黃河流域植被NPP時(shí)空變化特征分析

賀振，王珍，厲玲玲，賀俊平

(1.商丘師范學(xué)院環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南商丘 476000;2.商丘師范學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，河南商丘 476000)

0 引言

植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，簡稱NPP)是指植物在單位時(shí)間單位面積上由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分．NPP是調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，是衡量植物群落在自然環(huán)境條件下生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，并直接反映了生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化［1－2］．自20世紀(jì)60年代以來，各國學(xué)者非常重視NPP的研究，并對大量植被的NPP進(jìn)行了測定．目前，植被NPP在全球生態(tài)系統(tǒng)變化的研究中，已成為一項(xiàng)不可缺少的指標(biāo)及核心內(nèi)容，并在區(qū)域碳循環(huán)與碳擾動、土地利用變化、氣候變化等方面的研究中起到了重要作用［3－4］．毛德華等應(yīng)用逐像元線性回歸模型方法，估算了1982～2010年東北地區(qū)29a的NPP分布情況，結(jié)果表明，過去29 a間植被NPP呈顯著上升趨勢［5］．李登科等利用2000～2006年MOD17A3數(shù)據(jù)集定量分析了陜西省植被NPP的時(shí)空變化特征［6］．蔣蕊竹等應(yīng)用EOS/MODIS衛(wèi)星遙感資料，分析了2001～2006年黃河三角洲地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)NPP及NDVI時(shí)空變化特征［7］．吳紅等利用2008年瑪多縣TM影像數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，以光能利用率模型為基礎(chǔ)，反演了瑪多縣草地凈初級生產(chǎn)力［8］．張永領(lǐng)等基于EOS/MODIS遙感資料，利用CASA模型分析了西江流域陸地植被凈第一性生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征［9］．陳福軍等通過CASA模型，利用AVHRR的NDVI長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，模擬了1981～2008年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的時(shí)空變化，結(jié)果表明中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP總量在研究期間呈上升趨勢［10］．由此可見，NPP研究已成為目前了解陸地植被生產(chǎn)力和環(huán)境變化監(jiān)測的重要手段之一．近年來，雖然黃河流域的環(huán)境治理工作力度不斷加大，黃河生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了初步改善，但由于黃河流域獨(dú)特的地理環(huán)境以及在自然和人類生產(chǎn)活動的雙重影響下，流域生態(tài)環(huán)境依舊非常脆弱，已成為流域社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的障礙．因此，為詳細(xì)了解黃河流域陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，本文利用遙感數(shù)據(jù)分析了2000～2011年黃河流域NPP的動態(tài)變化和時(shí)空變異．研究成果對于該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評估、生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測等具有重要參考意義．

1 研究區(qū)概況

黃河流域橫貫中國東西，流經(jīng)9個(gè)省區(qū)，大部分區(qū)域位于中國西北部，介于96°～119°E，32°～42°N之間，東西長約1900 km，南北寬約1100 km．黃河流域地形地貌差別很大，從西到東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原4個(gè)地貌單元．流域東臨海洋，西居內(nèi)陸，氣候、降水、蒸發(fā)、光熱資源及無霜期等差異明顯．流域內(nèi)氣候大致可分為干旱、半干旱和半濕潤氣候，西部干旱，東部濕潤．由于黃河流域地理環(huán)境、氣候條件十分復(fù)雜，其人口、資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展一直是人們所關(guān)注的焦點(diǎn)．黃河流域植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境異常脆弱，已成為我國乃至世界水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)．因此，研究黃河流域植被NPP的時(shí)空變化對了解黃河流域生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義．

2 數(shù)據(jù)與方法

2．1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用數(shù)據(jù)為美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS(對地觀測系統(tǒng)/中分辨率成像光譜儀)提供的MOD17A3遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間跨度為2000～2011年，空間分辨率為1 km×1 km．MOD17A3是通過BIOME－BGC模型計(jì)算出的全球陸地植被凈初級生產(chǎn)力年際變化資料，是根據(jù)全年365 d每日光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量的加和減去全年自養(yǎng)呼吸后剩余的部分，稱為全年植被凈初級生產(chǎn)力．MOD17A3提供有質(zhì)量控制信息文件，用以檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量．目前，MOD17A3數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于植被生長狀況、生物量估測等研究領(lǐng)域．

2．2 研究方法

首先，應(yīng)用MOD17A3遙感影像計(jì)算了每年整個(gè)黃河流域NPP的平均值，代表當(dāng)年研究區(qū)陸地系統(tǒng)植被NPP的生產(chǎn)力，并分析了流域NPP的年際變化規(guī)律．其次，為了揭示流域陸地生態(tài)系統(tǒng)在研究期內(nèi)NPP的空間分布特征，逐像元計(jì)算了12 a NPP的平均值．最后，為了反映黃河流域NPP在12 a間的變化趨勢，利用趨勢線分析法對每一個(gè)像元的NPP變化進(jìn)行了分析，獲得了流域NPP的變化趨勢空間分布．趨勢線分析法能很好地模擬影像中每個(gè)柵格像元的變化趨勢，以反映不同時(shí)期NPP的變化趨勢．本文采用此方法來模擬2000～2011年黃河流域年NPP變化趨勢的空間分布．其計(jì)算公式為:

式中:k為2000～2011年的NPP回歸趨勢斜率，n為監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)的年數(shù)，本文中為12，NPPi為第i年像元的NPP值．某像元的趨勢線值就是這個(gè)像元的年NPP在12 a間用一元線性回歸模擬的一個(gè)總變化趨勢，這個(gè)趨勢并不是簡單的最后一年與第一年的連線．如果k＞0表明NPP值在時(shí)間段內(nèi)是增加的，反之呈減少趨勢．根據(jù)研究結(jié)果，本文將趨勢線斜率劃分為7個(gè)等級，分別對應(yīng)于不同的NPP變化性質(zhì)(表1)．

表1 NPP變化趨勢等級Tab．1 Change trend grade of NPP

3 結(jié)果分析

3．1 流域NPP年平均值變化

2000～2011年黃河流域植被NPP年際變化如圖1．由圖可知，12 a間NPP年平均值具有增加趨勢，從2000年的210．5 g C/(m2·a)增加到2011年的230．0 g C/(m2·a)．年均NPP最高的年份為2004年和2010年，分別為 256．7 g C/(m2·a)和 255．5 g C/(m2·a)，最低的為2001 年，平均值僅為 191．2 g C/(m2·a)．

圖1 2000～2011年黃河流域NPP年際變化Fig．1 The change of annual NPP from 2000 to 2011 in the Yellow River Basin

3．2 年均NPP空間分布特征

2000～2011年黃河流域植被12 a平均NPP空間分布格局如圖2．從圖中可以看出，由于受地形、植被、氣候以及長期的人類生產(chǎn)活動等因素的綜合影響，使得流域北部地區(qū)的黃土高原地區(qū)植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境較為脆弱．因此，黃河流域地區(qū)12 a平均NPP總體分布呈現(xiàn)出自北向南增加的態(tài)勢．12 a平均NPP變化范圍為4．5 ～ 1129．5 g C/(m2·a)，平均值為236．5 g C/(m2·a)，且主要集中在0 ～ 200 g C/(m2·a)和200～400 g C/(m2·a)之間，分別占研究區(qū)總面積的42．2% 和42．4%，而NPP范圍在400 g C/(m2·a)以上的區(qū)域僅占區(qū)域總面積的15．4%．

3．3 NPP空間變化趨勢

利用一元線性回歸分析方法(公式1)計(jì)算得到黃河流域植被NPP在12 a間的空間變化趨勢分布圖(圖3)，按變化斜率的范圍定義了7個(gè)變化等級，分別對應(yīng)于不同的NPP變化性質(zhì)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)了各變化等級的面積和所占百分率．由圖3和表2可知，2000～2011年黃河流域NPP整體均有所增加，NPP變化趨勢為增加的主要以輕微和中度增加為主，分別占流域總面積的40．26% 和14．56%;NPP基本不變的區(qū)域占流域總面積的38．37%;NPP變化趨勢為減少的主要以輕微減少為主，約占流域總面積的3．77%．總之，研究區(qū)NPP增加的面積遠(yuǎn)高于NPP減少的面積，其中NPP增加的總面積約占區(qū)域面積的57．3%，NPP減少的總面積約占區(qū)域面積的為4．4%．NPP的增加主要得益于近幾年來國家采取的各種措施，尤其是實(shí)施的退耕還林還草工程，不僅改善了黃河流域的生態(tài)環(huán)境，而且有效地減少了水土流失，使得流域植被生產(chǎn)力得到了較大提高．

圖2 2000～2011年黃河流域平均植被NPP分布Fig．2 Distribution of the average NPP from 2000 to 2011 in the Yellow River Basin

圖3 2000～2011年黃河流域NPP趨勢變化分布Fig．3 Distribution of annual NPP trend from 2000 to 2011 in the Yellow River Basin

表2 黃河流域NPP變化趨勢統(tǒng)計(jì)Tab．2 The statistics of NPP trend in the Yellow River Basin

4 結(jié) 語

本文基于EOS/MODIS衛(wèi)星遙感資料，分析了黃河流域植被在2000～2011年期間NPP的時(shí)空分布特征，主要結(jié)論如下:

(1)黃河流域植被年均NPP在2000～2011期間總體呈增加趨勢，從2000的210．5 g C/(m2·a)增加到2011年的230．0 g C/(m2·a)．年均NPP最高的年份為2004年和2010年，分別為256．7 g C/(m2·a)和255.5 g C/(m2·a)，最低的為 2001 年，值為191．2 g C/(m2·a)．

(2)黃河流域植被在12 a間平均NPP總體分布呈現(xiàn)出南部區(qū)域高于北部區(qū)域．12 a平均NPP變化范圍為4．5 ～ 1129．5 g C/(m2·a)，平均值為236．5 g C/(m2·a)，年均NPP主要集中在0 ～ 200 g C/(m2·a)和200～400 g C/(m2·a)之間，分別占研究區(qū)總面積的42．2% 和42．4%．

(3)黃河流域植被NPP在12 a間的空間變化整體為增加趨勢．其中，NPP變化趨勢為增加的主要以輕微增加和中度增加為主要，變化趨勢為減少的主要以輕微減少為主．其中NPP增加的總面積約占區(qū)域面積的57．3%，NPP減少的總面積約占區(qū)域面積的為4．4%．總之，研究區(qū)NPP增加的面積遠(yuǎn)高于NPP減少的面積．

［1］ Leith H，Whittaker R H．Primary production of the biosphere［M］．New York:Springer－Verlad Press，1975．

［2］ Field C B，Behrenfeld M J，Randerson J T，F(xiàn)alkowski P．Primary production of the biosphere:integrating terrestrial and oceanic components［J］．Science，1998，281(5374):237 －240．

［3］ Zhao M，Heinsch F A，Nemani R R，Running S W．Improvements of the MODIS terrestrial gross and net primary production global data set［J］．Remote Sens Environ，2005，95(2):164 －176．

［4］ Field C B，Behrenfeld M J，Randerson J T，F(xiàn)alkowski P．Primary production of the biosphere:integrating terrestrial and oceanic components［J］．Science，1998，281(5374):237 －240．

［5］ 毛德華，王宗明，韓佶興，任春穎．1982～2010年中國東北地區(qū)植被NPP時(shí)空格局及驅(qū)動因子分析［J］．地理科學(xué)，2012，32(09):1106－1111．

［6］ 李登科，范建忠，王娟．基于MOD17A3的陜西省植被NPP變化特征［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2011，30(12):2776－2782．

［7］ 蔣蕊竹，李秀啟，朱永安，張治國．基于MODIS黃河三角洲濕地NPP與NDVI相關(guān)性的時(shí)空變化特征［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(22):6708－6716．

［8］ 吳紅，安如，李曉雪，曲春梅，等．基于凈初級生產(chǎn)力變化的草地退化監(jiān)測研究［J］．草業(yè)科學(xué)，2011，28(04):536－542．

［9］ 張永領(lǐng)，郝成元．基于遙感和CASA模型的西江流域NPP時(shí)空分布特征研究［J］．水土保持研究，2010，17(05):101－104．

［10］ 陳福軍，沈彥俊，李倩，郭英，等．中國陸地生態(tài)系統(tǒng)近30年NPP時(shí)空變化研究［J］．地理科學(xué)，2011，31(11):1409－1414．