寧夏羅山地區(qū)2004-2015年NPP時(shí)空變化及氣候響應(yīng)

王夏冰, 馬 超,2, 陳登魁, 劉 暢

(1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué) 礦山空間信息國(guó)家測(cè)繪與地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 焦作 454000)

干旱區(qū)覆蓋約40%的地球陸地表面積，其凈初級(jí)生產(chǎn)力約占全球植被凈初級(jí)生產(chǎn)力總量的40%，對(duì)全球氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)具有重要的調(diào)節(jié)作用[1]。中國(guó)西北干旱區(qū)地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，包括內(nèi)蒙古西部、甘肅西北部以及黃河寧夏段以西的寧夏回族自治區(qū)等地區(qū)，是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[2-3]。寧夏回族自治區(qū)羅山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于毛烏素沙漠南緣，地處寧夏中部干旱帶和經(jīng)濟(jì)貧困帶，鄂爾多斯高原西部與黃土高原北部的銜接地帶，是當(dāng)?shù)匚ㄒ坏乃春B(yǎng)林，是維系著周邊近20多萬(wàn)回漢人民生產(chǎn)生活及十幾萬(wàn)只家畜的生命水源區(qū)[4-7]。由于其獨(dú)特的地理位置、自然條件和地形地貌，作為干旱帶上的森林生態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)植物群落，具有脆弱性、孑遺性和稀有性[8]。羅山保護(hù)區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境在某種程度上增強(qiáng)了對(duì)氣候變化的敏感性，是全球氣候變化的“指示器”。植被作為干旱區(qū)敏感的環(huán)境因素，植被覆蓋變化的研究已成為揭示干旱區(qū)自然環(huán)境變化及其規(guī)律的重要手段[9-10]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間單位面積上所積累的有機(jī)物數(shù)量，是由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物總量(gross primary productivity, GPP)扣除自養(yǎng)呼吸(autotrophic respiration, RA)后的剩余部分[11]。NPP表示植物光合作用產(chǎn)物固定和轉(zhuǎn)化的效率，直接反映植物在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)及生物圈人口承載力狀況指標(biāo)[12]。隨著全球變化研究的不斷深入，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在研究全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響、響應(yīng)和對(duì)策中，成為一項(xiàng)不可缺少的指標(biāo)及核心內(nèi)容[13]。研究區(qū)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的研究大多關(guān)注保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源的搶救性保護(hù)、水資源利用現(xiàn)狀分析等，而沒(méi)有將保護(hù)區(qū)的植被生物量變化同氣候變化、人類活動(dòng)等因素相結(jié)合，獲得區(qū)域生態(tài)演化規(guī)律。本文擬采用MODIS NPP數(shù)據(jù)集，利用研究區(qū)內(nèi)NPP總量變化，核心區(qū)、非核心區(qū)NPP總量變化，研究區(qū)生態(tài)剖面的結(jié)構(gòu)變化，分析12 a植被生物量變化趨勢(shì)與人口增長(zhǎng)、氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。旨在揭示羅山保護(hù)區(qū)植被演變規(guī)律及其與氣候變化的相關(guān)性，以期為寧夏回族自治區(qū)及其周邊生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

羅山是寧夏回族自治區(qū)中部干旱帶中一片自然孑遺的天然次生林區(qū)，位于寧夏回族集中的國(guó)家貧困縣同心縣和全國(guó)最大的生態(tài)移民開(kāi)發(fā)區(qū)紅寺堡交界區(qū)域[14]。由于地理位置的特殊性和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性[15]，早在1950年便將羅山確立為自然保護(hù)區(qū)，1980年被確定為國(guó)家水源涵養(yǎng)林區(qū)，1982年7月1日建立省級(jí)羅山自然保護(hù)區(qū)，2002年經(jīng)國(guó)務(wù)院審批升級(jí)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(編號(hào)：寧05)[16-17]。地理坐標(biāo)為37°11′—37°25′N,東經(jīng)106°04′—106°24′E，南北長(zhǎng)36 km，東西寬18 km，海拔為1 560～2 624.5 m，研究區(qū)總面積337.10 km2(其中核心區(qū)96.45 km2，占總面積的28.61%，緩沖區(qū)87.87 km2，占總面積的26.07%，試驗(yàn)區(qū)152.78 km2，占總面積的45.32%)[18]。羅山介于賀蘭山和六盤山中間地帶，山頂渾圓，山坡陡峭，地表受流水切割十分破碎，黃土巖石大部分裸露。山間溪流多干涸，沖刷溝壑縱橫，森林植被具有典型的過(guò)渡性、稀有性和自然性[19-20]。四周被荒漠所圍,有“荒漠翡翠”的美譽(yù),是研究荒漠地帶森林生態(tài)系統(tǒng)的天然實(shí)驗(yàn)室。研究區(qū)年平均氣溫8.8 ℃，無(wú)霜期130～150 d，年平均降水量261.8 mm，年平均蒸發(fā)量2 467.3 mm，是降水量的9.4倍，年平均相對(duì)濕度49%[21]。羅山自然保護(hù)區(qū)處于干旱、半干旱荒漠過(guò)渡地帶，屬荒漠區(qū)域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護(hù)區(qū)。主要保護(hù)對(duì)象為以青海云杉、油松為代表的荒漠區(qū)域典型森林生態(tài)系統(tǒng)[21-23]。

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究所選用數(shù)據(jù)和資料包括：2004—2015年MOD17 A3 H NPP數(shù)據(jù)(http:∥www.usgs.gov)，分辨率為500 m；數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)：90 m水平分辨率，1 m垂直分辨率航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命數(shù)字高程模型(SRTM3 DEM，v4.0：ftp:∥e0 mss21 u.ecs.nasa.gov/srtm/)；此外還有1999年1∶25萬(wàn)居民地、行政區(qū)劃等基礎(chǔ)地理信息；2004—2015年的中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)中的全國(guó)氣象資料(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)。

MOD17A3H NPP是基于MODIS/TERRA衛(wèi)星遙感參數(shù)，通過(guò)BIOME-BGC模型計(jì)算出全球陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化數(shù)據(jù)集，目前已在不同區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況、生物量估算、環(huán)境監(jiān)測(cè)和全球變化等研究中得到驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用[24]。

2 結(jié)果分析

2.1 植被NPP分類提取

針對(duì)獲取的NPP數(shù)據(jù)，進(jìn)行MRT轉(zhuǎn)換、研究區(qū)裁剪、掩膜、密度分割等操作，獲得該區(qū)域時(shí)間跨度為12 a(2004—2015年)NPP圖像12期(圖1)。依據(jù)羅山自然保護(hù)區(qū)主要植被類型[23]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行密度分割，森林、灌叢或耕地、荒漠草原、荒漠，分別對(duì)應(yīng)NPP g/(m2·a)閾值(350,500]，(250,350]，(150,250]，[50,150]。

2.2 NPP時(shí)間變化特征

2004—2015年寧夏自治區(qū)羅山自然保護(hù)區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)統(tǒng)計(jì)值(表1)。研究區(qū)設(shè)置了以封山育林邊界圍欄為界限的核心區(qū)和非核心區(qū)。由表1可知，NPP值呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，非核心區(qū)面積是核心區(qū)面積的2.6倍，非核心區(qū)NPP之和約是核心區(qū)的2倍。

研究區(qū)內(nèi)NPP在[50,150)內(nèi)的荒漠面積占比呈現(xiàn)波動(dòng)性減少趨勢(shì)，由2004年面積占比78.94%減少到2015年的58.65%，在12 a間最大變幅達(dá)61.72%；荒漠草原由17.95%增加至36.25%，12 a最大變幅為45.24%；耕地或灌叢面積增加1.99%，而森林面積除2012年以外，所占面積不足1%。可見(jiàn)，羅山典型森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與改善仍任重道遠(yuǎn)。

表1 羅山自然保護(hù)區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)統(tǒng)計(jì)

植被NPP隨時(shí)間變化趨勢(shì)(圖2)。2004—2015年受“天保”工程Ⅰ，Ⅱ期、封山育林、人工造林等措施的影響，研究區(qū)年植被NPP呈明顯的波動(dòng)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。核心區(qū)、非核心區(qū)以及研究區(qū)內(nèi)的NPP之和的波動(dòng)趨勢(shì)一致，2004，2007，2010，2012年以及2014年NPP值較高，2005，2009年以及2015年NPP值較低，最高值出現(xiàn)在2012年，最低值出現(xiàn)在2005年。2004年9月—2005年11月，寧夏發(fā)生了歷史罕見(jiàn)的旱災(zāi)，溫度持續(xù)升高，大部分區(qū)域降水只有199.9 mm，成為歷史上僅次于1982年(192.4 mm)的第二低值年，此次旱災(zāi)可能是導(dǎo)致2005年的NPP成為研究期內(nèi)最小值的原因之一。而2012年寧夏地區(qū)中部降雨量創(chuàng)氣象記錄新高，各地溫度平均偏高，溫度和降水的雙重作用使得2012年NPP值最高[25-27]。

3個(gè)區(qū)域NPP增加速率有較大差別，即，研究區(qū)>非核心區(qū)>核心區(qū)(圖2)，易見(jiàn)研究區(qū)的增長(zhǎng)率有64.7%是非核心區(qū)的貢獻(xiàn)，而非核心區(qū)的增長(zhǎng)率主要來(lái)源于紅寺堡移民區(qū)開(kāi)墾的耕地。

圖1 研究區(qū)時(shí)間序列NPP密度分割結(jié)果

注：y1=0.026 9x+0.356 7，R2=0.633 6；y1=0.049 1x+0.745 9，R2=0.609 9；y3=0.076 0x+1.102 6，R2=0.622 5。

圖2研究區(qū)、核心區(qū)、非核心區(qū)NPP之和變化趨勢(shì)

2.3 NPP空間變化特征

為清晰地顯示植被的位置及其林線變化情況，以研究區(qū)內(nèi)大羅山山頂一點(diǎn)(東經(jīng)106°14′48.81″，北緯37°18′25.47″)為原點(diǎn)，進(jìn)行剖面分析(即W-E剖面、N-S剖面)(附圖9)。 ①在2004—2009年W-E剖面上基帶植被為荒漠，面積為276.32 km2，占研究區(qū)總面積的81.97%，2010—2015年荒漠逐漸減少，出現(xiàn)荒漠草原與荒漠并重的局面，兩者分別占總面積的42.57%和47.83%，且研究區(qū)東部耕地徒然增加，西部由于人工造林的原因植被NPP值增加明顯，其中2012年反差最為強(qiáng)烈；2015年由于氣候原因，圖2中2015年NPP分布狀況再次出現(xiàn)與2011年相似的情形；森林的NPP值在2004—2011年持續(xù)低迷，2012—2015年迅速增加，2012—2015年森林總面積是2004—2011年的9.3倍，大羅山區(qū)域的森林生產(chǎn)力有所改善，但2015年大羅山區(qū)域荒漠草原的面積再度出現(xiàn)退縮趨勢(shì)。 ②2004—2015年N-S剖面上的基帶植被由以荒漠為主逐步演替為荒漠草原、耕地、荒漠三者并重的局面。2009—2015年剖面線上大羅山南部(小羅山方向)幾乎由荒漠草原所覆蓋，荒漠草原的邊際線相較于2004—2009年擴(kuò)張了近40個(gè)像素(約20 km)，在剖面線以外，2009—2011年小羅山方向荒漠草原的擴(kuò)張并不明顯，2011—2014年大羅山南部(W-E剖面以南)區(qū)域幾乎由荒漠草原所覆蓋，2015年其面積急劇縮減。結(jié)合表1可知，2012—2015年紅寺堡方向(大羅山北部)由于人口的遷入，耕地增加明顯，其中2012年耕地面積是2011年的近4.9倍；荒漠草原所占面積有所減少；大羅山山頂森林的林線〔NPP>350 g/(m2·a)〕繼2004年開(kāi)始顯現(xiàn)之后，在2012—2015年逐漸擴(kuò)大，森林的面積和質(zhì)量相較于2004—2012年均有所改善。

2.4 NPP與氣候變化的關(guān)系

分析和研究植被與氣候因子間的相互關(guān)系，是植被生態(tài)學(xué)的主要任務(wù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量研究了不同空間尺度上植被覆蓋季節(jié)變化與氣候因子的特征，研究表明，氣溫和降雨量是影響植被覆蓋的最根本的因素[28]。通過(guò)對(duì)研究區(qū)周邊中寧縣、同心縣2個(gè)站點(diǎn)12 a(2004—2015年)的氣象信息進(jìn)行分析、提取，獲得以大、小羅山為中心的年均氣溫和降水的氣候數(shù)據(jù)及其變化趨勢(shì)。有研究表明，2000—2010年寧夏整體溫度呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增溫速率為0.2 ℃/10 a，相比于20世紀(jì)以前，增溫速率有所下降；降水量呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，且波動(dòng)較大，下降速率為34.0 mm/10 a，空間分布呈現(xiàn)“南多北少”的格局，雨量帶明顯向南移動(dòng)[27]。

2.4.1 核心區(qū)NPP與氣候變化之間的關(guān)系

①如圖3所示，核心區(qū)NPP之和與年均溫度在研究期間保持波動(dòng)上升趨勢(shì)，利用SPSS相關(guān)性分析得到兩者之間的相關(guān)性系數(shù)R=0.275，置信度p=0.396。核心區(qū)NPP之和在2004，2010，2012年以及2014年較高，2005，2011，2015年較低，這與研究區(qū)NPP之和的整體趨勢(shì)相符；最高值出現(xiàn)在2012年，是7.3×107Pg/a；最低值出現(xiàn)在2005年，是3.4×107Pg/a。在2004—2015年期間，2006，2009，2010年以及2013年年均溫度較高，最高值出現(xiàn)在2013年，是11.25 ℃；2008，2012年溫度較低，最低值出現(xiàn)在2008年，是9.4 ℃。

②如圖3所示，核心區(qū)NPP之和與年均降水在2004—2015年保持波動(dòng)上升趨勢(shì)，兩者之間保持高度的相關(guān)性(R=0.609，p=0.036)。在2004—2015年期間，2007，2012，2014年降水量較高，最高值出現(xiàn)在2014年，是347.55 mm；2005，2008，2009，2013年以及2015年降水量相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在2005年，是98.95 mm。

③核心區(qū)NPP之和與降水保持較高的相關(guān)性；與溫度不相關(guān)，在研究區(qū)內(nèi)降水對(duì)植被NPP的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.4.2 非核心區(qū)NPP與氣候變化之間的關(guān)系 如圖4所示，非核心區(qū)NPP之和與年均溫度、降水在2004—2015年保持波動(dòng)上升趨勢(shì)，其與年均溫度的相關(guān)性系數(shù)及置信度與核心區(qū)相同，與年均降水的相關(guān)性系數(shù)R=0.647，置信度p=0.023。

非核心區(qū)NPP之和的高值區(qū)和低值區(qū)的變化趨勢(shì)與核心區(qū)基本相同，但總體值域高于核心區(qū)，最高值出現(xiàn)在2014年，其值為1.42×108Pg/a，最低值出現(xiàn)在2005年，其值為7.20×107Pg/a，略低于核心區(qū)最高值。

核心區(qū)NPP—?dú)鉁刈兓厔?shì) 核心區(qū)NPP—降水變化趨勢(shì)

圖3核心區(qū)氣溫、降水(2004-2015年)變化趨勢(shì)

非核心區(qū)NPP—?dú)鉁刈兓厔?shì) 非核心區(qū)NPP—降水變化趨勢(shì)

圖4非核心區(qū)氣溫、降水(2000-2015年)變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

(1) 氣候變化與研究區(qū)植被NPP具有高度相關(guān)性。相對(duì)于溫度而言，降水對(duì)研究區(qū)內(nèi)NPP的影響占據(jù)主導(dǎo)地位；核心區(qū)內(nèi)NPP值與降水的相關(guān)系數(shù)、置信度分別為R=0.609，p=0.036；非核心區(qū)為R=0.647，p=0.023。

(2) 植被NPP時(shí)間變化趨勢(shì)。研究區(qū)內(nèi)NPP以0.076 Pg/a的速率波動(dòng)性增長(zhǎng)，高于全國(guó)植被NPP增長(zhǎng)率0.008 Pg/a；研究區(qū)內(nèi)荒漠區(qū)面積占比由2004年的78.94%下降到2015年的58.65%；荒漠草原由17.95%上升至36.25%；耕地或灌叢由2.89%增加到4.88%；除2012年以外，森林占比不超過(guò)1%。羅山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對(duì)像是以青海云杉、油松為代表的荒漠區(qū)域典型森林生態(tài)系統(tǒng)，其森林生態(tài)狀況不容樂(lè)觀。

(3) 植被NPP空間變化趨勢(shì)。非核心區(qū)面積是核心區(qū)面積的2.6倍，NPP之和約是核心區(qū)的2倍；由于當(dāng)?shù)卣鷳B(tài)和環(huán)保政策的深入人心，大羅山整體植被NPP值呈增加趨勢(shì)，小羅山由荒漠向荒漠草原過(guò)渡，2011—2015年大羅山東部及北部耕地增加迅速，生態(tài)工程效果顯著，人類活動(dòng)因素對(duì)生態(tài)環(huán)境影響巨大。