2010 - 2017 年藏北高寒退化草地禁牧恢復(fù)效果評(píng)價(jià)

馮云飛，李 猛，李少偉，邸迎偉，沈振西，張憲洲，余成群，嚴(yán) 俊，席永士，武建雙,6

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 / 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 拉薩高原生態(tài)試驗(yàn)站，北京 100101；2.唐山師范學(xué)院資源管理系，河北 唐山 063000；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.那曲市草原站，西藏 那曲 852000；5.西藏自治區(qū)綠色食品辦公室，西藏 拉薩 850000；6.柏林自由大學(xué)生物研究所生物多樣性與理論生態(tài)學(xué)研究組，德國(guó) 柏林 14195）

青藏高原對(duì)我國(guó)乃至周邊國(guó)家和地區(qū)的生態(tài)安全具有重要屏障功能[1-3]，保護(hù)和維持青藏高原內(nèi)部各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定是科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化的必然途徑[4-6]。以往研究普遍認(rèn)為氣候變暖和過(guò)度放牧是造成青藏高寒草地退化的主要驅(qū)動(dòng)力[7-9]。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，西藏退化草地面積約占其可利用草地總面積17.2%[10]。為遏止草地退化、促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)、實(shí)現(xiàn)草畜平衡，2010年在西藏推行天然草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策試點(diǎn)工作。在退化草地上建設(shè)圍欄實(shí)行禁牧封育并對(duì)牧民進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償是該政策的主要措施之一[11]。

西藏那曲和阿里兩地市簡(jiǎn)稱(chēng)藏北高原，其天然草地約 4.8 × 107hm2，占西藏可利用天然草地的 59.0%，是西藏最重要的傳統(tǒng)牧區(qū)[12]。受氣候變暖和過(guò)度放牧的雙重影響，藏北高寒草地整體上曾出現(xiàn)嚴(yán)峻退化態(tài)勢(shì)[13]。為恢復(fù)退化草地的生態(tài)功能，2003-2012年間藏北高原累計(jì)建成禁牧圍欄860萬(wàn)hm2，并納入現(xiàn)行草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策，其面積約占西藏可利用草地的9.8%[14]。但禁牧圍欄在建設(shè)初期存在管理粗放和布局盲目等問(wèn)題[15-16]。因此，科學(xué)地評(píng)估圍欄禁牧對(duì)退化草地恢復(fù)的生態(tài)效益，及辨識(shí)氣候因素在禁牧過(guò)程中的作用機(jī)理將對(duì)未來(lái)相關(guān)生態(tài)工程的建設(shè)布局優(yōu)化十分關(guān)鍵。

在禁牧生態(tài)效益監(jiān)測(cè)方面，Wu等[17]曾發(fā)現(xiàn)禁牧有利于提高高寒草甸生產(chǎn)力，但同時(shí)亦可降低群落植物密度和物種多樣性。區(qū)域尺度上的研究發(fā)現(xiàn)禁牧不能明顯改變高寒草地群落物種豐富度和多樣性及其對(duì)生長(zhǎng)季降水的響應(yīng)方式[18-19]，但可能改變?nèi)郝鋬?nèi)部不同植物功能群的相對(duì)優(yōu)勢(shì)[20-21]或植物的功能性狀[22-23]，改變干物質(zhì)的地上/地下分配格局[24-25]，進(jìn)而影響草地群落地上凈初級(jí)生產(chǎn)力響應(yīng)生長(zhǎng)季降水變化的敏感性[26-27]。盡管短期禁牧( ＜ 5年)不能顯著改善土壤水分和養(yǎng)分的有效性[28-29]，但仍有利于提升禾本科和莎草科植物的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度，并抑制豆科有毒植物生長(zhǎng)[30]。從長(zhǎng)期來(lái)看, 禁牧可能會(huì)降低圍欄內(nèi)土壤有機(jī)碳，進(jìn)而影響可食/優(yōu)質(zhì)牧草生長(zhǎng)，并對(duì)物種多樣性維持產(chǎn)生負(fù)面影響[31-32]。

但現(xiàn)有研究多集中在單一或有限站點(diǎn)，其結(jié)論難以用來(lái)指導(dǎo)大區(qū)域禁牧圍欄布局。歸一化植被指數(shù) (normalized difference vegetation index, NDVI)被廣泛用于研究植被覆被變化，其中NDVI均值差用來(lái)分析植被變化動(dòng)態(tài)[33]，NDVI變化的斜率(趨勢(shì))差常用于判定區(qū)域尺度上不同因子對(duì)植被變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[34-39]。為客觀地評(píng)價(jià)藏北高原現(xiàn)有禁牧地的封育效果，服務(wù)于今后政策制定和優(yōu)化，本研究以藏北高原地區(qū)的禁牧圍欄內(nèi)的草地為對(duì)象，擬實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)研究目標(biāo)：1)通過(guò)草原生態(tài)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策實(shí)施前(2000-2009年)和政策實(shí)施后(2010-2017年)兩個(gè)時(shí)段禁牧地NDVI均值和趨勢(shì)的對(duì)比揭示禁牧效果；2)通過(guò)相應(yīng)時(shí)段的生長(zhǎng)季氣溫和降水的均值和趨勢(shì)對(duì)比，結(jié)合相關(guān)性分析，回歸分析和方差分析探究氣候變化對(duì)禁牧成效的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)介紹

藏北高原孕育著長(zhǎng)江、怒江、瀾滄江等主要河流，被譽(yù)為中華水塔。藏北高原冰緣地貌廣泛分布，是北半球中低緯度地帶多年凍土最為發(fā)育地區(qū)[40]。氣候類(lèi)型從東向西依次分布著高原亞寒帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候、高原亞寒帶半干旱季風(fēng)氣候和高原亞寒帶干旱季風(fēng)氣候[12]。土壤類(lèi)型自東南向西北依次分布著高山/亞高山草甸土、高山/亞高山草原土以及高山漠土等。相應(yīng)地，植被類(lèi)型則自東南向西北依次分布著高寒草甸、草原化草甸、典型草原、荒漠草原和高寒荒漠等[41-43]。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

1.2.1 圍欄坐標(biāo)

禁牧圍欄的邊界坐標(biāo)的原始記錄，包括各個(gè)拐點(diǎn)經(jīng)度、緯度和海拔，從藏北地區(qū)各縣農(nóng)牧局獲取。原始坐標(biāo)記錄經(jīng)Excel初步整理后，導(dǎo)入ArcGIS10.2生成矢量多邊形[27]。禁牧圍欄地塊面積大小從 49 hm2到 157 343 hm2。在進(jìn)行空間分析時(shí)，較小圍欄容易受?chē)鷻谕夥拍敛莸貣鸥竦挠绊?。因此，本研究?jī)H提取面積超過(guò)100 hm2的圍欄(2 413塊)進(jìn)行禁牧評(píng)價(jià)(圖1)。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

藏北地區(qū)屬高原季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期，5-9月是草原植物生長(zhǎng)季[44]。因此，這一時(shí)段降水和溫度常被定義為生長(zhǎng)季降水和生長(zhǎng)季氣溫，用于高寒草地植被時(shí)空格局研究[45]。本研究采用國(guó)家氣象信息中心(http://data.cma.cn) 2000-2017年青藏高原內(nèi)部及其周邊共200個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站生長(zhǎng)季逐日降水和氣溫記錄，利用ANUSPLIN 4.3軟件插值將逐日臺(tái)站數(shù)據(jù)插值生成1 km分辨率柵格，并計(jì)算研究時(shí)段內(nèi)逐年生長(zhǎng)季降水和生長(zhǎng)季平均氣溫[35]。本研究采用NASA提供的2000-2017年逐月MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)第 六版(C6)歸一化植被指數(shù)NDVI (MYD13A3)，空間分辨率為 1 km × 1 km。該產(chǎn)品處理前講過(guò)表面雙向反射率大氣校正，去除水、云、重氣溶膠和云影的影響，被廣泛應(yīng)用于遙感大尺度的高寒草地退化或生態(tài)恢復(fù)時(shí)空過(guò)程與格局的研究[46-49]。西藏自治區(qū)在2010年開(kāi)始實(shí)施天然草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策[11, 15]。本研究通過(guò)比較草原生態(tài)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策實(shí)施前(2000-2009年)與政策實(shí)施后(2010-2017年)兩個(gè)時(shí)段的NDVI均值和趨勢(shì)來(lái)量化禁牧效果[49]，采用最小二乘法計(jì)算NDVI隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[35, 46]，利用回歸分析、相關(guān)分析和方差分解等統(tǒng)計(jì)方法探究氣候變化對(duì)禁牧效果的作用機(jī)制[25, 35, 50]，再利用圍欄矢量邊界提取對(duì)應(yīng)的氣候和NDVI柵格數(shù)據(jù)，只對(duì)圍欄范圍內(nèi)柵格進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)分析。其中，NDVI均值前后時(shí)段變化在-0.001～0.001，或者NDVI趨勢(shì)變化在-10-4～10-4為無(wú)效。圖件利用ArcGIS10.2和R3.3制作完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)季氣溫變化

圖1 藏北高原各縣禁牧圍欄分布圖Figure 1 Spatial distribution of exclosures for grazing exclusion built on degraded alpine grasslands in each county on the northern Tibetan Plateau

整體上藏北高原生長(zhǎng)季平均氣溫呈現(xiàn)北低南高，東低西高的格局(圖2a、b)。2010-2017年與2000-2009年相比，生長(zhǎng)季溫度均呈升高態(tài)勢(shì)且增溫幅度呈從中南部向四周逐漸降低的格局(圖2c)。從變化趨勢(shì)來(lái)看，生長(zhǎng)季平氣溫在2000-2009年期間呈現(xiàn)南部升溫，中北部和西南部降溫的空間態(tài)勢(shì)(圖2d)。2010-2017年間除東南部持續(xù)升溫外，中北部降溫區(qū)略有擴(kuò)大，西南部由增溫逆轉(zhuǎn)降溫(圖2e)。對(duì)比政策前后兩時(shí)段，藏北高東南部升溫趨勢(shì)減緩，中西部由增溫逆轉(zhuǎn)為降溫，西南部由降溫逆轉(zhuǎn)為加劇升溫(圖2f)。

2.2 生長(zhǎng)季降水變化

整體上藏北高原的生長(zhǎng)季降水均值呈現(xiàn)從東南向西部減少的空間格局(圖3a、b)。但2010-2017年與2000-2009年相比，生長(zhǎng)季降水則呈現(xiàn)東部草甸區(qū)降水減少，西部典型高寒草原和荒漠草原區(qū)降水增多的空間態(tài)勢(shì)(圖3c)。從變化趨勢(shì)來(lái)看，藏北高原生長(zhǎng)季降水在2000-2009年間呈現(xiàn)東部草甸區(qū)和西北部典型草原、荒漠草原區(qū)降水減少，中部高寒草原區(qū)和西南部荒漠草原區(qū)降水增加的空間格局。但2010-2017年間藏北高原東中部雙湖縣南部和尼瑪縣東部降水由增加轉(zhuǎn)為減少趨勢(shì)，而西北部的改則、革吉和日土縣降水由減少轉(zhuǎn)為降水增加的趨勢(shì)(圖3d、f)。

2.3 植被覆蓋度變化

高寒草地植被覆蓋度NDVI隨著植被類(lèi)型從草甸、草原到荒漠的轉(zhuǎn)變而逐漸降低(圖4a、b)。與2000-2009年相比，2010-2017年藏北高原67%的禁牧地塊植被覆蓋度NDVI增加，且主要分布在阿里地區(qū)荒漠草原和那曲市西部典型高寒草原區(qū)(表1、圖4c和圖5a)。2000-2009年草地覆蓋度NDVI呈現(xiàn)東部高寒草甸區(qū)和西南部荒漠草原降低，中西部典型高寒草原和荒漠草原增加人格局(圖4d)。但在2010-2017年間NDVI趨勢(shì)呈現(xiàn)中西部典型高寒草原和荒漠草原明顯增加，西南部荒漠草原增加，東部高寒草甸減少的基本格局(圖4e)。此外，中部和西部草原、荒漠區(qū)大部禁牧地塊NDVI增加趨勢(shì)得到提升，東部高寒草甸地區(qū)NDVI降低趨勢(shì)得以緩解(圖4f、圖5b)。

圖2 藏北高原禁牧地多年生長(zhǎng)季溫度均值和趨勢(shì)在草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后的比較Figure 2 Comparisons of the annul means and trends of the growing season temperature (GST), prior to (2000-2009)and after (2010-2017) the implementation of the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

從地塊水平的統(tǒng)計(jì)來(lái)看(表1)，那曲市64.4%的禁牧地塊植被覆蓋度NDVI均值增加，50.3%的禁牧地塊NDVI趨勢(shì)增加。阿里地區(qū)70.8%的禁牧地塊植被NDVI均值增加，但阿里地區(qū)絕大多數(shù)(99.4%)禁牧地塊的NDVI趨勢(shì)沒(méi)有改變。班戈、那曲和申扎3縣植被覆蓋度NDVI均值降低的禁牧地塊的比例分別占51.5%、50.5%和45.1%。相應(yīng)地，班戈、那曲和申扎3縣禁牧地NDVI趨勢(shì)降低的地塊比例分別占63.3%、82.9%和78.8%。尼瑪縣66.8%禁牧地內(nèi)植被覆蓋度變化趨勢(shì)與2000-2009年相比不同程度地下降。從NDVI均值比較結(jié)果來(lái)判斷，整個(gè)藏北高原禁牧有效率(MeanNDVI 2010-2017-NDVI2000-2009＞ 0的地塊占比)為 67.3%，負(fù)效率 (Mean NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ＜ 0 的地塊占比)為 22.5%，無(wú)效率 (Mean NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ≈ 0 的地塊占比)為10.2%。從NDVI趨勢(shì)比較結(jié)果來(lái)判斷，禁牧有效率 (Trend NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ＞ 0 的地塊占比)為 40.5%，負(fù)效率 (TrendNDVI 2010-2017-NDVI2000-2009＜ 0的地塊占比)為31.0%，無(wú)效率(Trend NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ≈ 0的地塊占比)為 28.4%。

2.4 氣候變化與禁牧成效的關(guān)系

每個(gè)禁牧地塊僅有10或8年的氣候數(shù)據(jù)與植被覆蓋度NDVI在柵格尺度上相對(duì)應(yīng)。因此，藏北高寒草地禁牧區(qū)植被覆蓋度NDVI與生長(zhǎng)季氣溫的相關(guān)性比較低(r= 0.266)，并且在政策前后兩個(gè)時(shí)段無(wú)明顯差異(圖6a、b)。但禁牧區(qū)植被覆蓋度NDVI與生長(zhǎng)季降水的相關(guān)性相對(duì)較高(r= 0.370，圖6c、d)，且中西部禁牧地NDVI與降水的相關(guān)性在政策實(shí)施后 (r= 0.370)比政策實(shí)施前 (r= 0.238)有所提高。在空間上表現(xiàn)為東部高寒草甸區(qū)的禁牧地與氣候要素的相關(guān)性上升幅度低于中西部高寒草原和荒漠草原。

圖3 藏北高原禁牧地多年生長(zhǎng)季降水均值和趨勢(shì)在草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后的比較Figure 3 Comparisons of the annul means and trends of the growing season precipitation (GSP), prior to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

單因素回歸分析發(fā)現(xiàn)，盡管NDVI均值和趨勢(shì)隨著生長(zhǎng)季氣候呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)或拋物線型關(guān)系，氣候因子對(duì)其變異的解釋度(R2)仍然普遍較低(圖7)。方差分析也證實(shí)，生長(zhǎng)季溫度和降水的均值變化對(duì)植被覆蓋度NDVI均值變化均影響作用顯著(P＜ 0.05)，但二者對(duì)NDVI均值變化的解釋度之和很低，僅為2.01%。生長(zhǎng)季溫度和降水趨勢(shì)變化及其交互作用對(duì)植被覆蓋度NDVI趨勢(shì)變化的影響作用顯著(P＜ 0.05)，但其對(duì)NDVI趨勢(shì)變異的解釋度僅為1.94%(表2)。

3 討論與結(jié)論

通過(guò)均值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，整個(gè)藏北高原大約10.2%禁牧地的NDVI均值在政策前后兩個(gè)時(shí)段無(wú)顯著變化，28.4%禁牧地的NDVI趨勢(shì)在前后兩時(shí)段未發(fā)生變化。建議對(duì)于禁牧無(wú)效的地塊應(yīng)結(jié)合地面調(diào)查探明除氣候變化以外其他人文因素的作用機(jī)制。但是，藏北高原西部荒漠草原禁牧地NDVI比草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策實(shí)施前有所提高(圖4c和圖5)。這可能是因?yàn)椴乇备咴鞑康貐^(qū)近年來(lái)降水持續(xù)增多(圖3f)。但是在草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策實(shí)施后，阿里地區(qū)禁牧區(qū)NDVI隨年份的變化趨勢(shì)與政策實(shí)施前相比并無(wú)顯著改善(圖4f和表1)，這可能是荒漠草原禁牧地在圍欄禁牧之前并未退化或退化程度較輕造成的。

藏北高原中部高寒草原禁牧地NDVI均值比草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)政策前也有所提高(圖4c和圖5a)，但其趨勢(shì)亦沒(méi)有顯著改變(圖4f、圖5b)。這一方面可能是因?yàn)椴乇备咴形鞑康貐^(qū)在草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策實(shí)施后近10年氣溫增加趨勢(shì)減弱(圖2f)，降水增加趨勢(shì)明顯(圖3f)，甚至部分區(qū)域由政策之前的暖干化趨勢(shì)[51]轉(zhuǎn)變?yōu)檎咧蟮呐瘽窕厔?shì)。另一方面也可能是因?yàn)橹形鞑康湫透吆菰趪鷻诮林安⑽赐嘶?圖4d、f)。高清竹等[47]對(duì)于草地退化空間格局的研究中曾經(jīng)指明，那曲地區(qū)中西部典型高寒草原在2004年以前并未退化或處于輕度退化等級(jí)。

圖4 藏北高原禁牧地植被覆蓋度NDVI均值和趨勢(shì)在草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后的比較Figure 4 Comparisons of the annul means and trends of the vegetation coverage (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI), prior-to (2000-2009) and after (2010-2017) the implementation of the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

藏北高原東部草甸區(qū)禁牧有效率比較低，可能是由于即使在植物生長(zhǎng)季降水多以雪和冰雹的形式出現(xiàn)，與之相隨的低溫凍害并不利于退化草地恢復(fù)。在東部高寒草甸區(qū)安多、那曲和索縣禁牧地塊的NDVI在政策前的趨勢(shì)多為負(fù)值(圖4d和表1)。但從政策前后禁牧地NDVI趨勢(shì)對(duì)比來(lái)看，安多和索縣NDVI趨勢(shì)差 ＞ 0的地塊例較大，分別為69.6%和73.6%，那曲縣NDVI趨勢(shì)差 ＞ 0的比例僅為17%。對(duì)于NDVI趨勢(shì)差＞ 0的地塊，若后一時(shí)段TrendNDVI＞ 0，則說(shuō)明禁牧后促進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)了植被恢復(fù)，未來(lái)研究應(yīng)探明其最佳禁牧年限，適時(shí)調(diào)整為季節(jié)性休牧地或全年放牧地；若后一時(shí)段TrendNDVI＜ 0，則說(shuō)明圍欄禁牧減緩了退化趨勢(shì)但禁牧措施仍應(yīng)繼續(xù)執(zhí)行。

降水變化可能是驅(qū)動(dòng)藏北高原天然草地植被動(dòng)態(tài)和圍欄禁牧效果的主導(dǎo)自然因素[30, 48, 52-53]。本研究中，在空間柵格、地塊尺度上禁牧地的NDVI與氣溫和降水的相關(guān)性不高(圖6)，回歸和方差分析中氣候因子變率對(duì)跨草地類(lèi)型禁牧地NDVI變率的解釋度也很低(表2)且不存在普遍性規(guī)律(圖7)。這可能是因?yàn)樵跉夂蜃兓贾鲗?dǎo)草地退化進(jìn)程的地區(qū)，倘若氣候變化態(tài)勢(shì)沒(méi)有逆轉(zhuǎn)，圍欄禁牧對(duì)草地功能恢復(fù)的影響仍然非常有限[18, 29]。因此，未來(lái)在規(guī)劃禁牧圍欄空間布局之前應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)貧鉁睾徒邓淖兓厔?shì)，采用遙感技術(shù)和地面勘察相結(jié)合的工作方式對(duì)擬建設(shè)圍欄的草地的生境變化、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)等進(jìn)行多角度的審視和評(píng)估, 科學(xué)、系統(tǒng)地量化草地退化等級(jí)[4, 54]。

表1 藏北高原 各縣禁牧地植被 覆蓋度NDVI 均值與趨勢(shì)在草 原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助 獎(jiǎng)勵(lì)政策前后的變 化情況Table 1 Summary of the MeanNDVI, TrendNDVI, and their differences in enclosures for grazing exclusion, prior-to and after the implementation of the‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in each county on the Northern Tibetan Plateau

圖5 藏北高原禁牧地植被覆蓋度NDVI均值和趨勢(shì)在草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后比較情況分類(lèi)Figure 5 Categories of different comparison scenarios of the MeanNDVI and TrendNDVI, prior-to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

圖6 草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后藏北禁牧地植被覆蓋度NDVI與生長(zhǎng)季氣溫和降水的相關(guān)性格局Figure 6 Spatial patterns of the correlation coefficients of the normalized difference vegetation index (NDVI) with the growing season temperature (GST, a & b) and precipitation (GSP, c & d), during the subperiods of prior-to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

有研究表明，短期禁牧( ＜ 5年)有利于提升禾本科和莎草科植物的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度，并抑制豆科有毒植物生長(zhǎng)[30]。但隨著禁牧封育延長(zhǎng)枯落物不斷地累積可能導(dǎo)致遮光效應(yīng)，進(jìn)而影響低矮優(yōu)良牧草的返青、生長(zhǎng)和繁殖[55]，從而改變植物物種間的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致高寒草地發(fā)生逆向演替，造成草地生產(chǎn)功能的衰減。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期禁牧可能會(huì)降低圍欄內(nèi)土壤有機(jī)碳，進(jìn)而影響可食、優(yōu)質(zhì)牧草生長(zhǎng)，并對(duì)物種多樣性維持產(chǎn)生負(fù)面影響[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，藏北高原高寒草原區(qū)班戈、申扎和尼瑪縣禁牧地NDVI趨勢(shì)在草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策之前多為正值(圖4d)，說(shuō)明圍欄內(nèi)草地可能在禁牧之前并未退化。但在禁牧政策實(shí)施后其N(xiāo)DVI正向趨勢(shì)減小，導(dǎo)致禁牧前后NDVI趨勢(shì)差＜ 0的地塊例較大。班戈、申扎和尼瑪縣NDVI趨勢(shì)差減小的地塊比例分別為63%、79%和67%，表明禁牧后高寒草原可能發(fā)生了逆向演替，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能有減弱趨勢(shì)。對(duì)于這類(lèi)禁牧政策前后NDVI均為正值，且禁牧后趨勢(shì)減弱的禁牧地應(yīng)該結(jié)合地面調(diào)查的評(píng)估適時(shí)重新開(kāi)放為放牧地或季節(jié)性休牧地。由于大尺度的NDVI數(shù)據(jù)難以有效指示草地植物群落組成的變化，NDVI的增減趨勢(shì)是否和植物群落組成變化一致需要更為翔實(shí)的野外驗(yàn)證。

圖7 草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后藏北禁牧地植被覆蓋度NDVI均值和趨勢(shì)差異與生長(zhǎng)季氣候的關(guān)系Figure 7 Relationships between the mean-difference and trend-difference of the normalized difference vegetation index with the corresponding mean-difference and trend-difference of the growing season temperature and precipitation (GST and GSP) between the two subperiods, prior-to and after the ‘a(chǎn)llowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy implementation in all exclosures for grazing exclusion across alpine meadow, alpine steppe, and desert steppe on the northern Tibetan Plateau

以往研究常采用線性趨勢(shì)比較可能比較適用于特定站點(diǎn)的長(zhǎng)期植被動(dòng)態(tài)分析。但是，在時(shí)間和空間分析耦合在一起時(shí)，必須滿(mǎn)足研究時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)變化是顯著線性這一前提假設(shè)。只有在滿(mǎn)足線性趨勢(shì)顯著的情況下才能夠通過(guò)趨勢(shì)(斜率)比較得出相對(duì)可靠的結(jié)論。由于植物群落內(nèi)部不同種群存在的生態(tài)位分離、分化或重疊[56-57]，在自然和人文因素相互耦合影響下，生態(tài)功能和過(guò)程外界干擾的響應(yīng)并非遵循簡(jiǎn)單的線性規(guī)律[58-59]。例如，Wu等[21]利用2009-2012年的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)構(gòu)建廣義加性模型發(fā)現(xiàn)藏北高寒草地毒草入侵沿著氣候和放牧梯度呈非線性格局，毒草入侵在生長(zhǎng)季降水適中高寒草原最為嚴(yán)重。因此，Wu等[21]認(rèn)為氣候條件、現(xiàn)實(shí)放牧壓力以及毒雜草植物(功能性狀)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)共同造成了區(qū)域毒雜草入侵的非線性格局。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，植物物種多樣性以及性狀多樣性有可能通過(guò)非線性途徑來(lái)調(diào)控初級(jí)生產(chǎn)力以及干物質(zhì)分配[25-27]。禁牧地NDVI變化與氣候因素相關(guān)性很低且在大部分柵格上不顯著也可能是因?yàn)檠芯繒r(shí)段比較短(圖6)，氣候變化和生態(tài)過(guò)程并不遵循線性規(guī)律 (圖7)。因此建議，未來(lái)應(yīng)嘗試采用非線性混合模型結(jié)合方差分解和顯著性判斷，來(lái)識(shí)別和量化氣候變化、草地管理和政策輔助的對(duì)草地動(dòng)態(tài)或恢復(fù)進(jìn)程的相對(duì)貢獻(xiàn)。

表2 氣候變化對(duì)草原生態(tài)保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)補(bǔ)助政策前后藏北禁牧地植被覆蓋度變化的影響作用Table 2 Effects of climate change on the changes of grassland vegetation coverage in exclosures for grazing exclusion on the Northern Tibetan Plateau

4 結(jié)論

本研究以藏北高原2 413塊禁牧地為對(duì)象，通過(guò)草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策前(2000-2009年)和政策后(2010-2017年)圍欄內(nèi)草地NDVI均值和趨勢(shì)對(duì)比來(lái)評(píng)判禁牧有效性；結(jié)合相應(yīng)時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)季氣溫和降水的均值與趨勢(shì)變化，通過(guò)相關(guān)分析，回歸分析和方差分解評(píng)判氣候因素對(duì)禁牧地植被恢復(fù)效果的影響，得出以下初步兩點(diǎn)結(jié)論和建議：

(1)從NDVI均值比較結(jié)果來(lái)判斷，整個(gè)藏北高原禁牧有效率為67.3%，負(fù)效率為22.5%，無(wú)效率為10.2%。從NDVI趨勢(shì)比較結(jié)果來(lái)判斷，整個(gè)藏北高原禁牧有效率率為40.5%，負(fù)效率為31.0%，無(wú)效率為28.4%。對(duì)禁牧有效地塊應(yīng)結(jié)合地面監(jiān)測(cè)判斷是已實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù)還是已有效減緩草地退化，進(jìn)而相應(yīng)地采取適時(shí)開(kāi)放為放牧地或繼續(xù)實(shí)行禁牧。對(duì)負(fù)效禁牧地塊應(yīng)在地面勘測(cè)時(shí)選擇合理的參照系，判斷是否因長(zhǎng)期禁牧導(dǎo)致植被逆向演替。已經(jīng)發(fā)生逆向演替的禁牧地塊應(yīng)盡快及時(shí)開(kāi)放為放牧地并維持合理的放牧壓力。對(duì)于禁牧無(wú)效的地塊，應(yīng)剖析自然因素的以外的其他人文因素的作用機(jī)制，是否嚴(yán)格禁牧等。

(2)從NDVI與氣候相關(guān)性的空間格局來(lái)看，整個(gè)藏北高寒草地禁牧區(qū)植被NDVI與生長(zhǎng)季氣溫的相關(guān)性比較低，并且在政策前后兩個(gè)時(shí)段無(wú)明顯差異。禁牧區(qū)植被NDVI與生長(zhǎng)季降水的相關(guān)性相對(duì)較高，且中西部禁牧地NDVI與降水的相關(guān)性在政策實(shí)施后 (r= 0.370)比政策實(shí)施前 (r= 0.238)有所提高。線性回歸和方差分解結(jié)果顯示，盡管生長(zhǎng)季降水和溫度變化對(duì)禁牧地NDVI影響顯著，但是二者對(duì)跨時(shí)間和空間尺度NDVI均值和趨勢(shì)變化的解釋度很低。未來(lái)應(yīng)該結(jié)合長(zhǎng)期的地面監(jiān)測(cè)，選擇合理的參照標(biāo)準(zhǔn)(如健康的放牧地)，嘗試構(gòu)建在跨時(shí)空尺度的非線性模型來(lái)辨識(shí)和量化氣候變化和人文因素分析對(duì)高寒草地動(dòng)態(tài)或退化草地恢復(fù)效果的相對(duì)影響，因地制宜地提出禁牧圍欄布局方案，從而輔助生態(tài)保護(hù)政策的制定和實(shí)施。