縣域尺度植被凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算及時(shí)空變化特征

李貝+于莉+郭碩+張蓬濤

摘要：縣域NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）是生態(tài)過程的重要參數(shù)，對(duì)區(qū)域生態(tài)調(diào)控具有重要的借鑒意義。為掌握縣域NPP時(shí)空變化特征，探索生態(tài)調(diào)控的最優(yōu)途徑，以氣象和遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用CASA模型估算河北省秦皇島市青龍滿族自治縣2001年、2007年、2013年3個(gè)時(shí)期的NPP產(chǎn)量，并分析了各土地類型NPP產(chǎn)量的時(shí)空變化情況。結(jié)果表明，不同用地類型NPP總產(chǎn)量、單產(chǎn)均呈下降趨勢。各土地類型NPP單產(chǎn)下降幅度均在20%以上，耕地降幅最大，為30.07%，園地降幅最小，為24.70%。單位面積NPP產(chǎn)量平均值最大的用地類型為林地，其次為未利用地，園地與耕地的NPP產(chǎn)量相近。以格網(wǎng)為單元對(duì)NPP單產(chǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，空間分布由西北、東南部縣域邊緣的高值向中西部、中部遞減。NPP產(chǎn)量的冷熱點(diǎn)區(qū)與土地類型的空間分布關(guān)系密切。

關(guān)鍵詞：縣域；NPP；時(shí)空變化；冷熱點(diǎn)分析；土地類型

中圖分類號(hào)： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）12-0246-04

NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）是綠色植物在特定面積、時(shí)間內(nèi)積累的用于植物生長及繁殖的有機(jī)物數(shù)量[1]。NPP不僅是表征陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)能力大小的重要指標(biāo)，而且具有吸收氧氣、釋放二氧化碳、碳匯三大功能，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有重要的調(diào)節(jié)作用。對(duì)NPP時(shí)空變化特征的研究是監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)狀況的重要手段，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。穆少杰等對(duì)內(nèi)蒙古不同植被類型的NPP進(jìn)行估算，并分析其對(duì)氣候的響應(yīng)[2]。張鐿鋰等通過NPP的估算對(duì)青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行了研究[3]。其他學(xué)者也基于對(duì)NPP時(shí)空特征的分析對(duì)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)狀況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析[4-6]。但對(duì)縣域尺度NPP的研究較少，且基于格網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行的空間變化分析鮮有報(bào)道。河北省秦皇島市青龍滿族自治縣處于省級(jí)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，是京、津、冀東地區(qū)的生態(tài)屏障，生態(tài)功能地位較重要，因此，研究青龍滿族自治縣植被生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征，對(duì)縣域范圍內(nèi)的生態(tài)調(diào)控具有重要意義。

1研究區(qū)概況

青龍滿族自治縣（以下簡稱青龍縣）位于河北省東北部燕山山脈東段，處于東經(jīng)118°33′31″～119°36′30″、北緯 40°04′40″～40°36′52″之間。屬大陸性季風(fēng)氣候，季風(fēng)顯著。年平均太陽輻射量5 498 MJ/m2，年平均日照時(shí)數(shù)2 769.4 h，年平均氣溫9.4 ℃，最冷月、最熱月分別是1月、7月；年平均降水量668.4 mm，降水集中在夏季，多暴雨，夏季降水占年降水量的72.7%；年平均蒸發(fā)量1 481.8 mm?？h域地勢西、北高，東、南低，自西北向東南傾斜，呈馬鞍形。青龍縣的地貌特點(diǎn)為山地、丘陵、河谷相間分布，耕地少，林地面積大，水資源豐富，這種地形分布決定了全縣以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)林牧多種經(jīng)營的生產(chǎn)格局。

2數(shù)據(jù)與方法

2.1研究數(shù)據(jù)

（1）本研究所涉及的遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（www.gscloud.cn）3期Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)（2001年、2007年、2013年），成像時(shí)間為8月、9月（時(shí)間間隔小于1個(gè)月）。為更好地獲取土地利用信息，提高解譯數(shù)據(jù)精度，對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。

（2）NDVI數(shù)據(jù)來自美國LAADS網(wǎng)站，為16 d合成數(shù)據(jù)，依據(jù)最大合成法將3年69幅NDVI數(shù)據(jù)形成逐月NDVI數(shù)據(jù)。

（3）氣象數(shù)據(jù)來源于青龍滿族自治縣周邊的12個(gè)氣象站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)及我國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/satellite），數(shù)據(jù)包括各月降水量、氣溫、太陽輻射、日照時(shí)數(shù)等，并進(jìn)行空間插值。

2.2研究方法

目前估算陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力的模型主要有參數(shù)、統(tǒng)計(jì)、過程模型3類[7-11]。比較各模型的優(yōu)缺點(diǎn)并結(jié)合研究區(qū)的特點(diǎn)、掌握的數(shù)據(jù)情況，采用CASA模型[12-13]進(jìn)行估算，公式如下：

NPPyear=∑ni=1NPPmouth（x，t）；

NPPmonth（x，t）=APAR（x，t）×ε（x，t）。

式中：APAR（x，t）為光合有效輻射，MJ/m2；ε（x，t）為光能利用率，g C/MJ；x表示第x個(gè)像元；t為第t月；NPPyear、NPPmonth分別為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年值數(shù)據(jù)、月值數(shù)據(jù)。

（1）APAR的估算

APAR的大小與太陽輻射量（SOL）、光合有效吸收率有關(guān)，公式為

APAR（x，t）=FPAR（x，t）×SOL（x，t）×0.5。

式中：FPAR、SOL分別為能夠被植被吸收的入射光合有效輻射（PAR）比例、太陽輻射量，單位均為MJ/（m2·月）；0.5為能夠被植被所利用的太陽有效輻射。

FPAR與NDVI（差分植被指數(shù)）、SR（比值植被指數(shù)）均存在很大相關(guān)性，可依據(jù)相關(guān)公式計(jì)算[12]。

（2）ε（x，t）的估算

ε（x，t）指能量固定效率，即將被植物所吸收的PAR（光合有效輻射）轉(zhuǎn)為有機(jī)碳的效率。ε（x，t）的大小受溫度、光照等因素的影響，公式為

ε（x，t）=f（T）×f（β）×εmax。

式中：f（T）、f（β）分別為溫度、水分脅迫系數(shù)；T、β分別為溫度、蒸發(fā)比；εmax為最大光能轉(zhuǎn)化率，g C/MJ。

①εmax的估算

εmax用有機(jī)物所含能量與土地所接受的太陽能的比值表示。直接估算NPP與間接估算NPP，因是否考慮呼吸消耗而不同。本研究直接估算NPP，考慮了呼吸消耗，采用朱文泉等的研究結(jié)果，林地εmax取0.692 g C/MJ，其他植被類型取0542 g C/MJ[14]。

②f（T）、f（β）的估算

f（T）、f（β）分別為溫度、水分脅迫系數(shù)，兩者分別表示溫度、水分對(duì)植物光合作用的影響[15]，公式[16]為endprint

f（T）=fg1（x，t）×fg2（x，t）；

fg1（x，t）=0.8+0.02fopt（x）=0.000 5[fopt（x）]2

fg2（x，t）=1.184[1+e0.2[fopt（x）-10-f（x，t）]]×[1+e0.3[-fopt（x）-10+f（x，t）]]。

式中：fg1（x，t）代表溫度過高或者過低時(shí)，對(duì)植物光合作用的限制，特別地，當(dāng)月平均溫度小于等于-10 ℃時(shí)，fg1（x，t）=0；fg2（x，t）表示氣溫從最適宜溫度升高或降低的過程中，對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響；fopt（x）為植被最適溫度，依據(jù)年內(nèi)NDVI最高值的月平均氣溫確定；f（x，t）為t月像元x的月平均溫度，特別地，在f（x，t）低于最適宜溫度13 ℃或者高于最適宜溫度10 ℃的情況下，fg2（x，t）是月平均溫度為最適宜溫度的情況下fg2（x，t）的1/2。

f（β）=0.5+0.5EET（x，t）/PET（x，t）[0.5≤f（β）≤1.0]。

式中：EET（x，t）為實(shí)際蒸散量，mm；PET（x，t）為潛在蒸散量，mm。

EET（x，t）=P（x，t）×Rn（x，t）×{[P（x，t）]2+P（x，t）×Rn（x，t）+[Rn（x，t）]2}[P（x，t）+Rn（x，t）]×[（P（x，t））2+（Rn（x，t））2]；

Rn（x，t）=[PETO（x，t）×P（x，t）]0.5×{0.369+0.598×[PETO（x，t）/P（x，t）]0.5}；

PET（x，t）=[EET（x，t）+PETO（x，t）]/2。

式中：P（x，t）、Rn（x，t）分別表示t月份x像元的月降水及地表凈輻射量；其中PETO（x，t）為局地潛在蒸散量，由Thornthwaite植被-氣候關(guān)系模型求得[17-18]。

3結(jié)果與分析

3.1時(shí)間變化分析

3.1.1各土地類型NPP總量的變化土地利用類型面積變化是影響生態(tài)環(huán)境變化及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因子，不同土地類型間的轉(zhuǎn)換對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化產(chǎn)生不同的影響?；诖耍狙芯繉?duì)青龍縣2001—2013年各土地類型（除水域、建設(shè)用地外）的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

由表1可知，2001—2013年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力總量呈下降趨勢，12年間共減少了47.04萬t C，平均每年減少3.92萬t C。各土地類型NPP產(chǎn)量均呈減少的趨勢且存在明顯差異，其中未利用地減少的數(shù)量最多，12年間減少了23.15萬t C，占減少總量的49.21%；減少數(shù)量最小的為園地，占減少總量的8.97%；按NPP產(chǎn)量減少數(shù)量排序?yàn)槲蠢玫?林地>耕地>園地。2001—2007年，6年間NPP總量共減少了31.28萬t C，平均每年減少5.21萬t C，按NPP產(chǎn)量減少數(shù)量排序?yàn)槲蠢玫?林地>園地>耕地。2007—2013年，6年間總量共減少了15.76萬t C，平均每年減少2.63萬t C，按NPP產(chǎn)量減少數(shù)量排序?yàn)槲蠢玫?林地>耕地>園地。

對(duì)上述3個(gè)時(shí)間段NPP產(chǎn)量的變化進(jìn)行對(duì)比可知，3個(gè)時(shí)間段未利用地、林地的變化量較大，始終位于前2位；2001—2007年變化量最小的用地類型為耕地；2007—2013年園地變化量最小，為0.89萬t C，同時(shí)也是12年間變化量最小的用地類型。NPP產(chǎn)量的變化情況與2個(gè)因素相關(guān)，分別為面積數(shù)量、單位面積NPP產(chǎn)量。未利用地與林地NPP產(chǎn)量變化較大，主要原因?yàn)檫@2種用地類型是研究期變化幅度最大的用地類型。而園地的面積變化情況為2001—2007年變化較大，2007年后變化較小，說明各地類的NPP產(chǎn)量受面積數(shù)量的變化波動(dòng)較明顯。

3.1.2NPP總量構(gòu)成的變化由圖1可知，12年間NPP總量的構(gòu)成中，林地、未利用地NPP產(chǎn)量的占比較大，3個(gè)時(shí)期二者占NPP總量均為75%以上；耕地NPP產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度最小，始終低于9%。可見該地區(qū)固碳釋氧供給的來源主要為林地與未利用地。整體來看，3個(gè)時(shí)期NPP產(chǎn)量的結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，占比大小均為林地>未利用地>園地>耕地。2001—2007年、2007—2013年、2001—2013年3個(gè)時(shí)間段園地與林地的構(gòu)成比例始終遞增，未利用地的構(gòu)成比例持續(xù)降低，而耕地比例變化不明顯，與土地類型比例的變化情況基本一致，而耕地由于面積較小，比例變化不明顯。2001—2007年、2007—2013年、2001—2013年3個(gè)時(shí)間段比例變化最大與最小的分別為未利用地、耕地。體現(xiàn)出人類活動(dòng)對(duì)土地利用方式的改變直接影響了NPP產(chǎn)量的變化情況，尤其是對(duì)未利用地的開發(fā)，造成未利用地NPP產(chǎn)量比例變化明顯。

3.1.2各用地類型單位面積NPP產(chǎn)量的變化由圖2可知，研究區(qū)單位面積NPP產(chǎn)量均值最大的是林地，其次為未利用地，園地與耕地單位面積NPP產(chǎn)量相近。林地的單位面積NPP產(chǎn)量均值較大的主要原因?yàn)樵搮^(qū)域林地的光能轉(zhuǎn)化率較其他土地類型大。平均單位面積NPP產(chǎn)量分別由2001年的539.24 g C/（m2·年）下降到2007年、2013年的44342、397.07 g C/（m2·年），下降了17.77%、26.36%，表明NPP的生產(chǎn)力退化較為明顯，且2001—2007年比2007—2013年退化迅速。對(duì)同一時(shí)期各用地類型的NPP產(chǎn)量均值差異情況進(jìn)行比較，2001年、2007年、2013年的標(biāo)準(zhǔn)差分別為22.10、22.06、22.54，表明年際間的相對(duì)變化較小，呈現(xiàn)各用地類型NPP產(chǎn)量均值整體下降的趨勢。各土地類型平均單位面積的NPP產(chǎn)量均呈下降趨勢，各土地類型平均單位面積NPP產(chǎn)量的下降幅度均在20%以上，耕地的降幅最大，為30.07%，園地的降幅最小，為24.70%。說明耕地受人類活動(dòng)的干擾較強(qiáng)，NPP的生產(chǎn)能力下降較明顯。endprint

3.2空間變化分析

3.2.1空間分布情況為進(jìn)一步研究NPP產(chǎn)量的空間分布差異，本研究以格網(wǎng)為單元對(duì)單位面積NPP產(chǎn)量進(jìn)行等級(jí)劃分，200～300、>300～400、>400～500、>500 g C/（m2·年）分別為低值、中值、中高值、高值（圖3）。采用ArGIS 10.2軟件，計(jì)算研究區(qū)2001年、2007年、2013年各類土地用地比率的Getis-Ord G*指數(shù)（設(shè)定置信度水平為95%）。根據(jù)評(píng)價(jià)模型計(jì)算可知，青龍縣2001年單位面積NPP平均產(chǎn)量主要分布在中值、中高值，分別占總面積的32.92%、54.90%；2007年高值區(qū)域在西北、西南擴(kuò)張。到2013年，單位面積NPP平均產(chǎn)量又主要分布在中、中高值，占比分別為3973%、48.19%。單位面積NPP平均產(chǎn)量空間分布上的總體特征為高值在西北都山林場、東南祖山林場集中分布，產(chǎn)量由縣域邊緣向中西部、中部遞減，中值區(qū)域逐步擴(kuò)大，低值零星分布。出現(xiàn)該分布的原因是縣域邊緣為林地、未利用地聚集區(qū)域，林地的光能轉(zhuǎn)化率比其他土地類型大，未利用地受人類干擾較少，在縣域邊緣形成高值、中高值區(qū)。2001—2007年由于受退耕還林政策的影響，出現(xiàn)高值區(qū)域擴(kuò)大的現(xiàn)象。2007年后退耕還林初步結(jié)束，隨著土地利用變化，未利用地大幅減少，人類的活動(dòng)范圍逐步擴(kuò)大，單位面積NPP產(chǎn)量出現(xiàn)衰退的現(xiàn)象。

3.2.2空間分布特征經(jīng)計(jì)算，2001年處于NPP產(chǎn)量熱點(diǎn)區(qū)的柵格數(shù)為132個(gè)，占柵格總數(shù)的13.62%，主要分布在縣域的西北部邊緣、東南角（圖4）。處于冷點(diǎn)區(qū)的柵格數(shù)為125個(gè)，占柵格總數(shù)的12.90%，分布在縣域的西南部、中北部、東北部區(qū)域（圖4）。冷點(diǎn)區(qū)與熱點(diǎn)區(qū)柵格數(shù)量相當(dāng)，二者合計(jì)占柵格總數(shù)的26.52%，表明區(qū)域NPP產(chǎn)量聚集分布特征較明顯的區(qū)域占研究區(qū)的26.52%。2007年、2013年西北部邊緣的熱點(diǎn)區(qū)呈縮減趨勢，東南角呈先縮減后擴(kuò)展的趨勢；冷點(diǎn)區(qū)在西南部擴(kuò)張，東北部區(qū)縮減。熱點(diǎn)區(qū)主要為都山林場、祖山林場所在的區(qū)域，一方面由于林地覆蓋率高，植被覆蓋度好，兩區(qū)域?yàn)镹DVI指數(shù)高值聚集區(qū)域，且林地光能轉(zhuǎn)化率較該地其他土地類型大，故形成高值聚集區(qū)域。冷點(diǎn)區(qū)西南、中北、東北部為地均NPP產(chǎn)量低值聚集區(qū)，分別為園地、耕地、未利用地聚集區(qū)，這些區(qū)域森林覆蓋率較低，植被覆蓋度不高。整體來看，冷點(diǎn)、熱點(diǎn)區(qū)域隨時(shí)間變化不大，NPP產(chǎn)量高值與低值聚集區(qū)域空間分布較為穩(wěn)定，說明NPP產(chǎn)量的

局部空間自相關(guān)性受社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件影響較小，受自然條件影響較大。

4結(jié)論

利用CASA模型對(duì)研究區(qū)2001—2013年的植被凈第一生產(chǎn)能力進(jìn)行估算，并對(duì)NPP單產(chǎn)的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

青龍縣2001—2013年NPP總產(chǎn)量整體呈下降趨勢，其中未利用地的NPP產(chǎn)量減少最多，12年間減少了23.15萬t C，占減少總量的49.21%。原因?yàn)槲蠢玫厥墙陙砻娣e減少最多的用地類型。

研究期間各土地類型單位面積NPP產(chǎn)量呈下降趨勢，下降幅度均在20%以上，耕地降幅最大，為30.07%，園地降幅最小，為24.70%。說明耕地受人類活動(dòng)的干擾較強(qiáng)，NPP的生產(chǎn)能力下降較明顯。

單位面積NPP平均產(chǎn)量空間分布特征是由西北部的都山林場、東南祖山林場高值區(qū)，縣域邊緣的中高值區(qū)向中西部、中部遞減，中值區(qū)域逐步擴(kuò)大，低值零星分布。出現(xiàn)該分布的原因與土地類型分布和人類活動(dòng)密切相關(guān)。對(duì)區(qū)域NPP產(chǎn)量冷熱點(diǎn)區(qū)的劃分為進(jìn)一步制定研究區(qū)土地利用方向及生態(tài)規(guī)劃提供了參考。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.12.063endprint