氣候變化和人為活動在寧夏草地變化中的相對作用

任小玢,張東海,俞鴻千,徐 潔,蔣 齊,*,王占軍,吳旭東

1 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所,銀川 750002 2 西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054 3 北京林業(yè)大學(xué)生態(tài)與自然保護(hù)學(xué)院,北京 100083 4 寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750002

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一,在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用[1—2]。氣候變化和人為活動是草地生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復(fù)過程中的兩大驅(qū)動因素[3—4]。有研究表明,我國北方地區(qū)將呈現(xiàn)降水增加、溫度顯著升高的變化趨勢[5],不同區(qū)域植被生產(chǎn)力對氣溫和降水變化的響應(yīng)程度存在差異[6—8]；極端氣候事件頻率將顯著增加[9],干旱可能導(dǎo)致植被生產(chǎn)力降低,植被物種多樣性減少,植被組成的空間格局發(fā)生變化[10—11]。此外,隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,草原利用過程中人為活動方式和規(guī)模的改變不可避免地對植被生長造成影響,人為活動逐漸成為植被生長的關(guān)鍵因素之一。因此,定量識別氣候變化和人為活動在植被變化過程中的相對作用對于草地生態(tài)修復(fù)及重建具有一定意義。

寧夏各類草地面積之和占全區(qū)國土總面積的58%以上,是自治區(qū)的半壁河山和面積最大的綠色生態(tài)屏障。草地資源作為寧夏面積最大的土地類型和主要的可更新資源,不僅是草原畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),而且對維護(hù)生態(tài)平衡,保護(hù)人類生存環(huán)境發(fā)揮著重要作用。寧夏地處典型的氣候過渡帶和農(nóng)牧交錯區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,草地退化或恢復(fù)的過程受到氣候變化和人為活動的共同作用,但是兩者的相對貢獻(xiàn)率存在相互交織而難以區(qū)分的問題。近年來,寧夏草地動態(tài)變化及其驅(qū)動力的監(jiān)測和研究較多,主要針對不同土地利用方式[12]、不同景觀特征或斑塊尺度[13]、不同植被群落分布格局[14]以及不同降水梯度下[15]草原植被對氣候環(huán)境的響應(yīng),也有研究分析了寧夏草地生產(chǎn)力的變化趨勢及其對氣候變化的響應(yīng)[16—17],但是定量劃分氣候變化和人為活動對草地生產(chǎn)力相對作用的研究較少。

隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展,利用遙感手段對區(qū)域植被動態(tài)變化的監(jiān)測和模擬研究彌補(bǔ)了野外調(diào)查方式的不足[18],針對植被動態(tài)變化的研究尺度從局部近距離的直接介入性研究拓展到區(qū)域性整體的定量模擬研究[19]。植被生產(chǎn)力的下降或上升是植被退化或恢復(fù)的重要表現(xiàn)方面,植被凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)是植物通過光合作用在單位時間和面積上所積累的有機(jī)干物質(zhì)總量,不僅可以準(zhǔn)確反映植被生長狀況,也是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯及調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子[20—21]。在干旱半干旱地區(qū),年降水量較少且年際間變化較大,使得很難將氣候變化對植被生產(chǎn)力變化的作用從人為活動的作用中剝離[22]。已有研究將NPP作為公共指標(biāo)[23—26],并利用殘差趨勢法(Residual trend analysis, RESTREND)定量區(qū)分植被動態(tài)變化過程中氣候變化和人為活動的相對作用,尤其適用于對降水更為敏感的干旱和半干旱地區(qū)[27—29]。

因此,本研究選取NPP作為衡量指標(biāo),利用實(shí)際NPP監(jiān)測2001—2019年寧夏草地生產(chǎn)力的動態(tài)變化,結(jié)合潛在NPP和人為活動影響的NPP(潛在NPP與實(shí)際NPP的差值)定量評估氣候變化和人為活動在寧夏主要類型草地退化或恢復(fù)過程中的相對作用,以期為寧夏草地生態(tài)修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展及利用提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖1 寧夏主要類型草地分布圖Fig.1 The distribution of main types of grassland in Ningxia

寧夏地處我國西北地區(qū)東部(35°14′—39°23′ N,104°17′—107°39′ E),國土總面積 6.64 萬 km2,地勢南高北低,西部高差較大,東部起伏較緩。寧夏地處半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡帶,氣候類型為典型的大陸性半濕潤半干旱氣候,冬季較長,夏季較短,降水量少,風(fēng)大干燥。多年平均降水量183.4—677 mm,主要集中在夏季,空間上呈現(xiàn)出南多北少的特點(diǎn)[30]。多年平均氣溫為5.20—8.19℃,近60年全區(qū)平均氣溫以0.38 ℃/10a的速率升高,且近20年增溫效果更為明顯[31]。年日照時數(shù)2247.20—3083.50 h,日照百分率51%—70%。寧夏草地植被呈現(xiàn)典型的地帶性分布特征,由南向北表現(xiàn)為從草原向荒漠過渡(圖1)。寧夏主要草地類型有溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原以及溫性草原化荒漠[32]。其中,溫性草甸草原主要分布于海原、固原、彭陽、涇源的部分地區(qū),植物優(yōu)勢種有蒙古風(fēng)毛菊(Saussureamongolica)、白蓮蒿(Artemisiastechmanniana)、長芒草(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)等,土壤主要為山地棕壤土、暗灰褐土和黑壚土；溫性草原主要分布于寧夏南部海原、固原、西吉、隆德和彭陽大部分地區(qū)以及鹽池南部麻黃山地區(qū),植物優(yōu)勢種有大針茅(Stipagrandis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、賴草(Leymussecalinus)、中亞苔草(Carexduriuscula)和堿菀(Tripoliumpannonicum)等,土壤主要為黃綿土、淡栗鈣土和黑麻土；溫性荒漠草原是寧夏分布面積最大的草地類型,主要分布于寧夏中北部地區(qū),植物優(yōu)勢種有短花針茅(Stipabreviflora)、黑沙蒿(Artemisiaordosic)、老瓜頭(Cynanchummongolicum)和牛枝子(Lespedezapotaninii)等,土壤主要有草原風(fēng)沙土、灰鈣土和淡灰鈣土；溫性草原化荒漠面積較少,零散分布于中衛(wèi)迎水鎮(zhèn)、中寧石空鎮(zhèn)、青銅峽邵崗鎮(zhèn)以及靈武臨河鎮(zhèn)等,優(yōu)勢灌木有珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂(Reaumuriasoongarica)和貓頭刺(Oxytropisaciphylla)等,草本植物有中亞苔草(Carexduriuscula)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和堿蓬(Suaedaglauca)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所用的數(shù)據(jù)包括歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)、土地覆被類型、氣象數(shù)據(jù)等。其中,2001—2019年NDVI數(shù)據(jù)為MOD13Q1影像(通過https://nssdc.gsfc.nasa.gov/下載),數(shù)據(jù)周期為16 d,空間分辨率250 m。使用MRT(MODIS reprojection tool)對遙感影像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重投影、圖像拼接等預(yù)處理,采用最大合成法得到NDVI的月遙感數(shù)據(jù)。2001—2019年土地覆蓋數(shù)據(jù)是基于國際地圈生物圈計劃(The International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)分類系統(tǒng)的MCD12Q1產(chǎn)品(通過LPDAAC的EOS/MODIS數(shù)據(jù)中心下載),空間分辨率500 m。根據(jù)研究需要將IGBP分類系統(tǒng)的17個類別劃分為7個主要土地覆被類型：水體、森林、草地、農(nóng)田、農(nóng)田/自然植被、城市和荒漠[19]。

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn),搜集并整理寧夏及周邊24個氣象臺站2001—2019年日平均溫度(℃)、日降水量(mm)、日照時數(shù)(h)等數(shù)據(jù),采用Kriging插值法將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為空間柵格數(shù)據(jù),最后利用研究區(qū)邊界裁剪得到2001—2019年逐月降水量、平均氣溫、太陽總輻射的空間數(shù)據(jù)。以上空間數(shù)據(jù)均采用Albers equal area conical-WGS 84投影坐標(biāo)系統(tǒng),分辨率統(tǒng)一為500 m。

對寧夏草地類型空間格局進(jìn)行了遙感解譯。初步根據(jù)20世紀(jì)80年代寧夏草地類型空間分布圖設(shè)計采樣帶與采樣點(diǎn),選用2015年資源三號衛(wèi)星(全色波段空間分辨率2.1 m)、高分一號衛(wèi)星(全色波段空間分辨率2 m)遙感影像,在對2015年寧夏草地類型自動分類的基礎(chǔ)上,進(jìn)行目視解譯。2017年8月底—9月初,在寧夏主要類型草地調(diào)查95個核心樣點(diǎn),記錄沿途踩點(diǎn)2000個以上,用于分類結(jié)果的人工修改,確保草地類型的解譯精度高于80%以上[33]。

根據(jù)寧夏主要草地類型及其優(yōu)勢種,設(shè)置了49個野外監(jiān)測點(diǎn)(圖1),于2018年8月實(shí)地調(diào)查各監(jiān)測點(diǎn)生物量。每個監(jiān)測點(diǎn)隨機(jī)設(shè)置3個1 m×1 m的樣方(灌木樣方10 m×10 m),各樣方間隔距離50米以上。齊地收割植物地上部分生物量并烘干稱重,以3個樣方地上生物量的平均值代表該監(jiān)測點(diǎn)地上生物量,結(jié)合地上/地下生物量比例系數(shù)[34]和碳轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.475)[35]計算每個監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測NPP。

2 研究方法

本研究選取了3種草地凈初級生產(chǎn)力,即實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(ANPP)、潛在凈初級生產(chǎn)力(PNPP),以及人為活動影響下的草地凈初級生產(chǎn)力(HNPP)。

2.1 實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(ANPP)

CASA模型是植被NPP估算的光能利用率模型之一,其利用遙感數(shù)據(jù)、近地面氣象數(shù)據(jù)和植被類型等數(shù)據(jù)反演不同尺度植被NPP,已廣泛用于全球及區(qū)域尺度的NPP研究中[21, 36—38]。本研究采用由朱文泉等改進(jìn)的CASA模型估算草地實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(ANPP)[35],改進(jìn)的CASA模型考慮了不同植被覆蓋分類精度對NPP估算結(jié)果的影響,以及最大光能利用率的區(qū)域差異；在保持模型原有植物生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上,通過改進(jìn)水分脅迫因子估算方法,簡化了相關(guān)參數(shù),使得模型的實(shí)際可操作性更強(qiáng)[35]。NPP由植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個變量確定,計算公式如下：

ANPP(x,t)=APAR (x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,ANPP(x,t)為像元x在t月實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(gC/m2)；APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2),該指標(biāo)取決于太陽輻射總量和植被本身的特征；ε(x,t)表示像元x在t月的光能利用率(gC/MJ),即植物把吸收的光合有效輻射轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率,受到理想條件下的最大光能利用率和植物生長環(huán)境(溫度和水分)的影響。植被吸收的光合有效輻射(APAR)取決于太陽總輻射和植被光合有效輻射的吸收比例,計算公式如下：

APAR(x,t) = SOL(x,t)×FPAR(x,t) ×0.5

(2)

式中,SOL(x,t)表示t月份在像元x處的太陽總輻射量(MJ/m2),本研究利用Angstrom模型計算太陽總輻射量[39]；FPAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例(無單位),其與NDVI、比值植被指數(shù)(Simple ratio, SR)存在著線性關(guān)系,根據(jù)Potter等[40]的方法計算；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.38—0.71 μm)占太陽總輻射的比例。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中,Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用(無單位),受月平均溫度和全年NDVI達(dá)到最大值時的溫度調(diào)節(jié)；Wε(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)(無單位),主要反映水分條件的影響,由月平均氣溫和相應(yīng)的土壤特性決定[40]；εmax是理想條件下的最大光能利用率(gC MJ-1),不同植被類型的最大光能利用率不同,本研究取值采用朱文泉等[41]的研究結(jié)果。

圖2 草地NPP實(shí)測值與模擬值的比較 Fig.2 The comparison of NPP measured in the field and simulated by the improved Carnegie-Ames-Stanford approach (CASA) modelNPP：凈初級生產(chǎn)力Net primary productivity

利用野外實(shí)測NPP驗(yàn)證改進(jìn)的CASA模型的模擬精度。圖2為實(shí)測值與模型模擬值的散點(diǎn)圖以及線性回歸方程,相關(guān)系數(shù)為0.818(P<0.01),決定系數(shù)R2=0.670,表明實(shí)測值與模擬值具有較強(qiáng)的相關(guān)性,模型的模擬精度滿足研究需求。

2.2 潛在凈初級生產(chǎn)力(PNPP)

草地潛在凈初級生產(chǎn)力即氣候條件對草地動態(tài)變化的驅(qū)動作用。Miami模型是早期基于氣象因子評估植被NPP區(qū)域分布的模型之一,其根據(jù)實(shí)測NPP和氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)之間最小二乘法回歸關(guān)系建立[42]。本研究利用Thornthwaite Memorial模型計算草地潛在凈初級生產(chǎn)力(PNPP),該模型基于Miami模型中使用的數(shù)據(jù)建立,對傳統(tǒng)模型中的Thornthwaite潛在蒸散量模型進(jìn)行了修正[42—43],且在北方農(nóng)牧交錯區(qū)草地潛在凈初級生產(chǎn)力模擬中具有較好的適用性[44—45]。計算公式為：

PNPP=3000×[1-e-0.0009695(v-20)]

(4)

(5)

L=3000+25t+0.05t3

(6)

式中,PNPP為潛在凈初級生產(chǎn)力(gC m-2a-1),v為年實(shí)際蒸散量(mm),L為年最大蒸散量(mm),t為年均氣溫(℃),r為年降水量(mm)。

2.3 人為活動影響的草地凈初級生產(chǎn)力(HNPP)

草地潛在凈初級生產(chǎn)力和實(shí)際凈初級生產(chǎn)力的差值表征人為活動影響的草地凈初級生產(chǎn)力(HNPP)[26]。負(fù)值表示人為活動有利于NPP增加,即草地處于恢復(fù)狀態(tài)；正值表示人為活動導(dǎo)致NPP損失,即草地處于退化狀態(tài)。計算公式為：

HNPP=PNPP-ANPP

(7)

2.4 氣候變化和人為活動對草地變化相對作用的定量評估

利用ANPP的變化趨勢評價草地動態(tài)變化,利用PNPP和HNPP的變化趨勢評價氣候變化和人為活動對草地動態(tài)變化的影響。采用一元線性回歸模型逐像元計算2001—2019年寧夏草地凈初級生產(chǎn)力的變化趨勢。計算公式如下：

y=α+βx+ε

(8)

式中,y為NPP,x為監(jiān)測年數(shù),α為截距,β為斜率,ε為誤差。β>0表示NPP處于增加趨勢,反之為降低趨勢。對斜率β進(jìn)行t檢驗(yàn),P<0.05通過顯著性檢驗(yàn)。

本研究利用NPP的變化定量評估氣候變化和人為活動在草地變化中的相對作用。ANPP斜率βA大于0,表示草地處于恢復(fù)狀態(tài)；βA小于0,表示草地處于退化狀態(tài)。PNPP斜率βP大于0,表示氣候變化有利于草地恢復(fù)；βP小于0,表示氣候變化引起草地退化。HNPP斜率βH大于0,表示人為活動引起草地退化；βH小于0,表示人為活動有利于草地恢復(fù)。參照已有研究結(jié)果[26],氣候變化和人為活動對草地動態(tài)變化的影響存在6種情景(表1)。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)際和潛在凈初級生產(chǎn)力

圖3為2001—2019年寧夏草地實(shí)際(ANPP)和潛在(PNPP)凈初級生產(chǎn)力空間格局,寧夏草地ANPP和PNPP均表現(xiàn)為由北向南逐漸升高。2001—2019年,寧夏草地實(shí)際凈初級生產(chǎn)力均值為242.84 gC m-2a-1,潛在凈初級生產(chǎn)力均值為520.01 gC m-2a-1。不同類型草地凈初級生產(chǎn)力存在差異(圖4),溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠年均ANPP分別為605.44 gC m-2a-1、356.46 gC m-2a-1、185.79 gC m-2a-1和137.98 gC m-2a-1,年均PNPP分別為765.46 gC m-2a-1、696.95 gC m-2a-1、444.44 gC m-2a-1和363.04 gC m-2a-1。

表1 草地變化過程中氣候變化和人為活動相對作用的情景

βA：實(shí)際凈初級生產(chǎn)力的斜率,Slope of actual net primary productivity；βP：潛在凈初級生產(chǎn)力的斜率,Slope of potential net primary productivity；βH：人為活動影響的草地生產(chǎn)力斜率, Slope of net primary productivity determined by human activity

圖3 2001—2019年寧夏草地年均ANPP和PNPP空間格局Fig.3 Spatial pattern of average annual ANPP and PNPP of grassland in Ningxia from 2001 to 2019 ANPP：實(shí)際凈初級生產(chǎn)力Actual net primary productivity；PNPP：潛在凈初級生產(chǎn)力Potential net primary productivity

圖4 2001—2019年寧夏主要類型草地年均ANPP和PNPPFig.4 The average annual ANPP and PNPP of different types of grassland of Ningxia from 2001 to 2019

3.2 ANPP、PNPP和HNPP的變化趨勢

圖5 2001—2019年寧夏草地ANPP、PNPP和HNPP變化趨勢及顯著性空間格局Fig.5 Spatial pattern of change trend and its significance for ANPP, PNPP and HNPP of grassland in Ningxia from 2001 to 2019HNPP：人為活動影響的草地凈初級生產(chǎn)力,Net primary productivity determined by human activity

2001—2019年寧夏草地ANPP總體呈增大趨勢(圖5),單位面積年均增長率為7.01 gC m-2a-1。不同類型草地凈初級生產(chǎn)力年均變化速率存在差異(圖6),溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠ANPP年均變化率分別為9.96 gC m-2a-1、12.47 gC m-2a-1、4.68 gC m-2a-1和3.55 gC m-2a-1?？臻g分布上,ANPP增加(βA>0)的草地面積為22625.02 km2,占寧夏草地總面積的97.84%,其中呈顯著增加趨勢(P<0.05)的草地面積占73.72%(圖5)。由表2可知,溫性荒漠草原ANPP呈增大趨勢的面積最多,占寧夏草原總面積的55.29%；溫性草原化荒漠ANPP呈增大趨勢的面積最少,占寧夏草原總面積的4.82%。此外,ANPP總體呈減小趨勢(βA<0)的草地面積為498.87 km2,僅占寧夏草地總面積的2.16%。

圖6 寧夏主要類型草地凈初級生產(chǎn)力年均變化速率Fig.6 The annual change rate of ANPP, PNPP and HNPP of different types of grassland in Ningxia

2001—2019年寧夏全區(qū)草地PNPP均有所增加(圖5),表明研究區(qū)氣候變化有利于植被恢復(fù),單位面積PNPP年均增長率為7.46 gC m-2a-1。其中,溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠PNPP年均變化率分別為12.72 gC m-2a-1、10.65 gC m-2a-1、5.83 gC m-2a-1和4.14 gC m-2a-1(圖6)。空間分布上,寧夏草地PNPP均呈增大趨勢(βP>0),其中呈顯著增加趨勢(P<0.05)的草地面積占草地總面積的12.85%(圖5)。此外,溫性荒漠草原PNPP呈增加趨勢(βP>0)的面積最多,占寧夏草原總面積的57.20%,溫性草原化荒漠PNPP呈增加趨勢(βP>0)的面積僅占4.99%(表2)。

表2 寧夏主要類型草地凈初級生產(chǎn)力變化趨勢的面積及百分比

2001—2019年,人為活動導(dǎo)致草地凈初級生產(chǎn)力降低(βH>0)的面積占寧夏草地總面積的62.46%,其中0.57%的草地凈初級生產(chǎn)力顯著降低(P<0.05)(圖5),人為活動導(dǎo)致草地退化主要分布于寧夏中西部和北部地區(qū),零星分布于南部地區(qū)；人為活動促進(jìn)草地凈初級生產(chǎn)力上升(βH<0)的面積占寧夏草地總面積的37.56%,其中2.88%的草地凈初級生產(chǎn)力顯著上升(P<0.05),人為活動促進(jìn)草地恢復(fù)(βH<0)主要分布于寧夏南部地區(qū),零星分布于中北部地區(qū)；HNPP變化趨勢表明人為活動對寧夏草地生產(chǎn)力造成損失的作用更大。從不同草地類型來看(圖6),溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠HNPP年均變化率分別為2.76 gC m-2a-1、-1.82 gC m-2a-1、1.15 gC m-2a-1和0.59 gC m-2a-1。此外,人為活動引起溫性荒漠草原退化(βH>0)的面積最大,占人為活動引起草地退化總面積的42.61%；人為活動促進(jìn)溫性草原恢復(fù)(βH<0)的面積最大,占人為活動促進(jìn)草地恢復(fù)總面積的19.53%(表2)。

3.3 氣候變化和人為活動的相對作用

圖7 寧夏草地恢復(fù)和草地退化過程中氣候變化、人為活動及二者共同作用驅(qū)動格局Fig.7 Spatial distribution of the relative roles of climate change, anthropogenic activities and the combination of these two factors on the restoration and degradation of grassland in Ningxia

將2001—2019年草地處于恢復(fù)狀態(tài)(βA>0)的區(qū)域與氣候變化和人為活動對草地變化的影響進(jìn)行疊加分析,結(jié)合表1分析草地恢復(fù)過程中氣候變化和人為活動的相對作用。結(jié)果表明(圖7),氣候變化是寧夏草地恢復(fù)的主導(dǎo)因素,其引起的草地恢復(fù)面積占草地恢復(fù)總面積的61.68%,氣候變化和人為活動共同作用引起的草地恢復(fù)面積占38.32%。4種類型草地恢復(fù)的主導(dǎo)因素不同(圖8)。氣候變化是溫性草甸恢復(fù)的主導(dǎo)因素,其恢復(fù)面積占溫性草甸恢復(fù)總面積的68.94%；氣候變化和人為活動共同作用是溫性草原恢復(fù)的主導(dǎo)因素,其恢復(fù)面積占溫性草原恢復(fù)總面積的62.30%；氣候變化和人為活動的共同作用是溫性荒漠草原恢復(fù)的因素,其恢復(fù)面積占溫性荒漠草原恢復(fù)總面積的97.93%；氣候變化是溫性草原化荒漠恢復(fù)的主導(dǎo)因素,其恢復(fù)面積占溫性草原化荒漠恢復(fù)總面積的70.51%。

將2001—2019年草地處于退化狀態(tài)(βA<0)的區(qū)域與氣候變化和人為活動對草地變化的影響進(jìn)行疊加分析,結(jié)合表1分析草地退化過程中氣候變化和人為活動的相對作用。結(jié)果表明,盡管寧夏草地退化面積較少(占寧夏草地總面積的2.16%),但是人為活動是4種類型草地退化的絕對主導(dǎo)因素,氣候變化與人為活動共同作用引起的草地退化面積僅占0.05%(圖8)。

圖8 寧夏草地恢復(fù)和草地退化過程中氣候變化和人為活動的相對作用Fig.8 Relative roles of anthropogenic and climatic effects on restoration and degradation of grassland in Ningxia

4 討論

寧夏地處干旱、半干旱氣候區(qū),溫度和降水是影響植被生長的重要因素,氣候暖濕化可以促進(jìn)植被生長,而氣候暖干化會降低草地生產(chǎn)力,水分條件是區(qū)內(nèi)植物生長的限制因子[46]。由圖9可知,2001—2019年寧夏年均氣溫和年降水量均呈上升趨勢,表明區(qū)域氣候呈現(xiàn)向暖濕化演變的特征[30—31],水熱條件的好轉(zhuǎn)有助于提高草地植被生產(chǎn)力,進(jìn)而促進(jìn)草地恢復(fù)。相較于短期的氣溫變化,年降水量對植被生長的影響更大[47],進(jìn)一步對年均氣溫和年降水量與PNPP值進(jìn)行回歸分析,結(jié)果表明寧夏草地PNPP與氣溫呈不顯著相關(guān)(R2=0.29,P=0.22),而與降水量呈顯著正相關(guān)(R2=0.99,P<0.01),表明降水增加是寧夏草地動態(tài)變化的主導(dǎo)氣候因子,這與已有研究的結(jié)論是一致的[16, 26]。

圖9 2001—2019年寧夏年均氣溫和年降水量Fig.9 Changes in mean annual temperature and annual precipitation in Ningxia from 2001 to 2019

對2001—2019年寧夏草地年均氣溫和年降水量的空間變化趨勢進(jìn)行分析(圖10),結(jié)果表明年均氣溫和年降水量的變化趨勢具有區(qū)域差異。寧夏中北部氣溫升高的趨勢較大,由北向南升高趨勢逐漸減??；相反,寧夏南部降水增加趨勢較大,總體表現(xiàn)為由南向北降水增加趨勢逐漸減小。統(tǒng)計了2001—2019年4種草地類型年均氣溫和年降水量的變化率,溫性草甸、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠年均氣溫變化率分別為0.021、0.027、0.04、0.047 ℃/a,年降水量變化率分別為8.19、6.65、3.17、2.14 mm/a。溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠區(qū)域氣溫升高趨勢較大,年降水量略微增加。溫性草甸和溫性草原區(qū)域氣溫增加趨勢低于溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠,但是降水增加趨勢高于其他草地類型,因此溫性草甸和溫性草原草地生產(chǎn)力的增加趨勢高于其他草地類型,氣候因素尤其是降水增加明顯促進(jìn)了這兩類草原生產(chǎn)力的提高。

圖10 2001—2019年寧夏草地年均氣溫和年降水量的變化趨勢Fig.10 The change trend for mean annual temperature and annual total precipitation of grassland in Ningxia from 2001 to 2019

經(jīng)統(tǒng)計,2001—2019年寧夏年末牲畜存欄數(shù)緩慢增長(圖11),近19年間年末牲畜存欄數(shù)增長了近50%,這期間草地實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(ANPP)呈增加趨勢,可見牲畜存欄數(shù)增加并未導(dǎo)致草地實(shí)際生產(chǎn)力下降,這可能與生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施密切相關(guān)。為了遏制天然草原環(huán)境惡化的趨勢,2000年以來我國陸續(xù)開始實(shí)施“退耕還林還草”和“封育禁牧”等重大草原生態(tài)保護(hù)與管理工程。當(dāng)禁牧程度達(dá)到完全禁牧的40%,草地恢復(fù)的趨勢即可基本趨于穩(wěn)定[48],2003年寧夏開始實(shí)施全域禁牧政策,并通過貫徹落實(shí)相關(guān)草原生態(tài)保護(hù)與管理政策來消除放牧壓力,草原植被得到明顯恢復(fù)[49],因此實(shí)施生態(tài)保護(hù)政策是促進(jìn)草地恢復(fù)的人為因素之一。此外,2001—2019年人為活動對草地生產(chǎn)力的影響(HNPP)總體并未表現(xiàn)出明顯的增加趨勢,且人為活動對草地實(shí)際生產(chǎn)力造成了不同程度的損失(年均HNPP均為正值),一方面由于潛在凈初級生產(chǎn)力(PNPP)的增加趨勢(7.46 gC m-2a-1)略高于實(shí)際凈初級生產(chǎn)力(ANPP)(7.01 gC m-2a-1),導(dǎo)致兩者差值沒有顯著的變化趨勢；另一方面雖然寧夏實(shí)施全域禁牧政策,但實(shí)際生產(chǎn)中仍然存在不同程度地“偷牧”現(xiàn)象[50],這些不合理的人為活動對草地退化產(chǎn)生了一定影響。

圖11 2001—2019年年均HNPP和年末牲畜存欄量變化趨勢Fig.11 The change trend for mean annual HNPP and number of livestock between 2001 and 2019 in NingxiaHNPP: 人為活動影響的生產(chǎn)力

2001—2019年,人為活動促進(jìn)草地恢復(fù)(βH<0)的面積占寧夏草地總面積的37.54%,主要分布于水熱條件相對較好的溫性草原和溫性草甸,表明除了氣候條件的有利因素,退耕還林還草等生態(tài)政策的實(shí)施發(fā)揮了一定積極作用。人為活動引起草地退化(βH>0)的面積占寧夏草地總面積的62.46%,主要分布于水熱條件相對較差(尤其是降水偏少)的溫性荒漠草原,表明人為活動對溫性荒漠草原的負(fù)面影響仍然存在。2000—2016年寧夏草地面積減少34.77萬公頃,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化等社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人工建設(shè)用地與耕地等擴(kuò)張過程中占用草地的現(xiàn)象明顯[33, 51],因此對草地的不合理利用是加速草地退化的人為因素之一。其次,有研究表明禁牧程度達(dá)到40%以后繼續(xù)增加禁牧程度直至完全禁牧,并不能更有效的提高草地沙漠化的逆轉(zhuǎn)速度[48],長期禁牧對草地植被生產(chǎn)能力等產(chǎn)生不良影響[52],因此禁牧政策是否完全發(fā)揮了正面作用需要進(jìn)一步探討。綜上所述,草原生態(tài)保護(hù)與管理政策在草地恢復(fù)及草地沙化治理過程中發(fā)揮了一定作用[53],但是人為活動對草地不合理的利用方式是導(dǎo)致草地退化的原因之一,同時人為活動對草地變化過程的內(nèi)在驅(qū)動機(jī)制以及禁牧的長期成效還需要進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

本文選取植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)為衡量指標(biāo),定量評估了2001—2019年寧夏主要類型草地動態(tài)變化以及氣候變化和人為活動在草地變化中的相對作用。研究表明,2001—2019年寧夏草地實(shí)際凈初級生產(chǎn)力增大的面積占寧夏草地總面積的97.84%,其中73.72%的草地呈顯著恢復(fù)趨勢；全區(qū)草地潛在凈初級生產(chǎn)力均表現(xiàn)為增加趨勢,表明氣候變化有利于植被恢復(fù)。草地恢復(fù)過程中,氣候變化引起的草地恢復(fù)面積占草地恢復(fù)總面積的61.68%,氣候變化和人為活動共同作用引起的草地恢復(fù)面積占38.32%；草地退化過程中,盡管寧夏草地退化面積較小,但是人為活動是導(dǎo)致草地退化的絕對主導(dǎo)因素。4種類型草地動態(tài)變化中的驅(qū)動因素不同。其中,氣候變化是溫性草甸(68.94%)和溫性草原化荒漠(70.51%)恢復(fù)的主導(dǎo)因素,氣候變化和人為活動共同作用是溫性草原恢復(fù)的主導(dǎo)因素(62.30%),溫性荒漠草原的恢復(fù)是氣候變化和人為活動共同作用的結(jié)果(97.93%)。水熱條件好轉(zhuǎn),尤其是降水量的增加是草地恢復(fù)的主導(dǎo)氣候因子,生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施是促進(jìn)草地恢復(fù)的主要人為因素,對草地的不合理利用是導(dǎo)致草地退化的主要人為因素。