基于CASA模型的內蒙古地區(qū)草地生產力估測

段 菁，云海英，李 鑫，滕 飛，納 青

(內蒙古自治區(qū)林業(yè)信息中心，內蒙古 呼和浩特 010010)

內蒙古地區(qū)是我國重要的牧業(yè)生產基地，該地區(qū)的主要覆蓋植被為草地和林地，其中可利用的草原面積約為6.8×107hm2，包含100余種適口性強、利用價值高的牧草[1]。隨著內蒙古地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)以及礦產業(yè)發(fā)展迅速，頻繁的人類活動對當地生態(tài)環(huán)境造成極其嚴重的影響。自1978年始，退耕還林工程、“三北”防護林工程等多項國家重點工程的推進使當地生態(tài)環(huán)境得到改善[2-3]。本研究構建了內蒙古草地初級凈生產力的估測模型，對2005—2019年間內蒙古地區(qū)草地生產力進行分析，預測不同區(qū)域、不同草地類型的生產力未來變化趨勢，為維護該地區(qū)生態(tài)平衡，指導當地畜牧業(yè)科學發(fā)展提供參考。

1 內蒙古草地生產力估算

1.1 研究區(qū)域概況

內蒙古地區(qū)所處緯度較高，主要以溫帶大陸性季風氣候為主，降水空間分布極不均勻，年氣溫差距較大[4-5]。內蒙古地區(qū)的主要植被覆蓋類型為草地和林地。從草地分布的空間特性來看，主要草地類型為溫性荒漠類、低地鹽化草甸類、溫性荒漠類、暖性灌草叢類、溫性草甸草原類、溫性草原類6種。6種主要草地類型占內蒙古地區(qū)總草地面積的98.14%。東北部的草地地理條件較優(yōu)，牧草質優(yōu)產高，以溫性草甸草原類、溫性草原類、低地鹽化草甸類和溫性山地草甸類為主。南部和中部地區(qū)牧草營養(yǎng)較為豐富，但是密度較低且產量不理想，只適合飼養(yǎng)牛羊等牲畜[6-7]。陰山北部和鄂爾多斯高原西部氣候干燥，牧草種類較少且產量較低。西部地區(qū)主要為荒漠化草原，適合飼養(yǎng)駱駝[8]。

1.2 內蒙古草地NPP估算

草地NPP估算需要考慮光合有效輻射(APAR,Absorbed Photosynthetic Active Radiation)和實際光能利用率兩部分[9-10]。APAR的數值取決于太陽總輻射量、植被覆蓋指數(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)和光合有效輻射(PAR，Photosynthetically Active Radiation)。

(x,y,t)+FPARSR(x,y,t))

(1)

式(1)是光合有效輻射的計算公式。APAR(x,y,t)、SOL(x,y,t)分別表示在空間位置(x,y)處的像元在t月份吸收的光合有效輻射和太陽總輻射能量，單位均為MJ/m2。FPARNDVI、FPARSR均會對植被層對入射光合有效輻射的吸收比例造成影響，其計算公式如公式(2)所示。

(2)

式(2)中的NDVI(x,y,t)表示在空間位置(x,y)處像元的NDVI數值，NDVImax、NDVImin分別表示草地植被覆蓋率的最大值和最小值。根據內蒙古地區(qū)現狀，選取NDVImax、NDVImin分別為0.634和0.023[11]。SRmax、SRmin分別表示為比值植被指數的最大值和最小值，內蒙古地區(qū)比值植被指數的最大值和最小值取值為4.46和1.05[12]。

ε(x,y,t)=Tε1(x,y,t)×Tε2(x,y,t)×

Wε(x,y,t)×εmax

(3)

式(3)為實際光能利用率ε的計算公式。Tε1(x,y,t)、Tε1(x,y,t)為溫度脅迫系數，Wε(x,y,t)為水分脅迫系數。Tε1(x,y,t)可以反映溫度過高或過低情況下，植被光合作用效果降低而導致的植被初級生產力的降低值。Tε1(x,y,t)可以體現溫度從最適溫度Topt(x,y)向高溫或低溫變化時，植被光能利用率逐漸減小的趨勢。εmax為最大光能利用率，其具體數值受到草地類型的影響[13]。

(4)

式(4)是溫度脅迫系數Tε1(x,y,t)和Tε1(x,y,t)的計算公式，T(x,y)表示某個月份的平均氣溫。植被光合作用的最適溫度為研究區(qū)域內一年中NDVI數值達到最大的月份的平均氣溫。

(5)

式(5)是水分脅迫系數Wε(x,y,t)的計算公式。EET(x,y,t)、PET(x,y,t)分別表示空間位置(x,y)處像元在t月份的實際蒸散量和潛在蒸散量，單位為mm。

為驗證研究選用的CASA模型的有效性，選取研究區(qū)內的1 000個隨機點，對比兩種方式估算的年度草地凈初級生產力(SNPP)結果，得到的草地NPP結果和MOD17A3-NPP結果擬合情況如圖1所示。草地NPP結果和MOD17A3-NPP結果的相關系數為0.935，具有較高的擬合度，調整之后的擬合優(yōu)化系數為0.874。隨機生成點中，溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、低地鹽化草甸類的有效隨機點數分別為150、397、132、33、3、181，6種類型草地的調整后擬合優(yōu)化系數分別為0.77、0.80、0.89、0.91、0.86、0.84。說明研究選用的CASA模型具有較高的精度，使用該模型模擬得到的內蒙古草地生產力結果具有一定的科學性。

圖1 MOD17A3H和CASA模型估算的 NPP值結果相關性分析Fig.1 Correlation analysis of NPP value estimated by MOD17A3H and CASA model

2 內蒙古草地NPP空間格局

2.1 草地SNPP均值空間分布特征

內蒙古地區(qū)2005—2019年的SNPP均值整體上呈現出自西向東、自南向北逐漸增加的趨勢。阿拉善盟、巴彥淖爾市的SNPP值在0～100 g·C/(m2·a)，處于較低水平；呼倫貝爾市、興安盟和赤峰市部分地區(qū)的SNPP值在300 g·C/(m2·a)以上。

研究區(qū)NPP經向變化規(guī)律見圖2所示。

圖2 內蒙古草地平均NPP經向變化規(guī)律Fig.2 Longitude variation of grassland average NPP in Inner Mongolia

從圖2所示的NPP經向變化規(guī)律來看，地區(qū)NPP變化具有明顯的地帶性，上升趨勢較為明顯，變化速率約為12.69 g·C/(m2·a)。溫性草甸草原類草地的平均SNPP值最高，為309.98 g·C/(m2·a)。溫性荒漠類草地的平均SNPP值最低，為40.06 g·C/(m2·a)。結合各區(qū)域草地類型及環(huán)境特點可知，草甸草原和溫性草原類區(qū)域由于氣溫較低、降水較多，草地的初級凈生產力更高?；哪菰瓍^(qū)域的氣溫較高、降水較少，生態(tài)環(huán)境脆弱，草地的初級凈生產力較低。從經緯度來看，內蒙古地區(qū)的草地SNPP空間分布，SNPP值從西向東的變化速率大約為12.65 g·C/(m2·a·10°)。

2.2 草地SNPP時空演變特征

研究內蒙古地區(qū)草地SNPP的時空演變特征，可以在像元尺度上計算每個柵格的變化趨勢。對15年間的SNPP值進行擬合回歸獲取一元線性函數，函數的斜率(k值)即為年際變化率。研究使用F檢驗方法驗證SNPP值變化的可置信程度，其值為p。若某一區(qū)域內k值小于0，p小于0.01，則該區(qū)域草地SNPP極顯著減少；p在0.01～0.05，則草地SNPP顯著減少；p大于0.05，則草地SNPP減小不顯著。若某一區(qū)域內k值大于0，p大于0.05，則該區(qū)域草地SNPP增加不顯著；p在0.01～0.05，則草地SNPP顯著增加；p大于0.05，則草地SNPP極顯著增加。根據上述標準，統(tǒng)計分析了內蒙古草地SNPP變化趨勢，如圖3所示。

圖3 內蒙古草地SNPP值變化顯著性Fig.3 Significance of SNPP value change in Inner Mongolia

內蒙古93.56%的地區(qū)15年間的SNPP值呈現增加趨勢，“顯著增加”和“極顯著增加”的比例分別為22.26%和29.76%?！帮@著減小”和“極顯著減小”的區(qū)域僅占內蒙古地區(qū)的0.35%，主要集中在阿拉善盟的西部。從圖3中可以看出，按照草地類型劃分，“極顯著增加”區(qū)域占比較高的為低地鹽化草甸類和溫性草甸草原類，分別為48%和39.98%。占比最低的為溫性荒漠類，僅有8.44%?！皹O顯著減小”和“顯著減小”的比例在6種草地類型中占比均低于2%。除去溫性荒漠類的其他草地類型中，這2種變化趨勢不超過0.3%。

3 內蒙古草地NPP時間變化特征分析

3.1 年變化特性

對2005—2019年內蒙古地區(qū)草地SNPP均值的年際變化情況進行統(tǒng)計，繪制NPP年際變化圖(圖4)。

圖4 內蒙古地區(qū)15年間的草地NPP年際變化Fig.4 Interannual variation of grassland NPP in Inner Mongolia in 15 years

從圖4顯示的NPP年際變化情況可知，15年間的SNPP均值呈現出臺階式上升趨勢。2007—2008年、2012—2013年、2016—2018年為3個增長階梯。2006年的平均SNPP值最小，為27.48 g·C/(m2·a)；2018年的平均SNPP值最大，為43.54 g·C/(m2·a)。從圖中可以看出，15年間，300 g·C/(m2·a)以下的區(qū)域減少了12.84%，300 g·C/(m2·a)以上的區(qū)域增加了15.08%。當地生態(tài)環(huán)境有明顯改善，草地生產力穩(wěn)步提高。

6種草地類型的SNPP年際變化趨勢擬合函數見表1所示。

表1 內蒙古地區(qū)6種草地類型的SNPP年際變化趨勢Tab.1 Interannual variation trend of SNPP of six grassland types in Inner Mongolia

6種主要草地類型的變化趨勢基本一致，均呈現出波動上升趨勢。由擬合曲線的函數表達式可知，溫性草甸草原類的增速最高，其次是低地鹽化草甸類和溫性草原類。溫性荒漠類草地的增速最低，僅為0.709 6 g·C/(m2·a)。

3.2 月、季變化特性

受氣溫和濕度影響，內蒙古地區(qū)草地NPP在每個月份的數值不同。1—7月份，氣溫逐漸升高且草地生長所需水分逐漸增加，草地NPP也逐漸提高。7月份之后，草地NPP整體處于下降趨勢。冬季氣溫低，降水降雪不斷增加，低溫高濕的環(huán)境不利于植被生長。

草地NPP的主要積累期在水熱搭配較好的4—10月，但受草地類型的影響，不同草地類型的NPP積累期峰值所處位置略有不同。6種草地類型的NPP在一年中各個月份的積累情況如圖5所示。溫性草甸草原類、溫性草原類和低地鹽化草甸類的NPP均值峰值出現在7月，其他3種草地類型的NPP均值峰值均出現在8月。該現象可為該地區(qū)草地管理提供一定參考，提高草地NPP的積累。

圖5 6種草地類型的NPP均值月變動情況Fig.5 Monthly variation of average NPP value of six grassland types

3.3 未來變化趨勢

使用Hurst指數法預測內蒙古草地NPP的未來變化趨勢，揭示草地SNPP變化規(guī)律。當Hurst指數的數值越接近0，反持續(xù)性越強；H數值越接近1，持續(xù)性越強。

草地SNPP的平均Hurst指數為0.71。研究區(qū)域15.8%的區(qū)域呈現出反持續(xù)特征，84.2%的區(qū)域呈現出持續(xù)性特征。錫林郭勒盟、赤峰市和通遼市的大部分區(qū)域均呈現出“強持續(xù)性”和“極強持續(xù)性”；阿拉善盟西部和呼倫貝爾市東北部呈現出“極強反持續(xù)性”和“強反持續(xù)性”。研究區(qū)域草地SNPP的Hurst指數統(tǒng)計結果如圖6所示。從草地類型看，Hurst指數比重最高的為溫性荒漠草原類，為92.44%；Hurst指數比重最低的為溫性荒漠類，為73.55%。反持續(xù)性特征最為明顯的為溫性荒漠類，持續(xù)性特征最為明顯的為溫性荒漠草原類。

圖6 內蒙古地區(qū)草地SNPP的Hurst指數空間分布Fig.6 Spatial distribution of Hurst index of grassland SNPP in Inner Mongolia

根據研究區(qū)域SNPP的Hurst指數和年際變化率，可將草地SNPP的未來變化趨勢劃分為如圖7所示的4種(圖7)。

圖7 內蒙古地區(qū)草地SNPP未來變化趨勢Fig.7 Future trend of grassland SNPP in Inner Mongolia

年際變化率大于0，Hurst指數大于0.5時，草地SNPP值“持續(xù)增加”；Hurst指數小于0.5時，SNPP值“由增加變?yōu)闇p小”；年際變化率小于0，Hurst指數大于0.5時，草地SNPP值“持續(xù)減小”；Hurst指數小于0.5時，SNPP值“由減小變?yōu)樵黾印?。從圖中可以看出，內蒙古大部分地區(qū)的草地SNPP值將“持續(xù)增加”。大約4.07%的區(qū)域會出現“持續(xù)減小”情況，主要集中在阿拉善盟西部地區(qū)。大約13.45%的區(qū)域呈現“由增加變?yōu)闇p小”趨勢，主要集中在呼倫貝爾市東北部。從草地類型看，SNPP“持續(xù)增加”占比最高的草地類型為溫性荒漠草原類，為91.68%；SNPP“持續(xù)減小”比重最高的草地類型為溫性荒漠類，為14.98%；SNPP“由增加變?yōu)闇p小”占比最高的類型為低地鹽化草甸類，其次為溫性草甸草原類，分別為19.43%和17.59%。需要采取一定人為措施提高溫性荒漠類草地的生產力，同時應特別注意低地鹽化草甸類和溫性草甸類草地，防止其生產力由提升轉為降低。

4 結論

草原生態(tài)系統(tǒng)植被生產力的研究是全球氣候變化研究的熱點之一，也是區(qū)域政府制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必要參考內容。本次研究使用CASA模型對內蒙古地區(qū)草地NPP在不同時間尺度下的時空變化特征進行分析。使用Hurst指數法預測研究區(qū)域內草地未來NPP變化趨勢。結果表明，內蒙古93.56%的地區(qū)在15年間的SNPP值呈現增加趨勢，溫性草甸草原類草地的平均SNPP值最高。溫性草甸草原類、溫性草原類和低地鹽化草甸類的NPP均值峰值出現在7月，其他3種草地類型的NPP均值峰值在8月。Hurst指數比重最高的是溫性荒漠草原類，為92.44%。SNPP“由增加變?yōu)闇p小”占比最高的類型是低地鹽化草甸類，其次是溫性草甸草原類，分別為19.43%和17.59%。上述研究成果將為內蒙古地區(qū)生態(tài)治理和經濟發(fā)展規(guī)劃提供一定參考依據，但是有關草地生產力未來變化趨勢的預測并未經過實際驗證，后續(xù)還需要繼續(xù)跟蹤研究。