多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究.pdf

doi10.12006/j.issn.1673-1719.2018.122方一平 , 朱付彪 , 宜树华 , 等 . 多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究 [J]. 气候变化研究进展 , 2019, 15 2 150-157Fang Y P, Zhu F B, Yi S H, et al. Contribution of permafrost to grassland ecological carrying capacity in the Qinghai-Tibetan Plateau [J]. Climate Change Research, 2019, 15 2 150-157多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究方一平1,2，朱付彪1,3，宜树华4，邱孝枰1,3，丁永建2,5,61 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049；3 中国科学院大学，北京 100049；4 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；5 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学重点实验室，兰州 730000；6 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所内陆河流域生态水文重点实验室，兰州 730000气候变化研究进展第 15 卷 第 2 期 2019 年 3 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 15 No. 2March 2019摘 要 草地生态系统是一个复杂的社会、经济、生态系统，多年冻土作为高寒草地生态系统结构和功能维系的重要因素，是客观刻画高寒草地生态承载力不容忽视的重要方面。文中采用结构动力学方法，从草地质量、草地干预、草地潜力、草地压力 4 个维度建立高寒草地生态承载力结构动力学模型，分析青藏高原多年冻土区草地生态承载力的变化以及主要结构要素，量化多年冻土变化对青藏高原高寒草地生态承载力的贡献率，结果表明 1 多年冻土区草地生态承载力呈增加趋势，尤其是 1998 年以后上升显著，这主要归因于草地生长季节降水增加、气温升高、净初级生产力增幅驱动以及生态保护工程建设的共同作用。 2 多年冻土活动层厚度变化与草地生态承载力呈负相关，多年冻土活动层厚度对草地生态承载力的贡献率约为 10，即多年冻土活动层厚度每增加 1 个单位，将导致草地生态承载力下降 0.1 个单位。由于青藏高原空间差异显著，加之气候变化的不确定性，这一贡献水平只是一个粗略的参照值。关键词 草地生态承载力；多年冻土；多年冻土活动层厚度；结构动力学；青藏高原收稿日期 2018-09-06； 修回日期 2018-10-22资助项目 国家自然科学基金项目 41571523， 41661144038；国家重点基础研究发展计划项目（ 973） 2013CBA01808；国家科技支撑课题 2014BAC05B01作者简介 方一平，男，研究员， 引 言生态承载力概念及争论。可持续性的生态、经济、社会三重性，意味着人类活动必须考虑赖以生存的生态阈值，才能保障生态系统具备持续提供产品和服务的能力。因此，生态承载力是可持续性管理和实践的重要概念[1]，也是测度区域生态、经济、社会可持续发展的关键指标[2-4]，其理论方法广泛应用于生态学、地理学、环境科学以及社会科学等交叉领域[5-8]。由于生态承载力制约因素复杂、学者的学科背景各异，学界尚未形成公认的定义，从国内外现有文献看，生态承载力概念解析存在 5种不同视角。一是种群生态学视角，生态承载力最早用于描述生态系统所能容纳的最大种群量[9]，随后， Smaal 等[10]、 Hudak[11]、 David 等[1]也给出了类似的解释，认为生态系统承载力是在特定时间内特定生态系统所能支持的最大种群数。也有学者将其区分为“经济承载力”和“生态承载力”，前者属于牧场管理学的内涵，由动物种群生产力的管理目标、动物质量和生境的状态来表征，后者则指无气候变化影响2 期 151方一平，等多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究干扰条件下，种群与生境达到平衡时的种群数量[12]。二是生态系统健康视角，认为生态承载力是在一定社会经济条件下，自然生态系统维持其服务功能和自身健康的潜在能力[13]，也是在不危害生态系统前提下的资源环境承载能力[14-15]。三是人类生态学视角，这类研究群体认为生态承载力是资源和环境对人类社会系统良性发展的一种强度和支持能力[16-18]。四是生物适应性视角，认为生态承载力是自然系统调节能力的客观反映，是生物细胞、个体、种群演化与环境相互作用、相互适应的结果[19]。五是人文地理学视角，将生态承载力作为人地关系和谐程度的反映，由生态活力、资源环境承载力和社会发展能力构成[20-22]，也有学者用单位土地面积可承载的人口和经济规模来表达[21, 23]。根据生态系统的类型和研究对象不同，生态承载力衍生了水生态承载力[24-27]、草地生态承载力[28-29]、耕地生态承载力[30]、城市生态承载力[31]、综合生态承载力[31]等概念。相应的内涵也逐渐由过去单要素、单学科、单内容向多因子、多学科、综合性转变，尽管生态承载力具有不同的理解，但仍有认知共性，生态承载力主要刻画自然生态系统对社会经济系统发展强度的承受能力以及自然生态系统健康程度，并随着生态与社会经济发展水平的变化而变化，具有极其显著的动态性。生态承载力评估方法。生态承载能力的可衡量性一直是诸多学者努力的方向，近年来，生态承载力的研究方法层出不穷， Peng 等[22]将其概括为资源供给和需求平衡法、指标体系法、系统模型法三大类。其中，生态足迹与能值评估是目前最为常见的资源供给和需求平衡法，因其操作简易、计算便捷、结果可比等特点，在生态承载能力与可持续性研究方面得到广泛应用[32-34]。指标体系法是针对不同生态系统和研究对象较为广泛使用的定量评估手段[24, 31]，如 Ding 等[24]在快速城市化背景下，选择 9 个关键指标，定量评估城市湖泊水生态承载力及其变化趋势，分析生态承载力的主控因子。利用系统模型法评估生态承载力是近年涌现的一大重要特点，较为典型的模型法包括食物网模型[35]、物质平衡模型[36-37]、系统动力学模型[26-27]和非线性拟合与积分法[29]等。不同的生态系统由于研究对象和主要特征差异，其生态承载力的测算方法也大相径庭，水生态系统方面，营养负荷和污水同化能力是表征水生态系统物质平衡的关键参量[1, 35-37]，对此， McKindsey 等[38]提出了自然承载力、水产养殖规模共同测算生态承载力的方法。种植生态系统方面，输入和输出的物质、价值比较是农业生态承载力评估的主要思路，如 Cuadra 等[32]针对尼加拉瓜农业生产系统，利用成本回报法、生态足迹法、能值法比较分析了经济可行性、生态承载力和可持续性之间的关系，这是不同方法综合应用的主要体现。养殖生态系统方面，总消化营养 total digestive nutrient， TDN、草地生物量的供需平衡可以较好地评判牲畜承载的能力，为此， Thapa 等[39]利用 TDN 法在尼泊尔丘陵地区进行了实证研究，并就合理放牧、增加饲草供给平衡提出了增强生态承载力的具体建议。 Yu 等[40]、 Zhang 等[41]借助遥感手段，通过高寒草地生态系统生物量的测定来估计生态承载容量，比较理论与实际载畜量的差距。现有文献表明，研究对象多元化、学科交叉化、方法模型化趋势十分明显[42]。尽管生态承载力研究方法多样，体现了各自应用优势，但就草地生态系统而言，考虑人类活动、草地退化及生态恢复力，通过评价指标体系来研究生态承载力的文献较为常见。虽然 Fang 等[29]采用非线性回归方程建立了冻土表层地温和草地净初级生产力 NPP 之间的内在关系，并通过积分法定量评估了冻土变化对草地NPP 的影响，不过，在 Fang 等[29]的研究中，冻土表层地温和草地 NPP 均以区域均值代替，且模型不能识别人类活动、气候变化、草地资源等要素对生态承载力的贡献。因此，以冻土变化作为高寒草地生态承载能力的重要驱动因子，探讨冻土变化与高寒草地生态承载力的关系，从时间和结构上定量揭示其间的动态响应及其过程的研究极为鲜见。青藏高原草地生态承载力研究需求。青藏高原素有“世界屋脊”和“地球第三极”之称，是中国和亚洲的“江河源”[43]。由于特殊的高寒地理环境，多年冻土广布，面积为 105 万～ 150 万 km2 [44]，多年冻土与气候系统间的水热交换，维系着高寒草地生态系统功能。高寒草地是高原植被的主体，面积为 152.5 万 km2，占青藏高原总面积的 59.3，是中国乃至亚洲的主要牧区之一[45]，高寒草地生态系统的变化，关系着当地牧民的生计与社会经济可持续发展，关系着国家生态与中下游地区水资源安全。在人类活动强度增加和气候变暖背景下，多年冻土变化已影响到高寒草地生态系统，亟待长期观测、试验和模型研究[44]。这里的草地生态承载力是指草地生态系统的可持续状态与社会经济综合承载能力。草地生态系统结构和过程及人类活动均具有动态性和差异性，从而决定着草地生态承载力的变化性和差异性。为更加客观地刻画草地生态承载力的特征，必须充分考虑影响高寒草地生态系统水热环境的冻土要素，建立定量模型，揭示高寒草地生态承载力动态过程。1 研究方法1.1 结构动力学方法及生态承载力度量结构动力学着重研究结构对于载荷的响应，从动态过程刻画结构的承载能力和动力学特性[46]。近年来，结构动力学成为研究动态系统的重要工具[47-50]。通常，结构的运动方程是一个二阶常微分方程组，其矩阵形式为式中， xt 为广义坐标矢量 位移 ，是时间 t的函数； M， C， K 分别为对应 xt 的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵； ft 为广义的力矢量 压力 。以单位位移的平均特征值表征草地生态承载力，平均特征值代表一个矩阵在外力作用下所产生的运动速度和振动幅度，具体用质量、阻尼、刚度矩阵之和的平均特征值测算。1.2 关键刻画指标遴选根据结构动力学特性，区域草地生态承载力的大小和变化是质量、阻尼、刚度、压力状态的综合反映，结合青藏高原特点遴选对应的生态承载力评价指标。草地质量对应质量矩阵，反映人类活动对草地生态系统的破坏及草地资源的消耗程度，体现草地资源禀赋和质量，考虑数据可获性，以草地NPPg C/m2∙a 代表草地生态系统质量。草地干预对应阻尼矩阵，是草地生态系统的潜力，反映人类对草地生态系统的正向干预和阻滞不合理人类活动，提高生态系统承载力，选取围栏占可利用草地面积比重 、单位牲畜拥有暖棚面积m2、人工草地占可利用草地面积比重 作为阻尼矩阵重要指标。草地潜力对应刚度矩阵，是草地生态系统在外力作用下反弹到初始状态的能力，反映冻土、气候变化对草地生态系统的影响以及草地生态功能维系程度，水热变化的不同组合是草地生长发育的主控因子，多年冻土活动层是多年冻土区地表能量平衡、高寒植物生长和生态系统水文循环的特征指标，为此，用草地生长季节 4 9 月 平均气温 ℃ 、草地生长季节累计降水 mm 以及多年冻土活动层厚度 m 刻画结构动力学模型中的刚度。草地压力对应力矢量矩阵，反映草地生态系统外力胁迫，因青藏高原地广人稀，密度更能体现人类活动强度的实质，因此本文重点以人口密度（单位国土面积的人口数量，人 /km2、牲畜密度 单位国土面积的牲畜数量，羊单位 /km2、经济密度 单位国土面积的国内生产总值，万元 /km2 作为草地生态系统力矢量的关键指标。1.3 数据来源和处理草地围栏面积、牲畜暖棚面积、人工草地面积、人口、 GDP 等指标来源于历年青海统计年鉴和西藏统计年鉴；年末牲畜存栏来源于历年中国农村统计年鉴。 NPP 和多年冻土活动层厚度指标来源于 Yi 等[51]模拟结果。生长季节 4 9 月气温和降水数据来源于中国气象数据网“中国地面气温月值 0.5° 0.5°格点数据集 V2.0”和“中国地面降水月值 0.5° 0.5°格点数据集 V2.0”①。Mẍt Cẋt Kxt ft。 1 ① http//。气候变化研究进展 2019 年气候变化影响数据处理步骤先采用离差标准化法对各指标进行无量纲处理[47]；其次根据质量、阻尼、刚度和力矢量矩阵，借助 MATLAB 软件时域分析LSIM 函数计算位移变量 xt[52]；最后测算质量、阻尼、刚度矩阵之和的平均特征值，用单位位移的平均特征值度量生态承载力；以草地生态承载力作为因变量，以包括多年冻土活动层厚度在内的 10个指标作为自变量，进行多元线性回归分析，将多年冻土变量的标准系数界定为贡献率。2 结果与讨论2.1 草地生态承载力变化特征及其原因1980 2013 年，多年冻土区草地生态承载力总体呈增加趋势 图 1， 1998 年以前承载力曲线增减趋势不明显， 1998 年以后承载力出现显著回升，这主要归因于草地生长季节降水量、温度和NPP 增加等因素的综合作用[53-54]。上述 3 个自然因子的变化曲线与草地生态承载力曲线相似度高，趋势较为一致。草地生长季节变暖、变湿是青藏高原气候变化的基本特征，多年冻土区作为青藏高原的主体，气候变暖使青藏高原寒带、亚寒带东界西移，南界北移，温带区扩大，从而导致生态系统总体变好；高寒草原分布面积增加，高寒草甸和沼泽草甸萎缩，草地植被返青期提前，枯黄期推后，高寒草地生长期延长， NPP 呈总体增加态势[45,55]。实际上，根据气象观测站点数据分析，青藏高原多年冻土区 1998 2013 年草地生长季节降水量增加了11.8，生长季节平均气温升高了 0.35℃， NPP 共计增长了 20.5，这是青藏高原高寒草地生长季节水热变化组合对草地净初级生产力的积极作用[56]，进而促进了青藏高原高寒草地生态承载能力的明显提升。多元线性回归也表明，青藏高原多年冻土区草地生态承载力与 NPP、草地生长季节降水量、温度正相关，三者对草地生态承载力的贡献率分别高达 62.8、 17.5、 14.0。尽管人口、经济密度快速增长，草地系统外部力矢量压力增大图 2，但 2000 年以后牲畜密度显著下降，大大拉低了草地生态系统的外在压力，使得草地生态系统的荷载能力增长程度高于人类活动产生的压力，外在压力图 1 草地生态承载力及其关联要素的动态变化Fig. 1 Changes in ecological carrying capacity and critical elements4003503002502001501005001980 1986 1992 1998 2004 2010 年草地生长季节累计降水量、NPP草地生长季节平均气温、多年冻土活动层厚度、草地生态承载力6543210草地生长季节累积降水量 /mm草地生长季节平均气温 /℃多年冻土活动层厚度 /m草地生态承载力（指数）NPP图 2 草地生态系统外部压力及其关联要素的动态变化Fig. 2 Changes in system stresses and critical elements12010080604001980 1986 1992 1998 2004 2010 年牲畜密度人口密度、经济密度、外部压力、系统位移543210牲畜密度 / 羊单位 /km220外部压力 指数 系统位移 长度单位 人口密度 / 人 /km2经济密度 / 万元 /2 期 153方一平，等多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究作用下系统的位移逐渐降低，意味着草地生态系统承载能力呈现净增长 图 1，这是 1998 年以来青藏高原多年冻土区草地生态承载力显著增加的主要原因。值得注意的是， 1998 年以后草地生态承载力的显著提升还与青藏高原生态屏障与生态工程建设密切相关，为了保障其生态功能的持续有效， 2008年我国开始实施了青藏高原生态安全屏障保护与建设工程。黄麟等[57]通过对比监测 2000 2008 年与2008 2015 年青藏高原生态系统及其关键服务的时空变化，认为草地退化趋势明显减弱、草地恢复态势显著，退化草地占比下降了 19.9，恢复草地占比增加了 33，草地载畜压力明显减少，牧草供给能力提升，高原的暖湿化气候有利于减缓荒漠化进程并促进生态系统恢复，而生态安全屏障保护与建设工程的实施对青藏高原生态系统服务能力的提升特别是工程区局部生态恢复具有一定的正面作用。此外，由于 2000 年以来，青藏高原自然保护区面积快速扩展超过 50，在一定程度上阻滞了人类活动对高寒草地生态系统的负面干扰，维护了高寒草地景观的连续性，有效地促进了高寒草地生态系统的功能绩效。目前，长江源区、黄河源区、西藏羌塘北部国家级自然保护区的面积比例分别占国土面积的 60.64、 45.18、 70.54，其保护区的面积之广、密度之高在国内位居榜首[58]。尤其是青海三江源区经历了 2000 年建设省级自然保护区、 2003 年建设国家级自然保护区、 2005 年实施国家生态建设工程、 2011 年建立综合试验示范区、2016 年国家公园建设试点等多个阶段与不断升级的生态保护与工程建设，在牲畜放牧相对密集的地区，草地围栏、人工草地建设面积也逐渐扩大，草地生态承载力不断提升。从图 1 还可以发现，近 10 多年来，多年冻土活动层的厚度呈现轻微减薄的迹象，可以判断多年冻土退化受到一定程度的抑制，高寒草地生态系统在向健康的方向发展，这可能得益于青藏高原高寒草地生长季节暖湿气候变化的影响以及生态建设工程人工干预的正向作用，利于土壤维持水分，及维持活动层土壤水热状况的稳定性，起到了多年冻土的保护作用。2.2 多年冻土变化对草地生态承载力的贡献和不确定性为进一步探讨多年冻土和高寒草地生态承载力的关系，以 1980 2013 年期间草地生态承载力作为因变量，对应年份 10 个关键指标作为自变量，进行多元线性回归。根据线性方程回归系数的物理含义，多年冻土变量的标准系数指在其他变量不变情况下，多年冻土活动层厚度单位变化引起高寒草地生态承载力的平均变动量，即贡献率。统计结果表明，回归方程 F、回归系数 t 检验均在 0.01和 0.05 的水平上显著，且多年冻土变量的系数为负值，表明多年冻土活动层厚度变化与高寒草地生态承载力之间呈负相关，随着多年冻土活动层的增厚 退化 ，草地生态承载力随之下降，贡献率均值估计为 10，即多年冻土活动层厚度每增厚 1个单位，将导致高寒草地生态承载力下降 0.1 个单位。同理，以 1980 2013 年期间历年草地生态承载力作为因变量，以多年冻土活动层厚度作为自变量进行一元线性回归分析，结果也表明，高寒草地生态承载力与多年冻土活动层厚度负相关，尽管统计检验的显著性不及多元线性回归，但 F 和 t 检验仍达到 90 的信度，仅从一元线性回归系数判断，多年冻土活动层厚度对草地生态承载力的贡献率达32，尽管多年冻土并非是高寒草地生态承载力的唯一影响因素，但两个变量的直接关联统计结果表征了多年冻土活动层厚度增厚对草地生态承载力负面效应的显著性。需要强调的是，虽然多年冻土和高寒草地生态承载力的关系密切，通过统计分析获得了多年冻土活动层厚度对高寒草地生态承载力贡献水平的参照值约为 10，但这只是一个十分粗略的估计值，因为整个青藏高原覆盖面积大约 258 万 km2，草地生态承载力的制约因素复杂多样、空间异质性十分明显，利用高原历年的均值替代总体变化规律，本身具有很大的不确定性。另外，无论对过去气候变化的监测分析，还是对未来气候变化趋势预估，都还存在一定程度的不确定性，尤其是整个青藏高原气候变化研究进展 2019 年气候变化影响参考文献David G S, Carvalho E D, Lemos D, et al. 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Carrying capacity reconsidered from Malthus’s [1][4][3][5][2][6]多年冻土活动层厚度变化仍缺乏全域、全面、系统的监测数据，模拟还是目前获取数据的主要手段，这更增加了这种不确定性。3 结 论青藏高原多年冻土区草地生态承载力总体呈增加趋势， 1998 年以后回升显著，主因在于 NPP、草地生长季节降水量明显增加和温度升高，其贡献率分别达到 62.8、 17.5 和 14.0。同时，也与2000 年以来青藏高原生态建设工程的正向干预密切相关。尽管人口、经济密度快速增长，形成的草地生态系统外部压力增大，但草地生态系统的荷载能力增长程度高于人类活动产生的压力，草地生态系统承载能力呈现了净增长。多年冻土活动层厚度与草地生态承载力呈负相关，对草地生态承载力的贡献率达到 10，即多年冻土活动层厚度每增加 1 个单位，将导致草地生态承载力下降 0.1 个单位。但由于青藏高原面积广袤、草地生态承载力的制约因素复杂多样、空间差异显著，加之气候变化的不确定性，多年冻土活动层厚度对高寒草地生态承载力贡献水平只是一个粗略的参照值。尽管如此，结构动力学方法为生态承载力定量评估和应用，提供了一个崭新的视野。population theory to cultural carrying capacity [J]. Ecological Economics, 1999, 31 395-408Prato T. Fuzzy adaptive management of social and ecological carrying capacities for protected areas [J]. Journal of Environmental Management, 2009, 90 2551-2557Rajaram T, Das A. Screening for EIA in India enhancing effectiveness through ecological carrying capacity approach [J]. Journal of Environmental Management, 2011 92 140-148Odum E P. Basic ecology [M]. 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Permafrost, as an important factor to maintain the structure and function of alpine grassland ecosystem, is an important aspect to describe the ecological carrying capacity of alpine grassland objectively. The impact of permafrost on the ecological carrying capacity of alpine grassland is poorly understood. In this study, using the structural dynamics , we established a numerical model to estimate the ecological carrying capacity of alpine grassland. Variation of the grassland ecological carrying capacity of the permafrost regions of the Qinghai-Tibetan Plateau QTP was analyzed, while the contribution of the permafrost active layer to the ecological carrying capacity of alpine grassland was also quantified. Results show that the ecological carrying capacity of alpine grassland in permafrost regions displayed an increasing trend, especially after 1998, due to increases of precipitation, air temperature, net primary productivity during growing season of grassland, and the establishment of ecological protection projects. The thickness variation of permafrost active layer is negatively correlated with ecological carrying capacity of alpine grassland. The mean contribution of permafrost active thickness to the ecological carrying capacity of alpine grassland was 10 in the QTP during 1980‒2013. That is, for every 1 unit increase in the thickness of the permafrost active layer, the ecological carrying capacity of the alpine grassland will be reduced by 0.1 units. Owing to the significant spatial differences over the QTP and the uncertainty of climate change, this result is only a rough estimate of role of permafrost in the ecological carrying capacity.Keywords Ecological carrying capacity; Permafrost; Thickness of permafrost active layer; Structural dynamics; Qinghai-Tibetan Plateau QTPFANG Yi-Ping1, 2, ZHU Fu-Biao1, 3, YI Shu-Hua4, QIU Xiao-Ping1, 3, DING Yong-J2 期 157方一平，等多年冻土对青藏高原草地生态承载力的贡献研究