基于MOD17A3的介休市植被NPP變化分析

楊 艷，史 廣

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

基于MOD17A3的介休市植被NPP變化分析

楊 艷1，史 廣2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

基于RS和GIS技術(shù)，利用2001—2010年的MOD17A3數(shù)據(jù)對(duì)山西省介休市的陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，定量研究了其變化趨勢(shì)，通過研究不同年份的土地利用變化，分析其產(chǎn)生變化的原因。結(jié)果表明，2001—2010年介休市陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力基本呈增加趨勢(shì)，不同地區(qū)的年均NPP值及其變化特征各不相同，北部平川地區(qū)和南部山區(qū)的年均NPP值明顯高于中部丘陵區(qū)。經(jīng)綜合分析，土地利用變化與植被覆蓋度成為影響介休市植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要因素。

NPP；植被覆蓋；趨勢(shì)；土地利用變化

陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net PrimaryProductivity，NPP）指的是綠色植物在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)所產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)的總量[1]。NPP作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳積累和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，在全球變化及碳平衡中發(fā)揮著重要的作用[2]。因此，對(duì)于一個(gè)地區(qū)植被NPP時(shí)空變化及原因的研究，不僅可揭示全球變暖大趨勢(shì)下該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)程度[3]，而且也可以為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、植物估產(chǎn)和國(guó)土資源開發(fā)建設(shè)、自然資源的有效管理和合理利用以及為制定相應(yīng)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)[4]。

目前，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的模型很多，主要可以概括為3類：統(tǒng)計(jì)模型（Statistical model）、參數(shù)模型（Parameter model）、過程模型（Process-based model）[5]。相較于傳統(tǒng)的樣區(qū)實(shí)測(cè)方法，運(yùn)用遙測(cè)估算凈初級(jí)生產(chǎn)力既快速又便利，且不局限于大尺度區(qū)域，對(duì)于小尺度區(qū)域依然可以適用[6]。我國(guó)學(xué)者采用不同分辨率、不同時(shí)間范圍的遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)典型地區(qū)植被以及植被凈初級(jí)生產(chǎn)力及其對(duì)主要環(huán)境因子的響應(yīng)進(jìn)行了研究[7-10]。王磊等[11]在遙感技術(shù)的支持下，利用完全由遙感資料驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)效率GLO-PEM模型，分析了1981—2000年我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP時(shí)空變化特征，結(jié)果表明，1981—2000年我國(guó)總NPP呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，全國(guó)NPP年均值由西北向東南方向逐步增加，經(jīng)向剖線NPP變化規(guī)律不明顯，緯向40°N線是南北分界線，往南隨著緯度的降低，剖線平均NPP逐步升高；往北隨著緯度的增加，剖線平均NPP逐步變大，剖線NPP均值最高的是20°N線，異質(zhì)性最高的是30°N線。

本研究分析了山西省介休市2001—2010年10 a的陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)，旨在為介休市的生態(tài)環(huán)境保護(hù)、國(guó)土資源開發(fā)建設(shè)、自然資源的有效管理和合理利用及制定相應(yīng)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 研究區(qū)概況 介休市位于山西省中南部，南依綿山，北臨汾河，地跨東經(jīng)111°44′10″～112°10′14″，北緯36°50′01″～37°11′04″，東西長(zhǎng)38.5 km，南北寬38 km，市境總面積744 km2[12]。屬溫帶季風(fēng)氣候，全年日照時(shí)數(shù)2 500 h左右,年平均氣溫為10.4℃[13]。地勢(shì)形態(tài)呈南高北低，海拔740～2487 m。南部為山區(qū)，主峰有綿山、天峰山等，屬太岳山脈，面積312 km2，占全市總面積的42.09%；中部為丘陵區(qū)，面積191.7 km2，占全市總面積的25.86%；北部為平川區(qū)，面積為237.6 km2，占全市總面積的32.05%。2009年，介休市耕地面積399 558.2 hm2，林地面積為26 637.2 hm2，園地面積為1 791.3 hm2，草地面積為204.7 hm2，水域用地為117.3 hm2，居民工礦用地為8 052.5 hm2，交通用地為583.5 hm2，未利用地為10 743.7 hm2，其他農(nóng)用地為9 653.3 hm2。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源 本研究采用我國(guó)1∶400萬全國(guó)矢量電子地圖，用于裁剪研究區(qū)域。所采用的衛(wèi)星遙感資料來自美國(guó)NASA的EOS/MODIS的2001—2010的10 a的MOD17A3的1 km分辨率的全球陸地植被生產(chǎn)力（NPP）的數(shù)據(jù)[14]。MODIS是搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的一個(gè)重要的傳感器，并通過x波段向全世界直接廣播，并可以免費(fèi)接收數(shù)據(jù)并無償使用的星載儀器，全球許多國(guó)家和地區(qū)都在接收和使用MODIS數(shù)據(jù)。

參考介休市第二次全國(guó)土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到介休市2001，2010年的土地利用結(jié)構(gòu)[15]（表1）。

表1 介休市2001，2010年土地利用結(jié)構(gòu) %

1.2 NPP衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理方法

運(yùn)用ArcGis軟件將我國(guó)1∶400萬的矢量電子地圖裁剪，裁剪出1∶400萬介休市邊界，運(yùn)用ERDAS IMAGINE 9.1軟件將獲取的HDF格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為IMG格式，并將其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為UTM投影坐標(biāo)。運(yùn)用前期提取的1∶400萬介休市邊界制作1 km的掩膜圖層，并運(yùn)用該掩膜圖層對(duì)2001—2010年的植被NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪[16]。運(yùn)用ERDAS IMAGINE 9.1軟件計(jì)算出介休市2001—2010年10 a的NPP均值。最后經(jīng)柵格/矢量轉(zhuǎn)化后統(tǒng)計(jì)逐年介休市NPP值與年均NPP值，并在ArcGIS 9.3中進(jìn)行專題地圖的制作，生成圖1。

根據(jù)介休市地形地貌特征，將研究區(qū)劃分成為3個(gè)區(qū)域，即北部平川區(qū)，中部丘陵區(qū)和南部山區(qū)。對(duì)2001—2010年的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，分類匯總3個(gè)區(qū)域逐年NPP值，利用線性回歸方法分析其變化趨勢(shì)[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 NPP空間分布特征

介休市2001—2010年10 a的NPP雖然有所變化，但每年的分布格局基本一致。從圖1可以看出，北部平川區(qū)NPP值相對(duì)較高，即義棠鎮(zhèn)、三佳鄉(xiāng)、義安鎮(zhèn)和張?zhí)m鎮(zhèn)及其以北的地區(qū)NPP值較高；南部山區(qū)NPP值也較高，中部丘陵區(qū)即洪山鎮(zhèn)、連福鎮(zhèn)等地區(qū)NPP值較低。

2.2 NPP變化趨勢(shì)分析

運(yùn)用介休市2001—2010年NPP的柵格數(shù)據(jù)的屬性表，統(tǒng)計(jì)得出每年NPP均值，并按照平川區(qū)、丘陵區(qū)和山區(qū)進(jìn)行分區(qū)匯總（表2）。從表1，2可以看出，與2001年相比，2010年的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，農(nóng)用地面積比例減少、建設(shè)用地面積比例增加，與之相對(duì)應(yīng)的年均NPP值卻在這10 a間呈增加的趨勢(shì)，說明農(nóng)用地的利用效率增加，植被恢復(fù)良好，單位面積單位時(shí)間上NPP值明顯變大。因而，在農(nóng)用地面積減少的情況下年均NPP值逐漸增加。

表2 介休市2001—2010年年均NPP值 kg/km2

從表2可以看出，介休市北部平川區(qū)NPP值明顯高于中部丘陵區(qū)和南部山區(qū)。從3個(gè)地區(qū)2001—2010年10 a年均NPP值分析可以看出，北部平川區(qū)恢復(fù)得最好，南部山區(qū)次之，中部丘陵區(qū)恢復(fù)得相對(duì)緩慢，造成這種現(xiàn)象的原因除了土地利用格局和降雨量等的變化外，主要是土地利用效率的提高，特別是農(nóng)用地利用效率的提高。

從圖2可以看出，2001—2010年介休市NPP值雖有波動(dòng)，但總體趨勢(shì)是增長(zhǎng)的。其中，2004—2005，2006—2007，2008—2009年 NPP值有所下降，2001年NPP值最低，為2 001 kg/km2；2001—2004，2005—2006，2007—2008，2009—2010年年均NPP值均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，變化較為明顯，其中，2004年最高，達(dá)到3 274 kg/km2。

3 結(jié)論

本研究基于EOS/MODIS1資料以及土地利用變化狀況分析得出，介休市2001—2012年10 a年均NPP值呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2004年達(dá)到最佳，為3 274 kg/km2；2001—2010年介休市不同地區(qū)的年均NPP值不同，介休市北部平川區(qū)和南部山區(qū)植被生長(zhǎng)或植被覆蓋度狀況良好，因此，NPP值相對(duì)較高，而中部丘陵區(qū)植被生長(zhǎng)或者植被覆蓋度狀況較差，NPP值普遍較低。

與2001年相比，2010年介休市建設(shè)用地面積增多，農(nóng)用地面積減少，而2001—2010年10 a間介休市的年均NPP值卻明顯增加，說明土地利用效率得到顯著改善。同時(shí)，合理利用土地、提高土地利用效率，是保持NPP穩(wěn)步增長(zhǎng)的根本因素。

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Analysis on the Change of Vegetation NPP Based on the MOD17A3 in Jiexiu City

YANGYan1，SHI Guang2
（1.College ofInformation Science and Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.College ofResource and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

This paper based on the technology ofremote sensing and geographical information system,by using the MOD17A3 data tomonitor the Net PrimaryProductivity（NPP）duringthe period 2001 to2010 in Jiexiu cityofShanxi province,and made a quantitative study of the NPP change trend,analyzed the reasons for change by studying the change of land use in different years.The result showed that from 2001 to 2010,the terrestrial vegetation NPP in Jiexiu showed an increasing trend,in different regions,the average annual NPP as well as the variations characteristics were not the same,the annually average NPP value of the northwestflat region and southern mountain areas were significantly higher than the hills in the central regions.By the comprehensive analysis,the change of land use and vegetation cover became the major factors which influenced the NPP ofthe Jiexiu city.

Net PrimaryProductivity;vegetation cover;trend;land use change

Q948

A

1002-2481（2016）08-1169-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.08.27

2016-03-22

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2012314）

楊 艷（1984-），女，山西忻州人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的教學(xué)及研究工作。