近25年來中國典型溫帶草原系統(tǒng)土地覆被變化及NPP響應(yīng)——以皇甫川流域為例

許吉仁，董霽紅，楊宏兵

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州 221116;2.江蘇省資源環(huán)境與信息工程重點(diǎn)實驗室，徐州 221116)

0 引言

植被凈第一性生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)是指綠色植物在單位面積和單位時間內(nèi)所累積的有機(jī)物數(shù)量［1］，是評價生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)性及其與環(huán)境相互作用的重要指標(biāo)，直接與全球變化的關(guān)鍵科學(xué)問題——碳循環(huán)、水循環(huán)與食物安全密切相關(guān)［2，3］。土地覆被變化與植被凈第一性生產(chǎn)力的關(guān)系是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)問題之一，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對此作了大量研究［4－10］。然而這些研究大多集中在全球和區(qū)域空間尺度上植被凈第一性生產(chǎn)力的估算和評價，較少涉及到溫帶草原系統(tǒng)這一特定區(qū)域［11－13］，同時，國內(nèi)較少涉及長時間跨度的典型溫帶草原土地覆被變化及其凈初級生產(chǎn)力響應(yīng)的研究。

皇甫川是黃河中游的一級支流，多粗泥沙，水土流失極其強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響著流域的生態(tài)環(huán)境［14］。研究分析皇甫川流域土地覆被變化及其對NPP的影響，對以皇甫川流域為典型代表的溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)土地資源的合理利用、土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、脆弱生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的理論與實踐意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

皇甫川流域位于 E110.3°～111.2°，N39.2°～39.9°之間，屬溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，干燥少雨多風(fēng)，降水多為夏季暴雨。流域南北最寬距離85.9 km，東西最長距離 102.1 km，總面積 3 235.14 km2，大部分屬內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi);流域南部有415 km2屬陜西省，占流域面積的12.83%。流域內(nèi)土質(zhì)以草原栗鈣土為主，由于氣候變化歷史時期的砍伐及自清末以來的農(nóng)墾，天然林已所剩無幾，被人工植被和天然次生草原植被所代替，目前草原面積占該流域面積的絕大部分［15］。由于皇甫川流域草原面積比例大，生態(tài)脆弱，加之受到周邊高強(qiáng)度礦業(yè)開采的干擾，1983年被列為全國八大片水土流失重點(diǎn)治理區(qū)之一。以該地區(qū)作為快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢下中國溫帶草原系統(tǒng)土地覆被變化及其NPP響應(yīng)的研究區(qū)域具有代表性。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

相關(guān)研究表明，內(nèi)蒙古典型草原NPP與年降水量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系［16］?；矢Υ饔蜃畲蠼涤暝路菀话阍?月，故本研究選用1987年7月4日、1995年7月26日、2000年7月31日、2007年7月12日、2011年7月21日5期跨度25 a的Landsat TM數(shù)據(jù)，軌道號為127/32和127/33。各期影像均經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正、地面控制點(diǎn)幾何糾正和DEM的地形校正，并用ERDAS IMAGINE 9.3軟件統(tǒng)一為UTM/WGS84投影，用Raster/Mosaic功能進(jìn)行拼接鑲嵌，得到5期能夠完全覆蓋研究區(qū)的遙感圖像，再利用提取的皇甫川流域邊界線將其進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)的影像。

2 研究方法

2.1 遙感影像分類

參照《土地利用動態(tài)遙感監(jiān)測規(guī)程》［17］和《土地利用現(xiàn)狀分類》［18］，把皇甫川流域土地利用/覆被類型劃分為耕地、林地、水域、沙地、裸巖、草地、灌叢及建設(shè)用地等8種類型。

2.2 CASA 模型

CASA(Carnegie－Ames－Stanford apprvach)模型充分考慮了環(huán)境條件以及植被本身的特征，主要以遙感和地理信息系統(tǒng)為技術(shù)手段，通過遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)以及植被類型、土壤類型共同驅(qū)動。CASA模型依據(jù)的原理是植被凈第一性生產(chǎn)力主要由植被所吸收的光合有效輻射與其光能轉(zhuǎn)化率2個變量來確定，即

式中:t為時間(月份);x為空間位置;APARx，t為像元x處植被在t月份吸收到的光合有效輻射，MJ·m－2·月－1;εx，t為像元x處植被在t月份的實際光利用率，gC·MJ－1。

植被所吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例，即

式中:SOLx，t是t月份像元x處的太陽總輻射量，MJ·m－2;FPARx，t為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例，在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)PAR和NDVI之間存在著線性關(guān)系;常數(shù)0.5表示植被所利用的太陽有效輻射(波長范圍0.38～0.71μm)占太陽總輻射的比例。

光能轉(zhuǎn)化率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率。一般認(rèn)為在理想條件下植被具有最大光能轉(zhuǎn)化率，而在現(xiàn)實條件下光能轉(zhuǎn)化率主要受溫度和水分的影響［21］，即

式中:Tε1和Tε2反映溫度對光能轉(zhuǎn)化率的影響;Wε為水分脅迫影響系數(shù)，代表水分條件的影響;ε*為理想狀態(tài)下的最大光能轉(zhuǎn)化率，采用全球最大光能利用率取值為0.389 gC/MJ。

FPAR，Tε1，Tε2和Wε的計算及改進(jìn)方法見文獻(xiàn)［19］，在此不再詳述。

3 模型參數(shù)獲取與處理

3.1 NDVI數(shù)據(jù)的獲取與處理

通過輻射校正和大氣校正，分別計算出皇甫川流域1987年、1995年、2000年、2007年和2011年5期的NDVI(圖1)。

圖1－1 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－1 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

圖1－2 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－2 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

3.2 氣象數(shù)據(jù)的獲取與處理

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，包括皇甫川流域及其周邊氣象臺站1987年、1995年、2000年、2007年和2011年7月的氣溫、降水和太陽輻射數(shù)據(jù)(由于目前許多氣象觀測站點(diǎn)并不能直接獲得太陽輻射數(shù)據(jù)，可以用氣象站點(diǎn)每日的日照總時數(shù)換算成為每日的太陽輻射量)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不可替代的錯誤數(shù)據(jù)，最后保留了數(shù)據(jù)相對完整且空間分布較均勻的13個臺站的數(shù)據(jù)。對這些臺站的月平均氣溫、月總降水量、月太陽總輻射量3屬性進(jìn)行簡單Kriging插值，得到研究區(qū)的月平均氣溫、月總降水量和月太陽總輻射量分布值。

3.3 土壤類型數(shù)據(jù)的獲取與處理

皇甫川流域內(nèi)土壤可分為栗鈣土、黃綿土、風(fēng)沙土、沖積土、淡栗褐土、石質(zhì)土和粗骨土7種類型。土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站(http://www.soil.csdb.cn/)。圖 2 為土壤類型圖。

圖2 皇甫川流域土壤類型圖Fig.2 Soil types in Huangfuchuan W atershed

3.4 CASA模型的修正

本文參考Running等［20］依據(jù)生態(tài)生理過程模型BIOME－BGG對10種植被類型的模擬結(jié)果，對CASA模型中最大光能利用率(ε*)參數(shù)按陜北7種主要植被類型分別取值:針闊混交林1.044 gC/MJ，疏林灌叢 0.888 gC/MJ，草地 0.768 gC/MJ，干旱草地0.608 gC/MJ，耕作植被 0.604 gC/MJ，荒漠、水體等生態(tài)系統(tǒng)取CASA模型所估算的全球最大光能利用率 0.389 gC/MJ。

4 結(jié)果與分析

4.1 1987—2011年皇甫川流域土地覆蓋變化

利用1987年、1995年、2000年、2007年和2011年TM影像解譯得到皇甫川流域5期土地利用類型。表1反映了各土地利用類型的變化轉(zhuǎn)移情況。從表中可以得到:1987—2011年間，土地利用類型的數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變。灌叢和草地是皇甫川流域的主要土地利用類型，其總和占土地總面積的一半以上。

1)1987年，皇甫川流域灌叢面積最大，草地、裸巖也占據(jù)較大比重，耕地、林地、水域和沙地的面積較少。

2)1995年，由于人口增長較快，導(dǎo)致糧食需求增加，耕地面積增加;由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建設(shè)用地也有所增加，與此同時，由于部分草地被開墾為耕地，草地面積萎縮。

3)2000年，耕地、林地、灌叢、建設(shè)用地面積保持較快的增長，耕地面積占整個流域的4.46%。

4)2007年，隨著政府一系列保護(hù)政策的出臺，林地面積繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢;建設(shè)用地面積擴(kuò)張較為明顯;其他土地利用類型面積則出現(xiàn)不同程度的下降，其中，灌叢和沙地面積下降的幅度最大;流域耕地面積繼續(xù)增加，并達(dá)到最大值，這是因為流域人口快速增長，對糧食的需求大幅增加，進(jìn)而使耕地面積繼續(xù)增加;2007年裸巖面積有小幅度增加。

表1 皇甫川流域1987—2011年土地利用統(tǒng)計表Tab.1 Land use during 1987—2011 in Huangfuchuan Watershed

5)2011年，皇甫川流域的林地和建設(shè)用地面積繼續(xù)保持較快的增長速度，林地面積已占到全流域面積的6.81%，建設(shè)用地面積已占到全流域面積的0.24%;在人類對土地的需求擴(kuò)大的同時，土地的集約程度得到提高，未利用地(裸巖和沙地)的面積不斷減小;受氣候干旱化的影響，水域面積繼續(xù)減小，僅占全流域面積的1.61%;草地和耕地面積經(jīng)歷增長階段后開始出現(xiàn)較大幅度下降。

4.2 基于修正的CASA模型估算NPP

基于修正的CASA模型模擬出1987年、1995年、2000年、2007年和2011各年7月份皇甫川流域5期植被NPP分布圖，如圖3所示。

圖3 1987—2011年皇甫川流域NPP分布Fig.3 Distribution of NPP during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

5個時期皇甫川流域NPP總量分別為28.12 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.92 GgC 和 78.52 GgC。NPP從1987年7月至2007年7月逐步增加，2007年7月以后逐步減少，5期總量表現(xiàn)為“先增后減”的變化趨勢，呈現(xiàn)一定的時間波動性。

4.3 皇甫川流域土地覆被變化對NPP的響應(yīng)

研究區(qū)處于溫帶草原生態(tài)脆弱區(qū)，不同土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)移，有可能改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對植被NPP的影響很大。通過研究不同土地覆被類型轉(zhuǎn)移情況對NPP變化的影響，確定影響區(qū)域植被凈第一性生產(chǎn)力的主要土地利用類型?；矢Υ饔蚋鲿r期土地覆被變化對應(yīng)的NPP變化情況如表2—表5所示。

表2 皇甫川流域1987—1995年土地覆被變化對應(yīng)的NPP變化Tab.2 NPP changes corresponding with land cover change during 1987—1995 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表2可知，皇甫川流域1987—1995年間耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.66 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.01 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.91 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了1.40 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.98 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了3.76 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.96 GgC。本階段植被NPP共增加11.34 GgC，草地轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因。在該階段，草地面積主要轉(zhuǎn)移為灌叢和裸巖，草地轉(zhuǎn)化為灌叢的過程使植被NPP增加了3.63 GgC，說明草地轉(zhuǎn)移為灌叢對植被NPP增加的貢獻(xiàn)最大。

表3 皇甫川流域1995—2000年土地覆被變化對應(yīng)的NPP變化Tab.3 NPP changes corresponding with land cover change during 1995—2000 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表3可知，皇甫川流域1995—2000年間耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了1.04 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.63 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.87 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.17 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了5.78 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.26 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.84 GgC。本階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP增加了10.25 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因。

表4 皇甫川流域2000—2007年土地覆被變化對應(yīng)的NPP變化Tab.4 NPP changes corresponding with land cover change during 2000—2007 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表4可知，皇甫川流域2000—2007年間，耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.94 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.84 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了1.65 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了3.99 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了9.10 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了6.47 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了25.60 GgC。該階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP增加了48.59 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因，期間灌叢面積主要轉(zhuǎn)移為草地和裸巖，灌叢轉(zhuǎn)化為草地的過程使植被NPP增加了9.34 GgC，灌叢轉(zhuǎn)化為草地對植被NPP增加的貢獻(xiàn)最大。

表5 皇甫川流域2007—2011年土地覆被變化對應(yīng)的NPP變化Tab.5 NPP changes corresponding with land cover change during 2007—2011 in Huangfuchuan W atershed (GgC)

由表5可知，2007—2011年間，皇甫川流域耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了14.89 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了6.34 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.48 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.37 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了5.63 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少15.82 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少11.13 GgC，本階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP共減少41.70 GgC，草地轉(zhuǎn)移是植被NPP減少的主要原因。在本階段，草地面積主要轉(zhuǎn)移為灌叢和裸巖，草地轉(zhuǎn)移為灌叢的過程使植被NPP減少了12.50 GgC，說明草地轉(zhuǎn)移為灌叢對植被NPP下降的貢獻(xiàn)最大。

綜上所述，人口增長對耕地的需求、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因素帶來的畜牧業(yè)擴(kuò)張和礦業(yè)開采以及政策性導(dǎo)向?qū)ι鷳B(tài)脆弱區(qū)環(huán)境改善，很大程度上決定了皇甫川流域土地覆被變化，并且形成了其NPP近25 a來“先增后減”、整體增加的變化趨勢。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，國家實施了“京津風(fēng)沙源治理”、“退耕還林還草”、“退牧還草”、“圍封轉(zhuǎn)移”等一系列生態(tài)恢復(fù)工程，對內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)脆弱地區(qū)環(huán)境改善以及植被恢復(fù)起到了積極的作用，這些生態(tài)恢復(fù)措施有效地遏制了草地的退化，促進(jìn)了草地凈初級生產(chǎn)力的增加。然而，近10 a來由于皇甫川流域內(nèi)及周邊高強(qiáng)度的礦業(yè)開采，造成了地下水流失、草原生態(tài)系統(tǒng)被破壞，導(dǎo)致其植被凈初級生產(chǎn)力又開始呈現(xiàn)下降趨勢。

5 結(jié)論

隨著人類活動的加強(qiáng)和氣候條件的變化，處于生態(tài)脆弱區(qū)的溫帶草原系統(tǒng)典型代表皇甫川流域在近25 a間，土地利用類型的數(shù)量和結(jié)構(gòu)均發(fā)生了較大的改變，從而導(dǎo)致了NPP總量的變化。

1)土地利用類型主要以灌叢和草地為主，土地結(jié)構(gòu)變化明顯，建設(shè)用地、林地面積逐漸增加，水域面積逐漸減小，耕地、草地、灌叢、裸巖和沙地呈波動變化。

2)1987年、1995年、2000年、2007年和2011年皇甫川流域的NPP總量分別為28.11 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.91 GgC 和 78.51 GgC，是一個先增多后減少的過程。灌叢和草地NPP位列流域內(nèi)各類土地覆被類型的前2位。

3)1987—1995年間，皇甫川流域草地轉(zhuǎn)移為灌叢是影響NPP變化的主要原因;1995—2000年間，裸巖轉(zhuǎn)移為草地是影響NPP變化的主要原因;2000—2007年間，灌叢轉(zhuǎn)移為草地是影響NPP變化的主要原因;2007—2011年間，草地轉(zhuǎn)移為灌叢是影響NPP變化的主要原因。

要保障溫帶草原地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力，應(yīng)該著重保證灌叢和草地的覆被面積，協(xié)調(diào)區(qū)域資源開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)，保障流域生態(tài)系統(tǒng)平衡。在區(qū)域尺度上堅持“以草定畜”原則，將牲畜頭數(shù)限制在各地區(qū)、各地方實際牧草供應(yīng)能力范圍之內(nèi);加強(qiáng)草原區(qū)的生態(tài)工程建設(shè)，如退化草地的改良、沙化土地的治理，以實現(xiàn)對受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù);同時應(yīng)協(xié)調(diào)區(qū)域資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)。草原周邊礦產(chǎn)資源豐富，經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動導(dǎo)致近年來礦產(chǎn)資源被大量開采，導(dǎo)致土地塌陷、裂縫，地下水沉降，水土流失，從而影響草原植被的生長，有關(guān)部門應(yīng)在合理開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時加倍重視礦山環(huán)境的恢復(fù)與治理。

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