疏勒河流域NPP時空變化分析

張娟，田文婷，頡耀文(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730000)

植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)作為表征植被活力的關(guān)鍵變量，直接反映了植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力［1］。NPP研究在反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況中具有重要作用，同時與目前受到廣泛關(guān)注的重大問題如碳擾動、土地利用變化、氣候變化等密切相關(guān)［2－3］，因此對其開展研究具有重要意義。疏勒河流域自然生態(tài)景觀以石漠為基質(zhì)，并受干旱、風(fēng)沙和鹽堿干擾，自然生態(tài)環(huán)境脆弱［4］，植被生產(chǎn)力較低。隨著全球氣候的變暖，疏勒河中游西側(cè)的野馬山、上游南側(cè)的疏勒南山等祁連山區(qū)現(xiàn)代冰川冰雪消融加快，加之近20年降水有增加趨勢［5］，使疏勒河流域的植被覆蓋出現(xiàn)增加趨勢。近年來疏勒河流域中上游以昌馬、雙塔和赤金峽3座水庫為主的18座水庫的建成運(yùn)行，為人口和耕地的不斷擴(kuò)張創(chuàng)造了條件，但卻使下游的地下水位普遍下降，致使植被退化，生產(chǎn)力降低［6］。已有研究對疏勒河流域的土地利用、景觀變化、生態(tài)環(huán)境評價以及水資源承載力給予了廣泛關(guān)注［4，6－9］，但對 NPP 及其變化的研究并不多見。筆者擬選用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型，對疏勒河流域2001、2005、2009、2012年的NPP進(jìn)行估算和研究，并對其時空分布及其變異特征進(jìn)行定量分析，以便為正確評價區(qū)域生產(chǎn)能力提供參考。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域位于河西走廊西端，92°30'～99°00'E，38°00'～41°00'N。該流域西鄰新疆哈密地區(qū)，東接甘肅省嘉峪關(guān)市，南靠祁連山與青海省接壤，北依馬鬃山與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，總面積8.95萬km2，在行政區(qū)劃上主要包括甘肅省的玉門市、敦煌市、瓜州縣、肅北縣和阿克塞縣。研究區(qū)干旱少雨多風(fēng)，年均降水量不足60 mm，年均蒸發(fā)量在1 500～3 000 mm，年均氣溫7～9℃，屬典型的溫帶大陸性干旱區(qū)。疏勒河源于祁連山脈西段，西北流經(jīng)肅北蒙古族自治縣，在昌馬河以下分成東西兩支，西支為主流，流經(jīng)布隆吉、雙塔、西湖，最后消失于哈拉湖;東支又分為兩支流入玉門花海盆地［7］。疏勒河在昌馬以上為上游，昌馬至雙塔為中游，雙塔以下為下游。疏勒河流域光熱資源豐富、夏季晝夜溫差大，有利于農(nóng)作物和天然植被的光合作用。隨著氣候變暖，山區(qū)冰雪融水的增多有利于植物生產(chǎn)量積累［10］。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 該研究用到的數(shù)據(jù)主要有MODIS NDVI(Normalized Differential Vegetation Index)、氣象站點數(shù)據(jù)和2011年Landsat TM影像，其中NDVI數(shù)據(jù)來源于2001、2005、2009和2012年16 d合成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)集，使用最大值合成法(MVC)生成的逐月最大NDVI數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，包括疏勒河流域及其周邊14個站點觀測得的2001～2012年的月降水量、月平均氣溫、月太陽總輻射數(shù)據(jù)以及8個太陽輻射站的太陽輻射數(shù)據(jù)。考慮到疏勒河地區(qū)氣象站分布稀疏，分布不均勻，且地形復(fù)雜，高差大，傳統(tǒng)的插值方法難以滿足要求，故而筆者選用改進(jìn)的“多元回歸+殘差分析法”對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了插值［11］。

2.2 研究方法 NPP的估算采用Potter等提出的基于光合有效輻射和光能利用率的CASA估算模型［12］，該模型的公式如下:

式中，APAR表示植被吸收的光合有效輻射［MJ/(m2·mon)］;ε表示植被實際光能利用率［g(C)/MJ］。計算過程以像元為單元，x、t表現(xiàn)了參數(shù)隨位置、時間的變化。

植被實際光能利用率由植被的最大光能利用率和環(huán)境因子共同決定，不同的植被類型其植被最大光能利用率存在差異。該研究采用朱文泉等基于土地利用數(shù)據(jù)獲得的不同植被類型最大光能利用率［13］。為了更精確地劃分不同土地利用類型的范圍，利用監(jiān)督分類方法，以野外實測數(shù)據(jù)(共146個調(diào)查點，圖1)為分類樣本，對2011年Landsat TM影像進(jìn)行分類，并采用野外調(diào)查資料對分類結(jié)果進(jìn)行精度驗證和人工目視修正。

2001～2012年間逐象元NPP值的空間變化特征可以利用趨勢線分析法［14］分析，即根據(jù)趨勢線斜率變化范圍進(jìn)行分析。同時，對模擬結(jié)果進(jìn)行P＜0.05的顯著性水平檢驗。之后，定義“顯著增加”、“輕度增加”、“輕度減少”和“基本不變”4個變化區(qū)間，分別統(tǒng)計其面積及其變化百分比，制作NPP空間變化分布圖，從而得出NPP隨時間變化程度的空間差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 NPP數(shù)據(jù)的驗證 采用2012年樣方點實測NPP0與模型模擬4年平均NPPS進(jìn)行比較(圖2)，模擬值與實測值達(dá)到顯著相關(guān)水平。對于整個數(shù)據(jù)集，NPPS=1.030 7NPP0+39.153，決定系數(shù) R2=0.533。由此表明，CASA 模型的模擬結(jié)果是較為理想的，達(dá)到顯著相關(guān)水平(r=0.73，P ＜0.05，n=98)?？梢哉J(rèn)為，疏勒河流域植被NPP的研究采用該模型是適用。由于實際樣方大小與MODIS數(shù)據(jù)的空間分辨率差異較大，因此不可避免地產(chǎn)生差異。樣方實測地點多位于綠洲邊緣荒漠草原以及草甸草原內(nèi)，農(nóng)田樣點僅作為土地利用驗證區(qū)域，沒有實測生物量數(shù)據(jù)。從圖2可知，模擬值在荒漠區(qū)偏低而在典型草原區(qū)偏高，該結(jié)果與文獻(xiàn)［15］的結(jié)論一致。另外，實測值與模擬的擬合是在排除農(nóng)田荒漠交錯帶樣點的條件下獲得的，這部分區(qū)域易被錯分為農(nóng)田，從而過度高估了過渡帶的NPP值。

此外，由于目前疏勒河流域沒有現(xiàn)成的NPP結(jié)果可以作為參照，筆者選擇與之毗鄰而且地理環(huán)境較為相似的黑河流域進(jìn)行驗證。對比分析改進(jìn)的CASA模型和C－FIX［16］模型估算的黑河流域2002年不同土地利用類型的NPP年平均值(表1)，可見兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，一致性較好。據(jù)此，認(rèn)為CASA模型在疏勒河流域也會具有較高的模擬精度。

表1 CASA模型與C-FIX模型估算的單位面積上年均NPP結(jié)果比較g(C)/(m2·a)

3.2 疏勒河流域年平均NPP空間分布 基于估算的年均單位面積上的NPP值來描述疏勒河流域的NPP空間分布狀況(圖3)。估算結(jié)果表明，疏勒河流域的年平均NPP總量為8.53 Tg(C)/a，年均單位面積上的 NPP 為95.2 g(C)/(m2·a)。其中，NPP值位于0～100 g(C)/(m2·a)范圍內(nèi)面積占流域總面積的65.6%，足見流域整體生產(chǎn)力水平較低。

從區(qū)域分布看，疏勒河流域的NPP自東南向西北遞減，呈現(xiàn)顯著的經(jīng)向“雙峰”特征，即上游山區(qū)和中下游綠洲區(qū)較高，而荒漠區(qū)低。這種特征體現(xiàn)了疏勒河流域作為山地－荒漠－綠洲耦合生態(tài)系統(tǒng)的典型性。

上游祁連山區(qū)自然植被主要以高山草甸為主，NPP大多在150～350 g(C)/(m2·a)之間，分布在疏勒南山、魚兒紅鄉(xiāng)周圍、鹽池灣自然保護(hù)區(qū)的東南方向以及大雪山、野馬山、野馬南山和阿爾金山等高山陰坡上。陽坡由于光照強(qiáng)烈，蒸發(fā)量大，土壤水分低于陰坡，所以陰坡植被生長較好。NPP高值區(qū)即＞350 g(C)/(m2·a)的區(qū)域主要分布在疏勒河源頭的蘇里鄉(xiāng)和魚兒紅鄉(xiāng)的南部以及肅北蒙古族自治縣、石包城鄉(xiāng)、昌馬鄉(xiāng)和鹽池灣鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地;阿爾金山地帶的阿克塞大部分區(qū)域、鹽池灣西北部以及山前荒漠植被區(qū)植被生產(chǎn)力較低，NPP低于100 g(C)/(m2·a)。

中下游地勢低平，中游的玉門－雙塔盆地以及下游的瓜州－敦煌和花海盆地是各條河流主灌區(qū)，綠洲灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展較好［9］，綠洲農(nóng)業(yè)植被生產(chǎn)力較高，NPP平均值在250～450 g(C)/(m2·a)之間。同時綠洲區(qū)NPP＞150 g(C)/(m2·a)的面積由東向西逐漸減小;下游的花海鄉(xiāng)、赤金鎮(zhèn)、東巴兔鄉(xiāng)、南湖鄉(xiāng)和多壩溝鄉(xiāng)等依疏勒河支流而建的人工綠洲均呈斑點狀零星鑲嵌在荒漠區(qū)。中下游綠洲兩側(cè)廣泛分布著荒漠草原和荒漠灌叢，單位面積上的NPP值在100 g(C)/(m2·a)以下，敦煌市西部的荒漠植被及其南部的沙漠區(qū)生產(chǎn)力低于50 g(C)/(m2·a)。

3.3 不同土地利用類型的NPP差異 表2是2012年疏勒河流域各土地利用類型的NPP?？梢姡恋乩妙愋秃退嫉拿娣e決定了流域NPP總量以及不同土地覆蓋類型的貢獻(xiàn)率。適應(yīng)干旱區(qū)嚴(yán)峻自然環(huán)境的灌木、半灌木林的總面積占流域總面積的19.91%，而其NPP的累積量總計占到流域年總量的40.09%，因此這類用地的貢獻(xiàn)率最大;其次是分布面積占總面積75.19%的未利用土地，主要包括沼澤地、鹽堿地、戈壁、裸巖石礫地、寒漠、沙地、裸土等。由于面積遼闊，其NPP年總積累量達(dá)到3.23 Tg(C)/a，約占流域總NPP的37.87%;草地主要分布在上游祁連山區(qū)，以高山草地類型為主，約占流域總面積的4.01%，而其NPP總量占到流域年總量的12.66%，約為1.08 Tg(C)/a;耕地作為流域人工綠洲的重要組成成分，僅約占總面積的2.1%，而其NPP占總量的7.62%，約為0.65 Tg(C)/a;疏勒河流域的林地分布范圍較小，且主要以人工防護(hù)林和祁連山上游山區(qū)針葉林為主，面積僅占總面積的0.33%，導(dǎo)致其NPP總量不高，僅為0.13 Tg(C)/a;區(qū)域中NPP貢獻(xiàn)率最低的是水域和永久冰雪。

表2 2012年疏勒河流域各土地利用類型的NPP

不同的土地利用類型具有不同的碳吸收能力，林地的固碳能力最強(qiáng)，單位面積上的年平均生產(chǎn)力為455.98 g(C)/(m2·a);其 次 是 綠 洲 區(qū) 的 耕 地，為 345.39 g(C)/(m2·a)，與盧玲等［16］估算的黑河流域的耕地生產(chǎn)力水平一致，低于陶波等［17］估算的全國耕地生產(chǎn)力水平;區(qū)域自然植被主要是草地和灌木，單位面積上的生產(chǎn)力分別為299.74和191.96 g(C)/(m2·a);該區(qū)域草地的生產(chǎn)力水平稍低于張峰等［15］估算的內(nèi)蒙古典型草原生產(chǎn)力水平;而未利用地單位面積上的平均生產(chǎn)力水平僅為49.94 g(C)/(m2·a)?？梢?，疏勒河流域不論從整體生產(chǎn)力還是單位面積上的平均生產(chǎn)力均處于較低水平。

3.4 2001～2012年疏勒河流域NPP時空變化 表3為NPP的時間變化。從表3可知，2001～2012年間流域單位面積上的生產(chǎn)力和年際NPP總量均呈現(xiàn)波動式增加，其中2001～2005、2009～2012年是快速增長階段，增長率分別為0.28和0.25;2005～2009年是緩慢下降階段，降低率為0.07;12年間NPP 總量由6.85 Tg(C)/a增加至 10.24 Tg(C)/a，增加了50%;其中NPP在0～50 g(C)/m2范圍內(nèi)的面積由2001年的4.67 萬km2下降到2012 年的3.29 萬km2，下降了1.18 萬km2，而NPP在 50～150、150～350 g(C)/m2以及 ＞350 g(C)/m2范圍內(nèi)面積均呈現(xiàn)增加的趨勢，分別增加了0.1萬、0.99萬以及0.29萬km2，低值區(qū)面積的減少以及高值區(qū)面積的增加體現(xiàn)了流域的生態(tài)環(huán)境正在向好的趨勢發(fā)展。

表3 2001～2012年NPP值統(tǒng)計

從NPP變化的空間分布來看，12年間NPP的增加量呈現(xiàn)由東南向西北、自上游向下游、山區(qū)－綠洲－荒漠遞減的趨勢。整體來看，全流域以增加趨勢為主，流域NPP值增加的面積占全流域面積的78.9%，其中NPP值增加最明顯的區(qū)域是祁連山區(qū)以及農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)，在下游荒漠區(qū)只有13.5%的區(qū)域NPP呈現(xiàn)輕微減小的趨勢(表4，圖4)。

上游祁連山12年間NPP整體處于增長趨勢，NPP明顯增加的區(qū)域主要分布在各個高山草甸以及海拔＞3 900 m的高山寒漠區(qū)域，其中疏勒河流域上游沿岸區(qū)域、鹽池灣自然保護(hù)區(qū)的東南方向、肅北蒙古族自治縣的周邊NPP增加量＞100 g(C)/m2;輕微增加的區(qū)域主要分布在山地草原和荒漠化草原，主要包括鹽池灣自然保護(hù)區(qū)的西北方向、阿克塞大部分區(qū)域。這是由于從2003年開始，肅北、阿克塞均為國家實施的生態(tài)保護(hù)項目“退牧還草”工程項目的試點縣，并取得了較為顯著的生態(tài)效益［18］。加之全球氣候變暖，祁連山西段的黨河南山以及大雪山等各個冰川消融加快，流域入水量不斷增加［19］，植被的生產(chǎn)力隨之提高。

表4 2001～2012年NPP空間變化趨勢分級統(tǒng)計

中下游綠洲荒漠耦合區(qū)12年間NPP的變化呈現(xiàn)出綠洲農(nóng)田植被生產(chǎn)力明顯提高，提高程度為150～300 g(C)/m2之間，而農(nóng)田周邊的荒漠植被生產(chǎn)力輕微下降。這兩種趨勢交織在一起，在空間分布上呈現(xiàn)荒漠以破碎斑塊鑲嵌在綠洲農(nóng)田中，玉門、瓜州以及敦煌等綠洲斑塊中均有此特點。中下游NPP輕度減少的區(qū)域主要沿流域支流以及下游干流的綠洲外圍分布，其中敦煌市周邊NPP輕度減少面積最大，標(biāo)志著植被退化最為嚴(yán)重。退化的原因是由于上游灌溉面積擴(kuò)大且灌溉方式以漫灌為主，直接導(dǎo)致下游河道的生態(tài)水量銳減，地下水補(bǔ)給量減少，使得分布于敦煌綠洲周邊的植被不斷萎縮和退化;下游西湖保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重萎縮與退化加快了敦煌人工綠洲邊緣的沙漠化進(jìn)程［20］。

4 結(jié)論

筆者利用MODIS NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品、氣象站點資料和疏勒河流域土地利用數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用改進(jìn)的光能利用率CASA模型，對整個疏勒河流域陸地NPP的空間格局以及2001～2012年流域NPP時空變化進(jìn)行了研究，對流域內(nèi)不同土地利用類型的生產(chǎn)力水平進(jìn)行了評價，其主要研究結(jié)論如下:

(1)疏勒河流域單位面積上的年平均NPP為95.2 g(C)/(m2·a)，且 NPP值位于0 ～100 g(C)/(m2·a)范圍內(nèi)面積占流域總面積的65.6%;NPP空間分布以上游山區(qū)和走廊綠洲區(qū)的NPP高值和荒漠區(qū)的NPP低值形成鮮明對比;近年來由于忽視上中下游合理分水［6］，走廊農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)NPP自東向西沿河床方向隨著流域入水量的減少而不斷降低。

(2)荒漠灌木、半灌木景觀是該區(qū)域的基質(zhì)，是自然長期作用的結(jié)果，對流域陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的貢獻(xiàn)率最大;未利用地單位面積NPP較低，但由于占地面積廣闊，因此總的積累量不容忽視。

(3)2001～2012年12年間全流域NPP以波動式增加為主，12年間NPP總量增加了50%;同時呈現(xiàn)出單位面積上生產(chǎn)力水平低的區(qū)域面積減少而高的區(qū)域面積增加的趨勢。

(4)疏勒河流域12年間NPP的空間變化以增加趨勢為主，其中NPP顯著增加的區(qū)域主要分布在上游山區(qū)以及綠洲農(nóng)田區(qū);而輕微下降的區(qū)域主要沿流域支流以及下游干流的綠洲外圍分布;中下游綠洲農(nóng)田NPP的顯著增加與綠洲周邊的荒漠植被NPP減少鑲嵌分布，充分體現(xiàn)了人為因素對水資源在農(nóng)業(yè)上的有效利用起到了積極作用，但生態(tài)用水的減少使得自然植被退化，而自然植被的退化終將反作用于人類活動區(qū)域［21］。

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