全 文 ：羌塘高原高寒草地生态系统生产力动态*
王景升1 摇 张宪洲1**摇 赵玉萍1,3 摇 秦泗国2 摇 武建双1,3
( 1 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101; 2 西藏农牧学院, 西藏林芝
860000; 3 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 基于实测气象数据和遥感数据,分析了藏北地区气候变化趋势,并采用植被鄄气候综
合模型和 CASA模型模拟分析了藏北草地潜在和现实净第一性生产力(NPP)的动态变化和
空间格局.结果表明:1955—2004 年间,羌塘高原年平均气温上升了 1郾 37 益,降水量增加了
63 mm,中、东部区域的气候趋于暖湿化,西部区域趋于暖干化,目前气候变化尚未引起草地退
化.草地潜在 NPP平均值为东部 > 中部 > 西部. 1982—2004 年,由于水热条件的变化,中部区
域的潜在 NPP增加值最高,达 0郾 55 t·hm-2·a-1,东部和西部分别为 0郾 51 和 0郾 21 t·hm-2·
a-1;东、中、西部现实 NPP增量分别为-0郾 19、-0郾 03 和 0郾 20 t·hm-2·a-1 .超载过牧是东、中
部草地退化的主要原因,中部是草地保护恢复工程的最佳实施区域.
关键词摇 羌塘高原摇 气候变化摇 模型摇 净第一性生产力摇 草地退化
文章编号摇 1001-9332(2010)06-1400-05摇 中图分类号摇 Q948郾 1摇 文献标识码摇 A
Spatiotemporal pattern of alpine grassland productivity in Qiangtang Plateau. WANG Jing鄄
sheng1, ZHANG Xian鄄zhou1, ZHAO Yu鄄ping1,3, QIN Si鄄guo2, WU Jian鄄shuang1,3 ( 1Key Laborato鄄
ry of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Re鄄
sources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China; 2Tibet Agriculture and Ani鄄
mal Husbandry College, Linzhi 860000, Tibet, China; 3Graduate University of Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(6): 1400-1404.
Abstract: Based on the meteorological data and remote sensing data, and by using vegetation鄄cli鄄
mate comprehensive model and CASA model, this paper analyzed the climate change trend and the
spatiotemporal pattern of alpine grassland potential and actual net primary productivity (NPP) in
Qiantang Plateau. In 1955-2004, the mean annual temperature and annual cumulated precipitation
in the Plateau increased by 1郾 37 益 and 63 mm, respectively. The climate in the central and east鄄
ern parts of the Plateau became warmer and wetter, whereas it was warmer and dryer in the western
part. However, the regional climate change did not yet result in grassland degradation. The mean
potential NPP of alpine grassland was in the order of eastern part > central part > western part. From
1982 to 2004, the potential NPP in the central part had the largest increment (0郾 55 t·hm-2·a-1),
followed by in the eastern part (0郾 51 t·hm-2·a-1 ) and western part (0郾 21 t·hm-2·a-1 ),
which was consequent with the spatiotemporal pattern of climate change in the study area. In con鄄
trast, the actual NPP in the eastern, central, and western parts in the past two decades was -0郾 19,
-0郾 03, and 0郾 20 t·hm-2·a-1, respectively. Overgrazing was the main reason of grassland degra鄄
dation in the central and eastern parts, and the central part was the key layout area for the imple鄄
ment of ‘grazing withdrawal and management of grassland爷 project.
Key words: Qiangtang Plateau; climate change; model; net primary productivity; grassland degra鄄
dation.
*国家科技支撑计划项目(2006BAC01A04)和国家科技部基础研究
计划项目(05G50292AI)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhangxz@ igsnrr. ac. cn
2009鄄10鄄20 收稿,2010鄄04鄄01 接受.
摇 摇 目前,藏北羌塘高原天然草地退化面积已达
2091郾 67 万 hm2,占藏北草地总面积 (4868郾 54 万
hm2)的 42郾 96% ,其中重度退化草地占 15郾 79% ,中
度退化草地占 24郾 61% ,轻度退化草地占 59郾 60% .
与 1989 年相比,截至 2009 年,藏北草地退化面积增
加 2郾 4 倍.为了有效地遏制藏北草地退化趋势,2004
年,西藏自治区在 12 个县实施了退牧还草工程,采
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 6 月摇 第 21 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2010,21(6): 1400-1404
取了禁牧、休牧和补播等措施,使退化草地的植被得
到了有效恢复,植被覆盖率和产草量分别提高了
55%和 30% .目前,西藏全区退牧还草面积达 448郾 8
万 hm2,总投资 61 亿元;至 2010 年,全区西藏退牧
还草工程涉及 36 个县,面积将达到 747郾 98 万 hm2,
约占全区草地退化面积的 20郾 98% .因此,探明草地
退化原因是退化治理方法选择及治理工程科学布局
的基础和前提,具有重要的科学意义.本文从气候变
化和人为干扰两方面因素入手,采用综合模型[1-2]
和 CASA模型[3-6]分别估算了藏北草地的净第一性
生产力(net primary productivity, NPP),分析藏北不
同区域草地生态系统的退化原因,以期为退牧还草
工程和生态安全屏障建设的战略布局和投资取向提
供科学依据.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 研究区域概况
藏北高原位于西藏冈底斯山和念青唐古拉山以
北的阿里、那曲地区(含当雄县)的广阔区域,地理
坐标为 79毅04忆25义—89毅31忆43义 E,31毅10忆09义—36毅07忆
46义 N(图 1 中深色区域),是青藏高原的主体,地面
海拔高度在 4600 ~ 5100 m,为世界上中低纬度地带
中多年冻土最发育的地区[7],面积 59郾 7 万 km2,占
青藏高原总面积的 1 / 4. 该区域气候寒冷、干旱、多
风,大部分地区年平均气温<0 益,年均降水量在 50
~ 400 mm,蒸发强度>1800 mm,年平均干燥度指数
1郾 6 ~ 20郾 0,年均风速在 3郾 0 m·s-1以上[8-10] . 高寒
植被以紫花针茅( Stipa purpurea)、藏羊茅(Festuca
wallichanica)和高山嵩草 (Kobresia pygmaea)等为
主,总盖度在 10% ~50% ,草地的载畜量极低[11-15] .
摇 摇 羌塘高原面积广阔,自然条件空间异质性明显,
为了分析羌塘高原气候和生产力的区域间差异,文
中将羌塘高原划分成东部(那曲、安多和索县)、中
图 1摇 藏北羌塘高原示意图(深色区域)
Fig. 1 摇 Sketch map of Qiangtang Plateau in Northern Tibet
(The deep color area).
部(申扎、班戈)和西部(噶尔、改则)3个区域(图 1).
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 模型简介
1)综合模型:综合模型是由周广胜等[1,16-20]建
立的植物净第一性生产力模型. 该模型模拟的较干
旱地区植物潜在 NPP比 CHIKUGO模型更能准确地
反映自然植被的净第一性生产力( t DR·hm-2 ·
a-1,DR表示干物质,下文中略).计算公式如下:
NPP = RDI·
rRn( r2 + R2n + rRn)
(Rn + r)(R2n + r2)
·exp -
9郾 87 + 6郾 25RDI (1)
PER = ABT 伊 58郾 93r (2)
ABT =移 t / 365 (3)
RDI = 0郾 629 + 0郾 237 PER - 0郾 00313 PER2
(R2 = 0郾 9) (4)
Rn = L·r·RDI (5)
式中: RDI为辐射干燥度;r 为降水量(mm);Rn 为
地表辐射平衡指数;PER 为可能蒸散率;ABT 为>0
益积温(益);t为日平均温度(益),当温度<0 益时,
取 t=0 益;当温度>30 益时,取 t=30 益;L为蒸发潜
热,本研究中为 2郾 49 kJ·g-1 .
2) CASA(Carnegie鄄Ames鄄Stanford Approach)模
型
CASA模型是目前 NPP计算和 C源汇评估中广
泛使用的模型,用于模拟经过各种干扰之后的现实
NPP[5-6] .本文简要描述模型算法和符号意义.
NPP=SOL(x,t) 伊FPAR( x,t) 伊0郾 5 伊T着1( x,t) 伊
T着2(x,t)伊W着(x,t)伊着* (6)
式中: x为象元所处地点;t为时间(月); SOL(x,t)
为 t月象元 x 处的太阳总辐射量(MJ·m-2);FPAR
(x,t)为植被层对入射光合有效辐射(PAR)的吸收
比例;0郾 5 为植被所能利用的太阳有效辐射(波长为
0郾 4 ~ 0郾 7 滋m)占太阳总辐射的比例;T着1(x,t)为低
温或高温对 NPP的限制;T着2(x,t)为最适温度向高
温或低温变化对光能转化率的限制;W着( x, t)为水
分胁迫影响系数;着*为全球植被的最大光能转化率
0郾 389 g C·MJ-1 .
1郾 2郾 2 数据源摇 文中所用的遥感数据为美国地球
资源观测系统数据中心探路者数据库所提供的 NO鄄
AA / AVHRR的 NDVI数字影像;气象数据来自西藏
自治区气象局和国家气象局数据中心;土壤、植被、
生物量数据来源于中国科学院地理科学与资源研究
10416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王景升等: 羌塘高原高寒草地生态系统生产力动态摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 羌塘高原年均气温和年降水量的变化
Fig. 2摇 Interannual changes of annual mean temperature and annual cumulative precipitation in Qiangtang Plateau.
所拉萨农业生态试验站和西藏自治区农牧厅、西藏
那曲地区畜牧局.
1郾 3摇 数据处理
所有数据均采用 Excel 软件和 Origin 绘图软件
进行统计分析和制图.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 羌塘高原气温和降水量的变化
由图 2 可以看出,1955—2004 年的 50 年间,羌
塘高原的年均气温上升了 1郾 34 益(-1郾 29 益 ~0郾 05
益),远远高于全球 100 年平均升温 0郾 74 益和我国
平均升温 0郾 65 益;多年平均气温为西部区域(0郾 17
益) > 中部区域(-0郾 56 益)>东部区域(-2郾 13 益),
东、中、西部区域的温度增幅分别为:1郾 38 益(-2郾 70
益 ~ -1郾 32 益)、1郾 40 益 ( -1郾 20 益 ~ 0郾 20 益)和
1郾 20 益(0 益 ~1郾 20 益).研究区域内年均降水量增
加 63 mm(258 ~ 321 mm),其中东部区域增加 112
mm,中部区域增加 74 mm,西部区域增加 3 mm,多
年平均降水量分布格局表现为东部(425郾 4 mm)>中
部(306郾 6 mm)>西部(119郾 3 mm).
2郾 2摇 羌塘高原草地生态系统 NPP的动态变化
2郾 2郾 1 模型验证摇 经朴世龙等[21]验证,CASA 模型
适于青藏高原植被 NPP研究;本文采用藏北草地资
源清查的实测 NPP 对综合模型模拟结果进行拟合
(图 3),模拟值与实测值基本吻合,即综合模型也适
用于藏北草地 NPP的模拟研究.
2郾 2郾 2 NPP 年际动态 摇 由图 4 可以看出,1955—
2004 年间,综合模型模拟的潜在 NPP平均值呈持续
增加趋势,由 1955 年的 2郾 35 t·hm-2 ·a-1,增至
1983 年的 2郾 54 t·hm-2·a-1,2004 年达到 2郾 87 t·
hm-2·a-1,增长了 22郾 1% ;而用 CASA模型(该模型
采用 NOAA / AVHRR 的 NDVI 数字影像,该数据源
从 1983 年开始提供) 模拟的现实 NPP 则呈先减少
后增加的趋势,即由 1983 年的 2郾 32 t·hm-2·a-1减
少至 1995 年的 2郾 19 t·hm-2·a-1,至 2004 年又逐
渐恢复到 2郾 25 t·hm-2·a-1 .这说明 1983—1995 年
间,由于过度放牧,羌塘高原草地系统出现了退化,
虽然近年来现实 NPP出现增加的趋势,但草地系统
的生态功能是否有所恢复,还有待于进一步研究.
2郾 2郾 3 各区域 NPP的差异摇 为了使两个模型不同
区域NPP变化趋势有可比性,将综合模型时间段调
图 3摇 NPP模拟值与实测值拟合
Fig. 3摇 Simulation of the simulated and observed NPP.
2041 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 4摇 羌塘高原草地生态系统 NPP模拟
Fig. 4 摇 Simulation of grassland ecosystem NPP in Qiangtang
Plateau.
整为与 CASA模型的时间相一致.由图 5 可以看出,
羌塘高原草地系统的潜在 NPP 在格局上表现为东
部区域>中部区域 > 西部区域,东、中、西部区域的
NPP多年平均值分别为 3郾 00、2郾 32、1郾 21 t·hm-2·
a-1,且在 1982—2004 年期间,各区域的 NPP值均表
现为增加趋势,东、中、西部增量分别为 0郾 51、0郾 55
和 0郾 21 t·hm-2·a-1(图 5a).
东部和中部区域现实 NPP 变化相差不大,二者
均大于西部区域,1982—2004 年,东、中、西部增量
分别为-0郾 19、-0郾 03 和 0郾 20 t·hm-2·a-1(图 5b).
图 5摇 综合模型(a)和 CASA模型(b)NPP格局变化
Fig. 5 摇 Variations of NPP simulated by comprehensive model
(a) and CASA model (b).
3摇 结论与讨论
羌塘高原 50 年温度增幅远大于 100 年来全球
和我国平均气温的增量[22],降水量也大幅增加,二
者总体上呈增加趋势,表明羌塘高原气候变化有利
于草地系统的植被恢复;藏北中部、东部气候趋于暖
湿化,而西部出现明显的暖干化,说明羌塘高原西部
草地退化主要由气候变暖变干引起,而中东部水热
同时增加的趋势则有利于草地恢复,草地退化可能
由于过牧或其他人为干扰所致.
羌塘高原潜在 NPP的持续增加,进一步证实了
气候变化有利于藏北高寒草地的恢复,潜在 NPP 的
增量中部大于东部,西部最小;但现实 NPP 东、中部
却在减少,说明在人为放牧活动等干扰下的实际生
产力正在减少,即放牧活动是造成中东部地区草地
生态系统退化的主要原因.藏北东部、中部是西藏的
主要牧区,人口相对集中,牲畜数量庞大(2000 多万
头),增长迅速且出栏率较低[12,22];显著退化的区域
主要集中在东部、中部的海拔 4750 ~ 5250 m 地带、
冬春季草场阳坡、道路两侧、河流及住宅附近[23-25] .
过于密集的牲畜集中在生产力较低的草场,长期高
强度过牧造成了生产力降低和高寒草地生态系统的
严重退化.由于西部大部分地区处于无人区,人为活
动对草地的干扰较弱,目前的气候变化未对该区域
草地生产力产生显著的影响,但在未来气候暖干化
加剧情况下,高寒草地生态系统存在严重退化的潜
在威胁.
藏北东部高强度的放牧活动使前期的退牧还
草、人工种草等草地保护和恢复措施收效甚微,所
以,遏制草地退化的对策应为:东部区域首先应减少
牲畜数量以缓解草场过牧压力,再辅以围栏封育等
生态建设工程促进草地恢复;中部区域水热同步增
加后致使 NPP 增量最大,是实施退牧还草、人工草
地建植、南草北运等草地保护和恢复工程的最佳区
域;鉴于西部气候变化的特点,最好不采取人为干预
措施.
综合模型是以植被蒸散为基础,综合考虑了各
生态因子之间相互作用对 NPP 的限制,是适合于我
国干旱鄄半干旱地区的净第一性生产力评估模
型[16],首次应用于藏北羌塘高原草地生态系统 NPP
的模拟; 而 CASA 模型在藏北的应用已有报
道[23-25],但在藏北西部极其干旱且植被盖度非常低
(0郾 3 以下)的区域,CASA 模型模拟的精度可能存
在较大的误差,以致 NPP结果偏大.
30416 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王景升等: 羌塘高原高寒草地生态系统生产力动态摇 摇 摇 摇 摇 摇
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作者简介摇 王景升,男,1973 年生,博士.主要从事草地和森
林生态系统退化机理及恢复技术、生态系统服务功能评估等
研究. E鄄mail: wangjsh@ igsnrr. ac. cn
责任编辑摇 李凤琴
4041 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷