四川甘孜州2005年-2015年草地長勢變化及其影響因素分析

韓繼沖， 謝紫菁， 邵懷勇， 喻舒琳

(成都理工大學(xué) a.國土資源部 地學(xué)空間信息技術(shù)重點實驗室；b.地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059)

0 引言

中國草原面積約占全國陸地面積的40%，草原作為重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，在維持物質(zhì)循環(huán)和全球碳儲存等方面發(fā)揮著顯著作用。近年來由于全球變暖，人口增長等問題，約90%的草地在一定程度上發(fā)生退化[1]。草地退化會導(dǎo)致生物生產(chǎn)力下降，生物多樣性降低、固碳量減少等問題。氣候和人類活動被認為是草地退化的主要驅(qū)動力[2]。然而傳統(tǒng)方法對這兩個因素的評估依賴于實地調(diào)查和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，且評估方法主要集中在統(tǒng)計分析上(如回歸模型、多變量分析技術(shù)等)，在定量評價氣候和人類活動對草地變化的相對作用方面的研究較少[3]。Wessels等[4]提出了利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)來區(qū)分自然的物理變化和人類的影響；李輝霞等[5]基于NDVI的殘差分析法研究了三江源地區(qū)植被生長對氣候變化和人類活動的響應(yīng)。

植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是通過光合作用轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的太陽能凈量，是生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)調(diào)控行為的關(guān)鍵因素[6]。相對于其他植被指數(shù)，NPP可以反映植被的生長狀況，對氣候變化和人類活動具有敏感的特性。近年來，將實際和潛在的植被生產(chǎn)力進行殘差分析，定量評估氣候和人為因素在植被變化中的相對作用已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注[7]。筆者基于該方法，定量分析草地的長勢變化以及氣候變化和人類活動在草地變化中的相對作用，并分析氣候因子和高程對草地變化的影響。甘孜州為高山草原，草地資源豐富，生態(tài)環(huán)境先天脆弱，其對氣候變化和人類活動的干擾更加敏感，因此選擇甘孜州作為研究區(qū)具有一定的代表性和示范性。

1 研究區(qū)概況

甘孜州(97°22′-102°29′E，27°58′-30°20′N)位于青藏高原東緣，草地面積約占全州60%，是川西北牧區(qū)的重要組成部分(圖1)。海拔在976 m～7 148 m之間，地勢北高南低，地貌以山原、丘陵為主。屬于高原氣候，氣候寒冷，據(jù)2000年-2015年的氣候記錄，該地區(qū)年平均氣溫在6.8℃左右，年平均降水量在573.6 mm～741.0 mm之間，晝夜溫差較大。該地區(qū)植被類型多為高山草地，其具有重要的水土保持等生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能。近年來由于受到氣候變化及人類活動(過渡放牧、開礦、建筑用地擴張等)的影響，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，草地水源涵養(yǎng)功能下降，已成為四川省乃至長江、黃河流域生態(tài)安全保護的重要問題。

圖1 甘孜州區(qū)域圖Fig.1 Ganzi region map

2 數(shù)據(jù)來源與處理

1)遙感數(shù)據(jù)。2005年-2015年MOD17A3 NPP數(shù)據(jù)集，來自NASA MODIS陸地科學(xué)團隊網(wǎng)站(http://landval.gsfc.naKa.gov)，利用MRT軟件對數(shù)據(jù)進行拼接、投影變換等數(shù)據(jù)預(yù)處理，基于ArcGIS平臺進行裁剪，空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計等操作，得到研究時段內(nèi)研究區(qū)的NPP柵格數(shù)據(jù)。

2)氣象數(shù)據(jù)。2005年-2015年間研究區(qū)及周圍地區(qū)共29個標準氣象站點的年均氣溫，年降水量，太陽日照時數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。采用樣條插值法對氣象數(shù)據(jù)進行模擬得到覆蓋整個研究區(qū)的可用于空間分析的氣象柵格數(shù)據(jù)。

3)土地利用數(shù)據(jù)。使用研究區(qū)2005年的土地利用數(shù)據(jù)提取出草地區(qū)域，數(shù)據(jù)獲取自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn/)。

4)空間分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)，獲取自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gKcloud.cn/)。所有柵格數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一為1 km，地理坐標系采用Xian 1980。

3 研究方法

研究方法包括①NPP估算；②NPP動態(tài)變化分析；③定量評估；④相關(guān)性分析方法等。

3.1 NPP估算

3.1.1 實際NPP與潛在NPP估算

筆者使用MOD17A3 NPP數(shù)據(jù)集來估算甘孜州2005年-2015年實際NPP(NPPa)，該產(chǎn)品是利用MODIS儀器測量的光合有效輻射量(PAR)計算出MOD17A3 NPP，已廣泛應(yīng)用于植被變化研究[8]。MOD17A3 NPP計算為GPP和呼吸之間的差異，其中包括維護和增長的組成部分，其是基于BIOME-BGC模型和光能利用率模型計算得到，計算公式如下：

PsnNet=GPP-Rml-Rmr

(1)

(2)

式中:PsnNet為植物凈光合作用；Rml和Rmr分別是葉和根呼吸消耗的能量；Rmo和Rg分別指植物其他部位消耗的能量及其生長呼吸消耗的能量。

使用綜合自然植被凈第一性生產(chǎn)力模型估算研究區(qū)潛在NPP(NPPp)，該模型是基于生態(tài)生理特征與水熱平衡方程相關(guān)的區(qū)域蒸散模型[9-10]，其以與植被光合作用密切相關(guān)的蒸散為基礎(chǔ)，綜合考慮了各因子的相互作用，其計算公式如下:

(3)

RDI=(0.629+0.237×PER-

0.00313×PER2)2

(4)

PER=BT×58.93/P

(5)

(6)

式中：NPPp是年凈第一性生產(chǎn)力，t DM / hm2；RDI是輻射干燥指數(shù)；P是年降水量，mm；PER是潛在蒸散率；BT是年平均生物溫度，℃；T是月平均溫度，℃；T小于30 ℃且大于0 ℃，月平均溫度為每天平均氣溫相加再除以當(dāng)月的天數(shù)。

3.1.2 人為NPP估算

草地的變化主要由氣候因素和人類活動共同引起的，在忽略其他非決定性因素條件下，由人類活動因素所引起變化的部分為實際NPP與潛在NPP之間的差值[11](式7)。

NPPhi=NPPpi-NPPai

(7)

式中:NPPhi為第i年人類活動導(dǎo)致的NPP；NPPai為第i年實際NPP；NPPpi為第I年的潛在NPP。

3.2 NPP動態(tài)變化分析方法

利用NPP與時間序列(年)的之間關(guān)系，可以確定NPP年際變化的顯著性。我們采用普通最小二乘法估算NPP隨時間的變化趨勢(式8)，該方法可較為合理地反映植被凈初級生產(chǎn)力的年際變化趨勢[12]。

(8)

式中：slope表示NPP的年際變化率；n表示年數(shù)；本文的研究時間段為2005年-2015年，n=11；i表示年份的序號，2005年i=1，2006年i=2，依次類推；NPPi表示第i年的NPP。slope為負值時表示NPP的年際變化為下降趨勢，為正值時表示上升趨勢。

3.3 定量評估模型

草地退化或恢復(fù)可以通過實際NPPa的斜率(Ka)表示，Ka為正值表示草地具有恢復(fù)的趨勢，負值表示草地具有退化的趨勢。氣候和人類活動對草地NPP的影響以潛在NPPp和人為NPPh的斜率(Kc，Kh)來表示，Kc為正值表示氣候?qū)Σ莸厣L有利，反之負值表示氣候?qū)Σ莸厣L不利；Kh為負值表明研究期間人類活動導(dǎo)致的NPP損失減少，正值表示著人類活動會促進草地退化。因此，評估氣候和人類活動在退化中的相對作用可以通過這三種類型的NPP的斜率來定義(表1)。

3.4 相關(guān)性分析方法

Pearson相關(guān)系數(shù)用于反映一定時間段內(nèi)兩個變量的長期長勢變化關(guān)系，函數(shù)主要描述了草地NPP與氣候因子長時間序列的相關(guān)性，其計算公式如下:

(9)

式(9)中:n是年數(shù);Xi和Yi分別代表對應(yīng)年份的氣象因子(溫度、降水、太陽日照時數(shù))和實際NPP值。r為正值時，表示兩者之間呈正相關(guān)，負值時表

表1 定量評估氣候與人類活動在草地變化中相對作用的方案Tab.1 Quantitative assessment of the relative role of climate and human activities in grassland changes

示兩者之間呈負相關(guān)，r的絕對值越大，表示兩者之間的相關(guān)性越大。

4 結(jié)果及討論

4.1 NPP動態(tài)變化及空間分布特征

2005年-2015年甘孜州11年的平均實際NPP為286.6 g C/m2，其中2012年最低(256.19 g C/m2)，2006年達到峰值(320.1 g C/m2)。據(jù)圖2(a)，2005年-2015年整體上研究區(qū)平均NPP的空間分布由南向北逐漸降低，由區(qū)域統(tǒng)計得到瀘定縣NPP最高(440.5 g C/m2)，石渠縣NPP最低(190.8 g C/m2)，具有明顯的空間分布差異。據(jù)圖2(b)，實際 呈現(xiàn)下降趨勢的區(qū)域主要發(fā)生在北部的石渠、德格、甘孜、色達等地，下降區(qū)域面積約占整個研究區(qū)的61.7%，其中石渠縣草地退化幅度最大；草地增長區(qū)主要分布在研究區(qū)南部的理塘、丹巴、瀘定和九龍等地，其中丹巴縣增長幅度最大。研究時間段內(nèi)，總體上草地的恢復(fù)比例小于草地的退化比例。

4.2 氣候和人類活動對草地變化的相對作用

根據(jù)上述方案得到氣候和人類活動因素在草地變化中的相對作用(圖2(c))。由空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知氣候、人類活動和兩者共同作用對草地變化的貢獻率分別為26.58%，61.18%和12.4%。其中人類活動為草地退化的主導(dǎo)因素，由人類活動引起的草地退化面積約占總退化面積的85.2%，主要分布在研究區(qū)北部和中部地區(qū)。受氣候和人類活動共同影響的草地退化主要分布在西南部地區(qū)，所占面積比例較小。相比之下，氣候因素主導(dǎo)了草地的恢復(fù)，氣候變化主導(dǎo)因素的草地恢復(fù)面積占草地總恢復(fù)面積的60.1%，主要分布在研究區(qū)的東南部。由人類活動及兩者共同作用影響的草地恢復(fù)區(qū)域主要分布在研究區(qū)的中部及西南部地區(qū)。由此可知，氣候和人類活動對草地變化的相互作用在空間分布上具有差異性。氣候變化主導(dǎo)了草地的恢復(fù)，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致：氣候變化有利于植被生長，氣候變化的貢獻大于人類活動[3]。

人類活動對草地退化的影響表現(xiàn)在長期超載過牧、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一及人口數(shù)量增長等方面。在受人類活動影響較大的甘孜州北部草地退化區(qū)，如德格縣2011年草地畜牧量較80年代超載達到98%。經(jīng)濟因素引起的草地退化主要表現(xiàn)為以飼養(yǎng)牛、羊為主的單一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。位于北部草地退化區(qū)的石渠縣、甘孜縣、色達縣等地2015年的第一產(chǎn)業(yè)所占比重分別為54.80%、52.0%、50.31%，這些地區(qū)居民的收入主要依賴于畜牧業(yè)。而位于南部受人類活動影響的草地增長區(qū)縣市的各產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為協(xié)調(diào)且主要以第三產(chǎn)業(yè)為主(如2015年瀘定縣、理塘縣、鄉(xiāng)城縣的第三產(chǎn)業(yè)比重分別為43.58%、43.74%、53.51%)。人口的快速增長也會增加人類活動對草地生長的壓力，對以畜牧業(yè)為主的甘孜州北部地區(qū)表現(xiàn)的更為明顯。2005 年石渠、德格、甘孜色達四縣的年末總?cè)丝跒?22.8×104人，到2015年增長至31.82×104人，增長率達39.56%。

圖2 2005年-2015年甘孜州NPP變化及其影響因素分布圖Fig.2 Pistribution of NPP and its influening fadors in Gonzi plefectare from 2005 to 2015(a)2005年-2015年研究區(qū)平均實際NPP；(b)2005年-2015年實際NPP變化斜率；(c)氣候和人類活動對草地變化影響

同時，近年來國家及當(dāng)?shù)卣畬υ摰貐^(qū)實施“天然保護林資源保護工程”及“退耕還林還草”等工程，出臺了一系列政策，如《川西藏區(qū)生態(tài)保護與建設(shè)規(guī)劃(2103年-2020年 》等[13]。以位于南部的草地增長區(qū)理塘縣(純牧業(yè)縣)為例，該縣是退牧還草工程項目的試點之一，目前理塘縣實施退耕還林還草已達27.33 km2，其中退耕還草4.27 km2，且該縣在2007年被確定為“川西北防沙治沙試點示范項目建設(shè)的試點縣”，項目總投資為1500×104元，分三年完成治理沙化土地16 km2。這些生態(tài)工程的實施使得部分地區(qū)草地得到恢復(fù)。

4.3 影響因素

4.3.1 氣候因子

通過對2005年-2015年各氣候因子與實際NPP的一元線性回歸及person相關(guān)系數(shù)的分析，得到各氣候因子與實際NPP年際變化之間的關(guān)系。

1)年均溫度。據(jù)圖3(a)所示，在研究時間段內(nèi)研究區(qū)年均溫度整體呈增加趨勢，其變化趨勢與NPP的變化趨勢大致相同。通過一元線性回歸和person相關(guān)系數(shù)(r=0.26),發(fā)現(xiàn)實際NPP與溫度存在微弱的正相關(guān)。其原因主要是溫度升高會延長草地生長季節(jié)，加快高寒草地光合速率，促進碳同化和生物量生產(chǎn)，同時增加了土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的濃度，間接提高了草地生長[14-15]。此外，前人研究表明，全球變暖會導(dǎo)致陸地NPP的顯著增加，特別是在北半球的高緯度地區(qū)，熱條件是植物生長的主要制約因素[15]。由于高山地區(qū)與高緯度地區(qū)相比，高寒草地實際NPP具有相似的熱量背景，甘孜州為高山草原，因此可以對溫度變化做出反應(yīng)。

2)年降雨量。據(jù)圖3(b)所示，在研究時間段內(nèi)研究區(qū)年降水量整體呈不斷增加趨勢，其變化趨勢與實際NPP的變化趨勢相反。通過一元線性回歸分析及person相關(guān)系數(shù)(r=-0.86)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)NPP與降水之間呈現(xiàn)負相關(guān)，表明該高寒地區(qū)降水會抑制高寒草地的生長，這與Gao等[17]的研究結(jié)果一致。年降水量代表每年可達到的最大水量，但高山草地生長的可利用水量取決于降水的季節(jié)性和大氣的蒸發(fā)需求[17]，與海拔較低的平原不同，降水會導(dǎo)致土壤侵蝕，降低土壤有機質(zhì)含量，從而導(dǎo)致高寒草地NPP下降。此外，隨著光合有效輻射的降低，光合作用活動可能在雨季減少[19]。

3)太陽日照時數(shù)。據(jù)圖3(c)所示，在研究時間段內(nèi)研究區(qū)日照時數(shù)的變化趨勢與NPP的變化趨勢相同。通過一元線性回歸分析及person(r=0.711)相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，NPP與日照時數(shù)呈正相關(guān)。并且相對于溫度，日照時數(shù)對NPP變化的影響更加顯著。分析主要原因為光合作用通常發(fā)生在光照充足的環(huán)境中，太陽日照數(shù)會增加太陽輻射的能量，從而對植物生長產(chǎn)生起到重要作用，表明有利的熱量條件對草地恢復(fù)具有積極的作用。此外，NPP對氣候因子的滯后效應(yīng)不明顯。

圖3 2005年-2015年各氣候因子及各縣平均高程與年實際NPP變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between climatic factors and average annual elevation of NPPs and annual NPP in 2005-2015(a)年平均溫度；(b)年平均降水量；(c)年日照時度；(d)年均高程

因素線性回歸方程R2Person系數(shù)r年平均溫度T/℃NPP=19.99*T+151.070.0660.257年降雨量P/mmNPP=-0.35*P+519.180.733-0.856日照時數(shù)H/hourNPP=0.23*H-245.230.5060.711

4.3.2 地形因子

高程是重要的地形因子之一，分析研究區(qū)各縣平均高程與實際NPP的關(guān)系(圖3(d))發(fā)現(xiàn)，瀘定縣平均高程最低但是其年均NPP最高，石渠縣高程最高但是其年均NPP最低。隨著高程的逐漸增加，NPP具有明顯降低的趨勢，兩者呈顯著負相關(guān)，表明該地區(qū)高程對于NPP增長具有一定地抑制作用。不同的地形特征會造成區(qū)域之間草地生長的敏感性不同，隨著海拔的增高，氣候逐漸寒冷，高山地區(qū)常年冰雪覆蓋，其中以凍融侵蝕為主的土壤侵蝕嚴重，土壤的物理性質(zhì)遭到不同程度的破壞，從而限制了草地的生長，這進一步暗示了地形在草地生態(tài)系統(tǒng)過程中的重要作用。

5 結(jié)論

筆者選取NPP作為指標，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，對2005年-2015年甘孜州的草地長勢變化及氣候和人類活動對草地變化的相對貢獻進行了定量評估，并分析了氣候因子和高程與NPP年際變化的相關(guān)性。結(jié)果表明:

1)在空間尺度上，年平均NPP呈現(xiàn)出從南向北逐漸減少的分布特征，北部的石渠縣植被凈初級生產(chǎn)力最低；在時間尺度上，年平均NPP變化具有波動性，南部草地主要呈現(xiàn)增長趨勢，北部草地主要呈現(xiàn)下降趨勢。

2)甘孜州超過半數(shù)的草地發(fā)生退化，人類活動是該地區(qū)草地退化的主導(dǎo)因素，氣候和人類活動是草地恢復(fù)的主要驅(qū)動力，不同因素對草地生長的相對作用在空間上表現(xiàn)出差異性。

3)氣候因子和高程是草地變化的重要驅(qū)動力，日照時數(shù)和溫度的變化與NPP的年際變化呈正相關(guān)，而在高原山地地區(qū)降雨及海拔的增加對草地的增長存在一定程度的抑制作用。因此，草原環(huán)境治理除考慮人為因素外還應(yīng)把氣候變化等問題逐步納入草原發(fā)展和管理的考量。

我們是基于草地長勢變化由氣候和人類活動因素影響的前提下進行的，然而草原鼠害、火災(zāi)等也是影響草原變化的因素之一，以后的研究應(yīng)考慮其他因素的影響，進行不同時空尺度的評價，為草原的治理提供借鑒。

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