近10年榆林市植被凈初級生產(chǎn)力時空分異特征

周淑琴，李娜，荊耀棟，張青峰，田曉紅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801；2.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌032300）

近10年榆林市植被凈初級生產(chǎn)力時空分異特征

周淑琴1，2，李娜1，荊耀棟1，張青峰2，田曉紅1

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801；2.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌032300）

針對榆林市生態(tài)環(huán)境脆弱，植被凈初級生產(chǎn)力分布及變化對其影響較大的問題，利用2000年、2005年和2010年的NPP數(shù)據(jù)，采用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣及GIS空間分析功能，揭示榆林市NPP的時空變化特征。結果表明：（1）榆林市NPP空間分布由西北向東南逐漸遞增。（2）2000年～2010年NPP呈顯著上升趨勢：2000年～2005年NPP升高區(qū)域95.03%，增幅大于300gC／（m2·a）的占47.22%，主要分布在榆林市最北端和南部地區(qū)；2005年～2010年NPP升高區(qū)域面積93.96%，增幅大于300gC／（m2·a）的占54.10%，集中在東南大部分地區(qū)。（3）榆林市NPP增加的主要因素是1999年以來該區(qū)采取的多項植被恢復與重建工程等措施，植被覆蓋度增加。

NPP；GIS；馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣；疊置空間分析；榆林市

0 引 言

植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位時間、單位面積內(nèi)積累的有機物數(shù)量，是植被單位時間和單位面積內(nèi)光合作用產(chǎn)生的有機總量（GPP）減去自養(yǎng)呼吸的剩余部分［1］。分析NPP空間分異特征對動態(tài)監(jiān)測植被生產(chǎn)力變化、合理開發(fā)植物資源和估算土地人口承載力具有參考價值，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、溫室效應的減緩和全球氣候穩(wěn)定等全球變化等熱點問題研究方面具有重要意義［2］。

榆林市位于西北典型農(nóng)牧過渡區(qū)，生態(tài)上具有顯著脆弱生境特征和演化規(guī)律，同時礦產(chǎn)資源豐富，是我國煤炭、天然氣、石油及鹽巖等資源高度富集區(qū)［3］。而市區(qū)西北為毛烏素沙地東南緣，NPP時空變化研究可有效分析和總結該地區(qū)植被生產(chǎn)力變化，生態(tài)環(huán)境變化以及土地沙漠化的發(fā)展，把握其經(jīng)濟社會快速發(fā)展時期的植被生產(chǎn)力變化規(guī)律［4］。

已有文獻中，莫宏偉利用榆陽區(qū)1984年～2003年糧食產(chǎn)量估算NPP并分析變化趨勢［5］；郝慧梅基于3S對榆林NPP進行估算并分析其時空差異［6］；孫舒應用CASA模型、結合遙感和氣象數(shù)據(jù)估算2010年7月飛播林NPP［7］；張艷芳采用NDVI等指數(shù)，結合CASA模型分析2005年～2009年榆林市NPP變化趨勢［8］。本文NPP數(shù)據(jù)由NASA對地觀測系統(tǒng)（EOS）提供，在GIS軟件中利用圖像疊加和轉(zhuǎn)移矩陣的方法對榆林市2000年～2010年NPP時空變化分析，掌握榆林市NPP時空分布特征及變化為該區(qū)植被恢復與重建提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省北部，36°57′N～39°35′N，107°28′E～111°15′E，屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，溫差較大，降水量小，無霜期短，日照充足，夏季悶熱短促，冬季漫長干冷。該區(qū)地處陜北黃土高原和毛烏素沙地交界處，從東南向西北干燥度漸增，植被也從森林草原向干草原、荒漠草原過渡，因北部沙土入侵，灘地星羅棋布于其中；南部水土流失和過度墾、牧、樵，非地帶性的鹽生、沙生、沼澤、草甸植被成為主體。

圖1 榆林市行政區(qū)劃

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

（1）數(shù)據(jù)源

文中NPP數(shù)據(jù)來源于MOD17的MODIS項目提供的地球表面土地上的總／凈初級生產(chǎn)力（GPP／NPP）。MOD17是NASA地球觀測系統(tǒng)監(jiān)測植被生產(chǎn)力在全球范圍內(nèi)的第一顆衛(wèi)星，輸出數(shù)據(jù)用于自然資源和土地管理、全球碳循環(huán)分析、生態(tài)狀況評估和環(huán)境變化監(jiān)測。選取2000年、2005年和2010年的NPP年數(shù)據(jù)，空間分辨率1km。NPP單位gC／（m2·a），每年、每平方米植被所產(chǎn)生的除去其自養(yǎng)呼吸剩余的有機物干重，以克為單位。等間隔選取數(shù)據(jù)利于突出植被凈初級生產(chǎn)力的時空變化特征，直觀體現(xiàn)變化趨勢。輔助數(shù)據(jù)有行政區(qū)劃圖以及榆林市統(tǒng)計年鑒等。

（2）數(shù)據(jù)預處理

研究數(shù)據(jù)采用WGS＿84坐標系，橫軸墨卡托投影系統(tǒng)。在ENVI支持下，對NPP數(shù)據(jù)進行幾何校正和坐標系變換，通過鑲嵌、配準及裁剪獲取2000年、2005年和2010年的NPP數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

（1）NPP特征值比較與分級

研究區(qū)NPP最小值、最大值及年均值在一定程度上表現(xiàn)NPP整體分布情況，比較不同年份的數(shù)值變化，能反映NPP變化趨勢。NPP的動態(tài)變化范圍較大，根據(jù)NPP數(shù)值空間分布特點，兼顧榆林市土地利用類型，結合像元頻度分布，將NPP劃分為6個等級（表1）。

（2）時空變化分析

將榆林市NPP空間分布可視化，以分析NPP空間分布格局。為直觀顯示NPP發(fā)生變化的區(qū)域及其程度，在ArcGIS軟件中將2005年和2000年與2010年和2005年的NPP圖像進行疊加相減，制作榆林市2000到2010年NPP空間變化專題圖，反映NPP變化特征。

（3）轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣模型用于反映區(qū)域NPP等級變化的結構特征及NPP變化方向，該方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與形態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述［9－11］。轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學形式為：

表1 榆林市NPP分級／gC／（m2·a）

其中，S為面積；n為NPP等級數(shù)；i，j分別為研究初期與末期的NPP等級［12］。榆林市NPP等級轉(zhuǎn)移矩陣用二維表表示，從中可查找各類NPP之間的相互轉(zhuǎn)化關系。表中對角線表示NPP等級未發(fā)生變化的面積，對角線右上角NPP等級升高的面積，對角線左下角NPP等級降低的面積。

2 結果與分析

2.1 2000年～2010年研究區(qū)NPP特征值變化分析

榆林市NPP變化范圍較大（圖2），2000年、2005年和2010年NPP全區(qū)最大值分別為3225.45gC／（m2·a）、3421.33gC／（m2·a）和3191.28gC／（m2·a）。NPP各年最小值、最大值和年均值均呈增長態(tài)勢，2000年～2010年，最小值增加速度為42.31gC／（m2·a），平均值增速為64.40gC／（m2·a），最大值增速為38.91gC／（m2·a）。NPP均值增速最大。榆林市最小值、最大值以及平均值變化表明，2000年～2010年榆林市NPP顯著升高。

圖2 2000年～2010年榆林市NPP最小值、均值和最大值級像元數(shù)

2.2 2000年～2010年研究區(qū)NPP特征分析

（1）研究區(qū)NPP分布特征

2000年、2005年和2010年榆林市各等級NPP差異顯著（圖3）。2000年Ⅰ級NPP分布最廣，面積約為全區(qū)的69.28%，其他等級的面積隨等級增高而減小。2010年Ⅵ級NPP分布最廣，面積約為全區(qū)的66.24%，它等級的面積普遍較小。2005年各等級NPP分布較均衡，面積比例均介于15.80%～18.01%之間。5年間各等級NPP變化中，Ⅰ級和Ⅵ級的面積變化顯著，Ⅰ級NPP面積持續(xù)減少，速率為2791.28km2／a；Ⅵ級顯著增加，增速為2712.45km2／a，其他等級面積比例變化均先增后減，幅度較小。

圖3 2000年～2010年榆林市NPP等級組成比例

（2）研究區(qū)不同等級NPP空間分布特征

2000年、2005年和2010年榆林市各等級NPP分布見圖4。整體上來看，榆林市NPP空間分布由東北向西南逐步遞減。2000年榆林市Ⅰ級NPP覆蓋全市大部分區(qū)域，Ⅱ級呈片狀間斷分布，Ⅲ級及以上NPP零星分布。2005年Ⅰ級NPP范圍縮小到西北少數(shù)地區(qū)，Ⅴ級和Ⅵ級NPP分布范圍明顯擴大，集中分布在東南地區(qū)，Ⅱ級、Ⅲ級呈條帶狀分布河流和溝谷間。2010年，榆林市Ⅵ級NPP占全市面積的66.24%，而Ⅰ級NPP僅分布在榆陽區(qū)和神木縣的西北部少數(shù)地區(qū)，占總面積的5.16%。

圖4 2000年～2010年榆林市NPP空間分布

（3）2000年～2005年、2005年～2010年研究區(qū)NPP等級轉(zhuǎn)化特征分析

2000年～2005年榆林市NPP等級轉(zhuǎn)移矩陣表顯示（表2），NPP等級保持不變區(qū)域占總面積的23.26%，其中Ⅰ級和Ⅵ級面積較大，分別為7282.75km2和1665.25km2。NPP等級升高區(qū)域占總面積的76.34%，NPP等級降低區(qū)域占總面積的0.66%。NPP等級升高部分，Ⅳ級轉(zhuǎn)向Ⅵ級的比例為58.89%，Ⅴ級轉(zhuǎn)向Ⅵ級的比例為82.95%，比例最高。NPP等級降低部分，Ⅲ級轉(zhuǎn)向Ⅱ級的比例為4.45%，Ⅳ級轉(zhuǎn)向Ⅲ級的比例為4.07%。其他等級降低比例較小。

表2 2000年～2005年NPP等級轉(zhuǎn)移矩陣

2005年～2010年NPP等級轉(zhuǎn)移矩陣顯示（表3），NPP等級保持不變的區(qū)域占總面積的24.60%，其中Ⅰ級和Ⅵ級面積較大，分別為7129.75km2和2138.75km2。NPP等級升高地區(qū)占總面積的74.68%，NPP等級降低地區(qū)占總面積的0.71%。 NPP等級升高部分，Ⅲ級轉(zhuǎn)向Ⅵ級比例為70.59%，Ⅳ級轉(zhuǎn)向Ⅵ級比例為81.43%，Ⅴ級轉(zhuǎn)向Ⅵ級比例最高，為92.14%。NPP等級降低部分，Ⅳ級轉(zhuǎn)向Ⅲ級的比例為1.86%，Ⅴ級轉(zhuǎn)向Ⅳ級比例最高為2.08%。

表3 2005年～2010年NPP等級轉(zhuǎn)移矩陣

（4）NPP等級轉(zhuǎn)移的空間分布特征

2000年～2005年，榆林市NPP等級變化較大地區(qū)集中在府谷、衡山、子洲、清澗和吳堡5個縣，NPP增幅大于200gC／（m2·a），神木、榆陽和定邊變化最小。2005年～2010年，NPP變化較大區(qū)域集中在東南部的衡山、佳縣、子洲、綏德、吳堡和清澗6個縣的增幅均大于200gC／（m2·a）。

2.3 空間變化

根據(jù)NPP變化幅度將其劃分4個等級，NPP增量≤0為穩(wěn)定或減少、0＜NPP增量≤200為弱顯著增加、200＜NPP增量≤500為顯著增加、NPP增量＞500為極顯著增加。榆林市NPP變化分布圖（圖5），2000年～2010年榆林市NPP增加區(qū)域占全區(qū)面積的90%以上。2000年～2005年，NPP值顯著增加和極顯著增加的地區(qū)主要位于清澗、子洲、橫山和府谷4個縣，整體來看增加明顯的區(qū)域分布在榆林市最北和最南部地區(qū)。2005年～2010年，NPP值極顯著增加區(qū)域集中在東南部分，與前5年的變化相比，NPP極顯著增加部分所占面積比前5年明顯增加。

圖5 2000年～2005年和2005年～2010年榆林市NPP變化

3 結束語

通過對2000年、2005年和2010年研究區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力在時間序列和空間上的變化，得出如下結論：（1）榆林市NPP空間分布由東南向西北遞減。2000年～2010年，榆林市NPP顯著增加。NPP最小值增加了16.91倍。NPP均值5年上升幅度為24.91%和23.60%。NPP最大值也呈增長態(tài)勢，增加幅度相對較小。（2）2000年～2010年，榆林市NPP增量≤1250gC／（m2·a）的面積比例顯著降低。NPP增量＞1700gC／（m2·a）的地區(qū)顯著擴大，面積比例顯著增加。中間部分面積變化相對平緩。2000年～2005年和2005年～2010年兩個時間段內(nèi)，NPP等級升高部分占總面積的比例均高于70%，NPP等級降低部分比例分別為0.66%和0.74%。

2000年～2010年，榆林市的植被凈初級生產(chǎn)力顯著提高，說明該區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)好轉(zhuǎn)。榆林市為毛烏素沙地南擴的生態(tài)屏障區(qū)，長久以來沙漠化防治和植被恢復與重建工程及措施較多，“三北”防護林建設、限制放牧、圈養(yǎng)牲畜、退耕還林（草）、生態(tài)移民等，尤其是1999年之后，各項措施大力實施，沙漠化治理有成效，植被覆蓋提高［13－14］。榆林市NPP變化是人為因素驅(qū)動的結果，1999年以來的各項植被恢復與重建工程和措施，對于該區(qū)植被覆蓋起到了積極作用，加之生態(tài)移民，十年來NPP呈現(xiàn)顯著增長趨勢。

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Temporal and Spatial Change Feature of Net Primary Productivity in Yulin City from2000 to 2010

ZHOU Shu－qin1，2，LI Na1，JING Yao－dong1，ZHANG Qing－feng2，TIAN Xiao－h(huán)ong1
（1.College of Resource and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu030801；2.College of Resource and Environment，Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling032300）

The ecological environment is fragile in Yulin city.The distribution and change of the net primary productivity of vegetation has great influence on it.We analyzed spatial and temporal variation characteristics of NPP in Yulin city by markov transfer matrix and spatial overlay analysis based on the 2000，2005and 2010NPP data.The results show that：（1）The distribution of NPP in Yulin city gradually increases from the northwest to the southeast.（2）The annual NPP shows a significant upward trend from 2000to 2010in Yulin city.The NPP increased area is about 95%，which was 300gC／（m2·a）larger and accounting for 47.22%，mainly distributed in the north and south area from 2000to 2005.Meanwhile，the NPP increased area is about 94%，which was 300gC／（m2·a）larger and accounting for 54.10%，mainly distributed in the southeast from 2005to 2010.（3）The main factors of Yulin NPP increase is the ecological immigration and vegetation restoration measures taken since 1999.

NPP；GIS；markov transfer matrix；overlay analysis；Yulin city

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.06.021

K930

A

1000－3177（2015）142－0116－05

2014－11－21

2015－01－06

陜西省自然科學基金項目（2011JM5007）。

周淑琴（1973—），女，博士講師，從事土地資源與空間信息技術方面的教學與科研工作。

E－mail：jydyyzsq＠163.com