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Trends of grassland NPP and its response to human activity in Northern Tibet

藏北高寒草地NPP变化趋势及其对人类活动的响应



全 文 :第 !" 卷第 ## 期
!$$" 年 ## 月
生 态 学 报
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/012 !",.02 ##
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(4$""5$6!);国家重点基础研究发展规划资助项目(!$$!&74#!5$8);西藏那曲地区与中国农业科学院
合作资助项目
收稿日期:!$$69$"9!#;修订日期:!$$"9$:9#"
作者简介:高清竹(#:"5 ;),男,内蒙古科左中旗人,博士,主要从事全球变化与生态安全以及遥感与地理信息系统应用研究2 (9<=>1:?=0@ABC
=<>2 =D2 DE
!通讯作者 &0FFGHI0EJ>E? =KLB0F2 (9<=>1:M=ENKEO=EC =<>2 =D2 DE
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藏北高寒草地 9::变化趋势及其对人类活动的响应
高清竹#,万运帆#,!,李玉娥#,盛文萍#,江村旺扎!,王宝山!,李文福!
(#2 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京Z #$$$8#;!2 西藏自治区那曲地区农牧局,那曲Z 85!#$$)
摘要:基于 #:8# ; !$$4年多年遥感监测数据和气象数据以及其它相关数据,采用 &%-%(&=FEG?>G9%估算藏北地区草地植被净第一性生产力(!""),分析草地植被 !""变化趋势的空间格局及其对人类活动强度的响应。结果表
明:近 !4=以来,藏北绝大部分区域(约占草地总面积的 882 6#[)草地植被 !""变化趋势不明显;而草地植被 !""变化趋势显
著的区域仅占草地总面积的 ##2 \:[,其中显著降低约占 ##2 \$[,显著增高仅占 $2 $:[。在藏北地区,高海拔区域有较大比例
(大于 !6[)的草地 !""显著降低;坡度在 #5 ; \$]之间区域的草地 !""变化幅度较大;而坡向对草地 !""变化趋势的影响不
大。藏北地区居民点对草地 !""变化趋势的负面影响小于道路影响;从综合影响来看,离道路和居民点越近、人类活动强度及
其对草地 !""变化趋势的影响越大,尤其是草地 !""显著增高区域只分布在人类活动强度最大的第一个缓冲区内。
关键词:藏北地区;高寒草地;!"";变化趋势;人类活动;响应
文章编号:#$$$9$:\\(!$$")##946#!9$8Z 中图分类号:X#4\Z 文献标识码:%
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藏北(那曲)地区是我国长江、怒江、澜沧江等大江大河的主要发源地之一,平均海拔在 <=>>5以上,也是
全国五大牧区之一的西藏自治区的主要畜牧业生产基地[?,@]。该地区自然条件极为严酷、生态系统极其脆
弱。在藏北地区,草地是最重要、面积最大的生态系统,也是藏北生产生活的基础条件[? A B]。近年以来,由于
在自然和人为因素的双重影响下,导致藏北草地大范围严重退化,产量下降,已成为社会、经济、生态可持续发
展的巨大障碍[? A B]。藏北草地生态与环境,不仅直接影响着本地区社会经济的发展,而且对青藏高原以及全
国的江河、气候、生态环境都有直接影响,甚至对全球也有不容忽视的影响。
植被净第一性生产力(!"")不仅为生态系统次级生产提供能量和物质基础,而且也是生态系统自身健
康和生态平衡的重要指示因子以及判定碳汇和调节生态过程的主要因子[< A C]。因此,采用遥感模型(DEFE
模型)估算藏北地区草地植被净第一性生产力、分析其变化规律及其对人类活动和气候变化的响应,可以为
藏北地区畜牧业合理布局和草地资源的可持续利用与改善和保护草地生态环境及气候变化等相关科学研究
提供理论依据与科学技术支持。
)* 研究区域概况
藏北(那曲)地区位于西藏冈底斯山和念青唐古拉山以北的广阔地区,东经 GBHIB>H@CI@=J至 B=HBKI?BJ,土地总面积约为 <<& L 万 :5@,占西藏自治区总面积的 BC& ?M。该地区平均海拔在
<=>>5以上,被称为世界屋脊的屋脊,并孕育了我国长江、怒江、澜沧江等多条大江大河及藏北高原的内流河
与众多湖泊。在藏北地区,草地是最重要、面积最大的生态系统,主要以高寒草甸类、高寒草原类和高寒荒漠
类草地为主[?]。
由于受高原地形的影响,藏北地区气候突出特点是寒冷干燥[G]。藏北地区年平均气温在 N @& G A ?& LO
之间,年平均降水量在 @南向北递减。藏北地区的年蒸发量(以小蒸发皿测量)在 ?=>> A @B>>55之间,由东南向西北增大。另外,冬
春季受高空西风气流的影响,地面气温低,天气干燥晴朗,多 C 级以上的大风,有时风力可达 ?> A ?@ 级。藏北
地区日照时数高于同纬度的其他区域,全地区年日照时数在 @<>> A B@>>!,由东向西递增。藏北地区由于海
拔高、空气洁净等,光能资源相当丰富,平均太阳年总辐射量达 L>>>PQ $ 5@,西部最高达 LG>>PQ $ 5@[G]。
+* 数据与研究方法
+& )* 数据及其预处理
(?);RST数据U ?KG? A @>>? 年全年逐旬 ESVWWX;RST数据(空间分辨率 G:5 Y G:5);@>>@ A @>>< 年生
长季(= 月 A K 月)逐旬 PZRTFX;RST数据(空间分辨率 >& @=:5 Y>& @=:5)等不同时空分辨率的能够完全覆盖
研究区的 ;RST数据。
(@)气象数据U 由于藏北地区气象站点相对较少(只有班戈、安多、那曲、申扎、索县、比如等 L 个气象
站),本项研究利用全国 C<> 个气象站点多年(?KG> A @>>< 年)逐月降水量、气温和太阳辐射数据(其中,太阳
辐射数据为 ?@> 个气象站点数据),进行空间插值而获得气象数据空间分布图,然后切出 ?KG> 年至 @>>< 年期
间藏北地区降水量、气温和太阳辐射等气象数据。
(B)其他相关数据U ?K=G A @>>B 年那曲地区社会经济统计资料;西藏那曲地区草原站历年草地地面调查
数据;那曲地区 ?[@= 万数字地形图;?[?>> 万中国植被图;那曲地区行政区划、植被和土壤等相关图件和资料。
B?L!""#:$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
(/)数据处理0 1234数据进行标准化,基于那曲地区 5678 万地形图进行几何校正;气象数据计算月值,
并采用地理信息系统软件进行空间插值,获得气象要素栅格图(空间分辨率 59: ;59:)[<]。基于 2=>数据,
提取海拔高度、坡度坡向等地形因素的栅格图;其中海拔高度划分 ? @8AA:、@8AA B /AAA:、/AAA B /8AA:、/8AA
B /C8A:、/C8A B 8AAA:、8AAA B 878A:、878A B 88AA:、88AA B DAAA:、E DAAA:等 < 个等级;坡度划分 ? 5F、5 B
8F、8 B 5AF、5A B 58F、58 B 7AF、7A B 78F、78 B @AF、E @AF等 G 个等级;坡向划分平地、北、东北、东、东南、南、西
南、西、西北九个坡向。
在那曲地区 5678 万数字地形图基础上,首先提取居民点和道路数据,分别以居民点和道路为中心,用地
理信息系统软件生成距离缓冲区栅格图(HIJJ’K),以 79:为单位,各自生成 D 个缓冲带;然后将居民点和道路
缓冲区合并,获得具有 D 个缓冲带的居民点和道路综合缓冲区。
!& !" 研究方法
!& !& #" 高寒草地净第一性生产力(!"")的估算
LMNM(L-K.’+,’OM:’PON"-.J)KQ M##K)-(!)模型是当前主要遥感过程模型之一,已广泛应用在青藏高原及我国
主要生态系统的 1RR模拟估算并通过检验表明取得了较好的模拟结果[D,5A B 57]。在 LMNM模型中植被净第一性
生产力主要由植被所吸收的光合有效辐射(#"#$)与光能转化率(!)两个变量来确定[D,5A B 5@]。
!""(%,&)S #"#$(%,&); !(%,&) (5)
式中,!""(%,&)是空间位置 %上的植被在 &时间内的净第一性生产力;#"#$(%,&)表示空间位置 %上的植被
在 &时间内所吸收的光合有效辐射;!(%,&)表示空间位置 %上的植被在 &时间内的光能转换率。光合有效辐
射、光能转换率以及低温、高温和水分限制因子等具体模型参数的计算方法见文献[D,5A B 5@],其中藏北高寒草
地植被的月最大光能转换率(!:-T)为 A& DAG+L·>U
V5[D]。另外,藏北地区植物生长季比较短,/ 月底或 8 月初
开始返青到 < 月底枯黄,因此只计算了生长期(8 B < 月份)藏北草地植被 !""。
图 50 LMNM模型模拟结果精度检验
W,+& 50 L):#-K,P). )J P,:I*-"’Q -.Q )HP’KX’Q !""
模型模拟结果的精度检验是目前区域 !"" 模型研
究方面的难点之一[D,5/]。模拟结果检验方法一般有两
种,一是与实测数据对比,二是与其它模型模拟结果进
行对比[D]。由于实测 !"" 难度比较大,往往采用生物
量换算的 !"" 数据来代替 !"" 实测数据[D,5/,58]。本
文基于 7AA/ 年 G 月份进行实测的藏北草地生物量数据
以及 7AA7 年、7AA@ 年那曲地区草原站实测的草地生物
量数据,换算草地植被地上、地下生产力[58,5D],并将实
测数据空间位置与 LMNM模型模拟结果一一对应,进行
模拟值的精度检验(图 5)。可以看出,LMNM 模型模拟
!""值和实测值基本上是吻合的(" ? A& A5)。因此,可
以认为,该模型适于藏北高寒草地植被 !""的估算。但是,藏北高寒草地 !"" 及其相关基础数据相对偏少,
还需要更多的实测数据,进一步修订模拟结果和精度检验。
!& !& !" 草地 !""变化趋势分析
在藏北地区草地 1RR估算基础上,进一步评价和分析了藏北地区草地 !""变化趋势。草地 !""变化趋
势系数(即 R’-KP).相关系数)可以表示草地 !""长期趋势变化的程度,是 ’ 个时刻的草地 !"" 与自然数列
5,7,@,⋯,’的相关系数[55]:
(%& )
"

* ) 5
(%* + )%)(* + )&)
"

* ) 5
(%* + )%)!
7"

* ) 5
(* + )&)7
(7)
其中 ’为年份序号,%* 是第 *年的草地 !"",)%为多年草地 !""均值,)& S(’ Y 5)$ 7,显然,这个值为正(负)时,
/5D/ 0 生0 态0 学0 报0 0 0 7C 卷0
!""#:$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
表示草地 !""变化趋势系数在所计算的时段内有线性增加(减少)的趋势[/]。如草地 !"" 变化趋势系数通
过 0& 01 或 0& 02 的显著性检验(" 3 0# 01 或 " 3 0& 02),则认为减少或增加趋势极显著或显著。
以上工作是在 45678 9:-+,.’;& < 遥感图像处理软件、7=(9.>)?& 0 地理信息系统软件支持下完成的。
!" 结果与讨论
!& #" 藏北高寒草地 !""及其变化趋势总体特征
1?;1 年至 @00A 年期间,藏北地区草地植被年净第一性生产力(!"")空间分布规律受藏北水热条件的制
约呈水平地带性分布(图 @)。藏北地区从东南向西北气候明显地表现出高寒湿润、高寒半湿润、高寒半干旱
和高寒干旱的水平地带性变化[1]。因而草地植被大体上也呈现出由东南向西北依次出现亚高山、高山灌丛
草甸 高寒草甸 高寒草原 高寒半荒漠直至西北部可可西里地区变为高寒荒漠,其 !"" 也逐渐由 @B0
+C·: D@·- D1减少到接近 0 +C·: D@·- D1。藏北地区草地植被 !""整体水平较低,1?;1 年至 @00A 年期间多年平
均草地植被总 !""为 @1& B E 101@ +C·- D1,多年平均值仅为 A/& / +C·: D@·- D1,最高值为 /2& A +C·: D@·- D1
(1??1 年),最低值仅为 1A& A +C·: D@·- D1(1??A 年)。
通过 F98手段,分析从 1?;1 年至 @00A 年期间藏北地区高寒草地植被 !""空间格局的变化趋势发现(图
B、图 A):近 @A-来,藏北绝大部分区域(约占草地总面积的 ;;& <1G)草地植被 !"" 变化趋势不明显,是在正
常波动范围之内;而草地植被 !"" 变化趋势显著的区域仅占草地总面积的 11& B?G,其中显著降低约占
11H B0G(其中极显著降低区域约占 1& ?0G而显著降低区域约占 ?& A0G),显著增高仅占 0& 0?G。从空间分
布规律来看,草地 !""显著减少区域主要分布在东部地区(图 A)。
!& $" 藏北高寒草地 !""变化趋势的空间格局
藏北地区的海拔高度、坡度、坡向等不同地形地貌因素对草地植被 !"" 变化趋势的影响也有所不同(表
1 和图 2)。藏北地区高海拔区域(大于 <000:)草地 !"" 显著降低比例最大;其次是海拔高度在 2200 I
<000:之间区域;然后是海拔高度 A000 I A200:之间区域。这说明高海拔地区生态环境相对脆弱,对气候变
化和人类活动较为敏感,从而该区域有较大比例(大于 @低);而在海拔高度 A000 I A200:之间区域的草地多年平均 !""为最高(表 1),比较适合于放牧和居住,人类
活动强度较大,使该区域 @0& 在藏北地区坡度在 12 I B0J之间区域的草地年总 !"" 变化幅度较大,其中,在 @2 I B0J坡度区的草地总
!""有显著降低(包括极显著和显著降低)的区域面积占该区域总面积的 @2& BG,而在 12 I @0J和 @0 I @2J坡
度区的草地总 !""有显著降低的区域面积分别占各自区域总面积的 @0& BG和 @0& ;G(图 2)。在藏北地区,
表 #" 地形因素对藏北地区草地 !""的影响
%&’() #" *+,&-./ 01 )()2&.304,/(0,) &45 &/,)-. 04 67&//(&45 !"" 34 807.9)74 %3’).
项目 9"’:
坡向 7K#’("
平地
L*-"

M)="!
东北
M)="! ’-K"

4-K"
东南
8)N"! ’-K"

8)N"!
西南
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西
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西北
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面积比例
7=’- #’=(’."-+’ (G)
@?& ; ?& ? 10& 1 /& 1 ;& ; ?& A ?& A <& ; ;& /
!"" (+C : D@ - D 1) B/& 2 A/& ? 2A& B 2;& 0 2/& A A2& A A?& @ 2A& A 2@& ;
高程 4*’P-",). 7 Q C 6 4 L F R 9
面积比例
7=’- #’=(’."-+’ (G)
@& 1 0& 2 @& B 12& 0 B/& < @/& B 1@& B @& < 0& 1
MSS (+C : D@ - D 1) A;& < /2& < 10/& 1 坡度 8*)#’(J) 3 1 1 I 2 2 I 10 10 I 12 12 I @0 @0 I @2 @2 I B0 T B0
面积比例
7=’- #’=(’."-+’ (G)
B;& 0 @A& / 1A& 0 ;& 0 A& B B& 2 @& 2 A& ?
!"" (+C : D@ - D 1) B<& B B;& @ A?& ? 2/& ? /;& ? ;B& 0 111& < ;1& @
U U 7:3B200:;Q:B200 IA000:;C:A000 IA200:;6:A200 IA/20:;4:A/20 I2000:;L:2000 I2@20:;F:2@20 I2200:;R:2200 I<000:;9:T<000:
21!""#:$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
接彩图 /,0,1,2
3431 5 生5 态5 学5 报5 5 5 /6 卷5
!""#:$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
坡向对草地 !""变化趋势的影响不大,各个坡向的草地 !""显著降低区域面积基本相当,最大为 /0& 12(西
南坡),最小为 3& 42(南坡)。可见,在藏北地区,虽然低海拔、平地(坡度小于 /5)和平滩地的人类活动强度
较大,草地植被的多年平均 !""也相对较低,但是这些区域草地 !""显著降低区域面积相对较小,变化趋势
不明显,草地年总 !""相对较稳定。
!& !" 人类活动对藏北草地 !""变化趋势的影响
为了探讨人类活动强度对藏北草地 !"" 变化趋势的影响,提取藏北地区人为活动主要发生区域———道
路和居民点及其不同距离缓冲区,与藏北草地 !""变化趋势的空间格局图进行叠加运算,分析了道路和居民
点不同距离缓冲区内的草地 !""变化趋势分布规律。其中道路和居民点的不同距离缓冲区表示人类活动强
度梯度,离道路和居民点的距离越远、人类活动的强度或影响草地及其 !""的能力越低[/6,/7]。
藏北地区道路和居民点缓冲区分布规律有所不同(表 0)。在道路缓冲区内,第一缓冲区(!:8 09:)面
积最大,占草地总面积的 ;<& =2;其次是第七缓冲区(":> /09:),即离道路 /09: 以外的地区,约占 01& 12
的面积;第 0 缓冲区至第 4 缓冲区,其所占比例逐渐减小。居民点第 / 个缓冲区(!:8 09:)内草地面积占草
地总面积的 /4& /2;而居民点第 0 个缓冲区(#:0 ? ;9:)面积(/3& /2)大于第 / 个缓冲区,然后随着缓冲区
距离的增大,所占面积逐渐减少;缓冲区距离大于 /09:时($:> /09:),其所占面积比例最大,达到 ;6@ 12。
以往研究通常区分道路和居民点的缓冲区,分别分析道路和居民点各自带来的环境影响,很少探讨道路和居
民点的综合效应。本研究叠加分析道路和居民点缓冲区,得到了藏北地区道路和居民点综合缓冲区。综合缓
冲区分布规律与道路缓冲区基本相同,第 / 缓冲区面积最大,其次是第 6 缓冲区,然后是第 0 缓冲区,第 1 缓
冲区面积最小。
在各道路缓冲区,草地 !""显著降低(包括极显著和显著降低)区域在第 6 缓冲区内分布面积最大,占草
地 !""显著降低区域总面积的 06& 12,其中极显著和显著降低区域分别占第 6 缓冲区的 /& 62和 4& <2;其
次是第 0 和第 / 缓冲区,分别占草地 !""显著降低区域总面积的 00& 32和 /3& 32,其中极显著降低区域分
别占第 / 和第 0 缓冲区总面积的 0& 12和 0& 42。草地 !"" 变化不明显区域的分布规律与缓冲区面积分布
规律基本相同,在第 / 缓冲区的分布面积最大,其次是在第 6 缓冲区内的分布面积。!"" 显著增高区域全部
分布在第 / 缓冲区,即离道路 09:距离范围之内(表 0)。在居民点缓冲区,草地 !"" 显著降低区域和 !""
变化不明显区域都主要分布在第七缓冲区、第 0 缓冲区和第 / 缓冲区;而所有 !""显著增高区域也在居民点
周围 09:之内(表 0)。在不同综合缓冲区草地 !""变化趋势与道路缓冲区基本相同,草地 !"" 显著降低区
域主要分布在第 /、第 6、第 0 缓冲区(表 0)。
表 #" 藏北地区人类活动强度缓冲区所占面积比例(2)
$%&’( #" )*+,+*-.+/ (0)+1 2.11(*(/- &311(* %*(% +1 435%/ %6-.7.-8 ./-(/9.-8 ./ :+*-4(*/ $.&(-
缓冲区序号 AB:C’D )E CBEE’D ! # % & ’ " $
道路缓冲区 显著降低 F’(D’-G’H /& 66 0& <= /& 0/ <& 6; <& ;6 <& 0/ 0& ;4
I)-H -EE’(" 变化不明显 A) )CJ,)BG ==& =< /0& 77 1& =; =& 17 0& 7< 0& 6; 0;& 0<
显著增高 K.(D’-G’H 4& /3 <& << <& << <& << <& << <& << <& <<
总面积比例
LD’- #’D(’."-+’ (2)
;<& 01 /;& 3/ 6& 4; ;& ;0 =& 06 0& 34 01& 1;
居民点缓冲区 显著降低 F’(D’-G’H /& ;< /& 3= /& <6 <& 14 <& 46 <& =3 4& =<
I’G,H’.",-* -D’- -EE’(" 变化不明显 A) )CJ,)BG /=& 1= /6& /6 6& 73 =& =< 0& 43 /& 61 ;0& 01
显著增高 K.(D’-G’H <& <3 <& << <& << <& << <& << <& << <& <<
总面积比例
LD’- #’D(’."-+’ (2)
/4& /0 /3& // 7& 31 =& 31 =& /4 0& /; ;6& 41
综合缓冲区 显著降低 F’(D’-G’H ;& 01 0& // /& 07 <& 66 <& ;4 <& /7 0& 01
MN."!’G,G -EE’(" 变化不明显 A) )CJ,)BG =1& 3< /=& 4/ 1& =; =& 67 0& 4= 0& ;6 0=& <6
显著增高 K.(D’-G’H <& <3 <& << <& << <& << <& << <& << <& <<
总面积比例
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在各道路缓冲区,草地 !""显著降低(包括极显著和显著降低)区域在第 / 缓冲区内分布面积最大,占草
地 !""显著降低区域总面积的 0/& 12,其中极显著和显著降低区域分别占第 / 缓冲区的 3& /2和 4& 52;其
次是第 0 和第 3 缓冲区,分别占草地 !""显著降低区域总面积的 00& 62和 36& 62,其中极显著降低区域分
别占第 3 和第 0 缓冲区总面积的 0& 12和 0& 42。草地 !"" 变化不明显区域的分布规律与缓冲区面积分布
规律基本相同,在第 3 缓冲区的分布面积最大,其次是在第 / 缓冲区内的分布面积。!"" 显著增高区域全部
分布在第 3 缓冲区,即离道路 078距离范围之内(表 0)。在居民点缓冲区,草地 !"" 显著降低区域和 !""
变化不明显区域都主要分布在第 / 缓冲区、第 0 缓冲区和第 3 缓冲区;而所有 !""显著增高区域也在居民点
周围 078之内(表 0)。在不同综合缓冲区草地 !""变化趋势与道路缓冲区基本相同,草地 !"" 显著降低区
域主要分布在第 3、第 /、第 0 缓冲区(表 0)。
总的来说,藏北地区居民点对草地 !""变化趋势的负面影响小于道路影响。这一方面可能是藏北地区
居民点规模较小,主要以一两户牧民为主,也相对比较分散,另一方面藏北地区放牧活动以游牧活动(分冷暖
季牧场)为主,流动性较强,使得居民点附近的草地 !"" 降低趋势与其他区域的差别较小。还有,藏北草地
!""显著增高区域只分布在第 3 个缓冲区内,这说明了近年来当地政府和相关单位在藏北地区(主要在房前
屋后或交通便利的地区)开展或推广的人工草地和退化草地治理等主要草地建设和保护措施已经得到一定
的效果。
!& "# 主要结论
(3)近 09 年以来,藏北绝大部分区域(约占草地总面积的 ::& 132,其中降低趋势不明显区域面积约为
//& 6:2,增高趋势不显著约占 35& 1;2)草地植被年总 !"" 变化趋势不明显,是在正常波动范围之内;而草
地植被年总 !""变化趋势显著的区域仅占草地总面积的 33& ;62,其中显著降低约占 33& ;52(其中极显著
降低区域约占 3& 652而显著降低区域约占 6& 952),显著增高仅占 5& 562。
(0)藏北地区的海拔高度、坡度、坡向等不同地形地貌因素对草地植被 !""变化趋势的影响也有所不同。
在高海拔地区生态环境相对脆弱,对气候变化和人类活动较为敏感,从而该区域有较大比例(大于 012)的草
地 !""显著降低;坡度在 34 < ;5=之间区域的草地年总 !"" 变化幅度较大,草地 !"" 有显著降低的区域面
积占该区域总面积的 052以上。在藏北地区,坡向对草地 !"" 变化趋势的影响不大,各个坡向的草地 !""
显著降低区域面积基本相当。
(;)藏北地区居民点对草地 !""变化趋势的负面影响小于道路影响。藏北草地 !""显著增高区域只分
布在第 3 个缓冲区内,这说明了近年来当地政府和相关单位在藏北地区(主要在房前屋后或交通便利的地
区)开展或推广的人工草地和退化草地治理等主要草地建设和保护措施已经得到一定的生态效益。
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