草地是地球表面覆盖最广的植被类型之一,巨大的分布面积和固碳潜力使其在全球碳循环评估中发挥着重要作用。然而全球气候变暖和人类活动干扰的加剧,使草地生态系统碳循环发生相应变化,草地退化不断加剧。中国草地面积约占国土面积的41.7%,因此准确核算其生产力大小、研究其时空变化特征及驱动因素对于评价我国陆地生态系统碳源/汇功能具有重要意义。同时我国草地退化现状和驱动机制评估对于草地资源合理利用和生态恢复措施的绩效评价具有重要参考价值。本文基于多源遥感影像和气象数据,利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型模拟中国草地净初级生产力(Net primary productivity,NPP),分析其时空变化特征以及对土地利用/覆盖变化(LUCC)和气候变化的响应;利用BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模型模拟中国草地净生态系统生产力(NEP),探讨草地碳源/汇的年际和月际变化;同时利用草地NPP和覆盖度进行草地退化遥感监测,结合统计资料和气象数据,对引起草地退化的气候和人类因素进行定量化和空间化分析。本研究的主要工作及结论如下:1.利用模型模拟中国草地覆盖度的时空变化。基于1982-2006年的GIMMS NDVI数据和2001-2010年的MODISNDVI数据反演中国草地覆盖度,结合气温和降水量数据,分析中国不同草地类型覆盖度的年际和月际变化对气候因子变化的响应。结果表明中国草地覆盖度呈现明显的空间异质性,总体呈现东南高西北低的特征。29年间平均草地覆盖度为34.5%,总体上呈增加趋势,其增加速率为0.17%/年,统计发现有78.9%的草地面积其覆盖度呈增加趋势。中国草地覆盖度呈极显著增加和显著增加的面积比例(46.0%,11.0%)大于呈极显著减少和显著减少的面积比例(4.1%,3.2%)。在年际尺度上,草地覆盖度与气温、降水量均呈不显著正相关,其中高山亚高山草甸、高山亚高山草地、坡面草地和草甸的覆盖度受温度的影响较大,而荒漠草地和平原草地的覆盖度与降水的关系更密切;在月尺度上,草地覆盖度与当月气温、降水量呈显著的正相关,表明水热因子的季节波动对草地生长的影响更大。所有类型的草地其植被覆盖度与前一个月气温和降水量的相关系数最大,表现出明显的时滞效应。2.利用CASA模型模拟中国草地NPP并分析其时空动态与气候因子的相关性。中国草地NPP平均值为279.4 gC/m2/yr,空间分布上呈现由东南向西北降低的趋势,草地NPP的经向变化速率为228.6 gC/m2/yr/10°;1982-2010年中国草地总NPP的多年平均值为918.4 Tg C(Tg=1012g)。29年间草地NPP总体呈增加趋势,增加率为0.56 gC/m2/yr;草地NPP呈增加趋势的面积占草地总面积的68.8%。降水是影响草地NPP的主要因素;然而不同草地类型的NPP对气温和降水的响应不同,高山亚高山草甸和高山亚高山草地的NPP受温度影响较明显,坡面草地NPP与降水量呈正相关而与温度呈负相关,平原草地、荒漠草地、草甸的NPP与降水量的关系更密切,尤其荒漠草地的NPP与降水量呈显著正相关。3.中国草地生态系统的碳源/汇功能核算。利用生态遥感耦合模型(BEPS模型)模拟中国草地净生态系统生产力(NEP),并分析草地NEP的时空变化对气候年际变化的响应。1979-2008年中国草地NEP的平均值为13.6 gC/m2/yr,表现为弱的碳汇;NEP为正值的区域占中国草地总面积的73.1%,并且草地每年净吸收的碳量为26.6 Tg C;空间分布上呈现东南部高西北部低的特征。1979-2008年的30年间草地NEP均为正值;并且NEP的年内变化显示6～9月份为正值,表现为碳汇,而其余月份NEP为负值,表现为碳源。30年间草地碳转化效率和水分利用效率均呈极显著增加趋势。草地NEP与降水量呈正相关,其比例为 74.2%。4.定量评估NPP变化过程中气候和人为因素的驱动作用。以NPP为评价指标,结合石羊河流域的LUCC和气象数据,定量化、空间化地评估了气候变化、土地覆盖变化和草地管理措施对NPP变化的相对贡献。2001-2010年间研究区草地面积净增加了 5105.5 km2,其中80.4%来自荒漠向草地的转移,而草地向农田的转化是草地减少的主要原因,转移面积为1119 km2。2010年草地NPP总量比2001年增加了 659.62 Gg C(Gg=109g)。人类活动和气候变化对NPP净增加量的贡献分别为133%和-33%。在剔除气候对NPP变化的影响后,LUCC引起的草地NPP净增加量为654.82 Gg C,其中荒漠和农田向草地的转化导致草地NPP分别增加674.46 Gg C和156.85 Gg C,而草地向农田的转移导致NPP减少了 235.64 Gg C;土地管理措施的实施使NPP增加了 219.97 Gg C;而气候的不利影响共导致草地NPP减少了 215.17 Gg C。因此,LUCC和管理措施都有利于草地NPP的增加,而暖干化的气候条件导致草地NPP减少。5.中国主要牧区草地植被的时空格局和演变趋势。以遥感数据和气象数据为基础,对1985、1995、2000和2010年中国7个主要牧区的草地面积、景观指数(LSI)和NPP变化进行了研究。1985、1995、2000和2010年研究区草地面积分别为 247.9、243.52、246.2、231.75 万 km2。1985-2010 年间,研究区草地面积减少了 16.15万km2,占1985年草地面积的6.52%,主要是由于新疆和西藏草地面积的减少导致。与1985-1995年和1995-2000年两个时期相比,2000-2010年间,景观格局中草地优势度提高,破碎化程度和空间异质性降低。同时草地NPP具有明显的时空差异,1985-1995、2000-2010、1985-2010年间草地平均NPP分别增加了 14.34%,25.82%和40.95%;1995-2000年平均NPP减少了 4.82 gC/m2,相当于1995年草地NPP的2.03%。研究区草地NPP总量在2010年最高,比1985和2000年的NPP总量分别增加了 31.89%和18.48%。6.中国草地退化遥感监测和驱动力定量评估。利用NPP和覆盖度进行草地退化遥感监测,以潜在NPP和人类活动导致NPP的损失为评价指标,定量评估气候变化和人类活动对草地退化的驱动作用。1982-2010年间,中国草地出现退化的面积占草地总面积的22.73%,改善的面积占31.65%,未发生变化的草地面积为45.62%。总体上人类活动是促进草地改善的主导因素,占草地改善总面积的78.08%,气候的贡献仅为21.14%;气候变化和人类活动在草地退化中的作用基本相等(44.86%vs 43.36%)。气候和人类两大因素对草地退化的驱动作用存在显著的区域差异,在草地退化中,气候的作用大于人类活动作用的牧区包括内蒙古、陕西、西藏、甘肃、青海和四川;而人类活动占主导作用的牧区包括云南、宁夏和新疆,尤其对于新疆,85.13%的草地退化是人类活动导致的。在草地改善中,气候因子仅在西藏草地改善中起主导作用,其贡献为59.69%;而对其余8个主要牧区,人类活动是草地改善的主导驱动力,尤其对四川和陕西省,99%的草地改善都是由人类活动作用引起的。我们认为论文的主要创新之处:第一,在利用CASA模型模拟植被NPP过程中,我们针对不同植被类型采用不同的最大光能利用率,以提高模型模拟精度;并且对两种来源的NDVI数据进行兼容性处理,延长NDVI的时间序列为1982-2010年,从而在长时间序列和大尺度上获取中国草地NPP;同时结合土地覆盖数据、气象数据和统计资料,对中国草地NPP的时空变化和驱动因素进行集成研究。第二,目前关于草地NEP的野外观测和模拟都集中在小尺度的均质样地上,缺乏大尺度上NEP的模拟。本研究结合草地生理生态特征,对BEPS模型进行参数优化,模拟获取近30年中国国家尺度上的草地NEP;分析草地NEP的时空变化及其对气候因子变化的响应,进而明确中国草地碳源/汇功能和碳收支大小。第三,目前关于草地退化的监测,多集中在样地尺度上的野外观测或小区域的草地退化遥感监测,然而在大尺度上进行草地退化遥感监测的研究较少,并且不同学者采用的监测指标不统一,导致结果的可比性较差;同时缺乏草地退化驱动力的定量评估。基于此,本文利用多元遥感数据,以草地NPP和盖度作为草地退化遥感监测指标,选取潜在NPP以及人类占用的NPP作为评价指标,构建了定量评估气候变化和人类活动对草地退化驱动作用的研究方法;不仅明确了中国草地退化现状并且确定了不同区域草地退化的主导驱动因素。这对草地生态恢复措施的合理调整和草地资源的可持续利用具有重要意义,并且研究结论一定程度上可为生态恢复工程的绩效评价提供参考。中国草地分布区域的广阔性、地形和气候条件的复杂性,使其生产力和碳源/汇功能具有较大的空间异质性;近年来,由于全球气候变暖以及人类干扰的加剧,草地生产力和生态环境随之发生变化,最终导致草地严重退化。本研究通过中国草地生态系统的碳核算,发现中国草地生态系统具有明显的碳汇功能,并具有显著的空间异质性;草地NPP和NEP均与降水量呈正相关。草地退化驱动机制的定量评估表明,气候和人类因素对草地退化的驱动作用基本相当,而人类活动主导着草地改善。由于退化草地生态恢复工程的实施,草地景观格局和固碳能力有所提高,并且取得了一定的生态效益,如促进草地生态系统稳定性和优势度的提高,增强草地的碳汇能力;然而草地退化治理中投入不足和实施区域的差异性,如恢复措施多集中在严重退化和沙化区域,导致我国生态环境建设呈现局部好转,总体恶化的局面。因此需要对生态恢复措施进行合理调整,从而增强草地生态系统的碳汇功能,发挥草地的生态环境屏障作用。