三江源生態(tài)系統(tǒng)近10年凈初級(jí)生產(chǎn)力估測(cè)

張穎　陳懷艷++李建龍

摘 要：為揭示三江源地區(qū)近10年來生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的演變規(guī)律，借助研究區(qū)域的氣溫、降水等氣象數(shù)據(jù)及MODIS遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用CASA模型估算了三江源生態(tài)系統(tǒng)2001—2010年間的NPP，分析了NPP的時(shí)空變化格局。結(jié)果表明： 2001—2010年間三江源生態(tài)系統(tǒng)NPP呈現(xiàn)由西北向東南逐漸遞增的趨勢(shì)，10年平均NPP為169.02 g·m-2·a-1，變化范圍為159.53～176.25 g·m-2·a-1；10年來三江源草地NPP呈減少趨勢(shì)，減少速度為0.69 g·m-2·a-1，減幅為4.77%。研究結(jié)果可以為三江源地區(qū)生態(tài)資源的有效管理與合理利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三江源生態(tài)系統(tǒng)；凈初級(jí)生產(chǎn)力；CASA；NPP時(shí)空動(dòng)態(tài)

中圖分類號(hào)：Q147 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.10.006

Quantitative Estimation for Net Primary Productivity of Three-Rivers Source Ecosystem in Recently 10 Years

ZHANG Ying， CHEN Huai-yan， LI Jian-long

（School of Life Science， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210093， China）

Abstract：To reveal Spatio-temporal dynamic of net primary productivity in Three-River source during recently 10 years， based on MODIS-NDVI data， and meteorological data， spatiotemporal changes of the NPP of Three-River source was simulated using CASA model. The results showed that average annual NPP from 2001 to 2010 was 169.02 g·m-2·a-1 in the study area， exhibiting decrease trend from southeast to northwest. During 2001 to 2010， temporal NPP showed a no significant increase of 0.69 g·m-2·a-1 ， ranging from 159.53 to 176.25 g·m-2·a-1. This study could provide a theoretical basis for the management and rational utilization of ecological resources in Three-Rivers source region.

Key words： ecosystem of Three-Rivers source； net primary productivity； CASA； spatiotemporal dynamics of NPP

三江源位處我國(guó)青藏高原的腹地，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，素有“中華水塔”之稱[1]。該區(qū)對(duì)氣候變化敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國(guó)最重要的生態(tài)功能區(qū)之一。近年來有不少學(xué)者借助遙感數(shù)據(jù)模擬的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）來開展植被退化研究[2-5]。NPP指單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上植被所積累的有機(jī)干物質(zhì)的總和，是光合作用所吸收的碳和自養(yǎng)呼吸所消耗的碳之間的差值[6]。植被生產(chǎn)力下降是植被退化的重要表現(xiàn)，而NPP是反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)中植被生產(chǎn)力狀況的一個(gè)重要指標(biāo)[7]。

本研究借助2001—2010年間三江源地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，采用CASA模型對(duì)三江源草地凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行估算，并分析其時(shí)空分布動(dòng)態(tài)，旨在揭示三江源草地NPP的演變規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)三江源地區(qū)生態(tài)資源的有效管理與合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于青海省南部，地理位置處于31°39′～36°12′N、89°45′～102°23′E之間。源區(qū)總面積為30.25萬km2，平均海拔4 400 m左右。該區(qū)為典型的高原大陸性氣候[7]，冷熱兩季交替，干濕兩季分明。全年平均氣溫-5.6～3.8 ℃，年平均降水量為262.2～772.8 mm，植被生長(zhǎng)季為5—9月。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用2001—2010年的三江源及其周邊50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的月平均溫度和月降水量等資料，數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（網(wǎng)址：http：//cdc.cma.gov.cn）。根據(jù)各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，選用Kriging空間插值方法，獲取與NDVI數(shù)據(jù)統(tǒng)一像元和投影的氣象數(shù)據(jù)柵格圖層。通過ArcGIS10.0的掩膜剪裁工具，剪取三江源地區(qū)月平均溫度、月降水量及太陽總輻射的柵格圖層。

1.3 遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)采用MODIS影像，2001—2010年MODIS/Aqua NDVI—Monthly—L3，分辨率250 m，數(shù)據(jù)來自于https：//wist.echo.nasa.gov/api/。對(duì)原始數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換，空間拼接和重采樣，并采用最大合成法（MVC）得到月NDVI數(shù)據(jù)，最后剪取三江源地區(qū)2001—2010逐月NDVI的柵格圖層。

1.4 方 法

1.4.1 NPP的估算 CASA （Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型是一種光能利用率模型，模型通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提供的NDVI來估算太陽輻射中被植被吸收的光合有效輻射 （APAR），并結(jié)合植被對(duì)太陽光能的利用效率 （ε） 來模擬植被干物質(zhì)的增加量（NPP）。其公式如下：

式中，APAR （x， t）為單個(gè)像元x在t月份的光合有效輻射，ε （x， t）表示單個(gè)像元x在t月份的實(shí)際光能利用率，兩者的具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[7]。

1.4.2 NPP年季變化率的計(jì)算 筆者采用年季變化率來逐像元地分析2001—2010年間的三江源植被NPP的時(shí)間變化規(guī)律，年際變化率用一元線性回歸方程的趨勢(shì)線斜率來表示，應(yīng)用最小二乘法求得，公式如下：

式中，θslope為NPP年季變化率，n為研究時(shí)段的年數(shù)，NPPi為第i年的植被NPP，θslope為正數(shù)表示NPP上升，為負(fù)則表示NPP下降。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果驗(yàn)證

不同模型模擬的植被NPP值往往存在較大差異，因此，文本選擇與本研究具有相同或相似研究區(qū)域，并同樣應(yīng)用CASA模型的前人研究結(jié)果[9-11]與本文結(jié)果進(jìn)行了比較（表1），對(duì)比結(jié)果顯示，本研究結(jié)果與其它研究結(jié)果非常接近，具有較高的可靠性。

2.2 NPP空間分布特征

從三江源整個(gè)區(qū)域來看（圖2），植被NPP空間分布呈現(xiàn)出較大的差異。2001—2010年間三江源全區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的均值為169.02 g·m-2·a-1，呈現(xiàn)由東南向西北遞減的分布特征。在100°E以東的澤庫、河南、瑪沁、同德、久治、班瑪?shù)瓤h，以及32.5°N以南的玉樹縣、囊謙縣的NPP值較高，大多在250～350 g·m-2·a-1，個(gè)別地區(qū)如班碼縣和囊謙縣的南端，NPP可達(dá)350 g·m-2·a-1以上。

2.3 NPP時(shí)間變化特征

2001—2010年三江源區(qū)NPP月季變化如圖3a所示，全年的植被NPP集中在5—9月份，占全年NPP的77.75%，在7月達(dá)到最高（37.59 g·m-2·a-1）。

2001—2010年三江源植被NPP總量年際變化如圖3b所示。由圖3可知，10年間NPP年總量具有減少的趨勢(shì)，從2001年的168.40 g·m-2·a-1，減少到2010年的g·m-2·a-1，減幅為4.77%，速度為-0.69 g·m-2·a-1，但顯著性水平P=0.282，說明該趨勢(shì)并不顯著。NPP最高年份為2006年，達(dá)到176.25 g·m-2·a-1，最低的是2008年，為159.53 g·m-2·a-1，波動(dòng)范圍為4.28%～5.61%。

2001—2010年三江源植被年均NPP變化趨勢(shì)（圖4）顯示，三江源NPP年際變化率存在著明顯的地域差異，NPP增長(zhǎng)速度較快的地區(qū)主要分布在興海、同德、庫澤縣的北緣，及曲麻萊和治多縣的部分地區(qū)；NPP快速減少的地區(qū)分布在南部的囊謙、玉樹、稱多縣，以及興海、同德、瑪沁三縣交匯處。占全區(qū)面積59.03%的區(qū)域的NPP呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

氣候變化尤其是降水量和溫度的變化，對(duì)于陸地植被的生長(zhǎng)有著重要的影響。三江源地區(qū)總體處于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，低溫是植被NPP主要的限制性氣候因子。近數(shù)十年來，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，三江源地區(qū)有顯著的變暖趨勢(shì)[8]，升溫趨勢(shì)有利于三江源植被的恢復(fù)[12]。除氣候因子外，人類活動(dòng)也是影響植被NPP的重要因素，從2001—2010年的三江源NPP的模擬結(jié)果看，半數(shù)以上地區(qū)的植被呈現(xiàn)出退化趨勢(shì)，尤其是三江源東部及南部地區(qū)NPP下降比較明顯的地區(qū)，也是三江源人口密度較大的地區(qū)。

近年來，國(guó)家在三江源開展的一系列生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目和工程建設(shè)，雖然在部分地區(qū)植被恢復(fù)取得一定的成績(jī)[9， 13-16]，但整體來看依然任重而道遠(yuǎn)。應(yīng)該繼續(xù)加大草地保護(hù)力度，促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境盡快恢復(fù)。尤其對(duì)于三江源東部及南部人口密度較大的地區(qū)，如何解決人地矛盾，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展是亟需解決的問題。

3 結(jié) 論

3.1 三江源植被生態(tài)系統(tǒng)NPP空間格局

2001—2010年三江源植被多年平均NPP為169.02 g·m-2·a-1，空間分布呈現(xiàn)由東南向西北遞減的特征。經(jīng)驗(yàn)證，模擬結(jié)果可靠。

3.2 三江源植被生態(tài)系統(tǒng)NPP時(shí)間格局

全年的植被NPP集中在5—9月份，占全年NPP的77.75%，在7月達(dá)到最高。2001—2010年間，三江源草地NPP呈微弱的減少趨勢(shì)， 減幅為4.77%，減少速度為-0.69 g·m-2·a-1，波動(dòng)范圍為4.28%～-5.61%。占全區(qū)面積59.03%的區(qū)域的NPP呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，三江源東部及南部地區(qū)NPP下降比較顯著的地區(qū)。應(yīng)該繼續(xù)加大對(duì)三江源的生態(tài)保護(hù)力度，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境盡快恢復(fù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任繼周， 林慧龍. 江河源區(qū)草地生態(tài)建設(shè)構(gòu)想[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（2）：1-8.

[2] 姜立鵬，覃志豪， 謝雯. 基于單時(shí)相MODIS數(shù)據(jù)的草地退化遙感監(jiān)測(cè)研究[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào)，2007，29（1）：39-43.

[3] 李云鵬，娜日蘇，劉朋濤，等.呼倫貝爾草原退化遙感監(jiān)測(cè)與氣候成因[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2006（S3）：56-61.

[4] ZHANG Cai-xia，WANG Xun-ming，LI Jin-chang，et al. Roles of climate changes and human interventions in land degradation： A case study by net primary productivity analysis in China's Shiyanghe Basin[J]. Environmental Earth Sciences，2011，64（8）：2 183-2 193.

[5] 穆少杰，李建龍，周偉，等. 2001—2010年內(nèi)蒙古植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空格局及其與氣候的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2013，33（12）：3 752-3 764.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 張錦水. 中國(guó)陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李國(guó)勝，等. 青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化[J].地理學(xué)報(bào)，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 張鐿鋰，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地凈初級(jí)生產(chǎn)力 （NPP） 時(shí)空分異[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，F(xiàn)ang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨戀，鄭有飛，王云龍，等. 利用改進(jìn)的CASA模型分析三江源區(qū)凈植被生產(chǎn)力[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，楊東，王慧，等. 1960—2011年三江源地區(qū)氣候變化及其對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝發(fā)， 容旭翔. 青海省退牧還草工程與思考[J].青海草業(yè)，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，劉紀(jì)遠(yuǎn)， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保護(hù)區(qū)植被生產(chǎn)力變化模擬[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11（5）：557-565.

[15] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴， 樊江文. 三江源生態(tài)工程的生態(tài)成效評(píng)估與啟示[J].自然雜志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，劉紀(jì)遠(yuǎn)，黃麟，等. 2005—2009年三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程生態(tài)成效綜合評(píng)估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 張錦水. 中國(guó)陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李國(guó)勝，等. 青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化[J].地理學(xué)報(bào)，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 張鐿鋰，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地凈初級(jí)生產(chǎn)力 （NPP） 時(shí)空分異[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，F(xiàn)ang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨戀，鄭有飛，王云龍，等. 利用改進(jìn)的CASA模型分析三江源區(qū)凈植被生產(chǎn)力[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，楊東，王慧，等. 1960—2011年三江源地區(qū)氣候變化及其對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝發(fā)， 容旭翔. 青海省退牧還草工程與思考[J].青海草業(yè)，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，劉紀(jì)遠(yuǎn)， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保護(hù)區(qū)植被生產(chǎn)力變化模擬[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11（5）：557-565.

[15] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴， 樊江文. 三江源生態(tài)工程的生態(tài)成效評(píng)估與啟示[J].自然雜志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，劉紀(jì)遠(yuǎn)，黃麟，等. 2005—2009年三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程生態(tài)成效綜合評(píng)估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 張錦水. 中國(guó)陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李國(guó)勝，等. 青海三江源地區(qū)近50年來的氣溫變化[J].地理學(xué)報(bào)，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 張鐿鋰，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地凈初級(jí)生產(chǎn)力 （NPP） 時(shí)空分異[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，F(xiàn)ang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨戀，鄭有飛，王云龍，等. 利用改進(jìn)的CASA模型分析三江源區(qū)凈植被生產(chǎn)力[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，楊東，王慧，等. 1960—2011年三江源地區(qū)氣候變化及其對(duì)氣候生產(chǎn)力的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝發(fā)， 容旭翔. 青海省退牧還草工程與思考[J].青海草業(yè)，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，劉紀(jì)遠(yuǎn)， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保護(hù)區(qū)植被生產(chǎn)力變化模擬[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11（5）：557-565.

[15] 劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴， 樊江文. 三江源生態(tài)工程的生態(tài)成效評(píng)估與啟示[J].自然雜志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，劉紀(jì)遠(yuǎn)，黃麟，等. 2005—2009年三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)工程生態(tài)成效綜合評(píng)估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.