疏勒河流域NPP时空变化分析

张娟，田文婷，颉耀文(兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000)

植被净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)作为表征植被活力的关键变量，直接反映了植物群落在自然环境条件下的生产能力［1］。NPP研究在反映区域生态环境状况中具有重要作用，同时与目前受到广泛关注的重大问题如碳扰动、土地利用变化、气候变化等密切相关［2－3］，因此对其开展研究具有重要意义。疏勒河流域自然生态景观以石漠为基质，并受干旱、风沙和盐碱干扰，自然生态环境脆弱［4］，植被生产力较低。随着全球气候的变暖，疏勒河中游西侧的野马山、上游南侧的疏勒南山等祁连山区现代冰川冰雪消融加快，加之近20年降水有增加趋势［5］，使疏勒河流域的植被覆盖出现增加趋势。近年来疏勒河流域中上游以昌马、双塔和赤金峡3座水库为主的18座水库的建成运行，为人口和耕地的不断扩张创造了条件，但却使下游的地下水位普遍下降，致使植被退化，生产力降低［6］。已有研究对疏勒河流域的土地利用、景观变化、生态环境评价以及水资源承载力给予了广泛关注［4，6－9］，但对 NPP 及其变化的研究并不多见。笔者拟选用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型，对疏勒河流域2001、2005、2009、2012年的NPP进行估算和研究，并对其时空分布及其变异特征进行定量分析，以便为正确评价区域生产能力提供参考。

1 研究区概况

疏勒河流域位于河西走廊西端，92°30'～99°00'E，38°00'～41°00'N。该流域西邻新疆哈密地区，东接甘肃省嘉峪关市，南靠祁连山与青海省接壤，北依马鬃山与内蒙古自治区毗邻，总面积8.95万km2，在行政区划上主要包括甘肃省的玉门市、敦煌市、瓜州县、肃北县和阿克塞县。研究区干旱少雨多风，年均降水量不足60 mm，年均蒸发量在1 500～3 000 mm，年均气温7～9℃，属典型的温带大陆性干旱区。疏勒河源于祁连山脉西段，西北流经肃北蒙古族自治县，在昌马河以下分成东西两支，西支为主流，流经布隆吉、双塔、西湖，最后消失于哈拉湖;东支又分为两支流入玉门花海盆地［7］。疏勒河在昌马以上为上游，昌马至双塔为中游，双塔以下为下游。疏勒河流域光热资源丰富、夏季昼夜温差大，有利于农作物和天然植被的光合作用。随着气候变暖，山区冰雪融水的增多有利于植物生产量积累［10］。

2 材料与方法

2.1 数据来源 该研究用到的数据主要有MODIS NDVI(Normalized Differential Vegetation Index)、气象站点数据和2011年Landsat TM影像，其中NDVI数据来源于2001、2005、2009和2012年16 d合成的数据产品MOD13Q1数据集，使用最大值合成法(MVC)生成的逐月最大NDVI数据。气象数据来源于中国气象科学数据共享网，包括疏勒河流域及其周边14个站点观测得的2001～2012年的月降水量、月平均气温、月太阳总辐射数据以及8个太阳辐射站的太阳辐射数据。考虑到疏勒河地区气象站分布稀疏，分布不均匀，且地形复杂，高差大，传统的插值方法难以满足要求，故而笔者选用改进的“多元回归+残差分析法”对气象数据进行了插值［11］。

2.2 研究方法 NPP的估算采用Potter等提出的基于光合有效辐射和光能利用率的CASA估算模型［12］，该模型的公式如下:

式中，APAR表示植被吸收的光合有效辐射［MJ/(m2·mon)］;ε表示植被实际光能利用率［g(C)/MJ］。计算过程以像元为单元，x、t表现了参数随位置、时间的变化。

植被实际光能利用率由植被的最大光能利用率和环境因子共同决定，不同的植被类型其植被最大光能利用率存在差异。该研究采用朱文泉等基于土地利用数据获得的不同植被类型最大光能利用率［13］。为了更精确地划分不同土地利用类型的范围，利用监督分类方法，以野外实测数据(共146个调查点，图1)为分类样本，对2011年Landsat TM影像进行分类，并采用野外调查资料对分类结果进行精度验证和人工目视修正。

2001～2012年间逐象元NPP值的空间变化特征可以利用趋势线分析法［14］分析，即根据趋势线斜率变化范围进行分析。同时，对模拟结果进行P＜0.05的显著性水平检验。之后，定义“显著增加”、“轻度增加”、“轻度减少”和“基本不变”4个变化区间，分别统计其面积及其变化百分比，制作NPP空间变化分布图，从而得出NPP随时间变化程度的空间差异。

3 结果与分析

3.1 NPP数据的验证 采用2012年样方点实测NPP0与模型模拟4年平均NPPS进行比较(图2)，模拟值与实测值达到显著相关水平。对于整个数据集，NPPS=1.030 7NPP0+39.153，决定系数 R2=0.533。由此表明，CASA 模型的模拟结果是较为理想的，达到显著相关水平(r=0.73，P ＜0.05，n=98)。可以认为，疏勒河流域植被NPP的研究采用该模型是适用。由于实际样方大小与MODIS数据的空间分辨率差异较大，因此不可避免地产生差异。样方实测地点多位于绿洲边缘荒漠草原以及草甸草原内，农田样点仅作为土地利用验证区域，没有实测生物量数据。从图2可知，模拟值在荒漠区偏低而在典型草原区偏高，该结果与文献［15］的结论一致。另外，实测值与模拟的拟合是在排除农田荒漠交错带样点的条件下获得的，这部分区域易被错分为农田，从而过度高估了过渡带的NPP值。

此外，由于目前疏勒河流域没有现成的NPP结果可以作为参照，笔者选择与之毗邻而且地理环境较为相似的黑河流域进行验证。对比分析改进的CASA模型和C－FIX［16］模型估算的黑河流域2002年不同土地利用类型的NPP年平均值(表1)，可见两者的相关系数达到0.88，一致性较好。据此，认为CASA模型在疏勒河流域也会具有较高的模拟精度。

表1 CASA模型与C-FIX模型估算的单位面积上年均NPP结果比较g(C)/(m2·a)

3.2 疏勒河流域年平均NPP空间分布 基于估算的年均单位面积上的NPP值来描述疏勒河流域的NPP空间分布状况(图3)。估算结果表明，疏勒河流域的年平均NPP总量为8.53 Tg(C)/a，年均单位面积上的 NPP 为95.2 g(C)/(m2·a)。其中，NPP值位于0～100 g(C)/(m2·a)范围内面积占流域总面积的65.6%，足见流域整体生产力水平较低。

从区域分布看，疏勒河流域的NPP自东南向西北递减，呈现显著的经向“双峰”特征，即上游山区和中下游绿洲区较高，而荒漠区低。这种特征体现了疏勒河流域作为山地－荒漠－绿洲耦合生态系统的典型性。

上游祁连山区自然植被主要以高山草甸为主，NPP大多在150～350 g(C)/(m2·a)之间，分布在疏勒南山、鱼儿红乡周围、盐池湾自然保护区的东南方向以及大雪山、野马山、野马南山和阿尔金山等高山阴坡上。阳坡由于光照强烈，蒸发量大，土壤水分低于阴坡，所以阴坡植被生长较好。NPP高值区即＞350 g(C)/(m2·a)的区域主要分布在疏勒河源头的苏里乡和鱼儿红乡的南部以及肃北蒙古族自治县、石包城乡、昌马乡和盐池湾乡等乡镇驻地;阿尔金山地带的阿克塞大部分区域、盐池湾西北部以及山前荒漠植被区植被生产力较低，NPP低于100 g(C)/(m2·a)。

中下游地势低平，中游的玉门－双塔盆地以及下游的瓜州－敦煌和花海盆地是各条河流主灌区，绿洲灌溉农业发展较好［9］，绿洲农业植被生产力较高，NPP平均值在250～450 g(C)/(m2·a)之间。同时绿洲区NPP＞150 g(C)/(m2·a)的面积由东向西逐渐减小;下游的花海乡、赤金镇、东巴兔乡、南湖乡和多坝沟乡等依疏勒河支流而建的人工绿洲均呈斑点状零星镶嵌在荒漠区。中下游绿洲两侧广泛分布着荒漠草原和荒漠灌丛，单位面积上的NPP值在100 g(C)/(m2·a)以下，敦煌市西部的荒漠植被及其南部的沙漠区生产力低于50 g(C)/(m2·a)。

3.3 不同土地利用类型的NPP差异 表2是2012年疏勒河流域各土地利用类型的NPP。可见，土地利用类型和所占的面积决定了流域NPP总量以及不同土地覆盖类型的贡献率。适应干旱区严峻自然环境的灌木、半灌木林的总面积占流域总面积的19.91%，而其NPP的累积量总计占到流域年总量的40.09%，因此这类用地的贡献率最大;其次是分布面积占总面积75.19%的未利用土地，主要包括沼泽地、盐碱地、戈壁、裸岩石砾地、寒漠、沙地、裸土等。由于面积辽阔，其NPP年总积累量达到3.23 Tg(C)/a，约占流域总NPP的37.87%;草地主要分布在上游祁连山区，以高山草地类型为主，约占流域总面积的4.01%，而其NPP总量占到流域年总量的12.66%，约为1.08 Tg(C)/a;耕地作为流域人工绿洲的重要组成成分，仅约占总面积的2.1%，而其NPP占总量的7.62%，约为0.65 Tg(C)/a;疏勒河流域的林地分布范围较小，且主要以人工防护林和祁连山上游山区针叶林为主，面积仅占总面积的0.33%，导致其NPP总量不高，仅为0.13 Tg(C)/a;区域中NPP贡献率最低的是水域和永久冰雪。

表2 2012年疏勒河流域各土地利用类型的NPP

不同的土地利用类型具有不同的碳吸收能力，林地的固碳能力最强，单位面积上的年平均生产力为455.98 g(C)/(m2·a);其 次 是 绿 洲 区 的 耕 地，为 345.39 g(C)/(m2·a)，与卢玲等［16］估算的黑河流域的耕地生产力水平一致，低于陶波等［17］估算的全国耕地生产力水平;区域自然植被主要是草地和灌木，单位面积上的生产力分别为299.74和191.96 g(C)/(m2·a);该区域草地的生产力水平稍低于张峰等［15］估算的内蒙古典型草原生产力水平;而未利用地单位面积上的平均生产力水平仅为49.94 g(C)/(m2·a)。可见，疏勒河流域不论从整体生产力还是单位面积上的平均生产力均处于较低水平。

3.4 2001～2012年疏勒河流域NPP时空变化 表3为NPP的时间变化。从表3可知，2001～2012年间流域单位面积上的生产力和年际NPP总量均呈现波动式增加，其中2001～2005、2009～2012年是快速增长阶段，增长率分别为0.28和0.25;2005～2009年是缓慢下降阶段，降低率为0.07;12年间NPP 总量由6.85 Tg(C)/a增加至 10.24 Tg(C)/a，增加了50%;其中NPP在0～50 g(C)/m2范围内的面积由2001年的4.67 万km2下降到2012 年的3.29 万km2，下降了1.18 万km2，而NPP在 50～150、150～350 g(C)/m2以及 ＞350 g(C)/m2范围内面积均呈现增加的趋势，分别增加了0.1万、0.99万以及0.29万km2，低值区面积的减少以及高值区面积的增加体现了流域的生态环境正在向好的趋势发展。

表3 2001～2012年NPP值统计

从NPP变化的空间分布来看，12年间NPP的增加量呈现由东南向西北、自上游向下游、山区－绿洲－荒漠递减的趋势。整体来看，全流域以增加趋势为主，流域NPP值增加的面积占全流域面积的78.9%，其中NPP值增加最明显的区域是祁连山区以及农业绿洲区，在下游荒漠区只有13.5%的区域NPP呈现轻微减小的趋势(表4，图4)。

上游祁连山12年间NPP整体处于增长趋势，NPP明显增加的区域主要分布在各个高山草甸以及海拔＞3 900 m的高山寒漠区域，其中疏勒河流域上游沿岸区域、盐池湾自然保护区的东南方向、肃北蒙古族自治县的周边NPP增加量＞100 g(C)/m2;轻微增加的区域主要分布在山地草原和荒漠化草原，主要包括盐池湾自然保护区的西北方向、阿克塞大部分区域。这是由于从2003年开始，肃北、阿克塞均为国家实施的生态保护项目“退牧还草”工程项目的试点县，并取得了较为显著的生态效益［18］。加之全球气候变暖，祁连山西段的党河南山以及大雪山等各个冰川消融加快，流域入水量不断增加［19］，植被的生产力随之提高。

表4 2001～2012年NPP空间变化趋势分级统计

中下游绿洲荒漠耦合区12年间NPP的变化呈现出绿洲农田植被生产力明显提高，提高程度为150～300 g(C)/m2之间，而农田周边的荒漠植被生产力轻微下降。这两种趋势交织在一起，在空间分布上呈现荒漠以破碎斑块镶嵌在绿洲农田中，玉门、瓜州以及敦煌等绿洲斑块中均有此特点。中下游NPP轻度减少的区域主要沿流域支流以及下游干流的绿洲外围分布，其中敦煌市周边NPP轻度减少面积最大，标志着植被退化最为严重。退化的原因是由于上游灌溉面积扩大且灌溉方式以漫灌为主，直接导致下游河道的生态水量锐减，地下水补给量减少，使得分布于敦煌绿洲周边的植被不断萎缩和退化;下游西湖保护区生态系统的严重萎缩与退化加快了敦煌人工绿洲边缘的沙漠化进程［20］。

4 结论

笔者利用MODIS NDVI数据产品、气象站点资料和疏勒河流域土地利用数据为数据源，利用改进的光能利用率CASA模型，对整个疏勒河流域陆地NPP的空间格局以及2001～2012年流域NPP时空变化进行了研究，对流域内不同土地利用类型的生产力水平进行了评价，其主要研究结论如下:

(1)疏勒河流域单位面积上的年平均NPP为95.2 g(C)/(m2·a)，且 NPP值位于0 ～100 g(C)/(m2·a)范围内面积占流域总面积的65.6%;NPP空间分布以上游山区和走廊绿洲区的NPP高值和荒漠区的NPP低值形成鲜明对比;近年来由于忽视上中下游合理分水［6］，走廊农业绿洲区NPP自东向西沿河床方向随着流域入水量的减少而不断降低。

(2)荒漠灌木、半灌木景观是该区域的基质，是自然长期作用的结果，对流域陆地生态系统NPP的贡献率最大;未利用地单位面积NPP较低，但由于占地面积广阔，因此总的积累量不容忽视。

(3)2001～2012年12年间全流域NPP以波动式增加为主，12年间NPP总量增加了50%;同时呈现出单位面积上生产力水平低的区域面积减少而高的区域面积增加的趋势。

(4)疏勒河流域12年间NPP的空间变化以增加趋势为主，其中NPP显著增加的区域主要分布在上游山区以及绿洲农田区;而轻微下降的区域主要沿流域支流以及下游干流的绿洲外围分布;中下游绿洲农田NPP的显著增加与绿洲周边的荒漠植被NPP减少镶嵌分布，充分体现了人为因素对水资源在农业上的有效利用起到了积极作用，但生态用水的减少使得自然植被退化，而自然植被的退化终将反作用于人类活动区域［21］。

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