劉世梁,孫永秀,趙海迪,劉軼軒,李明琦

北京師范大學環(huán)境學院水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

三江源地區(qū)作為青藏高原的腹地和主體,是長江、黃河和瀾滄江三大河流的源頭,具有重要的水資源保護和調節(jié)作用,分別提供了三條河流總水量的25%、49%和15%,年平均徑流量總量約為400億m3[1]。由于特殊的地理位置、豐富的自然資源以及重要的生態(tài)功能,三江源成為中國及東南亞國家生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)屏障,也是中國生態(tài)系統(tǒng)最敏感和最脆弱的地區(qū)之一[2-3]。草地是三江源地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,占土地總面積的70%以上,主要包括高寒草原和高寒草甸等草地類型[4]。近年來,由于生態(tài)系統(tǒng)本身的脆弱性,并伴隨著氣候變暖和人類不合理地開發(fā)利用活動的加劇,使得三江源區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化,嚴重影響了該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,已引起許多學者的關注[5- 7]。因此,為防止草地的進一步退化,國務院于2005年規(guī)劃投資75億元啟動了三江源自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護與建設工程,其中實施退牧還草、黑土灘治理等22個生態(tài)建設項目來治理和恢復草地生態(tài)系統(tǒng)[1, 8-9]。隨著草地生態(tài)工程的實施,草地退化趨勢得到有效遏制,草地生態(tài)環(huán)境質量逐漸好轉[3, 10]。

近些年來,隨著對地觀測系統(tǒng)技術的不斷成熟以及空間探測技術的不斷發(fā)展進步,遙感技術被廣泛應用到生態(tài)學的各個領域,由于植被的覆蓋面積大、監(jiān)測時序長而使得遙感技術被廣泛應用于植被動態(tài)的監(jiān)測中[11-12]。同時遙感技術及地理信息系統(tǒng)的綜合應用也使得大面積、大區(qū)域植被指數(shù)提取及長期監(jiān)測成為可能[13- 15],一直受到科學界的極大關注[16-17]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)不僅能反映吸收的光合有效輻射、葉綠素密度和葉面積等植被參數(shù),還能消除大部分與太陽角、云陰影和大氣條件有關輻照度的變化,增強了對植被的響應能力,是植被生長狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子,是監(jiān)測地面植被變化的一個重要指標[18- 20]。凈初級生產(chǎn)力(NPP),指植物群落在單位時間內通過光合作用積累的有機物質總量,從而反映出植被生長和生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[21]?？偝跫壣a(chǎn)力(GPP)指植物群落在單位時間和單位面積上通過光合作用所固定的有機碳總量,可反映植被的固碳能力和生長狀態(tài)[22]。通過對多源數(shù)據(jù)對比分析,可深入探究三江源草地的生長狀況和動態(tài)變化。

近年來,國內大部分學者已對三江源生態(tài)建設工程實施后植被動態(tài)變化特征開展大量研究,研究重點多側重于氣候變化對植被生長的影響[10, 14],很少對草地變化和人類活動的影響進行評估。草地生態(tài)工程的實施主要是針對人類活動所導致的草地退化所開展的,因此基于人類活動的強弱來評測生態(tài)工程建設的成效具有重要的意義。本研究基于NDVI、NPP和GPP等多源數(shù)據(jù)分別選取了2005年生態(tài)工程實施前的5年即2000—2004年、生態(tài)工程實施后的10年即2006—2010年和2011—2015年,運用線性回歸分析法對比分析了生態(tài)工程實施的前5年和后10年草地的動態(tài)變化差異。并結合人類干擾強度的分布分析了生態(tài)工程建設前后不同人類干擾下草地動態(tài)變化的差異。最后,引入地理加權回歸模型(Geographical Weighted Regression, GWR),篩選影響三江源草地動態(tài)變化的主要驅動因素。通過本研究可有效的掌握三江源區(qū)生態(tài)工程建設的效果,為根據(jù)人類活動的強度合理的制定相應的草地恢復政策提供科學依據(jù),同時為未來三江源生態(tài)保護提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于青海省的南部,是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地,素有“中華水塔”之稱,是青藏高原的腹地[7, 23]。研究區(qū)內行政區(qū)域包括玉樹、果洛、海南、黃南4個藏族自治州的16個縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)[8]。區(qū)域內氣候屬于典型的高原大陸性氣候,無四季之分,只有冷暖季之別,冷暖兩季交替、干濕兩季分明[2, 24]。三江源區(qū)域的草地主要包括高寒草甸、高寒草原以及面積較小的溫性草原和高寒荒漠等草地類型[4]。依據(jù)國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)所提供的《1∶100萬青藏高原植被圖》,歸納提取了三江源區(qū)的草地類型圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及草地類型分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

1.2.1NDVI、NPP和GPP數(shù)據(jù)

草地動態(tài)監(jiān)測所用的NDVI數(shù)據(jù)為研究區(qū)2000年1月—2015年12月的時間分辨率為10天、空間分辨率為1 km的SPOT-NDVI數(shù)據(jù)。SPOT數(shù)據(jù)由國家科技基礎設施SPOT- 4和SPOT- 5衛(wèi)星的植被儀獲得(http://westdc.west-gis.ac.cn/)。年平均NDVI值采用國際通用的最大化合成法(Maximum Value Composite Syntheses,MVC)對每個像元進行合成,最后得到能夠代表該年度植被生長狀況的生長季最大NDVI值,該方法進一步消除了云、大氣、太陽高度角等的干擾[25]。

NPP 數(shù)據(jù)來源于在全球變化科學研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)上發(fā)表的北緯18°以北中國陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集(http://www.geodoi.ac.cn)[26]。時間尺度為2000—2015年,空間分辨率為1 km。GPP數(shù)據(jù)來源于基于遙感NIRv的全球生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)長時間序列數(shù)據(jù),本數(shù)據(jù)集基于長達40年左右的遙感AVHRR數(shù)據(jù)和全球數(shù)百個通量站點觀測。時間尺度為2000—2015年,空間分辨率為5 km,在本文中為保持數(shù)據(jù)分辨率的一致性,重采樣至1 km。

1.2.2人類干擾定量化數(shù)據(jù)

人類對草地生態(tài)系統(tǒng)的干擾主要包括過度放牧、道路建設、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)工程建設及旅游業(yè)等[27- 29]。因此,本文選擇了放牧強度、距離居民點的距離、距離道路的距離、人口密度、國內生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product，GDP)、夜間燈光指數(shù)、耕地比例和NDVI變化率8個主要的因素作為衡量三江源地區(qū)人類對草地的干擾。其中道路線矢量數(shù)據(jù)及居名點的點矢量數(shù)據(jù)均從中國1:25萬的地形數(shù)據(jù)庫中提??；放牧強度數(shù)據(jù)從柵格化放牧數(shù)據(jù)中提取；人口密度、GDP密度和土地利用數(shù)據(jù)從中國科學院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/)獲得,其中耕地比例根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)提取得到；夜間燈光指數(shù)數(shù)據(jù)由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的國家環(huán)境信息中心(https://ngdc.noaa.gov/eog/download.html)提供,因2015年數(shù)據(jù)無法獲得,故用2013年的數(shù)據(jù)替代。

2 研究方法

2.1 人類干擾定量化方法

由于各影響要素具有不同的量綱,本研究首先采用標準化公式對每個因素進行標準化處理,然后通過熵權法確定各因子權重,最后在GIS里通過空間疊加法將各影響因子圖層相加作為各柵格內人類干擾的影響程度。人類干擾等級劃分采用地理信息系統(tǒng)中的分級方法自然斷點法聚類分析分為4級,分別為輕度干擾、中度干擾、重度干擾和極度干擾。

2.2 草地變化趨勢分析

運用NDVI數(shù)據(jù)評估植被動態(tài)變化最廣泛應用的方法是采用普通最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)進行線性回歸分析[30-31],該方法可以模擬每個柵格的變化趨勢。對于NDVI時間序列,每個柵格對應有若干年的時間序列數(shù)值,對這些時間序列數(shù)值進行逐柵格單元的線性擬合,所得直線的斜率可揭示在該時間序列中某一柵格所代表的植被指數(shù)的變化趨勢[32-33]。Stow等用該方法成功地模擬了某時間段內植被的變化趨勢[34],其計算公式為：

(1)

式中,n表示時間序列的長度,在本研究中n=5或16；i為1—5或1—16的年份序號,NDVIi表示第i年最大合成的NDVI值。Slope>0說明NDVI在5年或16年間的變化趨勢是增加的,反之則是減少的。

為進一步分析草地變化趨勢的意義,引入F檢驗。如果F>F0.05(1,n-2),變化在95%的置信水平下是顯著的,本研究中,F0.05(1, 14)=4.60,F0.05(1, 3)=10.128。根據(jù)這一規(guī)則,計算每個像素的F檢驗。通過將斜率變化和F檢驗數(shù)據(jù)集疊加,得出草地的變化情況,變化率主要分為四類：明顯增加(slope>0,F>4.60或F>10.128),增加(slope>0,F<4.60或F<10.128),減少(slope<0和F<4.60 或F<10.128),顯著減少(slope<0,F>4.60或F>10.128)。F檢驗的計算公式為：

(2)

(3)

2.3 草地變化驅動因素分析

地理加權回歸(GWR)通過構建局部回歸模型,能夠探測到由于地理位置變化引起的變量間關系或結構變化,即空間非平穩(wěn)性。相對一般線性回歸模型,有效提高了模型的擬合優(yōu)度,在空間回歸中得到了越來越廣泛的應用。本文初步選取11個影響草地動態(tài)變化的因子作為解釋變量,其中人類活動因子包括GDP、距離道路距離、距離居民點距離、人口密度、放牧強度和夜間燈光指數(shù)；氣候因子包括降水、氣溫和干旱；地形因子包括海拔和坡度,同時選取2000—2015的草地變化率作為因變量。然后,將三江源草地區(qū)域劃分為13900個5 km×5 km的柵格,提取得到每個柵格因變量與解釋變量的值,進行GWR回歸分析。

數(shù)據(jù)的前期處理與計算均在ArcGIS 10.5中執(zhí)行；地理加權回歸模型在GWR4中完成。

3 研究結果

3.1 人類干擾等級分布

三江源草地區(qū)域各人類干擾等級的分布情況如圖2所示,人類干擾整體上呈現(xiàn)出由西北向東南加重的趨勢,草地區(qū)域平均處于重度人類干擾強度下。輕度人類干擾的草地區(qū)域占總草地區(qū)域的11.53%,集中分布于三江源的西北部。中度干擾、重度干擾及極度干擾區(qū)域分別占草地區(qū)域的12.94%、75.22%和0.30%。對比草地類型分布(圖1)與人類干擾等級分布(圖2)可以發(fā)現(xiàn),高寒草原集中分布于輕度和中度人類干擾區(qū)的西北部,而人類干擾的重度區(qū)域集中在高寒草甸區(qū),東北部溫性草原區(qū)域的人類干擾極為嚴重。

圖2 三江源草地區(qū)域人類干擾等級分布

3.2 NDVI、NPP和GPP的空間分布特征對比

圖3顯示2005年生態(tài)工程建設前的2000—2004年及建設后的2006—2010年、2011—2015年以及2000—2015年間NDVI、NPP和GPP年最大平均值的空間分布情況。由圖3可以看出NDVI、NPP和GPP的空間分布與人類干擾等級分布的模式相類似,NDVI、NPP和GPP在不同時間階段均由研究區(qū)的西北向東南方向呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。輕度人類干擾的西北部區(qū)域草地的NDVI、NPP和GPP值均較小,而人類干擾強度大的東南部區(qū)域NDVI、NPP和GPP值均較大。同時,分別計算各干擾等級內NDVI、NPP和GPP的平均值,如表1所示,輕度人類干擾草地區(qū)域的NDVI平均值小于0.2；NPP值小于5.0；GPP值大于1300,而極度人類干擾草地區(qū)域的NDVI值達到0.6；NPP值達到20；GPP值降至600。NDVI和NPP值均隨著人類干擾強度的增大呈增加的趨勢,而GPP值隨著人類干擾強度的增大呈減少趨勢。

圖3 2000—2004年、2006—2010年、2010—2015年及2000—2015年NDVI、NPP和GPP平均值的空間分布

表1 各人類干擾等級內NDVI、NPP和GPP的平均值

3.3 生態(tài)工程建設前后草地動態(tài)變化的對比

3.3.1草地NDVI、NPP和GPP的年際變化對比分析

圖4 2000—2015年草地的年均NDVI、NPP和GPP值 /(NPP 10-2 g C/m2; GPP 10-4 g C/m2)

由圖3可以看出2006—2010年和2011—2015年草地的NDVI、NPP和GPP較2000—2004年有所提高,NDVI、NPP和GPP值高的區(qū)域增大。為對比2005年生態(tài)工程建設前后草地的變化情況,分別統(tǒng)計了各年草地的年均NDVI、NPP和GPP值(圖4)?？偟膩砜?草地NDVI、NPP和GPP均呈現(xiàn)整體上升的趨勢,生態(tài)工程建設后的10年草地的蓋度與生長狀況要高于建設前的5年。與NDVI相比,NPP和GPP年際變化趨勢相對一致。2000—2004年間NDVI和NPP整體呈現(xiàn)增加的趨勢,GPP在2001年達到最大值535.921后呈現(xiàn)減少的趨勢。在2006—2010年間NDVI在2009年增加到0.482后急劇降低；NPP和GPP整體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。在2011—2015年間NDVI在2013年達到最低值0.504,之后呈現(xiàn)增加趨勢；NPP和GPP呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

3.3.2草地NDVI、NPP和GPP的空間變化特征對比分析

采用線性回歸分析方法分別計算生態(tài)工程建設前的2000—2004年及建設后的2006—2010年和2011—2015年間草地NDVI、NPP和GPP的變化趨勢,并將草地變化趨勢分為顯著減少、減少、增加和顯著增加4級別(圖5)?？臻g分布上,2000—2015年NDVI、NPP和GPP分別82.63%、78.58%和62.25%的草地處于改善狀態(tài),退化的草地分別占17.25%、21.27%和37.91%,三者草地退化趨勢呈現(xiàn)顯著的空間分布差異,其中草地NDVI退化區(qū)域主要分布在三江源中東部地區(qū),草地NPP退化區(qū)域集中分布北部和西部和部分區(qū)域,而草地GPP退化區(qū)域零散分布在三江源大部分區(qū)域。2000—2004年NDVI、NPP和GPP草地退化分別占52.05%、25.39%、50.80%,草地退化區(qū)域均主要分布在中東部地區(qū),而在2006—2010年三江源區(qū)的大部分草地處于改善狀態(tài),草地退化面積分別降至14.92%、18.98%和37.72%。2011—2015年退化草地又分別增加到58.48%、44.36%和53.06%,NDVI、NPP和GPP退化草地區(qū)域類似,分布在研究區(qū)的大部分地區(qū),尤其是中西部地區(qū)。對比人類干擾等級分布圖與草地變化趨勢分布圖可以看出,生態(tài)工程建設前的5年內退化的草地大多分布于存在人類干擾的區(qū)域內,而在生態(tài)工程建設后的5年內該區(qū)域內的草地均出現(xiàn)不同程度的改善,改善的草地面積比例由生態(tài)工程建設前的47.96%、74.43%和49.36%增加至建設之后的85.08%、80.85%和62.44%。在2011—2015年,草地改善區(qū)域面積減少至41.55%、55.41%和47.10%。上述表明,草地在2000—2015年間整體處于改善狀態(tài),其中生態(tài)工程建設前5年草地處于退化狀態(tài),而生態(tài)工程建設后的5年內草地得到改善,再之后5年草地又處于退化趨勢。

圖5 草地NDVI、NPP和GPP變化趨勢的空間分布

進一步,通過空間相關性公式,分別計算了2000—2015年3個不同時間段和整體草地NDVI變化趨勢與NPP、GPP變化趨勢的空間相關性,如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn),NDVI變化趨勢與NPP、GPP變化趨勢在三江源草地大部分區(qū)域都處于高度空間相關,相關系數(shù)均大于0.5。

圖6 草地NDVI與NPP和GPP變化趨勢的空間相關性

3.3.3不同人類干擾下草地的動態(tài)變化對比

草地生態(tài)工程的建設主要是針對人類活動對草地造成的破壞所采取的措施,因此分析了在不同的人類干擾環(huán)境下2000—2015年草地整體變化,草地在生態(tài)工程建設前5年和后10年變化情況(圖7)。如圖7所示,在輕度干擾和中度干擾等級下,2000—2015年草地增加的區(qū)域所占面積比例最大,分別為46.11%和43.75%；在重度和極度干擾等級下,草地顯著增加的區(qū)域所占面積比例最大,分別為48.58%和70.60%。與2000—2004年相比,在各干擾等級下草地NDVI在2006—2010年均出現(xiàn)退化面積比例顯著減少,改善面積比例顯著增加的趨勢。在各干擾等級下,退化面積的比例在生態(tài)工程建設的后5年由之前的24.60%、40.63%、52.71%和19.34%分別降至10.62%、7.25%、15.05%和6.73%。各干擾等級內改善的草地面積比例均達到70%以上。隨后,與2006—2010年相比,在2011—2015年期間各干擾等級的草地NDVI均又出現(xiàn)退化面積比例增加,改善面積比例顯著減少的趨勢。

圖7 不同人類干擾水平內各草地變化趨勢類型的比例

3.4 草地動態(tài)變化驅動因素分析

影響植被變化的因素主要包括氣候因子和人為因子[35- 37],本研究首先通過OLS進行解釋變量篩選,結果表明：影響草地動態(tài)變化的人為因素、氣候因素和地形因素的11個解釋變量均通過OLS檢驗。OLS回歸模型的結果如表2所示,在不同時間段影響草地變化的主要因素分別為距離道路的距離、距離居民點的距離、人口密度、干旱、溫度、坡度。同時,對比GWR與OLS模型的調整R2可以看出,4組GWR模型的擬合優(yōu)度全部高于對應的OLS模型,表明GWR模型的回歸效果優(yōu)于OLS回歸(表2)。

表2 OLS and GWR 模型檢驗參數(shù)和結果/(10-4)

GWR模型的顯著特征是可以顯示各解釋變量相應的空間回歸系數(shù)(圖8)。根據(jù)OLS和GWR的回歸結果,以2000—2015年為例,本研究選擇了6個影響三江源草地動態(tài)變化的主要因素,包括距離道路的距離,距離居民點的距離,人口密度,干旱,溫度,坡度。根據(jù)圖8 中GWR系數(shù)的空間分布圖,我們發(fā)現(xiàn)人類活動、氣候和地形因素對草地動態(tài)變化的影響在三江源呈現(xiàn)顯著的空間變化特征。在人類活動影響下,三江源的中部地區(qū)對距離道路的距離具有顯著的積極響應,而對距離居民點的距離的積極響應集中分布于三江源的東部地區(qū),且對人口密度響應的高敏感地區(qū)分布在三江源西部地區(qū)。在氣候因素影響下,干旱對草地動態(tài)變化的影響最顯著的區(qū)域分布在三江源中東部地區(qū),而溫度對草地動態(tài)變化的影響大致從西部向東部增加。在地形因素影響下,坡度對草地動態(tài)變化的影響呈從東部向西部增加的趨勢,這表明海拔較低且坡度小的區(qū)域將有助于草地的生長。

圖8 基于GWR模型的影響因素相應系數(shù)的空間分布

4 討論

三江源生態(tài)工程實施的過程中,不斷開展三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測,評估工程的成效并及時調整工程規(guī)劃具有重要的意義[38]。由于草地生態(tài)工程的開展包括退牧還草、黑土灘治理等都是圍繞人類活動對草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞所展開的,因此基于人類活動的強度來評測工程實施的效果能夠為合理的調節(jié)人類活動提供理論基礎。然而,由于人類活動的不確定性,對于人類活動的定量化存在很多困難[39]。本文基于GIS,識別出影響草地的最主要的8個主要因素來定量化人類干擾強度,并通過熵權法確定各因素的權重。同時選取NDVI、NPP和GPP作為反映植被生長的重要指標,通過對比NDVI、NPP和GPP值和變化趨勢的空間分布,發(fā)現(xiàn)三者具有高度的一致性和空間相關性,驗證了數(shù)據(jù)源的可靠性。另外研究結果中草地NDVI、NPP和GPP的分布(圖3)及變化趨勢的空間分布(圖5)與人類干擾等級分布(圖2)的相似性表明了該方法的可行性。研究還發(fā)現(xiàn),隨著人類干擾強度的增大,NDVI和NPP值均呈增加的趨勢而GPP呈減少趨勢。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因主要是由于作為以依附于草地的畜牧業(yè)為主要經(jīng)濟來源的三江源區(qū),草地是人們選擇居住地及活動區(qū)域的主導因素,人們會選擇草地生長茂盛的區(qū)域居住,于是形成人類干擾強度大的區(qū)域NDVI和NPP值大而GPP值小的分布模式；另一個原因是三江源東南區(qū)域是高寒草甸,是生態(tài)工程重點實施的區(qū)域,人類干擾強度大,植被覆蓋度高,驗證了東南地區(qū)生態(tài)恢復工程的實施帶來的積極影響。同時,未來研究中還需要進一步的調查居民點的規(guī)模、道路車流量、人口結構等,并結合專家評分法和層次分析法等賦予各因子不同的權重來進一步的完善人類定量化方法。該研究中由草地NDVI、NPP和GPP及人類干擾強度分布模式的對比可以發(fā)現(xiàn),人類活動主要集中于草地蓋度高的區(qū)域,因此對于草地的修復工程需集中在人類活動較多的區(qū)域。

基于NDVI、NPP和GPP對比生態(tài)工程建設前后的草地變化情況,研究結果顯示草地NDVI、NPP和GPP的年均值在2006—2010年和2011—2015年明顯的高于2000—2004年,同時對草地NDVI變化趨勢的分析表明生態(tài)工程實施后的5年內70%以上的三江源草地處于改善狀態(tài),并且在各人類干擾等級下,2006—2010年相比于2000—2004年均出現(xiàn)退化面積比例顯著減少,改善面積比例顯著增加的趨勢。上述表明草地生態(tài)恢復工程的建設有效促進了退化草地的恢復,改善了草地生態(tài)系統(tǒng),與前人的研究結果一致[10, 12, 14]。劉憲鋒等[12]研究發(fā)現(xiàn),2000—2011年在氣候和生態(tài)工程建設雙重影響下,三江源區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)增加趨勢,生態(tài)環(huán)境將進一步恢復。張穎等[40]研究也發(fā)現(xiàn),2001年三江源保護區(qū)成立后至2012年,三江源草地覆蓋度整體呈上升趨勢,增長速度和增長面積都有所提升,氣候變化是影響草地生長的決定性因素,但短期的生態(tài)工程建設等人類活動同樣會加快草地的變化。然而在2011—2015年下一個后5年草地改善區(qū)域又出現(xiàn)下降,同時在各人類干擾等級下,2011—2015年草地呈現(xiàn)退化面積增加和改善面積比例顯著減少的趨勢,表明草地仍然存在退化的趨勢,這與徐嘉昕等的研究結果一致[10, 41]。Shen等[2]研究得出三江源區(qū)植被總體得到恢復,但對比2005—2015年保護區(qū)內外植被變化,項目對植被恢復的積極影響不顯著,仍然有進一步退化的風險,特別是在東中、安塞、白扎、通天河、年保玉則等自然保護區(qū)退化嚴重。這可能的原因是,三江源生態(tài)保護工程雖然實施的總面積是152000 km2,但能影響植被覆蓋度的面積僅為514.0 km2km2,僅占整個保護區(qū)的0.34%[14]。因此,盡管生態(tài)保護工程的實施區(qū)域植被明顯改善,但對三江源整體植被的好轉的影響甚微。另一個原因可能生態(tài)建設工程實施空間不均衡,具有短期規(guī)劃特征[8, 42]。Shao等[1]研究發(fā)現(xiàn),在“項目”實施的第一階段,生態(tài)系統(tǒng)退化最初雖得到了遏制和部分改善,但仍遠未達到預期理想效果狀態(tài)。因此,三江源生態(tài)保護與恢復任務具有長期性且面臨巨大挑戰(zhàn),在未來研究中應繼續(xù)開展長期的植被和生態(tài)系統(tǒng)保護工作,特別是在草地退化研究的地區(qū),以促進生態(tài)系統(tǒng)的根本恢復。

影響草地變化的因素主要有氣候因子、人為因子和地形因子。本研究通過地理加權回歸分析開展草地變化的驅動因子研究,與傳統(tǒng)回歸分析相比,GWR構建的局部回歸方程符合地理學第一定律,且具有更好的擬合優(yōu)度。此外,與全局回歸相比,GWR方法可以得到像元尺度上不同影響因子對草地變化的影響程度,通過篩選主導影響因子,可以為草地生態(tài)系統(tǒng)管控提供更細致有效的科學指導。研究發(fā)現(xiàn),距離道路的距離和距離居民點的距離等人為因子、干旱和溫度等氣候因子以及坡度等地形因子均對草地的動態(tài)變化產(chǎn)生重要影響。在生態(tài)工程實施等正向人類干擾的影響下,三江源草地退化現(xiàn)象也得到進一步緩解,草地生態(tài)系統(tǒng)得到改善。另外,在全球氣候變化的背景下,三江源地區(qū)近年來氣溫升高,降水量增加,有效地促進草地植被的生長。孫慶齡等[14]研究發(fā)現(xiàn),三江源生態(tài)工程的實施雖然促進了植被恢復,但對區(qū)域植被整體變化的影響有限,氣候因素是2000—2013年區(qū)域植被整體改善的主要決定性因素。因此,氣候被認為是三江源地區(qū)影響草地變化的主要控制因子。同時,本研究還發(fā)現(xiàn)三江源地區(qū)草地變化與降水因子的關聯(lián)性不明顯,而對溫度和干旱因子的響應更為敏感,與先前的研究結果一致[41],說明溫度是影響三江源地區(qū)草地變化的關鍵氣候因子。最后,地形尤其坡度也是影響三江源草地變化的重要因素,尤其是三江源東南部地區(qū)海拔低、坡度緩有利于草地的生長,草地覆蓋度高。

5 結論

本研究基于2000—2015 年NDVI、NPP和GPP數(shù)據(jù),分析了三江源區(qū)生態(tài)工程實施前5年和后10年草地NDVI的時空動態(tài)變化特征,然后通過構建人類干擾強度,探討了在不同人類干擾強度下生態(tài)工程建設前后草地動態(tài)變化對比分析,最后通過地理加權回歸分析探究了三江源草地動態(tài)變化的主要驅動因素及其空間分布。研究結果表明：

(1)三江源區(qū)人類干擾強度和NDVI、NPP和GPP具有顯著的空間分布差異。人類干擾整體上從西北向東南增加,重度和極度干擾主要分布在三江源中東部地區(qū),集中分布有高寒草甸和溫性草原草地類型; 在生態(tài)工程建設的不同階段,與人類干擾分布相類似,三江源區(qū)NDVI、NPP和GPP均由西北向東南方向呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,同時NDVI和NPP值隨著人類干擾強度的增大呈增加的趨勢,而GPP呈現(xiàn)減少的趨勢,且2006—2010年和2011—2015年草地NDVI、NPP和GPP均高于2000—2004年。

(2)2000—2015年,三江源區(qū)70%以上的草地退化均整體處于改善狀態(tài)。相比2000—2004年生態(tài)工程建設前5年,2006—2010年生態(tài)工程建設后5年內草地得到有效改善,極度退化的草地僅占總面積的1%以下,而2011—2015年之后5年草地又處于退化趨勢。

(3)2000—2015年,在各人類干擾等級下,三江源大部分草地處于中度改善狀態(tài)。相比2000—2004年,2006—2010年在各干擾等級下草地NDVI在均出現(xiàn)退化面積比例顯著減少,改善面積比例顯著增加的趨勢,但2011—2015年,各干擾等級的草地NDVI又均出現(xiàn)退化面積比例增加和改善面積比例減少,草地存在退化趨勢。

(4)2000—2015年,距離道路的距離、距離居民點的距離、人口密度、干旱、溫度和坡度等因素是影響三江源草地動態(tài)變化的主要驅動因素,同時各影響因素對草地變化的響應具有顯著的空間差異性。