趙鵬，陳桃，王茜，于瑞德，4?

(1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所干旱區(qū)環(huán)境演變實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011； 2 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011； 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4 煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

如何定量評(píng)價(jià)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響已經(jīng)成為研究全球變化的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。特別是在干旱和半干旱區(qū)，氣候變化和人類活動(dòng)的加劇容易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化，造成嚴(yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失[2]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在全球變化和碳循環(huán)中起到十分重要的作用。

草地是地球上分布最廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，同時(shí)也是中國(guó)面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)[3]，它在全球碳循環(huán)和氣候變化方面扮演著重要的角色。同時(shí)，草地還有著防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、保護(hù)生物多樣性等重要的生態(tài)功能[4-5]。由于草地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性及其對(duì)全球氣候變化響應(yīng)的敏感性，使其成為研究全球變化的重點(diǎn)區(qū)域之一。新疆草地面積位居全國(guó)第3位，占新疆總面積的34.43%[6]。新疆草地具有類型多、牧草質(zhì)量高、四季牧場(chǎng)全的特點(diǎn)[7-8]。新疆不僅有世界上公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)牧草，而且還有飼用價(jià)值很高的特有草種[9]。但是，作為一個(gè)干旱和半干旱地區(qū)，新疆的生態(tài)系統(tǒng)本身就十分脆弱，而草原生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和對(duì)全球變化的敏感性使其管理起來(lái)更加困難。

許多學(xué)者利用遙感手段在陸地生態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域做了大量研究：周偉等[10]利用NDVI數(shù)據(jù)集研究中國(guó)草地的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征以及氣候變化對(duì)草地的影響；Yin等[11]利用NDVI數(shù)據(jù)集分析中亞地區(qū)植被的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)；朱士華等[12]利用AEM模型模擬中亞地區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力并探討氣溫、降水和CO2變化對(duì)植被的影響；吳曉全等[13]利用CASA模型研究新疆天山地區(qū)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空分布特征及其與氣候因素的關(guān)系；龍慧靈等[14]利用CASA模型模擬內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力并分析其與不同尺度的氣象因子之間相互作用的關(guān)系；楊柏娟等[15]利用CASA模型研究青藏高原地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化與物候的關(guān)系。但這些研究大多是分析植被的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子的相關(guān)性，對(duì)其變化原因只是簡(jiǎn)單地進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。而植被生長(zhǎng)變化的主要原因是人類活動(dòng)還是氣候變化沒(méi)有一個(gè)定量分析的結(jié)果。如何量化和分離氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是目前研究的難題[16]。植被退化最主要的表現(xiàn)就是生產(chǎn)力的下降，植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力不僅可以反映植被的生長(zhǎng)狀況，還可以表征生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)程度[17-18]。隨著對(duì)全球變化和碳循環(huán)研究的深入，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究越來(lái)越受到專家學(xué)者們的重視。因此本文利用植被凈初級(jí)生產(chǎn)力作為指示器，通過(guò)氣候模型驅(qū)動(dòng)的理想NPP變化特征與光合利用率模型計(jì)算的實(shí)際NPP變化特征相比較的方法分析氣候變化以及人類活動(dòng)對(duì)新疆草地的影響[19]。旨在利用這種方法定量分析新疆不同地區(qū)草地變化的主導(dǎo)因素，準(zhǔn)確評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)不同環(huán)境的影響以便政府更好地制定生態(tài)保護(hù)政策，同時(shí)為草地的管理和利用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國(guó)西北部，地處北緯34°22′～49°33′、東經(jīng)73°22′～96°21′之間(圖1)，面積約為166萬(wàn)km2，約占中國(guó)總面積的1/6，地處歐亞大陸的中心。新疆的地理環(huán)境特征為“三山夾兩盆”，三山：北部的阿爾泰山脈，南部的昆侖山脈和中部的天山山脈。兩盆：準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地。獨(dú)特的地形條件使得該地區(qū)氣溫與降水空間分布差異較大，北疆年均溫為4～8 ℃，年降水量可達(dá)100～500 mm；南疆年均溫為10～13 ℃，年降水量?jī)H為20～100 mm。年蒸發(fā)量在北部為1 00～2 300 mm，南部為2 100～3 400 mm。新疆的草地主要分布在山地區(qū)域、盆地邊緣以及河流沿岸。草地面積為0.57億hm2，其中可利用面積為0.48億hm2，占全國(guó)草地可利用面積的20.2%，位居全國(guó)第3位[20-21]。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.nmic.cn/)，由于部分站點(diǎn)數(shù)據(jù)不連續(xù)，本文只選擇具有完整且連續(xù)氣溫、降水和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的53個(gè)站點(diǎn)，時(shí)間跨度為1982—2015年，利用AUSPLIN軟件對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值運(yùn)算[22]，從而獲得柵格數(shù)據(jù)。

GIMMS3g NDVI數(shù)據(jù)集來(lái)源于NASA全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(Global Inventory Modeling and Mapping Studies，GIM)(https:∥ecocast.arc.nasa.gov)。空間分辨率為8 km×8 km，間隔15 d，時(shí)間尺度為1982—2015年，共816幅圖像，利用國(guó)際上通用的最大合成法(MVC)對(duì)相鄰兩期圖像進(jìn)行合成，獲得進(jìn)一步消除噪聲的NDVI月最大數(shù)據(jù)。

植被覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)空間應(yīng)用研究所(SAI)的2000年全球覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品(GLC2000)，分辨率為1 km×1 km。利用ArcGIS程序通過(guò)鄰近法將其重采樣為分辨率8 km×8 km，并提取出新疆草地分布圖(圖2)。主要分為3種草地類型：草原草地、荒漠草地和草甸草地。

DEM數(shù)據(jù)和中國(guó)省級(jí)行政邊界數(shù)據(jù)均來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)，DEM數(shù)據(jù)的分辨率為90 m。

2.2 研究方法

2.2.1 NPPa、NPPp與NPPh的計(jì)算方法

本文采用朱文泉等改進(jìn)的CASA模型[23]進(jìn)行NPPa估算，該模型是一種光合利用率模型，輸入數(shù)據(jù)包括NDVI、氣象和植被類型數(shù)據(jù)等，并且已廣泛應(yīng)用于大地理尺度下NPP的估算中[24-26]。具體計(jì)算公式如下

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)，

式中：APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(g C·m-2·month-1),ε(x,t)表示像元x在t月的光能利用率(g C·m-2·MJ-1)。各參數(shù)的計(jì)算公式如下：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5，

ε(x,t)=Tg1(x,t)×Tg2(x,t)×WZ(x,t)×εmax.

上述各式中，SOL(x,t)表示t月在x處的太陽(yáng)總輻射量；FPAR(x,t)表示植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例；Tg1,Tg2分別表示低溫和高溫對(duì)光能利用率的脅迫作用；WZ表示水分脅迫系數(shù)；εmax為理想條件下的最大光能利用率；本文中草地最大光能利用率εmax取值為0.542，CASA模型的詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

潛在植被凈初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算采用Miami模型，該模型從植物的生理生態(tài)角度出發(fā)，通過(guò)年降水量和年均溫等氣候因素計(jì)算植物的氣候生產(chǎn)潛力[27-29]，公式如下：

NPPp=min[NPPT,NPPR]，

NPPT=3 000/(1+e(1.315-0.119T))，

NPPR=3 000(1-e-0.000 664R).

式中：NPPT和NPPR表示分別利用年平均氣溫和年降水量計(jì)算得到的潛在植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(單位：g C·m-2·a-1)，T表示年平均氣溫(℃)，R表示年降水量(mm)。最后根據(jù)Liebig定律。選取二者的最小值做為計(jì)算點(diǎn)的潛在植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPPp。

NPPh表示人類活動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，為植被生產(chǎn)潛力與真實(shí)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力之差。由于放牧等人類活動(dòng)可能導(dǎo)致草地的破壞，NPPa可能小于NPPp,所以NPPh可能為負(fù)值。公式如下

NPPh=NPPa-NPPp.

2.2.2 年際變化率的計(jì)算方法

對(duì)以n為樣本長(zhǎng)度的3種定義下的年均NPP值與年份逐像元進(jìn)行線性回歸，得到NPP在n年間的變化斜率Slope，用來(lái)表示某一時(shí)段研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的總體變化趨勢(shì)[30]，這種方法被廣泛應(yīng)用于植被遙感分析中。具體計(jì)算公式為

式中：Slope為某像元用回歸法模擬出的NPP累計(jì)量的變化斜率。Slope>0表示隨著時(shí)間的增加，NPP也增加，反之減少。n為15年；i為年序號(hào)；NPPi為第i年的NPP值。

用F檢驗(yàn)法對(duì)3種不同定義下的NPP變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[31]，檢驗(yàn)結(jié)果僅表示變化趨勢(shì)的可置信程度，與變化速率無(wú)關(guān)，公式如下

NPP變化百分率[32]，公式如下

2.2.3 定量評(píng)估方法

在本研究中，確定3種類型的NPP：NPPa、NPPp和NPPh。其中，NPPa代表受氣候因素和人類活動(dòng)共同影響下的真實(shí)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；NPPp表示受氣候因素影響下的潛在植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；NPPh表示人類活動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。定量評(píng)估方法見(jiàn)表1：一共分為5種不同情形。當(dāng)sNPPa為0時(shí)，認(rèn)為NPPa沒(méi)有發(fā)生變化；當(dāng)sNPPa大于0且│sNPPp│大于│sNPPh│時(shí)，認(rèn)為氣候因素是導(dǎo)致NPPa增加的主要驅(qū)動(dòng)因素；當(dāng)sNPPa大于0且│sNPPp│小于│sNPPh│時(shí)，認(rèn)為人類活動(dòng)是導(dǎo)致NPPa增加的主要驅(qū)動(dòng)因素；當(dāng)sNPPa小于0且│sNPPp│大于│sNPPh│時(shí)，認(rèn)為氣候因素是導(dǎo)致sNPPa減少的主要驅(qū)動(dòng)因素；當(dāng)sNPPa小于0且│sNPPp│小于│sNPPh│時(shí)，認(rèn)為人類活動(dòng)是導(dǎo)致NPPa減少的主要驅(qū)動(dòng)因素。

3 結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

利用2010年新疆33個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的草地NPP數(shù)據(jù)與2010年CASA模型模擬值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，相關(guān)性分析的結(jié)果顯示，NPP模擬值與實(shí)測(cè)值之間有良好的線性關(guān)系(R2=0.53且P<0.001)(圖3)。說(shuō)明模型所估算的NPP值模擬精度可靠，可用于新疆草地NPP的估算。

表1 實(shí)際NPPa變化原因分析及其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)方法Table 1 Analyses of the actual NPPa change causes and their corresponding mathematical methods

注:sNPPa、sNPPp和sNPPh代表每個(gè)像元中NPPa、NPPp和NPPh變化趨勢(shì)斜率。

為了更好地驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否可靠，將CASA模型模擬NPP值與美國(guó)NASA網(wǎng)站的MOD17A3產(chǎn)品的NPP值進(jìn)行對(duì)比(圖4(a)和圖4(b))，發(fā)現(xiàn)二者的空間分布特征具有較好的一致性，說(shuō)明模擬效果較為可靠。

圖3 模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.3 Comparison between the estimated NPP and observed NPP for grassland in Xinjiang

圖4 2000—2015年CASA模型模擬NPP平均值與MOD17A3產(chǎn)品NPP平均值對(duì)比Fig.4 Comparison between the mean NPP of CASA models and the mean NPP of MOD17A3 products from 2000 to 2015

3.2 NPPa、NPPp和NPPh變化趨勢(shì)

對(duì)3種定義下的NPP年均值進(jìn)行3個(gè)不同時(shí)期(1982—2000年、2000—2015年和1982—2015年)的線性擬合(圖5)。結(jié)果表明：1982—2000年，NPPa和NPPp都出現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升速率分別為：2.08和4.56 g C·m-2·a-1，NPPh出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下降的速率為-2.49 g C·m-2·a-1，氣候因素影響下的NPPp出現(xiàn)上升趨勢(shì)，人類活動(dòng)影響下的NPPh出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明在該時(shí)段氣候因子促進(jìn)實(shí)際NPP增加，而人類活動(dòng)抑制實(shí)際NPP增加。但由于氣候因素的影響更大，所以NPPa出現(xiàn)上升趨勢(shì)。2000—2015年：NPPa、NPPp和NPPh出現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加速率分別為3.29、3.27和0.02 g C·m-2·a-1。這說(shuō)明在2000—2015年，無(wú)論是氣候因素還是人類活動(dòng)，相比于之前的時(shí)段都促進(jìn)NPPa的增加，使NPPa出現(xiàn)上升趨勢(shì)。在兩個(gè)不同時(shí)期里，氣候因素對(duì)NPPa的影響更大。所以在整個(gè)研究時(shí)段即1982—2015年：盡管NPPh出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，但是小于氣候因素所產(chǎn)生的影響，所以NPPa出現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此，在新疆，氣候因素對(duì)草地NPP的影響要大于人類活動(dòng)的影響。

為了更好地了解3種定義下的NPP變化趨勢(shì)特征，逐像元進(jìn)行一元線性回歸分析，獲取NPPa、NPPp和NPPh隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，然后進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。最后逐像元計(jì)算NPP變化的百分率。

1982—2000年NPPa(圖6(a)) 與NPPp(圖6(c))的變化趨勢(shì)以增加為主，增加的區(qū)域分別占總面積的90.04%和94.95%，其中NPPa有37.64%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05),而NPPp有43.57%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。NPPa減少的區(qū)域主要位于新疆西南部以及塔里木盆地邊緣的零星地區(qū),減小的區(qū)域占總面積的9.96%，其中有2.72%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。在塔里木盆地南部以及部分零星地區(qū)NPPp出現(xiàn)減少的趨勢(shì),減少的區(qū)域占總面積的5.05%，其中有0.21%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2000—2015年NPPa(圖6(b))與NPPp(圖6(d))的變化趨勢(shì)也是以增加為主，增加的區(qū)域分別占總面積的74.54%和79.02%，其中NPPa有75.20%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。而NPPp有4.21%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。NPPa減少的區(qū)域主要位于伊犁河谷、天山以南準(zhǔn)噶爾盆地以北以及阿爾泰山南部等地區(qū)，減少的區(qū)域占總面積的24.80%，其中有32.16%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。在伊犁河谷、天山以北以及阿爾泰山北部等地區(qū)NPPp出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，減少的區(qū)域占總面積的20.98%，其中有2.70%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

1982—2000年NPPh(圖6(e))增加的趨勢(shì)略大于減少的趨勢(shì)，在昆侖山南部、天山山區(qū)以及阿爾泰山東南部等地區(qū)出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，增加的區(qū)域占總面積的64.89%，其中有31.24%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。在伊犁河谷、昆侖山西南部、塔里木盆地邊緣以及準(zhǔn)格爾盆地西部等地區(qū)出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，減少的區(qū)域占總面積的35.11%，其中有6.38%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。2000—2015年NPPh(圖6(f))在昆侖山南部以及準(zhǔn)噶爾盆地西部、北部等地區(qū)出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，增加的區(qū)域占總面積的60.72%，其中有16.41%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。在塔里木盆地邊緣，伊犁河谷、阿爾泰山北部以及天山南部以及昆侖山北部等地區(qū)出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，減少的區(qū)域占總面積的39.28%，其中有34.87%通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

3.3 氣候變化與人類活動(dòng)在草地變化過(guò)程中的相對(duì)作用

根據(jù)表1的數(shù)學(xué)公式逐像元比較NPPp和NPPh變化斜率Slope的絕對(duì)值來(lái)確定過(guò)去34年新疆草地NPP變化的驅(qū)動(dòng)因子。分成5種類型：氣候因素導(dǎo)致NPP減少(DCC)、人類活動(dòng)導(dǎo)致NPP減少(DHA)、氣候因素導(dǎo)致NPP增加(ICC)、人類活動(dòng)導(dǎo)致NPP增加(IHA)和保持不變(NC)。1982—2000年間(圖7(a))：新疆草地以增加為主，增加的區(qū)域占總面積的94.95%，其中80.19%的區(qū)域是由氣候因素驅(qū)動(dòng)，19.71%的區(qū)域是由人類活動(dòng)導(dǎo)致；減少的區(qū)域占總面積的5.05%，其中64.85%的區(qū)域是由氣候因素驅(qū)動(dòng)，35.15%的區(qū)域是由人類活動(dòng)導(dǎo)致。整體來(lái)看，由氣候因素驅(qū)動(dòng)的區(qū)域占草地總面積的79.41%，人類活動(dòng)影響的區(qū)域占比為20.59%。2000—2015年間(圖7(b))，新疆的草地變化情況相較之前出現(xiàn)明顯變化：增加的區(qū)域占總面積的79.02%，其中有64.73%的區(qū)域是由氣候因素驅(qū)動(dòng)，主要分布在昆侖山地區(qū)，35.27%是由人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主要分布在天山以南和塔里木盆地邊緣；減少的區(qū)域占總面積的20.92%，其中有18.25%的區(qū)域是由氣候因素驅(qū)動(dòng)，主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地南部和伊犁河谷部分地區(qū)，72.75%的區(qū)域是由人類活動(dòng)導(dǎo)致，主要分布在阿爾泰山地區(qū)、塔城地區(qū)、天山以及伊犁河谷地區(qū)。整體來(lái)看，氣候驅(qū)動(dòng)的區(qū)域占草地總面積的54.95%，人類活動(dòng)影響的區(qū)域占比為43.03%。

插圖表示顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，藍(lán)色代表通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的NPP增加的像元(P<0.05),紅色代表通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的NPP減少的像元(P<0.05)。圖6 1982—2000和2000—2015年新疆草地NPPa、NPPp和NPPh變化趨勢(shì)Fig.6 Trends in NPPa，NPPp and NPPh in Xinjiang grassland in the periods from 1982 to 2000 and from 2000 to 2015

NC表示草地NPP沒(méi)有發(fā)生變化，NG表示非草地，DHA表示人類活動(dòng)導(dǎo)致草地NPP減少，DCC表示氣候因素導(dǎo)致草地NPP減少，IHA表示人類活動(dòng)導(dǎo)致草地NPP增加，ICC表示人類活動(dòng)導(dǎo)致草地NPP增加。圖7 1982—2000年和2000—2015年新疆草地NPP變化原因分布Fig.7 Spatial distributions of different causes for Xinjiang grassland NPP changes in the periods from 1982 to 2000 and from 2000 to 2015

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 NPPa與氣候變化的關(guān)系

丁一匯等[33]的研究表明中國(guó)的氣溫和降水在過(guò)去近百年里都出現(xiàn)了增加的趨勢(shì)，中國(guó)西北部近幾十年的降水增加更為明顯，朝著暖濕的趨勢(shì)發(fā)展。而植被生長(zhǎng)又是與氣候因素密切相關(guān)的。陳福軍等[34]通過(guò)比較植被指數(shù)(NDVI)與氣溫和降水之間的關(guān)系分析1981—2010年氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)：中國(guó)西北大部分地區(qū)植被生長(zhǎng)更能適應(yīng)當(dāng)?shù)嘏瘽窕臍夂蜃兓厔?shì)，為氣候變化利于植被生長(zhǎng)區(qū)。鑒于前人的研究結(jié)論，本研究發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)不同時(shí)段中，新疆草地NPP的增加趨勢(shì)大部分均由氣候因素導(dǎo)致，說(shuō)明新疆過(guò)去30多年的氣候變化對(duì)草地的生長(zhǎng)產(chǎn)生了積極的作用。如圖8所示，新疆草地的NPPa值呈上升趨勢(shì)，新疆的降水和氣溫在過(guò)去幾十年來(lái)也出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

在本文研究中將草地NPPa與氣溫和降水去除線性趨勢(shì)后進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：NPPa與氣溫相關(guān)系數(shù)為0.04，未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，與降水的相關(guān)性為0.343(P<0.05)。Gang等[35]研究顯示1981—2010年中國(guó)新疆地區(qū)的草地NPP同降水呈顯著正相關(guān)，與氣溫呈不顯著正相關(guān)。這一研究結(jié)論與本文的結(jié)果一致。另外，黃玫等[36]研究表明青藏高原地區(qū)的草地NPP與氣溫和降水都呈顯著正相關(guān)。賈瓔和祁正鵬[37]的研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)地區(qū)的草地與降水和氣溫呈顯著正相關(guān)。朱士華等[12]有關(guān)中亞地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)除降水條件較好的高海拔地區(qū)植被NPP主要受溫度控制外其他地區(qū)主要受降水控制。潘萌甜等[38]研究表明內(nèi)蒙古草地植被的生長(zhǎng)主要由降水控制，但草地類型的不同使得NPP對(duì)氣溫和降水的依賴性有所區(qū)別。任璇等[39]研究顯示新疆地區(qū)的草地與降水呈正相關(guān)，與溫度相關(guān)不顯著或呈負(fù)相關(guān)。由于研究方法不同導(dǎo)致這些結(jié)論與本文結(jié)果存在些許差異。本文只是將NPP的變化趨勢(shì)與氣溫和降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行相關(guān)分析。

1982—2000年間：新疆草地NPPa以增加為主，增加區(qū)域占總面積的94.95%，其中80.19%的區(qū)域受氣候驅(qū)動(dòng)因素影響。目前許多研究均表明新疆氣候正在由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變[40-43]，降水的增加可能促進(jìn)新疆草地的生長(zhǎng)。

圖8 1982—2015年 NPPa、年均溫和年降水量變化趨勢(shì)Fig.8 Trends in NPPa, annual average temperature, and annual precipitation from 1982 to 2015

2000—2015年間：氣候因素導(dǎo)致新疆的伊犁河谷地區(qū)草地NPPa的減少，這可能是由于新疆氣候變化存在明顯的地理差異。本文研究發(fā)現(xiàn)，伊犁河谷地區(qū)的降水和氣溫分別在1997和2005年之后變?yōu)闇p少的趨勢(shì)，這與閆俊杰等[44]的研究是一致的(圖9)。這樣的氣候變化趨勢(shì)可能抑制草地的生長(zhǎng)。同時(shí)，在其他研究中也發(fā)現(xiàn)伊犁河谷的NPP出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[45-46]。

圖9 1982—2015年伊犁地區(qū)年均溫和年降水量變化趨勢(shì)Fig.9 Annual average temperature and annual precipitation trends in Ili area from 1982 to 2015

4.1.2 NPPa與國(guó)家政策的關(guān)系

人類活動(dòng)導(dǎo)致新疆草地NPPa增加面積的比例由1982—2000年的18.71%上升到27.87%，這可能與近年來(lái)的草原生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目相關(guān)：新疆自1986年開(kāi)始實(shí)施牧民定居工程[47]并且在2010年后迅速發(fā)展落實(shí)。另外，國(guó)家退牧還草項(xiàng)目2002年開(kāi)始實(shí)施，具體內(nèi)容包括禁止荒漠草原放牧、恢復(fù)植被以及規(guī)定草地的休牧期等[48]。從圖4可以看出，NPPh在2000年出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明這些措施取得了顯著成效，對(duì)于草地生產(chǎn)力的恢復(fù)起到積極的推進(jìn)作用。2011年又開(kāi)始實(shí)行草地生態(tài)補(bǔ)償獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制[49]，并且投入很大。與此同時(shí)，為保證牲畜在冬季有充足的食物供給，在溫暖和土地肥沃的地區(qū)種植牧草，以補(bǔ)充冬季的草料短缺，這些措施很大程度上促進(jìn)了草地的恢復(fù)。

從圖7(a)和圖7(b)可以看出1982—2015年塔里木盆地邊緣和準(zhǔn)噶爾盆地南緣的草地恢復(fù)都是由人類活動(dòng)主導(dǎo)的，這可能與1991年國(guó)家治沙會(huì)議后實(shí)施的防沙治沙工程有關(guān)[50]，該工程的灌木林草相配套的防沙體系以及對(duì)荒漠草地的圍欄封育的措施都有利于這些地區(qū)的草地恢復(fù)。而且新疆林業(yè)局通過(guò)對(duì)正在實(shí)施的國(guó)家重點(diǎn)工程進(jìn)行細(xì)化、具體化后，在2009年啟動(dòng)塔里木盆地周邊生態(tài)治理工程以及準(zhǔn)噶爾盆地防沙治沙工程[51]，這也促進(jìn)了這些地區(qū)草地的恢復(fù)。

4.1.3 NPPh與放牧數(shù)量的關(guān)系

有研究表明放牧是草地的主要利用方式之一，同時(shí)也是影響草地生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，放牧可能導(dǎo)致草地退化甚至沙漠化[52]。通過(guò)搜集新疆牲畜量來(lái)反映放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響，其中牲畜數(shù)量均換算為綿羊單位[53]。1982—2000年(圖7(a))在阿爾泰山南坡、塔城地區(qū)、天山地區(qū)以及伊犁河谷地區(qū)草地NPPa呈上升趨勢(shì)，而到了2000—2015年(圖7(b))NPPa呈下降趨勢(shì)，同時(shí)人類活動(dòng)導(dǎo)致草地NPPa減少的面積比也由之前的1.75%上升到15.21%。這一結(jié)果可能與這些地區(qū)的過(guò)度放牧有關(guān)。在Huang等[54]的研究中可以發(fā)現(xiàn)：伊犁河谷、塔城地區(qū)以及阿爾泰山地區(qū)是新疆放牧率較高的區(qū)域。盡管新疆實(shí)施了草地植被恢復(fù)的相關(guān)規(guī)定，但是在高海拔地區(qū)實(shí)施較為困難。此外，從荒漠草地流放至此的牲畜加重了這些區(qū)域放牧的壓力，從而導(dǎo)致NPPa的減少。為了更好地分析放牧對(duì)草地NPPa的影響，搜集整個(gè)新疆地區(qū)和人類活動(dòng)主導(dǎo)NPPa下降地區(qū)(伊犁地區(qū)、塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū))牲畜量(圖10)反映放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的影響。新疆地區(qū)的牲畜量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，時(shí)間為1982—2015年；伊犁地區(qū)、塔城地區(qū)和阿勒泰地區(qū)牲畜量數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆統(tǒng)計(jì)年鑒，時(shí)間為1988—2015年。結(jié)果如圖10(a)：1982—2000年新疆地區(qū)的牲畜量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，同時(shí)期NPPh出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，2000—2015年新疆地區(qū)的牲畜量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，NPPh出現(xiàn)上升趨勢(shì)。另外，1988—2015年3個(gè)地區(qū)的牲畜數(shù)量都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)(圖10(b)、圖10(c)和圖10(d))，3個(gè)地區(qū)的NPPa變化趨勢(shì)由1982—2000年的增加變?yōu)?000—2015年減少，變化原因從氣候因素驅(qū)動(dòng)變?yōu)槿祟惢顒?dòng)驅(qū)動(dòng)，這些都說(shuō)明放牧影響了新疆草地的生長(zhǎng)。

圖10 NPPh和牲畜數(shù)量的變化趨勢(shì)Fig.10 Trends in NPPh and livestock number

4.2 結(jié)論

本文以NPP作為指示器，基于實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力和潛在凈初級(jí)生產(chǎn)力定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)新疆草地生態(tài)系統(tǒng)的影響。以2000年作為分界點(diǎn)，把整個(gè)研究時(shí)段分成兩部分來(lái)比較，成功地分離出研究區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因子，結(jié)果表明：

1) 氣候變化是導(dǎo)致新疆草地生產(chǎn)力增加的主要驅(qū)動(dòng)力，氣候變化的影響要大于人類活動(dòng)的影響。新疆草地生產(chǎn)力的變化與降水的關(guān)系更為密切，降水的增加促進(jìn)了草地生產(chǎn)力的增加。

2) 1982—2000年，氣候因素是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)NPP增加的主要因素，氣候因素影響的區(qū)域占新疆草地總面積的79.41%，人類活動(dòng)影響的區(qū)域占總面積的20.59%；2000—2015年，人類活動(dòng)的影響逐漸加強(qiáng)，氣候因素影響的區(qū)域占總面積的54.95%，人類活動(dòng)影響的區(qū)域占總面積的43.03%。

3) 人類活動(dòng)導(dǎo)致新疆草地NPPa增加面積的比例由1982—2000年的18.71%上升到27.87%，同時(shí)NPPh在2000年出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這說(shuō)明這些生態(tài)保護(hù)政策取得了顯著成效，對(duì)于草地生產(chǎn)力的恢復(fù)起到了積極的作用。

4) 伊犁河谷、塔城地區(qū)以及阿勒泰山地區(qū)域的草地生態(tài)系統(tǒng)NPPa下降主要是由于放牧導(dǎo)致，應(yīng)控制這些放牧嚴(yán)重地區(qū)的牲畜數(shù)量實(shí)現(xiàn)草畜平衡。

本文通過(guò)氣象數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式估算新疆草地時(shí)空變化特征，并定量評(píng)估氣候因子與人類活動(dòng)對(duì)草地植被NPP的影響，可以準(zhǔn)確快速地分析新疆草地的生長(zhǎng)狀況，從而清晰地了解草地保護(hù)政策的實(shí)施效果，以便為草原政策、管理制度的制定和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，并為今后的研究提供參考。基于本文的研究成果，提出兩點(diǎn)建議：其一，在新疆應(yīng)當(dāng)繼續(xù)禁止荒漠草原放牧、推行退牧還草等保護(hù)政策；其二，應(yīng)該因地制宜優(yōu)化當(dāng)?shù)氐牟莸乇Ｗo(hù)政策并加強(qiáng)監(jiān)督實(shí)施，同時(shí)把放牧嚴(yán)重地區(qū)的牲畜數(shù)量控制在合理范圍之內(nèi)。