王立景,肖 燚,孔令橋,吳炳方,歐陽志云,*

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國科學(xué)院空天信息研究院,北京 100094

草地生態(tài)系統(tǒng)是中國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型,占國土面積的29.98%,也是中國重要的生態(tài)安全屏障區(qū),在土壤保持、防風(fēng)固沙和水源涵養(yǎng)的方面發(fā)揮著重要作用[1]。草地也是我國北方、西北和青藏高原等地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),是當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活的重要資源。由于社會歷史的原因,草地生態(tài)系統(tǒng)遭到掠奪式開發(fā),造成草地退化,草地載畜量下降,居民承受巨大的經(jīng)濟損失[2]。因此充分了解各地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的承載狀況及演變趨勢,對于我國現(xiàn)階段及未來的草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和科學(xué)規(guī)劃畜牧業(yè)發(fā)展格局具有重要意義。

青藏高原是我國重要牧區(qū)之一,全國264個牧區(qū)與半牧區(qū)縣中有133個位于該地區(qū)[3]。同時,該地區(qū)作為我國“兩屏三帶”生態(tài)系統(tǒng)格局的重要組成部分[4],對于區(qū)域和國家的生態(tài)安全戰(zhàn)略具有重要意義。草地生態(tài)系統(tǒng)也是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)類型,對青藏高原草地承載力展開研究,可充分了解青藏高原畜牧業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r及潛力,并對該地區(qū)的草畜平衡、草地生態(tài)系統(tǒng)保護和區(qū)域乃至國家的生態(tài)安全提供必要支撐[2]。

草地承載力是指區(qū)域的草地資源在可持續(xù)發(fā)展的前提下,所能承載的最大牲畜數(shù)量,是草地牧業(yè)發(fā)展的重要指標(biāo),對區(qū)域草地的開發(fā)與保護具有重要意義,具體表現(xiàn)為草地的理論載畜量等[5]。測算產(chǎn)草量是計算草地承載力的基礎(chǔ)。草地承載力的研究需要通過草地產(chǎn)草量間接計算牲畜承載量。產(chǎn)草量的計算方法包括實測產(chǎn)量法[6]、模型評估法[7—8]和遙感評估法。其中,實測產(chǎn)量法的結(jié)果準(zhǔn)確,適用于局部地區(qū)的研究使用,現(xiàn)有研究多將其用于驗證其他兩種方法[9—10]。模型評估法包括氣候模型和過程模型,適用于定性評價大尺度區(qū)域的產(chǎn)草量地帶性分布規(guī)律或已有長期試驗站區(qū)域的研究[11]；遙感評估法包括NDVI法[12—13]和NPP法[5, 14—15],兩種方法均適用于大尺度范圍的研究[16—17],其中NPP法是利用改進的CASA模型計算產(chǎn)草量,該模型考慮了光能利用率,機理性較強,適用于缺乏大量實測數(shù)據(jù)的地區(qū)[5, 18]。

目前針對青藏高原草地承載力的研究多以局部地區(qū)為主[19—27],如曹娟等[25]發(fā)現(xiàn)在草畜平衡政策實施之前的青海剛察縣處于超載狀態(tài),政策實施后則處于草畜平衡狀態(tài)；Zhang等[26]發(fā)現(xiàn),三江源東部和南部縣雖然承載力較強,但牲畜存欄量過高,這些地區(qū)仍處于超載狀態(tài)；趙衛(wèi)等[27]發(fā)現(xiàn),西藏地區(qū)整體處于超載狀態(tài),且未超載縣的草地承載力盈余越來越少。為充分了解青藏高原全域草地承載力的空間變化特征并對其進行預(yù)警,根據(jù)青藏高原獨特的地理條件,且缺乏大范圍實測數(shù)據(jù)的情況,本文選擇NPP法展開研究。

本文以多年NPP數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以青藏高原全域為研究區(qū)域,選取理論載畜量和草畜平衡指數(shù),展開草地承載力評價,主要為了(1)分析青藏高原2000—2015年間草地生產(chǎn)力空間格局及其變化特征,(2)結(jié)合牲畜存欄量分析縣域草地承載狀況,并對其進行預(yù)警,旨在為青藏高原草地保護的優(yōu)先級劃分,為畜牧業(yè)的發(fā)展規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原位于亞洲內(nèi)陸,是地球上最獨特的地質(zhì)-地理-生態(tài)單元,是中國面積最大,世界海拔最高的高原,平均海拔4000 m以上,被稱為“世界屋脊”[28],位置介于26°00′—39°47′N,73°19′—104°47′E之間,總面積約278.68萬km2。草地生態(tài)系統(tǒng)總面積158.82萬km2,占青藏高原總面積的56.99%,是該地區(qū)主要的生態(tài)系統(tǒng)類型(圖1)。青藏高原內(nèi)的縣級行政區(qū)有244個,除新疆邊界的8個不完全縣外,共有完整縣級行政區(qū)236個。

圖1 青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)格局示意圖Fig.1 Spatial distribution of grassland ecosystems in Qinghai Tibet Plateau

1.2 研究方法

在已有計算方法的基礎(chǔ)上[5],本研究進一步將計算公式進行提煉,方法如下：

(1)理論載畜量：

(1)

式中,CA為理論載畜量(羊單位);Gij為行政區(qū)i第j類草地的全年干草總量(kg);Cij為行政區(qū)i范圍內(nèi)牲畜對第j種草地所產(chǎn)牧草的利用率[29];UG為每個羊單位每天需要的干草量(kg/d),數(shù)值為1.8;D為一年的天數(shù),數(shù)值為365。

(2)全年標(biāo)準(zhǔn)干草產(chǎn)量

(2)

式中,NPPij為行政區(qū)域i范圍內(nèi)第j種草地年總NPP(kg)；Aij為行政區(qū)域i范圍內(nèi)第j種草地總面積(km2)；Sij為行政區(qū)域i范圍內(nèi)第j種草地的生物量到NPP的轉(zhuǎn)換系數(shù)[30]；SGij為行政區(qū)域i范圍內(nèi)第j種草地地下部分和地上部分生物量比例系數(shù)[31]。

(3)產(chǎn)草量模型測算精度分析

選取已發(fā)表論文中與研究時間相近的青藏高原地區(qū)產(chǎn)草量數(shù)據(jù),與本論文進行對比,結(jié)果見表1。本研究結(jié)果均在相應(yīng)實測值的誤差范圍內(nèi),表明研究方法適用于本研究區(qū)。

表1 本研究與已有結(jié)果對比

(4)草畜平衡指數(shù)[35]

(3)

BGLI是草畜平衡指數(shù),A為牲畜存欄量,CA為理論載畜量。

當(dāng)BGLI≤10%,表示不超載；當(dāng)10%15%時,表示超載。BGLI越高,表示超載情況越嚴重。

(5)草畜平衡預(yù)警

在草畜平衡指數(shù)分級的基礎(chǔ)上,以各縣2000—2010年、2010—2015年兩個時間段的平衡指數(shù)變化為依據(jù),分為持續(xù)改善型、波動改善型、波動惡化型和持續(xù)惡化型,再將承載狀況進行預(yù)警等級劃分,未超載狀態(tài)下的持續(xù)改善型和波動改善型分為綠色無警區(qū),波動惡化型和持續(xù)惡化型分為藍色預(yù)警區(qū)；臨界超載狀態(tài)下的持續(xù)改善型和波動改善型分為黃色預(yù)警區(qū),波動惡化型分為橙色預(yù)警區(qū),持續(xù)惡化型分為紅色預(yù)警區(qū)；超載狀態(tài)下的持續(xù)改善型和波動改善型分為橙色預(yù)警區(qū),波動惡化型和持續(xù)惡化型分為紅色預(yù)警區(qū),具體方法見表2。

表2 預(yù)警等級劃分

1.3 數(shù)據(jù)來源

(1)凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)：來源于中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究[36],數(shù)據(jù)基于CASA模型生產(chǎn),為空間柵格數(shù)據(jù),空間分辨率為250 m,時間分辨率為月。

(2)生態(tài)系統(tǒng)格局數(shù)據(jù)：來源中國生態(tài)系統(tǒng)評估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(http://www.ecosystem.csdb.cn),空間分辨率90 m。

(3)牲畜存欄量數(shù)據(jù)：來源于青海[37]、西藏[38]、新疆[39]、甘肅[40]、四川[41]、云南統(tǒng)計年鑒[42]和中國縣域統(tǒng)計年鑒[43],數(shù)據(jù)以縣為單位。

2 結(jié)果與分析

2.1 青藏高原草地理論載畜量空間格局及變化趨勢

草地生產(chǎn)力的評價指標(biāo)有：干草產(chǎn)量和理論載畜量等[5],本文以理論載畜量作為草地生產(chǎn)力的代表性指標(biāo)。

青藏高原理論載畜量整體呈現(xiàn)東高西低格局(圖2)。2015年總產(chǎn)草量達到11393.32萬噸,相應(yīng)的總理論載畜量為9451.53萬羊單位,草地單位面積載畜量為59.51羊單位/km2。高寒草原和高寒草甸是青藏高原草地承載力的主要組成部分,其理論載畜量占全區(qū)的64.99%,分別為3429.08萬羊單位和2713.12萬羊單位；溫性草原和溫性草甸理論載畜量有1467.08萬羊單位,占全區(qū)干草總產(chǎn)量的15.52%(圖3),其單位面積理論載畜量高于高寒草原和高寒草甸(圖4)。

與2000年相比,2010和2015年的草地生產(chǎn)力均呈增長趨勢,總理論載畜量由8614.89萬羊單位上升到9117.54萬和9451.53萬羊單位,增長區(qū)域以青藏高原東北部和中東部為主,下降區(qū)域以青藏高原中南部地區(qū)為主(圖2)。干草總產(chǎn)量由2000年的10403.42萬噸到2015年的11393.32萬噸。

圖2 2000—2015年青藏高原理論載畜量空間分布及變化Fig.2 The spatial distribution and change of the theoretical carrying capacity from 2000 to 2015

圖3 2015年青藏高原各草地類型總理論載畜量和干草總產(chǎn)量Fig.3 Total theoretical carrying capacity and hay yields of different grassland types in 2015

圖4 2015年青藏高原各草地類型單位面積理論載畜量與單位面積產(chǎn)草量Fig.4 Theoretical carrying capacity and hay yields of different grassland types in per unit area in 2015

2.2 青藏高原牲畜存欄量及變化趨勢

2015年青藏高原牲畜存欄量合計15846.99萬羊單位,存欄量密度(牲畜存欄量與草地面積的比值)為99.78 羊單位/km2。有46個縣(19.49%)超過100萬羊單位,主要是傳統(tǒng)的牧區(qū)與半牧區(qū)縣,分布在青藏高原中東部及西部諸縣；有53縣(22.46%)低于25萬羊單位,分布在青藏高原邊緣諸縣(圖5)。

與2000年相比,2010和2015年牲畜存欄量呈先升后降的趨勢(圖6),由14490.52萬羊單位增至16385.26萬羊單位,再降至15846.99萬羊單位,增長區(qū)域為青藏高原中北部、北部邊緣和東南部邊緣諸縣(圖5),下降區(qū)域為中東部和西南部諸縣。

圖5 2000—2015年牲畜存欄量及變化Fig.5 The spatial distribution and change of livestock inventory in county from 2000 to 2015

圖6 2000—2015年草畜平衡指數(shù)(BGLI)Fig.6 The balance of grassland and livestock index (BGLI) from 2000—2015

2.3 青藏高原草畜平衡指數(shù)及變化趨勢

2015年青藏高原整體的草畜平衡指數(shù)為67.91%,處于超載狀態(tài)。2000和2010年草畜平衡指數(shù)也一直處于超載狀態(tài)(圖7),草畜平衡指數(shù)由67.88%增至79.90%,再降至67.91%。2010年的超載情況最為嚴重,主要原因是2000—2010年的牲畜存欄量增長過快(13.08%),而理論載畜量僅增長了5.83%,至2015年草畜平衡指數(shù)有所下降,主要是因為牲畜存欄量下降(-3.28%)以及同期草地承載力上升(3.66%)。

2015年超載的縣有191個(80.93%),超載縣集中分布在青藏高原東部和中南部諸縣。與2000相比,2010和2015年超載的縣數(shù)量呈先穩(wěn)定后降低的趨勢,由前兩個年份的196個下降至191個(圖8)。2000—2010年和2010—2015年兩個時間段中,草畜平衡指數(shù)均增大的縣有43個(18.22%),集中在青藏高原中南部(以西藏為主)；草畜平衡指數(shù)均減小的縣有42個(17.80%),集中在青藏高原東部(圖7)。超載縣在牧區(qū)與半牧區(qū)中有98個,與其他縣相近(表3)。

2015年僅有41個縣未超載(16.39%),分布在北部、西部和南部部分縣。與2000相比,2010和2015年超載的縣數(shù)量呈先減后增的趨勢,從39個減至34個,再增至41個。未超載的縣主要以牧區(qū)與半牧區(qū)縣為主,其他縣的比重較低(表3)。

2.4 青藏高原草地承載力預(yù)警

青藏高原草畜平衡指數(shù)預(yù)警結(jié)果如圖所示(圖9)。與表1對比發(fā)現(xiàn),實際的預(yù)警結(jié)果中,臨界超載狀態(tài)只包括黃色預(yù)警區(qū),橙色和紅色預(yù)警區(qū)均屬于超載狀態(tài)。

圖7 2000—2015年草畜平衡指數(shù)及變化Fig.7 The spatial distribution and change of BGLI from 2000 to 2015

圖8 縣級草畜平衡指數(shù)匯總Fig.8 Summary of BGLI at county level

因青藏高原縣域面積的差異巨大,紅色預(yù)警區(qū)諸縣的面積共43.84萬km2,綠色無警區(qū)諸縣面積共86.90萬km2,分別占青藏高原總面積(完整縣域)的17.28%和34.25%,前者約是后者一半,但紅色預(yù)警區(qū)的縣域數(shù)量合計72個,綠色無警區(qū)僅有32個,前者是后者的2.25倍。且紅色預(yù)警區(qū)多分布于青藏高原中南部(以西藏為主)和東部,綠色無警區(qū)多分布于青藏高原西部及北部,中東部地區(qū)的草地承載力遠高于西部及北部,呈現(xiàn)出草地承載力越強,超載情況越嚴重的空間分布格局。綠色無警區(qū)主要分布在牧區(qū)與半牧區(qū)縣(73.17%),橙色預(yù)警區(qū)和紅色預(yù)警區(qū)在兩類縣中的數(shù)量基本相當(dāng)(表4)。

紅色預(yù)警區(qū)已經(jīng)處于超載狀態(tài),且超載狀態(tài)還在加劇,在未來畜牧業(yè)的管理中亟需重點關(guān)注；橙色預(yù)警區(qū)和黃色預(yù)警區(qū)的超載狀況在改善中,未來需要進一步保持這一趨勢,使之最終轉(zhuǎn)為綠色無警區(qū)；藍色預(yù)警區(qū)需要也需要得到相應(yīng)的關(guān)注,避免惡化為橙色或紅色預(yù)警區(qū)。青藏高原綠色無警區(qū),是未來畜牧業(yè)調(diào)整發(fā)展的主要實施區(qū)域。

表3 各級草畜平衡指數(shù)分布

表4 各級預(yù)警區(qū)匯總

圖9 青藏高原草畜平衡預(yù)警Fig.9 Early-warning of BGLI

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

基于CASA模型的草地凈初級生產(chǎn)力研究目前已成熟,在不破壞草地的情況下,能夠大范圍的獲得多年的草地生產(chǎn)情況,在中國的實地驗證效果較好[44—45],尤其在青藏高原地區(qū),其擬合優(yōu)度達0.83[46]和0.92[47],結(jié)合表2的多個地區(qū)產(chǎn)草量的驗證結(jié)果,表明該模型及其結(jié)果適用于青藏高原地區(qū)。

青藏高原草地生產(chǎn)力分布格局與其自然本底條件和人口分布格局相一致[15, 48—49],并在研究期間內(nèi)相對穩(wěn)定。青藏高原東部的草地生產(chǎn)力遠高于西部及北部,該地區(qū)與中國的中亞熱帶、北亞熱帶和南溫帶相毗鄰[50],平均海拔低于4000 m,平均氣溫為6 ℃,年降水為650 mm[51]；西部及北部主要由羌塘高原、三江源西部和柴達木盆地等組成,平均海拔超過4600 m,平均氣溫差異較大,降水量低于300 mm[52]。集中分布于東部地區(qū)的高生產(chǎn)力草地面積為26.32萬km2,而集中分布于青藏高原西部及北部地區(qū)的低生產(chǎn)力草地面積為53.49萬km2,前者不足后者的一半,使得該區(qū)域草地承載力相對較低。青藏高原草地生產(chǎn)力在研究時間內(nèi)保持增長趨勢,主要原因可能與秦大河等人提出的在全球氣候變化背景下,中國西部地區(qū)由“暖干化”趨向于“暖濕化”[53]有關(guān),但青藏高原草地生產(chǎn)力的格局仍然相對穩(wěn)定。隨著氣溫和降雨量的上升,未來青藏高原地區(qū)草地生產(chǎn)力將進一步提升,相應(yīng)的草地承載力也會進一步增長。因此可充分利用該氣候變化趨勢,積極擴展草地面積,提高草地質(zhì)量,避免草地承載壓力進一步加重。

青藏高原草地超載狀況要得到有效緩解乃至消除,必須依靠多種措施的結(jié)合。青藏高原的牲畜存欄量遠高于本地區(qū)草地承載力,其中牲畜存欄量是決定該地區(qū)草畜平衡指數(shù)的主要因素。青藏高原草畜平衡指數(shù)在研究時間內(nèi)均處于超載狀態(tài),且十分嚴峻,呈現(xiàn)出草地承載力越強,超載情況越嚴重的格局。雖然草地承載力增長了9.71%,但同期牲畜存欄量增長了9.36%,兩者的增長幅度相近,因此僅通過依靠氣候變化以提高草地生產(chǎn)力而提高草地承載力的方法,無法徹底解決青藏高原地區(qū)的超載狀況。未來隨著生態(tài)保護工程在青藏高原地區(qū)的進一步實施及居民收入要求的進一步提高,將對該地區(qū)的草畜平衡提出更嚴峻的挑戰(zhàn)[54]。鑒于2000、2010和2015年未超載的縣還有39、34和41個,可以調(diào)整未超載縣的牲畜存欄量,優(yōu)化畜牧產(chǎn)業(yè)布局。但應(yīng)該優(yōu)先控制處于紅色預(yù)警區(qū)的牲畜存欄量,避免其超載狀況進一步惡化。

目前的研究是以縣域為單位的草地承載力空間分布和預(yù)警,但牲畜并非是均勻分布在所有草地中,要更加精確的研究柵格尺度的草地承載力狀況,還需要結(jié)合人口密度、坡度和凈初級生產(chǎn)力等因素將實際牲畜存欄量進行柵格化[55]。同時本研究將草地的所有植物物種納入了研究結(jié)果,但并非所有物種均可被牲畜采食,因此有效區(qū)分不可采食區(qū)域,對于進一步提高理論載畜量計算精度,以便于提出更加精細化的管理措施,是未來研究的重要方向。

3.2 結(jié)論

本文核算了青藏高原地區(qū)的2000—2015年的草地生產(chǎn)力,結(jié)合相應(yīng)年份的縣域牲畜存欄量,獲得了青藏高原全域的草畜平衡指數(shù),并根據(jù)其變化趨勢對青藏高原草地承載力進行預(yù)警,結(jié)論如下：

(1)青藏高原草地承載力整體呈東高西低的格局,其中高寒草原和高寒草甸是該地區(qū)草地承載力的主要組成部分；

(2)青藏高原地區(qū)草地承載力呈上升趨勢,理論載畜量由8613.35萬羊單位增至9437.70萬羊單位；

(3)青藏高原整體處于超載狀態(tài),2000—2010年超載狀況加劇,至2015年超載狀況稍有緩解,草畜平衡指數(shù)由67.88%增至79.90%,再降至67.91%。其中紅色預(yù)警區(qū)的縣有72個,亟需優(yōu)先調(diào)控其牲畜存欄量。