區(qū)域尺度下氣候因子的插值優(yōu)化及其與草地NPP的相關(guān)性

魏靖瓊，柳小妮，任正超，潘冬榮，王紅霞

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070；2.中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)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(tài)系統(tǒng)類型之一，而且對(duì)于畜牧業(yè)的發(fā)展、生物多樣性的維持、水土保持和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡有著重要的作用［3-4］。草地凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）指草地綠色植物在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)所積累的有機(jī)物數(shù)量，是由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量減去自養(yǎng)呼吸所消耗掉的有機(jī)物質(zhì)后剩余的部分，通常以干質(zhì)量表示［5-6］。NPP是草地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量運(yùn)轉(zhuǎn)研究的基礎(chǔ)，是草地植物與環(huán)境相互作用的綜合體現(xiàn)，直接反映草地在自然條件下的生產(chǎn)能力［7］，研究環(huán)境因子與草地生產(chǎn)力的關(guān)系，可揭示環(huán)境因子對(duì)草地生產(chǎn)力的影響機(jī)制［8-9］，對(duì)于合理開發(fā)、利用草地資源具有重要的理論和實(shí)際意義［10］。

在陸地-氣候相互作用研究中，有關(guān)植被對(duì)氣候響應(yīng)的研究是一個(gè)基礎(chǔ)性問題，氣候的季節(jié)變化是形成植被季節(jié)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(tài)系統(tǒng)演替最直接的氣候驅(qū)動(dòng)因子，也是影響草地NPP的關(guān)鍵因素，因此，溫度、降水是用來評(píng)估草地生態(tài)環(huán)境及生產(chǎn)力的指標(biāo)［12-14］。

在區(qū)域氣候條件模擬過程中，一般利用已知的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)其空間分布規(guī)律，將其進(jìn)行空間插值獲得未知站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，因此插值方法直接影響模擬的效果［15］，傳統(tǒng)的插值方法，對(duì)于氣象站點(diǎn)數(shù)量有限，站點(diǎn)稀疏地區(qū)的插值存在極大的局限性［16］。如何在氣象站點(diǎn)有限的情況下，提高溫度、降水空間模擬的精度，是廣大學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)［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(jīng)緯度、海拔），二是微觀地理因素（坡度、坡向、小地形形態(tài)、植被、土壤等）。將宏觀與微觀地理因素結(jié)合起來研究區(qū)域氣候的空間變化規(guī)律，是一種較為準(zhǔn)確的方法。通過加入宏觀地形的多元統(tǒng)計(jì)模型，并引入坡度、坡向進(jìn)行矯正，可消除常規(guī)統(tǒng)計(jì)模型在局部位置上的誤差［18-22］。張燕卿等［21］在對(duì)黃河流域積溫?cái)?shù)據(jù)柵格化時(shí)發(fā)現(xiàn)，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(duì)甘肅省的年積溫（Σθ）和年降水量（r）進(jìn)行插值，充分體現(xiàn)了地形因子（經(jīng)緯度和海拔），Σθ和r插值結(jié)果更接近實(shí)際。本研究在ArcGIS平臺(tái)上，以甘肅省為研究區(qū)域，利用優(yōu)化的插值方法——AMMRR進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)插值，并將野外調(diào)查的草地地上生物量數(shù)據(jù)，結(jié)合公式轉(zhuǎn)化為草地NPP，分析甘肅省草地NPP與氣候因子的相互關(guān)系，探討影響甘肅省草地植被生長的主動(dòng)力，以期為草地生態(tài)系統(tǒng)的合理利用和管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)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(qū)的交匯地帶，地形地貌復(fù)雜多變，屬于山地型高原地貌。地勢(shì)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(qū)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(diǎn)（圖1）。甘肅省屬溫帶大陸季風(fēng)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(qiáng)，年日照時(shí)數(shù)1 700～3 300h，自東南向西北增加；年均降水量36～800mm，地區(qū)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(shù)據(jù)來源及預(yù)處理 氣象數(shù)據(jù)：來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：／／cde.cma.gov.cn），數(shù)據(jù)時(shí)間序列為1996年1月-2005年12月，包括甘肅及周邊42個(gè)氣象站點(diǎn)的編號(hào)、站點(diǎn)名稱、月降水量（mm）、月平均溫度（℃）、經(jīng)緯度、海拔（m）等信息。原始數(shù)據(jù)格式為txt，轉(zhuǎn)化為Excel文件。

基礎(chǔ)圖件：甘肅省1∶1 000 000行政區(qū)劃圖，來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心。甘肅省DEM數(shù)據(jù)（分辨率90m），來源于國際農(nóng)業(yè)研究磋商小組下設(shè)的空間信息組織（CGIAR-CSI）（圖1）。在ArcMap平臺(tái)上將數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接、裁剪等預(yù)處理，然后提取甘肅省90m分辨率的經(jīng)緯度、坡度、坡向柵格數(shù)據(jù)及其回歸分析使用的點(diǎn)值數(shù)據(jù)。

生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：由農(nóng)業(yè)部草原監(jiān)理中心提供，包括2005年7月甘肅省154個(gè)草地樣方的地上生物量（風(fēng)干質(zhì)量）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 甘肅省草地地上生物量實(shí)測(cè)點(diǎn)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(qū)氣象站點(diǎn)分布較少，利用AMMRR［23］插值方法，并增加坡度、坡向兩個(gè)變量，進(jìn)行多元回歸，求算回歸系數(shù)，模擬回歸柵格面，并與原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(yùn)算，制作相應(yīng)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(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為草地 NPP值［26-27］，

式中，NPP為草地凈初級(jí)生產(chǎn)力（以C計(jì)），單位g·m-2；Sbn為草地干物質(zhì)量轉(zhuǎn)化為NPP的轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位g·g-1，取值為0.475［28］；Bg為草地單位面積干物質(zhì)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(shù)［26］。不同草地類型地下與地上生物量比例系數(shù)［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(shù)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(guān)性分析 草地NPP與氣候關(guān)系密切，溫度與降水的時(shí)空分布格局對(duì)草地NPP具有重要的影響，不同的水熱組合對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的效應(yīng)不同［29］。侯英雨等［30］對(duì)中國陸地植被NPP對(duì)氣候響應(yīng)的研究表明，不同季節(jié)，氣候因子對(duì)NPP的影響機(jī)制不同。年降水量的季節(jié)分布不均，尤其是生長季的水熱組合對(duì)植物的生長至關(guān)重要。因此，本研究提取草地生物量實(shí)測(cè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1996-2005年10年平均年均溫、年降水量、季節(jié)平均溫度、季節(jié)降水量以及生長季（4-7月）的平均溫度和降水量，利用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，實(shí)現(xiàn)氣候因子與草地NPP在年份、生長季和季節(jié)3個(gè)時(shí)間水平上的相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(qū)域所處的氣候分區(qū)有很大差異［31］。年均溫受地形影響較大，高溫區(qū)集中在隴南山地（地理學(xué)上屬于暖溫帶和亞熱帶）（圖2）。祁連山地、甘南高原為低溫區(qū)，北山山區(qū)也有一定的低溫區(qū)。溫度由盆地―河谷―高山―高原遞減，最低值出現(xiàn)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(qū)年均溫5～15℃，部分區(qū)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(shí)受局部地形地貌的影響，時(shí)空變異性較強(qiáng)（圖2）。降水量在甘南高原、隴南山地、平?jīng)瞿喜糠植驾^多，而北山山地、河西走廊等地區(qū)降水較少。濕潤區(qū)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(qū)域、隴南山地、平?jīng)龅貐^(qū)東南部降水量500～600mm，屬于半濕潤區(qū)；隴中黃土高原南部及烏鞘嶺的局部區(qū)域降水量400～500mm，半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)都有分布；隴中黃土高原的北部以及祁連山部分地區(qū)降水量300～400mm，屬于半干旱區(qū)；祁連山地、河西走廊部分地區(qū)降水量200～300mm，降水量低于200mm的區(qū)域分布在河西走廊及其北山山地，都屬于干旱區(qū)。這與張旭東等［32］的研究結(jié)果基本一致。

2.2 草地NPP對(duì)氣候的響應(yīng) 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(fù)相關(guān)（P＜0.01），與冬季平均溫度呈正相關(guān)，但不顯著（P＞0.05）（表2）。說明干旱、半干旱地區(qū)，溫度的升高會(huì)抑制草地植被的光合作用，導(dǎo)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(xiàn)小幅度的增加。草地NPP與不同時(shí)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(guān)，而且草地NPP與降水量的相關(guān)性明顯高于溫度，說明降水量的增加能一定程度上促進(jìn)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(qū)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(guān)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(duì)草地NPP影響有所不同。降水通過影響土壤水分的有效性，進(jìn)而影響植被生長［33］。增溫使蒸散加強(qiáng)，土壤變干，因而降低光合速率，使生產(chǎn)力下降，在干旱半干旱地區(qū)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(duì)氣候變化的響應(yīng)也證明了這一觀點(diǎn)。

3 討論與結(jié)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(diǎn)數(shù)據(jù)稀少所帶來的難題，通常是增加一些輔助信息，如利用經(jīng)緯度、海拔高度、地形地貌和溫度、降水量的相關(guān)性，進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)，提高插值精度。

由于溫度、降水量數(shù)據(jù)具有復(fù)雜多變的時(shí)空特征，王智等［37］利用氣象數(shù)據(jù)與地理信息（經(jīng)緯度、高程、坡度、坡向等）的相關(guān)性，且通過增設(shè)模擬站點(diǎn)，并采用復(fù)二次徑向插值方法（MRBF）對(duì)新疆多年平均降水量進(jìn)行空間模擬，得到的降水量空間插值結(jié)果精度較高。劉新安等［38］將地理因子和空間插值結(jié)合起來將中國區(qū)域的氣候要素柵格化，模擬精度較高。宏觀、微觀地形對(duì)溫度、降水的影響很大，將地形因子與空間插值方法相結(jié)合不僅能整體反映氣候隨經(jīng)緯度的變化趨勢(shì)，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(fù)雜多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯(cuò)分布，地形起伏較大，水熱條件分布不均勻，利用傳統(tǒng)的插值方法只能簡單的對(duì)平面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)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(jīng)緯度、海拔），消除了地形對(duì)氣候空間分布格局的影響，能夠反映局部地區(qū)的氣候變化，相對(duì)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(shí)際情況。但郭婧等［40］利用AMMRR的模擬結(jié)果中，由于使用的DEM數(shù)據(jù)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(huán)境因子的共同作用而變得復(fù)雜，所以氣候因子隨微環(huán)境因子變化而變化的趨勢(shì)仍沒有很好地體現(xiàn)。因此，本研究增加了坡度和坡向這兩個(gè)微觀地理因子，并利用90m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)甘肅省的氣候因子進(jìn)行模擬研究。

AMMRR插值結(jié)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(duì)甘肅省多年7月的月均溫的插值研究結(jié)果基本一致。隨著經(jīng)度、緯度、海拔高度的增加，甘肅省年均溫逐漸減小，同時(shí)受地形影響較大，特別在地形起伏大的區(qū)域，盆地、河谷地區(qū)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(shì)平坦也有一部分區(qū)域溫度較高，渭河、隴南的白龍江一線溫度相對(duì)較高，在隴南山地的南部，溫度具有明顯的地形特點(diǎn)；甘南高原、祁連山地、北山山地部分區(qū)域由于海拔較高為溫度的低值區(qū)。

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(chǔ)少林等［43］對(duì)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(shì)。由AMMRR插值結(jié)果可知，甘肅省降水量高值區(qū)位于甘南高原，低值區(qū)位于河西走廊、北山山地。隴南地區(qū)降水較高，但其中有一個(gè)相對(duì)于周圍降水量降低的區(qū)域，是青藏高原外圍降水量分布較少的一個(gè)區(qū)域。在烏鞘嶺部分地區(qū)，降水量相對(duì)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(fēng)到達(dá)的最西段。張強(qiáng)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(qū)域的降水量，在海拔較高的地區(qū)降水量有增加的趨勢(shì)。張旭東等［32］對(duì)甘肅省多年平均降水量的模擬發(fā)現(xiàn)，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(qū)的較低；河西走廊、北山山地降水量較低；最小值出現(xiàn)在金塔、玉門、敦煌，在北山以西有一個(gè)相對(duì)高值區(qū)，與本研究結(jié)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(qū)域?qū)邓哪M真實(shí)性較IDW、OK和CK法高，但總體看，利用IDW、OK、CK和AMMRR法進(jìn)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(gè)微觀地理因子后，對(duì)甘肅省的降水量模擬結(jié)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(qū)，而傳統(tǒng)的AMMRR法模擬結(jié)果顯示，該部分區(qū)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(xiàn)了降水量在微環(huán)境空間上的分布特征，插值結(jié)果更接近實(shí)際。

3.2 甘肅省草地NPP對(duì)氣候因子的響應(yīng) 在中國區(qū)域，隨著季節(jié)和地理位置不同，NPP對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)機(jī)制也不同，特別是干旱區(qū)、半干旱區(qū)，草地生產(chǎn)力與水分關(guān)系更為密切［13，45］。甘肅地處干旱、半干旱地區(qū)，土壤水分是影響草地生長最重要的因子。氣候變化對(duì)草地的影響較復(fù)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(huì)影響植物的生長［8］。本研究對(duì)氣候與甘肅省草地NPP相關(guān)性分析的結(jié)果表明，相對(duì)于溫度，甘肅省草地NPP對(duì)降水量的多寡響應(yīng)更敏感，降水量的變化才是影響甘肅省草地NPP分布的關(guān)鍵氣候因素之一，這與許多研究結(jié)果相一致［34-36，46-48］。如，典型草原區(qū)各地草地地上生物量與多年年均溫存在顯著負(fù)相關(guān)，而與年降水量存在顯著正相關(guān)［34］。

水分在植被返青及生長季節(jié)對(duì)植物的生長起著關(guān)鍵作用，因此春季及生長季節(jié)的降水量與甘肅省草地NPP呈極顯著正相關(guān)，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(guān)。因?yàn)橄募尽⑶锛窘邓康脑黾?，能夠改善土壤水分供給條件，增強(qiáng)光合速率，從而提高生產(chǎn)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(fù)相關(guān)，這主要是因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致地面蒸發(fā)量增大，造成水分供應(yīng)不足，進(jìn)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(guān)，但不顯著，即弱正相關(guān)性。這是因?yàn)槎局参锿Ｖ股L，進(jìn)入休眠，這個(gè)階段氣候的變化對(duì)植物的影響不大，但溫度過低、水分過少均會(huì)影響植物的越冬率［30］。

草地生態(tài)系統(tǒng)NPP的積累是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，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(duì)水熱條件的再分配。因此，精確模擬水熱條件在時(shí)空格局上的分布狀況，對(duì)于理解草地NPP的積累機(jī)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(qū)域尺度上更多受到人類活動(dòng)的影響（放牧、道路、文化、土地利用方式等）。如何在長時(shí)間序列上將自然條件和人為因子進(jìn)行耦合作為一個(gè)整體參與到草地NPP的研究中，對(duì)于更加清楚、詳細(xì)地理解草地NPP的積累過程有重要的意義。

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