內(nèi)蒙古草地NPP時空變化格局及其與水熱因子耦合關(guān)系

楊 晗, 周 偉, 石佩琪， 黃 露

(重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院 地理與國土資源系, 重慶 400074)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中一個巨大的碳庫，具有水源涵養(yǎng)、水土保持、防風固沙和生物多樣性保護等多種重要的生態(tài)功能[1-3]。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是指在單位時間內(nèi)，單位面積的綠色植物所積累的有機物數(shù)量，即由植物光合作用固定的有機質(zhì)總量(Gross primary productivity，GPP)中扣除自養(yǎng)呼吸(Autotrophic respiration，Ra)消耗掉的有機質(zhì)后的剩余部分，它代表從空氣中進入植被的純碳量，是表征植被生理生態(tài)過程和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)[4]。

在NPP研究起步階段，由于資料的欠缺和技術(shù)的落后，許多學者普遍選擇以Miami模型[5]和Thornthwaite Memorial模型[6]等為代表的較為簡單的統(tǒng)計學方法。在全球生物學計劃(IBP)的推動下，國內(nèi)外關(guān)于NPP的研究從理論、方法及模型的應(yīng)用上得到了飛速發(fā)展。1985年日本學者提出Chikugo模型，該模型是植被生態(tài)生理學和統(tǒng)計學方法相結(jié)合的產(chǎn)物[7]；后來朱志輝[8]、周廣勝[9-10]等在此基礎(chǔ)上進行了改進。生態(tài)學過程模型包括TEM模型[11-12]、CENTURY模型[13]、BIOME-BGC模型[14-17]等，此類模型結(jié)合植被的生物學特征和生態(tài)系統(tǒng)的功能與動態(tài)變化，來模擬生態(tài)系統(tǒng)尺度上的植被生產(chǎn)力。CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型是基于光能利用率原理的過程模型[18]，且已得到全球1 900多個實測站點的校準，該模型在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模擬中得到了廣泛應(yīng)用。

內(nèi)蒙古位于IGBP全球變化研究典型陸地樣帶中國東北陸地樣帶之內(nèi)，是全球變化最為敏感的區(qū)域[19]，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近年來，又由于人類活動的干擾，內(nèi)蒙古草地退化嚴重，草地生產(chǎn)力大幅降低，因此，準確地估算內(nèi)蒙古草地凈初級生產(chǎn)力NPP對于建設(shè)美麗中國和國家綠色生態(tài)屏障具有重要意義。本研究選取內(nèi)蒙古作為研究區(qū)，在國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面氣象觀測數(shù)據(jù)及其他統(tǒng)計資料，利用CASA模型模擬內(nèi)蒙古草地凈初級生產(chǎn)力NPP，并結(jié)合氣象數(shù)據(jù)來分析2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP與水熱因子的耦合關(guān)系。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)(37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E)位于中國北部邊疆，由東北向西南方向傾斜伸展，整體呈狹長的帶狀分布，南北縱跨1 700 km，東西跨越2 400 km；幅員面積118.3萬km2，約占中國土地總面積的12.3%。由于大部分地區(qū)都受到東亞季風的影響，形成以溫帶大陸性季風氣候為主的復(fù)合型氣候；地形多以高原為主，具有氣溫變化劇烈、冷熱懸殊甚大、降水量少且不均勻等典型特征。

內(nèi)蒙古草地總面積約為8 666.7萬hm2，約占全區(qū)土地總面積的60%，占全國草地總面積的1/4以上，其中可利用草場面積6 818萬hm2(圖1)。內(nèi)蒙古天然草原退牧還草工程于2002年開始試點，2003年正式啟動。據(jù)監(jiān)測顯示，2015年內(nèi)蒙古自治區(qū)草地覆蓋度達43.8%，比2010年提高了6.7%，比2000年提高了13.8%；草原“三化”面積比2010年減少44.75萬hm2，比2000年減少255.73萬hm2，其中重度退化面積減少了203.2萬hm2，退牧還草措施有效遏制了草原生態(tài)系統(tǒng)的總體惡化趨勢。

圖1 內(nèi)蒙古草地分布

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1 MODIS NDVI數(shù)據(jù) 采用NASA的MODIS NDVI數(shù)據(jù)中的MOD13A1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時間序列為2001—2016年，時間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m×500 m。應(yīng)用MODIS Reprojection Tools (MRT)軟件對下載的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換與影像拼接。利用最大值合成法減少云、大氣和太陽高度角等因素對NDVI影像的影響，使用ArcGIS 10.2軟件對影像進行投影轉(zhuǎn)換和裁剪，并統(tǒng)一采用WGS_1984地理坐標系統(tǒng)的Albers Equal-Area Conic投影。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 利用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)提供的2001—2016年內(nèi)蒙古及其周邊94個標準氣象站點的月平均溫度、月總降水量及月總太陽輻射數(shù)據(jù)，并根據(jù)各氣象站點的高程及經(jīng)緯度信息，運用ArcGIS 10.2軟件將各站點的氣象數(shù)據(jù)進行Kriging空間插值，得到的柵格影像要與NDVI數(shù)據(jù)的投影系統(tǒng)和空間分辨率保持一致。

1.2.3 植被類型數(shù)據(jù) 本研究所需要的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)采用2001年、2008年、2013年的MCD12Q1產(chǎn)品，空間分辨率為500 m×500 m。MCD12Q1產(chǎn)品的IGBP分類法在全球范圍內(nèi)的分類精度達到74.8%，其中72.3%～77.4%的區(qū)域達到95%的置信區(qū)間[20]，IGBP分類系統(tǒng)下內(nèi)蒙古地區(qū)各種主要土地覆蓋類型的分類精度為：草地為66%，農(nóng)田為58%，稀疏灌叢為85%，混交林為65%，荒漠為74.5%，城市為93%[21]。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用IGBP分類標準將全球的土地覆被分成17種類型，本研究將其重分類為與NRED(中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心)分類標準相對應(yīng)的6類，并將開放灌叢、草原、森林草原、稀樹草原和永久濕地合并為草地。

1.3 研究方法

1.3.1 草地NPP的估算 CASA模型所估算的植被NPP可通過植被所吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)2個變量確定，其估算公式為：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)表示在t月份內(nèi)x像元吸收的光合有效輻射(MJ/m2);ε(x,t)代表其對應(yīng)的實際光能利用率(g C/MJ)。

(1) APAR的估算。光合有效輻射(PAR)是驅(qū)動植被進行光合作用的動力，植被所吸收的(APAR)取決于太陽總輻射與植被對入射的光合有效輻射的吸收比重，計量公式為：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中：APAR(x,t)表示在t月份內(nèi)x像元的太陽總輻射(MJ/m2)；常數(shù)0.5表示由植被所吸收的APAR(400～700 nm)在太陽總輻射中的占比；FPAR(x,t)指的是植被對入射的光合有效輻射(PAR)的吸收比例。

(2) 光能轉(zhuǎn)化率(ε)的估算。光能轉(zhuǎn)化率(ε)主要受水熱因子的限制，表示植被將其所吸收的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機碳的效率，用公式(3)計算：

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：Tε1(x,t)表示在低溫或高溫時植被體內(nèi)在的生化反應(yīng)限制其光合作用的程度，從而影響植被NPP的大小；Tε2(x,t)表示環(huán)境溫度從最適宜溫度向高溫或低溫轉(zhuǎn)化時逐漸降低植物光能轉(zhuǎn)化率的趨勢；Wε(x,t)表示植被所能利用的有效水分條件對光能轉(zhuǎn)化率的影響；εmax(0.09～2.16)指的是植被在理想狀態(tài)下的最大光能利用率，不同植被類型對應(yīng)的取值有所不同。本文εmax的取值參照朱文泉等[22]的研究成果，其中草地的εmax模擬值為0.542 g C/MJ。CASA模型中；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)的具體運算過程也參考朱文泉[23]的研究結(jié)果。

1.3.2 CASA模型精度驗證與參數(shù)評價分析 由于無法獲得與遙感數(shù)據(jù)空間分辨率一致的大尺度范圍的地面實測數(shù)據(jù)，但考慮到樣方比較典型、數(shù)量較多且抽樣時間比較一致，在一定程度上NPP的模擬值可以代表內(nèi)蒙古草原實測凈初級生產(chǎn)力。本研究利用2008年7月、8月份實測得到的30塊內(nèi)蒙古草原樣地的生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)馬文紅等[24]的相關(guān)研究，將內(nèi)蒙古草原地上和地下生物量近似分配比取為1∶5.73，并根據(jù)碳轉(zhuǎn)化率(0.475)計算得到草地實測NPP；再將CASA模型模擬得到的NPP與實測NPP在空間位置上一一對應(yīng)，進行模型精度驗證。樣地選取時，需選擇地勢平坦且牧草生長較為均勻的地塊，每個樣地設(shè)置5個1 m×1 m的樣方。齊地切割樣地地上部分的牧草后，將其放至70℃的恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后稱取干重。模型精度驗證結(jié)果(圖2)顯示內(nèi)蒙古草地NPP的實測值與模擬值呈顯著相關(guān)關(guān)系(R2=0.501，p<0.001)。

圖2 內(nèi)蒙古草地模擬NPP與實測NPP的對比

1.3.3 年際變化趨勢計算 基于像元的一元線性回歸分析，模擬2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP的年際變化趨勢，其計算公式為：

(4)

式中：θslope表示年際趨勢變化率；n為監(jiān)測年數(shù)(n=16)，NPPi表示第i年的草地NPP。若θslope為負，則表示草地NPP下降，反之則表示草地NPP上升。采用F檢驗對草地NPP的年際變化趨勢進行顯著性檢驗，并將其結(jié)果劃分為6個變化等級。計算公式為：

(5)

1.3.4 與水熱因子相關(guān)性的計算 運用基于柵格像元的空間分析方法，計算內(nèi)蒙古草地NPP與水熱因子的偏相關(guān)性，計算公式[25]如下：

(6)

式中：Rxy·z代表x，y，z變量間的偏相關(guān)系數(shù)；Rxy，Rxz，Ryz表示草地NPP與溫度、降水量兩兩之間的簡單相關(guān)系數(shù)。

采用t檢驗對草地NPP與水熱因子的偏相關(guān)性進行檢驗，計算公式如下：

(7)

式中：n表示監(jiān)測年數(shù)(n=16)。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地NPP的空間分布格局

2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP呈由東北至西南逐漸遞減的總體分布格局(圖3)，且具有明顯的經(jīng)向地帶性和空間異質(zhì)性，其中東北部草原NPP最大，中部典型草原NPP次之，西部荒漠草原NPP最低。研究區(qū)16 a來草地NPP平均值介于0.55～788 g C/m2之間，年際平均值為343.46 g C/(m2·a)；年均NPP主要集中在100～400 g C/m2之間，占內(nèi)蒙古草地總面積的60%以上；年均NPP總量約為0.218 Pg C，16 a共計3.483 Pg C。

圖3 2001-2016年內(nèi)蒙古草地NPP平均空間分布

MCD12Q1產(chǎn)品采用IGBP分類系統(tǒng)將全球分成17種土地覆蓋類型，本研究將開放灌叢、森林草原、稀樹草原、草原和永久濕地合并為草地，各草地類型覆蓋面積比例分別為2.06%，4.14%，0.71%，93.08%，0.01%。不同草地類型的多年平均NPP有較大差異，各草地類型年際平均NPP依次為167.95，583.49，592.73，334.73，514.04 g C/m2。其中草原NPP(334.73 g C/m2)與草地NPP的年際平均值最吻合，森林草原、稀樹草原和永久濕地主要分布在東北部水熱條件較好的地帶，使得其草地生產(chǎn)力高于全區(qū)平均值。

2.2 草地NPP的時間變化特征

2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP總體呈波動上升趨勢(圖4)，從2001年(293.46 g C/m2)到2016年(379.63 g C/m2)增加了86.17 g C/m2，增幅為29.36%；2011年(253.71 g C/m2)出現(xiàn)明顯的波谷，2012—2014年出現(xiàn)明顯回升，且內(nèi)蒙古草地NPP于2012年達到最大值(410.05 g C/m2)。2011年與2012年內(nèi)蒙古草地NPP差異最大，處于兩個極端值，主要是因為2011年該區(qū)年均溫最低僅3.1℃，且年總降水量(301 mm)也小于平均水平，總體水熱條件較低；而2012年平均氣溫雖稍有上升，但年總降水量(441 mm)達到16 a最大，為內(nèi)蒙古草原植被的生長提供了充沛有利的水分條件，因而使得2012年該區(qū)草地NPP達到最大值。16 a來全區(qū)草地NPP在呼倫貝爾草原區(qū)、大興安嶺北段西側(cè)和松遼平原中部的森林草原區(qū)增長趨勢最為明顯；而西遼河平原草原區(qū)、大興安嶺南段草原區(qū)和內(nèi)蒙古東部草原減少趨勢最為明顯。

圖4 2001-2016年內(nèi)蒙古草地NPP年際變化

利用趨勢分析法對2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP年際變化趨勢進行分析(圖5)，全區(qū)草地NPP年平均值在253.71～410.05 g C/m2之間波動，大部分地區(qū)草地NPP呈增長趨勢，16 a平均增長率約為4.27 g C/(m2·a)。16 a草地NPP隨時間變化趨勢的顯著性檢驗結(jié)果(圖6)表明：草地NPP呈增長趨勢的面積為68.69萬km2，占內(nèi)蒙古草地總面積的79.26%；其中呈不顯著增加、顯著增加和極顯著增加的比例分別為58.60%，8.92%，11.74%；草地NPP呈減少趨勢的面積為17.97萬km2，占內(nèi)蒙古草地總面積的20.74%，其中呈不顯著減少、顯著減少和極顯著減少的比例分別為19.15%，0.92%，0.67%。

2.3 草地NPP與溫度的耦合關(guān)系

16 a間內(nèi)蒙古氣溫空間差異明顯，年均溫介于-3.50～9.89℃之間，且總體上呈現(xiàn)出由西南向東北方向逐漸遞減的趨勢(圖7)。內(nèi)蒙古草地NPP與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)為0.306，顯著性檢驗結(jié)果表明內(nèi)蒙古大部分地區(qū)草地NPP與年均溫呈不顯著相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全區(qū)草地NPP與年均溫呈極顯著正相關(guān)的草地面積為9.84萬km2，占草地總面積的11.35%，主要分布于大興安嶺北段山地草原區(qū)、松遼平原東部山前臺地和中部草原區(qū)；呈顯著正相關(guān)的草地面積為9.23萬km2，占草地總面積的10.65%。內(nèi)蒙古草地NPP與年均溫呈顯著負相關(guān)和極顯著負相關(guān)的草地共占0.013%，說明這兩類地區(qū)草地NPP隨年均溫升高而降低。從顯著性檢驗的分布結(jié)果(圖8)可以看出，67.59萬km2的草地NPP與年均溫呈不顯著相關(guān)，占全區(qū)草地總面積的77.99%，因此年均溫并不是影響內(nèi)蒙古草地NPP的主要氣候因子。

圖5 2001-2016年內(nèi)蒙古草地NPP年際趨勢變化

圖6 2001-2016年內(nèi)蒙古草地NPP顯著性檢驗

2.4 與年總降水量的耦合關(guān)系

2001—2016年內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)年總降水量(圖9)介于65.97～532.93 mm之間，年際平均值為329 mm。草地NPP與年總降水量的平均偏相關(guān)系數(shù)為0.622，顯著性檢驗結(jié)果表明內(nèi)蒙古大部分地區(qū)草地NPP與年總降水量呈顯著正相關(guān)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全區(qū)草地NPP與年總降水量呈極顯著正相關(guān)的草地面積為44.65萬km2，占草地總面積的51.52%，集中分布在松遼平原東部山前臺地草原、中部森林草原和東北部的大興安嶺北段山地草原等濕潤區(qū)(圖10)；呈顯著正相關(guān)的草地面積為19.44萬km2，其比例為22.43%。呈極顯著負相關(guān)和顯著負相關(guān)的草地面積比例之和為0.035%；呈不顯著相關(guān)的草地面積為22.55萬km2，其比例為26.02%，主要集中在西遼河平原草原區(qū)、鄂爾多斯草原區(qū)等半干旱區(qū)。因此，降水量是影響內(nèi)蒙古草地NPP的主要氣候因子。

圖8 內(nèi)蒙古草地NPP與年均溫的顯著性關(guān)系

圖9 2001-2016年內(nèi)蒙古平均年總降水量

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

3.1.1 內(nèi)蒙古草地NPP模擬結(jié)果對比 本研究利用基于光能利用率原理的CASA模型模擬內(nèi)蒙古草地NPP，得到2001—2016年的內(nèi)蒙古草地年際平均NPP為343.46 g C/(m2·a)。與以往研究對比發(fā)現(xiàn)，張峰等[26]對1982—2002年內(nèi)蒙古典型草原的年平均NPP估算值為290.23 g C/(m2·a)；龍慧靈等[27]對1982—2006年內(nèi)蒙古草原區(qū)NPP的估算平均值為299.8 g C/(m2·a)；穆少杰等[28]對2001—2010年內(nèi)蒙古草地平均NPP的估算值為281.3 g C/(m2·a)。以上研究均利用CASA模型對內(nèi)蒙古草地NPP進行模擬，但由于研究時段、模型參數(shù)設(shè)置、草地覆蓋分類數(shù)據(jù)來源的差異，王國成[29]、穆少杰[28]等將內(nèi)蒙古草地劃分為草甸草原、典型草原和荒漠草原3類，西部荒漠也被劃分為草地，而本研究將MCD12Q1產(chǎn)品重分類為與NRED(中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心)分類標準相對應(yīng)的6類，其中內(nèi)蒙古西北荒漠地區(qū)草地覆蓋較少，使得草地NPP模擬結(jié)果的平均值高于以往研究結(jié)果。除此之外，模型中輸入的氣象柵格數(shù)據(jù)是利用氣象站點的觀測值通過Kriging空間插值得到的，空間插值過程會造成一定的偏差，也會影響區(qū)域植被NPP的估算精度。

圖10 內(nèi)蒙古草地NPP與年總降水量的顯著性關(guān)系

3.1.2 水熱因子對內(nèi)蒙古草地NPP的影響 內(nèi)蒙古東北部草原區(qū)降雨量充沛，年均溫較高，草原植被長勢較好；而西部荒漠區(qū)水熱因子組合失衡，影響了草原植被的正常生長，引起牧草產(chǎn)量和質(zhì)量下降，在一定程度上導致荒漠草原退化。內(nèi)蒙古草地NPP與水熱因子的耦合關(guān)系分析結(jié)果表明：內(nèi)蒙古大部分地區(qū)草地NPP與年總降水量呈顯著正相關(guān)，而與年均溫呈無顯著相關(guān)，表明降水量是內(nèi)蒙古草地NPP的主要氣候限制因子，導致草地NPP總體上也呈現(xiàn)出由東北至西南逐漸遞減的空間分布格局。戴爾阜[30]、李剛[31]、趙軍[32]等研究表明，合理的水熱條件配置更有利于草原植被的生長，降水量是影響內(nèi)蒙古草地凈初級生產(chǎn)力的主要氣候限制因子，而草地NPP與溫度呈較弱的負相關(guān)。

3.2 結(jié) 論

在空間分布上，2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP總體呈現(xiàn)由東北至西南逐漸遞減的分布格局，且具有明顯的經(jīng)向地帶性和空間異質(zhì)性；草地年均NPP介于0.55～788 g C/m2之間，年際平均值為343.46 g C/(m2·a)，但主要集中在100～400 g C/m2，占內(nèi)蒙古草地總面積的60%以上；草地年均NPP總量約為0.218 Pg C，16 a共計3.483 Pg C。在年際趨勢變化上，16 a來內(nèi)蒙古草地NPP總體呈波動上升趨勢，從2001年(293.46 g C/m2)到2016年(379.63 g C/m2)增加了86.17 g C/m2，增幅為29.36%；全區(qū)草地NPP年平均值在253.71～410.05 g C/m2之間波動，大部分地區(qū)草地NPP呈增長趨勢，16 a平均增長率約為4.27 g C/(m2·a)。

西部荒漠區(qū)與東北部草原區(qū)相比，水熱條件明顯失衡，導致草原植被無法正常生長，引起草原荒漠化甚至呈退化狀態(tài)；而森林草原、稀樹草原和永久濕地主要分布在東北部水熱條件較好的地帶，使得其草地生產(chǎn)力高于全區(qū)平均值。且內(nèi)蒙古草地NPP在2011年(253.71 g C/m2)與2012年(410.05 g C/m2)處于兩個極端值，分析其水熱條件我們不難看出，在低溫情況下，降水量的大小更容易影響內(nèi)蒙古草原植被的生長。內(nèi)蒙古草地NPP與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)為0.306，與年總降水量的偏相關(guān)系數(shù)為0.622；大部分地區(qū)草地NPP與年總降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與年均溫無顯著相關(guān)。因而對內(nèi)蒙古草地NPP與水熱因子耦合關(guān)系分析可以得到：降水量是影響內(nèi)蒙古草地NPP的主要氣候因子。