楊紅飛，剛成誠(chéng)，穆少杰，章超斌，周偉，李建龍*

（1.安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210093）

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所積累的有機(jī)物數(shù)量，是光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去呼吸消耗后的剩余部分。NPP作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅直接反映植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，也是判定生態(tài)系統(tǒng)的碳源／匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的主要因子，在全球變化以及碳循環(huán)中扮演著重要的角色［1-2］。植被NPP的研究一直是全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一［2-4］。NPP的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有助于區(qū)域初級(jí)、次級(jí)生產(chǎn)的合理布局和動(dòng)植物資源的可持續(xù)利用，在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩溫室效應(yīng)以及維護(hù)全球氣候穩(wěn)定等全球變化熱點(diǎn)問(wèn)題研究方面具有重要意義［5］。

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，以遙感數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，利用模型估算NPP成為目前區(qū)域尺度植被NPP研究的主要方法。這些模型概括為3類：氣候生產(chǎn)力模型、生理生態(tài)過(guò)程模型和遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的光能利用率模型。1993年，美國(guó)學(xué)者Potter等［6］建立的CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型是光能利用率模型的一種，該模型利用植被吸收的光合有效輻射（APAR）和光能利用率（ε）計(jì)算NPP，實(shí)現(xiàn)了基于光能利用率原理的陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力區(qū)域或全球估算，已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用到植被NPP研究中，并在研究中驗(yàn)證了模型的可靠性［7-9］。草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性及其對(duì)氣候變化的敏感性使得草地生態(tài)系統(tǒng)成為全球變化研究的典型區(qū)域之一［10-13］。新疆是我國(guó)西部?jī)?nèi)陸干旱與半干旱地區(qū)的典型區(qū)域，氣候干燥，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，極易受到全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，該地區(qū)是我國(guó)主要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，天然草地遼闊，毛面積5596.16×104hm2，可利用面積4800.68×104hm2，位居全國(guó)第三位，草地面積占全國(guó)草地總面積的14.6%，約占全區(qū)總面積的34.44%。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，受到自然和人為因素的影響，新疆局部地區(qū)的植被發(fā)生了大范圍的退化［14］，已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，加上植被的退化對(duì)全球氣候變化的負(fù)反饋?zhàn)饔茫承﹨^(qū)域逐漸成為碳源等等，該地區(qū)全球變化的研究逐漸成為熱點(diǎn)。因此，本研究采用CASA模型估算新疆植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，并分析其時(shí)空變化規(guī)律，為保護(hù)干旱與半干旱地區(qū)土地資源和可持續(xù)發(fā)展以及全球氣候變化等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆（34°22′～49°33′N，73°32′～96°21′E）位于我國(guó)西北部（圖1），南北長(zhǎng)約1500 km，東西長(zhǎng)約1900 km，總面積為166×104km2，約占全國(guó)面積的1／6。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?nèi)车奶焐?，三山環(huán)抱中為廣袤的準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地，“三山夾兩盆”構(gòu)成了新疆獨(dú)特的地理環(huán)境特征。新疆氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懜珊敌詺夂?，光熱資源充足，日照時(shí)數(shù)達(dá)2550～3500 h，年平均氣溫9～12℃，無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)180～220 d，降水量稀少，北疆降水為150～200 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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。新疆草地主要分布在天山、阿爾泰山、昆侖山、阿爾金山和準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地邊緣及各河沿岸。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%。新疆廣袤的平原低山帶呈現(xiàn)大片的荒漠景觀，在地理環(huán)境和生物氣候作用下形成的荒漠植被是新疆的主體，占新疆土地面積的42%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理 1）NDVI數(shù)據(jù)：來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA／EOS LPDAAC數(shù)據(jù)分發(fā)中心，為2001－2010年逐月的 MODIS產(chǎn)品 MOD13A1數(shù)據(jù)集（http：／／edcimswww.cr.usgs.gov／pub／imswelcome／），時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為500 m×500 m。利用MODIS網(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT TOOLS對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、拼接處理，得到后綴名為.tif的文件。將16 d的MODIS－NDVI數(shù)據(jù)，采用最大值合成法（maximum value composite，MVC）得到月NDVI數(shù)據(jù)。利用新疆行政區(qū)劃圖裁剪出新疆地區(qū)2001－2010年逐月NDVI的柵格圖像。

2）氣象數(shù)據(jù)：由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：／／cdc.cma.gov.cn／index.jsp）提供，包括全國(guó)722個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)2001－2010年的逐月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，以及120個(gè)氣象站點(diǎn)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)。根據(jù)各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，將氣溫、降水和太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)在ArcGIS的Geostatistical Analyst模塊下，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging空間插值，得到像元大小與NDVI數(shù)據(jù)一致、投影相同的多年逐月氣象因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)集。通過(guò)數(shù)據(jù)掩膜，裁剪出新疆地區(qū)月平均溫度、月降水量和月總太陽(yáng)輻射的柵格圖像。

3）土地覆蓋數(shù)據(jù)：來(lái)源于歐盟聯(lián)合研究中心（JRC）空間應(yīng)用研究所（SAI）的2000年全球土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GLC2000），共有22類，其中草地包括6種類型：高山與亞高山草甸、坡面草地、平原草地、荒漠草地、草甸和高山與亞高山草地。新疆草地主要類型為高山與亞高山草甸、平原草地、荒漠草地、草甸和高山與亞高山草地5種類型。

1.2.2 NPP估算模型及精度驗(yàn)證 CASA模型利用植被遙感原理，通過(guò)歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）獲取植被對(duì)光合有效輻射的吸收系數(shù)（fractional photosynthetically active radiation，F(xiàn)PAR），再利用太陽(yáng)總輻射（photosynthetically active radiation，PAR）和FPAR計(jì)算植被吸收的光合有效輻射（absorbed photosynthetic active radiation，APAR），進(jìn)行估算 NPP［6］。

CASA模型所估算的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力可以由APAR和光能利用率（ε）兩個(gè)變量來(lái)確定，其估算公式如下：

式中，APAR（x，t）表示像元x在t月吸收的光合有效輻射，ε（x，t）表示像元x在t月的實(shí)際光能利用率。植被吸收的光合有效輻射（APAR）取決于太陽(yáng)總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例，用公式（2）計(jì)算：

式中，SOL（x，t）表示像元x在t月的太陽(yáng)總輻射量（MJ／m2）；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射（400～700 nm）占太陽(yáng)總輻射的比例；FPAR表示植被層對(duì)入射的光合有效輻射（PAR）的吸收比例，在一定范圍內(nèi)FPAR與NDVI、SR（simple ratio）存在較好的線性關(guān)系，因而可以通過(guò)MOD13A1產(chǎn)品提取歸一化植被指數(shù)（NDVI）對(duì)FPAR進(jìn)行估算。

光能轉(zhuǎn)化率是指植被把所吸收的光合有效輻射（PAR）轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率，它主要受溫度和水分的影響，用公式（3）計(jì)算：

式中，Tε1（x，t）和Tε2（x，t）表示溫度對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響，Wε（x，t）表示水分條件對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響，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(méi)有任何限制的理想條件下對(duì)光合有效輻射的利用率，它是植被本身的一種生理屬性，其內(nèi)在的生物學(xué)機(jī)制相對(duì)較為復(fù)雜，在目前的條件下無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)獲得，只能通過(guò)模擬的方法實(shí)現(xiàn)，加上受地理位置、氣候等因素的影響，全球相同植被也難免與中國(guó)存在較大差別，因此本文參考國(guó)內(nèi)學(xué)者朱文泉等［15］利用中國(guó)草地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬得到的最大光能利用率0.542 g C／MJ進(jìn)行草地NPP估算。FPAR、Tε1（x，t）、Tε2（x，t）和Wε（x，t）的計(jì)算方法及改進(jìn)見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。

1.2.3 模型精度驗(yàn)證 本研究利用2009年7月實(shí)測(cè)的新疆草地43個(gè)樣地的生物量數(shù)據(jù)，換算成草地地上、地下植被生產(chǎn)力，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與CASA模型的模擬結(jié)果一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)行模型精度驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆草地分布特征

由于新疆獨(dú)特的“三山夾兩盆”的地貌結(jié)構(gòu)和山地水分條件的改善，使新疆在單調(diào)貧乏的荒漠區(qū)域出現(xiàn)了金色草原，如茵草甸、灌叢以及形形色色的高山植被。極大地增加了牧草種類的豐富度和草地類型的多樣性，不僅使新疆具有獨(dú)特并得到充分發(fā)育的荒漠草地，而且在此幾乎孕育了北溫帶范圍內(nèi)所有的草地類型［17］。從圖2可以看出，高山與亞高山草甸主要分布于新疆北部的阿爾泰山和中部的天山山脈附近，少部分出現(xiàn)在昆侖山的東段。而平原草地主要出現(xiàn)在準(zhǔn)格爾盆地的西部和北部邊緣，以及天山山脈附近的沖積平原。荒漠草地大部分位于南疆的昆侖山附近。而對(duì)于草甸，則主要位于塔里木盆地的北部和天山山脈的南面。在昆侖山分布著一定面積的高山與亞高山草地?？傮w來(lái)說(shuō)，新疆由于獨(dú)特的地理和氣候環(huán)境，其草地類型分布具有很強(qiáng)的異質(zhì)性，且具有生態(tài)環(huán)境脆弱，植被生產(chǎn)力低下等特點(diǎn)。

2.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

由于實(shí)測(cè)NPP是干物質(zhì)的重量（g／m2），為了與模擬NPP進(jìn)行比較，轉(zhuǎn)換為以碳為單位（g C／m2·a）時(shí)，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.475［18］?？傮w來(lái)看，NPP的實(shí)測(cè)值與模擬值之間有良好的線性關(guān)系，成對(duì)的模擬值與實(shí)測(cè)值的線性回歸方程決定系數(shù)可達(dá)到0.658，且P＜0.001，說(shuō)明用上述模型估算的NPP能夠反映該區(qū)域?qū)嶋HNPP的變化狀況，可以認(rèn)為CASA模型適于新疆草地植被NPP的估算（圖3）。

2.3 新疆草地植被年凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布特征

從新疆草地植被年均NPP分布圖可以看出（圖4），受區(qū)域水熱條件的制約，草地植被大體上呈現(xiàn)出由北向南依次出現(xiàn)高山與亞高山草甸、平原草地、草甸、荒漠草地和高山與亞高山草地，其NPP也逐漸由 395 g C／（m2·a）減少到 0 g C／（m2·a）。在新疆各個(gè)區(qū)域中，北部和西北地區(qū)的草地植被NPP相對(duì)較高，其次是中部地區(qū)的天山山脈一帶，而西南和南部地區(qū)的草地植被NPP最低。

如表1所示，新疆不同草地類型的NPP存在較大差異，其中高山與亞高山草甸2001－2010年平均 NPP為149.27 g C／（m2·a），平原草地為138.98 g C／（m2·a），荒 漠 草 地 為 57.68 g C／（m2·a），草甸為155.29 g C／（m2·a），高山與亞高山草地為59.23 g C／（m2·a）。2001－2010年新疆草地平均年NPP總量為56.44 Tg C／a（1 Tg＝1012g），其中，高山與亞高山草甸的年NPP總量為14.57 Tg C／a，平原草地為16.65 Tg C／a，荒漠草地為11.46 Tg C／a，草甸為10.99 Tg C／a，高山與亞高山草地為2.77 Tg C／a。分別占草地年 NPP 總 量的25.82%，29.50%，20.30%，19.47%和4.91%。根據(jù) Odum 劃分生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力的4個(gè)等級(jí)：最低（＜82 g C／m2·a）、較低（82～493 g C／m2·a）、較高（493～1643 g C／m2·a）和最高（1643～3285 g C／m2·a），新疆草地生態(tài)系統(tǒng)中，高山與亞高山草甸、平原草地和草甸屬于較低生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)；而荒漠草地和高山與亞高山草地則屬于最低生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。

圖2 新疆草地類型分布Fig.2 Distribution of grassland types in Xinjiang

圖3 實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比Fig.3 Comparison of estimated NPP and observed NPP for grassland in Xinjiang

圖4 2001-2010年新疆草地年平均NPP的空間分布Fig.4 Spatial distribution of mean NPP in Xinjiang grassland during 2001-2010

2.4 新疆草地植被年凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)間分布特征

2.4.1 新疆草地植被NPP的季節(jié)變化特征 10年平均年內(nèi)月NPP分布格局如圖5所示，新疆5種主要草地從5月開(kāi)始進(jìn)入生長(zhǎng)期，以后生長(zhǎng)逐漸旺盛，7月達(dá)到峰值，8月有所降低，然后生長(zhǎng)逐漸衰落，經(jīng)過(guò)10月后基本結(jié)束生長(zhǎng)周期，其中，6－8月新疆主要草地NPP占全年NPP的63.17%，說(shuō)明這段期間的水熱條件適合于新疆草地植物的生長(zhǎng)。研究同時(shí)表明，從2001－2010年，春季NPP呈持續(xù)增加趨勢(shì)，但NPP在量上顯著增加主要發(fā)生在水熱同季的夏季。

從圖6可以看出，對(duì)于新疆不同草地類型來(lái)說(shuō)，從2001－2010年期間，高山與亞高山草甸NPP從3月到7月呈顯著性增加趨勢(shì)，前7個(gè)月的月平均變化速率為6.732 g C／（m2·a）（R2＝0.852，P＜0.01），從8月開(kāi)始，NPP呈明顯的下降趨勢(shì)，后5個(gè)月變化速率為6.889 g C／（m2·a）（R2＝0.767，P＜0.05）；而對(duì)于平原草地來(lái)說(shuō)，NPP從3月到7月呈明顯增加趨勢(shì)，前7個(gè)月的月平均變化速率為6.256 g C／（m2·a）（R2＝0.866，P＜0.01），從8月開(kāi)始，NPP呈明顯下降趨勢(shì)，后5個(gè)月為5.921 g C／（m2·a）（R2＝0.769，P＜0.05）；草甸NPP也是從3月開(kāi)始逐漸進(jìn)入增長(zhǎng)期，到7月達(dá)到頂峰，前7個(gè)月的月平均增長(zhǎng)速率為6.501 g C／（m2·a）（R2＝0.818，P＜0.01），從8月開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，下降速率為7.352 g C／（m2·a）（R2＝0.771，P＜0.05）；對(duì)于荒漠草地和高山與亞高山草地來(lái)說(shuō)，年內(nèi)前7個(gè)月，NPP均呈上升趨勢(shì)，均于7月達(dá)到峰值，前7個(gè)月的月平均增長(zhǎng)速率分別為2.013 g C／（m2·a）（R2＝0.893，P＜0.01）和1.931 g C／（m2·a）（R2＝0.815，P＜0.01），從8月開(kāi)始，NPP出現(xiàn)下降趨勢(shì)，月平均下降速率分別為2.134 g C／（m2·a）（R2＝0.778，P＜0.05）和2.213 g C／（m2·a）（R2＝0.730，P＜0.05）；荒漠草地和高山與亞高山草地與前3種草地類型相比，無(wú)論從NPP增長(zhǎng)速率還是下降速率，均要小于前3種草地類型，這可能與荒漠草地和高山與亞高山草地的植物種類與其他草地類型的不同，加上特異性的環(huán)境因子和水熱條件的差異所導(dǎo)致。總體而言，對(duì)新疆草地來(lái)說(shuō)，近10年平均月NPP的增加主要是由于生長(zhǎng)旺季本身的增強(qiáng)所致，不同草地類型的生長(zhǎng)季的長(zhǎng)短雖略有差異，但其對(duì)年NPP的增加貢獻(xiàn)并不是很大。

表1 2001-2010年新疆不同草地類型的平均NPP與NPP總量Table 1 Mean NPP and NPP of main grassland types in Xinjiang during 2001-2010

圖5 新疆主要草地類型10年平均NPP的月動(dòng)態(tài)Fig.5 Monthly changes of mean NPP of Xinjiang grassland during 2001-2010

2.4.2 新疆草地植被NPP的年際變異特征 2001－2010年間，新疆草地的10年平均年凈初級(jí)生產(chǎn)力為105.77 g C／（m2·a）。圖7顯示的是新疆5種草地類型從2001至2010年年凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍。高山與亞高山草甸10年間凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍為143.24～158.98 g C／（m2·a），NPP總體上呈減少趨勢(shì)，平均減少率為0.595 g C／（m2·a），未達(dá)顯著水平；平原草地10年間凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍為128.86～152.58 g C／（m2·a），NPP總體上呈減少趨勢(shì)，平均減少值為1.175 g C／（m2·a），同樣未達(dá)顯著水平；對(duì)于荒漠草地來(lái)說(shuō)，10年間凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍為54.05～62.46 g C／（m2·a），總體上呈逐漸下降的趨勢(shì)，平均下降速率為0.198 g C／（m2·a）；草甸植被是10年間NPP唯一呈增長(zhǎng)趨勢(shì)的生態(tài)系統(tǒng)，10年間凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍為144.41～161.47 g C／（m2·a），總體上呈增加的趨勢(shì)，平均增加值為0.232 g C／（m2·a）；高山與亞高山草地NPP 10年間凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化范圍為51.45～66.48 g C／（m2·a），總體上呈逐漸下降的趨勢(shì)，平均下降速率為0.073 g C／（m2·a），未達(dá)顯著水平。

圖6 新疆主要草地類型10年平均NPP的年內(nèi)分布格局Fig.6 Temporal patterns of mean NPP of Xinjiang grassland during 2001-2010

從2001－2010年，綜合新疆5種草地類型的平均NPP來(lái)看，除了草甸外，雖然其余4種草地類型的NPP在10年間總體上均不同程度表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，但不同年份差異很大，比如，2007年高山與亞高山草甸、平原草地、草甸和荒漠草地的NPP有明顯的增加，而高山與亞高山草地的NPP并未增加，反而呈減少趨勢(shì)。這可能與不同的草地類型所處環(huán)境的氣候因子波動(dòng)差異有關(guān)。除草甸類型外，其余4種草地類型中，平原草地的平均NPP下降速率最快，而高山與亞高山草地的平均NPP下降速度最慢，究其原因，可能由于平原草地更易受人類活動(dòng)的影響（過(guò)度放牧、不合理利用草地資源和濫用水資源等），導(dǎo)致草地植被出現(xiàn)了不同程度的退化，植被生產(chǎn)力進(jìn)而下降。

由圖7可以看出，基于CASA模型模擬值，高山與亞高山草甸的NPP最高值出現(xiàn)在2007年，達(dá)到158.98 g C／（m2·a），NPP最低值出現(xiàn)在2006年，為143.24 g C／（m2·a）；平原草地的NPP最高值同樣出現(xiàn)在2007年，達(dá)到152.58 g C／（m2·a），NPP最低值出現(xiàn)在2006年，為128.86 g C／（m2·a）；荒漠草地的NPP最高值則出現(xiàn)在2003年，達(dá)到62.46 g C／（m2·a），NPP最低值出現(xiàn)在2006年，為54.05 g C／（m2·a）；草甸NPP最高值出現(xiàn)在2002年，達(dá)到161.47 g C／（m2·a），NPP最低值出現(xiàn)在2004年，為144.41 g C／（m2·a）；高山與亞高山草地的 NPP最高值出現(xiàn)在2005年，達(dá)到66.48 g C／（m2·a），NPP最低值出現(xiàn)在2009年，為51.45 g C／（m2·a）。

圖8顯示的是新疆草地2001－2010年NPP年際變化空間分布情況，從空間分布格局來(lái)看，各年的NPP分布情況大致相同，NPP高值主要出現(xiàn)在新疆的西北部，伊寧市和天山山脈以西區(qū)域，NPP低值則廣泛出現(xiàn)在南疆昆侖山沿線區(qū)域，10年間未出現(xiàn)明顯空間特異性變動(dòng)狀況。

圖7 2001-2010年新疆主要草地類型平均NPP的年際分布格局Fig.7 Inter-annual changes patterns of mean NPP of Xinjiang grassland from 2001 to 2010

新疆草地植被NPP總量年際波動(dòng)如圖9所示，2001－2010年間，新疆草地植被總NPP年際變化較大，出現(xiàn)了3次大的波動(dòng)，2004，2006和2009年分別降到了谷底，其總 NPP分別為54.84，53.41和53.87 Tg C／a，主要是由于2006年新疆北部遭遇30多年罕見(jiàn)旱災(zāi)導(dǎo)致的。圖9和圖10反映的是5種不同草地類型植被NPP總量變化特征。不同草地類型間的NPP總量年際變化差異較大。高山與亞高山草甸的NPP總量10年間的最低值出現(xiàn)在2006年，為13.99 Tg C／a，而2007年達(dá)到峰值，為15.53 Tg C／a，2001－2010年間，NPP總量總體上呈逐漸下降的趨勢(shì)，平均下降速率為0.058 Tg C／a；平原草地的NPP總量年際變化特征與高山和亞高山草甸相同，10年間的最低值出現(xiàn)在2006年，為15.45 Tg C／a，最高值出現(xiàn)在2007年，為18.29 Tg C／a，總體上呈逐漸下降的趨勢(shì)，平均下降速率為0.141 Tg C／a；草甸的NPP總量10年間的最低值出現(xiàn)在2004年，為10.22 Tg C／a，2002年出現(xiàn)最高值，為11.43 Tg C／a，總體上呈逐漸增加的趨勢(shì)，平均增長(zhǎng)速率為0.016 Tg C／a；高山與亞高山草地的最低值出現(xiàn)在2009年，為2.41 Tg C／a，峰值出現(xiàn)在2005年，為3.11 Tg C／a，總體呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.002 Tg C／a；荒漠草地的NPP總量的最低值則出現(xiàn)在2006年，為10.74 Tg C／a，峰值出現(xiàn)在2003年，為12.41 Tg C／a，總體上呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.039 Tg C／a。全區(qū)草地NPP總量的最低值出現(xiàn)在2006年，為53.41 Tg C／a，最高值出現(xiàn)在2007年，為60.21 Tg C／a，但全區(qū)草地NPP總量總體上呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.225 Tg C／a。

2001－2010年間，在NPP總量上，草甸是新疆5種草地類型中唯一呈逐漸增長(zhǎng)的草地植被類型，而其余4種草地類型均呈下降趨勢(shì)，其中，平原草地的NPP總量下降速率最快，高山與亞高山草地的NPP總量下降最慢，這主要是由于平原草地是新疆所有5種草地類型中，NPP總量最大的草地類型，基數(shù)大；而高山與亞高山草地分布面積最小，NPP總量也最小，在總量變化上沒(méi)有平原草地突出。

表2顯示的是2001－2010年各時(shí)段新疆地區(qū)草地植被NPP的變化特征。由表2可以看出，在21世紀(jì)初期的前5年（2001－2005年），新疆全區(qū)草地平均年總NPP為57.28 Tg C／a，年際變化率為3.66%；而到2006－2010年期間，新疆全區(qū)草地植被總NPP出現(xiàn)下降，其平均年總NPP減少到55.66 Tg C／a，減少1.62 Tg C／a；10年間總年際變化率為4.33%。

圖8 新疆草地2001-2010年NPP年際變化空間分布Fig.8 Spatial distribution of NPP in Xinjiang grassland from 2001 to 2010

前5年間，在新疆5種草地植被類型中，高山與亞高山草甸的年平均NPP為150.61 g C／（m2·a），年際變化率為2.74%；到2006－2010年期間，其年平均NPP減少到147.88 g C／（m2·a），減少2.73 g C／（m2·a），年際變化率為4.50%，高山與亞高山草甸的10年間總年際變化率為3.62%；2001－2005年，平原草地的平均NPP為142.58 g C／（m2·a），年際變化率為3.66%；后5年間，其年平均NPP減少到135.34 g C／（m2·a），減少7.24 g C／（m2·a），年際變化率為7.46%，10年間總年際變化率為6.11%；荒漠草地在2001－2005年間，平均NPP為58.74 g C／（m2·a），年際變化率為5.13%；而到2006－2010年間，平均NPP減少到56.62 g C／（m2·a），減少2.12 g C／（m2·a），年際變化率為6.23%，10年間總年際變化率為5.70%；對(duì)于草甸植被，在2001－2005年間，其年平均 NPP為154.78 g C／（m2·a），年際變化率為4.41%；后5年間，其年平均NPP則增加到155.80 g C／（m2·a），增加1.02 g C／（m2·a），年際變化率為3.16%，草甸植被年平均NPP在10年間的總年際變化率為3.63%；高山與亞高山草地的年平均 NPP為60.61 g C／（m2·a）（2001－2005年），年際變化率為8.21%；而到2006－2010年間，平均NPP減少到57.86 g C／（m2·a），減少2.75 g C／（m2·a），年際變化率為8.30%，10年間總年際變化率為8.16%；在總體上，近10年來(lái)，新疆全區(qū)草地植被總NPP的年際變化較大，具有進(jìn)一步下降趨勢(shì)。

圖9 2001-2010年新疆主要草地類型NPP總量的年際變異特征Fig.9 Inter-annual changes of total NPP in Xinjiang grassland during 2001-2010

從新疆主要草地類型平均NPP的年際變化規(guī)律來(lái)看，近10年以來(lái)（2001－2010年），新疆5種草地類型中，高山與亞高山草地的平均NPP年際變化率最大，達(dá)到8.16%，其次是平原草地，為6.11%；而高山與亞高山草甸平均NPP年際變化率最小，為3.62%。由此可見(jiàn)，新疆草地植被的穩(wěn)定性較差，尤其是平原草地和高山與亞高山草地，受氣候和人類活動(dòng)影響，其凈初級(jí)生產(chǎn)力波動(dòng)較大。其中，平原草地主要分布在海拔較低、人類相對(duì)密集的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，受人類影響最大；而高山與亞高山草地主要分布于干旱、高海拔、自然條件差的西南部地區(qū)（昆侖山脈沿線），受氣候因子影響劇烈，因此其穩(wěn)定性最差。

圖10 2001-2010年新疆不同草地類型的NPP總量變化Fig.10 Dynamics of annual NPP for different grassland types in Xinjiang during 2001-2010

表2 2001-2010年各時(shí)段新疆地區(qū)草地植被NPP的變化特征Table 2 Comparison of mean NPP and change features of NPP in Xinjiang grassland from 2001 to 2010

3 結(jié)論

新疆草地植被NPP空間分布特征受區(qū)域水熱條件的制約，草地植被大體上呈現(xiàn)出由北向南依次出現(xiàn)高山與亞高山草甸、平原草地、草甸、荒漠草地和高山與亞高山草地，其NPP也逐漸由395 g C／（m2·a）減少到接近0 g C／（m2·a）。2000－2010年間，新疆草地NPP總量介于53.40～60.21 Tg C之間，平均值為56.47 Tg C。空間上，各年NPP均呈北高南低的分布格局，即新疆北部阿爾泰山部分和天山西部附近草地NPP高于新疆南部昆侖山附近草地，這主要是受氣候、土壤等條件的影響。

新疆不同草地類型的NPP存在較大差異。其中，草甸的平均NPP最高，為155.29 g C／（m2·a）；荒漠草地的平均NPP最低，為57.68 g C／（m2·a）；總體表現(xiàn)為草甸＞高山與亞高山草甸＞平原草地＞高山與亞高山草地＞荒漠草地；在NPP總量上，平原草地最高，為16.65 Tg C／a，高山與亞高山草地最低，為2.77 Tg C／a，總體表現(xiàn)為平原草地＞高山與亞高山草甸＞荒漠草地＞草甸＞高山與亞高山草地，分別占草地年NPP總量的29.50%，25.82%，20.30%，19.47%和4.91%。新疆地區(qū)草地植被 NPP整體水平較低，其中，高山與亞高山草甸、平原草地和草甸屬于較低生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)；而荒漠草地和高山與亞高山草地則屬于最低生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。

新疆草地植被NPP的季節(jié)變化特征明顯。在6－8月，新疆主要草地植被NPP占全年NPP的63.17%。在季節(jié)變化上，春季NPP呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，但NPP在量上顯著增加主要發(fā)生在水熱同季的夏季。不同草地類型的平均NPP月際變化差異較大，但均在7月達(dá)峰值。總體而言，對(duì)新疆草地來(lái)說(shuō)，近10年平均月NPP的增加主要是由于生長(zhǎng)旺季本身的增強(qiáng)所致，不同草地類型的生長(zhǎng)季的長(zhǎng)短雖略有差異，但其對(duì)年NPP的增加貢獻(xiàn)并不是很大。過(guò)去10年間，新疆主要草地類型的平均NPP，除草甸呈增長(zhǎng)趨勢(shì)外，其他4種草地類型的平均NPP總體上均表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，其中，平原草地的平均NPP下降速率最快。全區(qū)草地植被NPP總量在2007年達(dá)最高值，為60.21 Tg C／a，最低值出現(xiàn)在2006年，為53.41 Tg C／a，降序排列依次2007＞2003＞2005＞2002＞2010＞2001＞2008＞2004＞2009＞2006。草甸是新疆5種草地類型中，NPP總量唯一呈逐漸增長(zhǎng)的草地類型，而其他4種草地類型均呈下降趨勢(shì)，其中，平原草地的NPP總量下降速率最快，這主要是由于平原草地除受氣候影響外，更易受到人類活動(dòng)的干擾影響（例如過(guò)度放牧、不合理利用草地資源和濫用水資源等）。近10年來(lái)，新疆全區(qū)草地植被總NPP的年際變化較大，有進(jìn)一步下降趨勢(shì)。