全 文 ：第 18 卷 第 1 期
Vol. 18 No. 1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 1 月
Jan. 2010
1988- 2005年三江源草地产草量变化动态分析
樊江文, 邵全琴* , 刘纪远, 王军邦, 陈卓奇, 钟华平, 徐新良, 刘荣高
(中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101)
摘要: 三江源地区是我国长江、黄河、澜沧江的发源地, 分析该地区草地生产力的变化动态, 探讨导致草地生态系统
变化的自然和人文驱动机制,对于制定科学的草地恢复、管理和利用战略, 以及开展有效的生态工程成效评估具有
重要意义。利用 GLOPEM 模型对三江源地区 1988- 2005年的草地产草量变化动态进行分析,结果表明: 三江源
地区草地生产力呈现出 3- 5 年的周期性波动规律, 其产草量的年际变幅表现出从东部地区到西部地区依次增高;
从沼泽草地、高寒草甸、高寒草原到温性草原依次增高的特征。同时, 18 年来三江源地区草地产草量总体呈增加趋
势,特别以高寒草原或西部地区草地的提高幅度较大。尽管如此, 它仍受到气候变化的强烈驱动。因此, 应该对由
于全球气候变化造成的生态系统牧草供给功能的短期增加保持清醒的认识,这种增加有可能掩盖了气候变化对生态
系统整体功能的长期负面影响。
关键词:三江源, 草地产草量,变化动态
中图分类号: S812. 5 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 01-0005-06
Dynamic Changes of Grassland Yield in Three River
Headwater Region from 1988 to 2005
FAN Jiang-w en, SHAO Quan-qin* , L IU J-i yuan, WANG Jun-bang, CHEN Zhou-qi,
ZHONG Hua-ping, XU Xin- liang, LIU Rong-gao
( Ins titute of Geograph ical S cien ces and Natural Resources, Chin ese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: T he Three River H eadw ater Reg ion is the source of the Yangtze, Yellow, and Lantsang rivers.
The object iv es of this study w ere to analy ze the dynamic changes of g rassland product ivity and explor e the
natur al and human driven mechanisms causing the g rassland ecosystem changes. F indings in this study
w ould be applied to the development of scientif ic st rateg ies and prog rams for gr assland restor at ion, man-
agement , and ut ilizat ion and assess the effect iveness of the ecolog ical engineering project . Dynamic changes
of gr assland yield of the reg ion f rom 1988 to 2005 w ere analy zed using the GLOPEM model. The r esults
indicate that gr assland productiv ity in the region f luctuated periodically w ith a 3 to 5 year cycle. T he varia-
t ion coeff icient of annual product ivity increased fr om the east to the w est of the region and fr om marsh, a-l
pine meadow , alpine steppe, to temperate steppe grasslands. In general, g rassland y ield in the region
show ed an increasing t rend during the studied 18-year period, especially a remarkable increase in alpine
steppe and g rasslands in the west o f the r eg ion. The analysis indicates that the increased gr assland produc-
t ivity during the 18 years w as inf luenced by climat ic change. These findings indicate that w e should keep
clear-headed understanding to the cont ingent increase of ecosy stem supply funct ion w hich probably covers
up the long- term negat iv e impact of climat ic change on the ho list ic funct ions of ecosy stem.
Key words: T hr ee River Headw ater Region; Grassland yield; Dynamic change
三江源是长江、黄河、澜沧江的发源地区, 素
有江河源之称,是中国江河中下游地区和东南亚
国家生态环境安全和区域可持续发展的生态屏障,
同时也是中国生态系统最敏感和最脆弱的地区之
一。目前该地区生态系统的保护以及在全球变化背
景下的生态系统变化为世界科学界所关注 [ 1]。草地
生态系统是三江源地区的主体生态系统类型,草地
畜牧业是三江源地区的主导产业。牧草供给是三江
源草地生态系统的重要供给功能之一, 是草地畜牧
业生产的物质基础, 并通过草食家畜生产为人们提
收稿日期: 2009-07-14;修回日期: 2009- 11-06
基金项目:中国科学院西部行动计划项目( KZCX2-XB2-06-03)和国家科技支撑项目( 2006BAC08B00)资助
作者简介:樊江文( 1961- ) ,男,甘肃陇西人,研究员,主要从事草地生态学研究, E-m ail: f an jw@ igsnrr. ac. cn; * 通讯作者 Author for corre-
spond ence, E- mail : s haoqq@ lreis. ac. cn
草 地 学 报 第 18卷
供直接福利。近几十年来,由于气候变化的影响, 加
之人类不合理地开发利用, 如超载过牧、滥樵乱挖、
滥采黄金等,造成源区草地退化严重[ 2~ 4]。据统计,
目前源区退化草场面积已占到可利用草场面积的
26% - 46% [ 5~ 7] ,严重影响了该地区的生态环境和
草地畜牧业的可持续发展, 并对其他相关地区的生
态安全造成严重威胁。基于此状况,国务院于 2005
年批准实施了三江源自然保护区生态保护和建设
工程,投资 75亿元,开展生态恢复和治理工作。在
此背景下,分析该地区工程实施前草地生产力的变
化动态,评估草地生态系统牧草供给功能的变化趋
势,探讨导致草地生态系统变化的自然和人文驱动
机制,对于该地区工程项目制定科学的草地恢复、管
理和利用战略, 并在今后进行工程成效的评估具有
重要意义。
1 研究区域
三江源位于青海省的南部, ,区域面积 36. 3 万
km 2 ,占整个青海省总土地面积的 50. 3%。其行政
区域包括玛多、玛沁、达日、甘德、久治、班玛、称多、
杂多、治多、曲玛莱、囊谦、玉树、兴海、同德、泽库、河
南等 16个县,以及格尔木市代管的唐古拉山乡。
三江源的草地主要包括高寒草甸、高寒草原、沼
泽湿地以及面积较小的温性草原等植被类型 [ 8~ 11]。
由于该地区地势由东南至西北逐渐抬升, 同时受到
来自南部孟加拉湾暖湿气流的影响,造成自东南向
西北温度和降水量均逐渐降低, 从而出现高寒草甸
和高寒草原由东南向西北的过渡。高寒草甸一般发
育于海拔 3500- 4500 m 的地区, 以嵩草( K obr esia
spp. )等植物为优势种。高寒草原一般分布于海拔
4000- 4500 m 的地区,以寒冷旱生的多年生密丛禾
草和莎草,如紫花针茅( Stipa p ur purea Griseb. )、
青藏苔草( Car ex moor crof t i i Falc. ex Boot t )、紫羊
茅( F estuca r ubr a L. )、羊茅( F. ov ina L. )、沙生蒿
( A rtemisia desertorum Spreng . ) 等占优势。温性
草原主要分布于三江源区东北部河谷滩地以及黄河
谷地, 其优势植物有长 芒草 ( Stipa bungeana
Trin. )、西北针茅( S. kr y lov ii Roshev. )、短花针茅
( S. brevif lor a Griseb. )、芨芨草 ( A chnather um
sp lend ens ( T rin. ) Nevski)、蒿 ( A rtemisia spp. )
等。三江源地区的沼泽湿地主要有湖泊型湿地、河
流型湿地和沼泽型湿地等 3个基本类型。典型湿地
优势植物有眼子菜 ( Potamogeton spp. )、苔草
( Car ex sp. )、水毛茛( Batrachium bung ei ( Steud. )
L . L iou)、杉叶藻 ( H ip puri s vulgar is L. )、荸荠
( E leochari s sp. )、水麦冬( T riglochin p alustr e L. )
等。由于地理、气候等条件的制约,该地区的草地生
态系统极其脆弱, 利用不当极易遭受破坏而使其发
生退化[ 10] 。
2 研究方法
2. 1 草地产草量计算
1988- 2005 年的草地产草量通过植被净初级
生产力( NPP)计算(由于可用于提取相关生态参数
的遥感影像最早为 1988年,所以本研究的研究时段
为 1988- 2005 年 )。草地植被 NPP 的计算采用
GLO-PEM 模型, 该模型是应用卫星遥感数据估计
陆地净初级生产力和碳循环动态变化的生态系统模
型,在国际上应用广泛。它建立在光能利用效率概
念基础上,以遥感反演的植被光合有效辐射吸收率
( FPAR)模拟植被吸收的光合有效辐射( APAR) ,
获得植被总初级生产力( GPP) ;以植被生物量、气温
及不同植被群落的维持性呼吸系数及温度关系模拟
植被维持性呼吸( Rm )和生长性呼吸 ( Rg) , 获得植
被净第一性生产力( NPP) [ 12~ 15] 。
模型所用主要数据包括基于卫星遥感的 FPAR
和气温及降水等气象数据。其中遥感数据是 1988
年以来 1 km 空间分辨率的 NOAA/ AVHRR 的
NDV I, 该数据由中国气象局气象卫星中心提供, 本
研究根据 NOAA公布的最新校正方法和校正系数
重新进行了辐射订正, 并采用手工几何校正的方式,
对该数据进行了精确的几何纠正。在此 NDVI 数
据基础上, 采用 Liu 等开发的冠层辐射传输算
法[ 1 6] ,反演获得用于模型输入的 FPAR。气象数据
由中国气象局和青海省气象局提供, 在 13个站点气
象数据基础上,利用 ANU SPLIN 空间插值, 获得了
1988年以来气温、降水、相对湿度、风速、日照时数
等空间插值数据作为模型输入。在此基础上,通过
GLOPEM 模型模拟了 1988年以来 1 km 空间分辨
率三江源区草地植被 NPP。
由于 NPP= ANPP+ BNPP (其中 AN PP 为植
被地上部分生产力, BNPP 为植被地下部分生产
力) ,因此可通过各类草地植被地下部分生产力和地
上部分生产力的比值估算草地产草量:
GY= N PP / (1+ BN PP/ AN PP) ( 1)
其中 GY 为草地产草量。
BNPP 的计算采用了 Gill等 [ 17] 提出的草地植
被地下生产力计算方法:
6
第 1期 樊江文等: 1988- 2005年三江源草地产草量变化动态分析
BN PP= BGB * ( li ve BGB / BGB)* tur nover ( 2)
T ur nov er= 0. 0009( g/ m
2
)* A N PP+ 0. 25 ( 3)
其中 BGB为草地植被地下部分(根系)生物量;
live BGB/ BGB为活根系生物量占总根系生物量的
比例; turnover 为草地植物根系周转值。
在本计算中, BGB 和 ANPP 分别采用 2003-
2005年在三江源地区实测的高寒草甸、高寒草原和
温性草原等各类草地地下生物量和地上生产力的样
方数据; Gill等在 2002 年曾确定 liv e BGB/ BGB=
0. 6。在本研究采用周兴民等 [ 18]在青海地区测定的
实测值 0. 79。
各类草地分布和面积数据来源于 1 100万比
例尺的草地资源图[ 19] ,并对该图的相关地区进行了
数字化处理。三江源区县级行政边界由青海省环境
监测中心站提供。
各统计单元的草地产草量分别利用草地类型和
县界数据,采用 Ar cInfo w orkstation 软件中的 Zon-
alSum 功能,与三江源地区产草量数据进行叠加分
析,叠加操作后利用栅格数据的属性表,提取不同单
元的产草量。
为了分析和验证 GLO-PEM 模型模拟三江源
地区草地生产力的有效性和准确性,于 2004年在三
江源地区开展了野外调查, 设置了 31个样地, 测定
了产草量,并与相同地点的模型模拟结果进行对比
分析。结果显示, 两者之间具有较好的相关性( r2 =
0. 542, P< 0. 01) ,表明模型模拟具有较好的准确性。
2. 2 气候变化要素的分析和计算方法
选取将降水量和蒸发量综合考虑的桑斯威特
( Thor nthw ait )湿润指数进行气候变化分析。降水
量数据来源于三江源区域河南、达日、玛多、班玛、久
治、玉树、清水河、治多、囊谦、曲麻莱、杂多、伍道梁、
沱沱河等 13个气象台站 1988- 2004 年的观测数
据。潜在蒸发散采用桑斯威特经验公式计算, 用于
计算潜在蒸发散的气温数据也来源于上述气象站。
桑斯威特湿润指数的具体计算方法详见参考文献
[ 20]中的介绍。每年的湿润指数的空间数据利用
ANUSPLIN 空间插值获得, 最后通过线性回归方
法计算了 1988- 2005年湿润指数的变化倾斜率, 用
于分析多年来湿润指数在空间上的变化趋势。
3 结果与分析
3. 1 产草量变化的基本特征
据测算,三江源区草地 1988- 2005年平均产草
量为 442. 5 kg / hm2 , 年均牧草供给总量约 974 万 t
(干草, 下同) ,各地区的牧草平均年供给总量因草地
类型和分布的不同而有很大变化。草地生产力在空
间特征上呈现东南- 西北递减的趋势, 以河南、久
治、班玛等东部县较高,唐古拉、曲麻莱、治多等西部
县(乡)较低,其中河南县 18年来( 1988- 2005)平均
产草量达 930. 7 kg 干草/ hm2 , 而唐古拉乡平均产
草量仅为 183. 4 kg 干草/ hm2。
在时间序列上,从 1988- 2005 年的 18年来三
江源地区草地产草量呈现出 3- 5年周期的波动规
律(产草量的年际变异系数 12. 74%) , 以 1989、
1994、1998、2005年出现峰值, 特别是 2005 年产草
量最高(图 1)。此外,经计算 18年来产草量的回归
倾向率为 3. 41 kg / hm2 / a, 表明三江源地区草地产
草量总体上呈增加趋势。
图 1 1988- 2005 年三江源草地产草量的年度变化规律
F ig . 1 Year ly changes of g rassland productivity of T hree
River H eadwater Region from 1988 to 2005
在产草量变化的空间格局上, 1988- 2005年的
18 年间三江源地区草地呈现出西部或西北部产草
量提高幅度大(以 18年来产草量的变化斜率反映) ,
而东部或东南部产草量提高幅度小, 或有所下降的
趋势(图 2)。
3. 2 不同植被类型草地产草量动态变化
三江源区的草地类型主要有沼泽、高寒草甸、高
寒草原和温性草原等几类, 其中沼泽类产草量最高,
其余依次为温性草原、高寒草甸、高寒草原(图 3)。
这种规律反映了由水热条件所决定的植被地带性特
征和生产力梯度。
从 1988- 2005 年的 18年里,各类型草地的产
草量均以 1989、1994、1998 和 2005 年的产草量较
高。另外, 4 类草地 18 年来的年度波动变化幅度
(年际变异系数)的顺序从大到小依次为温性草原、
高寒草原、沼泽和高寒草甸,可以看出较湿润的草地
受年度间气温和降水变化增减变化不明显,而较干
旱的草地变化相对较大(图 3)。各类型草地产草量
7
草 地 学 报 第 18卷
的回归趋势反映, 18年来各类型草地的产草量在总
体上均呈增加态势, 其中沼泽类增加幅度最大;温性
草原次之;高寒草甸和高寒草原较低(图 3)。
3. 3 不同地区草地产草量及其变化
三江源地区草地产草量的区域差异十分明显
(表 1)。从各县草地产草量和产草总量的年际变异
情况看,以唐古拉、曲麻莱、治多、玛多等县(乡)的变
异系数较大(表 1) ,说明这些地区(大都处于三江源
西部)的草地供给易受到年度间气候变化的影响而
发生波动, 造成草地畜牧业生产的不稳定。另一方
面, 1988- 2005年的 18年来各县草地产草量的变
化趋势反映,河南、久治、班玛等县的草地产草量有
较明显的下降趋势, 而唐古拉、曲麻莱、治多、杂多、
玛多等县(乡)草地产草量有较明显的提高趋势(表
1)。由此可见, 草地产草量有增加趋势的县(乡)大
都集中在西部地区,有下降趋势的县乡大都集中在
东部地区。
表 1 三江源各县草地产草量基本状况
Table 1 Grassland product ivit y of counties in
Three R iver Headwater Reg ion
县
County
产草量
Yield
( kg/ hm2 )
标准差
SD
年际变异
系数 CV
( % )
18年斜率
Regression slope
over 18 years
同德 Tongde 645. 12 121. 03 18. 76 1. 62
泽库 Zeku 748. 29 105. 94 14. 16 0. 81
玛沁 Maqin 606. 78 80. 53 13. 27 2. 30
兴海 Xingh ai 467. 02 116. 95 25. 04 2. 68
河南 Henan 930. 69 121. 55 13. 06 - 2. 62
甘德 Gande 764. 67 86. 47 11. 31 - 0. 72
久治 Jiuzh i 886. 85 98. 85 11. 15 - 2. 59
班玛 Banma 824. 94 102. 61 12. 44 - 2. 56
达日 Dari 641. 47 72. 66 11. 33 1. 95
玛多 Madu o 321. 97 74. 15 23. 03 2. 55
曲麻莱 Qumalai 236. 46 64. 92 27. 45 4. 86
称多 Chendu o 545. 13 65. 31 11. 98 - 0. 51
玉树 Yu shu 733. 87 76. 00 10. 36 - 0. 32
囊谦 Nangqian 774. 84 88. 46 11. 42 2. 03
杂多 Zaduo 533. 06 83. 75 15. 71 5. 55
治多 Zhiduo 242. 49 60. 93 25. 13 5. 69
唐古拉 Tanggula 183. 43 52. 57 28. 66 6. 68
4 讨论与结论
研究表明,三江源地区的草地生产力在空间上呈
现出明显的东南- 西北递减的趋势,这种产草量空间
不平衡的现象反映了三江源地区由水热条件所决定
的植被地带性格局和生产力梯度,是三江源地区草地
牧草生产和供给的重要特征。因此,三江源地区的草
地畜牧业生产应以此为基础和依据,进行统筹规划、
合理布局、科学生产。
在时间序列上,三江源地区草地产草量呈现出 3
- 5年的周期性波动规律(图 1) ,草地的这种年际波
动现象,明显制约了该地区牧草的稳定生产和供应,
造成草地畜牧业生产的周期性起伏,在产草量欠年将
加大草地的载畜压力,可能造成草地退化。根据这一
规律,建议在核定草地载畜量时,应遵循系统论中最
小限制因子法则,以产草量低产年份的牧草量核定
家畜载畜量,或在低生产年份及时调整家畜饲养量,
保障草地生态系统的良性循环。
在草地产草量年际变异性上,表现出从东部地区
到西部地区依次增高(表 1) ;从沼泽草地、高寒草甸、
高寒草原到温性草原依次增高的特征(图 3)。这反
映出较脆弱草地的生产力受年际间气候变化的影响
相对较大,更容易受年际间气候变化的影响而发生牧
草供给矛盾,并导致草地退化。对于植被生产力的年
际变异性, 由于一直存在长期观测数据缺乏的问
题[ 21] ,目前仅有少数报道。但大部分研究认为随着
8
第 1期 樊江文等: 1988- 2005年三江源草地产草量变化动态分析
干旱的加剧,植被生产力的年际变异性逐渐增强,即
越是在干旱的地区,不但植被的生产力越低, 其年际
变异性也越强[ 22~ 24]。其原因可能是,降水的年际变
异性对于生产力的年际变异性具有决定性作
用[ 22, 25~ 27] ,而在较干旱地区,生长季降水的频率可能
具有更大的年际变异性[ 24]。另外,在物种较丰富的
群落中,不同物种有着不同的水分利用策略,因此,无
论是在降水充裕的年份还是在降水短缺的年份, 总会
有物种有着较高的生产力,即这些物种间存在着补偿
效应,从而使整个群落的生产力能够保持相对稳
定[ 24, 28, 29] ,而在干旱的地区,生态系统物种组成单一,
群落生产力则最容易受降水影响[ 29]。根据干旱地区
草地生产力年际变异大的特点,建议特别重视这些草
地的合理利用和休闲封育,以避免这部分草地在产草
量低产年份因牧草供给矛盾突出而发生急剧退化。
另一方面,多数模型预测结果显示, 在全球气候变化
背景下,未来降水的年际变异性将增强,极端干旱事
件的频率增加 [30] , 这对于畜牧业的持续发展有很大
的负面影响,需要科学利用和管理好现有的草地生态
系统,维持其生物多样性和生产力的稳定性[ 28]。
在草地产草量的多年变化趋势上,三江源地区草
地产草量总体上呈略增加的趋势(图1) ,其中,在植被
类型上以温性草原和沼泽类的提高幅度较大(图 3) ;
在地区上以西部地区县(乡)草地的提高幅度较大(表
1)。发生这种现象的原因除与该地区草地的自然特
性有关外,还与气候变化,特别是与湿润指数的增减
格局是一致的。研究表明,近 30年( 1975- 2004)来,
原来较湿润的东部地区具有暖干化的趋势,而干旱的
西部地区出现暖湿化的现象(图 4) ,这显然是导致西
部地区及西部较干旱的草地植被类型产草量提高的
重要因素。因此, 18 年来三江源地区草地产草量呈
增加趋势,特别是西部地区产草量呈较明显的增加趋
势受到气候变化的强烈驱动,人为恢复的贡献十分有
限,不能盲目乐观。另外,在 2005年,西部等较脆弱
草地的产草量提高幅度较大。这表明,脆弱草地对环
境条件的变化更敏感, 受水热变化的影响更大。因
此,建议应该特别注重利用类似 2005年这样的好年
景,利用自然赋予的好的水热条件,抓住时机,进行草
地的恢复和治理工作。
以往的研究资料表明,三江源地区草地发生了广
泛的退化现象[ 6,7, 10, 31~ 37] ,但就本研究的草地产草量
而言,近 18年来三江源地区的草地产草量并没有发
生明显下降。其原因是多方面的:其一,三江源地区
草地的载畜量在 70年代达到最高, 之后随着减压减
负政策的落实,其草地载畜压力逐渐降低(图4) ,这有
助于草地生产力的提高。遥感解译结果也证实[ 38] ,
三江源草地退化主要发生在 70年代前后, 90年代以
后并没有出现急剧加速退化的现象。尽管如此,由于
草地退化的基本格局在早期已经形成, 且一直持续至
今,目前载畜压力的减小不可能在短期内彻底扭转草
地退化的状况,草地退化可能仍将持续较长的一个时
期;其二,近几十年发生的气候变化,对三江源一部分
草地产草量的提高起到了相对积极的作用(图 5) ;其
三,由于三江源草地生态系统生境的变化,大面积原
来以嵩草和小型莎草或禾草为建群种的草地,被大量
低劣高大的杂草和毒草侵入而产生退化,使草地组成
结构发生重大变化, 草地质量严重降低, 但部分中度
退化草地的生产力并没有下降, 有些甚至有所提
高[ 34, 35, 39] 。因此,该地区的草地植物多样性的变化和
草地植被组成结构变化现象应引起广泛关注。
三江源地区草地的牧草供给以及由此支持的草食家
畜生产是该地区草地生态系统为人类提供福利的重
要供给功能之一。尽管 18年来该地区的草地生产力
9
草 地 学 报 第 18卷
有增加趋势,但鉴于目前草地超载态势仍在持续,草
地退化极为严重的状况不能片面追求对草地生态系
统牧草供给功能的利用,以便保护草地生态系统其它
服务功能(特别是水源调节功能)的正常发挥。另外
对由于全球气候变化造成的生态系统牧草供给功能
的短期增加应保持清醒的认识,这种增加有可能掩盖
了气候变化对生态系统整体功能的长期负面影响,如
冰川融化、生物多样性变化等。
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(责任编辑 才 杰)
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