青藏高原草地承載力空間演變特征及其預警

王立景,肖 燚,孔令橋,吳炳方,歐陽志云,*

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院空天信息研究院,北京 100094

草地生態系統是中國面積最大的陸地生態系統類型,占國土面積的29.98%,也是中國重要的生態安全屏障區,在土壤保持、防風固沙和水源涵養的方面發揮著重要作用[1]。草地也是我國北方、西北和青藏高原等地區畜牧業發展的基礎,是當地居民生產生活的重要資源。由于社會歷史的原因,草地生態系統遭到掠奪式開發,造成草地退化,草地載畜量下降,居民承受巨大的經濟損失[2]。因此充分了解各地區草地生態系統的承載狀況及演變趨勢,對于我國現階段及未來的草地生態系統恢復和科學規劃畜牧業發展格局具有重要意義。

青藏高原是我國重要牧區之一,全國264個牧區與半牧區縣中有133個位于該地區[3]。同時,該地區作為我國“兩屏三帶”生態系統格局的重要組成部分[4],對于區域和國家的生態安全戰略具有重要意義。草地生態系統也是青藏高原主要的生態系統類型,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的發展狀況及潛力,并對該地區的草畜平衡、草地生態系統保護和區域乃至國家的生態安全提供必要支撐[2]。

草地承載力是指區域的草地資源在可持續發展的前提下,所能承載的最大牲畜數量,是草地牧業發展的重要指標,對區域草地的開發與保護具有重要意義,具體表現為草地的理論載畜量等[5]。測算產草量是計算草地承載力的基礎。草地承載力的研究需要通過草地產草量間接計算牲畜承載量。產草量的計算方法包括實測產量法[6]、模型評估法[7—8]和遙感評估法。其中,實測產量法的結果準確,適用于局部地區的研究使用,現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域的產草量地帶性分布規律或已有長期試驗站區域的研究[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據的地區[5, 18]。

目前針對青藏高原草地承載力的研究多以局部地區為主[19—27],如曹娟等[25]發現在草畜平衡政策實施之前的青海剛察縣處于超載狀態,政策實施后則處于草畜平衡狀態；Zhang等[26]發現,三江源東部和南部縣雖然承載力較強,但牲畜存欄量過高,這些地區仍處于超載狀態；趙衛等[27]發現,西藏地區整體處于超載狀態,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警,根據青藏高原獨特的地理條件,且缺乏大范圍實測數據的情況,本文選擇NPP法展開研究。

本文以多年NPP數據為基礎,以青藏高原全域為研究區域,選取理論載畜量和草畜平衡指數,展開草地承載力評價,主要為了(1)分析青藏高原2000—2015年間草地生產力空間格局及其變化特征,(2)結合牲畜存欄量分析縣域草地承載狀況,并對其進行預警,旨在為青藏高原草地保護的優先級劃分,為畜牧業的發展規劃等提供科學依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

青藏高原位于亞洲內陸,是地球上最獨特的地質-地理-生態單元,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。草地生態系統總面積158.82萬km2,占青藏高原總面積的56.99%,是該地區主要的生態系統類型(圖1)。青藏高原內的縣級行政區有244個,除新疆邊界的8個不完全縣外,共有完整縣級行政區236個。

圖1 青藏高原草地生態系統格局示意圖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i第j類草地的全年干草總量(kg);Cij為行政區i范圍內牲畜對第j種草地所產牧草的利用率[29];UG為每個羊單位每天需要的干草量(kg/d),數值為1.8;D為一年的天數,數值為365。

(2)全年標準干草產量

(2)

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

(3)產草量模型測算精度分析

選取已發表論文中與研究時間相近的青藏高原地區產草量數據,與本論文進行對比,結果見表1。本研究結果均在相應實測值的誤差范圍內,表明研究方法適用于本研究區。

表1 本研究與已有結果對比

(4)草畜平衡指數[35]

(3)

BGLI是草畜平衡指數,A為牲畜存欄量,CA為理論載畜量。

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

(5)草畜平衡預警

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

表2 預警等級劃分

1.3 數據來源

(1)凈初級生產力數據：來源于中國科學院空天信息創新研究[36],數據基于CASA模型生產,為空間柵格數據,空間分辨率為250 m,時間分辨率為月。

(2)生態系統格局數據：來源中國生態系統評估與生態安全數據庫(http://www.ecosystem.csdb.cn),空間分辨率90 m。

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

2 結果與分析

2.1 青藏高原草地理論載畜量空間格局及變化趨勢

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

青藏高原理論載畜量整體呈現東高西低格局(圖2)。2015年總產草量達到11393.32萬噸,相應的總理論載畜量為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,占全區干草總產量的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,增長區域以青藏高原東北部和中東部為主,下降區域以青藏高原中南部地區為主(圖2)。干草總產量由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,主要是傳統的牧區與半牧區縣,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(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及變化趨勢

2015年青藏高原整體的草畜平衡指數為67.91%,處于超載狀態。2000和2010年草畜平衡指數也一直處于超載狀態(圖7),草畜平衡指數由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年超載的縣數量呈先穩定后降低的趨勢,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)。超載縣在牧區與半牧區中有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與半牧區縣為主,其他縣的比重較低(表3)。

2.4 青藏高原草地承載力預警

青藏高原草畜平衡指數預警結果如圖所示(圖9)。與表1對比發現,實際的預警結果中,臨界超載狀態只包括黃色預警區,橙色和紅色預警區均屬于超載狀態。

圖7 2000—2015年草畜平衡指數及變化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,紅色預警區諸縣的面積共43.84萬km2,綠色無警區諸縣面積共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,但紅色預警區的縣域數量合計72個,綠色無警區僅有32個,前者是后者的2.25倍。且紅色預警區多分布于青藏高原中南部(以西藏為主)和東部,綠色無警區多分布于青藏高原西部及北部,中東部地區的草地承載力遠高于西部及北部,呈現出草地承載力越強,超載情況越嚴重的空間分布格局。綠色無警區主要分布在牧區與半牧區縣(73.17%),橙色預警區和紅色預警區在兩類縣中的數量基本相當(表4)。

紅色預警區已經處于超載狀態,且超載狀態還在加劇,在未來畜牧業的管理中亟需重點關注；橙色預警區和黃色預警區的超載狀況在改善中,未來需要進一步保持這一趨勢,使之最終轉為綠色無警區；藍色預警區需要也需要得到相應的關注,避免惡化為橙色或紅色預警區。青藏高原綠色無警區,是未來畜牧業調整發展的主要實施區域。

表3 各級草畜平衡指數分布

表4 各級預警區匯總

圖9 青藏高原草畜平衡預警Fig.9 Early-warning of BGLI

3 討論與結論

3.1 討論

基于CASA模型的草地凈初級生產力研究目前已成熟,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,其擬合優度達0.83[46]和0.92[47],結合表2的多個地區產草量的驗證結果,表明該模型及其結果適用于青藏高原地區。

青藏高原草地生產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],并在研究期間內相對穩定。青藏高原東部的草地生產力遠高于西部及北部,該地區與中國的中亞熱帶、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的高生產力草地面積為26.32萬km2,而集中分布于青藏高原西部及北部地區的低生產力草地面積為53.49萬km2,前者不足后者的一半,使得該區域草地承載力相對較低。青藏高原草地生產力在研究時間內保持增長趨勢,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,中國西部地區由“暖干化”趨向于“暖濕化”[53]有關,但青藏高原草地生產力的格局仍然相對穩定。隨著氣溫和降雨量的上升,未來青藏高原地區草地生產力將進一步提升,相應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合。青藏高原的牲畜存欄量遠高于本地區草地承載力,其中牲畜存欄量是決定該地區草畜平衡指數的主要因素。青藏高原草畜平衡指數在研究時間內均處于超載狀態,且十分嚴峻,呈現出草地承載力越強,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力而提高草地承載力的方法,無法徹底解決青藏高原地區的超載狀況。未來隨著生態保護工程在青藏高原地區的進一步實施及居民收入要求的進一步提高,將對該地區的草畜平衡提出更嚴峻的挑戰[54]。鑒于2000、2010和2015年未超載的縣還有39、34和41個,可以調整未超載縣的牲畜存欄量,優化畜牧產業布局。但應該優先控制處于紅色預警區的牲畜存欄量,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,還需要結合人口密度、坡度和凈初級生產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果,但并非所有物種均可被牲畜采食,因此有效區分不可采食區域,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 結論

本文核算了青藏高原地區的2000—2015年的草地生產力,結合相應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,并根據其變化趨勢對青藏高原草地承載力進行預警,結論如下：

(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草地承載力的主要組成部分；

(2)青藏高原地區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,2000—2010年超載狀況加劇,至2015年超載狀況稍有緩解,草畜平衡指數由67.88%增至79.90%,再降至67.91%。其中紅色預警區的縣有72個,亟需優先調控其牲畜存欄量。