基于MOD17A3的陜北植被凈初級生產力變化特征研究

雷延鵬　孫智輝　蔣小莉

摘要[目的]基于MOD17A3數據研究陜北地區植被凈初級生產力（NPP）。[方法]基于利用 2000—2010年MOD17A3數據集的年均NPP 數據和GIS技術定量分析了陜北植被NPP的時空變化特征。[結果]榆林市東南部及延安市中北部年平均NPP 大部在151～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部在300 g C/（m2·a）以上。延安、榆林市年NPP增加的面積都在90%以上，分別為92.9%、97.8%。2000與2010年的平均NPP相比，大部分地區是增加的，只有少部分地區是減少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地區為榆林市長城沿線一帶，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地區為榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）及>120 g C/（m2·a）以上的主要分布在榆林市東南部及延安市中部；NPP降低的區域主要分布在延安市南部的橋山林區和黃龍林區。[結論]通過實施退耕還林等生態建設工程，陜北地區植被狀況得到較好的改善。

關鍵詞植被凈初級生產力；MOD17A3；陜北

中圖分類號S181文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）36-0055-03

Abstract[Objective]To study variation characteristics of vegetation net primary productivity in north of Shaanxi Province based on MOD17A3. [Method]Based on the annual NPP data and GIS technology from 2000 to 2010， the temporal and spatial variation characteristics of vegetation NPP in Northern Shaanxi were quantitatively analyzed based on MOD17A3. [Result]The results showed that the average NPP of the North and South of Yulin was 151-250 g C/（m2·a）. The average NPP was more than 300 g C/（m2·a） in the southern part of Yanan. From Yanan and Yulin， the increase of NPP in the two cities were 92.9%， 97.8% respectively. Compared with NPP in 2010， the majority of the region has increased， and only a few areas have been reduced. Rises in 0-50 g C/（m2·a） areas along the Great Wall area of Yulin， increase in 51-90 g C/（m2·a） in northwest region has the most of Yulin and Yanan， rises in 91-120 g C/（m2·a） and the presence of > 120 g C/（m2·a） above the main central southeast of Yulin and Yanan； The decrease of NPP was mainly distributed in the Bridge Mountain Region and Huanglong Region in the south of Yanan.[Conclusion]The study suggested that through the implementation of a series of ecological construction projects such as closing hill for forestation and restoring farmland into forestland，the vegetation in these parts was improved.

Key wordsNet primary productivity；MOD17A3；Northern of Shaanxi

陸地植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是指植物在單位時間、單位面積上由光合作用產生的有機物質總量中扣除自養呼吸后的剩余部分[1]。NPP 作為地表碳循環的重要組成部分，不僅直接反映了植被群落在自然環境中的生產能力，還是判定生態系統碳積累及調節生態過程的主要因子，在全球變化及碳平衡中扮演著重要角色[2-3]。開展區域尺度的生態系統 NPP 研究有著重要意義，因為它與目前受到廣泛關注的其他重大問題如碳循環與碳擾動、土地利用變化、氣候變化和自然資源管理等研究有著密切聯系，可以說是這些研究工作中的重要環節之一[4-5]。

隨著遙感技術及數據處理能力的迅速發展和基于遙感觀測的生理生態理論研究進展，基于遙感觀測的NPP已經開始應用于實時、連續的生態系統監測以及年際波動和長期變化趨勢的探測[6]。美國國家航空航天局（NASA）于1999年發射了具有中分辨率成像光譜儀（MODIS）的TERRA極軌環境衛星，其傳送回來的遙感數據已經廣泛應用于地表覆蓋變化、生物生產力和生態環境監測、氣候預測和自然災害監測。在MODIS對陸地監測產品中提供了2000年以來分辨率為1 km的年NPP產品（MOD17A3）。李登科等[2]、王娟等[7-8]分別對陜西植被NPP的時空特征進行了分析。

1999年起陜西省相繼啟動并實施了生態環境建設綜合治理工程、天然林資源保護工程、退耕還林工程、重點防護林工程、水土保持工程和天然草場恢復與建設工程等一批重點生態建設工程，使陜西省特別是陜北地區植被狀況有了明顯好轉，使陜北毛烏素沙漠南擴的勢頭得到抑制。筆者利用NASA的EOS/MODIS（對地觀測系統/中分辨率成像光譜儀）遙感數據（MOD17A3），對陜北植被NPP的時空變化特征進行定量分析，旨在為該區域植被生產能力評價、退耕還林等生態建設工程效益評估及管理政策制定提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

陜北地區是我國黃土高原的中心部分，包括陜西省的榆林市和延安市都位于陜西北部。地勢西北高，東南低。總面積92 521.4 km2，是在中生代基巖所構成的古地形基礎上，覆蓋新生代紅土和很厚的黃土層，再經過流水切割和土壤侵蝕而形成的。基本地貌類型是黃土塬、梁、峁、溝、塬，是黃土高原經過現代溝壑分割后留存下來的高原面。1999 年起在陜北啟動并實施了退耕還林工程重點生態建設工程，使陜北地區植被狀況有了明顯好轉。

1.2數據來源與處理方法

1.2.1數據來源。

遙感數據為來自美國NASA EOS/ MODIS的2000—2010年的MOD17A3數據（http：//edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome），空間分辨率為1 km×1 km。該數據利用參考BIOME-BGC模型與光能利用率模型建立的NPP 估算模型模擬得到陸地生態系統年NPP，該數據已在全球和區域NPP與碳循環研究中得到廣泛應用。

此外，為了便于計算，利用MRT（modis reprojection tool）軟件將NPP 1 km數據轉換成分辨率為0.01°×0.01°經緯度網格數據。

1.2.2NPP 數據處理方法。

采用簡單差值法對比分析2000—2010年陜北地區植被NPP 的變化特征。簡單差值法是對相同地區不同時相的圖像進行相減，利用圖像之間的差值來衡量變化的大小。

Dij=NPPt1ij-NPPt2ij

式中，Dij為第i行第j列像素的差值；NPPt1ij為時相t1第i行j列像素的NPP值；t1，t2為時相；i，j為第i行第j列像素的位置。

2結果與分析

2.12000—2010年陜北年平均NPP 變化的基本特征和空間分布

由表1可知，2000—2010年陜北NPP為154～254 g C/（m2·a），平均為215 g C/（m2·a），延安平均值為265 g C/（m2·a），榆林為169 g C/（m2·a）。其中2010年陜北植被的年NPP最大，為254 g C/（m2·a），其次為2004年，為248 g C/（m2·a），2001年植被年均NPP最小，僅154 g C/（m2·a）。陜北年均NPP分布整體呈現逐年遞增的趨勢（圖1），2010年較2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陜北地區增加了82 g C/（m2·a）。

2000—2010年陜北植被平均NPP分布（圖2）顯示，由于受緯度地帶性、經度地帶性等植被、氣候、地形因素的綜合影響，NPP總體呈現從南到北遞減的趨勢。榆林市位于長城沿線風沙區和風沙區與黃土高原丘陵溝壑區過渡地帶，年平均NPP是陜北NPP 最低的地區，西北部長城沿線區大部在101～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市東南部和延安市中北部年平均NPP 在151～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部分在301 g C/（m2·a）以上。

2.22000—2010年陜北植被NPP的變化特征

從圖3可以看出，2000與2010年NPP相比，大部分地區是增加的，只有少部分地區是減少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地區有榆林市長城沿線一帶，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地區有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）和>120 g C/（m2·a）以上的地區主要分布在榆林市東南部和延安市中部；NPP降低的區域主要分布在延安市南部的橋山林區和黃龍林區。

利用GIS軟件統計2000—2010年陜北NPP變化情況，結果見表2。由表2可知，陜北年NPP 增加的面積占總土地面積的95.6%，其中增加0～50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面積分別占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP減少的面積占4.4%。延安、榆林市的年NPP增加面積均在90%以上，分別為92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a），所占比例最大，達48.4%，>120 g C/（m2·a）僅占2.2%，減少的面積僅占2.2%。延安市減少面積占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例達82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面積分別為28.4%、31.3%、22.9%。

3結論與討論

利用 2000—2010 年 MOD17A3 數據集的年均NPP 數據，通過 GIS 技術定量分析了陜北地區植被NPP 的時空變化特征，結果表明：

（1）2000—2010 年陜北NPP為154～254 g C/（m2·a），平均為215 g C/（m2·a），延安平均值為265 g C/（m2·a），榆林為169 g C/（m2·a）。其中2010年陜北植被的年NPP 最大，為254 g C/（m2·a），其次為2004 年，為248 g C/（m2·a），2001 年植被年均NPP 最小，僅154 g C/（m2·a）。陜北年均NPP 分布整體呈現逐年遞增、北低南高的趨勢。2010年較2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陜北地區增加了82 g C/（m2·a）。

（2）2000—2010 年植被平均NPP 分布總體呈現從南到北遞減的趨勢。榆林市位于長城沿線風沙區和風沙區與黃土高原丘陵溝壑區過渡地帶，年平均NPP是最低的地區，西北部長城沿線區大部在100～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市東南部及延安市中北部年平均NPP 大部在150～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部在300 g C/（m2·a）以上。

（3）2000 與2010年平均NPP相比，大部分地區是增加的，只有少部分地區是減少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地區有榆林市長城沿線一帶，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地區有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）及>120 g C/（m2·a）以上的地區主要分布在榆林市東南部及延安市中部；NPP降低的區域主要分布在延安市南部的橋山林區和黃龍林區，至于退化原因有待進一步研究。

（4）陜北年NPP 增加的面積占總土地面積的95.6%，其中增加0～<50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面積分別占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP減少的面積占4.4%。延安、榆林市年NPP增加的面積都在90%以上，分別為92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a）所占比例最大，達48.4%，>120 g C/（m2·a）僅占2.2%，減少的面積僅占2.2%。延安市減少面積占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例達82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面積分別為28.4%、31.3%、22.9%。

參考文獻

[1] 龍慧靈，李曉兵，王宏，等.內蒙古草原區植被凈初級生產力及其與氣候的關系[J].生態學報，2010，30（5）：1367-1378.