氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)內(nèi)蒙古東部草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響

歐陽(yáng)玲,馬會(huì)瑤,王宗明,王昭偉,于顯雙

1 赤峰學(xué)院, 赤峰 024000 2 海圖信息中心, 天津 300000 3 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130102 4 國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心, 北京 100101 5 赤峰生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站, 赤峰 024000

陸地生態(tài)系統(tǒng)中草地生態(tài)系統(tǒng)是最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一[1],在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中具有重要作用。植被生產(chǎn)力的降低作為土地退化的核心問(wèn)題,成為全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)[2],全球和區(qū)域水平的植被凈第一性生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)及其主要影響因素研究正受到越來(lái)越多科學(xué)家的關(guān)注[3]。我國(guó)草地資源嚴(yán)重退化,雖然采取部分措施,但草原整體退化的趨勢(shì)仍然沒(méi)有得到扭轉(zhuǎn)[4]。

草地退化有自然因素(如氣候變化等)的原因,也有人類活動(dòng)因素的原因。區(qū)分人為和氣候因素,對(duì)于深入探索分析自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化和人類活動(dòng)的響應(yīng),為退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供相應(yīng)的適應(yīng)性對(duì)策,具有重要的方法借鑒意義和實(shí)踐指導(dǎo)意義。直到近期,國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始對(duì)氣候因素與人為因素導(dǎo)致的草地退化進(jìn)行區(qū)分。Evans[5]和Geerken[6]以遙感植被指數(shù)NDVI 為數(shù)據(jù)源,利用殘差分析方法為提取人為因素導(dǎo)致的草原退化區(qū)域提供了較為可行的方法。曹鑫[7]采用分時(shí)段的回歸分析與殘差分析相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)人為因素在草地退化區(qū)域中的影響趨勢(shì)。Anyamba[8]、Jury[9]、Wessels[10]等應(yīng)用NOAA AVHRR NDVI 數(shù)據(jù)區(qū)分了南非氣候波動(dòng)與人類影響對(duì)土地退化的作用。趙雪雁[11]通過(guò)因子分析法分析了高寒牧區(qū)草地退化的人文因素。以上關(guān)于草地退化影響因素的研究主要應(yīng)用NDVI數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析,對(duì)于植被生產(chǎn)力形成機(jī)理考慮較少,并不是實(shí)際的植被生產(chǎn)力分析,而且缺乏地面驗(yàn)證數(shù)據(jù)的支持。迄今為止,尚缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列區(qū)域?qū)哟蔚牟莸厣a(chǎn)力變化規(guī)律及其控制因素的定量研究,除此之外,國(guó)內(nèi)外均未見(jiàn)內(nèi)蒙古東部草地植被生產(chǎn)力演變規(guī)律與氣候和人文影響因素定量區(qū)分的公開(kāi)研究報(bào)道。

內(nèi)蒙古東部草原區(qū)是國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP) 全球變化研究的典型陸地樣帶—中國(guó)東北溫帶森林-草原樣帶的組成部分[12],在全球生態(tài)學(xué)領(lǐng)域具有十分重要的研究地位。因此針對(duì)內(nèi)蒙古東部草地生產(chǎn)力對(duì)全球變化的響應(yīng)及其主要影響因素進(jìn)行深入研究,并以此為基礎(chǔ),提供相應(yīng)的適應(yīng)性對(duì)策將具有重要意義。本文選擇中國(guó)內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地為研究對(duì)象,基于改進(jìn)CACS模型[13]和MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品等,估算內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015年草地植被實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力[14-15],并探討其時(shí)空格局與年際動(dòng)態(tài)。定義相對(duì)退化指數(shù)(Relative Degradation index, RDI),確定草地生產(chǎn)力變化過(guò)程中人類活動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率,分析內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI空間格局與年際動(dòng)態(tài)。同時(shí),分析16年間NPP和氣候因子相關(guān)關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古東部區(qū)域地理坐標(biāo)為115°21′—126°04′E,41°17′—53°20′N,東部與黑龍江、吉林和遼寧三省相鄰,西南部與河北和內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟毗鄰,西部與俄羅斯和蒙古接壤(圖1)。盟市包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市,總面積達(dá)45.37×104km2,其中草地面積為15.25×104km2,約占內(nèi)蒙古東部總面積的33.61%。內(nèi)蒙古東部氣候大部分為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫-4.5—8℃,年降水為160—628 mm。內(nèi)蒙古東部地區(qū)是典型的農(nóng)牧林交錯(cuò)區(qū)域,大興安嶺以東為耕地區(qū)域,西部是典型草原,北部是大興安嶺林區(qū)。內(nèi)蒙古東部地區(qū)自然環(huán)境條件優(yōu)越,屬于國(guó)家實(shí)施中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊、振興東北老工業(yè)基地和西部大開(kāi)發(fā)等戰(zhàn)略的規(guī)劃范圍,是內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)[16]。

圖1 研究區(qū)概況圖 Fig.1 Location, elevation, and the administrative division of the study area

2 主要數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 主要數(shù)據(jù)源

2.1.1土地覆被數(shù)據(jù)

由國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)獲得2000、2010和2015年3期土地覆被數(shù)據(jù)。土地覆被遙感解譯精度的野外驗(yàn)證點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于野外調(diào)查,共搜集野外驗(yàn)證點(diǎn)9846個(gè)。

2.1.2野外采樣數(shù)據(jù)

野外采樣數(shù)據(jù)主要用于植被生產(chǎn)力的估算驗(yàn)證。在草地植被達(dá)到最大生物量的月份時(shí)采用收割法對(duì)草地進(jìn)行生物量的采集。內(nèi)蒙古東部共收集27個(gè)采樣點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。采樣方法是在每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3—5個(gè)重復(fù)的1 m×1 m樣方,貼地面收割樣方內(nèi)的綠色生物量,采用 GPS 記錄樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)信息,并記錄其植被信息和環(huán)境背景值信息；在通風(fēng)條件下將樣品晾置21 h,然后在65℃恒溫烘烤48 h至恒重,以0.02精度電子稱稱量后取均值作為該樣點(diǎn)的地上生物量值,此基礎(chǔ)上乘以2.8得到地下生物量[17],從而獲得樣地總生物量數(shù)據(jù)。

2.1.3MODIS 遙感數(shù)據(jù)集

內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被NPP估算所用的NDVI數(shù)據(jù)為來(lái)自NASA/EOS LPDAAC數(shù)據(jù)分發(fā)中心的MODIS產(chǎn)品MOD13A3數(shù)據(jù)集(https://lpdaac.usgs.gov/),時(shí)間分辨率為月,空間分辨率為250 m×250 m,時(shí)間跨度為2000—2015年。利用MODIS網(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT TOOLS對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換為Albers投影、拼接、裁切等處理。

2.1.4氣象數(shù)據(jù)集

氣象數(shù)據(jù)集包括2000—2015年逐月平均氣溫、月累積降水、逐月日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)?；跉庀笳军c(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)集獲取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)。在ArcMap平臺(tái)上,利用逐月平均氣溫、月累積降水、逐月日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)[18](使用其中的總輻射月總量數(shù)據(jù),單位為0.01MJ/m2)進(jìn)行txt轉(zhuǎn)Excel、轉(zhuǎn)shp、轉(zhuǎn)柵格、柵格計(jì)算、重采樣、腌膜等得到年尺度平均氣溫、降水量和太陽(yáng)輻射序列數(shù)據(jù),空間分辨率為250 m。

2.1.5其他地理空間數(shù)據(jù)

其他地理空間數(shù)據(jù)主要包括內(nèi)蒙古東部地區(qū)行政區(qū)劃圖、數(shù)字高程模型、保護(hù)區(qū)邊界圖等,所有數(shù)字化的數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所地理景觀遙感學(xué)科組。數(shù)字化的矢量文件全部投影轉(zhuǎn)換到與草地分布數(shù)據(jù)一致的坐標(biāo)系統(tǒng)下。

2.2 研究方法

2.2.1CASA模型

本研究采用修訂后的CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach),模擬得到內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015年植被NPP數(shù)據(jù)。CASA模型利用植被吸收的光合有效輻射APAR和光能利用率ε計(jì)算NPP,能夠?qū)崿F(xiàn)基于光能利用率原理的內(nèi)蒙古東部草地凈初級(jí)生產(chǎn)力估算[18-19]。

2.2.2相對(duì)退化指數(shù)

本研究借鑒“環(huán)境背景值”的概念,選取研究區(qū)內(nèi)自然保護(hù)區(qū)和人工圍欄草場(chǎng)內(nèi)的未退化天然草地,定義其生產(chǎn)力為草地的“環(huán)境背景值”。同理,定義保護(hù)區(qū)或人工圍欄草場(chǎng)外的草地為退化草地,其生產(chǎn)力類似于環(huán)境科學(xué)中的“受污染后的元素濃度”。進(jìn)而,定義“相對(duì)退化指數(shù)”RDI 為：

(1)

在此,我們定義式中各參數(shù)的含義為：

RDI：Relative Degradation Index, 相對(duì)退化指數(shù),%；

NPPnd:Net Primary Productivity of non-degraded grassland,未退化草地NPP,g /m2；

NPPd:Net Primary Productivity of degraded grassland,,退化草地NPP,g /m2。

依據(jù)以上定義,相對(duì)退化指數(shù)RDI作為退化草地NPP對(duì)于未退化草地NPP的“衰減”程度,用百分?jǐn)?shù)表示。將單個(gè)像元作為研究單位,計(jì)算16個(gè)保護(hù)區(qū)的均值,賦值給各保護(hù)區(qū)的重心,之后進(jìn)行克里金插值,得到各研究單元的未退化草地NPP。因此,相對(duì)退化指數(shù)RDI 可以表示人類活動(dòng)對(duì)草地生產(chǎn)力的影響,即人類活動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率。至此,定量區(qū)分氣候變化和人類活動(dòng)因素對(duì)草地生產(chǎn)力的影響得以實(shí)現(xiàn)。本文共選用16個(gè)自然保護(hù)區(qū)(阿魯科爾沁自然保護(hù)區(qū)、白音敖包自然保護(hù)區(qū)、達(dá)里諾爾自然保護(hù)區(qū)、大黑山自然保護(hù)區(qū)、大青溝自然保護(hù)區(qū)、大興安嶺汗馬自然保護(hù)區(qū)、黑里河自然保護(hù)區(qū)、紅花爾基樟子松自然保護(hù)區(qū)、輝河自然保護(hù)區(qū)、科爾沁自然保護(hù)區(qū)、南甕河自然保護(hù)區(qū)、賽罕烏拉自然保護(hù)區(qū)、圖牧吉自然保護(hù)區(qū)、錫林郭勒草原自然保護(hù)區(qū)、達(dá)賚湖自然保護(hù)區(qū)、額爾古納自然保護(hù)區(qū)),較均勻的覆蓋整個(gè)研究區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 草地時(shí)空格局分析

3.1.1草地植被空間格局分析

利用野外驗(yàn)證點(diǎn)與土地覆被信息建立混淆矩陣。結(jié)果顯示,2015年內(nèi)蒙古東部土地覆被分類的總體精度為92.27%,Kappa系數(shù)達(dá)0.90,制圖精度均達(dá)70%以上(表1)；2010年土地覆被分類的總體精度為91.08%,Kappa系數(shù)達(dá)0.88,制圖精度均達(dá)65%以上；2000年土地覆被分類的總體精度為88.74%,Kappa系數(shù)達(dá)0.85,制圖精度均達(dá)65%以上。三期土地覆被分類結(jié)果較好,能滿足本論文研究需要。

表1 2015年土地覆被分類結(jié)果的混淆矩陣Table 1 Confusion matrix of land cover classification results in 2015

對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū) 2000、2010和2015年草地空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行制圖,如圖2所示。內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地呈明顯的地域性分布：總體來(lái)看,草地主要分布于研究區(qū)西部和南部地區(qū)。區(qū)域內(nèi)典型草地分布區(qū)主要有,呼倫貝爾草原、科爾沁草原、貢格爾草原以及烏蘭布統(tǒng)草原。以內(nèi)蒙古東部區(qū)域尺度而言,呼倫貝爾市西南草地分布最為明顯,斑塊較為集中,面積最大。

圖2 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of grassland in the eastern Inner Mongolia in 2000,2010 and 2015

為更好的探討內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地空間差異,分別統(tǒng)計(jì)2000、2010和2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)及區(qū)域內(nèi)4個(gè)盟市草地景觀的面積、草地覆蓋率(草地覆蓋率是指以行政區(qū)域?yàn)閱挝?草地植被面積占區(qū)域土地面積的百分比),結(jié)果如表2所示。內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地2000、2010和2015年草地面積分別為15.45萬(wàn)km2、15.38萬(wàn)km2、15.25萬(wàn)km2,草地面積呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)；呼倫貝爾市草地分布面積最多,2015年草地面積為6.70萬(wàn)km2,占內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地總面積43.94%；赤峰市作為草地覆蓋率最大的地區(qū),2015年草地覆蓋率45.22%,草地面積為3.93萬(wàn)km2。

表2 內(nèi)蒙古東部地區(qū)各盟市2000、2010和2015年草地面積和草地覆蓋率Table 2 Grassland area and coverage in the eastern Inner Mongolia in 2000, 2010 and 2015

內(nèi)蒙古東部地區(qū)作為我國(guó)草地最主要的分布區(qū),以往研究中以內(nèi)蒙古東部地區(qū)為尺度的草地景觀制圖與區(qū)域草地空間分布格局分析較少。呼倫貝爾草原以其大面積的草地分布和較少的人類活動(dòng)干擾受到關(guān)注較多。而通遼市、興安盟和赤峰市的草地由于分布較為分散,受高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)耕作活動(dòng)干擾而較少被關(guān)注。

3.1.2草地植被變化分析

分析2000—2015年間草地變化結(jié)果如圖3和表3所示。受人類活動(dòng)和氣候變化等多重因素影響,內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地空間格局上有不同程度的面積損失和增加。草地面積損失主要分布在赤峰市翁牛特旗,逐漸發(fā)展的農(nóng)牧業(yè)及城鎮(zhèn)建設(shè)是造成該區(qū)域草地?fù)p失的主要因素。草地面積增加主要分布在赤峰市阿魯科爾沁旗,這是由于該地從2008年實(shí)行的萬(wàn)畝人工種草項(xiàng)目,截止2013年底,阿魯科爾沁旗牧草種植面積達(dá)到60.5萬(wàn)畝[20]。統(tǒng)計(jì)得出：內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015年間,損失草地面積4743.80km2,新增草地面積2705.57km2。生態(tài)工程退耕還草是新增草地出現(xiàn)的主要原因,所占比例達(dá)到34.27%,其次為林地(31.67%)和濕地(31.05%),裸地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為草地的面積相對(duì)較少,新增草地主要分布在赤峰市阿魯科爾沁旗。草地減少的主要去向是耕地(39.88%),減少區(qū)域主要分布在西遼河平原和嫩江西岸平原,這里是內(nèi)蒙古東部的主要經(jīng)濟(jì)糧食作物產(chǎn)區(qū)。過(guò)度的農(nóng)業(yè)開(kāi)墾使得該地區(qū)草地減少,蠶食草原,加速土地沙漠化。人口的增加和人民生活水平的提高,使得對(duì)于糧食的需求不斷增加,加速了耕地的開(kāi)墾和牧區(qū)的過(guò)度放牧,同時(shí)使得建設(shè)用地的擴(kuò)張范圍不斷加大。

圖3 2000—2015年草地變化分布格局 Fig.3 Change and distribution patterns of grassland from 2000 to 2015

表3 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地與其他地類的相互轉(zhuǎn)化量和所占比例Table 3 Transformation area and percentage between grassland and other land cover types in the eastern Inner Mongolia

3.2 NPP時(shí)空格局分析

3.2.1草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力空間格局分析

將模型估算的草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和采用實(shí)測(cè)生物量轉(zhuǎn)換得到的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行比較。實(shí)測(cè)NPP 和估算NPP 間有較好的回歸關(guān)系(y=0.1914x+ 175.65,R2=0.2226,P< 0.05),內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被NPP估算結(jié)果具有較高的可信度。對(duì)于估算的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力精度刪除了異常值,使得精度進(jìn)一步提高。

為探討內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被NPP的空間格局,基于模型估算結(jié)果計(jì)算內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均植被年NPP,結(jié)果如圖4所示。2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地植被NPP總量分別為30.68TgC/a(1 TgC= 1012g C)、30.33 TgC/a和35.96 TgC/a,相對(duì)增加17.23%。由圖5可以看出,內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被NPP空間差異明顯,三期數(shù)據(jù)分布一致,NPP高值區(qū)域主要分布于呼倫貝爾草原東部和興安盟地區(qū),草地植被類型以溫性草原為主,NPP在300 gC m-2a-1以上；草地植被NPP低值區(qū)域主要分布在呼倫貝爾草原西部地區(qū),草地植被NPP在200 gC m-2a-1以下。其他分地區(qū)草地以溫性草原為主,NPP值域在200—300 gC m-2a-1之間。

圖4 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被NPP空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of grassland NPP in the eastern Inner Mongolia

在16個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)草地NPP差異明顯,NPP高值區(qū)域位于呼倫貝爾市東北部的南甕河自然保護(hù)區(qū),最大值為463.27 gC m-2a-1；NPP最低處位于呼倫貝爾市西北部的達(dá)賚湖自然保護(hù)區(qū)。

圖5 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均NPP分布情況Fig.5 Average NPP distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015

3.2.2草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際動(dòng)態(tài)分析

草地植被NPP 年際變化是受人類活動(dòng)和氣候變化共同影響所導(dǎo)致。由圖6可以看出,2000—2015年間草地植被年平均NPP呈上升趨勢(shì)。內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被平均NPP值在 166.56—248.14 gC m-2a-1之間變化,標(biāo)準(zhǔn)差為24.61 gC m-2a-1。16年間草地植被NPP最大值出現(xiàn)在2014年,最小值均出現(xiàn)在2001年。

圖6 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被平均NPP年際變化趨勢(shì) Fig.6 Interannual variation trend of mean NPP of grassland in the eastern Inner Mongolia

在16個(gè)自然保護(hù)區(qū)內(nèi),草地植被平均NPP值在148.44—237.87 gC m-2a-1之間變化,標(biāo)準(zhǔn)差為23.37 gC m-2a-1,16年間草地植被NPP最大值出現(xiàn)在2014年,最小值均出現(xiàn)在2001年。這與內(nèi)蒙古東部草地植被平均NPP相一致。

基于遙感數(shù)據(jù)的草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力估算結(jié)果空間上較好地反映了區(qū)域植被生產(chǎn)能力的空間異質(zhì)性。凈初級(jí)生產(chǎn)力綜合反映了有人類活動(dòng)干擾下的氣候差異對(duì)草地植被生產(chǎn)力影響。呼倫貝爾典型草原區(qū)、通遼、赤峰地區(qū)光合有效輻射在600 MJ m-2a-1以下。植被光合有效輻射較低,使得植被光合作用效率低,草地植被NPP較小。內(nèi)蒙古東部地區(qū)屬于干旱、半干旱地區(qū),年降水量較少,地表實(shí)際蒸散較低，尤其以赤峰地區(qū)最為典型。赤峰地區(qū)實(shí)際蒸散量最低,蒸散量在250 mm以下,氣候干旱、年降水量較少,年NPP較低。降水是區(qū)域植被所需水分的主要來(lái)源,降水是植被生長(zhǎng)的主要限制因子,降水減少導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)植被草地NPP降低。尤其以赤峰地區(qū)最為典型。

從草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化趨勢(shì)(圖6)可以明顯看出：在人類活動(dòng)和氣候變化的驅(qū)動(dòng)下,2000—2015年間草地凈初級(jí)生產(chǎn)力呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì),這與該區(qū)域2000年來(lái)實(shí)行的退耕還草、禁牧休牧、圍封轉(zhuǎn)移、強(qiáng)草惠牧和草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)等政策有關(guān)[21],使得內(nèi)蒙古東部地區(qū)的環(huán)境得到改善,草地退化和沙漠化的速度明顯降低。16年間凈初級(jí)生產(chǎn)力和實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力的差值明顯反映了人類活動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力不同程度的影響。計(jì)算 2000—2015年間草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的差值得出,人類活動(dòng)造成生產(chǎn)力平均年增加量為3.99 gC m-2a-1。近年來(lái)草原牧區(qū)加大了草地保護(hù)措施,落實(shí)相關(guān)政策,使得草地的利用更為合理,遏制草原的退化,從而促進(jìn)草地生產(chǎn)力的增加。

3.2.3各盟市NPP變化

為進(jìn)一步探討區(qū)域草地動(dòng)態(tài)變化特征及區(qū)域空間差異,總結(jié)四個(gè)盟市草地變化特征(表4),可以看出：四個(gè)盟市草地平均NPP均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),上升趨勢(shì)最顯著的區(qū)域是呼倫貝爾市,16年間草地平均NPP增加了47.90 gC m-2a-1,相對(duì)增加25.33%。其次是興安盟,16年間草地平均NPP增加了39.56 gC m-2a-1,相對(duì)增加17.99%。

表4 2000—2015年內(nèi)蒙古東部各盟市草地NPP統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistics of grassland NPP (gC m-2 a-1) in the eastern Inner Mongolia during 2000—2015

3.3 RDI時(shí)空格局分析

3.3.1RDI空間格局分析

進(jìn)入初中階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容發(fā)生了明顯的變化，課程門類增加，知識(shí)難度加深，給學(xué)生提出了更加嚴(yán)格的要求。初中生學(xué)習(xí)必須要講究效率，創(chuàng)新高效的學(xué)習(xí)才能夠幫助初中生快速掌握學(xué)習(xí)技巧，養(yǎng)成正確的學(xué)習(xí)習(xí)慣，從被動(dòng)接受知識(shí)向主動(dòng)探究知識(shí)轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。那么，在新課程改革背景下，如何保障初中生創(chuàng)新高效學(xué)習(xí)，就成了教師應(yīng)該思考的熱點(diǎn)課題。教師需要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，重視學(xué)生體驗(yàn)探究的過(guò)程和方法，引導(dǎo)初中生自學(xué)、自得、自悟、自省，促使學(xué)生心理機(jī)能的各方面得到均衡發(fā)展。

為探討內(nèi)蒙古東部地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)草地植被生產(chǎn)力的影響,基于NPP結(jié)果計(jì)算內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地2000—2005、2006—2010和2010—2015年平均RDI,結(jié)果如圖7所示。內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI分布空間差異明顯,可以看出,呼倫貝爾草原中部、赤峰市東部和通遼市RDI值大多在0—20%之間,人類活動(dòng)影響相對(duì)較小。呼倫貝爾草原西部RDI值大多在20%—40%間,人類活動(dòng)相對(duì)顯著；呼倫貝爾草原東部、赤峰市中部和興安盟部分草地分布區(qū)RDI值域較高,在40%以上,說(shuō)明人類活動(dòng)干擾非常顯著。

圖7 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地相對(duì)退化指數(shù)RDI空間格局Fig.7 Spatial pattern of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia

分析內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被平均RDI變化情況,結(jié)果如圖8所示。2000—2015年,內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI小于10%的呈現(xiàn)先減少再增加趨勢(shì),由2000年6.58萬(wàn)km2增加到2015年的7.62萬(wàn)km2,增加區(qū)域主要位于呼倫貝爾草原中西部；2000—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI在10%—20%的呈現(xiàn)減少趨勢(shì),由2000年5.06萬(wàn)km2減少到2015年的4.49萬(wàn)km2；2000—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI在20%—30%的呈現(xiàn)減少趨勢(shì),由2000年2.09萬(wàn)km2減少到2015年的1.69萬(wàn)km2,減少區(qū)域主要集中分布在呼倫貝爾草原中西部,主要轉(zhuǎn)化為RDI小于10%的區(qū)域；2000—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI在30%—40%的呈現(xiàn)減少趨勢(shì),由2000年的1.01萬(wàn)km2減少到2015年的0.85萬(wàn)km2,減少區(qū)域主要集中分布在呼倫貝爾草原西部； 2000—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI在40%—50%和大于50%的也呈現(xiàn)減少趨勢(shì),由2000年的0.41萬(wàn)km2、0.31萬(wàn)km2減少到2015年的0.36萬(wàn)km2、0.24萬(wàn)km2。綜合來(lái)看,內(nèi)蒙古東部草地植被平均RDI呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì),說(shuō)明人類對(duì)草地的影響逐漸降低。

圖8 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均RDI分布情況Fig.8 Average RDI distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015

RDI空間格局反映了內(nèi)蒙古東部地區(qū)不同程度的人類活動(dòng)干擾,明顯的RDI空間差異可歸因于區(qū)域人口、政策及我國(guó)政府和地方政府實(shí)施的草地保護(hù)計(jì)劃的不同。呼倫貝爾草原中部地區(qū)呈現(xiàn)較小的RDI值,主要與區(qū)域較少的人口數(shù)量和區(qū)域草地交通不可達(dá)有著密切關(guān)系,使得該地區(qū)較小的受到人為干擾,從而使得RDI較小。較高的RDI值分布在中部半干旱地帶,如興安盟和通遼市東部的部分草地分布區(qū),區(qū)域內(nèi)廣泛的旱作農(nóng)業(yè)活動(dòng)和畜牧業(yè)等造成的土壤水分顯著損失及土壤鹽堿化等起到不可忽視的作用。

統(tǒng)計(jì)得出內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI分別為15.61%、16.50%和14.04%,表示人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域草地干擾作用下降,結(jié)合上文區(qū)域草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的逐年上升,可知人類活動(dòng)促進(jìn)了草地的恢復(fù)。

3.3.2RDI年際動(dòng)態(tài)分析

分別統(tǒng)計(jì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015年間各年的草地空間分布未變化區(qū)域RDI的平均值。如圖9所示,平均RDI年際變化趨勢(shì)明顯,人類活動(dòng)影響貢獻(xiàn)率年際差異顯著,表現(xiàn)為RDI在波動(dòng)中呈緩慢降低趨勢(shì)。RDI最大值出現(xiàn)在2009年,值為17.35%,第二高值出現(xiàn)在2007年,值為17.25%；RDI 最小值出現(xiàn)在2011年,值為12.96%；第二小值出現(xiàn)在2013年,值為13.78%；2000—2015年間RDI標(biāo)準(zhǔn)差為1.30,年際間RDI變化相對(duì)明顯。就內(nèi)蒙古東部尺度而言,2000—2015年間RDI均大于12.90%,人類活動(dòng)對(duì)草地空間分布植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響相對(duì)貢獻(xiàn)率在12.96%至17.35%之間,導(dǎo)致生產(chǎn)力平均增加5.29TgC。相比氣候變化對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響,盡管人類活動(dòng)干擾不是造成草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的主導(dǎo)因素[22],但人類活動(dòng)的影響不可忽視,隨著時(shí)間的推移,人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的干擾程度在下降,這說(shuō)明生態(tài)工程中退耕還草、禁牧休牧的措施使得人類對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被生產(chǎn)力的影響在下降。

圖9 內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地相對(duì)退化指數(shù)年際變化趨勢(shì) Fig.9 Interannual variation trend of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析相對(duì)退化指數(shù)(RDI)的年際變化發(fā)現(xiàn)：2000—2015年間內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地RDI在12.96%至17.35%之間波動(dòng)。說(shuō)明內(nèi)蒙古東部地區(qū)尺度上人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響仍表現(xiàn)為干擾或消耗。2000—2015年間內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地空間分布區(qū)域RDI值成緩慢下降趨勢(shì),這表明人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的干擾程度在下降。中國(guó)政府對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地保護(hù)高度重視,2002年國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)草原保護(hù)與建設(shè)的若干意見(jiàn)》文件,提出建立各項(xiàng)制度,推行輪牧休牧禁牧,實(shí)施退耕還草,強(qiáng)化草原監(jiān)督管理等政策。通過(guò)草地保護(hù)工程的實(shí)施,局部草地生態(tài)質(zhì)量有所改善,但是草地面積下降的趨勢(shì)仍在繼續(xù),草地生態(tài)環(huán)境沒(méi)有得到根本的轉(zhuǎn)變,草地保護(hù)形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。因此,深入探討內(nèi)蒙古東部地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)草地相對(duì)退化指數(shù)的區(qū)域差異,分析區(qū)域管理政策和潛在調(diào)控措施對(duì)于理解草地植被生產(chǎn)力的變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制,加強(qiáng)草地的保護(hù)和區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3.3各盟市RDI變化

為進(jìn)一步探討區(qū)域草地RDI動(dòng)態(tài)變化特征及區(qū)域空間差異,總結(jié)4個(gè)盟市草地RDI變化特征(表5),可以看出：4個(gè)盟市草地RDI均呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)。2000—2010年增加趨勢(shì)最顯著的是赤峰市,2011—2015年減少趨勢(shì)最為顯著的是興安盟,其次為呼倫貝爾市。

表5 2000—2015年內(nèi)蒙古東部各盟市草地RDI統(tǒng)計(jì)結(jié)果/%Table 5 Statistics of grassland RDI in the eastern Inner Mongolia during 2000—2015

3.4 草地與其他土地覆被類型相互轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的NPP變化

草地與其他土地覆被類型相互轉(zhuǎn)的,會(huì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與類型,從而導(dǎo)致NPP發(fā)生變化。如表6所示,2000—2010年,草地NPP增加較少；2010—2015年草地NPP增加主要是因?yàn)椴莸乇旧砩a(chǎn)力上升,NPP增加了5.829 TgC,此外也有由林地、耕地、濕地轉(zhuǎn)換成草地而來(lái),分別增加了0.173 TgC、0.144 TgC和0.126 TgC。2000—2010年草地NPP減少主要是因?yàn)榱值氐霓D(zhuǎn)換和草地本身生產(chǎn)力的下降；2010—2015年,草地NPP減少是因?yàn)楦睾土值氐霓D(zhuǎn)換。整體來(lái)看,2000—2015年,內(nèi)蒙古東部草地NPP呈先下降后上升的趨勢(shì),草地NPP變化主要與本身凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)。2000年以來(lái)為了遏制草地的退化,政府開(kāi)始在內(nèi)蒙古東部實(shí)施退耕還草、禁牧休牧、圍封轉(zhuǎn)移、強(qiáng)草惠牧和草原生態(tài)保護(hù)補(bǔ)助獎(jiǎng)勵(lì)政策等。在此條件下,內(nèi)蒙古東部的草地開(kāi)始逐漸增多,草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力也逐漸增加。但同時(shí),人口的增長(zhǎng)導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和城市的擴(kuò)張等,使得內(nèi)蒙古東部草地NPP減少。

表6 草地與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的NPP變化Table 6 NPP changes caused by the conversion between grassland and other land cover type

4 結(jié)論

本文選擇內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地為研究對(duì)象,基于改進(jìn)CACS模型和MODIS 遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品等,估算內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地面積變化和草地實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力,并探討其時(shí)空格局與年際動(dòng)態(tài)。選取研究區(qū)內(nèi)自然保護(hù)區(qū)和人工圍欄草場(chǎng)內(nèi)的未退化天然草地,定義其生產(chǎn)力為草地的“環(huán)境背景值”。同理,定義保護(hù)區(qū)或人工圍欄草場(chǎng)外的草地為退化草地,其生產(chǎn)力類似于環(huán)境科學(xué)中的“受污染后的元素濃度”。進(jìn)而,定義相對(duì)退化指數(shù)(RDI),確定草地生產(chǎn)力變化過(guò)程中人類活動(dòng)因素的貢獻(xiàn)率,分析內(nèi)蒙古東部地區(qū)RDI空間格局與年際動(dòng)態(tài)。同時(shí),探討16年間氣候因子和NPP的關(guān)系。本文通過(guò)研究以上內(nèi)容,以期加強(qiáng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的理解,為區(qū)域草地的科學(xué)管理、保護(hù)與恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)?？偨Y(jié)本文的主要研究結(jié)論如下：

(1)內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地2000、2010和2015年草地面積分別為15.45萬(wàn)km2、15.38萬(wàn)km2、15.25萬(wàn)km2,草地面積呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。2000—2015年間,損失草地面積4743.80 km2,新增草地面積2705.57 km2。

(2)2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地平均NPP總量分別為30.68Tg C/a(1 Tg C= 1012g C)、30.33 Tg C/a和35.96 Tg C/a,相對(duì)增加17.23%。NPP高值區(qū)域主要分布于呼倫貝爾草原東部和興安盟地區(qū),草地植被類型以溫性草原為主。2000—2015年內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地植被平均NPP位于166.56—248.14 gC m-2a-1之間,NPP在波動(dòng)中呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)(3.65 gC m-2a-1/a,R2=0.47)。

(3)內(nèi)蒙古東部地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力影響的空間差異明顯,相對(duì)退化指數(shù)RDI空間異質(zhì)性強(qiáng),且具有明顯的地域特征；RDI高值區(qū)主要分布在呼倫貝爾草原東部和興安盟部分草地分布區(qū)。內(nèi)蒙古東部地區(qū)2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI為24.62%、22.02%和20.37%,2000—2015年間內(nèi)蒙古東部地區(qū)草地RDI在16.64%至30.54%之間波動(dòng),RDI值呈緩慢下降趨勢(shì),表明人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的干擾程度在下降；相關(guān)草地保護(hù)工作取得了階段性進(jìn)展,草地生境質(zhì)量得到提高,草地生態(tài)環(huán)境得到改善。

(4)草地與其他土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的NPP變化。2000—2015年,內(nèi)蒙古東部草地NPP呈先下降后上升的趨勢(shì)。2000—2010年草地NPP減少主要是因?yàn)榱值氐霓D(zhuǎn)化和草地本身生產(chǎn)力的下降；2010—2015年草地NPP增加主要是因?yàn)椴莸乇旧砩a(chǎn)力上升,NPP增加了5.829 TgC。草地NPP變化主要與本身凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)。

致謝：感謝國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)提供數(shù)據(jù)支撐。