降水時期多一個月的降水累積量。

圖3 不同草地類型地面實(shí)測產(chǎn)草量與NDVI散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.3 Scatter diagram comparing ground grass yield value and NDVI (normalized difference vegetation index) of different grassland type region

表1 不同草地類型區(qū)優(yōu)選模型及精度驗(yàn)證Table 1 Estimation accuracy of different grassland type region models

注：a)方程均通過0.01水平下的統(tǒng)計檢驗(yàn)；b)Y為產(chǎn)草量干重，單位為kg/hm2；c)分區(qū)計算三江源全區(qū)的最優(yōu)模型是由溫性草原區(qū)、高寒草原區(qū)和高寒草甸區(qū)的最優(yōu)模型組合組成，表格中不再重復(fù)展示。

Note： a) All the equations were statistically tested by 0.01 level; b)Yis the weight of grassland yield and it’s unit is kg/hm2; c) The optimal model of Three River Headwater Region with multizone is composed of the optimal model of the temperate steppe type, the alpine steppe type and the alpine meadow type, which is not repeated in the Table.

2 結(jié)果與分析

2.1產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化

經(jīng)計算，三江源全區(qū)草地2006-2013年平均產(chǎn)草量為490.39 kg/hm2，在空間上呈現(xiàn)出東南-西北遞減的格局。不同草地類型的年平均產(chǎn)草量差異較大，計算結(jié)果顯示，源區(qū)內(nèi)草原類產(chǎn)草量要低于草甸類產(chǎn)草量。

在時間序列上，2006-2013年三江源全區(qū)草地產(chǎn)草量呈現(xiàn)(年際變異系數(shù)6.78%)增加的趨勢，經(jīng)計算8年來產(chǎn)草量的回歸傾向率為2.39 kg/(hm2·yr)。不同草地類型區(qū)產(chǎn)草量年際間增減的變化趨勢與三江源全區(qū)基本一致，各草地類型區(qū)總體產(chǎn)草量均呈現(xiàn)增加趨勢，但增加幅度不同。其中，溫性草原年際變異(年際變異系數(shù)8.7%)最大且產(chǎn)草量增加趨勢[產(chǎn)草量回歸傾向率10.71 kg/(hm2·yr)]最為明顯。高寒草甸區(qū)與高寒草原區(qū)呈現(xiàn)相似的增加趨勢，高寒草甸區(qū)2.12 kg/(hm2·yr)，高寒草原區(qū)2.87 kg/(hm2·yr)(圖4)。

2.2降水量與產(chǎn)草量的關(guān)系

2.2.1年降水量與產(chǎn)草量的關(guān)系 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在整個三江源地區(qū)，產(chǎn)草量隨年降水量的增加呈冪函數(shù)形式增長(圖5，R2= 0.309，P<0.001)。不同草地類型區(qū)產(chǎn)草量與年降水量相關(guān)性、響應(yīng)程度均有所差異，其中溫性草原產(chǎn)草量對年降水量增加的響應(yīng)程度最明顯(斜率最高，為3.697，P<0.001)，產(chǎn)草量與年降水量的相關(guān)性也最高。而高寒草甸區(qū)和高寒草原區(qū)產(chǎn)草量對年降水量增加的響應(yīng)程度相近(高寒草甸區(qū)斜率為1.462，高寒草原區(qū)斜率為1.169，P<0.001)，但產(chǎn)草量與年降水量的相關(guān)性高寒草原區(qū)要更高一些，但R2都低于0.1。

圖4 2006-2013年三江源地區(qū)草地產(chǎn)草量回歸傾向空間格局Fig.4 Spatial pattern of the regression slope of grassland yield in the Three River Headwater Region from 2006 to 2013

圖5 不同草地區(qū)地面實(shí)測產(chǎn)草量與年降水量散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.5 Scatter diagram of ground grass yield value and annual precipitation of different grassland region

2.2.2不同月份降水量與產(chǎn)草量的關(guān)系 總體來看(圖6)，對三江源草地生產(chǎn)力影響最大的降水月份是前一年10月，其次生長季之前的兩個月(4月和5月)，在生長季里7月份降水量與產(chǎn)草量相關(guān)性有一個小峰值，但是前一年和當(dāng)年生長季6-8月都沒有顯示出很高的相關(guān)性。不同草地類型區(qū)產(chǎn)草量與各月份降水量的相關(guān)關(guān)系有所差異。高寒草原區(qū)與三江源的整體情況相似，只是相關(guān)性要更低。對高寒草甸區(qū)草地生產(chǎn)力影響最大的降水月份是4月，其次是前一年10月，而5月并沒有顯示出較高的相關(guān)性，生長季的情況與三江源整體情況基本一致。溫性草原區(qū)的情況完全不同，前一年9月的降水量與產(chǎn)草量的相關(guān)性決定系數(shù)最高，其次是5月，生長季6-8月的相關(guān)性逐月遞減，但相對較高。

圖6 不同草地區(qū)地面實(shí)測產(chǎn)草量與各月份降水量相關(guān)關(guān)系Fig.6 The association between ground grass yield value and monthly precipitation of different grassland region

2.2.3不同累積降水時期與產(chǎn)草量的關(guān)系 結(jié)果顯示，對整個三江源區(qū)草地而言，影響產(chǎn)草量最重要的累積降水時期是前一年的8月到當(dāng)年5月(圖7)。分不同草地類型來看，對產(chǎn)草量最重要的累積降水時期各有不同，高寒草甸區(qū)與整個三江源區(qū)相同是前一年的8月到當(dāng)年5月，高寒草原區(qū)是前一年6月到當(dāng)年1月，溫性草原區(qū)是前一年的9月到6月。

本文還研究了不同季節(jié)累積降雨量與產(chǎn)草量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對整個三江源區(qū)產(chǎn)草量最重要降水季節(jié)是春季(3-5月，R2=0.592)，其次是前一年的秋季(9-11月，R2=0.556)。研究還發(fā)現(xiàn)，整個三江源區(qū)前一年生長季(6-8月)的累積降水量(R2=0.498)對產(chǎn)草量的影響要大于當(dāng)年生長季的累積降水量(R2=0.397)。

圖7 三江源全區(qū)實(shí)測產(chǎn)草量與前一年8月—當(dāng)年5月累積降水量散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.7 Scatter diagram of ground grass yield value and cumulative precipitation from August of the last year to May of this year of the Three River Headwater Region

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明，不同草地類型產(chǎn)草量的時空變化存在較大差異。這主要是與不同草地類型區(qū)本身植被群落結(jié)構(gòu)不同，以及自然條件(水熱條件、地形地貌、土壤、水文)的區(qū)域差異有關(guān)。三江源地區(qū)草地生產(chǎn)力的時空差異性體現(xiàn)在：在空間上，呈現(xiàn)出東南-西北遞減的格局，出現(xiàn)該格局的原因：一方面是受三江源地區(qū)由東南至西北地勢逐漸抬升影響，海拔差異造成溫度、光照強(qiáng)度等的差異；另一方面是受到來自南部孟加拉灣暖濕氣流及阿尼瑪卿山和巴顏喀拉山的攔截作用的影響，造成自東南向西北溫度和降水量均逐漸降低。在時間序列上，2006-2013年三江源地區(qū)整體草地產(chǎn)草量呈現(xiàn)增加趨勢，不同草地類型區(qū)產(chǎn)草量年際間增減的變化趨勢與三江源全區(qū)基本一致，各草地類型區(qū)總體產(chǎn)草量均呈現(xiàn)增加趨勢，但增加幅度不同，主要表現(xiàn)在溫性草地類產(chǎn)草量的增加趨勢大于高寒草地類。出現(xiàn)這種增加趨勢原因可能是氣候暖濕化給源區(qū)內(nèi)草地植被生長提供好的水熱條件，以及人類恢復(fù)和治理活動的共同影響作用[17-18]。

不同草地類型區(qū)草地生產(chǎn)力對年降水量有著的不同響應(yīng)。主要表現(xiàn)為：整個三江源地區(qū)產(chǎn)草量與年降水量呈冪函數(shù)關(guān)系，不同草地類型產(chǎn)草量對年降水量增加的響應(yīng)程度不同，溫性草地類>高寒草地類。出現(xiàn)這種響應(yīng)程度差異的原因很可能是海拔和溫度的共同作用結(jié)果，溫性草地區(qū)向高寒草地區(qū)過渡，海拔逐漸升高，隨著海拔的升高，年均溫依次降低。溫性草原區(qū)海拔低，熱量、土壤條件最好，植被群落結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，已經(jīng)有灌叢分布，地表及植被的蒸散量相對較小，但該地區(qū)的水分條件最差，降水量的增加能很好地為植被利用。隨著海拔的升高，植被葉面積縮小、葉面內(nèi)卷，植被群落結(jié)構(gòu)趨于簡單，表土覆蓋趨于荒漠化，同時氣候變暖使地表及植被的蒸散量加大，植被對降水變化的響應(yīng)減小[19-20]。

在對產(chǎn)草量月尺度降水量關(guān)系進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)：對整個三江源地區(qū)產(chǎn)草量影響最重要的降水月份是前一年10月，其次是4月和5月。三江源地區(qū)受高海拔地勢限制，雖地處溫帶，但終年氣溫低，冷季時間長，且土壤封凍早，凍結(jié)期長。陳瓊等[19]以旬為單位研究發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)每年4月開始解凍，5月開始絕大多數(shù)地區(qū)溫度上升至0 ℃以上，植被返青開始，到9月氣溫開始降低，植被生長結(jié)束。9月氣溫降低后，植被開始枯黃，此時蒸散量小、植被覆蓋度又大，10月土壤開始封凍。因此9-10月的降水量易貯存于土壤中，對土壤水分起到一定的保墑作用，能為第二年的草地生長發(fā)育提供水分條件的需要，因而對第二年草地的產(chǎn)草量有極大影響。三江源地區(qū)植被類型以短根莖、密叢型為主，土壤水分下滲不明顯，能夠很好地在4-5月土壤解凍時將融化的水分和自然降水聚集于地表上層，為返青后的植被生長提供良好的水分條件。另外，4-5月降水還可以保持較高土壤濕度，緩解土壤解凍后因氣溫低和春季溫度劇烈變化導(dǎo)致的凍傷現(xiàn)象，因此，4、5月降水量直接影響著當(dāng)年產(chǎn)草量[21-22]。

基于上述分析，不難發(fā)現(xiàn)在季節(jié)尺度上，前一年秋季和當(dāng)年春季的累積降水量對整個三江源地區(qū)的當(dāng)年產(chǎn)草量有著至關(guān)重要的影響。這一結(jié)論與李輝霞等[23]基于NDVI植被與降水量關(guān)系的研究結(jié)果相一致，段曉鳳等[24]也認(rèn)為前一年秋季以來降水偏少將推遲草地植被返青。三江源地區(qū)受海拔因素影響，冬季(12月-翌年2月)降水少，局部地區(qū)甚至無降水，降水以降雪為主，大部分的降雪不能滲入土壤，而是在風(fēng)吹、蒸發(fā)等過程中散失，很大程度上形成的是無效降水，使植被生長發(fā)育受限。而夏季(6-8月)降水因降水的滯后效應(yīng)，對當(dāng)年植被生長的影響相比于春季和前一年秋季要小[24]。計算發(fā)現(xiàn)，前一年夏季累積降水量對第二年草地生產(chǎn)力的影響甚至大于當(dāng)年夏季累積降水量。

研究結(jié)果顯示，跨年的累積降水量對當(dāng)年產(chǎn)草量的影響要明顯高于當(dāng)年的累積降水量，1-12月年降水量與當(dāng)年產(chǎn)草量相關(guān)性(圖4，R2=0.309)遠(yuǎn)低于前一年的8月到當(dāng)年5月累積降水量與產(chǎn)草量的相關(guān)性(圖7，R2=0.458)。而現(xiàn)有的草地生產(chǎn)力預(yù)報及生產(chǎn)潛力評估模型研究中，設(shè)計與降水量有關(guān)參數(shù)時只考慮了當(dāng)年降水量對生產(chǎn)力的影響，目前廣泛應(yīng)用在氣候生產(chǎn)潛力評估中的邁阿密模型，也是應(yīng)用當(dāng)年的年降水量[25-29]?；诒狙芯拷Y(jié)果，建議在構(gòu)建草地生產(chǎn)力預(yù)報模型時，對降水量的處理應(yīng)充分考慮前一年降水量對當(dāng)年草地生產(chǎn)力的影響。

本研究采用遙感與地面采樣相結(jié)合的方法進(jìn)行產(chǎn)草量估算，結(jié)果有一定的不確定性。一方面受三江源地區(qū)復(fù)雜的地形地貌影響，草地生產(chǎn)力的空間異質(zhì)性大，采樣工作進(jìn)行困難，采樣點(diǎn)難以覆蓋全源區(qū)內(nèi)不同地區(qū)，采樣點(diǎn)數(shù)量不足，使模型存在一定的不確定性。另一方面，草地生產(chǎn)力的變化還受土壤、地勢等環(huán)境因素和生態(tài)保護(hù)工程、放牧等人類活動因素影響，而這些因素研究中考慮的不足，有待于進(jìn)一步研究。此外，在研究產(chǎn)草量對降水的響應(yīng)時，只討論了不同時間尺度降水累積量對產(chǎn)草量的影響，降水和溫度的耦合以及降水季節(jié)分配、極端降水事件、降水間隔、不同降水強(qiáng)度事件大小等降水格局的變化對產(chǎn)草量的影響有待于進(jìn)一步的研究。

References：

[1] Chen G C, Lu X F, Peng M,etal. Basic characteristics and protection of the Three River Headwater ecosystem in Qinghai Province. Qinghai Science and Technology, 2003, (4): 14-17.

陳桂琛, 盧學(xué)峰, 彭敏, 等. 青海省三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)基本特征及其保護(hù). 青?？萍? 2003, (4): 14-17.

[2] Fan J W, Shao Q Q, Liu J Y,etal. Dynamic changes of grassland yield in Three River Headwater Region from 1988 to 2005. Acta Agrestia Sinica, 2010, 18(1): 5-10.

樊江文, 邵全琴, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 等. 1988-2005年三江源草地產(chǎn)草量變化動態(tài)分析. 草地學(xué)報, 2010, 18(1): 5-10.

[3] Wang K, Hong F Z, Zong J Y,etal. Resource resources and their sustainable utility in the “Three-River Headwaters” Region. Acta Agrestia Sinica, 2005, 13(S1): 28-31, 47.

王堃, 洪紱曾, 宗錦耀, 等. “三江源”地區(qū)草地資源現(xiàn)狀及持續(xù)利用途徑. 草地學(xué)報, 2005, 13(S1): 28-31, 47.

[4] Dai S, Li L. The characteristics analyze of climate changes in the Three River Headwater Region from 1961 to 2009. Journal of Qinghai Meteorology, 2011, (1): 20-26.

戴升, 李林. 1961-2009年三江源地區(qū)氣候變化特征分析. 青海氣象, 2011, (1): 20-26.

[5] Li L, Zhu X D, Zhou L S,etal. Climatic changes over headwater of the Three-River-Area and its effect on ecological environment. Meteorological Monthly, 2004, (8): 18-22.

李林, 朱西德, 周陸生, 等. 三江源地區(qū)氣候變化及其對生態(tài)環(huán)境的影響. 氣象, 2004, (8): 18-22.

[6] Tang H Y, Xiao F J, Zhang Q,etal. Vegetation change and its response to climate change in Three-River Source Region. Advances in Climate Change Research, 2006, 2(4): 177-180, 209.

唐紅玉, 肖風(fēng)勁, 張強(qiáng), 等. 三江源區(qū)植被變化及其對氣候變化的響應(yīng). 氣候變化研究進(jìn)展, 2006, 2(4): 177-180, 209.

[7] Wang G X, Li Q, Cheng G D,etal. Climate change and its impact on the eco-environment in the Source Regions of the Yangtze and Yellow Rivers in recent 40 Years. Journal of Glaciology and Geocryology, 2001, 23(4): 346-352.

王根緒, 李琪, 程國棟, 等. 40a來江河源區(qū)的氣候變化特征及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng). 冰川凍土, 2001, 23(4): 346-352.

[8] Yi X S, Yin Y Y, Li G S,etal. Temperature variation in recent 50 years in the Three-River Headwaters Region of Qinghai Province. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(11): 1451-1465.

易湘生, 尹衍雨, 李國勝, 等. 青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化. 地理學(xué)報, 2011, 66(11): 1451-1465.

[9] Zhang S F, Hua D, Meng X J,etal. Climate change and its driving effect on the runoff in the "Three-River Headwaters" Region. Acta Geographica Sinica, 2011, 66(1): 13-24.

張士鋒, 華東, 孟秀敬, 等. 三江源氣候變化及其對徑流的驅(qū)動分析. 地理學(xué)報, 2011, 66(1): 13-24.

[10] Myneni R B, Keeling C D, Tucker C J,etal. Increased plant growth in the northern high latitudes from 1981 to 1991. Nature, 1997, 386(17): 698-702.

[11] Piao S, Fang J, Zhou L M,etal. Interannual variations of monthly and seasonal normalized difference vegetation index (NDVI) in China from 1982 to 1999. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2003, 108(D14): doi:10.1029/2002JD002848.

[12] Guo Q, Hu Z M, Li S G,etal. Spatial variations in aboveground net primary productivity along a climate gradient in Eurasian temperate grassland: effects of mean annual precipitation and its seasonal distribution. Global Change Biology, 2012, 18(12): 3624-3631.

[13] Shao Q Q, Fan J W. The Integrated Monitoring and Assessment of Ecosystem in the Three-River Headwaters Region[M]. Beijing: Science Press, 2012.

邵全琴, 樊江文. 三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測與評估[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

[14] Xu B, Yang X C, Tao W G,etal. Remote sensing monitoring upon the grass production in China. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(2): 405-413.

徐斌, 楊秀春, 陶偉國, 等. 中國草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測. 生態(tài)學(xué)報, 2007, 27(2): 405-413.

[15] Yang X C, Xu B, Zhu X H,etal. Models of grass production based on remote sensing monitoring in northern agro-grazing ecotone. Geographical Research, 2007, 26(2): 213-221, 425.

楊秀春, 徐斌, 朱曉華, 等. 北方農(nóng)牧交錯帶草原產(chǎn)草量遙感監(jiān)測模型. 地理研究, 2007, 26(2): 213-221, 425.

[16] Xu B, Yang X C, Tao W G,etal. MODIS-based remote sensing monitoring of grass production in China. International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(17-18): 5313-537.

[17] Fan J W, Shao Q Q, Liu J Y,etal. Assessment of effects of climate change and grazing activity on grassland yield in the Three Rivers Headwaters Region of Qinghai-Tibet Plateau, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 170(1-4): 571-584.

[18] Shao Q Q, Liu J Y, Fan J W,etal. Integrated assessment on the effectiveness of ecological conservation in Sanjiangyuan National Nature Reserve. Geographical Research, 2013, 32(9): 1645-1656.

[19] Chen Q, Zhou Q, Zhang H F,etal. Spatial disparity of NDVI response in vegetation growing season to climate change in the Three-River Headwaters Region. Ecology and Environmental Sciences, 2010, 19(6): 1284-1289.

陳瓊, 周強(qiáng), 張海峰, 等. 三江源地區(qū)基于植被生長季的NDVI對氣候因子響應(yīng)的差異性研究. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010, 19(6): 1284-1289.

[20] Guo Q, Li S G, Hu Z M,etal. Response of gross primary productivity to water availability at different temporal scales in a typical steppe in inner mongolia temperate steppe. Journal of Desert Research, 2015, 35(3): 616-623.

郭群, 李勝功, 胡中民, 等. 內(nèi)蒙古溫帶草原典型草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力對水分在不同時間尺度上的響應(yīng). 中國沙漠, 2015, 35(3): 616-623.

[21] Li Y N. Cold season resource and its effects on herbage production in the alpine meadow region. Acta Prataculturae Sinica, 2001, 10(3): 15-20.

李英年. 高寒草甸地區(qū)冷季水分資源及對牧草產(chǎn)量的可能影響. 草業(yè)學(xué)報, 2001, 10(3): 15-20.

[22] Li Y N, Wang Q J, Zhao X Q,etal. The influence of climatic warming on the climatic potential productivity of alpine meadow. Acta Agrestia Sinica, 2000, 8(1): 23-29.

李英年, 王啟基, 趙新全, 等. 氣候變暖對高寒草甸氣候生產(chǎn)潛力的影響. 草地學(xué)報, 2000, 8(1): 23-29.

[23] Li H X, Liu G H, Fu B J,etal. Response of vegetation to climate change and human activity based on NDVI in the Three-River Headwaters region. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(19): 5495-5504.

李輝霞, 劉國華, 傅伯杰, 等. 基于NDVI的三江源地區(qū)植被生長對氣候變化和人類活動的響應(yīng)研究. 生態(tài)學(xué)報, 2011, 31(19): 5495-5504.

[24] Duan X F, Zhang L, Wei J G,etal. Prediction of pasture reviving period and analysis of its climate potential productivity. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 1-8.

段曉鳳, 張磊, 衛(wèi)建國, 等. 寧夏鹽池牧草返青期預(yù)測及生產(chǎn)潛力初步分析. 草業(yè)學(xué)報, 2014, 23(2): 1-8.

[25] Li X, Li X B, Chen Y H,etal. Temporal responses of vegetation to climate variables in temperate steppe of northern China. Chinese Journal of Plant Ecology, 2007, 31(6): 1054-1062.

李霞, 李曉兵, 陳云浩, 等. 中國北方草原植被對氣象因子的時滯響應(yīng). 植物生態(tài)學(xué)報, 2007, 31(6): 1054-1062.

[26] Liu J D, Lv S H, Chang X L,etal. Above ground biomass forecasting model based on fluctuations of precipitation and temperature in Hulunbei’er Grassland. Research of Environmental Sciences, 2010, 23(3): 326-332.

劉及東, 呂世海, 常學(xué)禮, 等. 基于水熱因子波動的呼倫貝爾草原產(chǎn)草量模型. 環(huán)境科學(xué)研究, 2010, 23(3): 326-332.

[27] Qian S. Grass yield meteorological prediction method for main natural grassland in China. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(6): 1201-1205.

錢拴. 中國主要天然草地產(chǎn)草量氣象預(yù)測方法. 生態(tài)學(xué)雜志, 2009, 28(6): 1201-1205.

[28] Sun H L, Li W H, Xu Y J,etal. Climate-productivity of grassland and its response to climate change in Ili River Basin, Xinjiang, China. Acta Prataculturae Sinica, 2010, 19(6): 55-61.

孫慧蘭, 李衛(wèi)紅, 徐遠(yuǎn)杰, 等. 新疆伊犁河流域牧草氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征分析. 草業(yè)學(xué)報, 2010, 19(6): 55-61.

[29] Zhao H Y, Wei X Z, Wu Q L,etal. Assessment of climate potential for forage production in typical grassland. Agricultural Research in the Arid Areas, 2008, 26(1): 137-140, 159.

趙慧穎, 魏學(xué)占, 烏秋力, 等. 呼倫貝爾典型草原區(qū)牧草氣候生產(chǎn)潛力評估. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2008, 26(1): 137-140, 159.

SpatialandtemporaldynamicsofgrasslandyieldanditsresponsetoprecipitationintheThreeRiverHeadwaterRegionfrom2006to2013

ZHANG Ya-Xian1,2, FAN Jiang-Wen1*, CAO Wei1, ZHANG Hai-Yan1,2

1.KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The Three River Headwater Region is one of the source areas of China’s major rivers. For better grassland management under future climate change scenarios and for the sustainable development of animal husbandry in this region, it is very important to understand the spatiotemporal dynamic changes of grassland yield and the relationship between grassland yield and local precipitation. In this study, we used MODIS-NDVI (Moderate Resolution Imaging Spectrometer-Normalized Difference Vegetation Index) data and 442 ground sampling data from 2006 to 2013 to construct empirical models for the correlation between NDVI and the yields of three types of grasslands. Then, we used these models to estimate the distribution of grassland yield in The Three River Headwater Region during 2006-2013. We also studied the response of grassland productivity to changes in precipitation patterns in the Three River Headwater Region based on the correlation between grassland yield and annual, monthly, and cumulative precipitation. The major conclusions were as follows: (1) Grassland yield showed an increasing trend during 2006-2013 in the Three River Headwater Region, and the yield of different grassland types showed different responses to annual precipitation. (2) The most important rainfall month for grassland yield was October of the previous year; rainfall in April and May of the current year also strongly contributed to grassland yield. (3) The cumulative precipitation from October (previous year) to May in the current year was the main cause of inter-annual variations in grassland yield. (4) The cumulative precipitation in autumn of the previous year and in spring of the current year was a key factor in current-year grassland output.

Three River Headwater; grassland yield; NDVI; spatial-temporal distribution; precipitation pattern

10.11686/cyxb2017008http//cyxb.lzu.edu.cn

張雅嫻, 樊江文, 曹巍, 張海燕. 2006-2013年三江源草地產(chǎn)草量的時空動態(tài)變化及其對降水的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(10): 10-19.

ZHANG Ya-Xian, FAN Jiang-Wen, CAO Wei, ZHANG Hai-Yan. Spatial and temporal dynamics of grassland yield and its response to precipitation in the Three River Headwater Region from 2006 to 2013. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 10-19.

2017-01-09；改回日期：2017-03-15

青海省科技支撐計劃項目(2015-SF-A4-1)資助。

張雅嫻(1992-)，女，遼寧東港人，博士。E-mail: zhangyx.15b@igsnrr.ac.cn

*通信作者Corresponding author. E-mail: fanjw@igsnrr.ac.cn