2005-2017年青海三江源区草地家畜承载力时空格局研究

钱 前， 张秀娟， 王军邦， 叶 辉， 李英年， 张志军

(1. 长江大学园艺园林学院， 湖北 荆州 434023； 2. 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生态系统大数据与模拟中心， 北京 100101； 3.九江学院旅游与地理学院， 江西 九江 332005； 4.中科院西北高原生物研究所， 青海 西宁 810001； 5.青海省生态环境监测中心， 青海 西宁 810007)

草原是全球及中国最大的陆地生态系统，具有很高的生态和经济价值[1-2]。合理的放牧强度下，植物的生产力和物种多样性都会增加[3-4]，过度放牧草场则会出现退化、沙化加剧的现象[5-6]，影响生态系统物质循环[7-8]。因此，必须制定适当的政策严格控制人为经济放牧活动强度，协调人与自然的关系[9]。通过退牧还草工程效应评估发现，植被盖度与产草量都有不同程度的增加[10]，实施恢复工程是区域沙源固定、碳汇增加和饲草供应恢复的有效方法[11]。

三江源区位于青藏高原腹地，青海省南部，是中国及东南亚的江河之源，是我国中下游可持续发展的生态安全屏障(图1)。三江源区是典型高原大陆性气候，水热同期、年温差小、日温差大，干旱、雪灾、暴雨等气象灾害时有发生，是生态脆弱区[12]。草地是三江源主要的植被类型，放牧是牧民主要的谋生方式，随着当地人口的增加，牲畜数量也发生变化。由于人类活动与气候共同影响，草地已经发生不同程度的退化，为保护三江源脆弱区草原生态系统，国家实施了一期、二期生态保护和建设工程。目前已经针对工程成效开展了净初级生产力(Net primary productivity，NPP)时空格局变化[13],生态工程实施前后载畜压力情况[14],草地退化趋势[15-16]等研究。但综合对比生态工程一期、二期两期的草地承载力方面研究较少。因此，有必要基于长时间序列数据，分析生态工程的实施对草地承载力的影响及草地承载力变化的原因，以期为进一步实施生态保护和建设工程提供科学参考。

本研究以卫星遥感的净初级生产力(NPP)数据为基础，分析2005—2017年三江源区及各县、国家公园区的理论载畜量和载畜压力的动态变化，对生态工程减畜成效进行评估，以期为生态保护和建设工程的长期实施提供理论支撑。

1 材料与方法

三江源区2005—2017年250 m空间分辨率NPP数据来源于GLOPEM-CEVSA模型[17-18]。模型输入数据包括经空间插值的气象栅格数据、卫星遥感的光合有效辐射吸收比(Fraction of absorbed photosynthetically active radiation，FPAR)、植被碳库、土壤质地和土壤碳库等。

图1 研究区域Fig.1 Study area

气象栅格数据利用全国750个气象台站每日的气温、降水量、风速、日照时数和相对湿度数据计算每8 d的平均值，再利用ANUSPLIN插值软件进行空间内插，得到每8 d空间分辨率为250 m的数据。FPAR是利用250 m空间分辨率MODIS波段反射率数据计算得到。基于该模型的净初级生产力数据已经在三江源等多个地区进行了应用研究[19]。

载畜压力指数为草地现实载畜量(Cs)与理论载畜量(Cl)之比。草地现实载畜量根据年末家畜存栏量折算为标准羊单位(SU)；理论载畜量基于卫星遥感的净初级生产力(NPP)计算。具体计算公式如下：

Ip=Cs/Cl

(1)

Cs=Cn×(1+Ch)×Gt/Ar/365

(2)

Ip是载畜压力指数，其中，Ip>1则超载放牧，Ip<1则仍有载畜潜力；Cs为单位面积草地现实载畜量，单位为SU·hm-2；Cn为年末家畜存栏量，大家畜按4个羊单位计算，单位为SU，数据来源于三江源区各县域统计资料；Ch为家畜出栏率，根据三江源实际情况取30%[14]；Gt为放牧时间以全年365 d放牧计算；Ar为草地面积,单位为hm2。

Cl=Ym×Ut×Co×Ha/Sf/Gt

(3)

其中，Cl为单位面积草地理论载畜量，单位为：SU·hm-2；Ym是单位面积草地产草量，单位为：kg·hm-2；Ut为牧草利用率，取70%；Co为草地可利用率，取92%；Ha为草地可食牧草率，取80%；Sf为日食用干草量，单位为：kg·d-1，依据中华人民共和国农业行业标准—天然草地合理载畜量的计算取1.8 kg·d-1；Gt与公式(2)一致。

GLOPEM-CEVSA模型计算的NPP为包括地上和地下的净初级生产力，采用早期实测地上和地下生物量，然后分草地类型计算地上和地下生产力比RBNPP/ANPP，进而将NPP换算为产草量：

GY=NPP/(1+RBNPP/ANPP)

(4)

BNPP=BGB×(liveBGB/BGB)×turnover

(5)

Turnover=0.0009×ANPP+0.25

(6)

其中，GY是草地产草量，单位为：kg·hm-2；NPP为净初级生产力，单位为：gC·m-2a-1；BNPP为植被地下部分生产力；ANPP为植被地上部分生产力；BGB为地下植被生物量；BGB与ANPP采用2003—2005年高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、温性草原等地下生物量和地上生物量实测数据；liveBGB/BGB=0.79[20]；turnover为根系周转值。

2 结果与分析

2.1 理论载畜量

2.1.1各县草地理论载畜量变化 2005—2017年期间，三江源区草地理论载畜量呈年际波动变化(图2)。其中，一期工程实施期间(2005—2012年)，三江源区草地理论载畜量为0.62 SU·hm-2，理论载畜总量为1 490.74万只标准羊单位，呈不显著增长趋势；二期工程实施后5年(2013—2017年)，草地的平均理论载畜量为0.59 SU·hm-2，理论载畜总量为1 390.19万只标准羊单位，呈现不显著降低的趋势，相比一期工程实施期间降低了6.75%。然而，单因素方差分析表明(表1)，三江源区两期理论载畜量间差异不显著(P= 0.21)，即理论载畜量继续保持稳定。

图2 2005—2017年三江源平均理论载畜量变化动态Fig.2 Changes of average theoretical livestock carrying capacity of Three-River Headwaters in 2005-2017

表1 三江源区两期理论载畜量间方差分析Table 1 ANOVA for the theoretical livestock carrying capacity in the two periods in Three-River Headwaters region

在空间上草地理论载畜量表现出较明显的区域分异特点(图3，图4)。一期工程实施期间(2005—2012年)，河南县的草地理论载畜量最高，为1.95 SU·hm-2；其次是泽库县、同仁县、尖扎县和同德县，平均草地理论载畜量分别为1.70 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2，1.69 SU·hm-2和1.57 SU·hm-2；治多县和唐古拉山乡的平均草地理论载畜量最低，分别为0.40 SU·hm-2和0.31 SU·hm-2。

西部曲麻莱县和治多县理论载畜量下降幅度最多，分别下降了14.29%，10.23%；囊谦县、玉树市、杂多县的平均草地理论载畜量减少最多，分别减少了0.10 SU·hm-2，0.10 SU·hm-2，0.08 SU·hm-2，下降幅度分别为7.23%，7.78%，9.98%；东部尖扎县、同德县较一期工程实施期间分别上升了1.92%，0.84%。其余各县一期和二期工程前后两个时段草地理论载畜量变化量均有所下降(表2)。

图3 三江源区生态保护和建设工程实施两个时段平均理论载畜量的空间格局Fig.3 Spatial pattern of theoretic livestock carrying capacity in two periods of the ecological protection programs in Three-River Headwaters region

图4 工程两个时段多年平均载畜量的变化Fig.4 Changes in the annual average livestock carrying capacity of the two periods of the ecological protection program in Three-River Headwaters region

表2 各县一期和二期工程前后两个时段草地理论载畜量变化Table 2 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters county

2.1.2国家公园区草地理论载畜量变化 一期工程实施期间(2005—2012年)，三江源区黄河源园区、长江源园区、澜沧江源园区的草地理论载畜量分别为0.70 SU·hm-2，0.35 SU·hm-2，0.91 SU·hm-2。二期工程实施后(2013—2017年)，三江源区黄河源园区、长江源园区、澜沧江源园区的草地理论载畜量分别为0.65 SU·hm-2，0.31 SU·hm-2，0.94 SU·hm-2。其中澜沧江源园区理论载畜量呈增加趋势，增幅为2.76%；黄河源园区和长江源园区呈降低趋势，较前期减少了0.05 SU·hm-2和0.04 SU·hm-2，减幅分别为10.89%和6.65%(表3)。

表3 三江源国家公园区一期和二期工程前后两个时段草地理论载畜量的变化Table 3 Changes of theoretical livestock carrying capacity after the first and second stages of the conservation and restoration project in Three-River Headwaters national park

2.2 年末家畜存栏量与现实载畜总量

1988年以来现实载畜总量的变化如图5所示，1993年现实载畜总量为最高，达2 886.96万羊单位，一期工程实施期间(2005—2012年)现实载畜总量2 041.39万只；二期工程实施后(2013—2017年)现实载畜总量平均为2 216.40万羊单位，增长趋势为73.76万羊单位·a-1，增长趋势较显著(Slope=73.76万羊单位·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

图5 三江源地区1988年以来草地理论载畜总量和现实载畜总量动态变化Fig.5 Dynamic changes of the total theoretical and actual livestock carrying capacity in Three-River Headwaters region since 1988

根据青海畜牧厅统计数据显示(图6)，三江源地区16个县，年末家畜存栏数在一期工程实施期间(2005—2012年)居首位的是兴海县，为163.97万只标准羊单位；其次是河南县、玉树市、泽库县和同德县，年末存栏数分别为151.73万只、143.74万只、136.79万只和128.54万只标准羊单位；玛多县和称多县最低，分别为27.24万只和61.37万只，其余各县年末存栏数在70～110万只标准羊单位之间。

图6 三江源区一期和二期工程两个时段主要县区年末家畜存栏数Fig.6 Year-end livestock in main counties during the two periods of the first and second stages of the Three-River Headwaters region

二期工程实施后(2013—2017年)，玉树市年末存栏数最高，为184.06万只标准羊单位；河南县、兴海县和囊谦县次之，分别为164.04万只，160.40万只，132.73万只标准羊单位，达日县和玛多县最低；曲麻莱县、称多县和杂多县年末存栏数增加幅度最大，较一期工程实施期间分别增加了60.35%，40.04%和34.36%；达日县、玛沁县、以及甘德县的年末存栏数较一期工程实施期间下降幅度最大，分别下降了27.73%，22.69%和20.43%(图6)。

2.3 载畜压力指数

2005—2017年载畜压力指数总体呈增加趋势(slope=0.028,R2=0.40,P<0.01)。一期工程实施期间(2005—2012年)，载畜压力指数1.38，二期工程实施后(2013—2017年)载畜压力指数增至1.60；其中，2006年载畜压力指数最低为1.15，2017年载畜压力指数最高为1.82。未实施生态保护工程前(2000—2004)的载畜压力指数为1.67，两期工程的实施使载畜压力有所下降。

空间上载畜压力存在较大区域差异(图7)，载畜压力指数较高的地区主要是在水热条件相对较好的东部地区，而生态较为脆弱的西部地区载畜压力指数较低，较为理想地实现了减畜及保护生态的工程措施目标。仅玛多县、治多县、达日县两期生态保护工程期间均不超载，实现了减畜和保护生态的目标；但玛多县、治多县载畜压力指数在增加，需注意减畜，以防止诸如曲麻莱县、称多县等由不超载变为超载。载畜压力指数高的地区集中在东部，如兴海县、同德县、泽库县、河南县，载畜压力指数低的地区集中在中西部，如治多县、杂多县、曲麻莱县、玛多县。

图7 三江源地区主要县草地载畜压力指数和三江源区年际载畜压力指数变化Fig.7 Changes in the grazing pressure index of the main counties and Three-River Headwaters region

3 讨论

本文计算的2005—2012年载畜压力指数为1.38，与张良侠等[14]的研究结果2003—2012年三江源区载畜压力指数为1.46较为接近。两项研究都采用了相同的方法与数据源，保持了数据的一致性和可比性，结果较为接近也证明了方法的稳定性和可靠性。

三江源区收入渠道有限，人口不断增长，对于牲畜的需求量较大[21]。一期工程内载畜压力指数总体虽比实施生态保护工程前有所缓解，但在二期工程实施期间复增反弹。2003年三江源区开始进行减畜工作，载畜压力指数明显降低。有研究表明，减畜工程前15年(1988—2002年)平均载畜压力是2.29[14]。本文分析2003年以来的载畜压力指数为1.47，与工程实施前相比已经有明显好转，草地减畜工程取得了一定的成效。但是从近年来的变化趋势上看，尽管一期工程载畜压力指数较工程实施前下降36.1%，但二期工程较一期工程载畜压力指数上升了16%，且有逐年递增的趋势。理论载畜量年际间变化不明显，主要是人为导致的年末家畜存栏量有所增加，需要对这种变化的深层次原因进行调查和分析，以确保从根本解决生态保护与民生保障间可能存在的矛盾。

多数研究计算的载畜压力指数，都表明三江源东部县超载严重[22-23]。东部县是水热条件相对较好的重要地区，其中同德县有部分乡镇存在补饲养殖的情况，如同德县的巴沟乡、尕巴松多镇和唐谷镇(统计资料)。补饲养殖可以降低草原压力，但三江源空间范围广，具体乡镇圈养数据难以获取，因此部分东部县的载畜压力指数被高估。而在西部地区载畜压力计算中，没有考虑野生动物的数量，西部地区的草地压力可能被低估。基于无人机对玛多县野生动物的调查表明，仅考虑家畜动物时，载畜压力指数为1.13，而综合考虑家畜和野生动物时，载畜压力指数为1.38，即如果不考虑大型食草野生动物，载畜压力将被低估18%[24]。因此，今后草畜平衡研究和政策制定必须综合考虑野生动物和家畜数量。

本研究表明，近年来理论载畜量降低、现实载畜量增加导致总体的载畜压力指数升高。气候变化是该地区草地植被生产力变化的主导因素，植被生产力决定理论载畜量，气温和降水能够解释全区草地NPP年际变异的83%[25]。在本研究中，在生态工程实施期间，三江源区年降水量下降了19.09 mm，且后期年际波动幅度较前期更大，年均气温呈持续变暖趋势，说明该地区气候呈暖干化变化，这可能是三江源区草地产草量轻微降低的气候因素[26]。人类活动方面，2005—2018年期间的14年中，我国共投资180亿用于三江源区生态保护与建设工程的实施，希望通过补助和奖励的政策手段达到减畜和草畜平衡的政策目标。但是政策性生态补偿策略，可能由于减畜和补偿存在严重的不对等关系存在不可持续性[27]。2003年三江源区实行减畜政策，前期效果较好，近年来牧民为了提高收入，仍然在提高载畜率，导致能够实现的减畜比例在下降。具体表现为2003—2009年期间，现实载畜量以12 万羊单位·a-1趋势下降，但自2010年出现反弹趋势，2013—2017年期间，现实载畜量的增加速率增加至73.76 万羊单·a-1(slope= 73.76万只标准羊·a-1,R2=0.78,P<0.05)。

4 结论

本研究基于卫星遥感估算的产草量及分县家畜年末存栏统计数据，分析了2005—2017年三江源区载畜压力及其变化。生态保护二期工程，较一期工程实施前取得了初步成效，但二期工程实施期间出现了部分地区家畜存栏量增加的现象。气候暖干化和人类活动共同作用导致了载畜压力指数的增加。三江源地区未来还需要加大减畜力度，遵循生态优先原则，创新生产生活方式以实现生态保护与牧民生计提升双赢目标。