2000-2014年呼倫貝爾沙地河流濕地植被NPP時空變化及驅(qū)動力分析

郭連發(fā), 來 全,2, 伊博力, 銀 山

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特010022;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息重點實驗室, 呼和浩特 010022)

2000-2014年呼倫貝爾沙地河流濕地植被NPP時空變化及驅(qū)動力分析

郭連發(fā)1, 來 全1,2, 伊博力1, 銀 山1

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特010022;2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息重點實驗室, 呼和浩特 010022)

植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)可以直接反映植被在自然環(huán)境中的生產(chǎn)能力，利用遙感影像、氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合簡單差值法、趨勢分析法以及線性回歸分析對呼倫貝爾沙地河流濕地NPP進(jìn)行了時空變化研究與驅(qū)動力分析。結(jié)果表明：時間上，呼倫貝爾沙地河流濕地NPP呈現(xiàn)波動式增長，NPP增長面積可達(dá)整個濕地面積的92.51%，年增長率為0～2 gC/(m2·a)；空間上，河流濕地NPP值呈現(xiàn)東高西低格局。而15年間NPP增加最快的濕地為處于西部的克魯倫河濕地，增長面積可達(dá)99.5%；氣候變化與人類活動是導(dǎo)致NPP變化的兩個重要因素，NPP增長與降水量呈顯著正相關(guān)(R=0.703)，與氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)(R=-0.559)。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化使得人類活動對生態(tài)環(huán)境的壓力減小，促使?jié)竦豊PP的增加。同時，國家政策以及治沙工程同樣影響著NPP的變化。

植被凈初級生產(chǎn)力; 時空變化; 驅(qū)動力分析; 河流濕地

濕地作為陸地表層獨特而重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，在水分和整個物質(zhì)循環(huán)中起到重要作用，它不僅具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源的功能，還具有較高的生產(chǎn)力以及豐富的物種多樣性[1-2]。做好濕地保護(hù)工作有助于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)文明建設(shè)。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被在單位面積和單位時間上由光合作用固定的有機(jī)質(zhì)總量中扣除植物自養(yǎng)呼吸的消耗量后的剩余部分，它會隨著環(huán)境的改變而發(fā)生變化，因此它能直接反映綠色植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力[3-4]。同時植被凈初級生產(chǎn)力與氣候變化、土地荒漠化有著密切的關(guān)系，為全球性或者區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境問題研究提供了重要依據(jù)[5]。目前，濕地植被NPP方面的研究主要側(cè)重在利用模型對植被NPP進(jìn)行估算以及把氣候因素作為影響NPP變化的主要驅(qū)動因素來進(jìn)行分析，而對于利用MODIS17A3數(shù)據(jù)進(jìn)行NPP時空變化研究則主要以大區(qū)域研究為主[6-9]。相反，對小區(qū)域的濕地植被NPP時空變化研究匱乏，而且比較容易忽略人類活動對濕地植被NPP變化的影響。一直以來，對呼倫貝爾沙地相關(guān)研究較多，但對濕地方面的研究極少。所以，本文選取呼倫貝爾沙地河流濕地為研究對象，對濕地植被NPP進(jìn)行時空變化研究，同時綜合氣候變化和人類活動兩方面因素對其驅(qū)動力進(jìn)行分析，從而為本地區(qū)的濕地保護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)，以促進(jìn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與改善。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫貝爾沙地位于大興安嶺的西側(cè)內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原上(47°20′—49°50′N,117°10′—121°12′E)，平均海拔650～700 m。該地區(qū)溫帶大陸性氣候顯著，夏季溫和，冬季寒冷，降水主要集中在夏季，多年平均降水量325 mm。區(qū)域最低氣溫可達(dá)-46.6℃，最高氣溫達(dá)到37.7℃，年平均氣溫-1.5℃；日照充足，年日照時數(shù)平均為2 900 h，日照百分率在61%以上[10]。研究區(qū)內(nèi)水系相對密集，主要有呼倫湖、貝爾湖、伊敏河、輝河、烏爾遜河、克魯倫河、海拉爾河和額爾古納河。本文選取河流濕地分布情況見圖1。

圖1河流濕地分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 本文所用遙感數(shù)據(jù)為2000—2014年MODIS NPP產(chǎn)品數(shù)據(jù)MODIS17A3，空間分辨率為1 km×1 km，數(shù)據(jù)在美國宇航局NASA網(wǎng)站(http:∥ladswed.nascom.nasa.gov/)直接下載。該數(shù)據(jù)在全球以及區(qū)域NPP與碳循環(huán)研究中得到廣泛的認(rèn)可[11]。而且已有研究證明MODIS17A3數(shù)據(jù)在中國東北地區(qū)具有一定的精度[12]。為便于計算，利用MRT(Modis Reprojection Tool)軟件對NPP影像進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。河流濕地采用分辨率為30 m的TM影像(http:∥glovis.usgs.gov/)選取植被生長季(6—8月)云量較小的影像在ArcGIS軟件中進(jìn)行目視解譯獲取。

1.2.2 其他數(shù)據(jù) 本文使用的氣象數(shù)據(jù)為植被生長季(4—9月份)的氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)，由中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供(http:cdc.cma.gov.cn)2000—2014年呼倫貝爾沙地及其周邊氣象站點的月平均降水量(mm)以及月平均氣溫(℃)數(shù)據(jù)。人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)蒙古2000—2014年統(tǒng)計年鑒獲取。

2 結(jié)果與分析

2.1 河流濕地NPP時間變化及空間分布

由表1可以看出研究區(qū)內(nèi)5個河流濕地NPP隨著時間的推移均表現(xiàn)出上升趨勢。多年平均NPP表現(xiàn)為伊敏河濕地>輝河濕地>海拉爾河濕地>烏爾遜河濕地>克魯倫河濕地，伊敏河濕地多年平均NPP值最大[38.2 gC/(m2·a)]，克魯倫河濕地多年平均NPP值最小[27.6 gC/(m2·a)]。在沙漠化最嚴(yán)重的呼倫湖附近的兩條河流濕地(克魯倫河濕地、烏爾遜河濕地)NPP值低于研究區(qū)平均水平。整個研究區(qū)內(nèi)的河流濕地NPP均表現(xiàn)出一定程度的浮動變化，但15 a間本研究區(qū)內(nèi)NPP值是增長的。

2000—2014年呼倫貝爾沙地區(qū)河流濕地平均NPP分布見圖2，受到地形條件以及氣候影響河流濕地NPP值由東向西遞減，伊敏河濕地大部分地區(qū)NPP值處于30～50 gC/(m2·a)，海拉爾河濕地東部以及輝河濕地南部NPP值較高。NPP值較低的地區(qū)主要包括烏爾遜河濕地、克魯倫河濕地以及海拉爾河濕地西部，NPP值范圍為20～40 gC/(m2·a)，這幾處河流濕地分布在在沙漠化較嚴(yán)重的核心地帶，主要土壤類型為鹽土、堿土[13-14]。在呼倫貝爾草原生態(tài)評價中，鄂溫克自治旗在6個旗縣中整體評價最好，而新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗生態(tài)安全較差[15]，從NPP平均分布圖中可以得到有力的數(shù)據(jù)支持。

表1 2000-2014年呼倫貝爾沙地年均河流濕地NPP gC/(m2·a)

圖22000-2014年河流濕地NPP平均分布

NPP高值區(qū)分布在陳巴爾虎旗、海拉爾市、鄂溫克族自治旗境內(nèi)，共同特點為所在地海拔較高，降水多。而NPP低值區(qū)分布在呼倫湖周圍，該地區(qū)海拔較低，降水量少，沙漠化嚴(yán)重。受到氣候條件以及荒漠化的影響，東部研究區(qū)總體NPP值要比西部研究區(qū)NPP值高10 gC/(m2·a)。

2.2 河流濕地NPP的變化特征

本研究采用簡單差值法以及一元線性回歸趨勢分析法對比分析15 a來呼倫貝爾沙地地區(qū)河流濕地NPP的變化特征，以了解五條河流濕地15 a的NPP變化規(guī)律。

2.2.1 濕地NPP15 a總的變化特征 簡單差值法

將2000年和2014年NPP影像利用ArcGIS柵格計算器(Raster Calculator)進(jìn)行差值計算，生成15 a河流濕地NPP變化特征空間分布圖(圖3)。通過此方法可以直觀的觀察15 a的NPP變化情況。由圖3可以看出濕地整體NPP值是增加的，增幅10～20 gC/(m2·a)。只有一小部分地區(qū)NPP值減小，主要分布在陳巴爾虎旗周圍、海拉爾河與額爾古納河交匯處以及輝河濕地北部。濕地NPP增加最快的為克魯倫河濕地以及烏爾遜河濕地，這兩處濕地大部分地區(qū)NPP增幅20～30 gC/(m2·a)。為更加清楚直觀地了解濕地NPP的增減情況，對數(shù)據(jù)做統(tǒng)計得到表2。

圖3 2014年與2000年濕地NPP差值分布

由表2可知，研究區(qū)內(nèi)河流濕地NPP值增加的面積占到濕地面積的92.51%，只有伊敏河濕地和輝河濕地低于這個值，而輝河濕地增加面積不足90%，是唯一1個NPP增加面積不足90%的濕地，為5個濕地中最低?？唆攤惡訚竦豊PP增加面積可達(dá)99.5%,在所有濕地中增加面積百分比最高，說明近些年來來克魯倫河濕地保護(hù)較好，治沙工作比較見效。

2.2.2 濕地NPP年際變化率 利用簡單差值法進(jìn)行分析，雖然可以比較直接的反映15 a來NPP值的變化，但是由于其計算利用的是研究時段端點的圖像處理獲得，比較容易受到研究時段端點年份極端氣候的影響，而利用一元線性回歸分析可以一定程度上消除這一因素的影響[11]。因此利用此方法可以更好的了解15 a來每年的NPP增長率變化情況。針對時間序列的NPP數(shù)據(jù)，其年際變化率(θslope)采用基于像元的一元線性回歸分析方法，θslope>0說明變化趨勢是增加的，反之為減少，當(dāng)∣θslope∣≈0說明NPP值沒有發(fā)生變化[16-18]。

圖42000-2014年河流濕地NPP變化斜率

由圖4可以看出2000—2014年NPP變化斜率比較小，基本每年增幅為0.5～2 gC/(m2·a)，但是整體是呈現(xiàn)增加趨勢的。逐漸減小的地區(qū)分布在輝河濕地北部、海拉爾河濕地中部以及海拉爾河與額爾古納河交匯處，這說明這些地方植被狀況有所退化。海拉爾河濕地變化斜率比較小，變化斜率處于0～1 gC/(m2·a)；變化斜率最大的為克魯倫河濕地，可以達(dá)到1～2 gC/(m2·a)，這說明克魯倫河濕地植被狀況得到改善。為便于分析，數(shù)據(jù)整理后得到NPP不同變化斜率所占面積百分比表。

表3 河流濕地NPP不同變化斜率面積百分比

對表3分析可以得出：研究區(qū)內(nèi)河流濕地NPP雖然都在增加，但是增加比較快的(>0.5 gC/(m2·a)是克魯倫河濕地，可達(dá)84%。增加較緩慢的為海拉爾河濕地，僅占濕地面積的47.33%，低于研究區(qū)平均水平，但是海拉爾河濕地增幅為0～0.5 gC/(m2·a)的面積占到44.45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他濕地，這說明海拉爾河濕地植被狀況也在改善，只不過改善速度相比于其他濕地緩慢，濕地植被保護(hù)處于起步階段。

3 驅(qū)動力分析

3.1 氣候變化

氣候變化是濕地植被NPP變化的主要自然因素，是引起植被NPP發(fā)生變化的關(guān)鍵。本文從氣溫、降水分析了氣候變化對河流濕地NPP變化的影響，氣溫、降水均采用濕地植被生長季(4—9月份)數(shù)據(jù)，從氣溫、降水以及NPP變化趨勢圖(圖5)中可以發(fā)現(xiàn)，NPP的變化與氣溫、降水變化有著密切的關(guān)系。

近15 a來，研究區(qū)濕地植被生長季內(nèi)總的降水量變化波動比較大，為128.7～406.8 mm，總體呈波動增長趨勢。降水年份有3個明顯的峰值，分別出現(xiàn)在2002年、2008年、2013年，對應(yīng)的降水量分別為232.5 mm，228.6 mm，406.8 mm；氣溫變化為13.1～16℃，總體呈波動下降趨勢。而在2002年、2008年、2013年研究區(qū)內(nèi)氣溫正處于下降階段，對應(yīng)的溫度分別為15.2℃，14.7℃，13.1℃。不難發(fā)現(xiàn)，濕地植被NPP在2002年、2008年、2013年正處于上升期，對應(yīng)的NPP值分別為34.7 gC/(m2·a)，31.1 gC/(m2·a)，37.6 gC/(m2·a)。NPP變化與氣溫、降水的變化規(guī)律基本吻合，將氣溫、降水與NPP做相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)，NPP與降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(R=0.703，0.001

圖52000-2014年濕地NPP變化與氣候變化

3.2 人類活動

人類活動是很多自然災(zāi)害的原因之一，由于不合理的利用資源、大規(guī)模的開發(fā)等諸多因素容易對土地以及生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到破壞。本文主要從研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)方面分析人類活動對河流濕地的影響，通過整理內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒得到研究區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化圖(圖6)。

圖62000-2014年各旗縣第一產(chǎn)業(yè)占GDP百分比變化

2000—2014年內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒經(jīng)濟(jì)資料顯示研究區(qū)內(nèi)各旗縣第一產(chǎn)業(yè)占國民生產(chǎn)總值比重逐漸減小,這說明以土地資源為主的農(nóng)牧業(yè)不再占據(jù)經(jīng)濟(jì)增長的主導(dǎo)地位，這種現(xiàn)象勢必會減輕人類活動對土地資源以及生態(tài)環(huán)境的破壞。由于產(chǎn)業(yè)調(diào)整，農(nóng)牧業(yè)對草地、河流濕地的壓力減小，有利于河流濕地生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)從而使得植被生產(chǎn)力提高。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變中，新巴爾虎右旗第一產(chǎn)業(yè)占GDP百分比由2000年的67%降為6.2%，下降60.8個百分點，在6個旗縣中變化最為明顯。其次為新巴爾虎左旗，下降39.75%。此項數(shù)據(jù)有力的解釋了克魯倫河濕地與烏爾遜河濕地NPP增長最快的原因。因此，可以認(rèn)為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的變化與調(diào)整是河流濕地NPP增長的重要人類活動要素。

此外，2000年中央制定頒發(fā)了退耕還林(草)的明確政策，中央2號文件將“退耕還林(草)”列入西部大開發(fā)的重要內(nèi)容[19]。近些年來呼倫貝爾沙地特有的治沙模式取得明顯的效果[20]。部分濕地保護(hù)區(qū)的建立有利于濕地生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)。因此，人類活動也是濕地NPP變化的重要因素。

4 結(jié) 論

(1) 從時間角度分析，15 a以來呼倫貝爾沙地地區(qū)河流濕地NPP呈現(xiàn)波動式增長。NPP增長面積可以達(dá)到整個濕地面積的92.51%，年增長率大部分地區(qū)處于0～2 gC/(m2·a)，只有一小部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)增長。

(2) 從空間角度分析，濕地NPP值呈現(xiàn)東高西低的格局。伊敏河濕地、輝河濕地以及海拉爾河濕地東部NPP值最高，克魯倫河濕地與烏爾遜河濕地NPP值最低。2000—2014年，濕地NPP增加最快的為克魯倫河濕地，增長率處于0.5～2 gC/(m2·a)，增長面積可達(dá)99.5%，東部河流濕地NPP增長相對較緩。

(3) 氣候變化與人類活動是NPP變動的重要影響因素。NPP與降水量呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為R=0.703，與溫度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為R=-0.559。人類活動中，隨著經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，第一產(chǎn)業(yè)在國民生產(chǎn)總值的比重減小，表明農(nóng)牧業(yè)對生態(tài)環(huán)境的壓力減小，同樣是NPP增長的又一重要因素。此外，國家政策以及出色的治沙工程取得顯著效果也使得研究區(qū)內(nèi)河流濕地NPP增加。

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SpatiotemporalChangesofNetPrimaryProductivityofRiverWetlandandItsDrivingFactorsinHulunBuirSandyLandin2000-2014

GUO Lianfa1, LAI Quan1,2, YI Boli1, YIN Shan1

(1.SchoolofGeographicalSciences,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China; 2.KeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformation,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China)

Net primary productivity ( NPP) can directly reflect the production capacity of the vegetation in the natural environment. the NPP of River Wetland in Hulun Buir sandy land on air changes and driving force were analyzed using the data of temperature and precipitation and combining with remote sensing images, simple difference method and trend analysis and linear regression. The results showed that: considering the time, the sandy land in Hulun Buir River Wetland NPP presented the fluctuant growth, NPP growth in the area of wetland accounted for up to 92.51% of area, the annual growth rate was between 0～2 gC/(m2·a); with respect to the space, NPP presented the distribution of the east high west low; during the 15 years, the wetland with fastest growing NPP is in Western Herlen wetland with growth area of up to 99.5%; climate change and human activities are two important factors that lead to the changes of NPP, NPP is significantly correlated with the increase of precipitation (R=0.703), negatively correlated with temperature(R=-0.559). The change of the economic industrial structure makes the pressure of human activities on the ecological environment decrease, which leads to the increase of NPP. At the same time, the national policy and the sand control project also affect the change of NPP.

net primary productivity; temporal and spatial variation; driving force analysis; river wetland

TP79

A

1005-3409(2017)06-0267-06

2017-03-20

2017-03-31

內(nèi)蒙古師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項目(CXJJS16109);內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生教育計劃(S20161013509);內(nèi)蒙古自治區(qū)自然基金(2013ZD08)

郭連發(fā)(1992—),男,山東無棣人,碩士研究生,研究方向為災(zāi)害監(jiān)測與防治。E-mail:863661823@qq.com

銀山(1963—),男,內(nèi)蒙古通遼市人,教授,主要從事災(zāi)害監(jiān)測與防治。E-mail:yinshan@imnu.edu.cn