近25年來中國典型溫帶草原系統土地覆被變化及NPP響應——以皇甫川流域為例

許吉仁，董霽紅，楊宏兵

(1.中國礦業大學環境與測繪學院，徐州 221116;2.江蘇省資源環境與信息工程重點實驗室，徐州 221116)

0 引言

植被凈第一性生產力(net primary productivity，NPP)是指綠色植物在單位面積和單位時間內所累積的有機物數量［1］，是評價生態系統結構與功能協調性及其與環境相互作用的重要指標，直接與全球變化的關鍵科學問題——碳循環、水循環與食物安全密切相關［2，3］。土地覆被變化與植被凈第一性生產力的關系是全球環境變化研究的熱點問題之一，國內外相關學者對此作了大量研究［4－10］。然而這些研究大多集中在全球和區域空間尺度上植被凈第一性生產力的估算和評價，較少涉及到溫帶草原系統這一特定區域［11－13］，同時，國內較少涉及長時間跨度的典型溫帶草原土地覆被變化及其凈初級生產力響應的研究。

皇甫川是黃河中游的一級支流，多粗泥沙，水土流失極其強烈，嚴重影響著流域的生態環境［14］。研究分析皇甫川流域土地覆被變化及其對NPP的影響，對以皇甫川流域為典型代表的溫帶草原生態系統土地資源的合理利用、土地利用結構的優化、脆弱生態環境的改善具有重要的理論與實踐意義。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

皇甫川流域位于 E110.3°～111.2°，N39.2°～39.9°之間，屬溫帶半干旱大陸性氣候區，干燥少雨多風，降水多為夏季暴雨。流域南北最寬距離85.9 km，東西最長距離 102.1 km，總面積 3 235.14 km2，大部分屬內蒙古自治區準格爾旗境內;流域南部有415 km2屬陜西省，占流域面積的12.83%。流域內土質以草原栗鈣土為主，由于氣候變化歷史時期的砍伐及自清末以來的農墾，天然林已所剩無幾，被人工植被和天然次生草原植被所代替，目前草原面積占該流域面積的絕大部分［15］。由于皇甫川流域草原面積比例大，生態脆弱，加之受到周邊高強度礦業開采的干擾，1983年被列為全國八大片水土流失重點治理區之一。以該地區作為快速經濟發展形勢下中國溫帶草原系統土地覆被變化及其NPP響應的研究區域具有代表性。

1.2 數據源及其預處理

相關研究表明，內蒙古典型草原NPP與年降水量呈極顯著的相關關系［16］?；矢Υ饔蜃畲蠼涤暝路菀话阍?月，故本研究選用1987年7月4日、1995年7月26日、2000年7月31日、2007年7月12日、2011年7月21日5期跨度25 a的Landsat TM數據，軌道號為127/32和127/33。各期影像均經過系統輻射校正、地面控制點幾何糾正和DEM的地形校正，并用ERDAS IMAGINE 9.3軟件統一為UTM/WGS84投影，用Raster/Mosaic功能進行拼接鑲嵌，得到5期能夠完全覆蓋研究區的遙感圖像，再利用提取的皇甫川流域邊界線將其進行裁剪，得到研究區的影像。

2 研究方法

2.1 遙感影像分類

參照《土地利用動態遙感監測規程》［17］和《土地利用現狀分類》［18］，把皇甫川流域土地利用/覆被類型劃分為耕地、林地、水域、沙地、裸巖、草地、灌叢及建設用地等8種類型。

2.2 CASA 模型

CASA(Carnegie－Ames－Stanford apprvach)模型充分考慮了環境條件以及植被本身的特征，主要以遙感和地理信息系統為技術手段，通過遙感數據、溫度、降水、太陽輻射等氣象數據以及植被類型、土壤類型共同驅動。CASA模型依據的原理是植被凈第一性生產力主要由植被所吸收的光合有效輻射與其光能轉化率2個變量來確定，即

式中:t為時間(月份);x為空間位置;APARx，t為像元x處植被在t月份吸收到的光合有效輻射，MJ·m－2·月－1;εx，t為像元x處植被在t月份的實際光利用率，gC·MJ－1。

植被所吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例，即

式中:SOLx，t是t月份像元x處的太陽總輻射量，MJ·m－2;FPARx，t為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例，在一定范圍內，FPAR和NDVI之間存在著線性關系;常數0.5表示植被所利用的太陽有效輻射(波長范圍0.38～0.71μm)占太陽總輻射的比例。

光能轉化率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射(PAR)轉化為有機碳的效率。一般認為在理想條件下植被具有最大光能轉化率，而在現實條件下光能轉化率主要受溫度和水分的影響［21］，即

式中:Tε1和Tε2反映溫度對光能轉化率的影響;Wε為水分脅迫影響系數，代表水分條件的影響;ε*為理想狀態下的最大光能轉化率，采用全球最大光能利用率取值為0.389 gC/MJ。

FPAR，Tε1，Tε2和Wε的計算及改進方法見文獻［19］，在此不再詳述。

3 模型參數獲取與處理

3.1 NDVI數據的獲取與處理

通過輻射校正和大氣校正，分別計算出皇甫川流域1987年、1995年、2000年、2007年和2011年5期的NDVI(圖1)。

圖1－1 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－1 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

圖1－2 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－2 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

3.2 氣象數據的獲取與處理

氣象數據來自中國氣象數據共享網(http://cdc.cma.gov.cn)，包括皇甫川流域及其周邊氣象臺站1987年、1995年、2000年、2007年和2011年7月的氣溫、降水和太陽輻射數據(由于目前許多氣象觀測站點并不能直接獲得太陽輻射數據，可以用氣象站點每日的日照總時數換算成為每日的太陽輻射量)。對這些數據進行篩選，剔除不可替代的錯誤數據，最后保留了數據相對完整且空間分布較均勻的13個臺站的數據。對這些臺站的月平均氣溫、月總降水量、月太陽總輻射量3屬性進行簡單Kriging插值，得到研究區的月平均氣溫、月總降水量和月太陽總輻射量分布值。

3.3 土壤類型數據的獲取與處理

皇甫川流域內土壤可分為栗鈣土、黃綿土、風沙土、沖積土、淡栗褐土、石質土和粗骨土7種類型。土壤類型數據來源于中國土壤數據庫網站(http://www.soil.csdb.cn/)。圖 2 為土壤類型圖。

圖2 皇甫川流域土壤類型圖Fig.2 Soil types in Huangfuchuan W atershed

3.4 CASA模型的修正

本文參考Running等［20］依據生態生理過程模型BIOME－BGG對10種植被類型的模擬結果，對CASA模型中最大光能利用率(ε*)參數按陜北7種主要植被類型分別取值:針闊混交林1.044 gC/MJ，疏林灌叢 0.888 gC/MJ，草地 0.768 gC/MJ，干旱草地0.608 gC/MJ，耕作植被 0.604 gC/MJ，荒漠、水體等生態系統取CASA模型所估算的全球最大光能利用率 0.389 gC/MJ。

4 結果與分析

4.1 1987—2011年皇甫川流域土地覆蓋變化

利用1987年、1995年、2000年、2007年和2011年TM影像解譯得到皇甫川流域5期土地利用類型。表1反映了各土地利用類型的變化轉移情況。從表中可以得到:1987—2011年間，土地利用類型的數量和結構發生較大改變。灌叢和草地是皇甫川流域的主要土地利用類型，其總和占土地總面積的一半以上。

1)1987年，皇甫川流域灌叢面積最大，草地、裸巖也占據較大比重，耕地、林地、水域和沙地的面積較少。

2)1995年，由于人口增長較快，導致糧食需求增加，耕地面積增加;由于經濟的快速發展，建設用地也有所增加，與此同時，由于部分草地被開墾為耕地，草地面積萎縮。

3)2000年，耕地、林地、灌叢、建設用地面積保持較快的增長，耕地面積占整個流域的4.46%。

4)2007年，隨著政府一系列保護政策的出臺，林地面積繼續呈現上升趨勢;建設用地面積擴張較為明顯;其他土地利用類型面積則出現不同程度的下降，其中，灌叢和沙地面積下降的幅度最大;流域耕地面積繼續增加，并達到最大值，這是因為流域人口快速增長，對糧食的需求大幅增加，進而使耕地面積繼續增加;2007年裸巖面積有小幅度增加。

表1 皇甫川流域1987—2011年土地利用統計表Tab.1 Land use during 1987—2011 in Huangfuchuan Watershed

5)2011年，皇甫川流域的林地和建設用地面積繼續保持較快的增長速度，林地面積已占到全流域面積的6.81%，建設用地面積已占到全流域面積的0.24%;在人類對土地的需求擴大的同時，土地的集約程度得到提高，未利用地(裸巖和沙地)的面積不斷減小;受氣候干旱化的影響，水域面積繼續減小，僅占全流域面積的1.61%;草地和耕地面積經歷增長階段后開始出現較大幅度下降。

4.2 基于修正的CASA模型估算NPP

基于修正的CASA模型模擬出1987年、1995年、2000年、2007年和2011各年7月份皇甫川流域5期植被NPP分布圖，如圖3所示。

圖3 1987—2011年皇甫川流域NPP分布Fig.3 Distribution of NPP during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

5個時期皇甫川流域NPP總量分別為28.12 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.92 GgC 和 78.52 GgC。NPP從1987年7月至2007年7月逐步增加，2007年7月以后逐步減少，5期總量表現為“先增后減”的變化趨勢，呈現一定的時間波動性。

4.3 皇甫川流域土地覆被變化對NPP的響應

研究區處于溫帶草原生態脆弱區，不同土地覆被類型之間的轉移，有可能改變生態系統的結構和功能，對植被NPP的影響很大。通過研究不同土地覆被類型轉移情況對NPP變化的影響，確定影響區域植被凈第一性生產力的主要土地利用類型。皇甫川流域各時期土地覆被變化對應的NPP變化情況如表2—表5所示。

表2 皇甫川流域1987—1995年土地覆被變化對應的NPP變化Tab.2 NPP changes corresponding with land cover change during 1987—1995 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表2可知，皇甫川流域1987—1995年間耕地轉移導致植被NPP減少了0.66 GgC，林地轉移導致植被NPP減少了0.01 GgC，水域轉移導致植被NPP增加了0.91 GgC，沙地轉移導致植被NPP增加了1.40 GgC，裸巖轉移導致植被NPP增加了2.98 GgC，草地轉移導致植被NPP增加了3.76 GgC，灌叢轉移導致植被NPP增加了2.96 GgC。本階段植被NPP共增加11.34 GgC，草地轉移是植被NPP增加的主要原因。在該階段，草地面積主要轉移為灌叢和裸巖，草地轉化為灌叢的過程使植被NPP增加了3.63 GgC，說明草地轉移為灌叢對植被NPP增加的貢獻最大。

表3 皇甫川流域1995—2000年土地覆被變化對應的NPP變化Tab.3 NPP changes corresponding with land cover change during 1995—2000 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表3可知，皇甫川流域1995—2000年間耕地轉移導致植被NPP減少了1.04 GgC，林地轉移導致植被NPP減少了0.63 GgC，水域轉移導致植被NPP增加了0.87 GgC，沙地轉移導致植被NPP增加了2.17 GgC，裸巖轉移導致植被NPP增加了5.78 GgC，草地轉移導致植被NPP增加了0.26 GgC，灌叢轉移導致植被NPP增加了2.84 GgC。本階段各土地利用類型轉移使植被NPP增加了10.25 GgC，裸巖轉移是植被NPP增加的主要原因。

表4 皇甫川流域2000—2007年土地覆被變化對應的NPP變化Tab.4 NPP changes corresponding with land cover change during 2000—2007 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表4可知，皇甫川流域2000—2007年間，耕地轉移導致植被NPP增加了0.94 GgC，林地轉移導致植被NPP增加了0.84 GgC，水域轉移導致植被NPP增加了1.65 GgC，沙地轉移導致植被NPP增加了3.99 GgC，裸巖轉移導致植被NPP增加了9.10 GgC，草地轉移導致植被NPP增加了6.47 GgC，灌叢轉移導致植被NPP增加了25.60 GgC。該階段各土地利用類型轉移使植被NPP增加了48.59 GgC，灌叢轉移是植被NPP增加的主要原因，期間灌叢面積主要轉移為草地和裸巖，灌叢轉化為草地的過程使植被NPP增加了9.34 GgC，灌叢轉化為草地對植被NPP增加的貢獻最大。

表5 皇甫川流域2007—2011年土地覆被變化對應的NPP變化Tab.5 NPP changes corresponding with land cover change during 2007—2011 in Huangfuchuan W atershed (GgC)

由表5可知，2007—2011年間，皇甫川流域耕地轉移導致植被NPP減少了14.89 GgC，林地轉移導致植被NPP減少了6.34 GgC，水域轉移導致植被NPP增加了0.48 GgC，沙地轉移導致植被NPP增加了0.37 GgC，裸巖轉移導致植被NPP增加了5.63 GgC，草地轉移導致植被NPP減少15.82 GgC，灌叢轉移導致植被NPP減少11.13 GgC，本階段各土地利用類型轉移使植被NPP共減少41.70 GgC，草地轉移是植被NPP減少的主要原因。在本階段，草地面積主要轉移為灌叢和裸巖，草地轉移為灌叢的過程使植被NPP減少了12.50 GgC，說明草地轉移為灌叢對植被NPP下降的貢獻最大。

綜上所述，人口增長對耕地的需求、經濟驅動因素帶來的畜牧業擴張和礦業開采以及政策性導向對生態脆弱區環境改善，很大程度上決定了皇甫川流域土地覆被變化，并且形成了其NPP近25 a來“先增后減”、整體增加的變化趨勢。進入20世紀90年代以來，國家實施了“京津風沙源治理”、“退耕還林還草”、“退牧還草”、“圍封轉移”等一系列生態恢復工程，對內蒙古自治區生態脆弱地區環境改善以及植被恢復起到了積極的作用，這些生態恢復措施有效地遏制了草地的退化，促進了草地凈初級生產力的增加。然而，近10 a來由于皇甫川流域內及周邊高強度的礦業開采，造成了地下水流失、草原生態系統被破壞，導致其植被凈初級生產力又開始呈現下降趨勢。

5 結論

隨著人類活動的加強和氣候條件的變化，處于生態脆弱區的溫帶草原系統典型代表皇甫川流域在近25 a間，土地利用類型的數量和結構均發生了較大的改變，從而導致了NPP總量的變化。

1)土地利用類型主要以灌叢和草地為主，土地結構變化明顯，建設用地、林地面積逐漸增加，水域面積逐漸減小，耕地、草地、灌叢、裸巖和沙地呈波動變化。

2)1987年、1995年、2000年、2007年和2011年皇甫川流域的NPP總量分別為28.11 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.91 GgC 和 78.51 GgC，是一個先增多后減少的過程。灌叢和草地NPP位列流域內各類土地覆被類型的前2位。

3)1987—1995年間，皇甫川流域草地轉移為灌叢是影響NPP變化的主要原因;1995—2000年間，裸巖轉移為草地是影響NPP變化的主要原因;2000—2007年間，灌叢轉移為草地是影響NPP變化的主要原因;2007—2011年間，草地轉移為灌叢是影響NPP變化的主要原因。

要保障溫帶草原地區植被凈第一性生產力，應該著重保證灌叢和草地的覆被面積，協調區域資源開發與生態系統保護，保障流域生態系統平衡。在區域尺度上堅持“以草定畜”原則，將牲畜頭數限制在各地區、各地方實際牧草供應能力范圍之內;加強草原區的生態工程建設，如退化草地的改良、沙化土地的治理，以實現對受損生態系統的恢復;同時應協調區域資源開發與生態保護。草原周邊礦產資源豐富，經濟的驅動導致近年來礦產資源被大量開采，導致土地塌陷、裂縫，地下水沉降，水土流失，從而影響草原植被的生長，有關部門應在合理開發礦產資源的同時加倍重視礦山環境的恢復與治理。

［1］ Leith H，Wittaker R H.Primary Productivity of the Biosphere［M］.New York:Springer Verlag，1975:103－134.

［2］ 方精云.全球生態學——氣候變化與生態響應［M］.北京:高等教育出版社，2000:78－89.Fang J Y.Global Ecology:Climate Change and Ecological Response［M］.Beijing:Higher Education Press，2000:78－89.

［3］ 冷疏影，宋長青，呂克解，等.區域環境變化研究的重要科學問題［J］.自然科學進展，2001，11(2):222－224.Leng SY，Song CQ，Lyu K J，et al.The important scientific problems of regional environmental change research［J］.Progress in Natural Science，2001，11(2):222－224.

［4］ CramerW，Bondeau A，Woodward F I，etal.Global response of terrestrial ecosystem structure and function to CO2and climate change:Results from six dynamic global vegetation models［J］.Global Change Biology，2001，7(4):357－373.

［5］ LeBauer D S，Treseder K K.Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed［J］.Ecology，2008，89(2):371－379.

［6］ Gilmanov T G，Soussana JF，Aires L，et al.Partitioning European grassland net ecosystem CO2exchange into gross primary productivity and ecosystem respiration using light response function analysis［J］.Agriculture Ecosystems ＆ Environment，2007，121(1/2):93－120.

［7］ 高志強，劉紀遠，曹明奎，等.土地利用和氣候變化對農牧過渡區生態系統生產力和碳循環的影響［J］.中國科學D輯:地球科學，2004，34(10):946－957.Gao Z Q，Liu JY，Cao M K，et al.The impact on the ecosystem productivity and the carbon cycle in agriculture and animal husbandry transition zone of the land use and climate change［J］.Science in China Series D:Earth Sciences，2004，34(10):946－957.

［8］ 劉志斌，劉茂松，徐 馳，等.江陰市植被凈初級生產力及碳匯價值分析［J］.南京林業大學學報:自然科學版，2007，31(3):139－1421.Liu Z B，Liu M S，Xu C，et al.NPP and CO2Assimilation value of vegetation in Jiangyin，Jiangsu Province［J］.Journal of Nanjing Forestry University:Natural Sciences Edition，2007，31(3):139－1421.

［9］ 徐昔保，楊桂山，李恒鵬.太湖流域土地利用變化對凈初級生產力的影響［J］.資源科學，2011，33(10):1940－1947.Xu X B，Yang G S，Li H P.Impacts of land use change on net primary productivity in the Taihu Basin，China［J］.Resources Science，2011，33(10):1940－1947.

［10］ 王 原，黃 玫，王祥榮.氣候和土地利用變化對上海市農田生態系統凈初級生產力的影響［J］.環境科學學報，2010，30(3):641－648.Wang Y，Huang M，Wang X R.Impacts of land use and climate change on agricultural productivity in Shanghai［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30(3):641－648.

［11］ 趙傳燕，程國棟，鄒松兵，等.西北地區自然植被凈第一性生產力的空間分布［J］.蘭州大學學報:自然科學版，2009，45(1):42－49，55.Zhao C Y，Cheng G D，Zou S B，et al.Spatial distribution of net primary productivity of natural vegetation in the northwest China［J］.Journal of Lanzhou University:Natural Sciences，2009，45(1):42－49，55.

［12］ 張 杰，潘曉玲，高志強，等.基于遙感－生態過程的綠洲－荒漠生態系統凈初級生產力估算［J］.干旱區地理，2006，29(2):255－261.Zhang J，Pan X L，Gao Z Q，et al.Estimation of net primary productivity of the oasis－desert ecosystems in arid west China based on RS－based ecological process［J］.Arid Land Geography，2006，29(2):255－261.

［13］ 穆少杰，李建龍，楊紅飛，等.內蒙古草地生態系統近10年NPP時空變化及其與氣候的關系［J］.草業學報，2013，22(3):6－15.Mu SJ，Li JL，Yang H F，etal.Spatio－temporalvariation analysis of grassland net primary productivity and its relationship with climate over the past10 years in Inner Mongolia［J］.Acta Prataculturae Sinica，2013，22(3):6－15.

［14］ 張艷麗，賈志斌.皇甫川流域不同土地利用對群落結構和植物多樣性的影響［J］.內蒙古大學學報:自然科學版，2008，39(3):325－331.Zhang Y L，Jia Z B.Effect of different land use types on diversity and community structure in Huangpuchuan Watershed［J］.Journal of Inner Mongolia University，2008，39(3):325－331.

［15］ 金爭平，史培軍，候福昌，等.黃河皇甫川流域土壤侵蝕系統模型和治理模式［M］.北京:海洋出版社，1992:23－34.Jin Z P，Shi P J，Hou F C，et al.Soil Erosion System and Governance Model of Huangfuchuan Watershed［M］.Beijing:Ocean Press，1992:23－34.

［16］ 張 峰，周廣勝，王玉輝.基于CASA模型的內蒙古典型草原植被凈初級生產力動態模擬［J］.植物生態學報，2008，32(4):786－797.Zhang F，Zhou G S，Wang Y H.Dynamics simulation ofnet primary productivity by a satellite data－driven CASAmodel in Inner Mongolian typical steppe，China［J］.Journal of Plant Ecology，2008，32(4):786－797.

［17］ 中華人民共和國國土資源部.TD/T1010－1999土地利用動態遙感監測規程［S］.北京:地質出版社，1999.Ministry of Land and Resources of the People’s Republic of China.TD/T1010－1999 The Standard of Land Use Dynamic Remote Sensing Monitoring［S］.Beijing:Geological Publishing House，1999.

［18］ 中國國家標準化管理委員會.GB/T21010－2007土地利用現狀分類［S］.北京:中國標準出版社，2007.Standardization administration of the People’s Republic of China.GB/T21010－2007 Land－use Status Classification［S］.Beijing:Standards Press of China，2007.

［19］ 朱文泉.中國陸地生態系統植被凈初級生產力遙感估算及其與氣候變化關系的研究［D］.北京:北京師范大學，2005.Zhu W Q.Estimation of Net Primary Productivity of Chinese Terrestrial Vegetation based on Remote Sensing［D］.Beijing:Beijing Normal University，2005.

［20］ Running SW，Coughlan JC.A generalmodel of forest ecosystem processes for regional applicationsⅠ:Hydrologic balance，canopy gas exchange and primary production processes［J］.Ecological Modelling，1988，42(2):125－154.