(1)实际NPP的估算。实际NPP(ANPP)用来表示气候变化和人类活动共同影响下的草地的实际NPP,本研究中ANPP由CASA模型模拟得到,该模型主要涉及植物吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)两个变量^[20]。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)(1)

式中:APAR(x,t)为像元x处t月份吸收的光合有效辐射(MJ/m²); ε(x,t)为像元x处t月份吸收的实际光能利用率(g C/MJ)。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5(2)

式中:SOL(x,t)为像元x处t月份太阳总辐射量(MJ/m²); FPAR(x,t)为植被吸收入射光合有效辐射的比例; 0.5为植被能吸收的有效辐射(0.4～0.7 μm)与太阳总辐射的比值。

ε(x,t)=T_ε1(x,t)×T_ε2(x,t)×W_ε(x,t)×ε_max(3)

式中:T_ε1(x,t)为低温对光能利用率的影响; T_ε2(x,t)为高温对光能利用率的影响; W_ε(x,t)为水分对光能利用率的影响; ε_max为最大光能利用率(理想状态),本研究中采用的草地的ε_max为0.542 g C/MJ。T_ε1(x,t),T_ε2(x,t)和W_ε(x,t)等的具体计算方法可

参考文献[18]。

(2)潜在NPP的估算。潜在NPP(PNPP)指理想状态下植被的净初级生产力,本研究采用的PNPP由Thornthwaite Memorial估算得到,该模型在Miami模型的基础上提出,并通过Thornthwaite潜在蒸散模型进行了改进^[15],其计算公式如下:

PNPP=3000[1-e^{-0.0009695(v-20)}](4)

式中:v为年实际蒸散量(mm)。

式中:r为年总降水量(mm); L为年最大蒸散量(mm); t为年平均气温(℃)。

(3)人为NPP的估算。人为NPP(HNPP)定义为人类活动影响下的植被NPP,该方法假设实际NPP与潜在NPP的差别仅由人类活动引起,HNPP的计算公式如下:

HNPP=PNPP-ANPP(7)

为了验证CASA模型的精度,本课题组于2009年在西北地区进行草地生物量实地调查,共采集60个样点数据。样点的实测数据与同一位置的模拟数据相比较,发现两组数据达到基本吻合(R²=0.74,p<0.01)(图2)。因此,可认为CASA模型适用于西北地区草地植被NPP的估算。

图2 NPP实测值与模拟值的比较

采用一元回归分析方法对草地和气象因素的变化趋势进行研究,其计算公式如下:

slope=(n×∑ⁿ_i=1(i×var_i)-∑ⁿ_i=1i ∑ⁿ_n=1var_i)/(n×∑ⁿ_i=1i²-(∑ⁿ_i=1i)²)(8)

式中:slope为变化斜率; i为第几年; n为研究年限16年; var_i为第i年的变化量。若slope>0,表示变量呈现增加趋势,反之则表现出减小趋势。若草地ANPP的slope>0,说明草地出现恢复,若slope<0,则表明草地出现退化。对不同变量的slope进行F检验,具体的计算方法可参照文献[18]。

采用pearson相关系数来探究西北地区2000-2015年草地NPP与气象因素的相关性。

式中:r_xy为相关性系数; n为研究年限(16年); x_i为第i年的NPP; y_i为第i年的年均温或降水。

本研究将上述3种NPP(ANPP,PNPP,HNPP)的slope进行比较,对人类活动和气候变化在草地退化和恢复的相对贡献进行区分,定义草地变化的6种情景(表1)。表中,SA为正值说明草地出现恢复,而SA为负值说明草地呈现退化。SP大于0说明气候变化有助于植物的生长,而SP小于0表示气候变化抑制植物的生长。SH大于0代表人类活动引起草地退化,SH小于0表示人类活动引发草地恢复^[3]。

表1 气候变化和人类活动影响草地恢复与退化的6种情景

2000—2015年,西北地区草地恢复的面积远大于草地退化的面积(图5A)。草地恢复部分面积占总面积的83.20%,恢复面积约为2.23×10⁶ km²。草地退化的比例为16.8%,面积为4.55×10⁵ km²(表2)。根据表1中方法对气候变化和人类活动在西北草地恢复与退化中的相对贡献进行分析,结果如图5所示。气候变化主导的和人类活动主导的草地恢复的面积占总面积的比例分别为33.79%,41.55%,两因素共同主导的草地恢复比例为7.86%,因此可认为人类活动是西北地区草地恢复的主要原因,该结果可能与我国21世纪以来实施的退耕还林、退耕还草政策密切相关。同时,结果表明气候变化和人类活动对草地恢复的贡献在不同区域间存在差异。气候变化主导的草地恢复主要出现在内蒙的北部,青海的中部及西部,以及西藏的西部地区。而人类活动主导的草地恢复集中在青藏高原的大部分地区、青海的北部,其余零星分布在新疆、内蒙和甘肃等。气候变化和人类活动共同主导的恢复在内蒙和青海分布较广,其余分布在甘肃和西藏的中部,在新疆的北部也有零星分布(图5A)。西北地区草地退化的面积较少,其中由气候变化主导的面积占总面积的9.97%,这些区域主要分布在内蒙中部和新疆北部。由人类活动主导的草地退化集中在青藏高原的南部和新疆北部,该类型所占比例为6.11%。由气候和人为因素共同主导的草地退化面积较少,零星分布在新疆的北部(图5B)。因此可知,气候变化是西北地区草地退化的主要原因。

图5 气候变化和人类活动对草地恢复和退化的相对贡献

由表2可知,2000—2015年西北地区草地增加的NPP总量为18 546.56 Gg C,其中人类活动贡献的NPP增加量最大(10 478.4 Gg C),在气候主导恢复的区域,NPP的变化率达到0.59 g C/(m·a)。气候主导草地恢复区域的面积为9.06×10⁵ km²,NPP的增加速率为0.51 g C/(m·a)。另外,草地退化区域损失的NPP总量为428.16 Gg C。气候主导草地退化的面积为2.67×10⁵ km²,导致的NPP损失量为341.76 Gg C。由人类活动和两因素共同作用下造成的NPP损失较小,损失量分别为78.72,7.68 Gg C。

表2 不同因素影响下的草地恢复与退化的面积、NPP变化率和总NPP

对不同草地类型恢复和退化的面积进行统计可得,每个类型草地恢复的面积均大于退化的面积,说明不同草地类型的生长状况均得到了改善。其中,高山与亚高山草地的恢复面积最大,其值达到8.44×10⁵ km²。草甸的退化面积为1.07×10⁵ km²,属于退化面积最大的草地类型。相对而言,坡面草地的退化面积较少,仅为1.47×10³ km²(图6A)。针对不同省份分析,甘肃和青海草地的退化面积较其他省份较少,分别为1.35×10⁴ ,1.09×10⁴ km²。新疆草地恢复和退化的面积较为接近,分别为1.52×10⁵,1.51×10⁵ km²(图6B)。

分析不同草地类型退化与恢复的成因可得,气候变化是导致草甸、荒漠草地和平原草地恢复的主要因素,而高山与亚高山草地和高山与亚高山草甸出现草地恢复可主要归因于人类活动,坡面草地的恢复由人类活动和气候变化共同主导(图7A)。另外,气候变化是草甸、荒漠草地、平原草地和坡面草地退化的主要成因,而人类活动主导了高山与亚高山草地和高山与亚高山草甸的退化(图7B)。从不同省份的统计结果可得,内蒙、甘肃和青海草地恢复的主要原因为人类活动,而新疆和西藏的草地恢复主要由气候变化主导(图7C)。从草地退化角度分析,气候变化导致的退化比例最大的情况主要出现在内蒙、新疆、甘肃和青海,因此气候变化是导致这些省份草地退化的主导因素。另外,西藏92.50%的草地面积退化由人类活动引起,人类活动是该省草地退化的主要原因(图7D)。

图6 不同省份中不同因素主导的草地恢复与退化面积

图7 人类活动和气候变化在不同草地类型和不同省份草地恢复和退化中的相对贡献