2010 - 2017 年藏北高寒退化草地禁牧恢复效果评价

冯云飞，李 猛，李少伟，邸迎伟，沈振西，张宪洲，余成群，严 俊，席永士，武建双,6

（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 / 拉萨高原生态试验站，北京 100101；2.唐山师范学院资源管理系，河北 唐山 063000；3.中国科学院大学，北京 100049；4.那曲市草原站，西藏 那曲 852000；5.西藏自治区绿色食品办公室，西藏 拉萨 850000；6.柏林自由大学生物研究所生物多样性与理论生态学研究组，德国 柏林 14195）

青藏高原对我国乃至周边国家和地区的生态安全具有重要屏障功能[1-3]，保护和维持青藏高原内部各类生态系统结构和功能的稳定是科学应对气候变化的必然途径[4-6]。以往研究普遍认为气候变暖和过度放牧是造成青藏高寒草地退化的主要驱动力[7-9]。据相关研究报道，西藏退化草地面积约占其可利用草地总面积17.2%[10]。为遏止草地退化、促进生态恢复、实现草畜平衡，2010年在西藏推行天然草原生态保护补助奖励政策试点工作。在退化草地上建设围栏实行禁牧封育并对牧民进行经济补偿是该政策的主要措施之一[11]。

西藏那曲和阿里两地市简称藏北高原，其天然草地约 4.8 × 107hm2，占西藏可利用天然草地的 59.0%，是西藏最重要的传统牧区[12]。受气候变暖和过度放牧的双重影响，藏北高寒草地整体上曾出现严峻退化态势[13]。为恢复退化草地的生态功能，2003-2012年间藏北高原累计建成禁牧围栏860万hm2，并纳入现行草原生态保护补助奖励政策，其面积约占西藏可利用草地的9.8%[14]。但禁牧围栏在建设初期存在管理粗放和布局盲目等问题[15-16]。因此，科学地评估围栏禁牧对退化草地恢复的生态效益，及辨识气候因素在禁牧过程中的作用机理将对未来相关生态工程的建设布局优化十分关键。

在禁牧生态效益监测方面，Wu等[17]曾发现禁牧有利于提高高寒草甸生产力，但同时亦可降低群落植物密度和物种多样性。区域尺度上的研究发现禁牧不能明显改变高寒草地群落物种丰富度和多样性及其对生长季降水的响应方式[18-19]，但可能改变群落内部不同植物功能群的相对优势[20-21]或植物的功能性状[22-23]，改变干物质的地上/地下分配格局[24-25]，进而影响草地群落地上净初级生产力响应生长季降水变化的敏感性[26-27]。尽管短期禁牧( ＜ 5年)不能显著改善土壤水分和养分的有效性[28-29]，但仍有利于提升禾本科和莎草科植物的相对优势度，并抑制豆科有毒植物生长[30]。从长期来看, 禁牧可能会降低围栏内土壤有机碳，进而影响可食/优质牧草生长，并对物种多样性维持产生负面影响[31-32]。

但现有研究多集中在单一或有限站点，其结论难以用来指导大区域禁牧围栏布局。归一化植被指数 (normalized difference vegetation index, NDVI)被广泛用于研究植被覆被变化，其中NDVI均值差用来分析植被变化动态[33]，NDVI变化的斜率(趋势)差常用于判定区域尺度上不同因子对植被变化的驱动机制[34-39]。为客观地评价藏北高原现有禁牧地的封育效果，服务于今后政策制定和优化，本研究以藏北高原地区的禁牧围栏内的草地为对象，拟实现以下两个研究目标：1)通过草原生态补助奖励政策实施前(2000-2009年)和政策实施后(2010-2017年)两个时段禁牧地NDVI均值和趋势的对比揭示禁牧效果；2)通过相应时段的生长季气温和降水的均值和趋势对比，结合相关性分析，回归分析和方差分析探究气候变化对禁牧成效的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区介绍

藏北高原孕育着长江、怒江、澜沧江等主要河流，被誉为中华水塔。藏北高原冰缘地貌广泛分布，是北半球中低纬度地带多年冻土最为发育地区[40]。气候类型从东向西依次分布着高原亚寒带半湿润季风气候、高原亚寒带半干旱季风气候和高原亚寒带干旱季风气候[12]。土壤类型自东南向西北依次分布着高山/亚高山草甸土、高山/亚高山草原土以及高山漠土等。相应地，植被类型则自东南向西北依次分布着高寒草甸、草原化草甸、典型草原、荒漠草原和高寒荒漠等[41-43]。

1.2 数据处理与分析

1.2.1 围栏坐标

禁牧围栏的边界坐标的原始记录，包括各个拐点经度、纬度和海拔，从藏北地区各县农牧局获取。原始坐标记录经Excel初步整理后，导入ArcGIS10.2生成矢量多边形[27]。禁牧围栏地块面积大小从 49 hm2到 157 343 hm2。在进行空间分析时，较小围栏容易受围栏外放牧草地栅格的影响。因此，本研究仅提取面积超过100 hm2的围栏(2 413块)进行禁牧评价(图1)。

1.2.2 数据分析

藏北地区属高原季风气候区，雨热同期，5-9月是草原植物生长季[44]。因此，这一时段降水和温度常被定义为生长季降水和生长季气温，用于高寒草地植被时空格局研究[45]。本研究采用国家气象信息中心(http://data.cma.cn) 2000-2017年青藏高原内部及其周边共200个国家级气象观测站生长季逐日降水和气温记录，利用ANUSPLIN 4.3软件插值将逐日台站数据插值生成1 km分辨率栅格，并计算研究时段内逐年生长季降水和生长季平均气温[35]。本研究采用NASA提供的2000-2017年逐月MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)第 六版(C6)归一化植被指数NDVI (MYD13A3)，空间分辨率为 1 km × 1 km。该产品处理前讲过表面双向反射率大气校正，去除水、云、重气溶胶和云影的影响，被广泛应用于遥感大尺度的高寒草地退化或生态恢复时空过程与格局的研究[46-49]。西藏自治区在2010年开始实施天然草原生态保护补助奖励政策[11, 15]。本研究通过比较草原生态补助奖励政策实施前(2000-2009年)与政策实施后(2010-2017年)两个时段的NDVI均值和趋势来量化禁牧效果[49]，采用最小二乘法计算NDVI随时间的变化趋势[35, 46]，利用回归分析、相关分析和方差分解等统计方法探究气候变化对禁牧效果的作用机制[25, 35, 50]，再利用围栏矢量边界提取对应的气候和NDVI栅格数据，只对围栏范围内栅格进行有效统计分析。其中，NDVI均值前后时段变化在-0.001～0.001，或者NDVI趋势变化在-10-4～10-4为无效。图件利用ArcGIS10.2和R3.3制作完成。

2 结果与分析

2.1 生长季气温变化

图1 藏北高原各县禁牧围栏分布图Figure 1 Spatial distribution of exclosures for grazing exclusion built on degraded alpine grasslands in each county on the northern Tibetan Plateau

整体上藏北高原生长季平均气温呈现北低南高，东低西高的格局(图2a、b)。2010-2017年与2000-2009年相比，生长季温度均呈升高态势且增温幅度呈从中南部向四周逐渐降低的格局(图2c)。从变化趋势来看，生长季平气温在2000-2009年期间呈现南部升温，中北部和西南部降温的空间态势(图2d)。2010-2017年间除东南部持续升温外，中北部降温区略有扩大，西南部由增温逆转降温(图2e)。对比政策前后两时段，藏北高东南部升温趋势减缓，中西部由增温逆转为降温，西南部由降温逆转为加剧升温(图2f)。

2.2 生长季降水变化

整体上藏北高原的生长季降水均值呈现从东南向西部减少的空间格局(图3a、b)。但2010-2017年与2000-2009年相比，生长季降水则呈现东部草甸区降水减少，西部典型高寒草原和荒漠草原区降水增多的空间态势(图3c)。从变化趋势来看，藏北高原生长季降水在2000-2009年间呈现东部草甸区和西北部典型草原、荒漠草原区降水减少，中部高寒草原区和西南部荒漠草原区降水增加的空间格局。但2010-2017年间藏北高原东中部双湖县南部和尼玛县东部降水由增加转为减少趋势，而西北部的改则、革吉和日土县降水由减少转为降水增加的趋势(图3d、f)。

2.3 植被覆盖度变化

高寒草地植被覆盖度NDVI随着植被类型从草甸、草原到荒漠的转变而逐渐降低(图4a、b)。与2000-2009年相比，2010-2017年藏北高原67%的禁牧地块植被覆盖度NDVI增加，且主要分布在阿里地区荒漠草原和那曲市西部典型高寒草原区(表1、图4c和图5a)。2000-2009年草地覆盖度NDVI呈现东部高寒草甸区和西南部荒漠草原降低，中西部典型高寒草原和荒漠草原增加人格局(图4d)。但在2010-2017年间NDVI趋势呈现中西部典型高寒草原和荒漠草原明显增加，西南部荒漠草原增加，东部高寒草甸减少的基本格局(图4e)。此外，中部和西部草原、荒漠区大部禁牧地块NDVI增加趋势得到提升，东部高寒草甸地区NDVI降低趋势得以缓解(图4f、图5b)。

图2 藏北高原禁牧地多年生长季温度均值和趋势在草原生态保护奖励补助政策前后的比较Figure 2 Comparisons of the annul means and trends of the growing season temperature (GST), prior to (2000-2009)and after (2010-2017) the implementation of the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

从地块水平的统计来看(表1)，那曲市64.4%的禁牧地块植被覆盖度NDVI均值增加，50.3%的禁牧地块NDVI趋势增加。阿里地区70.8%的禁牧地块植被NDVI均值增加，但阿里地区绝大多数(99.4%)禁牧地块的NDVI趋势没有改变。班戈、那曲和申扎3县植被覆盖度NDVI均值降低的禁牧地块的比例分别占51.5%、50.5%和45.1%。相应地，班戈、那曲和申扎3县禁牧地NDVI趋势降低的地块比例分别占63.3%、82.9%和78.8%。尼玛县66.8%禁牧地内植被覆盖度变化趋势与2000-2009年相比不同程度地下降。从NDVI均值比较结果来判断，整个藏北高原禁牧有效率(MeanNDVI 2010-2017-NDVI2000-2009＞ 0的地块占比)为 67.3%，负效率 (Mean NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ＜ 0 的地块占比)为 22.5%，无效率 (Mean NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ≈ 0 的地块占比)为10.2%。从NDVI趋势比较结果来判断，禁牧有效率 (Trend NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ＞ 0 的地块占比)为 40.5%，负效率 (TrendNDVI 2010-2017-NDVI2000-2009＜ 0的地块占比)为31.0%，无效率(Trend NDVI 2010-2017 - NDVI2000-2009 ≈ 0的地块占比)为 28.4%。

2.4 气候变化与禁牧成效的关系

每个禁牧地块仅有10或8年的气候数据与植被覆盖度NDVI在栅格尺度上相对应。因此，藏北高寒草地禁牧区植被覆盖度NDVI与生长季气温的相关性比较低(r= 0.266)，并且在政策前后两个时段无明显差异(图6a、b)。但禁牧区植被覆盖度NDVI与生长季降水的相关性相对较高(r= 0.370，图6c、d)，且中西部禁牧地NDVI与降水的相关性在政策实施后 (r= 0.370)比政策实施前 (r= 0.238)有所提高。在空间上表现为东部高寒草甸区的禁牧地与气候要素的相关性上升幅度低于中西部高寒草原和荒漠草原。

图3 藏北高原禁牧地多年生长季降水均值和趋势在草原生态保护奖励补助政策前后的比较Figure 3 Comparisons of the annul means and trends of the growing season precipitation (GSP), prior to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

单因素回归分析发现，尽管NDVI均值和趋势随着生长季气候呈现线性增长趋势或抛物线型关系，气候因子对其变异的解释度(R2)仍然普遍较低(图7)。方差分析也证实，生长季温度和降水的均值变化对植被覆盖度NDVI均值变化均影响作用显著(P＜ 0.05)，但二者对NDVI均值变化的解释度之和很低，仅为2.01%。生长季温度和降水趋势变化及其交互作用对植被覆盖度NDVI趋势变化的影响作用显著(P＜ 0.05)，但其对NDVI趋势变异的解释度仅为1.94%(表2)。

3 讨论与结论

通过均值对比发现，整个藏北高原大约10.2%禁牧地的NDVI均值在政策前后两个时段无显著变化，28.4%禁牧地的NDVI趋势在前后两时段未发生变化。建议对于禁牧无效的地块应结合地面调查探明除气候变化以外其他人文因素的作用机制。但是，藏北高原西部荒漠草原禁牧地NDVI比草原生态保护补助奖励政策实施前有所提高(图4c和图5)。这可能是因为藏北高原西部地区近年来降水持续增多(图3f)。但是在草原生态保护补助奖励政策实施后，阿里地区禁牧区NDVI随年份的变化趋势与政策实施前相比并无显著改善(图4f和表1)，这可能是荒漠草原禁牧地在围栏禁牧之前并未退化或退化程度较轻造成的。

藏北高原中部高寒草原禁牧地NDVI均值比草原生态保护奖励政策前也有所提高(图4c和图5a)，但其趋势亦没有显著改变(图4f、图5b)。这一方面可能是因为藏北高原中西部地区在草原生态保护补助奖励政策实施后近10年气温增加趋势减弱(图2f)，降水增加趋势明显(图3f)，甚至部分区域由政策之前的暖干化趋势[51]转变为政策之后的暖湿化趋势。另一方面也可能是因为中西部典型高寒草原在围栏禁牧之前并未退化(图4d、f)。高清竹等[47]对于草地退化空间格局的研究中曾经指明，那曲地区中西部典型高寒草原在2004年以前并未退化或处于轻度退化等级。

图4 藏北高原禁牧地植被覆盖度NDVI均值和趋势在草原生态保护奖励补助政策前后的比较Figure 4 Comparisons of the annul means and trends of the vegetation coverage (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI), prior-to (2000-2009) and after (2010-2017) the implementation of the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

藏北高原东部草甸区禁牧有效率比较低，可能是由于即使在植物生长季降水多以雪和冰雹的形式出现，与之相随的低温冻害并不利于退化草地恢复。在东部高寒草甸区安多、那曲和索县禁牧地块的NDVI在政策前的趋势多为负值(图4d和表1)。但从政策前后禁牧地NDVI趋势对比来看，安多和索县NDVI趋势差 ＞ 0的地块例较大，分别为69.6%和73.6%，那曲县NDVI趋势差 ＞ 0的比例仅为17%。对于NDVI趋势差＞ 0的地块，若后一时段TrendNDVI＞ 0，则说明禁牧后促进或实现了植被恢复，未来研究应探明其最佳禁牧年限，适时调整为季节性休牧地或全年放牧地；若后一时段TrendNDVI＜ 0，则说明围栏禁牧减缓了退化趋势但禁牧措施仍应继续执行。

降水变化可能是驱动藏北高原天然草地植被动态和围栏禁牧效果的主导自然因素[30, 48, 52-53]。本研究中，在空间栅格、地块尺度上禁牧地的NDVI与气温和降水的相关性不高(图6)，回归和方差分析中气候因子变率对跨草地类型禁牧地NDVI变率的解释度也很低(表2)且不存在普遍性规律(图7)。这可能是因为在气候变化占主导草地退化进程的地区，倘若气候变化态势没有逆转，围栏禁牧对草地功能恢复的影响仍然非常有限[18, 29]。因此，未来在规划禁牧围栏空间布局之前应该充分考虑当地气温和降水的变化趋势，采用遥感技术和地面勘察相结合的工作方式对拟建设围栏的草地的生境变化、生物多样性、生态系统功能与服务等进行多角度的审视和评估, 科学、系统地量化草地退化等级[4, 54]。

表1 藏北高原 各县禁牧地植被 覆盖度NDVI 均值与趋势在草 原生态保护补助 奖励政策前后的变 化情况Table 1 Summary of the MeanNDVI, TrendNDVI, and their differences in enclosures for grazing exclusion, prior-to and after the implementation of the‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in each county on the Northern Tibetan Plateau

图5 藏北高原禁牧地植被覆盖度NDVI均值和趋势在草原生态保护奖励补助政策前后比较情况分类Figure 5 Categories of different comparison scenarios of the MeanNDVI and TrendNDVI, prior-to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

图6 草原生态保护奖励补助政策前后藏北禁牧地植被覆盖度NDVI与生长季气温和降水的相关性格局Figure 6 Spatial patterns of the correlation coefficients of the normalized difference vegetation index (NDVI) with the growing season temperature (GST, a & b) and precipitation (GSP, c & d), during the subperiods of prior-to (2000-2009) and after(2010-2017) the implementation of the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy in exclosures for grazing exclusion on the northern Tibetan Plateau

有研究表明，短期禁牧( ＜ 5年)有利于提升禾本科和莎草科植物的相对优势度，并抑制豆科有毒植物生长[30]。但随着禁牧封育延长枯落物不断地累积可能导致遮光效应，进而影响低矮优良牧草的返青、生长和繁殖[55]，从而改变植物物种间的相对竞争优势，导致高寒草地发生逆向演替，造成草地生产功能的衰减。这是因为长期禁牧可能会降低围栏内土壤有机碳，进而影响可食、优质牧草生长，并对物种多样性维持产生负面影响[31-32]。本研究发现，藏北高原高寒草原区班戈、申扎和尼玛县禁牧地NDVI趋势在草原生态保护补助奖励政策之前多为正值(图4d)，说明围栏内草地可能在禁牧之前并未退化。但在禁牧政策实施后其NDVI正向趋势减小，导致禁牧前后NDVI趋势差＜ 0的地块例较大。班戈、申扎和尼玛县NDVI趋势差减小的地块比例分别为63%、79%和67%，表明禁牧后高寒草原可能发生了逆向演替，其生态系统服务和功能有减弱趋势。对于这类禁牧政策前后NDVI均为正值，且禁牧后趋势减弱的禁牧地应该结合地面调查的评估适时重新开放为放牧地或季节性休牧地。由于大尺度的NDVI数据难以有效指示草地植物群落组成的变化，NDVI的增减趋势是否和植物群落组成变化一致需要更为翔实的野外验证。

图7 草原生态保护奖励补助政策前后藏北禁牧地植被覆盖度NDVI均值和趋势差异与生长季气候的关系Figure 7 Relationships between the mean-difference and trend-difference of the normalized difference vegetation index with the corresponding mean-difference and trend-difference of the growing season temperature and precipitation (GST and GSP) between the two subperiods, prior-to and after the ‘allowance and reward to herdsmen for grassland conservation’ policy implementation in all exclosures for grazing exclusion across alpine meadow, alpine steppe, and desert steppe on the northern Tibetan Plateau

以往研究常采用线性趋势比较可能比较适用于特定站点的长期植被动态分析。但是，在时间和空间分析耦合在一起时，必须满足研究时段内生态系统变化是显著线性这一前提假设。只有在满足线性趋势显著的情况下才能够通过趋势(斜率)比较得出相对可靠的结论。由于植物群落内部不同种群存在的生态位分离、分化或重叠[56-57]，在自然和人文因素相互耦合影响下，生态功能和过程外界干扰的响应并非遵循简单的线性规律[58-59]。例如，Wu等[21]利用2009-2012年的实地调查数据构建广义加性模型发现藏北高寒草地毒草入侵沿着气候和放牧梯度呈非线性格局，毒草入侵在生长季降水适中高寒草原最为严重。因此，Wu等[21]认为气候条件、现实放牧压力以及毒杂草植物(功能性状)的竞争优势共同造成了区域毒杂草入侵的非线性格局。相关研究还发现，植物物种多样性以及性状多样性有可能通过非线性途径来调控初级生产力以及干物质分配[25-27]。禁牧地NDVI变化与气候因素相关性很低且在大部分栅格上不显著也可能是因为研究时段比较短(图6)，气候变化和生态过程并不遵循线性规律 (图7)。因此建议，未来应尝试采用非线性混合模型结合方差分解和显著性判断，来识别和量化气候变化、草地管理和政策辅助的对草地动态或恢复进程的相对贡献。

表2 气候变化对草原生态保护奖励补助政策前后藏北禁牧地植被覆盖度变化的影响作用Table 2 Effects of climate change on the changes of grassland vegetation coverage in exclosures for grazing exclusion on the Northern Tibetan Plateau

4 结论

本研究以藏北高原2 413块禁牧地为对象，通过草原生态保护补助奖励政策前(2000-2009年)和政策后(2010-2017年)围栏内草地NDVI均值和趋势对比来评判禁牧有效性；结合相应时段内生长季气温和降水的均值与趋势变化，通过相关分析，回归分析和方差分解评判气候因素对禁牧地植被恢复效果的影响，得出以下初步两点结论和建议：

(1)从NDVI均值比较结果来判断，整个藏北高原禁牧有效率为67.3%，负效率为22.5%，无效率为10.2%。从NDVI趋势比较结果来判断，整个藏北高原禁牧有效率率为40.5%，负效率为31.0%，无效率为28.4%。对禁牧有效地块应结合地面监测判断是已实现植被恢复还是已有效减缓草地退化，进而相应地采取适时开放为放牧地或继续实行禁牧。对负效禁牧地块应在地面勘测时选择合理的参照系，判断是否因长期禁牧导致植被逆向演替。已经发生逆向演替的禁牧地块应尽快及时开放为放牧地并维持合理的放牧压力。对于禁牧无效的地块，应剖析自然因素的以外的其他人文因素的作用机制，是否严格禁牧等。

(2)从NDVI与气候相关性的空间格局来看，整个藏北高寒草地禁牧区植被NDVI与生长季气温的相关性比较低，并且在政策前后两个时段无明显差异。禁牧区植被NDVI与生长季降水的相关性相对较高，且中西部禁牧地NDVI与降水的相关性在政策实施后 (r= 0.370)比政策实施前 (r= 0.238)有所提高。线性回归和方差分解结果显示，尽管生长季降水和温度变化对禁牧地NDVI影响显著，但是二者对跨时间和空间尺度NDVI均值和趋势变化的解释度很低。未来应该结合长期的地面监测，选择合理的参照标准(如健康的放牧地)，尝试构建在跨时空尺度的非线性模型来辨识和量化气候变化和人文因素分析对高寒草地动态或退化草地恢复效果的相对影响，因地制宜地提出禁牧围栏布局方案，从而辅助生态保护政策的制定和实施。