劉世梁,孫永秀,趙海迪,劉軼軒,李明琦

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

三江源地區(qū)作為青藏高原的腹地和主體,是長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江三大河流的源頭,具有重要的水資源保護(hù)和調(diào)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(guó)及東南亞國(guó)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(guó)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(lái),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(kāi)發(fā)利用活動(dòng)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(yán)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(xué)者的關(guān)注[5- 7]。因此,為防止草地的進(jìn)一步退化,國(guó)務(wù)院于2005年規(guī)劃投資75億元啟動(dòng)了三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)工程,其中實(shí)施退牧還草、黑土灘治理等22個(gè)生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目來(lái)治理和恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)[1, 8-9]。隨著草地生態(tài)工程的實(shí)施,草地退化趨勢(shì)得到有效遏制,草地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)[3, 10]。

近些年來(lái),隨著對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟以及空間探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用到生態(tài)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域,由于植被的覆蓋面積大、監(jiān)測(cè)時(shí)序長(zhǎng)而使得遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)中[11-12]。同時(shí)遙感技術(shù)及地理信息系統(tǒng)的綜合應(yīng)用也使得大面積、大區(qū)域植被指數(shù)提取及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)成為可能[13- 15],一直受到科學(xué)界的極大關(guān)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(yáng)角、云陰影和大氣條件有關(guān)輻照度的變化,增強(qiáng)了對(duì)植被的響應(yīng)能力,是植被生長(zhǎng)狀態(tài)以及植被空間分布密度的最佳指示因子,是監(jiān)測(cè)地面植被變化的一個(gè)重要指標(biāo)[18- 20]。凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP),指植物群落在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用積累的有機(jī)物質(zhì)總量,從而反映出植被生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[21]?？偝跫?jí)生產(chǎn)力(GPP)指植物群落在單位時(shí)間和單位面積上通過(guò)光合作用所固定的有機(jī)碳總量,可反映植被的固碳能力和生長(zhǎng)狀態(tài)[22]。通過(guò)對(duì)多源數(shù)據(jù)對(duì)比分析,可深入探究三江源草地的生長(zhǎng)狀況和動(dòng)態(tài)變化。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者已對(duì)三江源生態(tài)建設(shè)工程實(shí)施后植被動(dòng)態(tài)變化特征開(kāi)展大量研究,研究重點(diǎn)多側(cè)重于氣候變化對(duì)植被生長(zhǎng)的影響[10, 14],很少對(duì)草地變化和人類活動(dòng)的影響進(jìn)行評(píng)估。草地生態(tài)工程的實(shí)施主要是針對(duì)人類活動(dòng)所導(dǎo)致的草地退化所開(kāi)展的,因此基于人類活動(dòng)的強(qiáng)弱來(lái)評(píng)測(cè)生態(tài)工程建設(shè)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(shí)施前的5年即2000—2004年、生態(tài)工程實(shí)施后的10年即2006—2010年和2011—2015年,運(yùn)用線性回歸分析法對(duì)比分析了生態(tài)工程實(shí)施的前5年和后10年草地的動(dòng)態(tài)變化差異。并結(jié)合人類干擾強(qiáng)度的分布分析了生態(tài)工程建設(shè)前后不同人類干擾下草地動(dòng)態(tài)變化的差異。最后,引入地理加權(quán)回歸模型(Geographical Weighted Regression, GWR),篩選影響三江源草地動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)本研究可有效的掌握三江源區(qū)生態(tài)工程建設(shè)的效果,為根據(jù)人類活動(dòng)的強(qiáng)度合理的制定相應(yīng)的草地恢復(fù)政策提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)為未來(lái)三江源生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)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(zhǎng)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(nèi)行政區(qū)域包括玉樹(shù)、果洛、海南、黃南4個(gè)藏族自治州的16個(gè)縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)[8]。區(qū)域內(nèi)氣候?qū)儆诘湫偷母咴箨懶詺夂?無(wú)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http://westdc.westgis.ac.cn)所提供的《1∶100萬(wàn)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(lái)源與預(yù)處理

1.2.1NDVI、NPP和GPP數(shù)據(jù)

草地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)所用的NDVI數(shù)據(jù)為研究區(qū)2000年1月—2015年12月的時(shí)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(guó)家科技基礎(chǔ)設(shè)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(guó)際通用的最大化合成法(Maximum Value Composite Syntheses,MVC)對(duì)每個(gè)像元進(jìn)行合成,最后得到能夠代表該年度植被生長(zhǎng)狀況的生長(zhǎng)季最大NDVI值,該方法進(jìn)一步消除了云、大氣、太陽(yáng)高度角等的干擾[25]。

NPP 數(shù)據(jù)來(lái)源于在全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)上發(fā)表的北緯18°以北中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月凈初級(jí)生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集(http://www.geodoi.ac.cn)[26]。時(shí)間尺度為2000—2015年,空間分辨率為1 km。GPP數(shù)據(jù)來(lái)源于基于遙感NIRv的全球生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù),本數(shù)據(jù)集基于長(zhǎng)達(dá)40年左右的遙感AVHRR數(shù)據(jù)和全球數(shù)百個(gè)通量站點(diǎn)觀測(cè)。時(shí)間尺度為2000—2015年,空間分辨率為5 km,在本文中為保持?jǐn)?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(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的干擾主要包括過(guò)度放牧、道路建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)工程建設(shè)及旅游業(yè)等[27- 29]。因此,本文選擇了放牧強(qiáng)度、距離居民點(diǎn)的距離、距離道路的距離、人口密度、國(guó)內(nèi)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(gè)主要的因素作為衡量三江源地區(qū)人類對(duì)草地的干擾。其中道路線矢量數(shù)據(jù)及居名點(diǎn)的點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)均從中國(guó)1:25萬(wàn)的地形數(shù)據(jù)庫(kù)中提??；放牧強(qiáng)度數(shù)據(jù)從柵格化放牧數(shù)據(jù)中提??；人口密度、GDP密度和土地利用數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(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(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的國(guó)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)化公式對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后通過(guò)熵權(quán)法確定各因子權(quán)重,最后在GIS里通過(guò)空間疊加法將各影響因子圖層相加作為各柵格內(nèi)人類干擾的影響程度。人類干擾等級(jí)劃分采用地理信息系統(tǒng)中的分級(jí)方法自然斷點(diǎn)法聚類分析分為4級(jí),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(shì)分析

運(yùn)用NDVI數(shù)據(jù)評(píng)估植被動(dòng)態(tài)變化最廣泛應(yīng)用的方法是采用普通最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)進(jìn)行線性回歸分析[30-31],該方法可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì)。對(duì)于NDVI時(shí)間序列,每個(gè)柵格對(duì)應(yīng)有若干年的時(shí)間序列數(shù)值,對(duì)這些時(shí)間序列數(shù)值進(jìn)行逐柵格單元的線性擬合,所得直線的斜率可揭示在該時(shí)間序列中某一柵格所代表的植被指數(shù)的變化趨勢(shì)[32-33]。Stow等用該方法成功地模擬了某時(shí)間段內(nèi)植被的變化趨勢(shì)[34],其計(jì)算公式為：

(1)

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

為進(jìn)一步分析草地變化趨勢(shì)的意義,引入F檢驗(yàn)。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(jì)算每個(gè)像素的F檢驗(yàn)。通過(guò)將斜率變化和F檢驗(yàn)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(yàn)的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

2.3 草地變化驅(qū)動(dòng)因素分析

地理加權(quán)回歸(GWR)通過(guò)構(gòu)建局部回歸模型,能夠探測(cè)到由于地理位置變化引起的變量間關(guān)系或結(jié)構(gòu)變化,即空間非平穩(wěn)性。相對(duì)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文初步選取11個(gè)影響草地動(dòng)態(tài)變化的因子作為解釋變量,其中人類活動(dòng)因子包括GDP、距離道路距離、距離居民點(diǎn)距離、人口密度、放牧強(qiáng)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(shí)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(gè)5 km×5 km的柵格,提取得到每個(gè)柵格因變量與解釋變量的值,進(jìn)行GWR回歸分析。

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

3 研究結(jié)果

3.1 人類干擾等級(jí)分布

三江源草地區(qū)域各人類干擾等級(jí)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(shì),草地區(qū)域平均處于重度人類干擾強(qiáng)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(duì)比草地類型分布(圖1)與人類干擾等級(jí)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(yán)重。

圖2 三江源草地區(qū)域人類干擾等級(jí)分布

3.2 NDVI、NPP和GPP的空間分布特征對(duì)比

圖3顯示2005年生態(tài)工程建設(shè)前的2000—2004年及建設(shè)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(jí)分布的模式相類似,NDVI、NPP和GPP在不同時(shí)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(shì)。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(qiáng)度大的東南部區(qū)域NDVI、NPP和GPP值均較大。同時(shí),分別計(jì)算各干擾等級(jí)內(nèi)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(dá)到0.6；NPP值達(dá)到20；GPP值降至600。NDVI和NPP值均隨著人類干擾強(qiáng)度的增大呈增加的趨勢(shì),而GPP值隨著人類干擾強(qiáng)度的增大呈減少趨勢(shì)。

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(jí)內(nèi)NDVI、NPP和GPP的平均值

3.3 生態(tài)工程建設(shè)前后草地動(dòng)態(tài)變化的對(duì)比

3.3.1草地NDVI、NPP和GPP的年際變化對(duì)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(duì)比2005年生態(tài)工程建設(shè)前后草地的變化情況,分別統(tǒng)計(jì)了各年草地的年均NDVI、NPP和GPP值(圖4)?？偟膩?lái)看,草地NDVI、NPP和GPP均呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì),生態(tài)工程建設(shè)后的10年草地的蓋度與生長(zhǎng)狀況要高于建設(shè)前的5年。與NDVI相比,NPP和GPP年際變化趨勢(shì)相對(duì)一致。2000—2004年間NDVI和NPP整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),GPP在2001年達(dá)到最大值535.921后呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。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(shì)。在2011—2015年間NDVI在2013年達(dá)到最低值0.504,之后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；NPP和GPP呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

3.3.2草地NDVI、NPP和GPP的空間變化特征對(duì)比分析

采用線性回歸分析方法分別計(jì)算生態(tài)工程建設(shè)前的2000—2004年及建設(shè)后的2006—2010年和2011—2015年間草地NDVI、NPP和GPP的變化趨勢(shì),并將草地變化趨勢(shì)分為顯著減少、減少、增加和顯著增加4級(jí)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(shì)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(duì)比人類干擾等級(jí)分布圖與草地變化趨勢(shì)分布圖可以看出,生態(tài)工程建設(shè)前的5年內(nèi)退化的草地大多分布于存在人類干擾的區(qū)域內(nèi),而在生態(tài)工程建設(shè)后的5年內(nèi)該區(qū)域內(nèi)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(shè)前的47.96%、74.43%和49.36%增加至建設(shè)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(shè)前5年草地處于退化狀態(tài),而生態(tài)工程建設(shè)后的5年內(nèi)草地得到改善,再之后5年草地又處于退化趨勢(shì)。

圖5 草地NDVI、NPP和GPP變化趨勢(shì)的空間分布

進(jìn)一步,通過(guò)空間相關(guān)性公式,分別計(jì)算了2000—2015年3個(gè)不同時(shí)間段和整體草地NDVI變化趨勢(shì)與NPP、GPP變化趨勢(shì)的空間相關(guān)性,如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn),NDVI變化趨勢(shì)與NPP、GPP變化趨勢(shì)在三江源草地大部分區(qū)域都處于高度空間相關(guān),相關(guān)系數(shù)均大于0.5。

圖6 草地NDVI與NPP和GPP變化趨勢(shì)的空間相關(guān)性

3.3.3不同人類干擾下草地的動(dòng)態(tài)變化對(duì)比

草地生態(tài)工程的建設(shè)主要是針對(duì)人類活動(dòng)對(duì)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(shè)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(jí)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(jí)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(jí)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(shì)。在各干擾等級(jí)下,退化面積的比例在生態(tài)工程建設(shè)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(jí)內(nèi)改善的草地面積比例均達(dá)到70%以上。隨后,與2006—2010年相比,在2011—2015年期間各干擾等級(jí)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(shì)。

圖7 不同人類干擾水平內(nèi)各草地變化趨勢(shì)類型的比例

3.4 草地動(dòng)態(tài)變化驅(qū)動(dòng)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(guò)OLS進(jìn)行解釋變量篩選,結(jié)果表明：影響草地動(dòng)態(tài)變化的人為因素、氣候因素和地形因素的11個(gè)解釋變量均通過(guò)OLS檢驗(yàn)。OLS回歸模型的結(jié)果如表2所示,在不同時(shí)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(diǎn)的距離、人口密度、干旱、溫度、坡度。同時(shí),對(duì)比GWR與OLS模型的調(diào)整R2可以看出,4組GWR模型的擬合優(yōu)度全部高于對(duì)應(yīng)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(yàn)參數(shù)和結(jié)果/(10-4)

GWR模型的顯著特征是可以顯示各解釋變量相應(yīng)的空間回歸系數(shù)(圖8)。根據(jù)OLS和GWR的回歸結(jié)果,以2000—2015年為例,本研究選擇了6個(gè)影響三江源草地動(dòng)態(tài)變化的主要因素,包括距離道路的距離,距離居民點(diǎn)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(dòng)、氣候和地形因素對(duì)草地動(dòng)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(dòng)影響下,三江源的中部地區(qū)對(duì)距離道路的距離具有顯著的積極響應(yīng),而對(duì)距離居民點(diǎn)的距離的積極響應(yīng)集中分布于三江源的東部地區(qū),且對(duì)人口密度響應(yīng)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(duì)草地動(dòng)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(duì)草地動(dòng)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(duì)草地動(dòng)態(tài)變化的影響呈從東部向西部增加的趨勢(shì),這表明海拔較低且坡度小的區(qū)域?qū)⒂兄诓莸氐纳L(zhǎng)。

圖8 基于GWR模型的影響因素相應(yīng)系數(shù)的空間分布

4 討論

三江源生態(tài)工程實(shí)施的過(guò)程中,不斷開(kāi)展三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),評(píng)估工程的成效并及時(shí)調(diào)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(kāi)展包括退牧還草、黑土灘治理等都是圍繞人類活動(dòng)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的破壞所展開(kāi)的,因此基于人類活動(dòng)的強(qiáng)度來(lái)評(píng)測(cè)工程實(shí)施的效果能夠?yàn)楹侠淼恼{(diào)節(jié)人類活動(dòng)提供理論基礎(chǔ)。然而,由于人類活動(dòng)的不確定性,對(duì)于人類活動(dòng)的定量化存在很多困難[39]。本文基于GIS,識(shí)別出影響草地的最主要的8個(gè)主要因素來(lái)定量化人類干擾強(qiáng)度,并通過(guò)熵權(quán)法確定各因素的權(quán)重。同時(shí)選取NDVI、NPP和GPP作為反映植被生長(zhǎng)的重要指標(biāo),通過(guò)對(duì)比NDVI、NPP和GPP值和變化趨勢(shì)的空間分布,發(fā)現(xiàn)三者具有高度的一致性和空間相關(guān)性,驗(yàn)證了數(shù)據(jù)源的可靠性。另外研究結(jié)果中草地NDVI、NPP和GPP的分布(圖3)及變化趨勢(shì)的空間分布(圖5)與人類干擾等級(jí)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(qiáng)度的增大,NDVI和NPP值均呈增加的趨勢(shì)而GPP呈減少趨勢(shì)。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(jì)來(lái)源的三江源區(qū),草地是人們選擇居住地及活動(dòng)區(qū)域的主導(dǎo)因素,人們會(huì)選擇草地生長(zhǎng)茂盛的區(qū)域居住,于是形成人類干擾強(qiáng)度大的區(qū)域NDVI和NPP值大而GPP值小的分布模式；另一個(gè)原因是三江源東南區(qū)域是高寒草甸,是生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)施的區(qū)域,人類干擾強(qiáng)度大,植被覆蓋度高,驗(yàn)證了東南地區(qū)生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施帶來(lái)的積極影響。同時(shí),未來(lái)研究中還需要進(jìn)一步的調(diào)查居民點(diǎn)的規(guī)模、道路車流量、人口結(jié)構(gòu)等,并結(jié)合專家評(píng)分法和層次分析法等賦予各因子不同的權(quán)重來(lái)進(jìn)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(qiáng)度分布模式的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),人類活動(dòng)主要集中于草地蓋度高的區(qū)域,因此對(duì)于草地的修復(fù)工程需集中在人類活動(dòng)較多的區(qū)域。

基于NDVI、NPP和GPP對(duì)比生態(tài)工程建設(shè)前后的草地變化情況,研究結(jié)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(shí)對(duì)草地NDVI變化趨勢(shì)的分析表明生態(tài)工程實(shí)施后的5年內(nèi)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(jí)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(shì)。上述表明草地生態(tài)恢復(fù)工程的建設(shè)有效促進(jìn)了退化草地的恢復(fù),改善了草地生態(tài)系統(tǒng),與前人的研究結(jié)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(shè)雙重影響下,三江源區(qū)植被覆蓋呈現(xiàn)增加趨勢(shì),生態(tài)環(huán)境將進(jìn)一步恢復(fù)。張穎等[40]研究也發(fā)現(xiàn),2001年三江源保護(hù)區(qū)成立后至2012年,三江源草地覆蓋度整體呈上升趨勢(shì),增長(zhǎng)速度和增長(zhǎng)面積都有所提升,氣候變化是影響草地生長(zhǎng)的決定性因素,但短期的生態(tài)工程建設(shè)等人類活動(dòng)同樣會(huì)加快草地的變化。然而在2011—2015年下一個(gè)后5年草地改善區(qū)域又出現(xiàn)下降,同時(shí)在各人類干擾等級(jí)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(shì),表明草地仍然存在退化的趨勢(shì),這與徐嘉昕等的研究結(jié)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(fù),但對(duì)比2005—2015年保護(hù)區(qū)內(nèi)外植被變化,項(xiàng)目對(duì)植被恢復(fù)的積極影響不顯著,仍然有進(jìn)一步退化的風(fēng)險(xiǎn),特別是在東中、安塞、白扎、通天河、年保玉則等自然保護(hù)區(qū)退化嚴(yán)重。這可能的原因是,三江源生態(tài)保護(hù)工程雖然實(shí)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(gè)保護(hù)區(qū)的0.34%[14]。因此,盡管生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施區(qū)域植被明顯改善,但對(duì)三江源整體植被的好轉(zhuǎn)的影響甚微。另一個(gè)原因可能生態(tài)建設(shè)工程實(shí)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(xiàng)目”實(shí)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(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期理想效果狀態(tài)。因此,三江源生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)任務(wù)具有長(zhǎng)期性且面臨巨大挑戰(zhàn),在未來(lái)研究中應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展長(zhǎng)期的植被和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)工作,特別是在草地退化研究的地區(qū),以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的根本恢復(fù)。

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(guò)地理加權(quán)回歸分析開(kāi)展草地變化的驅(qū)動(dòng)因子研究,與傳統(tǒng)回歸分析相比,GWR構(gòu)建的局部回歸方程符合地理學(xué)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(duì)草地變化的影響程度,通過(guò)篩選主導(dǎo)影響因子,可以為草地生態(tài)系統(tǒng)管控提供更細(xì)致有效的科學(xué)指導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn),距離道路的距離和距離居民點(diǎn)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(duì)草地的動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生重要影響。在生態(tài)工程實(shí)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(jìn)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(lái)氣溫升高,降水量增加,有效地促進(jìn)草地植被的生長(zhǎng)。孫慶齡等[14]研究發(fā)現(xiàn),三江源生態(tài)工程的實(shí)施雖然促進(jìn)了植被恢復(fù),但對(duì)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(rèn)為是三江源地區(qū)影響草地變化的主要控制因子。同時(shí),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(guān)聯(lián)性不明顯,而對(duì)溫度和干旱因子的響應(yīng)更為敏感,與先前的研究結(jié)果一致[41],說(shuō)明溫度是影響三江源地區(qū)草地變化的關(guān)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(zhǎng),草地覆蓋度高。

5 結(jié)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(shí)施前5年和后10年草地NDVI的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,然后通過(guò)構(gòu)建人類干擾強(qiáng)度,探討了在不同人類干擾強(qiáng)度下生態(tài)工程建設(shè)前后草地動(dòng)態(tài)變化對(duì)比分析,最后通過(guò)地理加權(quán)回歸分析探究了三江源草地動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素及其空間分布。研究結(jié)果表明：

(1)三江源區(qū)人類干擾強(qiáng)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(shè)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(shì),同時(shí)NDVI和NPP值隨著人類干擾強(qiáng)度的增大呈增加的趨勢(shì),而GPP呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),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(shè)前5年,2006—2010年生態(tài)工程建設(shè)后5年內(nèi)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(shì)。

(3)2000—2015年,在各人類干擾等級(jí)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(jí)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(shì),但2011—2015年,各干擾等級(jí)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(shì)。

(4)2000—2015年,距離道路的距離、距離居民點(diǎn)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(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)因素,同時(shí)各影響因素對(duì)草地變化的響應(yīng)具有顯著的空間差異性。