2005-2017年青海三江源區(qū)草地家畜承載力時(shí)空格局研究

錢(qián) 前， 張秀娟， 王軍邦， 葉 輝， 李英年， 張志軍

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖北 荊州 434023； 2. 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)室生態(tài)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)與模擬中心， 北京 100101； 3.九江學(xué)院旅游與地理學(xué)院， 江西 九江 332005； 4.中科院西北高原生物研究所， 青海 西寧 810001； 5.青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 青海 西寧 810007)

草原是全球及中國(guó)最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有很高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]。合理的放牧強(qiáng)度下，植物的生產(chǎn)力和物種多樣性都會(huì)增加[3-4]，過(guò)度放牧草場(chǎng)則會(huì)出現(xiàn)退化、沙化加劇的現(xiàn)象[5-6]，影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)[7-8]。因此，必須制定適當(dāng)?shù)恼邍?yán)格控制人為經(jīng)濟(jì)放牧活動(dòng)強(qiáng)度，協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系[9]。通過(guò)退牧還草工程效應(yīng)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，植被蓋度與產(chǎn)草量都有不同程度的增加[10]，實(shí)施恢復(fù)工程是區(qū)域沙源固定、碳匯增加和飼草供應(yīng)恢復(fù)的有效方法[11]。

三江源區(qū)位于青藏高原腹地，青海省南部，是中國(guó)及東南亞的江河之源，是我國(guó)中下游可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全屏障(圖1)。三江源區(qū)是典型高原大陸性氣候，水熱同期、年溫差小、日溫差大，干旱、雪災(zāi)、暴雨等氣象災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，是生態(tài)脆弱區(qū)[12]。草地是三江源主要的植被類(lèi)型，放牧是牧民主要的謀生方式，隨著當(dāng)?shù)厝丝诘脑黾?，牲畜?shù)量也發(fā)生變化。由于人類(lèi)活動(dòng)與氣候共同影響，草地已經(jīng)發(fā)生不同程度的退化，為保護(hù)三江源脆弱區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)，國(guó)家實(shí)施了一期、二期生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程。目前已經(jīng)針對(duì)工程成效開(kāi)展了凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary productivity，NPP)時(shí)空格局變化[13],生態(tài)工程實(shí)施前后載畜壓力情況[14],草地退化趨勢(shì)[15-16]等研究。但綜合對(duì)比生態(tài)工程一期、二期兩期的草地承載力方面研究較少。因此，有必要基于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，分析生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)草地承載力的影響及草地承載力變化的原因，以期為進(jìn)一步實(shí)施生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程提供科學(xué)參考。

本研究以衛(wèi)星遙感的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析2005—2017年三江源區(qū)及各縣、國(guó)家公園區(qū)的理論載畜量和載畜壓力的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)生態(tài)工程減畜成效進(jìn)行評(píng)估，以期為生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程的長(zhǎng)期實(shí)施提供理論支撐。

1 材料與方法

三江源區(qū)2005—2017年250 m空間分辨率NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于GLOPEM-CEVSA模型[17-18]。模型輸入數(shù)據(jù)包括經(jīng)空間插值的氣象柵格數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感的光合有效輻射吸收比(Fraction of absorbed photosynthetically active radiation，F(xiàn)PAR)、植被碳庫(kù)、土壤質(zhì)地和土壤碳庫(kù)等。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

氣象柵格數(shù)據(jù)利用全國(guó)750個(gè)氣象臺(tái)站每日的氣溫、降水量、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)計(jì)算每8 d的平均值，再利用ANUSPLIN插值軟件進(jìn)行空間內(nèi)插，得到每8 d空間分辨率為250 m的數(shù)據(jù)。FPAR是利用250 m空間分辨率MODIS波段反射率數(shù)據(jù)計(jì)算得到?；谠撃Ｐ偷膬舫跫?jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)已經(jīng)在三江源等多個(gè)地區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用研究[19]。

載畜壓力指數(shù)為草地現(xiàn)實(shí)載畜量(Cs)與理論載畜量(Cl)之比。草地現(xiàn)實(shí)載畜量根據(jù)年末家畜存欄量折算為標(biāo)準(zhǔn)羊單位(SU)；理論載畜量基于衛(wèi)星遙感的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)計(jì)算。具體計(jì)算公式如下：

Ip=Cs/Cl

(1)

Cs=Cn×(1+Ch)×Gt/Ar/365

(2)

Ip是載畜壓力指數(shù)，其中，Ip>1則超載放牧，Ip<1則仍有載畜潛力；Cs為單位面積草地現(xiàn)實(shí)載畜量，單位為SU·hm-2；Cn為年末家畜存欄量，大家畜按4個(gè)羊單位計(jì)算，單位為SU，數(shù)據(jù)來(lái)源于三江源區(qū)各縣域統(tǒng)計(jì)資料；Ch為家畜出欄率，根據(jù)三江源實(shí)際情況取30%[14]；Gt為放牧?xí)r間以全年365 d放牧計(jì)算；Ar為草地面積,單位為hm2。

Cl=Ym×Ut×Co×Ha/Sf/Gt

(3)

其中，Cl為單位面積草地理論載畜量，單位為：SU·hm-2；Ym是單位面積草地產(chǎn)草量，單位為：kg·hm-2；Ut為牧草利用率，取70%；Co為草地可利用率，取92%；Ha為草地可食牧草率，取80%；Sf為日食用干草量，單位為：kg·d-1，依據(jù)中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—天然草地合理載畜量的計(jì)算取1.8 kg·d-1；Gt與公式(2)一致。

GLOPEM-CEVSA模型計(jì)算的NPP為包括地上和地下的凈初級(jí)生產(chǎn)力，采用早期實(shí)測(cè)地上和地下生物量，然后分草地類(lèi)型計(jì)算地上和地下生產(chǎn)力比RBNPP/ANPP，進(jìn)而將NPP換算為產(chǎn)草量：

GY=NPP/(1+RBNPP/ANPP)

(4)

BNPP=BGB×(liveBGB/BGB)×turnover

(5)

Turnover=0.0009×ANPP+0.25

(6)

其中，GY是草地產(chǎn)草量，單位為：kg·hm-2；NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力，單位為：gC·m-2a-1；BNPP為植被地下部分生產(chǎn)力；ANPP為植被地上部分生產(chǎn)力；BGB為地下植被生物量；BGB與ANPP采用2003—2005年高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原等地下生物量和地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；liveBGB/BGB=0.79[20]；turnover為根系周轉(zhuǎn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 理論載畜量

2.1.1各縣草地理論載畜量變化 2005—2017年期間，三江源區(qū)草地理論載畜量呈年際波動(dòng)變化(圖2)。其中，一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)，三江源區(qū)草地理論載畜量為0.62 SU·hm-2，理論載畜總量為1 490.74萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位，呈不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)；二期工程實(shí)施后5年(2013—2017年)，草地的平均理論載畜量為0.59 SU·hm-2，理論載畜總量為1 390.19萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位，呈現(xiàn)不顯著降低的趨勢(shì)，相比一期工程實(shí)施期間降低了6.75%。然而，單因素方差分析表明(表1)，三江源區(qū)兩期理論載畜量間差異不顯著(P= 0.21)，即理論載畜量繼續(xù)保持穩(wěn)定。

圖2 2005—2017年三江源平均理論載畜量變化動(dòng)態(tài)Fig.2 Changes of average theoretical livestock carrying capacity of Three-River Headwaters in 2005-2017

表1 三江源區(qū)兩期理論載畜量間方差分析Table 1 ANOVA for the theoretical livestock carrying capacity in the two periods in Three-River Headwaters region

在空間上草地理論載畜量表現(xiàn)出較明顯的區(qū)域分異特點(diǎn)(圖3，圖4)。一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)，河南縣的草地理論載畜量最高，為1.95 SU·hm-2；其次是澤庫(kù)縣、同仁縣、尖扎縣和同德縣，平均草地理論載畜量分別為1.70 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2和1.57 SU·hm-2；治多縣和唐古拉山鄉(xiāng)的平均草地理論載畜量最低，分別為0.40 SU·hm-2和0.31 SU·hm-2。

西部曲麻萊縣和治多縣理論載畜量下降幅度最多，分別下降了14.29%，10.23%；囊謙縣、玉樹(shù)市、雜多縣的平均草地理論載畜量減少最多，分別減少了0.10 SU·hm-2，0.10 SU·hm-2，0.08 SU·hm-2，下降幅度分別為7.23%，7.78%，9.98%；東部尖扎縣、同德縣較一期工程實(shí)施期間分別上升了1.92%，0.84%。其余各縣一期和二期工程前后兩個(gè)時(shí)段草地理論載畜量變化量均有所下降(表2)。

圖3 三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程實(shí)施兩個(gè)時(shí)段平均理論載畜量的空間格局Fig.3 Spatial pattern of theoretic livestock carrying capacity in two periods of the ecological protection programs in Three-River Headwaters region

圖4 工程兩個(gè)時(shí)段多年平均載畜量的變化Fig.4 Changes in the annual average livestock carrying capacity of the two periods of the ecological protection program in Three-River Headwaters region

表2 各縣一期和二期工程前后兩個(gè)時(shí)段草地理論載畜量變化Table 2 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters county

2.1.2國(guó)家公園區(qū)草地理論載畜量變化 一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)，三江源區(qū)黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)的草地理論載畜量分別為0.70 SU·hm-2，0.35 SU·hm-2，0.91 SU·hm-2。二期工程實(shí)施后(2013—2017年)，三江源區(qū)黃河源園區(qū)、長(zhǎng)江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)的草地理論載畜量分別為0.65 SU·hm-2，0.31 SU·hm-2，0.94 SU·hm-2。其中瀾滄江源園區(qū)理論載畜量呈增加趨勢(shì)，增幅為2.76%；黃河源園區(qū)和長(zhǎng)江源園區(qū)呈降低趨勢(shì)，較前期減少了0.05 SU·hm-2和0.04 SU·hm-2，減幅分別為10.89%和6.65%(表3)。

表3 三江源國(guó)家公園區(qū)一期和二期工程前后兩個(gè)時(shí)段草地理論載畜量的變化Table 3 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters national park

2.2 年末家畜存欄量與現(xiàn)實(shí)載畜總量

1988年以來(lái)現(xiàn)實(shí)載畜總量的變化如圖5所示，1993年現(xiàn)實(shí)載畜總量為最高，達(dá)2 886.96萬(wàn)羊單位，一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)現(xiàn)實(shí)載畜總量2 041.39萬(wàn)只；二期工程實(shí)施后(2013—2017年)現(xiàn)實(shí)載畜總量平均為2 216.40萬(wàn)羊單位，增長(zhǎng)趨勢(shì)為73.76萬(wàn)羊單位·a-1，增長(zhǎng)趨勢(shì)較顯著(Slope=73.76萬(wàn)羊單位·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

圖5 三江源地區(qū)1988年以來(lái)草地理論載畜總量和現(xiàn)實(shí)載畜總量動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of the total theoretical and actual livestock carrying capacity in Three-River Headwaters region since 1988

根據(jù)青海畜牧廳統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(圖6)，三江源地區(qū)16個(gè)縣，年末家畜存欄數(shù)在一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)居首位的是興?？h，為163.97萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位；其次是河南縣、玉樹(shù)市、澤庫(kù)縣和同德縣，年末存欄數(shù)分別為151.73萬(wàn)只、143.74萬(wàn)只、136.79萬(wàn)只和128.54萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位；瑪多縣和稱(chēng)多縣最低，分別為27.24萬(wàn)只和61.37萬(wàn)只，其余各縣年末存欄數(shù)在70～110萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位之間。

圖6 三江源區(qū)一期和二期工程兩個(gè)時(shí)段主要縣區(qū)年末家畜存欄數(shù)Fig.6 Year-end livestock in main counties during the two periods of the first and second stages of the Three-River Headwaters region

二期工程實(shí)施后(2013—2017年)，玉樹(shù)市年末存欄數(shù)最高，為184.06萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位；河南縣、興?？h和囊謙縣次之，分別為164.04萬(wàn)只，160.40萬(wàn)只，132.73萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊單位，達(dá)日縣和瑪多縣最低；曲麻萊縣、稱(chēng)多縣和雜多縣年末存欄數(shù)增加幅度最大，較一期工程實(shí)施期間分別增加了60.35%，40.04%和34.36%；達(dá)日縣、瑪沁縣、以及甘德縣的年末存欄數(shù)較一期工程實(shí)施期間下降幅度最大，分別下降了27.73%，22.69%和20.43%(圖6)。

2.3 載畜壓力指數(shù)

2005—2017年載畜壓力指數(shù)總體呈增加趨勢(shì)(slope=0.028,R2=0.40,P<0.01)。一期工程實(shí)施期間(2005—2012年)，載畜壓力指數(shù)1.38，二期工程實(shí)施后(2013—2017年)載畜壓力指數(shù)增至1.60；其中，2006年載畜壓力指數(shù)最低為1.15，2017年載畜壓力指數(shù)最高為1.82。未實(shí)施生態(tài)保護(hù)工程前(2000—2004)的載畜壓力指數(shù)為1.67，兩期工程的實(shí)施使載畜壓力有所下降。

空間上載畜壓力存在較大區(qū)域差異(圖7)，載畜壓力指數(shù)較高的地區(qū)主要是在水熱條件相對(duì)較好的東部地區(qū)，而生態(tài)較為脆弱的西部地區(qū)載畜壓力指數(shù)較低，較為理想地實(shí)現(xiàn)了減畜及保護(hù)生態(tài)的工程措施目標(biāo)。僅瑪多縣、治多縣、達(dá)日縣兩期生態(tài)保護(hù)工程期間均不超載，實(shí)現(xiàn)了減畜和保護(hù)生態(tài)的目標(biāo)；但瑪多縣、治多縣載畜壓力指數(shù)在增加，需注意減畜，以防止諸如曲麻萊縣、稱(chēng)多縣等由不超載變?yōu)槌d。載畜壓力指數(shù)高的地區(qū)集中在東部，如興?？h、同德縣、澤庫(kù)縣、河南縣，載畜壓力指數(shù)低的地區(qū)集中在中西部，如治多縣、雜多縣、曲麻萊縣、瑪多縣。

圖7 三江源地區(qū)主要縣草地載畜壓力指數(shù)和三江源區(qū)年際載畜壓力指數(shù)變化Fig.7 Changes in the grazing pressure index of the main counties and Three-River Headwaters region

3 討論

本文計(jì)算的2005—2012年載畜壓力指數(shù)為1.38，與張良俠等[14]的研究結(jié)果2003—2012年三江源區(qū)載畜壓力指數(shù)為1.46較為接近。兩項(xiàng)研究都采用了相同的方法與數(shù)據(jù)源，保持了數(shù)據(jù)的一致性和可比性，結(jié)果較為接近也證明了方法的穩(wěn)定性和可靠性。

三江源區(qū)收入渠道有限，人口不斷增長(zhǎng)，對(duì)于牲畜的需求量較大[21]。一期工程內(nèi)載畜壓力指數(shù)總體雖比實(shí)施生態(tài)保護(hù)工程前有所緩解，但在二期工程實(shí)施期間復(fù)增反彈。2003年三江源區(qū)開(kāi)始進(jìn)行減畜工作，載畜壓力指數(shù)明顯降低。有研究表明，減畜工程前15年(1988—2002年)平均載畜壓力是2.29[14]。本文分析2003年以來(lái)的載畜壓力指數(shù)為1.47，與工程實(shí)施前相比已經(jīng)有明顯好轉(zhuǎn)，草地減畜工程取得了一定的成效。但是從近年來(lái)的變化趨勢(shì)上看，盡管一期工程載畜壓力指數(shù)較工程實(shí)施前下降36.1%，但二期工程較一期工程載畜壓力指數(shù)上升了16%，且有逐年遞增的趨勢(shì)。理論載畜量年際間變化不明顯，主要是人為導(dǎo)致的年末家畜存欄量有所增加，需要對(duì)這種變化的深層次原因進(jìn)行調(diào)查和分析，以確保從根本解決生態(tài)保護(hù)與民生保障間可能存在的矛盾。

多數(shù)研究計(jì)算的載畜壓力指數(shù)，都表明三江源東部縣超載嚴(yán)重[22-23]。東部縣是水熱條件相對(duì)較好的重要地區(qū)，其中同德縣有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在補(bǔ)飼養(yǎng)殖的情況，如同德縣的巴溝鄉(xiāng)、尕巴松多鎮(zhèn)和唐谷鎮(zhèn)(統(tǒng)計(jì)資料)。補(bǔ)飼養(yǎng)殖可以降低草原壓力，但三江源空間范圍廣，具體鄉(xiāng)鎮(zhèn)圈養(yǎng)數(shù)據(jù)難以獲取，因此部分東部縣的載畜壓力指數(shù)被高估。而在西部地區(qū)載畜壓力計(jì)算中，沒(méi)有考慮野生動(dòng)物的數(shù)量，西部地區(qū)的草地壓力可能被低估?；跓o(wú)人機(jī)對(duì)瑪多縣野生動(dòng)物的調(diào)查表明，僅考慮家畜動(dòng)物時(shí)，載畜壓力指數(shù)為1.13，而綜合考慮家畜和野生動(dòng)物時(shí)，載畜壓力指數(shù)為1.38，即如果不考慮大型食草野生動(dòng)物，載畜壓力將被低估18%[24]。因此，今后草畜平衡研究和政策制定必須綜合考慮野生動(dòng)物和家畜數(shù)量。

本研究表明，近年來(lái)理論載畜量降低、現(xiàn)實(shí)載畜量增加導(dǎo)致總體的載畜壓力指數(shù)升高。氣候變化是該地區(qū)草地植被生產(chǎn)力變化的主導(dǎo)因素，植被生產(chǎn)力決定理論載畜量，氣溫和降水能夠解釋全區(qū)草地NPP年際變異的83%[25]。在本研究中，在生態(tài)工程實(shí)施期間，三江源區(qū)年降水量下降了19.09 mm，且后期年際波動(dòng)幅度較前期更大，年均氣溫呈持續(xù)變暖趨勢(shì)，說(shuō)明該地區(qū)氣候呈暖干化變化，這可能是三江源區(qū)草地產(chǎn)草量輕微降低的氣候因素[26]。人類(lèi)活動(dòng)方面，2005—2018年期間的14年中，我國(guó)共投資180億用于三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程的實(shí)施，希望通過(guò)補(bǔ)助和獎(jiǎng)勵(lì)的政策手段達(dá)到減畜和草畜平衡的政策目標(biāo)。但是政策性生態(tài)補(bǔ)償策略，可能由于減畜和補(bǔ)償存在嚴(yán)重的不對(duì)等關(guān)系存在不可持續(xù)性[27]。2003年三江源區(qū)實(shí)行減畜政策，前期效果較好，近年來(lái)牧民為了提高收入，仍然在提高載畜率，導(dǎo)致能夠?qū)崿F(xiàn)的減畜比例在下降。具體表現(xiàn)為2003—2009年期間，現(xiàn)實(shí)載畜量以12 萬(wàn)羊單位·a-1趨勢(shì)下降，但自2010年出現(xiàn)反彈趨勢(shì)，2013—2017年期間，現(xiàn)實(shí)載畜量的增加速率增加至73.76 萬(wàn)羊單·a-1(slope= 73.76萬(wàn)只標(biāo)準(zhǔn)羊·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

4 結(jié)論

本研究基于衛(wèi)星遙感估算的產(chǎn)草量及分縣家畜年末存欄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了2005—2017年三江源區(qū)載畜壓力及其變化。生態(tài)保護(hù)二期工程，較一期工程實(shí)施前取得了初步成效，但二期工程實(shí)施期間出現(xiàn)了部分地區(qū)家畜存欄量增加的現(xiàn)象。氣候暖干化和人類(lèi)活動(dòng)共同作用導(dǎo)致了載畜壓力指數(shù)的增加。三江源地區(qū)未來(lái)還需要加大減畜力度，遵循生態(tài)優(yōu)先原則，創(chuàng)新生產(chǎn)生活方式以實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與牧民生計(jì)提升雙贏目標(biāo)。