李重陽(yáng),樊文濤,李國(guó)梅,高晶,唐增*,宋仁德
(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;2.青海省玉樹(shù)藏族自治州草原工作站,青海 玉樹(shù) 815099;3.青海省玉樹(shù)藏族自治州畜牧獸醫(yī)工作站,青海 玉樹(shù) 815099)
青藏高原是我國(guó)最重要的牧區(qū)之一,草地面積約有1.2×108hm2,占全國(guó)草地總面積的1/3,天然草地遼闊,牧草品質(zhì)優(yōu)良,營(yíng)養(yǎng)豐富[1]。獨(dú)特的地理、氣候和自然條件孕育了世界上獨(dú)具特色的草地生態(tài)系統(tǒng)。青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)中國(guó)、亞洲乃至世界的生態(tài)環(huán)境都有著舉足輕重的影響,其細(xì)微變化都將對(duì)周邊地區(qū)帶來(lái)極大的生態(tài)沖擊,同時(shí)它的安全與穩(wěn)定對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展與民族團(tuán)結(jié)也意義重大[2]。因受自然環(huán)境和社會(huì)條件的嚴(yán)重制約,草地資源成了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民賴(lài)以生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。然而,該生態(tài)系統(tǒng)又是一個(gè)對(duì)外力響應(yīng)十分敏感的脆弱系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境原始、敏感、土壤團(tuán)結(jié)力差、可蝕性低,一旦遭到破壞就很難恢復(fù)和重建[4]。近年來(lái)青藏高原的草地資源發(fā)展?fàn)顩r就出現(xiàn)了退化的趨勢(shì),如天然草原的荒漠化、鹽漬化、沙化、草地植被覆蓋度、凈初生產(chǎn)力降低等一系列問(wèn)題[5],這對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成了不利影響,也將對(duì)其他地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重威脅。
關(guān)于青藏高原草地退化的原因目前存在很多的說(shuō)法,主要分為氣候變化與人為因素兩個(gè)方面,如氣候變暖、干燥、風(fēng)蝕和草皮層的凍融剝離、蟲(chóng)鼠害以及過(guò)度放牧等原因[6-8]。由于青藏高原所包含范圍較廣,氣候、人文等自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素差異較大,因此針對(duì)該區(qū)域草地變化驅(qū)動(dòng)力缺乏整體性的研究,且時(shí)間跨度較短,可信度高的定量化分析手段較少,尤其是針對(duì)牧戶(hù)實(shí)際使用的草場(chǎng)變化更是鮮有研究。鑒于此,本研究選取青藏高原5個(gè)省份共573塊牧戶(hù)草場(chǎng),以MODIS-NDVI(草地植被遙感)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,對(duì)青藏高原2000-2016年的植被覆蓋度進(jìn)行反演,并結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)等統(tǒng)計(jì)資料,采用定量分析方法,構(gòu)建計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型綜合分析了21世紀(jì)以來(lái)青藏高原牧戶(hù)草場(chǎng)變化的主要驅(qū)動(dòng)力,旨在為青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。
青藏高原(Qinghai-Tibet Plateau)作為一個(gè)自然地理區(qū)域范疇(E 73°40′-104°20′, N 27°20′-40°00′)[9],是中國(guó)最大、世界海拔最高的高原,平均海拔4000 m以上,被稱(chēng)為“世界屋脊”,氣候總體上呈輻射強(qiáng)烈,氣溫日差較大且干濕分明等特點(diǎn)[10],年平均氣溫多在-6~3 ℃ ;區(qū)域與季節(jié)降水量變幅很大,東南部降水可達(dá)500~1000 mm,西北部?jī)H為40~100 mm;降水主要集中在6-9月,占全年降水的70%以上[11];水資源豐富,總量達(dá)到5463.4億m3[12],湖泊眾多,是我國(guó)重要的河流發(fā)源地[13]。青藏高原地域遼闊,草地總面積約為121742萬(wàn)hm2。其中,西藏自治區(qū)與青海省兩省合計(jì)為10945×104hm2,占青藏高原區(qū)草地面積的86%[14],高寒草甸和高寒草原類(lèi)面積最大,分別占全區(qū)草地面積的45%和40%[15]。
本研究分析所用資料來(lái)自2016年5-8月對(duì)青藏高原研究區(qū)開(kāi)展的實(shí)地調(diào)查。利用分層抽樣法,選取青藏高原5個(gè)省份,包括西藏那曲市、青海玉樹(shù)藏族自治州、四川阿壩藏區(qū)羌族自治州、甘肅甘南藏族自治州、云南迪慶藏族自治州,共計(jì)58個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)55484.6 hm2的牧戶(hù)草地,記錄了323戶(hù)牧戶(hù)共573塊草場(chǎng)的地理坐標(biāo)。
草地植被遙感數(shù)據(jù)采用美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)MODIS陸地產(chǎn)品組按照統(tǒng)一算法開(kāi)發(fā)的月最大合成植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13Q1)數(shù)據(jù),空間分辨率為250 mm,覆蓋青藏高原的圖像空間位置在全球正弦曲線投影(SI-Nusoidal projection,SIN)軌道號(hào)為h25vo5,h26v05,數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF,時(shí)間序列為2000-2016年,結(jié)合研究區(qū)域的植物生長(zhǎng)狀況、氣候、云層覆蓋等情況,從可獲取的數(shù)據(jù)中篩選出植被長(zhǎng)勢(shì)較好的8月遙感影像,該數(shù)據(jù)從NASA對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(EOS Data Gateway)下載(http://delenn.gsfc.nasa.gov/imswelcome/)。氣象資料來(lái)自國(guó)家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中心(http://www.cma.gov.cn),選取了牧戶(hù)草場(chǎng)周邊最近21個(gè)氣象臺(tái)站17年(2000-2016年)的月平均溫度、降水量?jī)蓚€(gè)參數(shù),采用ArcGIS 10.0軟件對(duì)研究區(qū)周邊氣象站監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行克里金(Kriging)插值,得到與NDVI分辨率一致、投影相同的草地樣方的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),并根據(jù)牧戶(hù)草場(chǎng)的地理坐標(biāo)提取了坡度數(shù)據(jù),以及各個(gè)草場(chǎng)與其最近城市中心的直線距離。2000-2016年各個(gè)城市的年內(nèi)生產(chǎn)總值和人口數(shù)據(jù)由統(tǒng)計(jì)年鑒得到。
本研究利用長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感、氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),采用線性回歸的方法對(duì)青藏高原草地變化的主要驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行定量分析,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了植被覆蓋度,建立了草地退化遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并設(shè)定實(shí)證模型,綜合分析了2000-2016年青藏高原草地退化等級(jí)以及氣候、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等要素的變化趨勢(shì)。
1.3.1植被覆蓋度 根據(jù)以往的研究,歸一化植被指數(shù)NDVI能夠較好地反映植被的生長(zhǎng)分布特征及變化情況,兩者之間存在顯著的相關(guān)性[16],本研究基于植被蓋度以草地退化指數(shù)作為草地退化指標(biāo),綜合計(jì)算了573塊牧戶(hù)草場(chǎng)2000-2016年逐年草地退化指數(shù),計(jì)算公式如下[17]:
式中:VC為植被蓋度;NDVIs為研究區(qū)最小NDVI值(即裸土的NDVI值);NDVIv為研究區(qū)域最大NDVI值或純植被像元的NDVI值。
1.3.2草地退化遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 本研究依據(jù)草地退化遙感監(jiān)測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB19377-2003)以及相關(guān)參考文獻(xiàn),將青藏高原573塊牧戶(hù)草場(chǎng)2000-2016年退化程度分為5級(jí):未退化、輕度退化、中度退化、重度退化和極重度退化[18](表1)。
表1 草地退化遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)劃分Table 1 Indicators, criteria and classification of remote sensing monitoring and evaluation of grassland degradation (%)
1.3.3變量選擇 自然因素是導(dǎo)致草地植被變化的一個(gè)基本驅(qū)動(dòng)力,其中氣溫與降水對(duì)草地變化提供了最主要的動(dòng)力條件[19],氣候變暖變干會(huì)影響草地土壤質(zhì)地、草本植物群落的結(jié)構(gòu)、演替、物候及草本產(chǎn)量,使草地退化[20],因此在自然因素中本研究只選擇最主要的降水、溫度作為協(xié)變量。此外,考慮到草地所處的坡度差異較大,坡度可能也是一個(gè)主要的影響因素[21-22]。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是草地資源變化的另一個(gè)重要推動(dòng)因素,一般而言,城市發(fā)展會(huì)對(duì)周?chē)牟莸禺a(chǎn)生一定的“輻射”作用,在距離城市越近的地方草地受到的影響可能也就越大[23],本研究在模型中加入牧戶(hù)草場(chǎng)離其最近城市中心之間的距離作為協(xié)變量,來(lái)驗(yàn)證離城市距離的遠(yuǎn)近是否會(huì)對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)產(chǎn)生影響。為了控制城市規(guī)模的影響[24],模型中還加入了離牧戶(hù)草場(chǎng)所在地最近城市的GDP和人口密度數(shù)據(jù)作為考察變量。若草地單位面積上承載的牲畜數(shù)量超過(guò)理論載畜量,也會(huì)加劇草地的退化程度[25],因此加入了各個(gè)研究區(qū)草地實(shí)際載畜量作為主要的協(xié)變量,該變量也是本研究主要關(guān)注的變量。
1.3.4實(shí)證模型設(shè)定 根據(jù)已有的長(zhǎng)時(shí)間序列面板數(shù)據(jù),我們建立了隨機(jī)效應(yīng)模型,對(duì)青藏高原牧戶(hù)草場(chǎng)植被覆蓋度的主要影響因素進(jìn)行了實(shí)證分析:
表2 模型引入的變量描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics introduced by the model
綜合來(lái)看,研究區(qū)牧戶(hù)草場(chǎng)退化面積仍居高不下;截止到2016年,牧戶(hù)草場(chǎng)退化面積為38283.6 hm2,占總面積的69%(圖1),其中極重度退化草地面積相較2000年增加了1664.5 hm2,增長(zhǎng)了3%左右。重度、中度、輕度退化有所減緩。2006年輕度與未退化草場(chǎng)面積減少,極重度、重度、中度退化草地面積顯著上升,之后開(kāi)始有所恢復(fù),到2015年又出現(xiàn)同樣的態(tài)勢(shì),其中重度退化草場(chǎng)面積達(dá)到最高值12379 hm2。2000-2016年草地退化主要以輕度退化為主,變化幅度較大,占整個(gè)草地退化面積的18%~29%。未退化草地面積呈現(xiàn)波動(dòng)上升的變化趨勢(shì),2000年研究區(qū)草地未退化面積為14254.28 hm2,2016年上升為16786.2 hm2,增加了17%左右。為了有效地進(jìn)行青藏高原的生態(tài)保護(hù)與建設(shè),21世紀(jì)以來(lái),國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施了一系列規(guī)劃、保護(hù)對(duì)策及建設(shè)項(xiàng)目[26],如禁牧封育、草蓄平衡、草原補(bǔ)貼和圍欄放牧等[27],但就現(xiàn)有的草場(chǎng)退化情況來(lái)看,牧戶(hù)草場(chǎng)的恢復(fù)并不明顯(圖1)。
根據(jù)青藏高原研究區(qū)氣溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),年平均氣溫在2000-2016年增長(zhǎng)了0.84 ℃,相對(duì)低值出現(xiàn)在2000-2002年,分別為2.43和2.78 ℃,在2009年達(dá)到最高值(3.84 ℃)后開(kāi)始逐漸回落,自2011年以后氣溫走勢(shì)開(kāi)始趨于平穩(wěn)。2000-2016年研究區(qū)年均降水量總體還是呈波動(dòng)上升趨勢(shì),但與溫度相比變化幅度較小。降水變化主要分為兩個(gè)階段:2000-2006年降水量明顯下降,由2000年的50.03 mm減少到2006年的39.96 mm,2006年以后降水量開(kāi)始逐漸上升。21世紀(jì)以來(lái),研究區(qū)降水量上升了1.79 mm。由于青藏高原地理區(qū)域跨度較大,從東南的亞熱帶森林氣候帶過(guò)渡到了西北的寒帶荒漠氣候帶[11],加之受到溫室氣體等影響,因此氣候變化并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的線性過(guò)程,但總的來(lái)看,過(guò)去17年來(lái)研究地區(qū)的氣候特征呈現(xiàn)出更暖和濕潤(rùn)的走向,這將對(duì)整個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)有利的影響(圖2)。
圖1 研究區(qū)2000-2016年草地退化等級(jí)分布特征Fig.1 Distribution characteristics of grassland degradation grade in study area (2000-2016)
圖2 研究區(qū)2000-2016年平均溫度與降水Fig.2 Annual mean temperature and rainfall in the study area (2000-2016)
綜合分析計(jì)算研究區(qū)年內(nèi)生產(chǎn)總值(圖3),由2000年的21.09億元上升到2016年185億元,增長(zhǎng)了88%左右。同時(shí)研究區(qū)總?cè)丝谟?000年72.46萬(wàn)人上升到2016年108.84萬(wàn)人,增長(zhǎng)了33%左右,21世紀(jì)以來(lái)研究區(qū)年內(nèi)生產(chǎn)總值呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。以總量來(lái)衡量,青藏高原GDP年平均增速為9.25%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出全國(guó)GDP 7.4%的平均增速,隨著我國(guó)加大對(duì)西部的開(kāi)發(fā)投資力度,使得青藏高原經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)不斷加快并取得長(zhǎng)足發(fā)展[28],但是經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口的增長(zhǎng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
圖3 研究區(qū)2000-2016年均生產(chǎn)總值與人口Fig.3 The average annual GDP and population of the research area (2000-2016)
圖4 研究區(qū)2000-2016草地實(shí)際載畜量Fig.4 Actual carrying capacity of grassland in study area (2000-2016)
為了便于研究,牧戶(hù)牲畜養(yǎng)殖數(shù)量統(tǒng)一折算成羊單位,2000年研究區(qū)草地實(shí)際載畜量平均為188.72萬(wàn)只羊單位,之后開(kāi)始急劇增長(zhǎng),到2005年的達(dá)到最大值218.23萬(wàn)只,2010年(218.01萬(wàn)只)以后草地載畜量開(kāi)始急劇下降到歷史最低值183.82萬(wàn)只,2013年以后草地載畜量開(kāi)始出現(xiàn)平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)(圖4)。草地載畜量的變化與氣候似乎存在著相關(guān)性,2006年研究區(qū)氣溫相比往年達(dá)到了年均最高溫,而降水量則明顯下降到最低值(圖2),溫度升高蒸發(fā)量加大, 一方面導(dǎo)致牧區(qū)草地植被蓋度顯著降低,另一方面牧民出于對(duì)生活安全保障的考慮,減少牲畜出欄數(shù),這在一定程度上加劇了草畜之間的矛盾,使草場(chǎng)退化加劇。2.5實(shí)證模型估計(jì)結(jié)果分析
本研究采用stata 15.0軟件,選擇隨機(jī)效應(yīng)模型采用廣義最小二乘法(GLS)對(duì)青藏高原牧場(chǎng)蓋度的主要影響因素進(jìn)行了實(shí)證分析,回歸估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。對(duì)結(jié)果做拉格朗日乘數(shù)檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果表明采用隨機(jī)效應(yīng)模型具有一定的合理性。
模型全局檢驗(yàn)顯著;除人口密度在5%水平上顯著外,解釋變量降水、溫度、坡度、GDP、載畜量、與城市之間的距離的估計(jì)系數(shù)都達(dá)到了1%的顯著水平,且與理論預(yù)期一致。通過(guò)統(tǒng)計(jì)描述和計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型的實(shí)證研究,主要得出以下4點(diǎn)結(jié)果。
1)氣候變化在推動(dòng)草地植被蓋度演化的過(guò)程中一直發(fā)揮著重要作用, 從表3結(jié)果中可以看出年均降水量與年均溫對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)植被蓋度的影響顯著,溫度的升高和降水的增加有利于草場(chǎng)植被的生長(zhǎng)。在不考慮其他因素對(duì)草場(chǎng)蓋度影響的情況下,氣溫每上升1 ℃,草地蓋度增加0.25%,降水每增多1 mm,蓋度增加0.03%。另外坡度的也是影響牧場(chǎng)植被變化的重要因素,坡度較陡的地方草場(chǎng)的蓋度越高。根據(jù)實(shí)地調(diào)研與相關(guān)文獻(xiàn)研究,牧場(chǎng)退化最嚴(yán)重的地方通常是在平原[29],由于地勢(shì)平坦,牧民通常選擇在此放牧,加之平緩的地方受人為活動(dòng)干擾較多,因此坡度越平緩草場(chǎng)植被蓋度越低。
表3 實(shí)證模型估計(jì)結(jié)果Table 3 Empirical model estimation result
注:括號(hào)中的數(shù)值是穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)誤;***、**分別表示1%、5% 的顯著水平,模型Prob>chi2/F=0.00。
Note: The values in parentheses are robust standard errors; ***, ** indicate a significant level of 1% and 5%, respectively, model Prob>chi2/F=0.00.
2)模型中用距離牧戶(hù)草場(chǎng)最近城市的年內(nèi)生產(chǎn)總值與人口密度考察其對(duì)牧場(chǎng)蓋度的影響,結(jié)果呈顯著的負(fù)相關(guān)性,GDP與人口密度在方程中的回歸系數(shù)都為-0.0003,并分別通過(guò)了1%與5%的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口增長(zhǎng)在一定程度上對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了負(fù)面影響。21世紀(jì)以來(lái)青藏高原城市化進(jìn)程不斷加快,城市發(fā)展擴(kuò)張、工礦業(yè)發(fā)展、道路建設(shè)侵占了大量的草地,另外隨著近年來(lái)旅游業(yè)的興起,游客在城市周邊活動(dòng)頻繁[30]。不合理的開(kāi)發(fā)以及人為活動(dòng)對(duì)草地的退化起了一定的加劇作用。
3)本研究中用草地實(shí)際載畜量考察放牧對(duì)草地植被蓋度變化的影響,結(jié)果顯示該變量的系數(shù)估計(jì)值為-0.072,且呈 1% 的顯著水平。在控制其他變量不變的情況下每hm2草地實(shí)際載畜數(shù)量增加15羊單位,將導(dǎo)致單位面積草地植被覆蓋度降低約7.26%,載畜量的上升加大草地的承載力,使得草地蓋度降低,加劇了退化。相比其他協(xié)變量標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù),載畜量對(duì)牧場(chǎng)草地蓋度的影響最大,說(shuō)明超載放牧仍然是導(dǎo)致草地退化的最主要原因,因此控制單位草地上牲畜承載量是青藏高原保護(hù)草地資源的有效手段。
4)研究結(jié)果表明,距離城市的遠(yuǎn)近也對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)產(chǎn)生了一定的影響,且呈二次項(xiàng)非線性相關(guān),擬合曲線為倒“U”形狀(yit=-0.01P2+0.15P),即在一定的距離之內(nèi),越靠近城市的地方草地退化程度越嚴(yán)重,分析原因可能是城市的不斷發(fā)展擴(kuò)張以及安置點(diǎn)的建設(shè)對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)的侵占,另外模型估計(jì)在一定距離之后牧場(chǎng)的草地蓋度隨著距離的增加又開(kāi)始下降,原因可能是牧場(chǎng)距離城市越遠(yuǎn)則牧民獲取市場(chǎng)信息、交通運(yùn)輸越困難,導(dǎo)致牲畜出欄率較低,對(duì)牧場(chǎng)草地的消耗相對(duì)于距離城市近的地區(qū)較大。
本研究將基于植被覆蓋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析與建立計(jì)量模型,分析驗(yàn)證了導(dǎo)致青藏高原草地變化的主要驅(qū)動(dòng)力,主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:1)草地變化不是由單一因素引起的因果關(guān)系,變化的時(shí)空過(guò)程是自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素相互作用的結(jié)果。2)氣候變化中,溫度的升高和降水的增加對(duì)草地植被的生長(zhǎng)有正向的促進(jìn)作用,氣溫與降水每增加一個(gè)單位,將導(dǎo)致草地植被蓋度上升0.0028%。3)從草地變化的機(jī)理來(lái)看,超載放牧是導(dǎo)致草地退化最主要的原因。研究區(qū)單位草地載畜量越多,草地植被蓋度越低,在控制其他變量不變的情況下每公頃草地實(shí)際載畜量增加1羊單位,將導(dǎo)致草地植被覆蓋度降低約0.07%。4)人口密度的增加與不合理的經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素對(duì)草地退化具有顯著的推動(dòng)作用,距離城市越近的草場(chǎng)植被覆蓋度越低。
由于在大范圍區(qū)域尺度和長(zhǎng)時(shí)間跨度上的土地利用變化存在數(shù)據(jù)獲取、質(zhì)量以及圖像解釋等方面的困難,對(duì)每一個(gè)的影響因素難以進(jìn)行量化處理,因此對(duì)于具體的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要素對(duì)牧戶(hù)草場(chǎng)產(chǎn)生的影響還需在以后進(jìn)一步研究。