气候变化和人为活动在宁夏草地变化中的相对作用

任小玢,张东海,俞鸿千,徐 洁,蒋 齐,*,王占军,吴旭东

1 宁夏农林科学院荒漠化治理研究所,银川 750002 2 西安科技大学测绘科学与技术学院,西安 710054 3 北京林业大学生态与自然保护学院,北京 100083 4 宁夏防沙治沙与水土保持重点实验室,银川 750002

草地生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,在全球碳循环和气候调节中发挥着重要作用[1—2]。气候变化和人为活动是草地生态系统退化或恢复过程中的两大驱动因素[3—4]。有研究表明,我国北方地区将呈现降水增加、温度显著升高的变化趋势[5],不同区域植被生产力对气温和降水变化的响应程度存在差异[6—8]；极端气候事件频率将显著增加[9],干旱可能导致植被生产力降低,植被物种多样性减少,植被组成的空间格局发生变化[10—11]。此外,随着社会经济的发展,草原利用过程中人为活动方式和规模的改变不可避免地对植被生长造成影响,人为活动逐渐成为植被生长的关键因素之一。因此,定量识别气候变化和人为活动在植被变化过程中的相对作用对于草地生态修复及重建具有一定意义。

宁夏各类草地面积之和占全区国土总面积的58%以上,是自治区的半壁河山和面积最大的绿色生态屏障。草地资源作为宁夏面积最大的土地类型和主要的可更新资源,不仅是草原畜牧业发展的物质基础,而且对维护生态平衡,保护人类生存环境发挥着重要作用。宁夏地处典型的气候过渡带和农牧交错区,生态环境脆弱,草地退化或恢复的过程受到气候变化和人为活动的共同作用,但是两者的相对贡献率存在相互交织而难以区分的问题。近年来,宁夏草地动态变化及其驱动力的监测和研究较多,主要针对不同土地利用方式[12]、不同景观特征或斑块尺度[13]、不同植被群落分布格局[14]以及不同降水梯度下[15]草原植被对气候环境的响应,也有研究分析了宁夏草地生产力的变化趋势及其对气候变化的响应[16—17],但是定量划分气候变化和人为活动对草地生产力相对作用的研究较少。

随着3S技术的不断发展,利用遥感手段对区域植被动态变化的监测和模拟研究弥补了野外调查方式的不足[18],针对植被动态变化的研究尺度从局部近距离的直接介入性研究拓展到区域性整体的定量模拟研究[19]。植被生产力的下降或上升是植被退化或恢复的重要表现方面,植被净初级生产力(Net primary productivity, NPP)是植物通过光合作用在单位时间和面积上所积累的有机干物质总量,不仅可以准确反映植被生长状况,也是判定生态系统碳汇及调节生态过程的主要因子[20—21]。在干旱半干旱地区,年降水量较少且年际间变化较大,使得很难将气候变化对植被生产力变化的作用从人为活动的作用中剥离[22]。已有研究将NPP作为公共指标[23—26],并利用残差趋势法(Residual trend analysis, RESTREND)定量区分植被动态变化过程中气候变化和人为活动的相对作用,尤其适用于对降水更为敏感的干旱和半干旱地区[27—29]。

因此,本研究选取NPP作为衡量指标,利用实际NPP监测2001—2019年宁夏草地生产力的动态变化,结合潜在NPP和人为活动影响的NPP(潜在NPP与实际NPP的差值)定量评估气候变化和人为活动在宁夏主要类型草地退化或恢复过程中的相对作用,以期为宁夏草地生态修复和可持续发展及利用提供理论支撑。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

图1 宁夏主要类型草地分布图Fig.1 The distribution of main types of grassland in Ningxia

宁夏地处我国西北地区东部(35°14′—39°23′ N,104°17′—107°39′ E),国土总面积 6.64 万 km2,地势南高北低,西部高差较大,东部起伏较缓。宁夏地处半湿润区、半干旱区向干旱区的过渡带,气候类型为典型的大陆性半湿润半干旱气候,冬季较长,夏季较短,降水量少,风大干燥。多年平均降水量183.4—677 mm,主要集中在夏季,空间上呈现出南多北少的特点[30]。多年平均气温为5.20—8.19℃,近60年全区平均气温以0.38 ℃/10a的速率升高,且近20年增温效果更为明显[31]。年日照时数2247.20—3083.50 h,日照百分率51%—70%。宁夏草地植被呈现典型的地带性分布特征,由南向北表现为从草原向荒漠过渡(图1)。宁夏主要草地类型有温性草甸、温性草原、温性荒漠草原以及温性草原化荒漠[32]。其中,温性草甸草原主要分布于海原、固原、彭阳、泾源的部分地区,植物优势种有蒙古风毛菊(Saussureamongolica)、白莲蒿(Artemisiastechmanniana)、长芒草(Stipabungeana)、百里香(Thymusmongolicus)等,土壤主要为山地棕壤土、暗灰褐土和黑垆土；温性草原主要分布于宁夏南部海原、固原、西吉、隆德和彭阳大部分地区以及盐池南部麻黄山地区,植物优势种有大针茅(Stipagrandis)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、赖草(Leymussecalinus)、中亚苔草(Carexduriuscula)和碱菀(Tripoliumpannonicum)等,土壤主要为黄绵土、淡栗钙土和黑麻土；温性荒漠草原是宁夏分布面积最大的草地类型,主要分布于宁夏中北部地区,植物优势种有短花针茅(Stipabreviflora)、黑沙蒿(Artemisiaordosic)、老瓜头(Cynanchummongolicum)和牛枝子(Lespedezapotaninii)等,土壤主要有草原风沙土、灰钙土和淡灰钙土；温性草原化荒漠面积较少,零散分布于中卫迎水镇、中宁石空镇、青铜峡邵岗镇以及灵武临河镇等,优势灌木有珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、红砂(Reaumuriasoongarica)和猫头刺(Oxytropisaciphylla)等,草本植物有中亚苔草(Carexduriuscula)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)和碱蓬(Suaedaglauca)等。

1.2 数据来源及处理

本研究所用的数据包括归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)、土地覆被类型、气象数据等。其中,2001—2019年NDVI数据为MOD13Q1影像(通过https://nssdc.gsfc.nasa.gov/下载),数据周期为16 d,空间分辨率250 m。使用MRT(MODIS reprojection tool)对遥感影像进行格式转换、重投影、图像拼接等预处理,采用最大合成法得到NDVI的月遥感数据。2001—2019年土地覆盖数据是基于国际地圈生物圈计划(The International Geosphere-Biosphere Program, IGBP)分类系统的MCD12Q1产品(通过LPDAAC的EOS/MODIS数据中心下载),空间分辨率500 m。根据研究需要将IGBP分类系统的17个类别划分为7个主要土地覆被类型：水体、森林、草地、农田、农田/自然植被、城市和荒漠[19]。

气象数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn),搜集并整理宁夏及周边24个气象台站2001—2019年日平均温度(℃)、日降水量(mm)、日照时数(h)等数据,采用Kriging插值法将站点数据插值为空间栅格数据,最后利用研究区边界裁剪得到2001—2019年逐月降水量、平均气温、太阳总辐射的空间数据。以上空间数据均采用Albers equal area conical-WGS 84投影坐标系统,分辨率统一为500 m。

对宁夏草地类型空间格局进行了遥感解译。初步根据20世纪80年代宁夏草地类型空间分布图设计采样带与采样点,选用2015年资源三号卫星(全色波段空间分辨率2.1 m)、高分一号卫星(全色波段空间分辨率2 m)遥感影像,在对2015年宁夏草地类型自动分类的基础上,进行目视解译。2017年8月底—9月初,在宁夏主要类型草地调查95个核心样点,记录沿途踩点2000个以上,用于分类结果的人工修改,确保草地类型的解译精度高于80%以上[33]。

根据宁夏主要草地类型及其优势种,设置了49个野外监测点(图1),于2018年8月实地调查各监测点生物量。每个监测点随机设置3个1 m×1 m的样方(灌木样方10 m×10 m),各样方间隔距离50米以上。齐地收割植物地上部分生物量并烘干称重,以3个样方地上生物量的平均值代表该监测点地上生物量,结合地上/地下生物量比例系数[34]和碳转换系数(0.475)[35]计算每个监测点的实测NPP。

2 研究方法

本研究选取了3种草地净初级生产力,即实际净初级生产力(ANPP)、潜在净初级生产力(PNPP),以及人为活动影响下的草地净初级生产力(HNPP)。

2.1 实际净初级生产力(ANPP)

CASA模型是植被NPP估算的光能利用率模型之一,其利用遥感数据、近地面气象数据和植被类型等数据反演不同尺度植被NPP,已广泛用于全球及区域尺度的NPP研究中[21, 36—38]。本研究采用由朱文泉等改进的CASA模型估算草地实际净初级生产力(ANPP)[35],改进的CASA模型考虑了不同植被覆盖分类精度对NPP估算结果的影响,以及最大光能利用率的区域差异；在保持模型原有植物生理生态学基础上,通过改进水分胁迫因子估算方法,简化了相关参数,使得模型的实际可操作性更强[35]。NPP由植被吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)两个变量确定,计算公式如下：

ANPP(x,t)=APAR (x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,ANPP(x,t)为像元x在t月实际净初级生产力(gC/m2)；APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效辐射(MJ/m2),该指标取决于太阳辐射总量和植被本身的特征；ε(x,t)表示像元x在t月的光能利用率(gC/MJ),即植物把吸收的光合有效辐射转化为有机碳的效率,受到理想条件下的最大光能利用率和植物生长环境(温度和水分)的影响。植被吸收的光合有效辐射(APAR)取决于太阳总辐射和植被光合有效辐射的吸收比例,计算公式如下：

APAR(x,t) = SOL(x,t)×FPAR(x,t) ×0.5

(2)

式中,SOL(x,t)表示t月份在像元x处的太阳总辐射量(MJ/m2),本研究利用Angstrom模型计算太阳总辐射量[39]；FPAR(x,t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例(无单位),其与NDVI、比值植被指数(Simple ratio, SR)存在着线性关系,根据Potter等[40]的方法计算；常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(波长为0.38—0.71 μm)占太阳总辐射的比例。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中,Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用(无单位),受月平均温度和全年NDVI达到最大值时的温度调节；Wε(x,t)为水分胁迫影响系数(无单位),主要反映水分条件的影响,由月平均气温和相应的土壤特性决定[40]；εmax是理想条件下的最大光能利用率(gC MJ-1),不同植被类型的最大光能利用率不同,本研究取值采用朱文泉等[41]的研究结果。

图2 草地NPP实测值与模拟值的比较 Fig.2 The comparison of NPP measured in the field and simulated by the improved Carnegie-Ames-Stanford approach (CASA) modelNPP：净初级生产力Net primary productivity

利用野外实测NPP验证改进的CASA模型的模拟精度。图2为实测值与模型模拟值的散点图以及线性回归方程,相关系数为0.818(P<0.01),决定系数R2=0.670,表明实测值与模拟值具有较强的相关性,模型的模拟精度满足研究需求。

2.2 潜在净初级生产力(PNPP)

草地潜在净初级生产力即气候条件对草地动态变化的驱动作用。Miami模型是早期基于气象因子评估植被NPP区域分布的模型之一,其根据实测NPP和气温、降水数据之间最小二乘法回归关系建立[42]。本研究利用Thornthwaite Memorial模型计算草地潜在净初级生产力(PNPP),该模型基于Miami模型中使用的数据建立,对传统模型中的Thornthwaite潜在蒸散量模型进行了修正[42—43],且在北方农牧交错区草地潜在净初级生产力模拟中具有较好的适用性[44—45]。计算公式为：

PNPP=3000×[1-e-0.0009695(v-20)]

(4)

(5)

L=3000+25t+0.05t3

(6)

式中,PNPP为潜在净初级生产力(gC m-2a-1),v为年实际蒸散量(mm),L为年最大蒸散量(mm),t为年均气温(℃),r为年降水量(mm)。

2.3 人为活动影响的草地净初级生产力(HNPP)

草地潜在净初级生产力和实际净初级生产力的差值表征人为活动影响的草地净初级生产力(HNPP)[26]。负值表示人为活动有利于NPP增加,即草地处于恢复状态；正值表示人为活动导致NPP损失,即草地处于退化状态。计算公式为：

HNPP=PNPP-ANPP

(7)

2.4 气候变化和人为活动对草地变化相对作用的定量评估

利用ANPP的变化趋势评价草地动态变化,利用PNPP和HNPP的变化趋势评价气候变化和人为活动对草地动态变化的影响。采用一元线性回归模型逐像元计算2001—2019年宁夏草地净初级生产力的变化趋势。计算公式如下：

y=α+βx+ε

(8)

式中,y为NPP,x为监测年数,α为截距,β为斜率,ε为误差。β>0表示NPP处于增加趋势,反之为降低趋势。对斜率β进行t检验,P<0.05通过显著性检验。

本研究利用NPP的变化定量评估气候变化和人为活动在草地变化中的相对作用。ANPP斜率βA大于0,表示草地处于恢复状态；βA小于0,表示草地处于退化状态。PNPP斜率βP大于0,表示气候变化有利于草地恢复；βP小于0,表示气候变化引起草地退化。HNPP斜率βH大于0,表示人为活动引起草地退化；βH小于0,表示人为活动有利于草地恢复。参照已有研究结果[26],气候变化和人为活动对草地动态变化的影响存在6种情景(表1)。

3 结果分析

3.1 实际和潜在净初级生产力

图3为2001—2019年宁夏草地实际(ANPP)和潜在(PNPP)净初级生产力空间格局,宁夏草地ANPP和PNPP均表现为由北向南逐渐升高。2001—2019年,宁夏草地实际净初级生产力均值为242.84 gC m-2a-1,潜在净初级生产力均值为520.01 gC m-2a-1。不同类型草地净初级生产力存在差异(图4),温性草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性草原化荒漠年均ANPP分别为605.44 gC m-2a-1、356.46 gC m-2a-1、185.79 gC m-2a-1和137.98 gC m-2a-1,年均PNPP分别为765.46 gC m-2a-1、696.95 gC m-2a-1、444.44 gC m-2a-1和363.04 gC m-2a-1。

表1 草地变化过程中气候变化和人为活动相对作用的情景

βA：实际净初级生产力的斜率,Slope of actual net primary productivity；βP：潜在净初级生产力的斜率,Slope of potential net primary productivity；βH：人为活动影响的草地生产力斜率, Slope of net primary productivity determined by human activity

图3 2001—2019年宁夏草地年均ANPP和PNPP空间格局Fig.3 Spatial pattern of average annual ANPP and PNPP of grassland in Ningxia from 2001 to 2019 ANPP：实际净初级生产力Actual net primary productivity；PNPP：潜在净初级生产力Potential net primary productivity

图4 2001—2019年宁夏主要类型草地年均ANPP和PNPPFig.4 The average annual ANPP and PNPP of different types of grassland of Ningxia from 2001 to 2019

3.2 ANPP、PNPP和HNPP的变化趋势

图5 2001—2019年宁夏草地ANPP、PNPP和HNPP变化趋势及显著性空间格局Fig.5 Spatial pattern of change trend and its significance for ANPP, PNPP and HNPP of grassland in Ningxia from 2001 to 2019HNPP：人为活动影响的草地净初级生产力,Net primary productivity determined by human activity

2001—2019年宁夏草地ANPP总体呈增大趋势(图5),单位面积年均增长率为7.01 gC m-2a-1。不同类型草地净初级生产力年均变化速率存在差异(图6),温性草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性草原化荒漠ANPP年均变化率分别为9.96 gC m-2a-1、12.47 gC m-2a-1、4.68 gC m-2a-1和3.55 gC m-2a-1。空间分布上,ANPP增加(βA>0)的草地面积为22625.02 km2,占宁夏草地总面积的97.84%,其中呈显著增加趋势(P<0.05)的草地面积占73.72%(图5)。由表2可知,温性荒漠草原ANPP呈增大趋势的面积最多,占宁夏草原总面积的55.29%；温性草原化荒漠ANPP呈增大趋势的面积最少,占宁夏草原总面积的4.82%。此外,ANPP总体呈减小趋势(βA<0)的草地面积为498.87 km2,仅占宁夏草地总面积的2.16%。

图6 宁夏主要类型草地净初级生产力年均变化速率Fig.6 The annual change rate of ANPP, PNPP and HNPP of different types of grassland in Ningxia

2001—2019年宁夏全区草地PNPP均有所增加(图5),表明研究区气候变化有利于植被恢复,单位面积PNPP年均增长率为7.46 gC m-2a-1。其中,温性草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性草原化荒漠PNPP年均变化率分别为12.72 gC m-2a-1、10.65 gC m-2a-1、5.83 gC m-2a-1和4.14 gC m-2a-1(图6)。空间分布上,宁夏草地PNPP均呈增大趋势(βP>0),其中呈显著增加趋势(P<0.05)的草地面积占草地总面积的12.85%(图5)。此外,温性荒漠草原PNPP呈增加趋势(βP>0)的面积最多,占宁夏草原总面积的57.20%,温性草原化荒漠PNPP呈增加趋势(βP>0)的面积仅占4.99%(表2)。

表2 宁夏主要类型草地净初级生产力变化趋势的面积及百分比

2001—2019年,人为活动导致草地净初级生产力降低(βH>0)的面积占宁夏草地总面积的62.46%,其中0.57%的草地净初级生产力显著降低(P<0.05)(图5),人为活动导致草地退化主要分布于宁夏中西部和北部地区,零星分布于南部地区；人为活动促进草地净初级生产力上升(βH<0)的面积占宁夏草地总面积的37.56%,其中2.88%的草地净初级生产力显著上升(P<0.05),人为活动促进草地恢复(βH<0)主要分布于宁夏南部地区,零星分布于中北部地区；HNPP变化趋势表明人为活动对宁夏草地生产力造成损失的作用更大。从不同草地类型来看(图6),温性草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性草原化荒漠HNPP年均变化率分别为2.76 gC m-2a-1、-1.82 gC m-2a-1、1.15 gC m-2a-1和0.59 gC m-2a-1。此外,人为活动引起温性荒漠草原退化(βH>0)的面积最大,占人为活动引起草地退化总面积的42.61%；人为活动促进温性草原恢复(βH<0)的面积最大,占人为活动促进草地恢复总面积的19.53%(表2)。

3.3 气候变化和人为活动的相对作用

图7 宁夏草地恢复和草地退化过程中气候变化、人为活动及二者共同作用驱动格局Fig.7 Spatial distribution of the relative roles of climate change, anthropogenic activities and the combination of these two factors on the restoration and degradation of grassland in Ningxia

将2001—2019年草地处于恢复状态(βA>0)的区域与气候变化和人为活动对草地变化的影响进行叠加分析,结合表1分析草地恢复过程中气候变化和人为活动的相对作用。结果表明(图7),气候变化是宁夏草地恢复的主导因素,其引起的草地恢复面积占草地恢复总面积的61.68%,气候变化和人为活动共同作用引起的草地恢复面积占38.32%。4种类型草地恢复的主导因素不同(图8)。气候变化是温性草甸恢复的主导因素,其恢复面积占温性草甸恢复总面积的68.94%；气候变化和人为活动共同作用是温性草原恢复的主导因素,其恢复面积占温性草原恢复总面积的62.30%；气候变化和人为活动的共同作用是温性荒漠草原恢复的因素,其恢复面积占温性荒漠草原恢复总面积的97.93%；气候变化是温性草原化荒漠恢复的主导因素,其恢复面积占温性草原化荒漠恢复总面积的70.51%。

将2001—2019年草地处于退化状态(βA<0)的区域与气候变化和人为活动对草地变化的影响进行叠加分析,结合表1分析草地退化过程中气候变化和人为活动的相对作用。结果表明,尽管宁夏草地退化面积较少(占宁夏草地总面积的2.16%),但是人为活动是4种类型草地退化的绝对主导因素,气候变化与人为活动共同作用引起的草地退化面积仅占0.05%(图8)。

图8 宁夏草地恢复和草地退化过程中气候变化和人为活动的相对作用Fig.8 Relative roles of anthropogenic and climatic effects on restoration and degradation of grassland in Ningxia

4 讨论

宁夏地处干旱、半干旱气候区,温度和降水是影响植被生长的重要因素,气候暖湿化可以促进植被生长,而气候暖干化会降低草地生产力,水分条件是区内植物生长的限制因子[46]。由图9可知,2001—2019年宁夏年均气温和年降水量均呈上升趋势,表明区域气候呈现向暖湿化演变的特征[30—31],水热条件的好转有助于提高草地植被生产力,进而促进草地恢复。相较于短期的气温变化,年降水量对植被生长的影响更大[47],进一步对年均气温和年降水量与PNPP值进行回归分析,结果表明宁夏草地PNPP与气温呈不显著相关(R2=0.29,P=0.22),而与降水量呈显著正相关(R2=0.99,P<0.01),表明降水增加是宁夏草地动态变化的主导气候因子,这与已有研究的结论是一致的[16, 26]。

图9 2001—2019年宁夏年均气温和年降水量Fig.9 Changes in mean annual temperature and annual precipitation in Ningxia from 2001 to 2019

对2001—2019年宁夏草地年均气温和年降水量的空间变化趋势进行分析(图10),结果表明年均气温和年降水量的变化趋势具有区域差异。宁夏中北部气温升高的趋势较大,由北向南升高趋势逐渐减小；相反,宁夏南部降水增加趋势较大,总体表现为由南向北降水增加趋势逐渐减小。统计了2001—2019年4种草地类型年均气温和年降水量的变化率,温性草甸、温性草原、温性荒漠草原和温性草原化荒漠年均气温变化率分别为0.021、0.027、0.04、0.047 ℃/a,年降水量变化率分别为8.19、6.65、3.17、2.14 mm/a。温性荒漠草原和温性草原化荒漠区域气温升高趋势较大,年降水量略微增加。温性草甸和温性草原区域气温增加趋势低于温性荒漠草原和温性草原化荒漠,但是降水增加趋势高于其他草地类型,因此温性草甸和温性草原草地生产力的增加趋势高于其他草地类型,气候因素尤其是降水增加明显促进了这两类草原生产力的提高。

图10 2001—2019年宁夏草地年均气温和年降水量的变化趋势Fig.10 The change trend for mean annual temperature and annual total precipitation of grassland in Ningxia from 2001 to 2019

经统计,2001—2019年宁夏年末牲畜存栏数缓慢增长(图11),近19年间年末牲畜存栏数增长了近50%,这期间草地实际净初级生产力(ANPP)呈增加趋势,可见牲畜存栏数增加并未导致草地实际生产力下降,这可能与生态保护政策的实施密切相关。为了遏制天然草原环境恶化的趋势,2000年以来我国陆续开始实施“退耕还林还草”和“封育禁牧”等重大草原生态保护与管理工程。当禁牧程度达到完全禁牧的40%,草地恢复的趋势即可基本趋于稳定[48],2003年宁夏开始实施全域禁牧政策,并通过贯彻落实相关草原生态保护与管理政策来消除放牧压力,草原植被得到明显恢复[49],因此实施生态保护政策是促进草地恢复的人为因素之一。此外,2001—2019年人为活动对草地生产力的影响(HNPP)总体并未表现出明显的增加趋势,且人为活动对草地实际生产力造成了不同程度的损失(年均HNPP均为正值),一方面由于潜在净初级生产力(PNPP)的增加趋势(7.46 gC m-2a-1)略高于实际净初级生产力(ANPP)(7.01 gC m-2a-1),导致两者差值没有显著的变化趋势；另一方面虽然宁夏实施全域禁牧政策,但实际生产中仍然存在不同程度地“偷牧”现象[50],这些不合理的人为活动对草地退化产生了一定影响。

图11 2001—2019年年均HNPP和年末牲畜存栏量变化趋势Fig.11 The change trend for mean annual HNPP and number of livestock between 2001 and 2019 in NingxiaHNPP: 人为活动影响的生产力

2001—2019年,人为活动促进草地恢复(βH<0)的面积占宁夏草地总面积的37.54%,主要分布于水热条件相对较好的温性草原和温性草甸,表明除了气候条件的有利因素,退耕还林还草等生态政策的实施发挥了一定积极作用。人为活动引起草地退化(βH>0)的面积占宁夏草地总面积的62.46%,主要分布于水热条件相对较差(尤其是降水偏少)的温性荒漠草原,表明人为活动对温性荒漠草原的负面影响仍然存在。2000—2016年宁夏草地面积减少34.77万公顷,随着工业化和城镇化等社会经济发展,人工建设用地与耕地等扩张过程中占用草地的现象明显[33, 51],因此对草地的不合理利用是加速草地退化的人为因素之一。其次,有研究表明禁牧程度达到40%以后继续增加禁牧程度直至完全禁牧,并不能更有效的提高草地沙漠化的逆转速度[48],长期禁牧对草地植被生产能力等产生不良影响[52],因此禁牧政策是否完全发挥了正面作用需要进一步探讨。综上所述,草原生态保护与管理政策在草地恢复及草地沙化治理过程中发挥了一定作用[53],但是人为活动对草地不合理的利用方式是导致草地退化的原因之一,同时人为活动对草地变化过程的内在驱动机制以及禁牧的长期成效还需要进一步探讨。

5 结论

本文选取植被净初级生产力(NPP)为衡量指标,定量评估了2001—2019年宁夏主要类型草地动态变化以及气候变化和人为活动在草地变化中的相对作用。研究表明,2001—2019年宁夏草地实际净初级生产力增大的面积占宁夏草地总面积的97.84%,其中73.72%的草地呈显著恢复趋势；全区草地潜在净初级生产力均表现为增加趋势,表明气候变化有利于植被恢复。草地恢复过程中,气候变化引起的草地恢复面积占草地恢复总面积的61.68%,气候变化和人为活动共同作用引起的草地恢复面积占38.32%；草地退化过程中,尽管宁夏草地退化面积较小,但是人为活动是导致草地退化的绝对主导因素。4种类型草地动态变化中的驱动因素不同。其中,气候变化是温性草甸(68.94%)和温性草原化荒漠(70.51%)恢复的主导因素,气候变化和人为活动共同作用是温性草原恢复的主导因素(62.30%),温性荒漠草原的恢复是气候变化和人为活动共同作用的结果(97.93%)。水热条件好转,尤其是降水量的增加是草地恢复的主导气候因子,生态保护政策的实施是促进草地恢复的主要人为因素,对草地的不合理利用是导致草地退化的主要人为因素。