長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化分析

卓文浩

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

引言

根據(jù)IPCC第四次報(bào)道，全球2013年CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)表明大氣中CO2的濃度已經(jīng)突破400ppm；與19世紀(jì)相比，目前全球平均地面氣溫上升0.74±0.18℃[1]。21世紀(jì)全球平均年降水量會(huì)增加，主要介于5%～20%，但在區(qū)域尺度上的增加和減少都有可能[2]。全球氣候變化對(duì)生物圈的影響已從區(qū)域尺度擴(kuò)展到全球尺度，并以空前未有的速度和強(qiáng)度在全球尺度上對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生著巨大的影響[3]。其中，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時(shí)空格局的影響則尤為顯著，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。

農(nóng)田凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production，NPP)是指在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)，農(nóng)作物在光合作用的過(guò)程中所積累的有機(jī)質(zhì)[4,5]。NPP是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量運(yùn)轉(zhuǎn)研究的基礎(chǔ)，其不僅可以反映出農(nóng)田植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，還能從側(cè)面反映農(nóng)田植被的生長(zhǎng)情況和植物品種優(yōu)劣，也是判定區(qū)域生態(tài)支持能力和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵參數(shù)[6]。氣溫、降水、太陽(yáng)輻射和植被覆蓋率是農(nóng)田NPP的積累驅(qū)動(dòng)因子[7,8]。

本文選擇長(zhǎng)江上游作為研究區(qū)，特殊的地理環(huán)境和長(zhǎng)期不合理的開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致長(zhǎng)江上游嚴(yán)重的水土流失、非點(diǎn)源污染以及生態(tài)系統(tǒng)的失穩(wěn)和退化。本文詳細(xì)分析長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP在時(shí)空上的變化特征和演變規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)把握長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康狀況具有重要意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江上游區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江源頭至湖北宜昌段，其干流長(zhǎng)度為4500km左右，流域面積105.4萬(wàn)km2，地理位置N24°46′～35°91′，E90°47′～113°31′。該區(qū)域河段落差大，峽谷深，水流湍急，主要支流有雅礱江、岷江、沱江、嘉陵江、烏江等。流域內(nèi)具備鮮明的東亞副熱帶氣候特征，地貌類型多樣，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜，生物多樣性豐富。長(zhǎng)江上游地段包括青藏高原東緣的高原地區(qū)、高原與平原的過(guò)渡區(qū)域和四川盆地，地形類型多是山地，平原較少，耕地只占總面積的15%，其中55%為坡耕地。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究遙感數(shù)據(jù)選擇MODIS13Q1(NDVI)，其空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率為月。氣溫、降雨和日照時(shí)數(shù)的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。研究區(qū)行政邊界來(lái)自中國(guó)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)薄盤(pán)樣條函數(shù)進(jìn)行插值，其可以將海拔作為協(xié)變量引入模型來(lái)提高插值精度。

2 研究方法

CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型屬于光能利用率模型，是由NDVI數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)(溫度、降水、太陽(yáng)輻射)和植被類型共同作用。CASA模型中的計(jì)算公式：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，NPP(x，t)表示像元x在t月的實(shí)際NPP；APAR(x,t)是像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/(m2·月))；ε(x,t)是像元x在t月的實(shí)際光能利用率(gC·MJ-1)。APAR(x,t)和ε(x,t)公式：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中，SOL(x,t)表示t月在像元x處的太陽(yáng)總輻射量(MJ/(m2·月))；FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射占太陽(yáng)總輻射的比例；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)則表示不同的溫度條件對(duì)光能利用率的脅迫作用；Wε(x,t)是水分脅迫影響因子，反映了水分的影響；εmax是理想條件下的最大光能利用率(gC·MJ-1)。

3 長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP時(shí)空格局變化特征

3.1 整體變化分析

由表1可知，近20a來(lái)農(nóng)田NPP平均值變化范圍在425.19～425.71gC·m-2，農(nóng)田NPP在這20a間整體上呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，長(zhǎng)江上游地區(qū)1995年、2000年、2005年、2010年、2015年5個(gè)年份農(nóng)田平均NPP分別為425.19gC·m-2、393.67gC·m-2、355.93gC·m-2、339.42gC·m-2、425.71gC·m-2。長(zhǎng)江上游農(nóng)田平均NPP在1995—2010年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2010年出現(xiàn)最低值339.42gC·m-2，而在2010—2015年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表1 1995—2015農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平均NPP

隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，耕地資源非農(nóng)化隨之而來(lái)，且日趨嚴(yán)重，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了巨大的變化，直接導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)的NPP在1995—2010年急速下降；近幾年來(lái)國(guó)家逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)對(duì)國(guó)家發(fā)展的重要性，出臺(tái)實(shí)行了一系列的政策和措施，如基本農(nóng)田政策的落實(shí)和水土流失的防治，使長(zhǎng)江流域上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NPP在2010—2015年逐漸增加。

3.2 空間分布

長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在成都平原和川中丘陵，農(nóng)田年均NPP整體上呈現(xiàn)不均勻的空間分布特征，見(jiàn)圖1f，具有空間異質(zhì)性；NPP<200gC·m-2、200～400gC·m-2、400～600gC·m-2、600～800gC·m-2、>800gC·m-2的面積分別占總面積的0.04%、63.95%、35.70%、0.30%、0.02%，NPP值域范圍在200～400gC·m-2內(nèi)所占比率最大。

a.1995年;b.2000年;c.2005年;d.2010年;e.2015年;f.5a的平均值

具體來(lái)看，1995年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP>600gC·m-2的區(qū)域主要分布在四川盆地東部，其面積約占總面積的17.58%；NPP<200gC·m-2的區(qū)域所占比率較小，主要分布在貴州省南部，面積約占1.88%；而NPP值域在200～400gC·m-2的面積所占比率最大，為50.03%，其主要分布在四川盆地中東部地區(qū)。2000年較1995年NPP整體上開(kāi)始減弱，其中表現(xiàn)最為明顯的為研究區(qū)西部和東部地區(qū)，>400gC·m-2的NPP面積所占比例由1995年的38.58%減少至2000年的32.42%，而200～400gC·m-2的NPP面積所占比例由1995年的59.03%增長(zhǎng)至2000年的65.14%，增長(zhǎng)區(qū)域主要分布在四川盆地的中部地區(qū)。2005年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植被已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重退化，變化最為明顯的為400～600gC·m-2的NPP值域范圍，其所占面積比例較2000年減少58.56%，而200～400gC·m-2的NPP增長(zhǎng)51.64%，變化區(qū)域主要分布在四川盆地中部。自2010年開(kāi)始，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NPP整體上開(kāi)始增加。到2015年400～600gC·m-2的NPP較2010年的增長(zhǎng)面積高達(dá)21.81km2，變化區(qū)域主要集中在四川盆地西南部和東北部。

3.3 與海拔的關(guān)系

長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在四川盆地，該地區(qū)地形多為平原、丘陵。根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，將高程分為4個(gè)區(qū)間并統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)間的NPP均值，見(jiàn)圖2，可以看出不同區(qū)間的NPP的變化趨勢(shì)具有較大的差異性。整體上海拔>700m的區(qū)域NPP值最高，從大到小依次為500～700m、300～500m、<300m。由此可以看出，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)隨著海拔高度的增加NPP也在不斷增加。海拔高度>500m的范圍內(nèi)，NPP年際變化趨勢(shì)為先減少后增加。2000—2005年期間減少幅度最大，2010年開(kāi)始緩慢增加。海拔高度在300～500m區(qū)間范圍內(nèi)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP變化不顯著，該區(qū)域范圍內(nèi)多為固定耕種農(nóng)田。海拔高度<300m區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NPP則呈現(xiàn)出逐漸增加的年際變化趨勢(shì)，NPP增長(zhǎng)的速率也較快，并且在2015年達(dá)到最高值。

圖2 不同海拔農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

本研究基于RS和GIS技術(shù)，將NDVI遙感數(shù)據(jù)和氣象因子(溫度、降雨、太陽(yáng)輻射)帶入CASA模型，對(duì)長(zhǎng)江上游1995—2015近20a農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP進(jìn)行估算，得出研究時(shí)段內(nèi)的NPP時(shí)空變化情況以及演變規(guī)律。

長(zhǎng)江上游農(nóng)田系統(tǒng)NPP年均值波動(dòng)范圍為425.19～425.71gC·m-2。年際NPP變化規(guī)律呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，2010年出現(xiàn)最低值339.42gC·m-2。引起農(nóng)田年際NPP變化的主要原因?yàn)槿驓夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)。

1995年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP>600gC·m-2的區(qū)域主要分布在四川盆地中東部。2000年較1995年NPP整體開(kāi)始減弱，其中表現(xiàn)最為明顯的為研究區(qū)西部和東部地區(qū)。2005年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植被已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重退化，變化區(qū)域主要分布在四川盆地中部。自2010年開(kāi)始，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的NPP整體上開(kāi)始增加，變化區(qū)域主要集中在四川盆地西南部和東北部。

長(zhǎng)江上游農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要分布在四川盆地，該地區(qū)地形多為平原、丘陵。整體上海拔>700m的區(qū)域NPP值最高，從大到小依次為500～700m、300～500m、<300m。