中國北方農(nóng)牧交錯帶凈初級生產(chǎn)力時空分異特征

趙唯茜，杜華明，董廷旭，邢意珂

（1.河南省南水北調(diào)中線渠首生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，河南南陽 474475；2.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽 621000）

0 引言

北方農(nóng)牧交錯帶是我國農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分，它是連接我國西部草原牧區(qū)和東部農(nóng)耕區(qū)的生態(tài)過渡地帶［1］.在地理范圍上介于東經(jīng)108.82°～124.74°、北緯34.81°～48.53°之間，涉及內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、甘肅、寧夏、青海等10個省區(qū)（自治區(qū)），205個縣（旗、縣級市及市轄區(qū)）［1］.從自然條件上看，該帶以東以南地區(qū)主要是以平原為主的濕潤半濕潤區(qū)，而該帶以西以北則是以高原、山地、沙漠為主的干旱半干旱地帶［2］，因此北方農(nóng)牧交錯帶也是遏制荒漠化、沙化東移和南下的重要生態(tài)屏障.農(nóng)牧交錯帶內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱、抵抗自然和人為干擾能力低且生態(tài)環(huán)境修復(fù)能力較差［3］，生態(tài)系統(tǒng)的植被群落生產(chǎn)能力變化影響著當(dāng)?shù)匾约爸苓叺貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況.因此積極開展農(nóng)牧交錯帶生態(tài)領(lǐng)域的研究，促進(jìn)農(nóng)牧交錯帶生態(tài)保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，對保障我國生態(tài)安全具有重要戰(zhàn)略意義［4］.

凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植被通過光合作用在單位面積、單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的有機(jī)物數(shù)量，是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ).它能夠反映植被群落的生產(chǎn)能力以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，是估算和評價陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)指標(biāo)［5］.近年來我國學(xué)者對不同區(qū)域、不同尺度下植被NPP的研究工作相繼展開，但多數(shù)集中于某一行政區(qū)域內(nèi)或單一自然地理單元內(nèi)［6-7］.而北方農(nóng)牧交錯帶這樣的地理單元過渡帶內(nèi)植被NPP的變化的研究，僅有極少數(shù)涉及［1，8］.

為準(zhǔn)確反映十多年來北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP 的隨時間變化和空間分布態(tài)勢，本文借助遙感和地理信息技術(shù)，利用區(qū)域內(nèi)MODIS_NDVI 的遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合光能利用率模型（CASA）對北方農(nóng)牧交錯帶整體、各自然帶和不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP進(jìn)行估算，分析了北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP 時間變化和空間分布特征.進(jìn)而掌握北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化和健康狀況.結(jié)果可為北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)、植被資源的有效管理與合理利用，以及推進(jìn)區(qū)內(nèi)生態(tài)文明建設(shè)提供理論參考.

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

北方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域邊界來源于文獻(xiàn)［9］，文中所用到的中國綜合自然區(qū)劃來自黃秉維先生于1965 年提出的中國綜合自然區(qū)劃方案.氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http：//data.cma.cn/）.植被類型數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)（NDVI）為MODIS 產(chǎn)品（https：//lpdaac.usgs.gov/）.植被最大光利用率來自文獻(xiàn)［10］.DEM 數(shù)據(jù)來源中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.gscloud.cn）.

1.2 研究方法

1.2.1 植被NPP 估算方法 植被NPP由植物吸收的光合有效輻射（APAR）和實(shí)際光能利用率ε來決定，估算公式為：

其中，APAR（x，t）為x象元在t月的光合有效輻射，單位為MJ/m2/month；ε（x，t）表示x象元在t月的實(shí)際光能利用率，單位為g C/MJ.

光合有效輻射APAR（x，t）的估算公式為：

其中：SOL（x，t）為x象元在t月的太陽總輻射量的單位為MJ/m2/month；FPAR（x，t）為植被光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0.5則是指被植被所利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例.

1.2.2 植被NPP估算過程 對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Aunsplin模型進(jìn)行插值處理，得到氣象要素柵格數(shù)據(jù).使用MODIS 重投影工具（MRT）對MOD12Q1 和MYD13A3 數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理.運(yùn)用ENVI軟件下的IDL語言編寫的CASA模型程序進(jìn)行運(yùn)算，獲得植被NPP數(shù)據(jù).最后利用Arc-GIS的空間分析工具，對研究區(qū)域內(nèi)植被NPP空間分布格局、時間變化及其影響因子進(jìn)行分析.

1.2.3 變化趨勢分析方法 一元線性回歸分析法是在柵格數(shù)據(jù)的每個像元基礎(chǔ)上，對研究區(qū)域內(nèi)2000—2020 年每個像元植被NPP 值的變化趨勢進(jìn)行模擬，從而揭示不同時期內(nèi)植被NPP變化趨勢的空間特征.其計算公式如下：

公式中：θslope為研究區(qū)內(nèi)NPP 值的趨勢線的斜率即線性傾向值；n為研究時間段內(nèi)總年數(shù)，本文中n=21；i為年數(shù)變量，即i=1～n；NPPi為第i年的NPP 的平均值.隨時間i的增加θslope＞0時，NPP 處于上升趨勢；反之，隨時間i的增加θslope<0 時，NPP 值則處于下降趨勢.θslope的大小反映了NPP上升或下降的速率，也就是其趨勢線的傾斜程度.

NPP的變化程度用百分比表示，其公式為：

公式中：NPPchange為NPP 值的變化百分比；θslope由3式計算得出的NPP 斜率；NPPmean為21年的平均NPP值；n為研究時間段內(nèi)總年數(shù)，文中n=21.

顯著性檢驗(yàn)方式為t檢驗(yàn)法，逐像元對研究區(qū)域內(nèi)的植被NPP時間變化趨勢進(jìn)行顯著性的檢驗(yàn)，當(dāng)p<0.05 時被認(rèn)為是變化趨勢顯著，p<0.01 時被認(rèn)為變化趨勢極顯著.結(jié)合趨勢線的斜率θslope將變化顯著程度分為極顯著增加（θslope>0；p<0.01）、顯著增加（θslope>0；0.010.05）、顯著減少（θslope<0；0.01

2 結(jié)果分析與討論

2.1 植被NPP分布特點(diǎn)與變化趨勢

2.1.1 分布特點(diǎn) 2000—2020 年均植被NPP 分布圖（圖1）可以看出，北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)年均植被NPP分布大致以115°經(jīng)線為分界線，分界線以東地區(qū)植被NPP 自中部向北、向南呈逐漸增加趨勢，分界線以西地區(qū)自南向北呈逐漸減少趨勢.研究區(qū)域內(nèi)年均植被NPP 為234.33 gCm-2a-1，植被NPP 總量為167.90×1012gCm-2a-1.從自然地理分區(qū)來看，東北地區(qū)年均植被NPP 為247.87 gCm-2a-1；NPP 分布四周高于中心；華北地區(qū)年均植被NPP為247.72 gCm-2a-1，華北地區(qū)東北部高于南部；西北地區(qū)NPP 最小為240.01 gCm-2a-1，西北地區(qū)的西部、南部高于北部.

圖1 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯帶年均植被NPP分布Fig.1 Annual average vegetation NPP distribution

從圖2 可以看出，研究區(qū)內(nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)分布最為廣泛，是研究區(qū)內(nèi)主要植被生態(tài)系統(tǒng)；其次為耕地生態(tài)系統(tǒng)，主要分布在東北地區(qū)的東部、西北地區(qū)的南部和東部以及華北地區(qū)的西部區(qū)域；落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在華北地區(qū)的東部、西北地區(qū)的東南部.由表1 可知，常綠闊葉林年均植被NPP 為596.39 gCm-2a-1，在所有生態(tài)系統(tǒng)中其年均植被NPP 最大.灌木生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP 在所有生態(tài)系統(tǒng)中最小，NPP 為109.23 gCm-2a-1.由于常綠闊葉林、生產(chǎn)能力高于其他植被，因此單位面積內(nèi)的植被NPP也就高于其他種類的植被.

表1 北方農(nóng)牧交錯帶植被生態(tài)系統(tǒng)估算值及面積占比Tab.1 Ecosystem vegetation NPP and area proportion

圖2 植被覆蓋類型分布Fig.2 Distribution of vegetation cover types

草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP 總量最大，為105.70×1012gCm-2a-1；常綠闊葉林的年均植被NPP 總量最小，為0.02×1012gCm-2a-1.由于常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)面積最小，占研究區(qū)域的不到0.01%，因此常綠闊葉林的年均植被NPP總量最?。欢莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)在研究區(qū)中分布面積最大，占研究區(qū)域總面積的69.37%，因此區(qū)域內(nèi)的草地年均植被NPP總量最大.

2.1.2 變化趨勢 2000—2020 年，北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)年均植被NPP 呈現(xiàn)波動增長趨勢（圖3）.自2000 年193.95 gCm-2a-1增加到2020 年的275.50 gCm-2a-1，與2000 年相比增加了42.05%，平均每年增長率約為2.47%.植被NPP峰值是在2018年為284.09 gCm-2a-1，最低是在2001年為190.91 gCm-2a-1.其中在2001—2002 年、2007—2008 年植被NPP 增加幅度較大，可能是因?yàn)楦孛娣e的增加，使得植被NPP 在160～204、240～320 gCm-2a-1級 別的面積增加，從而導(dǎo)致植被NPP 的變化幅度增大.2014—2020 年植被NPP 先減小后增大，呈現(xiàn)出大幅度波動.在研究時間段內(nèi)雖然NPP整體趨勢呈現(xiàn)不斷增加，但在個別年份中受到不同的干擾因素的影響，導(dǎo)致了NPP呈現(xiàn)波動的變化.從植被NPP 分級別占比可以看出，小于160 gCm-2a-1的各級別的面積整體在減少，0～80、80～160 gCm-2a-1分別減少了8.30%和24.76%.160 gCm-2a-1以上的各級別的面積占比在不斷地增加，160～240、240～320、320～400、400～480、>480 gCm-2a-1面積的占比分別增加了2.00%、13.69%、11.34%、5.50%、0.54%.低值區(qū)域的減少說明區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋面積在不斷地增加，而高值區(qū)域的增加說明了植被覆蓋質(zhì)量在不斷改善.

圖3 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP分級變化Fig.3 Changes in NPP classification of vegetation in the northern agricultural pastoral ecotone from 2000 to 2020

從空間變化趨勢分布格局來看（圖4），以東經(jīng)115°經(jīng)線為分界線將北方農(nóng)牧交錯帶分為東西兩部分.在115°經(jīng)線以西區(qū)域，2000—2020 年植被NPP 的變化以增加趨勢為主要特征，同時交錯帶內(nèi)植被NPP 變化幅度較大的區(qū)域也分布于此.而在115°經(jīng)線以東的區(qū)域，東半部分植被NPP 變化以增加為主，西半部分植被NPP 變化以無變化和減少趨勢相間分布為主要特征.從區(qū)域整體來看，NPP 增加區(qū)域的面積占總面積的86.98%，植被NPP 減少的區(qū)域占總面積的2.06%，植被NPP 穩(wěn)定的區(qū)域占總面積的10.96%.

圖4 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP變化趨勢分布Fig.4 Distribution of NPP changes in vegetation in the northern agricultural pastoral ecotone from 2000 to 2020

從變化的顯著性水平來看（圖5），東北地區(qū)的東北部分和西北地區(qū)的顯著性水平較高，而東北地區(qū)的西南部分和華北地區(qū)的顯著性水平較低.通過空間統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：植被NPP變化顯著性檢驗(yàn)在P<0.01極顯著水平的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的37.04%，其中極顯著減少的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的0.28%，主要分布在大興安嶺南部和東北平原西南部自然帶內(nèi)；極顯著增加的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的36.76%，主要分布在西北地區(qū)和東北地區(qū)的北部.植被NPP 變化在0.010.05 無顯著變化的區(qū)域占研究區(qū)總面積的30.20%.說明在研究時間段內(nèi)研究區(qū)內(nèi)植被NPP整體向良性變化的趨勢，但在局部地區(qū)差異較為明顯.特別在東北地區(qū)的西部和環(huán)北地區(qū)的北部呈現(xiàn)顯著退化的趨勢.

圖5 2000—2020年北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP變化的顯著性水平Fig.5 Significance level of vegetation NPP changes in the northern agricultural pastoral ecotone from 2000 to 2020

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

利用改進(jìn)的CASA 模型估算植被NPP，在數(shù)據(jù)時間選擇上更靈活，且基于Anusplin 的氣象要素插值數(shù)據(jù)及改進(jìn)后的CASA 模型模擬的NPP 在一定程度上能夠提高NPP 估算精度.特別是在干草原、灌叢草原、干荒漠類草原及荒漠草原的估算中精度較高［11］.北方農(nóng)牧交錯帶處在我國半濕潤與半干旱氣候的過渡帶，帶內(nèi)的植被覆蓋多以草原為主，因此在此選擇改進(jìn)后的CASA模型進(jìn)行NPP估算更為合適.本文利用改進(jìn)的CASA模型估算出北方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)多年平均植被NPP值為229.92 gCm-2a-1，內(nèi)蒙古地區(qū)的多年平均植被NPP值為218.15 gCm-2a-1，滑永春等［12］、石磊等［13］、常屹冉等［14］對內(nèi)蒙 古草原NPP 估算 值分別為266.94、236.2、208.7 gCm-2a-1；本文中陜北地區(qū)的多年平均植被NPP值為214.73 gCm-2a-1，倪向南等［15］對陜北風(fēng)沙過渡帶NPP估算值為202.57 gCm-2a-1；朱玉果［11］等對寧夏草地NPP進(jìn)行估算發(fā)現(xiàn)寧夏中部NPP在100～200 gCm-2a-1范圍，而本文估算寧縣NPP值為135.91 gCm-2a-1.通過與前人所做的結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)與前人所作結(jié)果雖存在一定差異，但分布特征基本一致.這可能是因?yàn)榈谝还浪愕膮^(qū)域范圍有一定差異；模型估算時所選擇的數(shù)據(jù)不同，另外本文中所用氣象數(shù)據(jù)插值方法與前人不同，也可能會導(dǎo)致一定的差別.

3.2 結(jié)論

本文基于改進(jìn)的CASA 模型估算了2000—2020年北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP的時空分異特征如下：

（1）北方農(nóng)牧交錯帶單位面積植被NPP為234.33 gCm-2a-1，植被NPP總量為167.90×1012gCm-2a-1.多年年均植被NPP分布大致以115°經(jīng)線為分界線，分界線以東地區(qū)植被NPP自中部向北、向南呈逐漸增加趨勢，分界線以西地區(qū)自南向北呈逐漸減少趨勢.

（2）各生態(tài)系統(tǒng)中，常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP 最大，灌木生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP最??；常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP總量最小，草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP總量最大.

（3）北方農(nóng)牧交錯帶植被NPP 呈波動上升趨勢，為190.91～284.09 gCm-2a-1.2000 年NPP 為193.95 gCm-2a-1，2020年NPP增加到275.50 gCm-2a-1.21年間植被NPP增加了39.64%.

（4）研究區(qū)內(nèi)植被NPP 增加區(qū)域的面積占總面積的86.98%，植被NPP 減少的區(qū)域占總面積的2.06%.其中極顯著增加的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的36.76%；顯著增加的區(qū)域占研究區(qū)總面積的27.89%.