2020, Vol. 40文章信息
- 欧阳玲, 马会瑶, 王宗明, 王昭伟, 于显双
- OUYANG Ling, MA Huiyao, WANG Zongming, WANG Zhaowei, YU Xianshuang
- 气候变化与人类活动对内蒙古东部草地净初级生产力的影响
- Impacts of climate change and human activities on net primary productivity of grassland in the eastern Inner Mongolia
- 生态学报. 2020, 40(19): 6912-6924
- Acta Ecologica Sinica. 2020, 40(19): 6912-6924
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201903210532
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文章历史
- 收稿日期: 2019-03-21
- 网络出版日期: 2020-07-31
2. 海图信息中心, 天津 300000;
3. 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130102;
4. 国家地球系统科学数据中心, 北京 100101;
5. 赤峰生态环境监测站, 赤峰 024000
2. Chart Information Center, Tianjin 300000, China;
3. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China;
4. National Earth System Science Data Center of China, Beijing 100101, China;
5. Chifeng Ecological Environment Monitoring Station, Chifeng 024000, China
陆地生态系统中草地生态系统是最重要、分布最广的生态系统类型之一[1], 在全球碳循环和气候调节中具有重要作用。植被生产力的降低作为土地退化的核心问题, 成为全球变化与陆地生态系统研究的重点[2], 全球和区域水平的植被净第一性生产力(Net Primary Productivity, NPP)及其主要影响因素研究正受到越来越多科学家的关注[3]。我国草地资源严重退化, 虽然采取部分措施, 但草原整体退化的趋势仍然没有得到扭转[4]。
草地退化有自然因素(如气候变化等)的原因, 也有人类活动因素的原因。区分人为和气候因素, 对于深入探索分析自然生态系统对全球变化和人类活动的响应, 为退化生态系统的恢复重建提供相应的适应性对策, 具有重要的方法借鉴意义和实践指导意义。直到近期, 国内外研究者开始对气候因素与人为因素导致的草地退化进行区分。Evans[5]和Geerken[6]以遥感植被指数NDVI为数据源, 利用残差分析方法为提取人为因素导致的草原退化区域提供了较为可行的方法。曹鑫[7]采用分时段的回归分析与残差分析相结合的方法评价人为因素在草地退化区域中的影响趋势。Anyamba[8]、Jury[9]、Wessels[10]等应用NOAA AVHRR NDVI数据区分了南非气候波动与人类影响对土地退化的作用。赵雪雁[11]通过因子分析法分析了高寒牧区草地退化的人文因素。以上关于草地退化影响因素的研究主要应用NDVI数据建立经验模型进行分析, 对于植被生产力形成机理考虑较少, 并不是实际的植被生产力分析, 而且缺乏地面验证数据的支持。迄今为止, 尚缺乏长时间序列区域层次的草地生产力变化规律及其控制因素的定量研究, 除此之外, 国内外均未见内蒙古东部草地植被生产力演变规律与气候和人文影响因素定量区分的公开研究报道。
内蒙古东部草原区是国际地圈-生物圈计划(IGBP)全球变化研究的典型陆地样带—中国东北温带森林-草原样带的组成部分[12], 在全球生态学领域具有十分重要的研究地位。因此针对内蒙古东部草地生产力对全球变化的响应及其主要影响因素进行深入研究, 并以此为基础, 提供相应的适应性对策将具有重要意义。本文选择中国内蒙古东部地区草地为研究对象, 基于改进CACS模型[13]和MODIS遥感数据产品等, 估算内蒙古东部地区2000—2015年草地植被实际净初级生产力[14-15], 并探讨其时空格局与年际动态。定义相对退化指数(Relative Degradation index, RDI), 确定草地生产力变化过程中人类活动因素的贡献率, 分析内蒙古东部地区RDI空间格局与年际动态。同时, 分析16年间NPP和气候因子相关关系。
1 研究区概况内蒙古东部区域地理坐标为115°21′—126°04′E, 41°17′—53°20′N, 东部与黑龙江、吉林和辽宁三省相邻, 西南部与河北和内蒙古自治区锡林郭勒盟毗邻, 西部与俄罗斯和蒙古接壤(图 1)。盟市包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市, 总面积达45.37×104km2, 其中草地面积为15.25×104km2, 约占内蒙古东部总面积的33.61%。内蒙古东部气候大部分为温带大陆性季风气候, 年均气温-4.5—8℃, 年降水为160—628 mm。内蒙古东部地区是典型的农牧林交错区域, 大兴安岭以东为耕地区域, 西部是典型草原, 北部是大兴安岭林区。内蒙古东部地区自然环境条件优越, 属于国家实施中蒙俄经济走廊、振兴东北老工业基地和西部大开发等战略的规划范围, 是内蒙古自治区经济较发达地区[16]。
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| 图 1 研究区概况图 Fig. 1 Location, elevation, and the administrative division of the study area |
由国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)获得2000、2010和2015年3期土地覆被数据。土地覆被遥感解译精度的野外验证点数据来源于野外调查, 共搜集野外验证点9846个。
2.1.2 野外采样数据野外采样数据主要用于植被生产力的估算验证。在草地植被达到最大生物量的月份时采用收割法对草地进行生物量的采集。内蒙古东部共收集27个采样点观测数据。采样方法是在每个样点设置3—5个重复的1 m×1 m样方, 贴地面收割样方内的绿色生物量, 采用GPS记录样点经纬度坐标信息, 并记录其植被信息和环境背景值信息；在通风条件下将样品晾置21 h, 然后在65℃恒温烘烤48 h至恒重, 以0.02精度电子称称量后取均值作为该样点的地上生物量值, 此基础上乘以2.8得到地下生物量[17], 从而获得样地总生物量数据。
2.1.3 MODIS遥感数据集内蒙古东部地区草地植被NPP估算所用的NDVI数据为来自NASA/EOS LPDAAC数据分发中心的MODIS产品MOD13A3数据集(https://lpdaac.usgs.gov/), 时间分辨率为月, 空间分辨率为250 m×250 m, 时间跨度为2000—2015年。利用MODIS网站提供的专业处理软件MRT TOOLS对该数据进行投影转换为Albers投影、拼接、裁切等处理。
2.1.4 气象数据集气象数据集包括2000—2015年逐月平均气温、月累积降水、逐月日照时数等数据。基于气象站点的气象数据集获取自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)。在ArcMap平台上, 利用逐月平均气温、月累积降水、逐月日照时数数据[18](使用其中的总辐射月总量数据, 单位为0.01MJ/m2)进行txt转Excel、转shp、转栅格、栅格计算、重采样、腌膜等得到年尺度平均气温、降水量和太阳辐射序列数据, 空间分辨率为250 m。
2.1.5 其他地理空间数据其他地理空间数据主要包括内蒙古东部地区行政区划图、数字高程模型、保护区边界图等, 所有数字化的数据均来自中国科学院东北地理与农业生态研究所地理景观遥感学科组。数字化的矢量文件全部投影转换到与草地分布数据一致的坐标系统下。
2.2 研究方法 2.2.1 CASA模型本研究采用修订后的CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach), 模拟得到内蒙古东部地区2000—2015年植被NPP数据。CASA模型利用植被吸收的光合有效辐射APAR和光能利用率ε计算NPP, 能够实现基于光能利用率原理的内蒙古东部草地净初级生产力估算[18-19]。
2.2.2 相对退化指数本研究借鉴“环境背景值”的概念, 选取研究区内自然保护区和人工围栏草场内的未退化天然草地, 定义其生产力为草地的“环境背景值”。同理, 定义保护区或人工围栏草场外的草地为退化草地, 其生产力类似于环境科学中的“受污染后的元素浓度”。进而, 定义“相对退化指数”RDI为：
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(1) |
在此, 我们定义式中各参数的含义为：
RDI：Relative Degradation Index, 相对退化指数, %；
NPPnd:Net Primary Productivity of non-degraded grassland, 未退化草地NPP, g /m2；
NPPd:Net Primary Productivity of degraded grassland, ,退化草地NPP, g /m2。
依据以上定义, 相对退化指数RDI作为退化草地NPP对于未退化草地NPP的“衰减”程度, 用百分数表示。将单个像元作为研究单位, 计算16个保护区的均值, 赋值给各保护区的重心, 之后进行克里金插值, 得到各研究单元的未退化草地NPP。因此, 相对退化指数RDI可以表示人类活动对草地生产力的影响, 即人类活动因素的贡献率。至此, 定量区分气候变化和人类活动因素对草地生产力的影响得以实现。本文共选用16个自然保护区(阿鲁科尔沁自然保护区、白音敖包自然保护区、达里诺尔自然保护区、大黑山自然保护区、大青沟自然保护区、大兴安岭汗马自然保护区、黑里河自然保护区、红花尔基樟子松自然保护区、辉河自然保护区、科尔沁自然保护区、南瓮河自然保护区、赛罕乌拉自然保护区、图牧吉自然保护区、锡林郭勒草原自然保护区、达赉湖自然保护区、额尔古纳自然保护区), 较均匀的覆盖整个研究区。
3 结果与分析 3.1 草地时空格局分析 3.1.1 草地植被空间格局分析利用野外验证点与土地覆被信息建立混淆矩阵。结果显示, 2015年内蒙古东部土地覆被分类的总体精度为92.27%, Kappa系数达0.90, 制图精度均达70%以上(表 1)；2010年土地覆被分类的总体精度为91.08%, Kappa系数达0.88, 制图精度均达65%以上；2000年土地覆被分类的总体精度为88.74%, Kappa系数达0.85, 制图精度均达65%以上。三期土地覆被分类结果较好, 能满足本论文研究需要。
| 地表真实类型 Ground truth | 分类结果Classification result | |||||||
| 林地Woodland | 草地Grassland | 耕地Arable land | 湿地Wetland | 建设用地Construction land | 裸地Bare land | 合计Total | 用户精度User accuracy/% | |
| 林地Woodland | 3582 | 22 | 49 | 70 | 273 | 0 | 3996 | 89.64 |
| 草地Grassland | 16 | 1341 | 34 | 4 | 18 | 1 | 1414 | 94.84 |
| 耕地Arable land | 19 | 20 | 2238 | 12 | 47 | 3 | 2339 | 95.68 |
| 湿地Wetland | 11 | 4 | 2 | 716 | 99 | 0 | 832 | 86.06 |
| 建设用地Construction land | 11 | 23 | 15 | 3 | 1194 | 0 | 1246 | 95.83 |
| 裸地Bare land | 0 | 4 | 0 | 0 | 1 | 14 | 19 | 73.68 |
| 合计Total | 3639 | 1414 | 2338 | 805 | 1632 | 18 | 9846 | |
| 制图精度Producer accuracy/% | 98.43 | 94.84 | 95.72 | 88.94 | 73.16 | 77.78 | ||
| 总体精度Overall accuracy=92.27% Kappa=0.8963 | ||||||||
对内蒙古东部地区2000、2010和2015年草地空间分布数据进行制图, 如图 2所示。内蒙古东部地区草地呈明显的地域性分布：总体来看, 草地主要分布于研究区西部和南部地区。区域内典型草地分布区主要有, 呼伦贝尔草原、科尔沁草原、贡格尔草原以及乌兰布统草原。以内蒙古东部区域尺度而言, 呼伦贝尔市西南草地分布最为明显, 斑块较为集中, 面积最大。
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| 图 2 内蒙古东部地区草地空间分布图 Fig. 2 Spatial distribution map of grassland in the eastern Inner Mongolia in 2000, 2010 and 2015 |
为更好的探讨内蒙古东部地区草地空间差异, 分别统计2000、2010和2015年内蒙古东部地区及区域内4个盟市草地景观的面积、草地覆盖率(草地覆盖率是指以行政区域为单位, 草地植被面积占区域土地面积的百分比), 结果如表 2所示。内蒙古东部地区草地2000、2010和2015年草地面积分别为15.45万km2、15.38万km2、15.25万km2, 草地面积呈现逐年下降的趋势；呼伦贝尔市草地分布面积最多, 2015年草地面积为6.70万km2, 占内蒙古东部地区草地总面积43.94%；赤峰市作为草地覆盖率最大的地区, 2015年草地覆盖率45.22%, 草地面积为3.93万km2。
| 草地分布区Grassland distribution area | 年份Year | 面积Area/ 104km2 |
草地覆盖率Grassland coverage/% |
| 内蒙古东部 | 2000 | 15.45 | 34.06 |
| 2010 | 15.38 | 33.89 | |
| 2015 | 15.25 | 33.61 | |
| 呼伦贝尔市 | 2000 | 6.74 | 26.66 |
| 2010 | 6.72 | 26.60 | |
| 2015 | 6.70 | 26.50 | |
| 兴安盟 | 2000 | 2.20 | 39.92 |
| 2010 | 2.17 | 39.42 | |
| 2015 | 2.17 | 39.33 | |
| 通辽市 | 2000 | 2.49 | 42.25 |
| 2010 | 2.48 | 42.10 | |
| 2015 | 2.45 | 41.62 | |
| 赤峰市 | 2000 | 4.02 | 46.31 |
| 2010 | 4.00 | 46.03 | |
| 2015 | 3.93 | 45.22 |
内蒙古东部地区作为我国草地最主要的分布区, 以往研究中以内蒙古东部地区为尺度的草地景观制图与区域草地空间分布格局分析较少。呼伦贝尔草原以其大面积的草地分布和较少的人类活动干扰受到关注较多。而通辽市、兴安盟和赤峰市的草地由于分布较为分散, 受高强度的农业耕作活动干扰而较少被关注。
3.1.2 草地植被变化分析分析2000—2015年间草地变化结果如图 3和表 3所示。受人类活动和气候变化等多重因素影响, 内蒙古东部地区草地空间格局上有不同程度的面积损失和增加。草地面积损失主要分布在赤峰市翁牛特旗, 逐渐发展的农牧业及城镇建设是造成该区域草地损失的主要因素。草地面积增加主要分布在赤峰市阿鲁科尔沁旗, 这是由于该地从2008年实行的万亩人工种草项目, 截止2013年底, 阿鲁科尔沁旗牧草种植面积达到60.5万亩[20]。统计得出：内蒙古东部地区2000—2015年间, 损失草地面积4743.80km2, 新增草地面积2705.57km2。生态工程退耕还草是新增草地出现的主要原因, 所占比例达到34.27%, 其次为林地(31.67%)和湿地(31.05%), 裸地和建设用地转化为草地的面积相对较少, 新增草地主要分布在赤峰市阿鲁科尔沁旗。草地减少的主要去向是耕地(39.88%), 减少区域主要分布在西辽河平原和嫩江西岸平原, 这里是内蒙古东部的主要经济粮食作物产区。过度的农业开垦使得该地区草地减少, 蚕食草原, 加速土地沙漠化。人口的增加和人民生活水平的提高, 使得对于粮食的需求不断增加, 加速了耕地的开垦和牧区的过度放牧, 同时使得建设用地的扩张范围不断加大。
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| 图 3 2000—2015年草地变化分布格局 Fig. 3 Change and distribution patterns of grassland from 2000 to 2015 |
| 类型Type | 2000—2015 | |
| 面积Area/km2 | 比例Proportion/% | |
| 林地→草地Woodland →Grassland | 682.01 | 31.67 |
| 耕地→草地Arable land →Grassland | 737.96 | 34.27 |
| 湿地→草地Wetland →Grassland | 668.55 | 31.05 |
| 建设用地→草地Construction land →Grassland | 4.15 | 0.19 |
| 裸地→草地Bare land →Grassland | 60.75 | 2.82 |
| 新增草地总计Total new grassland | 2153.42 | - |
| 草地→林地Grassland →Woodland | 1750.78 | 37.28 |
| 草地→耕地Grassland →Arable land | 1872.80 | 39.88 |
| 草地→湿地Grassland →Wetland | 459.61 | 9.79 |
| 草地→建设用地Grassland →Construction land | 417.27 | 8.89 |
| 草地→裸地Grassland →Bare land | 195.62 | 4.17 |
| 减少草地总计Total reduce grassland | 4696.09 | - |
将模型估算的草地植被净初级生产力和采用实测生物量转换得到的植被净初级生产力进行比较。实测NPP和估算NPP间有较好的回归关系(y=0.1914x + 175.65, R2=0.2226, P < 0.05), 内蒙古东部地区草地植被NPP估算结果具有较高的可信度。对于估算的植被净初级生产力精度删除了异常值, 使得精度进一步提高。
为探讨内蒙古东部地区草地植被NPP的空间格局, 基于模型估算结果计算内蒙古东部地区草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均植被年NPP, 结果如图 4所示。2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地植被NPP总量分别为30.68TgC/a(1 TgC= 1012 g C)、30.33 TgC/a和35.96 TgC/a, 相对增加17.23%。由图 5可以看出, 内蒙古东部地区草地植被NPP空间差异明显, 三期数据分布一致, NPP高值区域主要分布于呼伦贝尔草原东部和兴安盟地区, 草地植被类型以温性草原为主, NPP在300 gC m-2 a-1以上；草地植被NPP低值区域主要分布在呼伦贝尔草原西部地区, 草地植被NPP在200 gC m-2 a-1以下。其他分地区草地以温性草原为主, NPP值域在200—300 gC m-2 a-1之间。
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| 图 4 内蒙古东部地区草地植被NPP空间分布图 Fig. 4 Spatial distribution map of grassland NPP in the eastern Inner Mongolia |
在16个自然保护区内草地NPP差异明显, NPP高值区域位于呼伦贝尔市东北部的南瓮河自然保护区, 最大值为463.27 gC m-2 a-1；NPP最低处位于呼伦贝尔市西北部的达赉湖自然保护区。
分析内蒙古东部地区草地植被年平均NPP变化情况, 结果如图 5所示。2000—2015年, 内蒙古东部地区草地植被NPP小于100 gC m-2 a-1的呈现减少趋势, 由2000年0.22万km2减少到2015年的0.12万km2, 减少区域主要位于呼伦贝尔草原中西部；2000—2015年内蒙古东部地区NPP在100—200 gC m-2 a-1的呈现减少趋势, 由2000年7.37万km2减少到2015年的3.45万km2, 减少区域主要集中分布在呼伦贝尔草原中西部和通辽市的大部分区域；2000—2015年内蒙古东部地区NPP在200—300 gC m-2 a-1的呈现增加趋势, 由2000年7.50万km2减少到2015年的10.27万km2, 增加区域主要集中分布在呼伦贝尔草原中西部和通辽市的大部分区域, 主要由NPP在100—200 gC m-2 a-1的区域转化而来；2000—2015年内蒙古东部地区NPP大于300 gC m-2 a-1的呈现增加趋势, 由2000年的0.36万km2减少到2015年的1.40万km2, 增加区域主要集中分布在呼伦贝尔草原东部和兴安盟的部分区域, 主要由NPP在200—300 gC m-2 a-1的区域转化而来。
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| 图 5 内蒙古东部地区草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均NPP分布情况 Fig. 5 Average NPP distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015 |
草地植被NPP年际变化是受人类活动和气候变化共同影响所导致。由图 6可以看出, 2000—2015年间草地植被年平均NPP呈上升趋势。内蒙古东部地区草地植被平均NPP值在166.56—248.14 gC m-2 a-1之间变化, 标准差为24.61 gC m-2 a-1。16年间草地植被NPP最大值出现在2014年, 最小值均出现在2001年。
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| 图 6 内蒙古东部地区草地植被平均NPP年际变化趋势 Fig. 6 Interannual variation trend of mean NPP of grassland in the eastern Inner Mongolia |
在16个自然保护区内, 草地植被平均NPP值在148.44—237.87 gC m-2 a-1之间变化, 标准差为23.37 gC m-2 a-1, 16年间草地植被NPP最大值出现在2014年, 最小值均出现在2001年。这与内蒙古东部草地植被平均NPP相一致。
基于遥感数据的草地植被净初级生产力估算结果空间上较好地反映了区域植被生产能力的空间异质性。净初级生产力综合反映了有人类活动干扰下的气候差异对草地植被生产力影响。呼伦贝尔典型草原区、通辽、赤峰地区光合有效辐射在600 MJ m -2 a-1以下。植被光合有效辐射较低, 使得植被光合作用效率低, 草地植被NPP较小。内蒙古东部地区属于干旱、半干旱地区, 年降水量较少, 地表实际蒸散较低，尤其以赤峰地区最为典型。赤峰地区实际蒸散量最低, 蒸散量在250 mm以下, 气候干旱、年降水量较少, 年NPP较低。降水是区域植被所需水分的主要来源, 降水是植被生长的主要限制因子, 降水减少导致区域内植被草地NPP降低。尤其以赤峰地区最为典型。
从草地植被净初级生产力年际变化趋势(图 6)可以明显看出：在人类活动和气候变化的驱动下, 2000—2015年间草地净初级生产力呈现缓慢上升趋势, 这与该区域2000年来实行的退耕还草、禁牧休牧、围封转移、强草惠牧和草原生态保护补助奖励等政策有关[21], 使得内蒙古东部地区的环境得到改善, 草地退化和沙漠化的速度明显降低。16年间净初级生产力和实际净初级生产力的差值明显反映了人类活动对植被净初级生产力不同程度的影响。计算2000—2015年间草地净初级生产力的差值得出, 人类活动造成生产力平均年增加量为3.99 gC m-2 a-1。近年来草原牧区加大了草地保护措施, 落实相关政策, 使得草地的利用更为合理, 遏制草原的退化, 从而促进草地生产力的增加。
3.2.3 各盟市NPP变化为进一步探讨区域草地动态变化特征及区域空间差异, 总结四个盟市草地变化特征(表 4), 可以看出：四个盟市草地平均NPP均呈现上升趋势, 上升趋势最显著的区域是呼伦贝尔市, 16年间草地平均NPP增加了47.90 gC m-2 a-1, 相对增加25.33%。其次是兴安盟, 16年间草地平均NPP增加了39.56 gC m-2 a-1, 相对增加17.99%。
| 盟市League or City | 2000 | 2010 | 2015 | 2000—2015 |
| 呼伦贝尔市 | 189.06 | 194.98 | 236.96 | 47.90 |
| 兴安盟 | 219.91 | 219.37 | 259.47 | 39.56 |
| 通辽市 | 207.34 | 203.65 | 242.21 | 34.87 |
| 赤峰市 | 198.40 | 184.97 | 216.24 | 17.85 |
为探讨内蒙古东部地区人类活动对草地植被生产力的影响, 基于NPP结果计算内蒙古东部地区草地2000—2005、2006—2010和2010—2015年平均RDI, 结果如图 7所示。内蒙古东部地区RDI分布空间差异明显, 可以看出, 呼伦贝尔草原中部、赤峰市东部和通辽市RDI值大多在0—20%之间, 人类活动影响相对较小。呼伦贝尔草原西部RDI值大多在20%—40%间, 人类活动相对显著；呼伦贝尔草原东部、赤峰市中部和兴安盟部分草地分布区RDI值域较高, 在40%以上, 说明人类活动干扰非常显著。
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| 图 7 内蒙古东部地区草地相对退化指数RDI空间格局 Fig. 7 Spatial pattern of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia |
分析内蒙古东部地区草地植被平均RDI变化情况, 结果如图 8所示。2000—2015年, 内蒙古东部地区RDI小于10%的呈现先减少再增加趋势, 由2000年6.58万km2增加到2015年的7.62万km2, 增加区域主要位于呼伦贝尔草原中西部；2000—2015年内蒙古东部地区RDI在10%—20%的呈现减少趋势, 由2000年5.06万km2减少到2015年的4.49万km2；2000—2015年内蒙古东部地区RDI在20%—30%的呈现减少趋势, 由2000年2.09万km2减少到2015年的1.69万km2, 减少区域主要集中分布在呼伦贝尔草原中西部, 主要转化为RDI小于10%的区域；2000—2015年内蒙古东部地区RDI在30%—40%的呈现减少趋势, 由2000年的1.01万km2减少到2015年的0.85万km2, 减少区域主要集中分布在呼伦贝尔草原西部；2000—2015年内蒙古东部地区RDI在40%—50%和大于50%的也呈现减少趋势, 由2000年的0.41万km2、0.31万km2减少到2015年的0.36万km2、0.24万km2。综合来看, 内蒙古东部草地植被平均RDI呈现逐渐降低趋势, 说明人类对草地的影响逐渐降低。
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| 图 8 内蒙古东部地区草地植被2000—2005、2006—2010和2011—2015年平均RDI分布情况 Fig. 8 Average RDI distribution of grassland in the eastern Inner Mongolia from 2000 to 2005, 2006 to 2010 and 2011 to 2015 |
RDI空间格局反映了内蒙古东部地区不同程度的人类活动干扰, 明显的RDI空间差异可归因于区域人口、政策及我国政府和地方政府实施的草地保护计划的不同。呼伦贝尔草原中部地区呈现较小的RDI值, 主要与区域较少的人口数量和区域草地交通不可达有着密切关系, 使得该地区较小的受到人为干扰, 从而使得RDI较小。较高的RDI值分布在中部半干旱地带, 如兴安盟和通辽市东部的部分草地分布区, 区域内广泛的旱作农业活动和畜牧业等造成的土壤水分显著损失及土壤盐碱化等起到不可忽视的作用。
统计得出内蒙古东部地区2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI分别为15.61%、16.50%和14.04%, 表示人类活动对区域草地干扰作用下降, 结合上文区域草地植被净初级生产力的逐年上升, 可知人类活动促进了草地的恢复。
3.3.2 RDI年际动态分析分别统计内蒙古东部地区2000—2015年间各年的草地空间分布未变化区域RDI的平均值。如图 9所示, 平均RDI年际变化趋势明显, 人类活动影响贡献率年际差异显著, 表现为RDI在波动中呈缓慢降低趋势。RDI最大值出现在2009年, 值为17.35%, 第二高值出现在2007年, 值为17.25%；RDI最小值出现在2011年, 值为12.96%；第二小值出现在2013年, 值为13.78%；2000—2015年间RDI标准差为1.30, 年际间RDI变化相对明显。就内蒙古东部尺度而言, 2000—2015年间RDI均大于12.90%, 人类活动对草地空间分布植被净初级生产力的影响相对贡献率在12.96%至17.35%之间, 导致生产力平均增加5.29TgC。相比气候变化对草地植被净初级生产力的影响, 尽管人类活动干扰不是造成草地植被净初级生产力变化的主导因素[22], 但人类活动的影响不可忽视, 随着时间的推移, 人类活动对草地植被净初级生产力的干扰程度在下降, 这说明生态工程中退耕还草、禁牧休牧的措施使得人类对内蒙古东部地区草地植被生产力的影响在下降。
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| 图 9 内蒙古东部地区草地相对退化指数年际变化趋势 Fig. 9 Interannual variation trend of relative degradation index (RDI) of grassland in the eastern Inner Mongolia |
通过统计分析相对退化指数(RDI)的年际变化发现：2000—2015年间内蒙古东部地区草地RDI在12.96%至17.35%之间波动。说明内蒙古东部地区尺度上人类活动对草地植被净初级生产力的影响仍表现为干扰或消耗。2000—2015年间内蒙古东部地区草地空间分布区域RDI值成缓慢下降趋势, 这表明人类活动对草地植被净初级生产力的干扰程度在下降。中国政府对内蒙古东部地区草地保护高度重视, 2002年国务院发布《国务院关于加强草原保护与建设的若干意见》文件, 提出建立各项制度, 推行轮牧休牧禁牧, 实施退耕还草, 强化草原监督管理等政策。通过草地保护工程的实施, 局部草地生态质量有所改善, 但是草地面积下降的趋势仍在继续, 草地生态环境没有得到根本的转变, 草地保护形势依然十分严峻。因此, 深入探讨内蒙古东部地区人类活动对草地相对退化指数的区域差异, 分析区域管理政策和潜在调控措施对于理解草地植被生产力的变化驱动机制, 加强草地的保护和区域生态可持续性具有重要的现实意义。
3.3.3 各盟市RDI变化为进一步探讨区域草地RDI动态变化特征及区域空间差异, 总结4个盟市草地RDI变化特征(表 5), 可以看出：4个盟市草地RDI均呈现先增加后减少趋势。2000—2010年增加趋势最显著的是赤峰市, 2011—2015年减少趋势最为显著的是兴安盟, 其次为呼伦贝尔市。
| 盟市 League or City | 2000 | 2010 | 2015 | 2000—2015 | 2000—2015 |
| 呼伦贝尔市 | 14.34 | 15.08 | 11.72 | 0.74 | -3.37 |
| 兴安盟 | 17.92 | 18.37 | 14.87 | 0.45 | -3.49 |
| 通辽市 | 13.81 | 14.17 | 13.63 | 0.37 | -0.54 |
| 赤峰市 | 17.60 | 19.33 | 17.81 | 1.74 | -1.53 |
草地与其他土地覆被类型相互转的, 会直接影响生态系统的结构与类型, 从而导致NPP发生变化。如表 6所示, 2000—2010年, 草地NPP增加较少；2010—2015年草地NPP增加主要是因为草地本身生产力上升, NPP增加了5.829 TgC, 此外也有由林地、耕地、湿地转换成草地而来, 分别增加了0.173 TgC、0.144 TgC和0.126 TgC。2000—2010年草地NPP减少主要是因为林地的转换和草地本身生产力的下降；2010—2015年, 草地NPP减少是因为耕地和林地的转换。整体来看, 2000—2015年, 内蒙古东部草地NPP呈先下降后上升的趋势, 草地NPP变化主要与本身净初级生产力相关。2000年以来为了遏制草地的退化, 政府开始在内蒙古东部实施退耕还草、禁牧休牧、围封转移、强草惠牧和草原生态保护补助奖励政策等。在此条件下, 内蒙古东部的草地开始逐渐增多, 草地植被净初级生产力也逐渐增加。但同时, 人口的增长导致的农业、畜牧业和城市的扩张等, 使得内蒙古东部草地NPP减少。
| 类型 Type | NPP增加NPP added value/TgC | |
| 2000—2010 | 2010—2015 | |
| 林地→草地Woodland →Grassland | 0.004 | 0.173 |
| 耕地→草地Arable land →Grassland | 0.016 | 0.144 |
| 湿地→草地Wetland →Grassland | 0.060 | 0.126 |
| 建设用地→草地Construction land →Grassland | 0.000 | 0.003 |
| 裸地→草地Bare land →Grassland | 0.018 | 0.048 |
| NPP增加总计Total NPP value added | 0.098 | 0.494 |
| 草地不变Grassland unchanged | - | 5.829 |
| 草地→林地Grassland →Woodland | 0.188 | 0.241 |
| 草地→耕地Grassland →Arable land | 0.048 | 0.309 |
| 草地→湿地Grassland →Wetland | 0.013 | 0.083 |
| 草地→建设用地Grassland →Construction land | 0.043 | 0.032 |
| 草地→裸地Grassland →Bare land | 0.019 | 0.023 |
| NPP减少总计NPP reduction total | 0.311 | 0.689 |
| 草地不变Grassland unchanged | -0.133 | - |
本文选择内蒙古东部地区草地为研究对象, 基于改进CACS模型和MODIS遥感数据产品等, 估算内蒙古东部地区草地面积变化和草地实际净初级生产力, 并探讨其时空格局与年际动态。选取研究区内自然保护区和人工围栏草场内的未退化天然草地, 定义其生产力为草地的“环境背景值”。同理, 定义保护区或人工围栏草场外的草地为退化草地, 其生产力类似于环境科学中的“受污染后的元素浓度”。进而, 定义相对退化指数(RDI), 确定草地生产力变化过程中人类活动因素的贡献率, 分析内蒙古东部地区RDI空间格局与年际动态。同时, 探讨16年间气候因子和NPP的关系。本文通过研究以上内容, 以期加强对草地生态系统碳收支的理解, 为区域草地的科学管理、保护与恢复提供科学依据。总结本文的主要研究结论如下：
(1) 内蒙古东部地区草地2000、2010和2015年草地面积分别为15.45万km2、15.38万km2、15.25万km2, 草地面积呈现逐年下降的趋势。2000—2015年间, 损失草地面积4743.80 km2, 新增草地面积2705.57 km2。
(2) 2000—2005、2006—2010和2011—2015年草地平均NPP总量分别为30.68Tg C/a(1 Tg C= 1012 g C)、30.33 Tg C/a和35.96 Tg C/a, 相对增加17.23%。NPP高值区域主要分布于呼伦贝尔草原东部和兴安盟地区, 草地植被类型以温性草原为主。2000—2015年内蒙古东部地区草地植被平均NPP位于166.56—248.14 gC m-2 a-1之间, NPP在波动中呈现明显的上升趋势(3.65 gC m-2 a-1/a, R2=0.47)。
(3) 内蒙古东部地区人类活动对草地植被净初级生产力影响的空间差异明显, 相对退化指数RDI空间异质性强, 且具有明显的地域特征；RDI高值区主要分布在呼伦贝尔草原东部和兴安盟部分草地分布区。内蒙古东部地区2000—2015、2006—2010和2011—2015年平均RDI为24.62%、22.02%和20.37%, 2000—2015年间内蒙古东部地区草地RDI在16.64%至30.54%之间波动, RDI值呈缓慢下降趋势, 表明人类活动对草地植被净初级生产力的干扰程度在下降；相关草地保护工作取得了阶段性进展, 草地生境质量得到提高, 草地生态环境得到改善。
(4) 草地与其他土地覆盖类型相互转换所导致的NPP变化。2000—2015年, 内蒙古东部草地NPP呈先下降后上升的趋势。2000—2010年草地NPP减少主要是因为林地的转化和草地本身生产力的下降；2010—2015年草地NPP增加主要是因为草地本身生产力上升, NPP增加了5.829 TgC。草地NPP变化主要与本身净初级生产力相关。
致谢: 感谢国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)提供数据支撑。| [1] |
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