2005-2017年青海三江源區(qū)草地家畜承載力時空格局研究

錢 前， 張秀娟， 王軍邦， 葉 輝， 李英年， 張志軍

(1. 長江大學園藝園林學院， 湖北 荊州 434023； 2. 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室生態(tài)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)與模擬中心， 北京 100101； 3.九江學院旅游與地理學院， 江西 九江 332005； 4.中科院西北高原生物研究所， 青海 西寧 810001； 5.青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 青海 西寧 810007)

草原是全球及中國最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有很高的生態(tài)和經(jīng)濟價值[1-2]。合理的放牧強度下，植物的生產(chǎn)力和物種多樣性都會增加[3-4]，過度放牧草場則會出現(xiàn)退化、沙化加劇的現(xiàn)象[5-6]，影響生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)[7-8]。因此，必須制定適當?shù)恼邍栏窨刂迫藶榻?jīng)濟放牧活動強度，協(xié)調人與自然的關系[9]。通過退牧還草工程效應評估發(fā)現(xiàn)，植被蓋度與產(chǎn)草量都有不同程度的增加[10]，實施恢復工程是區(qū)域沙源固定、碳匯增加和飼草供應恢復的有效方法[11]。

三江源區(qū)位于青藏高原腹地，青海省南部，是中國及東南亞的江河之源，是我國中下游可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全屏障(圖1)。三江源區(qū)是典型高原大陸性氣候，水熱同期、年溫差小、日溫差大，干旱、雪災、暴雨等氣象災害時有發(fā)生，是生態(tài)脆弱區(qū)[12]。草地是三江源主要的植被類型，放牧是牧民主要的謀生方式，隨著當?shù)厝丝诘脑黾樱髷?shù)量也發(fā)生變化。由于人類活動與氣候共同影響，草地已經(jīng)發(fā)生不同程度的退化，為保護三江源脆弱區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)，國家實施了一期、二期生態(tài)保護和建設工程。目前已經(jīng)針對工程成效開展了凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity，NPP)時空格局變化[13],生態(tài)工程實施前后載畜壓力情況[14],草地退化趨勢[15-16]等研究。但綜合對比生態(tài)工程一期、二期兩期的草地承載力方面研究較少。因此，有必要基于長時間序列數(shù)據(jù)，分析生態(tài)工程的實施對草地承載力的影響及草地承載力變化的原因，以期為進一步實施生態(tài)保護和建設工程提供科學參考。

本研究以衛(wèi)星遙感的凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)為基礎，分析2005—2017年三江源區(qū)及各縣、國家公園區(qū)的理論載畜量和載畜壓力的動態(tài)變化，對生態(tài)工程減畜成效進行評估，以期為生態(tài)保護和建設工程的長期實施提供理論支撐。

1 材料與方法

三江源區(qū)2005—2017年250 m空間分辨率NPP數(shù)據(jù)來源于GLOPEM-CEVSA模型[17-18]。模型輸入數(shù)據(jù)包括經(jīng)空間插值的氣象柵格數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感的光合有效輻射吸收比(Fraction of absorbed photosynthetically active radiation，F(xiàn)PAR)、植被碳庫、土壤質地和土壤碳庫等。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

氣象柵格數(shù)據(jù)利用全國750個氣象臺站每日的氣溫、降水量、風速、日照時數(shù)和相對濕度數(shù)據(jù)計算每8 d的平均值，再利用ANUSPLIN插值軟件進行空間內插，得到每8 d空間分辨率為250 m的數(shù)據(jù)。FPAR是利用250 m空間分辨率MODIS波段反射率數(shù)據(jù)計算得到。基于該模型的凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)已經(jīng)在三江源等多個地區(qū)進行了應用研究[19]。

載畜壓力指數(shù)為草地現(xiàn)實載畜量(Cs)與理論載畜量(Cl)之比。草地現(xiàn)實載畜量根據(jù)年末家畜存欄量折算為標準羊單位(SU)；理論載畜量基于衛(wèi)星遙感的凈初級生產(chǎn)力(NPP)計算。具體計算公式如下：

Ip=Cs/Cl

(1)

Cs=Cn×(1+Ch)×Gt/Ar/365

(2)

Ip是載畜壓力指數(shù)，其中，Ip>1則超載放牧，Ip<1則仍有載畜潛力；Cs為單位面積草地現(xiàn)實載畜量，單位為SU·hm-2；Cn為年末家畜存欄量，大家畜按4個羊單位計算，單位為SU，數(shù)據(jù)來源于三江源區(qū)各縣域統(tǒng)計資料；Ch為家畜出欄率，根據(jù)三江源實際情況取30%[14]；Gt為放牧時間以全年365 d放牧計算；Ar為草地面積,單位為hm2。

Cl=Ym×Ut×Co×Ha/Sf/Gt

(3)

其中，Cl為單位面積草地理論載畜量，單位為：SU·hm-2；Ym是單位面積草地產(chǎn)草量，單位為：kg·hm-2；Ut為牧草利用率，取70%；Co為草地可利用率，取92%；Ha為草地可食牧草率，取80%；Sf為日食用干草量，單位為：kg·d-1，依據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準—天然草地合理載畜量的計算取1.8 kg·d-1；Gt與公式(2)一致。

GLOPEM-CEVSA模型計算的NPP為包括地上和地下的凈初級生產(chǎn)力，采用早期實測地上和地下生物量，然后分草地類型計算地上和地下生產(chǎn)力比RBNPP/ANPP，進而將NPP換算為產(chǎn)草量：

GY=NPP/(1+RBNPP/ANPP)

(4)

BNPP=BGB×(liveBGB/BGB)×turnover

(5)

Turnover=0.0009×ANPP+0.25

(6)

其中，GY是草地產(chǎn)草量，單位為：kg·hm-2；NPP為凈初級生產(chǎn)力，單位為：gC·m-2a-1；BNPP為植被地下部分生產(chǎn)力；ANPP為植被地上部分生產(chǎn)力；BGB為地下植被生物量；BGB與ANPP采用2003—2005年高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原等地下生物量和地上生物量實測數(shù)據(jù)；liveBGB/BGB=0.79[20]；turnover為根系周轉值。

2 結果與分析

2.1 理論載畜量

2.1.1各縣草地理論載畜量變化 2005—2017年期間，三江源區(qū)草地理論載畜量呈年際波動變化(圖2)。其中，一期工程實施期間(2005—2012年)，三江源區(qū)草地理論載畜量為0.62 SU·hm-2，理論載畜總量為1 490.74萬只標準羊單位，呈不顯著增長趨勢；二期工程實施后5年(2013—2017年)，草地的平均理論載畜量為0.59 SU·hm-2，理論載畜總量為1 390.19萬只標準羊單位，呈現(xiàn)不顯著降低的趨勢，相比一期工程實施期間降低了6.75%。然而，單因素方差分析表明(表1)，三江源區(qū)兩期理論載畜量間差異不顯著(P= 0.21)，即理論載畜量繼續(xù)保持穩(wěn)定。

圖2 2005—2017年三江源平均理論載畜量變化動態(tài)Fig.2 Changes of average theoretical livestock carrying capacity of Three-River Headwaters in 2005-2017

表1 三江源區(qū)兩期理論載畜量間方差分析Table 1 ANOVA for the theoretical livestock carrying capacity in the two periods in Three-River Headwaters region

在空間上草地理論載畜量表現(xiàn)出較明顯的區(qū)域分異特點(圖3，圖4)。一期工程實施期間(2005—2012年)，河南縣的草地理論載畜量最高，為1.95 SU·hm-2；其次是澤庫縣、同仁縣、尖扎縣和同德縣，平均草地理論載畜量分別為1.70 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2和1.57 SU·hm-2；治多縣和唐古拉山鄉(xiāng)的平均草地理論載畜量最低，分別為0.40 SU·hm-2和0.31 SU·hm-2。

西部曲麻萊縣和治多縣理論載畜量下降幅度最多，分別下降了14.29%，10.23%；囊謙縣、玉樹市、雜多縣的平均草地理論載畜量減少最多，分別減少了0.10 SU·hm-2，0.10 SU·hm-2，0.08 SU·hm-2，下降幅度分別為7.23%，7.78%，9.98%；東部尖扎縣、同德縣較一期工程實施期間分別上升了1.92%，0.84%。其余各縣一期和二期工程前后兩個時段草地理論載畜量變化量均有所下降(表2)。

圖3 三江源區(qū)生態(tài)保護和建設工程實施兩個時段平均理論載畜量的空間格局Fig.3 Spatial pattern of theoretic livestock carrying capacity in two periods of the ecological protection programs in Three-River Headwaters region

圖4 工程兩個時段多年平均載畜量的變化Fig.4 Changes in the annual average livestock carrying capacity of the two periods of the ecological protection program in Three-River Headwaters region

表2 各縣一期和二期工程前后兩個時段草地理論載畜量變化Table 2 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters county

2.1.2國家公園區(qū)草地理論載畜量變化 一期工程實施期間(2005—2012年)，三江源區(qū)黃河源園區(qū)、長江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)的草地理論載畜量分別為0.70 SU·hm-2，0.35 SU·hm-2，0.91 SU·hm-2。二期工程實施后(2013—2017年)，三江源區(qū)黃河源園區(qū)、長江源園區(qū)、瀾滄江源園區(qū)的草地理論載畜量分別為0.65 SU·hm-2，0.31 SU·hm-2，0.94 SU·hm-2。其中瀾滄江源園區(qū)理論載畜量呈增加趨勢，增幅為2.76%；黃河源園區(qū)和長江源園區(qū)呈降低趨勢，較前期減少了0.05 SU·hm-2和0.04 SU·hm-2，減幅分別為10.89%和6.65%(表3)。

表3 三江源國家公園區(qū)一期和二期工程前后兩個時段草地理論載畜量的變化Table 3 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters national park

2.2 年末家畜存欄量與現(xiàn)實載畜總量

1988年以來現(xiàn)實載畜總量的變化如圖5所示，1993年現(xiàn)實載畜總量為最高，達2 886.96萬羊單位，一期工程實施期間(2005—2012年)現(xiàn)實載畜總量2 041.39萬只；二期工程實施后(2013—2017年)現(xiàn)實載畜總量平均為2 216.40萬羊單位，增長趨勢為73.76萬羊單位·a-1，增長趨勢較顯著(Slope=73.76萬羊單位·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

圖5 三江源地區(qū)1988年以來草地理論載畜總量和現(xiàn)實載畜總量動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of the total theoretical and actual livestock carrying capacity in Three-River Headwaters region since 1988

根據(jù)青海畜牧廳統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示(圖6)，三江源地區(qū)16個縣，年末家畜存欄數(shù)在一期工程實施期間(2005—2012年)居首位的是興海縣，為163.97萬只標準羊單位；其次是河南縣、玉樹市、澤庫縣和同德縣，年末存欄數(shù)分別為151.73萬只、143.74萬只、136.79萬只和128.54萬只標準羊單位；瑪多縣和稱多縣最低，分別為27.24萬只和61.37萬只，其余各縣年末存欄數(shù)在70～110萬只標準羊單位之間。

圖6 三江源區(qū)一期和二期工程兩個時段主要縣區(qū)年末家畜存欄數(shù)Fig.6 Year-end livestock in main counties during the two periods of the first and second stages of the Three-River Headwaters region

二期工程實施后(2013—2017年)，玉樹市年末存欄數(shù)最高，為184.06萬只標準羊單位；河南縣、興海縣和囊謙縣次之，分別為164.04萬只，160.40萬只，132.73萬只標準羊單位，達日縣和瑪多縣最低；曲麻萊縣、稱多縣和雜多縣年末存欄數(shù)增加幅度最大，較一期工程實施期間分別增加了60.35%，40.04%和34.36%；達日縣、瑪沁縣、以及甘德縣的年末存欄數(shù)較一期工程實施期間下降幅度最大，分別下降了27.73%，22.69%和20.43%(圖6)。

2.3 載畜壓力指數(shù)

2005—2017年載畜壓力指數(shù)總體呈增加趨勢(slope=0.028,R2=0.40,P<0.01)。一期工程實施期間(2005—2012年)，載畜壓力指數(shù)1.38，二期工程實施后(2013—2017年)載畜壓力指數(shù)增至1.60；其中，2006年載畜壓力指數(shù)最低為1.15，2017年載畜壓力指數(shù)最高為1.82。未實施生態(tài)保護工程前(2000—2004)的載畜壓力指數(shù)為1.67，兩期工程的實施使載畜壓力有所下降。

空間上載畜壓力存在較大區(qū)域差異(圖7)，載畜壓力指數(shù)較高的地區(qū)主要是在水熱條件相對較好的東部地區(qū)，而生態(tài)較為脆弱的西部地區(qū)載畜壓力指數(shù)較低，較為理想地實現(xiàn)了減畜及保護生態(tài)的工程措施目標。僅瑪多縣、治多縣、達日縣兩期生態(tài)保護工程期間均不超載，實現(xiàn)了減畜和保護生態(tài)的目標；但瑪多縣、治多縣載畜壓力指數(shù)在增加，需注意減畜，以防止諸如曲麻萊縣、稱多縣等由不超載變?yōu)槌d。載畜壓力指數(shù)高的地區(qū)集中在東部，如興海縣、同德縣、澤庫縣、河南縣，載畜壓力指數(shù)低的地區(qū)集中在中西部，如治多縣、雜多縣、曲麻萊縣、瑪多縣。

圖7 三江源地區(qū)主要縣草地載畜壓力指數(shù)和三江源區(qū)年際載畜壓力指數(shù)變化Fig.7 Changes in the grazing pressure index of the main counties and Three-River Headwaters region

3 討論

本文計算的2005—2012年載畜壓力指數(shù)為1.38，與張良俠等[14]的研究結果2003—2012年三江源區(qū)載畜壓力指數(shù)為1.46較為接近。兩項研究都采用了相同的方法與數(shù)據(jù)源，保持了數(shù)據(jù)的一致性和可比性，結果較為接近也證明了方法的穩(wěn)定性和可靠性。

三江源區(qū)收入渠道有限，人口不斷增長，對于牲畜的需求量較大[21]。一期工程內載畜壓力指數(shù)總體雖比實施生態(tài)保護工程前有所緩解，但在二期工程實施期間復增反彈。2003年三江源區(qū)開始進行減畜工作，載畜壓力指數(shù)明顯降低。有研究表明，減畜工程前15年(1988—2002年)平均載畜壓力是2.29[14]。本文分析2003年以來的載畜壓力指數(shù)為1.47，與工程實施前相比已經(jīng)有明顯好轉，草地減畜工程取得了一定的成效。但是從近年來的變化趨勢上看，盡管一期工程載畜壓力指數(shù)較工程實施前下降36.1%，但二期工程較一期工程載畜壓力指數(shù)上升了16%，且有逐年遞增的趨勢。理論載畜量年際間變化不明顯，主要是人為導致的年末家畜存欄量有所增加，需要對這種變化的深層次原因進行調查和分析，以確保從根本解決生態(tài)保護與民生保障間可能存在的矛盾。

多數(shù)研究計算的載畜壓力指數(shù)，都表明三江源東部縣超載嚴重[22-23]。東部縣是水熱條件相對較好的重要地區(qū)，其中同德縣有部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在補飼養(yǎng)殖的情況，如同德縣的巴溝鄉(xiāng)、尕巴松多鎮(zhèn)和唐谷鎮(zhèn)(統(tǒng)計資料)。補飼養(yǎng)殖可以降低草原壓力，但三江源空間范圍廣，具體鄉(xiāng)鎮(zhèn)圈養(yǎng)數(shù)據(jù)難以獲取，因此部分東部縣的載畜壓力指數(shù)被高估。而在西部地區(qū)載畜壓力計算中，沒有考慮野生動物的數(shù)量，西部地區(qū)的草地壓力可能被低估。基于無人機對瑪多縣野生動物的調查表明，僅考慮家畜動物時，載畜壓力指數(shù)為1.13，而綜合考慮家畜和野生動物時，載畜壓力指數(shù)為1.38，即如果不考慮大型食草野生動物，載畜壓力將被低估18%[24]。因此，今后草畜平衡研究和政策制定必須綜合考慮野生動物和家畜數(shù)量。

本研究表明，近年來理論載畜量降低、現(xiàn)實載畜量增加導致總體的載畜壓力指數(shù)升高。氣候變化是該地區(qū)草地植被生產(chǎn)力變化的主導因素，植被生產(chǎn)力決定理論載畜量，氣溫和降水能夠解釋全區(qū)草地NPP年際變異的83%[25]。在本研究中，在生態(tài)工程實施期間，三江源區(qū)年降水量下降了19.09 mm，且后期年際波動幅度較前期更大，年均氣溫呈持續(xù)變暖趨勢，說明該地區(qū)氣候呈暖干化變化，這可能是三江源區(qū)草地產(chǎn)草量輕微降低的氣候因素[26]。人類活動方面，2005—2018年期間的14年中，我國共投資180億用于三江源區(qū)生態(tài)保護與建設工程的實施，希望通過補助和獎勵的政策手段達到減畜和草畜平衡的政策目標。但是政策性生態(tài)補償策略，可能由于減畜和補償存在嚴重的不對等關系存在不可持續(xù)性[27]。2003年三江源區(qū)實行減畜政策，前期效果較好，近年來牧民為了提高收入，仍然在提高載畜率，導致能夠實現(xiàn)的減畜比例在下降。具體表現(xiàn)為2003—2009年期間，現(xiàn)實載畜量以12 萬羊單位·a-1趨勢下降，但自2010年出現(xiàn)反彈趨勢，2013—2017年期間，現(xiàn)實載畜量的增加速率增加至73.76 萬羊單·a-1(slope= 73.76萬只標準羊·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

4 結論

本研究基于衛(wèi)星遙感估算的產(chǎn)草量及分縣家畜年末存欄統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析了2005—2017年三江源區(qū)載畜壓力及其變化。生態(tài)保護二期工程，較一期工程實施前取得了初步成效，但二期工程實施期間出現(xiàn)了部分地區(qū)家畜存欄量增加的現(xiàn)象。氣候暖干化和人類活動共同作用導致了載畜壓力指數(shù)的增加。三江源地區(qū)未來還需要加大減畜力度，遵循生態(tài)優(yōu)先原則，創(chuàng)新生產(chǎn)生活方式以實現(xiàn)生態(tài)保護與牧民生計提升雙贏目標。