閆俊杰,劉海軍,趙 玉,崔 東,劉 影

(1.伊犁師范學(xué) 院生物與地理科學(xué)學(xué)院,新疆 伊寧 835000; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

隨著全球變化問(wèn)題研究的不斷深入，植被與大氣之間的相互作用過(guò)程逐步成為研究的熱點(diǎn)[1]。草地占據(jù)陸表25%的面積[2]，是全球分布最為廣泛植被類型[3]，在氣候調(diào)節(jié)以及全球碳循環(huán)中起著重要作用[4]。凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary production，NPP)代表了單位面積綠色植被在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用所生產(chǎn)的有機(jī)物量扣除自養(yǎng)呼吸消耗后的剩余部[5]，它不僅反映了植被在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力，而且還是估算生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯及判定生態(tài)系統(tǒng)功能狀況的重要指標(biāo)[6]，在全球氣候變化背景下，研究草地植被NPP的時(shí)空變化特征，對(duì)掌握植被生態(tài)功能的演變規(guī)律及其對(duì)大氣的反饋?zhàn)饔镁哂兄匾饬x。

區(qū)域尺度上，估算模型與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合是目前NPP估算有效且被廣泛采用的方法[7-8]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自身需求和則重點(diǎn)，建立了多種NPP估算模型，如NPP-EMSC，GLOPEM 及CASA等光能利用率模型，以及TEM，BIOME-BGC等生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型[9]，這些模型的建立為區(qū)域NPP量化研究奠定重要基礎(chǔ)，并被廣泛應(yīng)用于不同尺度植被NPP的估算和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[10-14]。起始于2000年的MODIS NPP時(shí)間序列數(shù)據(jù)是向全球公開(kāi)發(fā)布的NPP成品數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)基于BIOME-BGC模型及改進(jìn)的CASA模型擬合制成[15]，包含在MODIS MOD17A3數(shù)據(jù)集內(nèi)，目前已在全球不同區(qū)域NPP研究中得到驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用[7,15-16]。

我國(guó)草地廣泛分布，西北干旱與半干旱區(qū)是其重要分布區(qū)，但該區(qū)干旱少雨，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)敏感，長(zhǎng)期以來(lái)其植被、氣候等環(huán)境變化被廣泛關(guān)注[17]。目前，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)西北全區(qū)及內(nèi)蒙古等區(qū)域NPP時(shí)空變化進(jìn)行了相關(guān)研究[18-19]，但西北地區(qū)地域廣闊，地形復(fù)雜，環(huán)境條件地域差異明顯，以流域?yàn)閱挝唬芯科銷PP時(shí)空變化，對(duì)掌握西北地區(qū)草地生態(tài)NPP變化的空間分異特征具有重要意義。伊犁河谷位于新疆西北，祖國(guó)邊陲，河谷內(nèi)草地植被發(fā)育良好，分布高寒草甸、山地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠及低平地草甸等多種草地植被類型[20]，且其東、南和北三面被高山包圍，西臨國(guó)界，是一個(gè)獨(dú)立而完整流域，同時(shí)該區(qū)受氣候變化和人類影響，河谷內(nèi)草地退化逐步加劇，環(huán)境惡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，是西北草地生態(tài)的典型代表。

基于此，本文以伊犁河谷為研究區(qū)，基于MODIS MOD17A3數(shù)據(jù)，借助于GIS空間分析技術(shù)，分析其NPP時(shí)空變化特征，以期探明該區(qū)草地NPP的演變規(guī)律及其空間分異，為草地生態(tài)問(wèn)題的治理提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于80°09′42″—84°56′50″E，42°14′16″—44°53′30″N，地處我國(guó)西北邊境，整個(gè)區(qū)域北、東、南三面環(huán)山，西臨國(guó)界，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的地域單元。河谷內(nèi)高山、盆地及河谷平原相間分布，地形復(fù)雜，河流縱橫。河谷氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍艿匦斡绊?，山區(qū)降水豐沛而氣溫偏低，平原降水稀少而氣溫偏高[21-22]，水熱條件的空間差異及多樣變化為植被的多樣性發(fā)育提供了良好條件，河谷內(nèi)草地植被發(fā)育良好，是河谷生態(tài)主體，廣闊且優(yōu)質(zhì)的草地使伊犁河谷成為我國(guó)西北乃至全國(guó)重要的畜牧基地。然則，隨著伊犁河谷畜牧業(yè)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)草地生態(tài)的干擾也不斷增強(qiáng)，相繼出現(xiàn)草地生產(chǎn)力降低及毒害草蔓延[23]等方面的草地退化問(wèn)題。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本文用到的NPP數(shù)據(jù)來(lái)自MODIS MOD17A3數(shù)據(jù)集，其空間分辨率為1 000 m，時(shí)間分辨率為1 a，時(shí)間序列為2000—2015年。該數(shù)據(jù)是基于BIOME-BGC模型及改進(jìn)的CASA模型擬合制成NPP日數(shù)據(jù)后，再進(jìn)一步合成NPP年數(shù)據(jù)。草地植被類型分布數(shù)據(jù)是在中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì)繪制的中國(guó)1∶100萬(wàn)植被類型分布圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)伊犁河谷2015年6—9月Landsat 8 OLI影像的解譯，剔除非草地類型后而獲得，文章對(duì)該圖中的草地類型進(jìn)行了歸類，劃分為了高寒草甸、山地草甸、溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠和低平地草甸7個(gè)類型。DEM數(shù)據(jù)為美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合分布的SRTM數(shù)據(jù)，其空間分辨率為90 m。

對(duì)獲得的草地植被類型矢量圖進(jìn)行了柵格化處理，考慮到矢量圖中斑塊邊界特征及數(shù)據(jù)量的大小，在柵格化的過(guò)程中將像元大小設(shè)置為了250 m×250 m。對(duì)獲得的NPP數(shù)據(jù)，除進(jìn)行了鑲嵌、轉(zhuǎn)投影及研究區(qū)裁剪等操作外，為保證其與草地類型柵格數(shù)據(jù)的空間匹配，將其像元大小重采樣為了250 m×250 m。

2.2 趨勢(shì)分析

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)與Theil-Sen median趨勢(shì)分析來(lái)判斷NPP時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，并對(duì)其變化速率進(jìn)行量化[24]。Mann-Kendall檢驗(yàn)的計(jì)算方法為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：NPPk和NPPi為樣本時(shí)間序列；n為時(shí)間序列長(zhǎng)度；sign為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)|Zc|>U1-α/2時(shí)，表明在α水平上時(shí)間序列變化趨勢(shì)顯著。若統(tǒng)計(jì)量Zc值為正，表示時(shí)間序列變化呈上升趨勢(shì)，若統(tǒng)計(jì)量Zc值為負(fù)，則變化趨勢(shì)為減少。

Theil-Sen median趨勢(shì)分析用于對(duì)時(shí)間序列變化進(jìn)行量化，表示單位時(shí)間內(nèi)的變化量，其計(jì)算公式為：

(5)

式中：10時(shí)，意味著時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)；反之，則呈減少趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 伊犁河谷NPP總體特征

利用2000—2015年16期草地NPP年空間分布數(shù)據(jù)，求出其多年平均數(shù)據(jù)，以多年平均數(shù)據(jù)來(lái)表示伊犁河谷草地NPP整體狀況，并根據(jù)草地NPP空間分布及其直方圖特征，對(duì)草地NPP進(jìn)行等級(jí)劃分(表1)，制作伊犁河谷草地NPP等級(jí)類型空間分布圖(圖1)，分析其空間分布特征。

伊犁河谷內(nèi)，海拔及地形是影響水熱資源配比及空間分布的重要因素，因而也是決定植被空間分布的重要因素。伊犁河谷草地NPP總體表現(xiàn)為山前洪積沖積扇區(qū)、低山丘陵區(qū)及高山區(qū)NPP相對(duì)較低[NPP<300 g C/(m2·a)]，而中山區(qū)及山間盆地NPP相對(duì)較高[NPP>300 g C/(m2·a)]。

根據(jù)表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，伊犁河谷全區(qū)NPP多年平均值為272.99 g C/(m2·a)。各草地類型中山地草甸面積最大，其NPP也最高，為331.04 g C/(m2·a)，其NPP >200 g C/(m2·a)的面積占到全區(qū)草地面積的38.27%；其次為溫性草甸草原，其NNP為310.65g C/(m2·a)，但面積較小，其NPP >200 g C/(m2·a)的面積僅占全區(qū)草地面積的5.63%；溫性荒漠NPP最小，為144.14 g C/(m2·a)，其86.43%的區(qū)域NPP <200 g C/(m2·a)；剩余草地類型的NNP均介于200～300 g C/(m2·a)。

圖1 2000-2015年伊犁河谷草地平均NPP空間分布

對(duì)于不同NPP等級(jí)，全區(qū)NPP介于300～400 g C/(m2·a)的面積比例最大，為38.03%，其面積的55.14%為山地草甸，空間上主要分布于昭蘇盆地及其周圍，以及河谷中部、南部和北部的中山區(qū)；其次為NPP介于200～300 g C/(m2·a)及100～200 g C/(m2·a)的等級(jí)，其比例分別為31.41%和20.73%，對(duì)于NPP介于200～300 g C/(m2·a)的等級(jí)，其面積的69.85%為高寒草甸和山地草甸，空間上主要分布在河谷東部及南部的高山區(qū)，而對(duì)于NPP介于100～200 g C/(m2·a)的等級(jí)，其面積的58.51%則為溫性荒漠類和高寒草甸，空間上主要分布在鞏乃斯河下游、特克斯河下游、喀什河下游以及伊犁河兩側(cè)的洪積沖積扇區(qū)和低山丘陵區(qū)，海拔較高的高山區(qū)也有部分分布；NPP>400 g C/(m2·a)的面積比例為6.34%，其面積的54.57%為山地草甸，空間上主要分布在昭蘇盆地周圍的中山區(qū)；NPP<100 g C/(m2·a)的面積比例最小，僅為3.48%，其面積的68.97%為溫性荒漠，空間上主要分布在伊犁河南部洪積沖積扇的前緣區(qū)。

表1 伊犁河谷全區(qū)及不同草地類型NPP等級(jí)類型面積比例 %

3.2 伊犁河谷NPP變化趨勢(shì)

借助于IDL8.5開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別計(jì)算2000—2015年伊犁河谷全區(qū)及各草地類型年NPP的空間平均值，并利用Mann-Kendall法與Theil-Sen median法來(lái)檢驗(yàn)其變化趨勢(shì)及量化其變化速率(圖2—3，表2)。

圖2 伊犁河谷全區(qū)草地NPP年際變化曲線

圖2為伊犁河全區(qū)草地NPP的年際變化曲線，從圖中可以看出，伊犁河谷草地NPP整體呈波動(dòng)減少的變化趨勢(shì)，于2003年、2007年及2013年出現(xiàn)大的峰值，于2008年及2014年出現(xiàn)大的谷值，最高值出現(xiàn)在2007年，值為299.48 g C/(m2·a)，最小值出現(xiàn)在2008年，值為227.92 g C/(m2·a)。根據(jù)表2中的檢驗(yàn)結(jié)果，全草地NPP年際變化率為-0.94 g C/(m2·a)，變化呈減少趨勢(shì)，但未到達(dá)顯著水平。

圖3為伊犁河谷7種不同草地類型NPP的年際變化圖，從圖中可以看出，除高寒草甸外，其余6種年際波動(dòng)與全區(qū)的平均特征相似。變化趨勢(shì)上，7種草地類型NPP年際變化均呈減少趨勢(shì)，其中面積最大的山地草甸以及溫性草原的減少趨勢(shì)達(dá)到了顯著水平(表2)，其余5種減少趨勢(shì)均未通過(guò)顯著檢驗(yàn)。7種草地類型中，溫性荒漠草原與溫性草原NPP變化速率最大，分別為-2.33 g C/(m2·a)和-2.23 g C/(m2·a)，其次為山地草甸及低平地草甸，其變化速率分別為-1.98 g C/(m2·a)和-1.26 g C/(m2·a)，高寒草甸、溫性荒漠及溫性草甸草原NPP變化率相對(duì)較小，分別為-0.85 g C/(m2·a)，-0.67 g C/(m2·a)和-0.50 g C/(m2·a)。

表2 伊犁河谷全區(qū)及各草地類型NPP變化率及變化趨勢(shì)

圖3 伊犁河谷各草地類型NPP年際變化

3.3 伊犁河谷NPP變化的空間特征

對(duì)NPP進(jìn)行逐像元計(jì)算，檢驗(yàn)其變化趨勢(shì)，計(jì)算其變化速率，獲得伊犁河谷草地NPP Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zc值及年際變化速率β值空間分布數(shù)據(jù)，依據(jù)此數(shù)據(jù)，對(duì)其變化趨勢(shì)及變化速率進(jìn)行分類和劃等，制作伊犁河谷草地NPP變化趨勢(shì)及變化速率等級(jí)空間分布圖(圖4—5)。

從圖4中可以看出，與上述分析相一致，伊犁河谷絕大部分區(qū)域草地變化呈減少趨勢(shì)，空間上主要分布在河谷南部那拉提山以西區(qū)域，以及北部山前洪積沖積扇及低山丘陵區(qū)，全區(qū)草地NPP呈減少趨勢(shì)的比例達(dá)到了73.95%，草地類型主要為山地草甸、溫性草原及高寒草甸，其中山地草甸所占比例最高，達(dá)到了26.99%；但同時(shí)也應(yīng)看到，NPP減少趨勢(shì)達(dá)到顯著水平的比例僅為13.52%，主要分布在特克斯河中游兩側(cè)的中山區(qū)及烏孫山北坡的部分區(qū)域。全區(qū)草地NPP呈增加趨勢(shì)的比例為26.05%，但達(dá)到顯著水平的比例僅為1.75%，空間上僅零星分布于河谷東部及伊犁河下游末端的平原區(qū)；未達(dá)到顯著水平的比例為24.30%，主要為山地草甸和高寒草甸，空間上分布于河谷東部及北部的中山和高山區(qū)。

對(duì)于NPP變化率等級(jí)的空間分布，從圖5可以看出，降低速率>1.0 g C/(m2·a)的區(qū)域占了很大比例，其比例為51.99%，草地類型上主要為山地草甸、溫性草原及高寒草甸。對(duì)于NPP呈增加趨勢(shì)的草地，其增加速率多介于0～2.5 g C/(m2·a)，面積占全區(qū)草地總面積的24.34%，草地類型主要屬于山地草甸和高寒草甸；增加速率>2.5 g C/(m2·a)的草地占全區(qū)的比例僅為4.00%，空間上僅在河谷東部及西北部的中山區(qū)有所分布。而對(duì)于NPP有所降低的區(qū)域，其降低速率主要介于0～5.0 g C/(m2·a)，比例為全區(qū)的67.26%；NPP降低速率>5.0 g C/(m2·a)的比例僅為4.40%，空間上主要分布在NPP發(fā)生顯著降低的區(qū)域內(nèi)。

圖5 伊犁河谷草地NPP變化率等級(jí)空間分布

4 討 論

4.1 NPP變化速率與NPP大小關(guān)系

由上述分析可以看出，不僅各草地類型的NPP變化率不同，不同大小的NPP的變化速率也有所差異，因此基于伊犁河谷多年平均NPP及NPP變化速率的空間分布數(shù)據(jù)，制作NPP等級(jí)與NPP變化率等級(jí)矩陣表(表3)，分和討論NPP變化速率與NPP大小關(guān)系。

NPP的減小速率隨NPP的增加總體呈現(xiàn)逐步增大的變化特征，其中NPP>300 g C/(m2·a)段表現(xiàn)最為明顯。各NPP等級(jí)中，等級(jí)為300～400 g C/(m2·a)的面積最大，同時(shí)也是NPP的減小速率最大的區(qū)域，根據(jù)表3中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其NPP呈減少趨勢(shì)的面積比例占到總草地面積的29.30%，其中其NPP減小速率>5.0 g C/(m2·a)及介于2.5～5.0 g C/(m2·a)的比例分別占到全區(qū)草地總面積的2.89%和11.18%，遠(yuǎn)高于其他等級(jí)；同時(shí)，NPP等級(jí)為300～400 g C/(m2·a)且變化呈減少趨勢(shì)的面積比例也占到草地總面積的20.17%，但其減小速率總體小于NPP等級(jí)為300～400 g C/(m2·a)的區(qū)域。此外，從表3中還可以看出在NPP<400 g C/(m2·a)的范圍內(nèi)，NPP呈減少趨勢(shì)的各變化率等級(jí)的面積比例隨NPP等級(jí)的增大也逐步增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了NPP減小速率隨NPP的增大而增大的變化特征。

4.2 NPP變化的海拔分異

伊犁河谷植被垂直地帶性特征明顯，利用全區(qū)MED數(shù)據(jù)及NPP變化率數(shù)據(jù)，制作海拔帶與NPP變化率等級(jí)矩陣表(表4)，分析和討論NPP變化的海拔分異特征。

由表4可知，伊犁河谷絕大部海拔上的NPP均呈減少趨勢(shì)，且不同海拔高度NPP變化率也存在一定差異，其中1 000～1 500 m及1 500～2 000 m兩個(gè)海拔帶內(nèi)NPP減少最為明顯，減少速度最大的海拔高度出現(xiàn)在1 500～2 000 m海拔帶。1 500～2 000 m及1 000～1 500 m海拔帶內(nèi)的草地面積分別占到全區(qū)草地總面積的29.35%和19.88%，而其NPP呈減少趨勢(shì)的面積比例也分別達(dá)到全區(qū)草地總面積的24.66%和18.11%，表明兩個(gè)海拔帶內(nèi)分別有84.02%和91.10%草地的NPP發(fā)生減少。海拔升高到2 250 m后，NPP的平均變化率趨于平穩(wěn)，其值也接近于0，這主要是因?yàn)镹PP呈增加趨勢(shì)的面積比例有了較大提高，根據(jù)表4中統(tǒng)計(jì)，2 000～3 500 m的3個(gè)海拔帶內(nèi)草地面積占全區(qū)草地總面積的42.54%，其中NPP呈增加趨勢(shì)的草地面積占到全區(qū)草地總面積的18.39%，表明該海拔帶內(nèi)43.23%區(qū)域的草地NPP有所增加，尤其是2 000～2 500 m及2 500～3 000 m兩個(gè)海拔帶。

表3 伊犁河谷NPP等級(jí)與NPP變化率等級(jí)矩陣 %

表4 海拔帶與NPP變化率等級(jí)矩陣 %

5 結(jié) 論

(1) 伊犁河谷全區(qū)草地NPP多年平均值為272.99 g C/(m2·a)，全區(qū)69.44%草地的NPP介于200～400 g C/(m2·a)，空間上分布于河谷北、東和南三面的中山和高山以及烏孫山和昭蘇盆地，草地類型主要屬于山地草甸、高寒草甸及溫性草原；NPP <200 g C/(m2·a)的面積比例為24.21%，鞏乃斯河下游至伊犁河處境口一線兩側(cè)的洪積沖積扇和低山丘陵是其集中分布區(qū)，類型以溫性荒漠和高寒草甸居多；NPP >400 g C/(m2·a)的面積比例為6.34%，主要分布在烏孫山南麓及昭蘇盆地周邊，草地類型主要屬于山地草甸。

(2) 就平均情況來(lái)看，伊犁河谷草地NPP整體呈現(xiàn)非顯著的減少趨勢(shì)，平均減少速率為0.94 g C/(m2·a)，各類型草地的NPP也均呈減少的變化趨勢(shì)，但僅有面積最大的山地草甸以及溫性草原的減少趨勢(shì)達(dá)到了顯著水平，減少速率以溫性荒漠草原與溫性草原為最大，分別為2.33 g C/(m2·a)，2.23 g C/(m2·a)，以及高寒草甸、溫性荒漠及溫性草甸草原為最小，其減小速率均<1 g C/(m2·a)。

(3) 空間上，伊犁河谷絕大部分區(qū)域草地NPP變化呈減少趨勢(shì)，全區(qū)草地NPP呈減少趨勢(shì)的比例達(dá)到了73.94%，草地類型以山地草甸、溫性草原及高寒草甸為主，減小速率多介于1.0～5.0 g C/(m2·a)，空間上主要分布在河谷南部那拉提山以西區(qū)域，以及北部山前洪積沖積扇及低山丘陵區(qū)；NPP呈增加趨勢(shì)的草地以山地草甸和高寒草甸為，增加速率多介于0～2.5 g C/(m2·a)，空間上主要分布在河谷東部及北部的中山和高山區(qū)。

(4) 對(duì)于NPP變化率隨NPP的變化，NPP的減小速率總體隨NPP的增加而逐步增大，但NPP介于300～400 g C/(m2·a)的平均減小速率最大。

(5) 而對(duì)于海拔分異，絕大部分海拔上的NPP呈減少趨勢(shì)，而1 000～2 000 m海拔帶內(nèi)NPP減少最為明顯，減少速度最大的海拔帶為1 500～2 000 m，而NPP有所增加的草地多位于2 000～3 000 m海拔帶內(nèi)。