青藏高原草畜平衡在气候变化、人类活动和生态保护共同作用下的动态研究

第一作者及机构
本研究由Lingyan Yan（中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室；云南大学国际河流与生态安全研究院）领衔，合作作者包括Lingqiao Kong（通讯作者）、Lijing Wang、Li Zhang、Jinming Hu和Zhiyun Ouyang（均来自中国科学院生态环境研究中心）。研究成果发表于2024年4月的《Ecological Indicators》（第162卷，文章编号112040），遵循CC BY-NC-ND 4.0开放获取许可。

学术背景

研究领域与科学问题
青藏高原（Tibetan Plateau, TP）作为“亚洲水塔”和全球重要的生态屏障，其草地生态系统占中国牧区面积的近一半，但同时也是全球对气候变化和人类活动最敏感的区域之一。过去60年，高原年均温上升0.37°C，降水每10年增加10.4毫米，而同期放牧强度持续攀升，导致80%的草地面临过牧问题。如何量化草畜平衡（Grass-Livestock Balance）的动态变化，并解析多重驱动因素的交互机制，是实现草地可持续利用的核心科学问题。

研究目标
本研究旨在：（1）构建基于净初级生产力（NPP）、草地利用率及病虫害损失的草地承载力模型（Grassland Carrying Capacity, GCC）；（2）评估2000-2020年青藏高原草畜平衡的时空格局；（3）揭示气候变化、生态保护与人类活动对草畜平衡的协同驱动机制。

研究方法与流程

1. 数据收集与预处理

• 数据来源：
  
  • 生态系统分类数据（2000/2010/2020年，30米分辨率）：基于HJ-1A/B、Landsat OLI和Sentinel-1/2卫星影像，将草地细分为高寒草甸、高寒草原等7类。
    
  • NPP数据（250米分辨率）：通过优化CASA模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach）结合中国生态系统研究网络（CERN）数据生成。
    
  • 野外调查数据：2010-2023年间1500个采样点（含500个病虫害调查点），验证模型参数如地下/地上生物量比（SGij）和病虫害损失率（北部21.1%，南部4.3%）。
    

2. 草地承载力模型（GCC）构建

模型公式：
[ GCC = \frac{\sum{i=1}^{n} \sum{j=1}^{m} [G \times (C{ij} - L{ij})]}{U_g \times D} ]
- 关键参数：
- 可食用牧草量（G）：由NPP转换（转换系数Si=0.5），考虑地下生物量比例（表S1）。
- 草地利用率（C）：分草地类型设定（如高寒草甸50%，温带典型草原40%）。
- 标准羊单位日摄入量（Ug）：1.8 kg/天（依据中国农业行业标准NY/T 635-2015）。

3. 草畜平衡指数（GLBI）计算

[ GLBI = \frac{R - GCC}{GCC} \times 100\% ]
- 过牧分级：按GLBI值分为5级（如>80%为严重过牧）。
- 牲畜存栏量（R）：统一转换为标准羊单位（SU），如1头牛=5 SU（表S2）。

4. 驱动因素分析

采用结构方程模型（SEM）解析四类潜变量（气候、地形、生态保护、人类活动）对GCC和GLBI变化的直接/间接效应：
- 气候变量：温度与降水变化（2000-2020年插值数据）。
- 生态保护：保护地面积、退耕还草面积。
- 人类活动：放牧强度、GDP变化。

主要结果

1. 草地承载力动态变化

• 总量增长：2000-2020年，可食用牧草量（G）、可利用牧草量（GC）和GCC分别增长21.29%、21.08%和15.90%，但草地总面积减少3348 km²（主要转为湿地和城镇用地）。
  
• 空间分异：东部高寒草甸和高寒草原贡献64.27%的GCC增长，而西部高寒荒漠草原承载力下降。
  

2. 过牧状况演变

• 阶段性特征：过牧比例从2000年150%升至2010年163%，2020年降至119%，但仍有80%的县处于过牧状态（需减畜679万SU）。
  
• 草地类型差异：高寒草甸过牧最严重（2020年贡献24.99%），温带草原则持续恶化（GLBI增长29.30%）。
  

3. 驱动机制解析

• 气候变暖变湿：直接提升NPP（路径系数0.07），间接通过促进生态修复增加GCC（如降水增加与退耕还草面积显著正相关，系数0.56）。
  
• 生态保护效应：从直接抑制过牧（2000-2010年）转变为通过提升GCC间接缓解（2010-2020年）。
  
• 人类活动依赖度下降：人均GDP增长减弱了放牧对过牧的贡献（路径系数从0.90降至0.37）。
  

结论与价值

科学意义
- 首次整合病虫害损失和草地类型利用率，改进了GCC模型的区域适用性。
- 揭示了气候变暖与生态政策的协同效应对草畜平衡的动态调控机制。

应用价值
- 为青藏高原差异化草地管理提供依据（如高寒草甸需优先控制载畜量）。
- 提出“增强人工饲草储备”“优化保护地放牧管理”等政策建议。

研究亮点

1. 方法创新：融合遥感NPP与野外实测数据，量化病虫害损失对GCC的影响。
   
2. 多尺度分析：县域SEM模型揭示自然-社会因子的交互作用。
   
3. 政策启示：证明生态保护政策需与气候适应策略协同设计。
   

其他发现
- 气候变化对经济活动的约束减弱（如GDP与海拔的负相关性消失），反映高原社会经济转型对生态压力的缓解潜力。

（全文约2000字，涵盖研究全流程与深度分析）