生态工程前后三江源草地产草量与载畜压力的变化分析

张良侠，樊江文，邵全琴，唐风沛，张海燕，李愈哲

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049；3.中国矿业大学，北京100083）

“三江源”位于青海省南部，是中国长江、黄河、澜沧江三大重要河流的发源地，素有“中华水塔”之称，是中国生态环境安全和水源涵养的关键地区，同时也是中国生态系统最敏感的地区［1－3］。然而，由于气候变化的影响，加之人类不合理地开发利用，三江源区出现了草地退化沙化加剧、水土流失严重、河流断流、湖泊减少等生态环境恶化现象［4－8］，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。为保护和修复这一重要生态屏障，自2000年以来，国家先后批准成立了三江源国家级自然保护区，并于2005年投资75亿元批准实施了《三江源自然保护区生态保护和建设工程》，开展生态恢复和治理工作。该工程建设内容包括退牧还草，已垦草原还草，退耕还林，生态恶化土地治理，森林草原防火，草地鼠害治理，水土保持和保护管理设施与能力建设等8项［9］。

有研究表明，三江源生态工程的实施，对三江源区的生态环境产生了积极的影响。如，邵全琴等［10］基于土地覆被转类指数和土地覆被状况指数，指出三江源区土地覆被和宏观生态状况在生态工程实施前表现为显著变差，生态工程实施后则表现为略有好转。李辉霞等［11］利用spot vegetation的逐旬归一化植被指数（NDVI）数据，发现生态工程对三江源区植被的生长起到了积极的促进作用。另外，大多数三江源自然保护区的水源涵养、水土保持和生物多样性保护等主要生态服务功能，在工程实施后呈现出好转态势［10］。赖敏等［12］对生态工程实施前后三江源自然保护区的生态系统服务价值进行了评估和分析，结果表明工程实施期间保护区生态系统服务价值呈现明显的增长趋势。作为三江源地区的主体生态系统，草地生态系统的变化是该区生态环境状况改变的关键。针对工程实施前的草地本底状况，樊江文等［13－14］基于GLO－PEM模型和载畜压力指数分别分析了工程实施前（1988－2005年）的草地产草量和载畜压力的时空动态及驱动机制。然而，在工程实施之后，在气候波动和人类恢复行动的叠加作用下，三江源地区的草地生态系统牧草供给功能和草畜平衡又会发生怎样的变化，这是亟待讨论的问题。因此，本研究拟通过计算1988－2012年三江源区草地产草量和载畜压力指数，并对工程实施前后三江源区的草地产草量和载畜压力进行比较，来探讨气候变化和人类活动对三江源区草地生态系统牧草供给和草畜平衡的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三江源位于青海省南部（31°39′～36°12′N，89°45′～102°23′E），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，总面积为36.3万km2（图1）。地形以山地地貌为主，山脉绵延、地势高耸，海拔为3335～6564m。气候属典型的高原大陆性气候，年平均气温为－5.6～3.8℃，年平均降水量262.2～772.8mm［9］。

据统计，三江源地区拥有草地面积20.3万km2，占源区总面积的65.4%［15］。该地区的草地类型由东南向西北总体上依次出现高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠的过渡（图1）。高寒草甸以嵩草（Kobresiaspp.）等植物为优势种，高寒草原以寒冷旱生的多年生密丛禾草和莎草，如紫花针茅（Stipapurpurea）、青藏苔草（Carex moorcroftii）、紫羊茅（Festucarubra）、羊茅（Festucaovina）、沙生蒿（Artemisiadesertorum）等占优势。在草地利用上，该地区的草地分为冬春和夏秋两季草场，且冬春和夏秋草场的比例大致为1.0∶1.2［16］。由于冬春草场放牧时间长，放牧压力大，导致冬春季节草地退化尤为严重［17－18］。依据青海省三江源生态建设工程办公室提供的数据，三江源区目前饲养草食家畜约1600万羊单位。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

1.2 草地产草量计算

1988－2012年的草地产草量通过植被净初级生产力（NPP）来计算。草地植被NPP的计算采用全球生产效率（GLO－PEM）模型，该模型是基于遥感数据估算陆地生态系统NPP的光能利用率生产力模型［19］。

GLO－PEM模型采用的数据包括遥感数据和气象数据。其中，遥感数据为1988－2012年以来Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）的归一化植被指数（NDVI，1km空间分辨率），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［20］开发的冠层辐射传输算法，反演获得用于模型输入的光合有效辐射比例（FPAR）。气象数据包括光合有效辐射，气温及降水等，由中国气象局和青海省气象局提供。在覆盖研究区的13个站点气象数据基础上，利用ANUSPLIN软件进行空间插值，获得了1988年以来气温、降水、相对湿度、风速、光合有效辐射等空间插值数据（1km空间分辨率）作为模型输入。在此基础上，利用GLO－PEM模型模拟了1988年以来三江源区草地植被逐年NPP。

草地产草量计算主要以GLO－PEM模型获取的逐年NPP为基础数据，通过NPP地上/地下分配，估算草地的产草量。

其中，GY为草地产草量，ANPP为植被地上部分生产力，BNPP为植被地下部分生产力。

BNPP计算采用了Gill等［21］提出的草地植被地下生产力计算方法。

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。

在本研究中，BGB和ANPP分别采用2003－2005年我们在三江源地区测定的高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、高寒荒漠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；live BGB/BGB取值0.79（周兴民［22］2002年在青海地区测定的实测值）。

研究区31个样点的野外测定产草量与模型模拟的NPP获取得到的产草量具有较好的相关性（R2＝0.54，P＜0.01）［13］。因此，本研究获取的草地产草量具有可信性。

1.3 草地载畜压力计算

为了分析和评价放牧对三江源地区草地生态系统的影响，本研究采用“草地载畜压力指数”的概念以评价不同草场的草畜矛盾特征：

其中，Ip为草地载畜压力指数；Cs为草地现实载畜量，即单位面积草地实际承载的羊单位数量（标准羊单位/667 m2）；Cl为草地理论载畜量。如果Ip＝1，则Cs＝Cl，表明草地载畜量适宜；如果Ip＞1，表明草地超载；如果Ip＜1，则表明草地尚有载畜潜力。草地现实载畜量Cs的计算公式为：

其中，Cn为年末家畜存栏数，按羊单位计算，大的家畜按4个羊单位计算。其数据来源于青海省环境监测中心站提供的统计资料；Ch为家畜出栏率，根据三江源的实际情况，按30%计算；Ar为草地面积（667m2）；Gt为草地放牧时间，根据三江源的实际情况，1988－1999年家畜在冬场草地的放牧时间按240d计算，夏场放牧时间按125d计算；2000－2012年家畜在冬场放牧时间按210d计算，在夏场放牧时间按155d计算（根据青海省草原站提供的数据，三江源区季节草地的放牧时间在2000年左右进行了调整）。

其中，Cl为草地理论载畜量，即单位面积草地可承载的羊单位（标准羊单位/hm2）；Ym为草地单位面积草地的产草量（kg/hm2）；Ut为牧草利用率，根据三江源草地的实际情况，按70%计算；Co为草地可利用率，根据三江源草地的实际情况，按91.45%计算；Ha为草地可食牧草比率，根据三江源草地的实际情况，草地可食牧草产量按占产草量的80%计算；Sf为一个羊单位家畜的日食量，根据有关标准，每羊单位按每天采食4kg鲜草计算；Df为牧草干鲜比，根据有关标准，牧草的干重与鲜重的比例按1∶3计算；Gt为草地放牧时间，与公式（5）一致。季节草场的平均理论载畜量按各季节草场面积的加权平均计算。

2 结果与分析

2.1 工程前后草地产草量的变化

据测算，自2005年三江源生态保护和建设工程实施以来，该地区草地的牧草产草量明显提高。工程开始前17年（1988－2004年）的草地平均产草量为533kg/hm2，生态工程实施后8年（2005－2012年）草地平均产草量为694kg/hm2，相比产草量提高了30.31%（图2）。

图2 生态工程实施前后草地产草量比较Fig.2 Comparison of the grassland yield before and after the ecological protection and construction project

尽管三江源地区的草地产草量在工程实施后明显提高，但在区域空间上提高的程度则明显不同，表现出较明显的区域分异特点。总体来说，三江源北部和东部地区的草地产草量提高幅度较大（图3，图4），其中兴海县提高了52.89%，治多县提高了38.01%，唐古拉乡提高了34.20%，玛多县提高了33.57%，曲麻莱县提高了54.03%；而南部地区草地产草量的提高幅度相对较小，其中玉树县提高了9.91%，囊谦县提高了12.81%，杂多县提高了16.62%左右；其余各县草地产草量均有中等幅度的提高（图5）。

图3 工程开始前17年（1988－2004年）（a）与工程实施后8年（2005－2012年）（b）平均产草量的空间格局Fig.3 Spatial pattern of the mean grassland yield before the ecological protection and construction project（1988－2004）（a）and after the project（2005－2012）（b）

图4 三江源生态工程实施前后多年平均产草量的变化Fig.4 The difference of the mean grassland yield before and after the ecological protection and construction project

从产草量变化的时间序列看，从1988－2012年的25年中，三江源草地产草量总体呈增加的趋势。在工程实施前的1988－2004年的17年中，草地产草量年度间波动很大（年度变异系数11.9%），但其变化总趋势较为稳定；工程实施后的2005－2012年，草地产草量年度波动也较大（变异系数11.6%），且其总体水平明显高于工程前。上述草地产草量年度变化趋势和波动现象，表明年度气候因素对产草量的变化起了决定性作用。

2.2 工程前后草地载畜压力的变化

三江源生态保护和建设工程的减畜工作始于2003年，自减畜工程实施以来，整个三江源地区家畜数量减少明显（图6）。减畜工程实施后（2003－2012年）家畜年平均数量已降至1541.27万羊单位，与工程前15年（1988－2002年）平均1958.0万羊单位相比，减幅达21.3%。

图5 各县工程实施前后平均产草量变化对比Fig.5 Comparison of the mean grassland yield for each county before and after the ecological protection and construction project

图6 三江源全区1988年以来家畜存栏数变化Fig.6 Yearly changes of livestock number for the region from 1988to 2012

自1988年以来，草地现实载畜量持续下降，而理论载畜量有所提高（图7）。在减畜工程实施前的15年（1988－2002年）中，三江源地区草地的现实载畜总量平均为2545.4万羊单位，2003年减畜工程实施以来（2003－2012年）现实载畜总量平均为2003.7万羊单位，现实载畜量降低了21.3%；理论载畜量则由工程实施前（1988－2002年）的1132.7万羊单位增加为减畜工程实施以来（2003－2012年）的1292.1万羊单位，理论载畜量增加了22.9%。

图7 三江源地区草地现实载畜量和理论载畜量的年度变化Fig.7 Changes of grassland standing and proper carrying capacity in the region

减畜工程实施后，三江源地区草地的载畜压力指数明显降低，且具有逐年下降的趋势（图8）。统计表明，减畜工程前15年（1988－2002年）的平均载畜压力指数为2.29，即草地超载约1.29倍；减畜工程实施以来（2003－2012年）平均载畜压力指数为1.46，即超载0.46倍，两者相比较降低了36.1%。这表明，三江源地区草地的载畜压力逐渐减小，草地减畜工程取得初步成效。

图8 1988－2012年三江源草地载畜压力指数变化趋势Fig.8 Changes of grazing pressure index in grassland of the region

3 讨论

生态保护和建设工程实施后，三江源全区草地产草量普遍提高。工程实施后的2005－2012年8年的草地平均产草量比工程实施前1988－2004年17年的平均产草量提高了30.31%。该研究结果同刘宪锋等［23］得出的三江源区近10年植被覆盖度呈增加趋势相一致。三江源区产草量的提高主要归因于生态保护和建设工程的实施以及气候暖湿化。依据青海省草原总站提供的草地监测报告，生态保护和建设工程中的草地治理与保护项目，如，退牧还草，黑土滩综合治理和草地鼠害防治工程的实施，均会提高工程区内草地覆盖度与生产力，从而提高草地产草量。邵全琴等［24］的研究也表明，生态工程实施后，草地类自然保护区内草地面积处于扩张趋势，植被覆盖度呈增加趋势，同时NPP呈现波动上升趋势。另外，在生态工程中的人工增雨项目与气候波动共同作用下，2005年后全区降水量呈增加趋势［1，23，25］。如，2005－2009年全区年降水量较1975－2004年增加了61mm。2006－2011年，人工增雨使得三江源区总降水量共增加了388.48亿m3（表1）。降水量的变化，对草地产草量的提高起到了积极的促进作用。同时，近几十年来三江源地区气温呈增加趋势［4，26－29］，且年平均气温的升高主要是由最低气温升高引起［28］。温度的升高会导致植被返青期提前，从而提高草地产量。

表1 2006－2011年三江源地区人工增雨作业情况［30］Table 1 The artificial precipitation operation effect in the region from 2006to 2011 ×108 m3

研究结果显示，减畜工程实施后，三江源全区载畜压力明显减轻。2003－2012年平均载畜压力指数比1988－2002年15年平均载畜压力指数下降了36.1%，表明生态工程对减轻草地载畜压力产生了积极的影响。草地载畜压力的明显减轻主要是由草地产草量提高引起的理论载畜量增加和减畜工程造成的现实载畜量降低所决定的。第一，草地产草量的提高，使草地的理论载畜量有所增加。由公式（6）可以看出，产草量的增加会提高草地的理论载畜量。本研究结果表明，三江源全区2003－2012年的产草量较1988－2002年高，从而导致理论载畜量相应增加了22.9%。第二，大幅度的减畜工作使得三江源地区的家畜数量明显减少，草地现实载畜量明显下降。生态工程实施以来，三江源全区减畜工作取得了明显成效，平均减畜比例超过20%，这对遏制草地严重退化的局面十分有利。同时，冬春场过重的放牧压力在一定程度上逐渐由原来压力相对较轻的夏场所承担，即季节草场向均衡利用的方向发展，也使得草地载畜压力指数呈现下降趋势［14］。上述两方面的原因，造成该地区的草畜矛盾趋缓，草地生态系统压力减轻。

尽管生态工程对草地生态系统恢复已取得了一定的成效，但其成效具有局限性和初步性［1］。草地生态系统恢复所取得的成果，是由生态工程和气候变化共同作用的结果，且气候变化的贡献大于生态工程。如，李辉霞等［11］通过将气候变化与人类活动对植被归一化植被指数（NDVI）的贡献进行分离，得出气候要素和人类活动对三江源地区植被NDVI的贡献分别为79.32%和20.68%。可见，与实施8年的生态工程相比较，气候因素对草地产草量的提高起了决定性作用。同时，草地退化态势好转仅表现在长势上，群落结构并未发生好转［1，24］。这表明，草地恢复是一项长期艰巨的任务，尽管三江源生态工程取得了一定的成效，应按照长期管护、巩固成果的需求，建立生态保护和建设的长期机制。另外，减畜措施后的2003－2012年三江源平均载畜压力指数为1.46，即草地超载0.46倍，表明三江源地区草地仍处于超载状态。周华坤等［29］研究表明，超载过牧是三江源区草地退化的主要原因。因此，我们建议三江源草地恢复和治理的重点应继续放在减畜减压上。

4 结论

本研究基于GLO－PEM模型和载畜压力指数，对比分析了三江源地区实施生态工程之后草地产草量和载畜压力的变化。结果表明，工程实施后三江源全区草地产草量普遍提高，载畜压力明显减轻。其中，2005－2012年的草地平均产草量（694kg/hm2）较工程实施前1988－2004年的平均产草量（533kg/hm2）提高了30.31%；2003－2012年的平均载畜压力指数（1.46）比减畜措施实施后1988－2002年的平均载畜压力指数（2.49）下降了36.1%。草地产草量的提高，主要由生态保护和建设工程的实施以及气候暖湿化所导致；而草地载畜压力的减轻，主要由草地产草量的提高和减畜工程所决定。这表明，生态工程对草地生态系统的恢复已初见成效。但草地恢复是一项长期艰巨的任务，应建立生态保护和建设的长期机制，并把恢复重点放在减畜减压上。

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