氣候變化與人類活動對內蒙古東部草地凈初級生產力的影響

歐陽玲,馬會瑤,王宗明,王昭偉,于顯雙

1 赤峰學院, 赤峰 024000 2 海圖信息中心, 天津 300000 3 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130102 4 國家地球系統科學數據中心, 北京 100101 5 赤峰生態環境監測站, 赤峰 024000

陸地生態系統中草地生態系統是最重要、分布最廣的生態系統類型之一[1],在全球碳循環和氣候調節中具有重要作用。植被生產力的降低作為土地退化的核心問題,成為全球變化與陸地生態系統研究的重點[2],全球和區域水平的植被凈第一性生產力(Net Primary Productivity, NPP)及其主要影響因素研究正受到越來越多科學家的關注[3]。我國草地資源嚴重退化,雖然采取部分措施,但草原整體退化的趨勢仍然沒有得到扭轉[4]。

草地退化有自然因素(如氣候變化等)的原因,也有人類活動因素的原因。區分人為和氣候因素,對于深入探索分析自然生態系統對全球變化和人類活動的響應,為退化生態系統的恢復重建提供相應的適應性對策,具有重要的方法借鑒意義和實踐指導意義。直到近期,國內外研究者開始對氣候因素與人為因素導致的草地退化進行區分。Evans[5]和Geerken[6]以遙感植被指數NDVI 為數據源,利用殘差分析方法為提取人為因素導致的草原退化區域提供了較為可行的方法。曹鑫[7]采用分時段的回歸分析與殘差分析相結合的方法評價人為因素在草地退化區域中的影響趨勢。Anyamba[8]、Jury[9]、Wessels[10]等應用NOAA AVHRR NDVI 數據區分了南非氣候波動與人類影響對土地退化的作用。趙雪雁[11]通過因子分析法分析了高寒牧區草地退化的人文因素。以上關于草地退化影響因素的研究主要應用NDVI數據建立經驗模型進行分析,對于植被生產力形成機理考慮較少,并不是實際的植被生產力分析,而且缺乏地面驗證數據的支持。迄今為止,尚缺乏長時間序列區域層次的草地生產力變化規律及其控制因素的定量研究,除此之外,國內外均未見內蒙古東部草地植被生產力演變規律與氣候和人文影響因素定量區分的公開研究報道。

內蒙古東部草原區是國際地圈-生物圈計劃(IGBP) 全球變化研究的典型陸地樣帶—中國東北溫帶森林-草原樣帶的組成部分[12],在全球生態學領域具有十分重要的研究地位。因此針對內蒙古東部草地生產力對全球變化的響應及其主要影響因素進行深入研究,并以此為基礎,提供相應的適應性對策將具有重要意義。本文選擇中國內蒙古東部地區草地為研究對象,基于改進CACS模型[13]和MODIS遙感數據產品等,估算內蒙古東部地區2000—2015年草地植被實際凈初級生產力[14-15],并探討其時空格局與年際動態。定義相對退化指數(Relative Degradation index, RDI),確定草地生產力變化過程中人類活動因素的貢獻率,分析內蒙古東部地區RDI空間格局與年際動態。同時,分析16年間NPP和氣候因子相關關系。

1 研究區概況

內蒙古東部區域地理坐標為115°21′—126°04′E,41°17′—53°20′N,東部與黑龍江、吉林和遼寧三省相鄰,西南部與河北和內蒙古自治區錫林郭勒盟毗鄰,西部與俄羅斯和蒙古接壤(圖1)。盟市包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市,總面積達45.37×104km2,其中草地面積為15.25×104km2,約占內蒙古東部總面積的33.61%。內蒙古東部氣候大部分為溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫-4.5—8℃,年降水為160—628 mm。內蒙古東部地區是典型的農牧林交錯區域,大興安嶺以東為耕地區域,西部是典型草原,北部是大興安嶺林區。內蒙古東部地區自然環境條件優越,屬于國家實施中蒙俄經濟走廊、振興東北老工業基地和西部大開發等戰略的規劃范圍,是內蒙古自治區經濟較發達地區[16]。

圖1 研究區概況圖 Fig.1 Location, elevation, and the administrative division of the study area

2 主要數據源及研究方法

2.1 主要數據源

2.1.1土地覆被數據

由國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn)獲得2000、2010和2015年3期土地覆被數據。土地覆被遙感解譯精度的野外驗證點數據來源于野外調查,共搜集野外驗證點9846個。

2.1.2野外采樣數據

野外采樣數據主要用于植被生產力的估算驗證。在草地植被達到最大生物量的月份時采用收割法對草地進行生物量的采集。內蒙古東部共收集27個采樣點觀測數據。采樣方法是在每個樣點設置3—5個重復的1 m×1 m樣方,貼地面收割樣方內的綠色生物量,采用 GPS 記錄樣點經緯度坐標信息,并記錄其植被信息和環境背景值信息；在通風條件下將樣品晾置21 h,然后在65℃恒溫烘烤48 h至恒重,以0.02精度電子稱稱量后取均值作為該樣點的地上生物量值,此基礎上乘以2.8得到地下生物量[17],從而獲得樣地總生物量數據。

2.1.3MODIS 遙感數據集

內蒙古東部地區草地植被NPP估算所用的NDVI數據為來自NASA/EOS LPDAAC數據分發中心的MODIS產品MOD13A3數據集(https://lpdaac.usgs.gov/),時間分辨率為月,空間分辨率為250 m×250 m,時間跨度為2000—2015年。利用MODIS網站提供的專業處理軟件MRT TOOLS對該數據進行投影轉換為Albers投影、拼接、裁切等處理。

2.1.4氣象數據集

氣象數據集包括2000—2015年逐月平均氣溫、月累積降水、逐月日照時數等數據。基于氣象站點的氣象數據集獲取自中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/)。在ArcMap平臺上,利用逐月平均氣溫、月累積降水、逐月日照時數數據[18](使用其中的總輻射月總量數據,單位為0.01MJ/m2)進行txt轉Excel、轉shp、轉柵格、柵格計算、重采樣、腌膜等得到年尺度平均氣溫、降水量和太陽輻射序列數據,空間分辨率為250 m。

2.1.5其他地理空間數據

其他地理空間數據主要包括內蒙古東部地區行政區劃圖、數字高程模型、保護區邊界圖等,所有數字化的數據均來自中國科學院東北地理與農業生態研究所地理景觀遙感學科組。數字化的矢量文件全部投影轉換到與草地分布數據一致的坐標系統下。

2.2 研究方法

2.2.1CASA模型

本研究采用修訂后的CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach),模擬得到內蒙古東部地區2000—2015年植被NPP數據。CASA模型利用植被吸收的光合有效輻射APAR和光能利用率ε計算NPP,能夠實現基于光能利用率原理的內蒙古東部草地凈初級生產力估算[18-19]。

2.2.2相對退化指數

本研究借鑒“環境背景值”的概念,選取研究區內自然保護區和人工圍欄草場內的未退化天然草地,定義其生產力為草地的“環境背景值”。同理,定義保護區或人工圍欄草場外的草地為退化草地,其生產力類似于環境科學中的“受污染后的元素濃度”。進而,定義“相對退化指數”RDI 為：

(1)

在此,我們定義式中各參數的含義為：

RDI：Relative Degradation Index, 相對退化指數,%；

NPPnd:Net Primary Productivity of non-degraded grassland,未退化草地NPP,g /m2；

NPPd:Net Primary Productivity of degraded grassland,,退化草地NPP,g /m2。

依據以上定義,相對退化指數RDI作為退化草地NPP對于未退化草地NPP的“衰減”程度,用百分數表示。將單個像元作為研究單位,計算16個保護區的均值,賦值給各保護區的重心,之后進行克里金插值,得到各研究單元的未退化草地NPP。因此,相對退化指數RDI 可以表示人類活動對草地生產力的影響,即人類活動因素的貢獻率。至此,定量區分氣候變化和人類活動因素對草地生產力的影響得以實現。本文共選用16個自然保護區(阿魯科爾沁自然保護區、白音敖包自然保護區、達里諾爾自然保護區、大黑山自然保護區、大青溝自然保護區、大興安嶺汗馬自然保護區、黑里河自然保護區、紅花爾基樟子松自然保護區、輝河自然保護區、科爾沁自然保護區、南甕河自然保護區、賽罕烏拉自然保護區、圖牧吉自然保護區、錫林郭勒草原自然保護區、達賚湖自然保護區、額爾古納自然保護區),較均勻的覆蓋整個研究區。

3 結果與分析

3.1 草地時空格局分析

3.1.1草地植被空間格局分析

利用野外驗證點與土地覆被信息建立混淆矩陣。結果顯示,2015年內蒙古東部土地覆被分類的總體精度為92.27%,Kappa系數達0.90,制圖精度均達70%以上(表1)；2010年土地覆被分類的總體精度為91.08%,Kappa系數達0.88,制圖精度均達65%以上；2000年土地覆被分類的總體精度為88.74%,Kappa系數達0.85,制圖精度均達65%以上。三期土地覆被分類結果較好,能滿足本論文研究需要。

表1 2015年土地覆被分類結果的混淆矩陣Table 1 Confusion matrix of land cover classification results in 2015

對內蒙古東部地區 2000、2010和2015年草地空間分布數據進行制圖,如圖2所示。內蒙古東部地區草地呈明顯的地域性分布：總體來看,草地主要分布于研究區西部和南部地區。區域內典型草地分布區主要有,呼倫貝爾草原、科爾沁草原、貢格爾草原以及烏蘭布統草原。以內蒙古東部區域尺度而言,呼倫貝爾市西南草地分布最為明顯,斑塊較為集中,面積最大。

圖2 內蒙古東部地區草地空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of grassland in the eastern Inner Mongolia in 2000,2010 and 2015

為更好的探討內蒙古東部地區草地空間差異,分別統計2000、2010和2015年內蒙古東部地區及區域內4個盟市草地景觀的面積、草地覆蓋率(草地覆蓋率是指以行政區域為單位,草地植被面積占區域土地面積的百分比),結果如表2所示。內蒙古東部地區草地2000、2010和2015年草地面積分別為15.45萬km2、15.38萬km2、15.25萬km2,草地面積呈現逐年下降的趨勢；呼倫貝爾市草地分布面積最多,2015年草地面積為6.70萬km2,占內蒙古東部地區草地總面積43.94%；赤峰市作為草地覆蓋率最大的地區,2015年草地覆蓋率45.22%,草地面積為3.93萬km2。

表2 內蒙古東部地區各盟市2000、2010和2015年草地面積和草地覆蓋率Table 2 Grassland area and coverage in the eastern Inner Mongolia in 2000, 2010 and 2015

內蒙古東部地區作為我國草地最主要的分布區,以往研究中以內蒙古東部地區為尺度的草地景觀制圖與區域草地空間分布格局分析較少。呼倫貝爾草原以其大面積的草地分布和較少的人類活動干擾受到關注較多。而通遼市、興安盟和赤峰市的草地由于分布較為分散,受高強度的農業耕作活動干擾而較少被關注。

3.1.2草地植被變化分析

分析2000—2015年間草地變化結果如圖3和表3所示。受人類活動和氣候變化等多重因素影響,內蒙古東部地區草地空間格局上有不同程度的面積損失和增加。草地面積損失主要分布在赤峰市翁牛特旗,逐漸發展的農牧業及城鎮建設是造成該區域草地損失的主要因素。草地面積增加主要分布在赤峰市阿魯科爾沁旗,這是由于該地從2008年實行的萬畝人工種草項目,截止2013年底,阿魯科爾沁旗牧草種植面積達到60.5萬畝[20]。統計得出：內蒙古東部地區2000—2015年間,損失草地面積4743.80km2,新增草地面積2705.57km2。生態工程退耕還草是新增草地出現的主要原因,所占比例達到34.27%,其次為林地(31.67%)和濕地(31.05%),裸地和建設用地轉化為草地的面積相對較少,新增草地主要分布在赤峰市阿魯科爾沁旗。草地減少的主要去向是耕地(39.88%),減少區域主要分布在西遼河平原和嫩江西岸平原,這里是內蒙古東部的主要經濟糧食作物產區。過度的農業開墾使得該地區草地減少,蠶食草原,加速土地沙漠化。人口的增加和人民生活水平的提高,使得對于糧食的需求不斷增加,加速了耕地的開墾和牧區的過度放牧,同時使得建設用地的擴張范圍不斷加大。

圖3 2000—2015年草地變化分布格局 Fig.3 Change and distribution patterns of grassland from 2000 to 2015

表3 內蒙古東部地區草地與其他地類的相互轉化量和所占比例Table 3 Transformation area and percentage between grassland and other land cover types in the eastern Inner Mongolia

3.2 NPP時空格局分析

3.2.1草地植被凈初級生產力空間格局分析

將模型估算的草地植被凈初級生產力和采用實測生物量轉換得到的植被凈初級生產力進行比較。實測NPP 和估算NPP 間有較好的回歸關系(y=0.1914x+ 175.65,R2=0.2226,P< 0.05),內蒙古東部地區草地植被NPP估算結果具有較高的可信度。對于估算的植被凈初級生產力精度刪除了異常值,使得精度進一步提高。

為探討內蒙古東部地區草地植被NPP的空間格局,基于模型估算結果計算內蒙古東部地區草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均植被年NPP,結果如圖4所示。2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地植被NPP總量分別為30.68TgC/a(1 TgC= 1012g C)、30.33 TgC/a和35.96 TgC/a,相對增加17.23%。由圖5可以看出,內蒙古東部地區草地植被NPP空間差異明顯,三期數據分布一致,NPP高值區域主要分布于呼倫貝爾草原東部和興安盟地區,草地植被類型以溫性草原為主,NPP在300 gC m-2a-1以上；草地植被NPP低值區域主要分布在呼倫貝爾草原西部地區,草地植被NPP在200 gC m-2a-1以下。其他分地區草地以溫性草原為主,NPP值域在200—300 gC m-2a-1之間。

圖4 內蒙古東部地區草地植被NPP空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of grassland NPP in the eastern Inner Mongolia

在16個自然保護區內草地NPP差異明顯,NPP高值區域位于呼倫貝爾市東北部的南甕河自然保護區,最大值為463.27 gC m-2a-1；NPP最低處位于呼倫貝爾市西北部的達賚湖自然保護區。

圖5 內蒙古東部地區草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均NPP分布情況Fig.5 Average NPP distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015

3.2.2草地植被凈初級生產力年際動態分析

草地植被NPP 年際變化是受人類活動和氣候變化共同影響所導致。由圖6可以看出,2000—2015年間草地植被年平均NPP呈上升趨勢。內蒙古東部地區草地植被平均NPP值在 166.56—248.14 gC m-2a-1之間變化,標準差為24.61 gC m-2a-1。16年間草地植被NPP最大值出現在2014年,最小值均出現在2001年。

圖6 內蒙古東部地區草地植被平均NPP年際變化趨勢 Fig.6 Interannual variation trend of mean NPP of grassland in the eastern Inner Mongolia

在16個自然保護區內,草地植被平均NPP值在148.44—237.87 gC m-2a-1之間變化,標準差為23.37 gC m-2a-1,16年間草地植被NPP最大值出現在2014年,最小值均出現在2001年。這與內蒙古東部草地植被平均NPP相一致。

基于遙感數據的草地植被凈初級生產力估算結果空間上較好地反映了區域植被生產能力的空間異質性。凈初級生產力綜合反映了有人類活動干擾下的氣候差異對草地植被生產力影響。呼倫貝爾典型草原區、通遼、赤峰地區光合有效輻射在600 MJ m-2a-1以下。植被光合有效輻射較低,使得植被光合作用效率低,草地植被NPP較小。內蒙古東部地區屬于干旱、半干旱地區,年降水量較少,地表實際蒸散較低，尤其以赤峰地區最為典型。赤峰地區實際蒸散量最低,蒸散量在250 mm以下,氣候干旱、年降水量較少,年NPP較低。降水是區域植被所需水分的主要來源,降水是植被生長的主要限制因子,降水減少導致區域內植被草地NPP降低。尤其以赤峰地區最為典型。

從草地植被凈初級生產力年際變化趨勢(圖6)可以明顯看出：在人類活動和氣候變化的驅動下,2000—2015年間草地凈初級生產力呈現緩慢上升趨勢,這與該區域2000年來實行的退耕還草、禁牧休牧、圍封轉移、強草惠牧和草原生態保護補助獎勵等政策有關[21],使得內蒙古東部地區的環境得到改善,草地退化和沙漠化的速度明顯降低。16年間凈初級生產力和實際凈初級生產力的差值明顯反映了人類活動對植被凈初級生產力不同程度的影響。計算 2000—2015年間草地凈初級生產力的差值得出,人類活動造成生產力平均年增加量為3.99 gC m-2a-1。近年來草原牧區加大了草地保護措施,落實相關政策,使得草地的利用更為合理,遏制草原的退化,從而促進草地生產力的增加。

3.2.3各盟市NPP變化

為進一步探討區域草地動態變化特征及區域空間差異,總結四個盟市草地變化特征(表4),可以看出：四個盟市草地平均NPP均呈現上升趨勢,上升趨勢最顯著的區域是呼倫貝爾市,16年間草地平均NPP增加了47.90 gC m-2a-1,相對增加25.33%。其次是興安盟,16年間草地平均NPP增加了39.56 gC m-2a-1,相對增加17.99%。

表4 2000—2015年內蒙古東部各盟市草地NPP統計結果Table 4 Statistics of grassland NPP (gC m-2 a-1) in the eastern Inner Mongolia during 2000—2015

3.3 RDI時空格局分析

3.3.1RDI空間格局分析

進入初中階段，學生的學習內容發生了明顯的變化，課程門類增加，知識難度加深，給學生提出了更加嚴格的要求。初中生學習必須要講究效率，創新高效的學習才能夠幫助初中生快速掌握學習技巧，養成正確的學習習慣，從被動接受知識向主動探究知識轉變，培養創造性思維。那么，在新課程改革背景下，如何保障初中生創新高效學習，就成了教師應該思考的熱點課題。教師需要轉變教學觀念，重視學生體驗探究的過程和方法，引導初中生自學、自得、自悟、自省，促使學生心理機能的各方面得到均衡發展。

為探討內蒙古東部地區人類活動對草地植被生產力的影響,基于NPP結果計算內蒙古東部地區草地2000—2005、2006—2010和2010—2015年平均RDI,結果如圖7所示。內蒙古東部地區RDI分布空間差異明顯,可以看出,呼倫貝爾草原中部、赤峰市東部和通遼市RDI值大多在0—20%之間,人類活動影響相對較小。呼倫貝爾草原西部RDI值大多在20%—40%間,人類活動相對顯著；呼倫貝爾草原東部、赤峰市中部和興安盟部分草地分布區RDI值域較高,在40%以上,說明人類活動干擾非常顯著。

圖7 內蒙古東部地區草地相對退化指數RDI空間格局Fig.7 Spatial pattern of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia

分析內蒙古東部地區草地植被平均RDI變化情況,結果如圖8所示。2000—2015年,內蒙古東部地區RDI小于10%的呈現先減少再增加趨勢,由2000年6.58萬km2增加到2015年的7.62萬km2,增加區域主要位于呼倫貝爾草原中西部；2000—2015年內蒙古東部地區RDI在10%—20%的呈現減少趨勢,由2000年5.06萬km2減少到2015年的4.49萬km2；2000—2015年內蒙古東部地區RDI在20%—30%的呈現減少趨勢,由2000年2.09萬km2減少到2015年的1.69萬km2,減少區域主要集中分布在呼倫貝爾草原中西部,主要轉化為RDI小于10%的區域；2000—2015年內蒙古東部地區RDI在30%—40%的呈現減少趨勢,由2000年的1.01萬km2減少到2015年的0.85萬km2,減少區域主要集中分布在呼倫貝爾草原西部； 2000—2015年內蒙古東部地區RDI在40%—50%和大于50%的也呈現減少趨勢,由2000年的0.41萬km2、0.31萬km2減少到2015年的0.36萬km2、0.24萬km2。綜合來看,內蒙古東部草地植被平均RDI呈現逐漸降低趨勢,說明人類對草地的影響逐漸降低。

圖8 內蒙古東部地區草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均RDI分布情況Fig.8 Average RDI distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015

RDI空間格局反映了內蒙古東部地區不同程度的人類活動干擾,明顯的RDI空間差異可歸因于區域人口、政策及我國政府和地方政府實施的草地保護計劃的不同。呼倫貝爾草原中部地區呈現較小的RDI值,主要與區域較少的人口數量和區域草地交通不可達有著密切關系,使得該地區較小的受到人為干擾,從而使得RDI較小。較高的RDI值分布在中部半干旱地帶,如興安盟和通遼市東部的部分草地分布區,區域內廣泛的旱作農業活動和畜牧業等造成的土壤水分顯著損失及土壤鹽堿化等起到不可忽視的作用。

統計得出內蒙古東部地區2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI分別為15.61%、16.50%和14.04%,表示人類活動對區域草地干擾作用下降,結合上文區域草地植被凈初級生產力的逐年上升,可知人類活動促進了草地的恢復。

3.3.2RDI年際動態分析

分別統計內蒙古東部地區2000—2015年間各年的草地空間分布未變化區域RDI的平均值。如圖9所示,平均RDI年際變化趨勢明顯,人類活動影響貢獻率年際差異顯著,表現為RDI在波動中呈緩慢降低趨勢。RDI最大值出現在2009年,值為17.35%,第二高值出現在2007年,值為17.25%；RDI 最小值出現在2011年,值為12.96%；第二小值出現在2013年,值為13.78%；2000—2015年間RDI標準差為1.30,年際間RDI變化相對明顯。就內蒙古東部尺度而言,2000—2015年間RDI均大于12.90%,人類活動對草地空間分布植被凈初級生產力的影響相對貢獻率在12.96%至17.35%之間,導致生產力平均增加5.29TgC。相比氣候變化對草地植被凈初級生產力的影響,盡管人類活動干擾不是造成草地植被凈初級生產力變化的主導因素[22],但人類活動的影響不可忽視,隨著時間的推移,人類活動對草地植被凈初級生產力的干擾程度在下降,這說明生態工程中退耕還草、禁牧休牧的措施使得人類對內蒙古東部地區草地植被生產力的影響在下降。

圖9 內蒙古東部地區草地相對退化指數年際變化趨勢 Fig.9 Interannual variation trend of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia

通過統計分析相對退化指數(RDI)的年際變化發現：2000—2015年間內蒙古東部地區草地RDI在12.96%至17.35%之間波動。說明內蒙古東部地區尺度上人類活動對草地植被凈初級生產力的影響仍表現為干擾或消耗。2000—2015年間內蒙古東部地區草地空間分布區域RDI值成緩慢下降趨勢,這表明人類活動對草地植被凈初級生產力的干擾程度在下降。中國政府對內蒙古東部地區草地保護高度重視,2002年國務院發布《國務院關于加強草原保護與建設的若干意見》文件,提出建立各項制度,推行輪牧休牧禁牧,實施退耕還草,強化草原監督管理等政策。通過草地保護工程的實施,局部草地生態質量有所改善,但是草地面積下降的趨勢仍在繼續,草地生態環境沒有得到根本的轉變,草地保護形勢依然十分嚴峻。因此,深入探討內蒙古東部地區人類活動對草地相對退化指數的區域差異,分析區域管理政策和潛在調控措施對于理解草地植被生產力的變化驅動機制,加強草地的保護和區域生態可持續性具有重要的現實意義。

3.3.3各盟市RDI變化

為進一步探討區域草地RDI動態變化特征及區域空間差異,總結4個盟市草地RDI變化特征(表5),可以看出：4個盟市草地RDI均呈現先增加后減少趨勢。2000—2010年增加趨勢最顯著的是赤峰市,2011—2015年減少趨勢最為顯著的是興安盟,其次為呼倫貝爾市。

表5 2000—2015年內蒙古東部各盟市草地RDI統計結果/%Table 5 Statistics of grassland RDI in the eastern Inner Mongolia during 2000—2015

3.4 草地與其他土地覆被類型相互轉換所導致的NPP變化

草地與其他土地覆被類型相互轉的,會直接影響生態系統的結構與類型,從而導致NPP發生變化。如表6所示,2000—2010年,草地NPP增加較少；2010—2015年草地NPP增加主要是因為草地本身生產力上升,NPP增加了5.829 TgC,此外也有由林地、耕地、濕地轉換成草地而來,分別增加了0.173 TgC、0.144 TgC和0.126 TgC。2000—2010年草地NPP減少主要是因為林地的轉換和草地本身生產力的下降；2010—2015年,草地NPP減少是因為耕地和林地的轉換。整體來看,2000—2015年,內蒙古東部草地NPP呈先下降后上升的趨勢,草地NPP變化主要與本身凈初級生產力相關。2000年以來為了遏制草地的退化,政府開始在內蒙古東部實施退耕還草、禁牧休牧、圍封轉移、強草惠牧和草原生態保護補助獎勵政策等。在此條件下,內蒙古東部的草地開始逐漸增多,草地植被凈初級生產力也逐漸增加。但同時,人口的增長導致的農業、畜牧業和城市的擴張等,使得內蒙古東部草地NPP減少。

表6 草地與其他土地覆蓋類型相互轉換所導致的NPP變化Table 6 NPP changes caused by the conversion between grassland and other land cover type

4 結論

本文選擇內蒙古東部地區草地為研究對象,基于改進CACS模型和MODIS 遙感數據產品等,估算內蒙古東部地區草地面積變化和草地實際凈初級生產力,并探討其時空格局與年際動態。選取研究區內自然保護區和人工圍欄草場內的未退化天然草地,定義其生產力為草地的“環境背景值”。同理,定義保護區或人工圍欄草場外的草地為退化草地,其生產力類似于環境科學中的“受污染后的元素濃度”。進而,定義相對退化指數(RDI),確定草地生產力變化過程中人類活動因素的貢獻率,分析內蒙古東部地區RDI空間格局與年際動態。同時,探討16年間氣候因子和NPP的關系。本文通過研究以上內容,以期加強對草地生態系統碳收支的理解,為區域草地的科學管理、保護與恢復提供科學依據。總結本文的主要研究結論如下：

(1)內蒙古東部地區草地2000、2010和2015年草地面積分別為15.45萬km2、15.38萬km2、15.25萬km2,草地面積呈現逐年下降的趨勢。2000—2015年間,損失草地面積4743.80 km2,新增草地面積2705.57 km2。

(2)2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地平均NPP總量分別為30.68Tg C/a(1 Tg C= 1012g C)、30.33 Tg C/a和35.96 Tg C/a,相對增加17.23%。NPP高值區域主要分布于呼倫貝爾草原東部和興安盟地區,草地植被類型以溫性草原為主。2000—2015年內蒙古東部地區草地植被平均NPP位于166.56—248.14 gC m-2a-1之間,NPP在波動中呈現明顯的上升趨勢(3.65 gC m-2a-1/a,R2=0.47)。

(3)內蒙古東部地區人類活動對草地植被凈初級生產力影響的空間差異明顯,相對退化指數RDI空間異質性強,且具有明顯的地域特征；RDI高值區主要分布在呼倫貝爾草原東部和興安盟部分草地分布區。內蒙古東部地區2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI為24.62%、22.02%和20.37%,2000—2015年間內蒙古東部地區草地RDI在16.64%至30.54%之間波動,RDI值呈緩慢下降趨勢,表明人類活動對草地植被凈初級生產力的干擾程度在下降；相關草地保護工作取得了階段性進展,草地生境質量得到提高,草地生態環境得到改善。

(4)草地與其他土地覆蓋類型相互轉換所導致的NPP變化。2000—2015年,內蒙古東部草地NPP呈先下降后上升的趨勢。2000—2010年草地NPP減少主要是因為林地的轉化和草地本身生產力的下降；2010—2015年草地NPP增加主要是因為草地本身生產力上升,NPP增加了5.829 TgC。草地NPP變化主要與本身凈初級生產力相關。

致謝：感謝國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn)提供數據支撐。