區域尺度下氣候因子的插值優化及其與草地NPP的相關性

魏靖瓊，柳小妮，任正超，潘冬榮，王紅霞

（1.甘肅農業大學草業學院 草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅 蘭州730070；2.中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農業大學經濟管理學院，甘肅 蘭州730070）

草地作為陸地生態系統中最重要、分布最廣的生態系統類型之一，在全球碳循環和氣候調節中起著重要作用［1-2］。草地不僅是我國分布面積最廣的生態系統類型之一，而且對于畜牧業的發展、生物多樣性的維持、水土保持和維護生態系統平衡有著重要的作用［3-4］。草地凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）指草地綠色植物在單位時間、單位面積內所積累的有機物數量，是由光合作用產生的有機物質總量減去自養呼吸所消耗掉的有機物質后剩余的部分，通常以干質量表示［5-6］。NPP是草地生態系統中物質和能量運轉研究的基礎，是草地植物與環境相互作用的綜合體現，直接反映草地在自然條件下的生產能力［7］，研究環境因子與草地生產力的關系，可揭示環境因子對草地生產力的影響機制［8-9］，對于合理開發、利用草地資源具有重要的理論和實際意義［10］。

在陸地-氣候相互作用研究中，有關植被對氣候響應的研究是一個基礎性問題，氣候的季節變化是形成植被季節生長變化特征的控制因素之一［11］。許多研究證明，水分和溫度是草地生態系統演替最直接的氣候驅動因子，也是影響草地NPP的關鍵因素，因此，溫度、降水是用來評估草地生態環境及生產力的指標［12-14］。

在區域氣候條件模擬過程中，一般利用已知的氣象數據，根據其空間分布規律，將其進行空間插值獲得未知站點的數據，因此插值方法直接影響模擬的效果［15］，傳統的插值方法，對于氣象站點數量有限，站點稀疏地區的插值存在極大的局限性［16］。如何在氣象站點有限的情況下，提高溫度、降水空間模擬的精度，是廣大學者關注的熱點［17-19］。

影響氣候空間分布的因素可分為兩大類：一是宏觀地理因素（經緯度、海拔），二是微觀地理因素（坡度、坡向、小地形形態、植被、土壤等）。將宏觀與微觀地理因素結合起來研究區域氣候的空間變化規律，是一種較為準確的方法。通過加入宏觀地形的多元統計模型，并引入坡度、坡向進行矯正，可消除常規統計模型在局部位置上的誤差［18-22］。張燕卿等［21］在對黃河流域積溫數據柵格化時發現，加入海拔高度和地形因子的插值精度較高。郭婧［23］利用AMMRR（Analytic Method based on Multiple Re-gression and Residues）方法，對甘肅省的年積溫（Σθ）和年降水量（r）進行插值，充分體現了地形因子（經緯度和海拔），Σθ和r插值結果更接近實際。本研究在ArcGIS平臺上，以甘肅省為研究區域，利用優化的插值方法——AMMRR進行氣象數據插值，并將野外調查的草地地上生物量數據，結合公式轉化為草地NPP，分析甘肅省草地NPP與氣候因子的相互關系，探討影響甘肅省草地植被生長的主動力，以期為草地生態系統的合理利用和管理提供理論依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況 甘肅省地處黃河上游，介于92°13′～108°46′E，32°31′～42°57′N，位于我國的地理中心，由于地處黃土高原、蒙新高原、青藏高原和秦巴山區的交匯地帶，地形地貌復雜多變，屬于山地型高原地貌。地勢自西南向東北傾斜，地形呈狹長狀，東西長1 655km，南北寬530km，總面積4.54×105km2，主要由隴南山地、隴中黃土高原、甘南高原、河西走廊、祁連山地和北山山地六大地形區域組成［23］。海拔從578m（白龍江谷地）到5 725m（祁連山主峰），高差懸殊，大多在1 000m以上。地形地貌多樣，自然氣候各異，具有多樣性、典型性和代表性等特點（圖1）。甘肅省屬溫帶大陸季風性氣候，氣溫日較差大，年均溫0～14℃，由東南向西北降低；光照充足，太陽輻射強，年日照時數1 700～3 300h，自東南向西北增加；年均降水量36～800mm，地區差異較大且分配不均，主要集中在6-9月［24-25］。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源及預處理 氣象數據：來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：／／cde.cma.gov.cn），數據時間序列為1996年1月-2005年12月，包括甘肅及周邊42個氣象站點的編號、站點名稱、月降水量（mm）、月平均溫度（℃）、經緯度、海拔（m）等信息。原始數據格式為txt，轉化為Excel文件。

基礎圖件：甘肅省1∶1 000 000行政區劃圖，來源于國家基礎地理信息中心。甘肅省DEM數據（分辨率90m），來源于國際農業研究磋商小組下設的空間信息組織（CGIAR-CSI）（圖1）。在ArcMap平臺上將數據經過拼接、裁剪等預處理，然后提取甘肅省90m分辨率的經緯度、坡度、坡向柵格數據及其回歸分析使用的點值數據。

生物量實測數據：由農業部草原監理中心提供，包括2005年7月甘肅省154個草地樣方的地上生物量（風干質量）實測數據（圖1）。

圖1 甘肅省草地地上生物量實測點分布Fig.1 Distribution pattern of aboveground measured biomass on grassland in Gansu Province

1.2.2 插值方法 由于研究區氣象站點分布較少，利用AMMRR［23］插值方法，并增加坡度、坡向兩個變量，進行多元回歸，求算回歸系數，模擬回歸柵格面，并與原始氣象數據進行對比分析，求算殘差值，采用IDW插值成殘差柵格面，最后與回歸柵格面求和運算，制作相應的溫度和降水量空間分布圖（分辨率為90m）。

1.2.3 草地NPP 將草地地上干物質量數據轉化為草地 NPP值［26-27］，

式中，NPP為草地凈初級生產力（以C計），單位g·m-2；Sbn為草地干物質量轉化為NPP的轉換系數，單位g·g-1，取值為0.475［28］；Bg為草地單位面積干物質量，單位g·m-2；Sug為草地地下生物量和地上生物量的比例系數［26］。不同草地類型地下與地上生物量比例系數［1］見表1。

表1 不同草地類型地下與地上生物量的比例系數Table 1 The ratio between underground and aboveground biomass of various grassland types

1.2.4 草地NPP與氣候因子的相關性分析 草地NPP與氣候關系密切，溫度與降水的時空分布格局對草地NPP具有重要的影響，不同的水熱組合對草地生態系統產生的效應不同［29］。侯英雨等［30］對中國陸地植被NPP對氣候響應的研究表明，不同季節，氣候因子對NPP的影響機制不同。年降水量的季節分布不均，尤其是生長季的水熱組合對植物的生長至關重要。因此，本研究提取草地生物量實測樣點對應的1996-2005年10年平均年均溫、年降水量、季節平均溫度、季節降水量以及生長季（4-7月）的平均溫度和降水量，利用SPSS統計分析軟件，實現氣候因子與草地NPP在年份、生長季和季節3個時間水平上的相關性分析。

2 結果與分析

2.1年均溫及年降水的空間分布 甘肅省呈狹長的西北―東南走向，東西和南北的跨度很大，不同區域所處的氣候分區有很大差異［31］。年均溫受地形影響較大，高溫區集中在隴南山地（地理學上屬于暖溫帶和亞熱帶）（圖2）。祁連山地、甘南高原為低溫區，北山山區也有一定的低溫區。溫度由盆地―河谷―高山―高原遞減，最低值出現在祁連山地。隴南山地的年均溫在10℃以上；隴中黃土高原、河西走廊年均溫5～15℃；北山山地大部分地區年均溫5～15℃，部分區域0～5℃。

甘肅省年降水量緯度地帶性較為明顯，東南部多而西北部少，同時受局部地形地貌的影響，時空變異性較強（圖2）。降水量在甘南高原、隴南山地、平涼南部分布較多，而北山山地、河西走廊等地區降水較少。濕潤區集中在甘南高原的南部（年降水量超過600mm）；甘南高原大部分區域、隴南山地、平涼地區東南部降水量500～600mm，屬于半濕潤區；隴中黃土高原南部及烏鞘嶺的局部區域降水量400～500mm，半濕潤區、半干旱區都有分布；隴中黃土高原的北部以及祁連山部分地區降水量300～400mm，屬于半干旱區；祁連山地、河西走廊部分地區降水量200～300mm，降水量低于200mm的區域分布在河西走廊及其北山山地，都屬于干旱區。這與張旭東等［32］的研究結果基本一致。

2.2 草地NPP對氣候的響應 草地NPP與年均溫及春季、夏季、秋季、生長季平均溫度存在極顯著負相關（P＜0.01），與冬季平均溫度呈正相關，但不顯著（P＞0.05）（表2）。說明干旱、半干旱地區，溫度的升高會抑制草地植被的光合作用，導致草地NPP的減少，而有積雪覆蓋（水分充足）的冬季，溫度的升高卻能一定程度上刺激草地植被的生長，草地NPP出現小幅度的增加。草地NPP與不同時期的降水量均呈極顯著（P＜0.01）（年降水量、春季、夏季、秋季和生長季）或顯著（P＜0.05）（冬季）正相關，而且草地NPP與降水量的相關性明顯高于溫度，說明降水量的增加能一定程度上促進草地植被的光合作用，抑制其呼吸作用，有利于草地NPP的積累。降水量是干旱、半干旱地區草地NPP的主要正反饋限制因子。

圖2 甘肅省年均溫及年降水量空間分布Fig.2 Spatial distribution of mean annual temperature and annual precipitationin Gansu Province

表2 1996－2005年草地NPP與溫度、降水量的相關性Table 2 Correlation between simulative grassland NPP and temperature，precipitation from 1996to 2005

高溫、干旱是制約牧草生長的氣候條件，但溫度和降水對草地NPP影響有所不同。降水通過影響土壤水分的有效性，進而影響植被生長［33］。增溫使蒸散加強，土壤變干，因而降低光合速率，使生產力下降，在干旱半干旱地區尤其明顯［34-35］。因此，制約甘肅省草地NPP的重要因素是水分。李紅梅等［36］研究青海省植被NPP對氣候變化的響應也證明了這一觀點。

3 討論與結論

3.1 甘肅省溫度、降水的空間分布 目前，解決氣象要素插值站點數據稀少所帶來的難題，通常是增加一些輔助信息，如利用經緯度、海拔高度、地形地貌和溫度、降水量的相關性，進行空間統計，提高插值精度。

由于溫度、降水量數據具有復雜多變的時空特征，王智等［37］利用氣象數據與地理信息（經緯度、高程、坡度、坡向等）的相關性，且通過增設模擬站點，并采用復二次徑向插值方法（MRBF）對新疆多年平均降水量進行空間模擬，得到的降水量空間插值結果精度較高。劉新安等［38］將地理因子和空間插值結合起來將中國區域的氣候要素柵格化，模擬精度較高。宏觀、微觀地形對溫度、降水的影響很大，將地形因子與空間插值方法相結合不僅能整體反映氣候隨經緯度的變化趨勢，而且能反映局部地形的氣候變化，提高模擬精度［39］。甘肅省地貌復雜多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯分布，地形起伏較大，水熱條件分布不均勻，利用傳統的插值方法只能簡單的對平面上的數據進行運算，并沒有考慮到氣候因子受到地形因子的制約。AMMRR插值方法考慮了地形因子（經緯度、海拔），消除了地形對氣候空間分布格局的影響，能夠反映局部地區的氣候變化，相對其他插值方法所得的溫度、降水量分布圖，利用AMMRR插值的分布圖更符合實際情況。但郭婧等［40］利用AMMRR的模擬結果中，由于使用的DEM數據分辨率有限（1km），且氣候因子很大程度上受地形（山脈走向、坡向和坡度）等微環境因子的共同作用而變得復雜，所以氣候因子隨微環境因子變化而變化的趨勢仍沒有很好地體現。因此，本研究增加了坡度和坡向這兩個微觀地理因子，并利用90m分辨率的DEM數據，對甘肅省的氣候因子進行模擬研究。

AMMRR插值結果顯示，甘肅省的年均溫由東南向西北逐漸遞減，與方書敏等［41］、封志明等［42］對甘肅省多年7月的月均溫的插值研究結果基本一致。隨著經度、緯度、海拔高度的增加，甘肅省年均溫逐漸減小，同時受地形影響較大，特別在地形起伏大的區域，盆地、河谷地區溫度高，而高原溫度低。如祁連山地受大陸性荒漠氣候和高山地貌的影響，溫度較低；隴中黃土高原的黃河流域溫度較高，河西走廊地勢平坦也有一部分區域溫度較高，渭河、隴南的白龍江一線溫度相對較高，在隴南山地的南部，溫度具有明顯的地形特點；甘南高原、祁連山地、北山山地部分區域由于海拔較高為溫度的低值區。

甘肅省年降水量的空間分布格局具有明顯的緯向地帶性，梯度變化明顯，由東南向西北逐漸遞減。儲少林等［43］對甘肅多年平均降水量的研究也顯示出東南多西北少的趨勢。由AMMRR插值結果可知，甘肅省降水量高值區位于甘南高原，低值區位于河西走廊、北山山地。隴南地區降水較高，但其中有一個相對于周圍降水量降低的區域，是青藏高原外圍降水量分布較少的一個區域。在烏鞘嶺部分地區，降水量相對較高，主要是由于烏鞘嶺屬祁連山脈北支冷龍嶺的東南端，也是東亞季風到達的最西段。張強等［44］的研究也表明，祁連山地由于受西南和東南暖濕氣流的影響和高山的阻擋，形成不同于其他區域的降水量，在海拔較高的地區降水量有增加的趨勢。張旭東等［32］對甘肅省多年平均降水量的模擬發現，最大值集中在隴南南部、甘南高原；祁連山地有一部分降水量較高，但靠近河西走廊地區的較低；河西走廊、北山山地降水量較低；最小值出現在金塔、玉門、敦煌，在北山以西有一個相對高值區，與本研究結果基本一致。

在大尺度的研究中，雖然AMMRR法在海拔落差大的區域對降水的模擬真實性較IDW、OK和CK法高，但總體看，利用IDW、OK、CK和AMMRR法進行降水量的空間模擬效果差異不大，但考慮了坡度和坡向這兩個微觀地理因子后，對甘肅省的降水量模擬結果表明，甘南高原、成徽盆地以及馬蓮河流域，降水量高于鄰近地區，而傳統的AMMRR法模擬結果顯示，該部分區域與周邊降水量基本一致，且有部分牛眼圖斑［23］。可見，增加坡度和坡向要素的AMMRR方法，充分體現了降水量在微環境空間上的分布特征，插值結果更接近實際。

3.2 甘肅省草地NPP對氣候因子的響應 在中國區域，隨著季節和地理位置不同，NPP對氣候因子變化的響應機制也不同，特別是干旱區、半干旱區，草地生產力與水分關系更為密切［13，45］。甘肅地處干旱、半干旱地區，土壤水分是影響草地生長最重要的因子。氣候變化對草地的影響較復雜，溫度和降水模式控制草地的空間分布，溫度過高、過低都會影響植物的生長［8］。本研究對氣候與甘肅省草地NPP相關性分析的結果表明，相對于溫度，甘肅省草地NPP對降水量的多寡響應更敏感，降水量的變化才是影響甘肅省草地NPP分布的關鍵氣候因素之一，這與許多研究結果相一致［34-36，46-48］。如，典型草原區各地草地地上生物量與多年年均溫存在顯著負相關，而與年降水量存在顯著正相關［34］。

水分在植被返青及生長季節對植物的生長起著關鍵作用，因此春季及生長季節的降水量與甘肅省草地NPP呈極顯著正相關，年降水量以及夏季、秋季降水量與草地NPP也呈極顯著正相關。因為夏季、秋季降水量的增加，能夠改善土壤水分供給條件，增強光合速率，從而提高生產力［35］。年均溫及春季、夏季、秋季、生長季平均溫度與草地NPP呈顯著負相關，這主要是因為溫度升高會導致地面蒸發量增大，造成水分供應不足，進而影響植被的生長。而冬季平均溫度與甘肅省草地NPP呈正相關，但不顯著，即弱正相關性。這是因為冬季植物停止生長，進入休眠，這個階段氣候的變化對植物的影響不大，但溫度過低、水分過少均會影響植物的越冬率［30］。

草地生態系統NPP的積累是一個復雜的系統，宏觀尺度上的水熱條件決定其分布格局，但是微觀尺度上草地植被的生長和NPP積累取決于地形地貌對水熱條件的再分配。因此，精確模擬水熱條件在時空格局上的分布狀況，對于理解草地NPP的積累機理有著重要的作用。草地NPP的積累不僅受到自然條件的限制，在區域尺度上更多受到人類活動的影響（放牧、道路、文化、土地利用方式等）。如何在長時間序列上將自然條件和人為因子進行耦合作為一個整體參與到草地NPP的研究中，對于更加清楚、詳細地理解草地NPP的積累過程有重要的意義。

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