新疆草地凈初級生產(chǎn)力(NPP)空間分布格局及其對氣候變化的響應

張仁平,郭 靖,張云玲

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046 3 新疆林業(yè)科學院, 烏魯木齊 830000 4 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站,烏魯木齊 830049

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,草地植被是陸地上面積最大的一種可更新資源,對于調節(jié)全球碳循環(huán)和氣候具有重要的作用,同時草地也是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質基礎[1-3]。植被凈初級生產(chǎn)力作為陸地表面碳循環(huán)的重要部分,不僅反映自然環(huán)境下植被的生產(chǎn)能力,也是衡量生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯轉換的主要因子,因而在分析碳循環(huán)以及全球變化中有著重要的意義[4]。

隨著全球變化研究的不斷深入,植被NPP已成為氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究熱點[5-7]。地面測量數(shù)據(jù)無法描述NPP在區(qū)域及全球尺度上的變化特征,因此利用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)學模型模擬NPP就成為一種被廣泛接受的重要研究方法[8]。近年來,許多學者基于遙感數(shù)據(jù)建立了許多模型對植被NPP進行估算[9-10]。然而,估算凈初級生產(chǎn)力應用最廣泛的當屬CASA模型[9,11]。CASA模型主要用于模擬區(qū)域或全球植被實際凈初級生產(chǎn)力,但對于點上的驗證還較為匱乏。

近年來,在全球氣候變暖的背景下,區(qū)域植被NPP變化對氣候變化存在著區(qū)域差異。一些研究表明,隨著降水和溫度的增加,草地NPP呈現(xiàn)增加趨勢[12-14],相反,有一些區(qū)域隨著溫度的增加,草地NPP呈現(xiàn)下降趨勢[6,15]。不同區(qū)域植被NPP對不同季節(jié)的降水和溫度的變化的響應也明顯不同[16]。目前,新疆地區(qū)植被NPP研究較為薄弱,主要集中NPP空間分布格局、變化趨勢以及對氣候的響應上[7,17-19],但不同草地類型對不同季節(jié)的氣象因子的響應研究尚有待進一步研究。

新疆草地生態(tài)系統(tǒng)是當?shù)刈钪匾?、分布最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)之一。由于地處新疆干旱和半干旱地區(qū),草地生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,對氣候和環(huán)境變化的影響十分敏感。因此,在新疆地區(qū)開展草地NPP及其對氣候變化的響應有著獨特的地位。綜上所述,在氣候變化日趨頻繁的影響下,掌握新疆草地NPP的空間格局及其對氣候的響應關系,不僅是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的需要,而且是實現(xiàn)當?shù)匦竽翗I(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于我國西北部,地理位置介于34°22′—49°33′N,73°22′—96°21′E,總面積為166×104km,約占國土總面積的1/6(圖1)。新疆地處歐亞大陸腹地,四面高山環(huán)抱,北有阿爾泰山,南有昆侖山系,中有橫亙全境的天山,三山環(huán)抱中為廣袤的準噶爾和塔里木盆地,“三山夾兩盆”構成了新疆獨特的地理環(huán)境特征。新疆氣候屬于典型的溫帶大陸干旱性氣候,光熱資源充足,年日照時數(shù)達2550—3500 h,年平均氣溫9—12 ℃,無霜期長達180—220 d,降水量稀少,北疆年降水為100—200 mm,南疆在100 mm以下。而蒸發(fā)量則相反,北疆為1500—2300 mm,南疆為2100—3400 mm。由于特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響,新疆生態(tài)環(huán)境極為脆弱,植物種類稀少,覆蓋度低,類型結構簡單。新疆草地總面積居我國第三位,毛面積約57.26萬km2,可利用草地面積約48萬km2,占新疆國土面積的34.4%,新疆草地面積是耕地面積的15倍,是森林面積的22倍,占全區(qū)綠色植被面積的86%[20]。圖1草地類型來源于1∶1000000中國草地資源圖[21]。

圖1 研究區(qū)草地類型及生物量采樣點空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用MODIS NDVI數(shù)據(jù)源自美國國家航空航天局NASA/EOS LPDAAC數(shù)據(jù)中心(https://lpdaac.usgs.gov/),為2001—2014年MODIS產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)集,空間分辨率為500 m,時間分辨率為16 d。利用MRT(MODIS Re-projection Tools)進行拼接處理、投影轉換,得到TIFF格式文件。同時,對16 d的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)采用最大化合成法(maximum value composite,MVC)得到每月NDVI數(shù)據(jù),并利用Savitzky-Golay方法對MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進行濾波處理,以便減少由云和薄霧造成的噪音。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn/site/index.html),一共有67個氣象臺站。利用ANUSPLIN軟件,對研究區(qū)域的氣溫、降水數(shù)據(jù)以及日照時數(shù)進行插值處理[22]。

生物量數(shù)據(jù)選用2010—2014年草原監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖1)(http://202.127.42.194/jiance/login.aspx).。依據(jù)不同的氣候及草地類型空間分布特點,在每年的7月末或者8月初監(jiān)測新疆地區(qū)草地的最大生物量,收集的數(shù)據(jù)包括791個樣地,樣地大小為(500 m×500 m),每個樣地在四角及中心位置各設置1個小樣方(1 m×1 m),記錄每個小樣方內采集的樣本在65℃烘箱烘干48 h后測量的干物質產(chǎn)量。收集的791樣地數(shù)據(jù)分布如下：溫性草甸草原類分布有48個、溫性草原類分布有109個、溫性荒漠草原類分布有137個、高寒草原類分布有53個、溫性草原化荒漠類分布有59個、溫性荒漠類分布有135個、高寒荒漠類分布有16個、低地草甸類分布有71個、山地草甸類分布有96個、高寒草甸類分布有67個。根據(jù)不同草地類型地上生物量和地下生物量的比值算出單位面積內植物的生物量[23],按每1.0 g干重約等于0.475 g碳換算,得到每個樣地的草地NPP,統(tǒng)一以碳(gC/m2)的形式表示[24]。

1.3 草地植被NPP遙感估算方法

基于遙感和氣候數(shù)據(jù)的CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型可以用來評估大尺度上的草地NPP[4,25]。CASA模型是Potter等建立的光能利用率模型的典型代表,NPP的估算可以由植物的光合有效輻射APAR(MJ/m2)和實際光能利用率ε(gC/MJ)兩個因子來表示,其估算公式如下:

NPP=APAR×ε

(1)

植被吸收的光合有效輻射取決于植物本身的特征以及太陽總輻射。其計算公式為：

APAR=SOL×FPAR×0.5

(2)

式中,SOL是太陽總輻射量(MJ/m2),FPAR為植被冠層對入射光合有效輻射的吸收比例,通過NDVI影像數(shù)據(jù)集來計算[26]。

實際光能利用率ε是植物固定太陽能,并通過光合作用將所截獲/吸收的能量轉化為碳(C)/有機質干物質的效率,一般用gC/MJ表示。Potter等認為在理想條件下植被具有最大光能利用率,而在現(xiàn)實條件下的最大光能利用率主要受溫度和水分的影響[4,26],其計算公式是：

ε=Tε1×Tε2×Wε×εmax

(3)

式中,Tε1和Tε2表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用,可采用Potter等[25]提出的方法進行估算。εmax表示在理想狀態(tài)下植被的最大光能利用率,是指植被在沒有任何限制的理想條件下對光合有效輻射的利用率。由于全球相同植被也難免與中國存在較大差別[27],因此本文中的最大光能利用率取值采用了朱文泉等關于中國草地類型的最大光能利用率模擬結果[9],即草地的最大光能利用率為0.542 gC/MJ。Wε為水分脅迫系數(shù),其計算方式及改進見文獻[28]。

2 結果與分析

2.1 草地NPP估算結果驗證

驗證模型模擬結果是模型在實際中應用的前提條件。由于缺乏大尺度生物量監(jiān)測數(shù)據(jù),所以進行模型驗證較為困難。但本研究采用的生物量實測數(shù)據(jù)樣方數(shù)量較多,也比較典型,監(jiān)測時間也較為一致,可以較好地代表新疆地區(qū)草地地上凈初級生產(chǎn)力。本文利用2010—2014年地面實測生物量數(shù)據(jù)對CASA模型模擬的草地NPP進行驗證,實測生物量數(shù)據(jù)和CASA模型模擬NPP決定系數(shù)(R2)是0.78(P<0.001)(圖2),表明CASA模型是適合于估算當?shù)夭莸豊PP。

圖2 凈初級生產(chǎn)力(NPP)模擬值與觀測值的比較

2.2 草地植被NPP時空格局分析

為了探討新疆地區(qū)草地NPP的空間分布格局,基于CASA模型模擬了新疆地區(qū)2001—2014年草地NPP,結果表明,全疆平均草地NPP值為102.49 gC m-2a-1(圖3)。在新疆各個區(qū)域中,伊犁河谷及阿爾泰山海拔較高區(qū)域的草地NPP相對較高,其次是天山和阿爾泰山的中山帶區(qū)域,而準噶爾盆地和塔里木盆地的一些區(qū)域草地NPP最低。

圖3 新疆草地2001—2014年平均NPP空間分布圖

在2001—2014年,新疆不同草地類型的NPP存在明顯差異,見表1。山地草甸NPP最高,達到252.57 gC m-2a-1,其次為溫性草甸草原,其NPP達到204.93 gC m-2a-1；高寒荒漠和溫性草原化荒漠的NPP兩者最低,其NPP分別為43.94 gC m-2a-1和53.11 gC m-2a-1。

表1 2001—2014年新疆不同草地類型平均NPP

2.3 草地NPP對氣候因子的時間響應特征

對新疆地區(qū)草地NPP與年(季節(jié))均溫、年(季節(jié))降水的相關分析表明(表2)。就整個新疆草地來說,除冬季降水與草地NPP呈負相關之外,年降水和其他3季的降水與草地NPP呈正相關關系,其中年降水、夏季的降水對草地NPP有較明顯的影響,相關系數(shù)R分別達到0.48(P<0.1)和0.50(P<0.1)。溫度對草地NPP沒有明顯的影響(R=0.07)。對于降水較少,但是溫度較高的草地,比如溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠、低地草甸,年降水、夏秋兩季降水對草地NPP有較明顯的影響。冬季降水與大多數(shù)草地NPP呈負相關關系,但是相關關系不顯著。年(季節(jié))平均溫度對新疆地區(qū)所有類型的草地影響不大。

表2 新疆地區(qū)草地NPP和氣候因子的相關性分析

總體而言,新疆地區(qū)草地NPP主要受夏秋兩季降水的影響,溫度與草地NPP的相關性較低,說明溫度不是新疆草地NPP的制約因素。

2.4 草地NPP對氣候因子的空間響應特征

新疆地區(qū)的溫度和降水空間分布明顯不同,因此草地NPP對溫度和降水變化響應也不同。根據(jù)相關系數(shù)顯著性檢驗表和F檢驗結果,樣本數(shù)為14(2001—2014年),當|r|> 0.53時,表明NPP與氣候因子呈顯著相關關系,當0.46<|r|<0.53時,NPP與氣候因子存在著較顯著的相關關系。分析新疆地區(qū)草地NPP與溫度、降水的相關性發(fā)現(xiàn)(圖4),不同區(qū)域草地NPP對溫度和降水的空間響應特征明顯不同。位于新疆地區(qū)準噶盆地東部以及天山高海拔區(qū)域的草地NPP與年均溫呈顯著的正向相關關系,相關系數(shù)r> 0.53的地區(qū)占新疆草地的7.5%；相關系數(shù)0.46 0.53和0.46

圖4 新疆草地NPP與年均溫度和降水相關系數(shù)空間分布格局

分析新疆草地NPP與四季平均溫度和降水的相關系數(shù)空間分布格局表明(圖5),新疆草地NPP與四季溫度的正向和負向相關的面積比例變化不大,占新疆地區(qū)約80%面積的草地NPP與四季平均溫度相關性達不到較顯著水平,新疆草地NPP與四季平均溫度相關系數(shù)達到顯著水平的區(qū)域有一定的變化。春季溫度對草地NPP有顯著正相關的草地主要分布在伊犁河谷及塔城附近的山區(qū),而負相關達到顯著水平的區(qū)域主要位于準噶爾盆地的中心地帶以及塔里木北緣。位于伊犁河谷高山帶的草地NPP與夏季溫度的正向相關系數(shù)達到顯著水平,塔里木盆地邊緣地帶以及準噶爾盆地南緣的一些區(qū)域草地NPP與夏季溫度呈現(xiàn)顯著的負向相關。夏季溫度與草地NPP呈現(xiàn)顯著正向相關的區(qū)域主要位于塔里木盆地南緣以及準噶爾盆地中心地帶,伊犁河谷部分區(qū)域顯著呈現(xiàn)負相關關系。位于準噶爾盆地中心地帶的草地NPP與冬季溫度表現(xiàn)出顯著的正相關關系。

圖5 NPP與四季平均溫度和降水相關系數(shù)空間分布格局

新疆大部分區(qū)域的草地NPP與夏季溫度和秋季溫度呈正向相關,其面積比例分別為80.9%和75.9%,其中夏季溫度與草地NPP呈現(xiàn)較顯著和顯著相關的面積比例分別為9.1%和17.6%,主要分布于伊犁河谷、塔里木盆地以及準噶爾盆地中心地帶。秋季溫度與草地NPP呈現(xiàn)較顯著和顯著的相關的面積比例分別為7.6%和14.9%,主要位于新疆東部、伊犁河谷地帶以及塔城附近的山區(qū)。冬季降水與大部分區(qū)域草地NPP呈負向相關關系,面積比例達68.5%,其中達到較顯著和顯著水平的區(qū)域主要位于準噶爾盆地北部以及天山高山區(qū)。

3 討論

利用CASA模型模擬植被凈初級生產(chǎn)力主要取決于植被吸收的APAR與光能利用率ε兩個變量。一般來說,植被吸收的FPAR通過植被指數(shù)(比如NDVI和EVI)和植被類型表示。光能利用率表示植被把吸收的APAR轉變?yōu)橛袡C碳的效率,其主要受到土壤水分和溫度的影響。雖然CASA模型考慮了植被所在的環(huán)境條件與植被本身的特征,但在確定參數(shù)和計算過程方面有一定的不足之處。本文草地的最大光能利用率選擇朱文泉等人的研究結果,即草地的最大光能利用率為0.542 gC/MJ[28],通過驗證后發(fā)現(xiàn),改進的CASA模型基本可以反映新疆地區(qū)草地NPP。通過CASA模型模擬的草地NPP整體水平較低,平均值僅為102.49 gC m-2a-1,表現(xiàn)為草甸>草原>荒漠,這與楊紅飛等[7]的研究結果類似。新疆地區(qū)植被主要受降水因素的制約,當山區(qū)降水較為充沛,新疆草地NPP相對來說較高,南疆區(qū)域光照雖然較好,但是降水極少。因此,新疆草地NPP空間分布格局應該是山區(qū)區(qū)域高于盆地區(qū)域,新疆北部>新疆南部,本項研究證明確實如此。

新疆地區(qū)草地NPP與夏秋兩季降水具有明顯的正相關關系,說明新疆地區(qū)草地植被生長在夏秋兩季主要受降水的影響,這與普宗朝等[75〗和陳奕兆等[7]的研究結果類似,如：普宗朝和張山清[7]研究發(fā)現(xiàn)降水增加對新疆地區(qū)植被NPP產(chǎn)生正面影響；陳奕兆等[5]發(fā)現(xiàn)蒙古草原的植被對降水有正面響應。然而,本研究結果與張戈麗等人在青藏高原植被的有所不同,張戈麗等[29]研究認為青藏高原植被主要受氣溫的影響。新疆地區(qū)屬于典型干旱半干旱氣候,區(qū)域內年均溫較高,降水較少,因此水分是制約草地生長的決定因素,由于降水通常會改善土壤水分對植被的供給,有利于光合速率增強,從而提高植被生產(chǎn)力。而青藏高原由于氣溫較低,熱量是影響植被生產(chǎn)的主要氣候因子。

本文植被NPP與氣候因素的相關關系均是在線性基礎上進行分析的,而氣候變化是十分復雜,如何更合理的分析氣候變化與NPP之間的關系,是進行植被NPP對氣候變化響應的研究基礎。本文只是分析了溫度和降水對植被NPP的影響,然而,各種氣候指標對生態(tài)系統(tǒng)均有一定的影響,但是各種氣候指標對植被NPP產(chǎn)生的影響有多大？這種影響到底與區(qū)域有關還是植被類型有關,這些仍需要長期系統(tǒng)的研究。

4 小結

基于CASA模型模擬了新疆草地植被NPP,進而探討了草地植被NPP的空間分布格局,并分析了草地NPP對氣候變化的響應。主要結論如下：

基于CASA模型估算的NPP基本可以反映新疆草地植被凈初級生產(chǎn)力的基本情況。在2001—2014年間,新疆草地NPP平均值為102.49 gC m-2a-1。不同草地類型的NPP存在明顯差異。其中,山地草甸平均NPP最高,達到252.37 gC m-2a-1；高寒草地的平均NPP最低,為43.94 gC m-2a-1。新疆草地植被NPP分布呈現(xiàn)為山區(qū)草地NPP高于盆地區(qū)草地NPP,新疆北部草地NPP高于新疆南部草地NPP。

降水能促進新疆地區(qū)草地NPP增加,其中夏季和秋季的降水對草地NPP的影響最為明顯。對于降水較少,但是溫度較高的草地,比如溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠、低地草甸,年降水、夏秋兩季降水對草地NPP有較明顯的影響。冬季降水與大多數(shù)草地NPP呈負相關關系,但未通過顯著性檢驗。年(季節(jié))溫度對新疆地區(qū)所有類型的草地影響不大。