定量評(píng)估氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)西北地區(qū)草地變化的相對(duì)作用

同琳靜, 劉洋洋 , 章釗穎, 李曉宇, 王 倩, 李建龍

(1.南京大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生態(tài)學(xué)系, 南京 210093; 2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210046)

草地生態(tài)系統(tǒng)是全球面積最大的生態(tài)系統(tǒng)之一，其在氣候調(diào)節(jié)、生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及碳儲(chǔ)存中扮演著重要角色[1-2]。我國(guó)草地資源豐富，面積達(dá)到4億hm2，占國(guó)土面積的41.7%[3-4]。但近年來，隨著人類活動(dòng)和氣候變化的日益加劇，草地退化及草地生物多樣性降低等問題已成為威脅我國(guó)生態(tài)安全和人民生活的重要因素，而且也已嚴(yán)重影響草地氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)和水土保持等生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮[5]。全國(guó)接近85%的草地集中在西北地區(qū)，該地區(qū)氣候干旱，生態(tài)環(huán)境較為敏感、脆弱[6]。過去幾十年由于全球變暖、人口增加、草地開墾、過度放牧和管理滯后等問題，西北地區(qū)草地退化問題較為嚴(yán)重，年退化草地面積高達(dá)6 700 km2[6]。這一生態(tài)問題已受到了政府的關(guān)注，為了改善和保護(hù)草地生態(tài)環(huán)境，2000年以來我國(guó)開始制定并實(shí)施退耕還林、退耕還草等一系列草地保護(hù)政策，使得西北地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境得到改善[3]。

研究表明，草地的恢復(fù)與退化主要由氣候變化和人類活動(dòng)引起，氣候變化是一種內(nèi)在動(dòng)力，而人類活動(dòng)為外部動(dòng)力，可在一定程度上緩解或加劇氣候變化的影響[7]。因此，定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)在恢復(fù)和退化當(dāng)中的相對(duì)作用對(duì)于草地生態(tài)治理具有重要意義[8-9]。近年來全國(guó)氣候變暖現(xiàn)象較為明顯，針對(duì)西北部分地區(qū)已有學(xué)者探究草地生產(chǎn)力對(duì)氣候變化的響應(yīng)[10-11]。另外，人類活動(dòng)如土地利用變化、放牧強(qiáng)度和方式等對(duì)草地的影響也有報(bào)道[12-14]，也有相關(guān)文獻(xiàn)定量評(píng)估了人類活動(dòng)和氣候變化在西北地區(qū)草地恢復(fù)與退化中的相對(duì)貢獻(xiàn)[8]，但本研究進(jìn)一步擴(kuò)大了研究的時(shí)間尺度，并分析了該區(qū)人口和畜牧量動(dòng)態(tài)，豐富了研究?jī)?nèi)容。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)于草地退化的研究視角已經(jīng)可以從局部近距離研究擴(kuò)大到整體性區(qū)域性研究[15]。凈植被初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)定義為單位時(shí)間及單位面積內(nèi)植被能通過光合作用固定的干物質(zhì)的總量[5]。NPP對(duì)于氣候變化和人類活動(dòng)較為敏感，是表征草地生產(chǎn)力和評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)[16]。因此，開展區(qū)域性的NPP時(shí)空變化特征及影響因素研究是草地生態(tài)監(jiān)測(cè)和管理的關(guān)鍵。

本研究結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)，利用CASA模型模擬西北地區(qū)草地的實(shí)際NPP，利用Thornthwaite Memorial模型模擬了潛在NPP，以潛在NPP與實(shí)際NPP的差值代表人類活動(dòng)引起的NPP變化狀況，通過構(gòu)建不同情景定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)草地恢復(fù)與退化的影響，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和人為因素?cái)?shù)據(jù)等分析草地生產(chǎn)力變化的原因。本研究結(jié)論對(duì)于促進(jìn)西北地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，完善草地管理保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)草地的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取中國(guó)西北五省(內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、新疆維吾爾族自治區(qū)、青海省、西藏自治區(qū))作為研究區(qū)域，地理坐標(biāo)為32°31′—36.53N，73°32′—108°46′E(圖1)。該區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)屬于干旱和半干旱區(qū)。年均溫較低，年總降水量為400～800 mm，主要集中在夏秋兩季。地形以盆地、平原和高原為主，主要包括柴達(dá)木盆地、塔里木盆地、河西平原、黃土高原和青藏高原等[17]。

注：空白部分表示無草地分布。

1.2 數(shù)據(jù)來源及方法

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

(1) NDVI數(shù)據(jù)。NDVI數(shù)據(jù)采用美國(guó)NASA提供的EOS/MODIS的MOD13A1數(shù)據(jù)集(http:∥edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)。下載數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為2000—2015年，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m。使用MRT(MODIS Reprojection Tools)完成數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化和重投影，并進(jìn)行圖像的拼接與重采樣。采用最大合成法(Maximum Value Composite，MVC)對(duì)16 d的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用西北地區(qū)邊界裁剪出研究區(qū)2000—2015年逐月的NDVI遙感數(shù)據(jù)集[6]。

(2) 土地覆被數(shù)據(jù)。土地覆被數(shù)據(jù)來自GLC2000(Global Land Cover 2000)數(shù)據(jù)集中的中國(guó)區(qū)域子集，空間分辨率為1 km[18]。中國(guó)西北地區(qū)草地分為坡面草地、平原草地、荒漠草地、草甸、高山與亞高山草甸和高山與亞高山草地(圖1)。

(3) 氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)使用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載的2000—2015年全國(guó)720站點(diǎn)的月平均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，輻射數(shù)據(jù)來源于全國(guó)120個(gè)輻射站點(diǎn)的月太陽總輻射數(shù)據(jù)[19]。采用ANUSPLIN對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，利用西北各省邊界進(jìn)行裁剪，得到逐月的氣象數(shù)據(jù)柵格影像，該數(shù)據(jù)集與NDVI數(shù)據(jù)具有相同的投影和像元大小。

1.2.2 人為因素?cái)?shù)據(jù) 人口數(shù)量和年末存欄數(shù)等數(shù)據(jù)均來自于各省的統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 NPP的估算

(1) 實(shí)際NPP的估算。實(shí)際NPP(ANPP)用來表示氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下的草地的實(shí)際NPP，本研究中ANPP由CASA模型模擬得到，該模型主要涉及植物吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個(gè)變量[20]。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)為像元x處t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)為像元x處t月份吸收的實(shí)際光能利用率(g C/MJ)。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中：SOL(x,t)為像元x處t月份太陽總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)為植被吸收入射光合有效輻射的比例；0.5為植被能吸收的有效輻射(0.4～0.7 μm)與太陽總輻射的比值。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：Tε1(x,t)為低溫對(duì)光能利用率的影響；Tε2(x,t)為高溫對(duì)光能利用率的影響；Wε(x,t)為水分對(duì)光能利用率的影響；εmax為最大光能利用率(理想狀態(tài))，本研究中采用的草地的εmax為0.542 g C/MJ。Tε1(x,t)，Tε2(x,t)和Wε(x,t)等的具體計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[18]。

(2) 潛在NPP的估算。潛在NPP(PNPP)指理想狀態(tài)下植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力，本研究采用的PNPP由Thornthwaite Memorial估算得到，該模型在Miami模型的基礎(chǔ)上提出，并通過Thornthwaite潛在蒸散模型進(jìn)行了改進(jìn)[15]，其計(jì)算公式如下：

PNPP=3000[1-e-0.0009695(v-20)]

(4)

式中：v為年實(shí)際蒸散量(mm)。

(5)

L=3000+25t+0.05t3

(6)

式中：r為年總降水量(mm)；L為年最大蒸散量(mm)；t為年平均氣溫(℃)。

(3) 人為NPP的估算。人為NPP(HNPP)定義為人類活動(dòng)影響下的植被NPP，該方法假設(shè)實(shí)際NPP與潛在NPP的差別僅由人類活動(dòng)引起，HNPP的計(jì)算公式如下：

HNPP=PNPP-ANPP

(7)

1.3.2 模型驗(yàn)證 為了驗(yàn)證CASA模型的精度，本課題組于2009年在西北地區(qū)進(jìn)行草地生物量實(shí)地調(diào)查，共采集60個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。樣點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與同一位置的模擬數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)達(dá)到基本吻合(R2=0.74，p<0.01)(圖2)。因此，可認(rèn)為CASA模型適用于西北地區(qū)草地植被NPP的估算。

圖2 NPP實(shí)測(cè)值與模擬值的比較

1.3.3 趨勢(shì)分析 采用一元回歸分析方法對(duì)草地和氣象因素的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，其計(jì)算公式如下：

(8)

式中：slope為變化斜率；i為第幾年；n為研究年限16年；vari為第i年的變化量。若slope>0，表示變量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，反之則表現(xiàn)出減小趨勢(shì)。若草地ANPP的slope>0，說明草地出現(xiàn)恢復(fù)，若slope<0，則表明草地出現(xiàn)退化。對(duì)不同變量的slope進(jìn)行F檢驗(yàn)，具體的計(jì)算方法可參照文獻(xiàn)[18]。

1.3.4 相關(guān)性分析 采用pearson相關(guān)系數(shù)來探究西北地區(qū)2000-2015年草地NPP與氣象因素的相關(guān)性。

(9)

式中：rxy為相關(guān)性系數(shù)；n為研究年限(16年)；xi為第i年的NPP；yi為第i年的年均溫或降水。

1.3.5 評(píng)估情景的構(gòu)建 本研究將上述3種NPP(ANPP，PNPP，HNPP)的slope進(jìn)行比較，對(duì)人類活動(dòng)和氣候變化在草地退化和恢復(fù)的相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行區(qū)分，定義草地變化的6種情景(表1)。表中，SA為正值說明草地出現(xiàn)恢復(fù)，而SA為負(fù)值說明草地呈現(xiàn)退化。SP大于0說明氣候變化有助于植物的生長(zhǎng)，而SP小于0表示氣候變化抑制植物的生長(zhǎng)。SH大于0代表人類活動(dòng)引起草地退化，SH小于0表示人類活動(dòng)引發(fā)草地恢復(fù)[3]。

表1 氣候變化和人類活動(dòng)影響草地恢復(fù)與退化的6種情景

2 結(jié)果與分析

2.1 西北地區(qū)草地NPP的動(dòng)態(tài)變化特征

2.1.1 草地NPP的年際變化特征 對(duì)西北地區(qū)3種NPP的年際變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明3種NPP都呈增加趨勢(shì)。其中，ANPP的增加達(dá)到極顯著水平(p<0.01)，增加速率為1.92 g C/(m·a)。ANPP在2015年出現(xiàn)最大值[193.25 g C/(m·a)]，在2001年出現(xiàn)最小值[146.91 g C/(m·a)]，16年的平均值為171.80 g C/(m·a)。研究年限內(nèi)PNPP的值在512.37～394.32 g C/(m·a)波動(dòng)，增加速率為2.18 g C/(m·a)。HNPP研究年限內(nèi)的平均值為454.83 g C/(m·a)，變化速率為1.41 g C/(m·a)，線性增長(zhǎng)未達(dá)到顯著性水平(p>0.05)。HNPP的變化趨勢(shì)與PNPP接近，同樣在2003年達(dá)到最大值[510.25 g C/(m·a)]，但最小值[381.70 g C/(m·a)]出現(xiàn)在2006年(圖3)。

2.1.2 草地NPP的空間變化特征 從空間上分析，ANPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)(草地恢復(fù))的區(qū)域與呈減少趨勢(shì)(草地退化)區(qū)域相間分布。其中，呈現(xiàn)增加趨勢(shì)面積占草地總面積的83.20%，說明西北地區(qū)大部分草地處于恢復(fù)狀態(tài)(圖4A)。具體分析可得，ANPP顯著增加的面積占草地總面積的6.72%，主要集中在青藏高原的東部和中部，以及甘肅的北部。顯著減少的區(qū)域面積較少，未達(dá)到總面積的1%(圖4B)。整體上，西北地區(qū)草地狀態(tài)呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，少部分草地生產(chǎn)力出現(xiàn)降低。由圖4C可得，2000—2015年，PNPP的值在研究區(qū)的北部呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，而南部呈增加趨勢(shì)。對(duì)PNPP的變化顯著性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，出現(xiàn)顯著變化的面積較少，出現(xiàn)顯著增加的比例僅為0.47%，主要分布在內(nèi)蒙的東北部，而顯著減少的區(qū)域(0.32%)集中在青藏高原的北部(圖4D)。HNPP的變化速率的空間分布與PNPP較為接近，整體上呈現(xiàn)北部減少南部增加的格局(圖4E)。研究區(qū)內(nèi)97.43%的草地HNPP未顯著變化，HNPP顯著增加和顯著減少的區(qū)域分別占總面積的0.71%，1.86%(圖4F)。

圖3 中國(guó)西北地區(qū)草地NPP的年際變化

圖4 中國(guó)西北地區(qū)草地NPP變化速率及其顯著性

2.2 草地退化與恢復(fù)的驅(qū)動(dòng)力分析

2.2.1 人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)草地退化與恢復(fù)的相對(duì)貢獻(xiàn) 2000—2015年，西北地區(qū)草地恢復(fù)的面積遠(yuǎn)大于草地退化的面積(圖5A)。草地恢復(fù)部分面積占總面積的83.20%，恢復(fù)面積約為2.23×106km2。草地退化的比例為16.8%，面積為4.55×105km2(表2)。根據(jù)表1中方法對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)在西北草地恢復(fù)與退化中的相對(duì)貢獻(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。氣候變化主導(dǎo)的和人類活動(dòng)主導(dǎo)的草地恢復(fù)的面積占總面積的比例分別為33.79%，41.55%，兩因素共同主導(dǎo)的草地恢復(fù)比例為7.86%，因此可認(rèn)為人類活動(dòng)是西北地區(qū)草地恢復(fù)的主要原因，該結(jié)果可能與我國(guó)21世紀(jì)以來實(shí)施的退耕還林、退耕還草政策密切相關(guān)。同時(shí)，結(jié)果表明氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)草地恢復(fù)的貢獻(xiàn)在不同區(qū)域間存在差異。氣候變化主導(dǎo)的草地恢復(fù)主要出現(xiàn)在內(nèi)蒙的北部，青海的中部及西部，以及西藏的西部地區(qū)。而人類活動(dòng)主導(dǎo)的草地恢復(fù)集中在青藏高原的大部分地區(qū)、青海的北部，其余零星分布在新疆、內(nèi)蒙和甘肅等。氣候變化和人類活動(dòng)共同主導(dǎo)的恢復(fù)在內(nèi)蒙和青海分布較廣，其余分布在甘肅和西藏的中部，在新疆的北部也有零星分布(圖5A)。西北地區(qū)草地退化的面積較少，其中由氣候變化主導(dǎo)的面積占總面積的9.97%，這些區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙中部和新疆北部。由人類活動(dòng)主導(dǎo)的草地退化集中在青藏高原的南部和新疆北部，該類型所占比例為6.11%。由氣候和人為因素共同主導(dǎo)的草地退化面積較少，零星分布在新疆的北部(圖5B)。因此可知，氣候變化是西北地區(qū)草地退化的主要原因。

圖5 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)草地恢復(fù)和退化的相對(duì)貢獻(xiàn)

由表2可知，2000—2015年西北地區(qū)草地增加的NPP總量為18 546.56 Gg C，其中人類活動(dòng)貢獻(xiàn)的NPP增加量最大(10 478.4 Gg C)，在氣候主導(dǎo)恢復(fù)的區(qū)域，NPP的變化率達(dá)到0.59 g C/(m·a)。氣候主導(dǎo)草地恢復(fù)區(qū)域的面積為9.06×105km2，NPP的增加速率為0.51 g C/(m·a)。另外，草地退化區(qū)域損失的NPP總量為428.16 Gg C。氣候主導(dǎo)草地退化的面積為2.67×105km2，導(dǎo)致的NPP損失量為341.76 Gg C。由人類活動(dòng)和兩因素共同作用下造成的NPP損失較小，損失量分別為78.72，7.68 Gg C。

表2 不同因素影響下的草地恢復(fù)與退化的面積、NPP變化率和總NPP

2.2.2 不同省份和不同草地類型NPP變化的原因分析 對(duì)不同草地類型恢復(fù)和退化的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得，每個(gè)類型草地恢復(fù)的面積均大于退化的面積，說明不同草地類型的生長(zhǎng)狀況均得到了改善。其中，高山與亞高山草地的恢復(fù)面積最大，其值達(dá)到8.44×105km2。草甸的退化面積為1.07×105km2，屬于退化面積最大的草地類型。相對(duì)而言，坡面草地的退化面積較少，僅為1.47×103km2(圖6A)。針對(duì)不同省份分析，甘肅和青海草地的退化面積較其他省份較少，分別為1.35×104，1.09×104km2。新疆草地恢復(fù)和退化的面積較為接近，分別為1.52×105，1.51×105km2(圖6B)。

分析不同草地類型退化與恢復(fù)的成因可得，氣候變化是導(dǎo)致草甸、荒漠草地和平原草地恢復(fù)的主要因素，而高山與亞高山草地和高山與亞高山草甸出現(xiàn)草地恢復(fù)可主要?dú)w因于人類活動(dòng)，坡面草地的恢復(fù)由人類活動(dòng)和氣候變化共同主導(dǎo)(圖7A)。另外，氣候變化是草甸、荒漠草地、平原草地和坡面草地退化的主要成因，而人類活動(dòng)主導(dǎo)了高山與亞高山草地和高山與亞高山草甸的退化(圖7B)。從不同省份的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，內(nèi)蒙、甘肅和青海草地恢復(fù)的主要原因?yàn)槿祟惢顒?dòng)，而新疆和西藏的草地恢復(fù)主要由氣候變化主導(dǎo)(圖7C)。從草地退化角度分析，氣候變化導(dǎo)致的退化比例最大的情況主要出現(xiàn)在內(nèi)蒙、新疆、甘肅和青海，因此氣候變化是導(dǎo)致這些省份草地退化的主導(dǎo)因素。另外，西藏92.50%的草地面積退化由人類活動(dòng)引起，人類活動(dòng)是該省草地退化的主要原因(圖7D)。

注：M為草甸，Alm為高山與亞高山草甸，Alg為高山與亞高山草地，Dg為荒漠草地，Pg為平原草地，Sg為坡面草地。

圖7 人類活動(dòng)和氣候變化在不同草地類型和不同省份草地恢復(fù)和退化中的相對(duì)貢獻(xiàn)

2.3 中國(guó)西北草地NPP與氣候變化的響應(yīng)

2.3.1 氣象因子的時(shí)空動(dòng)態(tài) 從空間上分析，西北地區(qū)降水總體上呈現(xiàn)南部降低北部增加的格局，研究區(qū)內(nèi)55.98%的草地降水呈增加趨勢(shì)，其主要分布在青海南部、西藏的中部和南部、新疆的北部。降水減少的區(qū)域在內(nèi)蒙和甘肅分布較廣，其余還分布在西藏中部、青海的西部以及新疆的北部(圖8A)。時(shí)間變化上，2000—2015年降水呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)，增加速率為2.11 mm/a，增加趨勢(shì)未達(dá)到顯著性水平(p<0.05)。16年降水的平均值為295.41 mm，其中2003年達(dá)到最大值330.09 mm，2001年出現(xiàn)最小值 (258.78 mm)(圖8C)。

圖8B為2000—2015年溫度的空間變化速率，其平均變化率為-0.03℃/a。研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)溫度降低的面積比例為66.79%，其主要集中在內(nèi)蒙的中部和北部，甘肅中部、青海東部和北部、西藏的西部，以及新疆的北部。而溫度增加的區(qū)域集中在內(nèi)蒙北部、青海西部、西藏東部，在新疆的北部也有部分分布。此外，溫度在時(shí)間上呈輕微的增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)不顯著(p<0.05)。2000—2015年，年均溫在0.68～3.76℃波動(dòng)，平均為2.78℃(圖8C)。

2.3.2 草地ANPP與氣象因子的相關(guān)性 在像元水平上對(duì)降水、溫度和ANPP進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)其相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。對(duì)不同相關(guān)性水平所對(duì)應(yīng)的像元數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果可得西北地區(qū)草地ANPP與降水正相關(guān)的面積大于呈負(fù)相關(guān)的面積(65.75%>34.25%)。其中，呈極顯著和顯著正相關(guān)的比例分別為8.85%，18.94%，這些區(qū)域主要集中在內(nèi)蒙的中部和東部，甘肅的中部、青海的東部和新疆北部邊界。ANPP與降水的負(fù)相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平的比例為5.08%，主要分布在青藏高原的東部。相關(guān)關(guān)系不顯著的區(qū)域所占比例較大，在每個(gè)省份均有分布(圖9A)。由圖9B可得，ANPP與氣溫呈顯著正相關(guān)的區(qū)域集中在青藏高原的中部和北部，其面積所占比例為14.90%。ANPP與氣溫呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)的比例分別為2.04%，9.86%，其主要分布在內(nèi)蒙的北部、甘肅北部、青海東部和青藏高原的西南部，其余零星分布在其余地區(qū)。由相關(guān)性面積比例可得，總體上西北地區(qū)草地ANPP與降水呈正相關(guān)，與溫度呈負(fù)相關(guān)。另外，因ANPP與降水相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平的比例大于氣溫(32.87%>26.80%)，因此可得ANPP對(duì)于降水變化的響應(yīng)更加敏感。

2.4 中國(guó)西北地區(qū)人口和畜牧數(shù)量動(dòng)態(tài)

由圖10A可知，2000—2015年西北地區(qū)人口總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中，西藏的日喀則、那曲、林芝地區(qū)，新疆的烏魯木齊，以及內(nèi)蒙的呼和浩特和赤峰人口增加速率較大。人口增加會(huì)使得人均占有草地資源的減少，增加對(duì)資源環(huán)境的壓力，因此人口數(shù)量是影響草地NPP的一個(gè)重要因素。同時(shí)，牛、羊、馬等牲畜將草類等作為主要飼料來源，過度放牧對(duì)草地的生產(chǎn)力影響較大。圖10B表明西北五省畜牧量變化速率在區(qū)域間存在差異。青藏高原和青海東部畜牧量都呈現(xiàn)減少，畜牧量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)分布在新疆北部和甘肅的大部分地區(qū)。具體分析，由于內(nèi)蒙和甘肅的中部人口數(shù)量和畜牧量均呈增加趨勢(shì)，因此可能導(dǎo)致草地出現(xiàn)不同程度的退化。同時(shí)，畜牧量減少的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙的北部和西藏的中部，該區(qū)域草地呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢(shì)，可能原因?yàn)椴菔臣倚蟮臏p少使得草類的生產(chǎn)力損失降低，覆蓋度增加，進(jìn)而促進(jìn)NPP的增加。

圖8 氣象因素的變化速率和年際變化趨勢(shì)

圖9 草地ANPP與降水、氣溫的相關(guān)性

3 討 論

3.1 氣候變化對(duì)草地動(dòng)態(tài)的影響

陸—?dú)忾g相互作用通過溫度、降水機(jī)制的改變以及季節(jié)變化而進(jìn)行周期性波動(dòng)，對(duì)植物的生長(zhǎng)以及分布產(chǎn)生較大影響[21]。年際變化上，PNPP與降水的波動(dòng)趨勢(shì)較為吻合，但與溫度的變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)相反的關(guān)系。而ANPP與氣溫、降水的年際變化趨勢(shì)吻合度較低，可能是受到人類活動(dòng)干擾的原因(圖3和圖8C)。研究表明，自19世紀(jì)80年代末以來，我國(guó)西北地區(qū)氣候逐漸從“暖干化”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭瘽窕盵6,22]。本研究表明“暖濕化”的趨勢(shì)主要分布在青藏高原和新疆的北部，而大部分地區(qū)呈現(xiàn)“冷濕化”的趨勢(shì)，說明西北地區(qū)的氣候格局處在不斷變化的過程當(dāng)中，氣候干旱的緩解在一定程度上促進(jìn)了西北地區(qū)草地的恢復(fù) (圖8A—B)。研究表明在水資源較為有限并溫度升高的生態(tài)系統(tǒng)中，降水可為植物生長(zhǎng)提供足夠的水分[23]。西北地區(qū)氣候較為干旱，因此草地ANPP對(duì)降水較為敏感，降水與ANPP具有較好的正相關(guān)關(guān)系，本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果相一致[6]。但結(jié)果顯示，那曲東部地區(qū)ANPP與降水間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。太陽輻射可促進(jìn)草地NPP的積累，但在海拔較高地區(qū)降水的增加會(huì)對(duì)植被吸收光合輻射產(chǎn)生限制，所以地形因素可能是造成那曲區(qū)域ANPP與降水呈負(fù)相關(guān)的原因[9]?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)ANPP與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，原因?yàn)樵诟珊?、半干旱地區(qū)，氣溫升高會(huì)使得蒸散增加，土壤水分減少，從而降低了植被的光合效率[24]。

圖10 西北地區(qū)主要城市人口和畜牧數(shù)量動(dòng)態(tài)

3.2 草地管理措施對(duì)草地動(dòng)態(tài)的影響

20世紀(jì)，由于人們片面追求經(jīng)濟(jì)利益，過度放牧和草地開墾情況嚴(yán)重，加上政府缺乏有效的管理和保護(hù)措施，使得我國(guó)西北地區(qū)草地出現(xiàn)大面積的退化。草地退化不僅體現(xiàn)在草地面積的減少，還體現(xiàn)在草地覆蓋度降低，群落退化、草地生產(chǎn)力下降等多個(gè)方面[15]。合理的草地經(jīng)營(yíng)管理措施對(duì)于維護(hù)草地生態(tài)服務(wù)價(jià)值發(fā)揮具有重要意義。21世紀(jì)以來，我國(guó)政府已開始重視這一生態(tài)問題。本研究得出，2000以來人類活動(dòng)是草地恢復(fù)的主要成因(圖5)，說明相關(guān)政策已取得積極的生態(tài)效應(yīng)。2000—2003年草地ANPP呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，可能與2000年開始實(shí)行的退耕還林還草措施有關(guān)。2003—2004年間有所波動(dòng)減少，2004年政府開始實(shí)施退牧還草生態(tài)工程，使得草地生長(zhǎng)環(huán)境得到改善，ANPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。另外，“減畜工程”的實(shí)施對(duì)于草地恢復(fù)也起到了一定的作用[15]。研究表明，放牧對(duì)于草地植被的蓋度、葉數(shù)和葉層高度、地上部生物量均有影響，尤其是生物量減少較為顯著，說明過度放牧是引發(fā)草地退化的重要因素之一[25]。畜牧量減少可減輕牲畜對(duì)草類的采食和踐踏，減緩了過度放牧的危害。2000年以來，西北地區(qū)呈現(xiàn)畜牧量較少的區(qū)域較多，尤其是在青藏高原地區(qū)，放牧強(qiáng)度的減輕促進(jìn)了這些地區(qū)的草地的恢復(fù)[26]。

3.3 模型誤差

本研究采用的Thornthwaite Memorial模型僅以氣溫和降水作為模擬參數(shù)，PNPP表示理想狀態(tài)僅受氣候變化(氣溫、降水)影響下的草地所能達(dá)到的最大NPP。但是，這些情況受到草原火災(zāi)、草地三害(毒害、鼠害、蟲害)和草原物種的影響。HNPP定義為PNPP與ANPP的差值，但是實(shí)際情況下兩者之間的差異不僅僅只受到人類活動(dòng)的影響[7]。因此，這些因素都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不確定性。但是運(yùn)用該方法能在大尺度上區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)草地NPP的影響[18]。

4 結(jié) 論

(1) 2000—2015年，西北地區(qū)83.20%的草地呈現(xiàn)恢復(fù)狀態(tài)，恢復(fù)的面積達(dá)到2.23×106km2，NPP的增加總量為18 645.56 Tg C。而僅有16.8%的草地呈現(xiàn)退化趨勢(shì)，面積為4.55×105km2，NPP的損失總量為428.16 Gg C。

(2) 人類活動(dòng)是草地恢復(fù)的主要成因，人類活動(dòng)主導(dǎo)的草地恢復(fù)面積占草地總面積的49.94%，其導(dǎo)致NPP的增加量為10 478.4 Tg C。而氣候變化是草地退化的主導(dǎo)因素，氣候變化引起的NPP損失量為341.76 Tg C。

(3) 進(jìn)一步分析得到西北地區(qū)草地呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢(shì)的原因?yàn)闅夂虺尸F(xiàn)“冷濕化”的趨勢(shì)，干旱的情況得到了一定緩解。此外，退耕還林、退耕還草和 “減畜工程”的實(shí)施，進(jìn)一步改善草類的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了西北地區(qū)草地的恢復(fù)。而區(qū)域水熱條件不均衡和不合理的人類活動(dòng)易造成草地退化。