近25年来中国典型温带草原系统土地覆被变化及NPP响应——以皇甫川流域为例

许吉仁，董霁红，杨宏兵

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，徐州 221116;2.江苏省资源环境与信息工程重点实验室，徐州 221116)

0 引言

植被净第一性生产力(net primary productivity，NPP)是指绿色植物在单位面积和单位时间内所累积的有机物数量［1］，是评价生态系统结构与功能协调性及其与环境相互作用的重要指标，直接与全球变化的关键科学问题——碳循环、水循环与食物安全密切相关［2，3］。土地覆被变化与植被净第一性生产力的关系是全球环境变化研究的热点问题之一，国内外相关学者对此作了大量研究［4－10］。然而这些研究大多集中在全球和区域空间尺度上植被净第一性生产力的估算和评价，较少涉及到温带草原系统这一特定区域［11－13］，同时，国内较少涉及长时间跨度的典型温带草原土地覆被变化及其净初级生产力响应的研究。

皇甫川是黄河中游的一级支流，多粗泥沙，水土流失极其强烈，严重影响着流域的生态环境［14］。研究分析皇甫川流域土地覆被变化及其对NPP的影响，对以皇甫川流域为典型代表的温带草原生态系统土地资源的合理利用、土地利用结构的优化、脆弱生态环境的改善具有重要的理论与实践意义。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

皇甫川流域位于 E110.3°～111.2°，N39.2°～39.9°之间，属温带半干旱大陆性气候区，干燥少雨多风，降水多为夏季暴雨。流域南北最宽距离85.9 km，东西最长距离 102.1 km，总面积 3 235.14 km2，大部分属内蒙古自治区准格尔旗境内;流域南部有415 km2属陕西省，占流域面积的12.83%。流域内土质以草原栗钙土为主，由于气候变化历史时期的砍伐及自清末以来的农垦，天然林已所剩无几，被人工植被和天然次生草原植被所代替，目前草原面积占该流域面积的绝大部分［15］。由于皇甫川流域草原面积比例大，生态脆弱，加之受到周边高强度矿业开采的干扰，1983年被列为全国八大片水土流失重点治理区之一。以该地区作为快速经济发展形势下中国温带草原系统土地覆被变化及其NPP响应的研究区域具有代表性。

1.2 数据源及其预处理

相关研究表明，内蒙古典型草原NPP与年降水量呈极显著的相关关系［16］。皇甫川流域最大降雨月份一般在7月，故本研究选用1987年7月4日、1995年7月26日、2000年7月31日、2007年7月12日、2011年7月21日5期跨度25 a的Landsat TM数据，轨道号为127/32和127/33。各期影像均经过系统辐射校正、地面控制点几何纠正和DEM的地形校正，并用ERDAS IMAGINE 9.3软件统一为UTM/WGS84投影，用Raster/Mosaic功能进行拼接镶嵌，得到5期能够完全覆盖研究区的遥感图像，再利用提取的皇甫川流域边界线将其进行裁剪，得到研究区的影像。

2 研究方法

2.1 遥感影像分类

参照《土地利用动态遥感监测规程》［17］和《土地利用现状分类》［18］，把皇甫川流域土地利用/覆被类型划分为耕地、林地、水域、沙地、裸岩、草地、灌丛及建设用地等8种类型。

2.2 CASA 模型

CASA(Carnegie－Ames－Stanford apprvach)模型充分考虑了环境条件以及植被本身的特征，主要以遥感和地理信息系统为技术手段，通过遥感数据、温度、降水、太阳辐射等气象数据以及植被类型、土壤类型共同驱动。CASA模型依据的原理是植被净第一性生产力主要由植被所吸收的光合有效辐射与其光能转化率2个变量来确定，即

式中:t为时间(月份);x为空间位置;APARx，t为像元x处植被在t月份吸收到的光合有效辐射，MJ·m－2·月－1;εx，t为像元x处植被在t月份的实际光利用率，gC·MJ－1。

植被所吸收的光合有效辐射取决于太阳总辐射和植被对光合有效辐射的吸收比例，即

式中:SOLx，t是t月份像元x处的太阳总辐射量，MJ·m－2;FPARx，t为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例，在一定范围内，FPAR和NDVI之间存在着线性关系;常数0.5表示植被所利用的太阳有效辐射(波长范围0.38～0.71μm)占太阳总辐射的比例。

光能转化率是指植被把所吸收的入射光合有效辐射(PAR)转化为有机碳的效率。一般认为在理想条件下植被具有最大光能转化率，而在现实条件下光能转化率主要受温度和水分的影响［21］，即

式中:Tε1和Tε2反映温度对光能转化率的影响;Wε为水分胁迫影响系数，代表水分条件的影响;ε*为理想状态下的最大光能转化率，采用全球最大光能利用率取值为0.389 gC/MJ。

FPAR，Tε1，Tε2和Wε的计算及改进方法见文献［19］，在此不再详述。

3 模型参数获取与处理

3.1 NDVI数据的获取与处理

通过辐射校正和大气校正，分别计算出皇甫川流域1987年、1995年、2000年、2007年和2011年5期的NDVI(图1)。

图1－1 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－1 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

图1－2 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－2 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

3.2 气象数据的获取与处理

气象数据来自中国气象数据共享网(http://cdc.cma.gov.cn)，包括皇甫川流域及其周边气象台站1987年、1995年、2000年、2007年和2011年7月的气温、降水和太阳辐射数据(由于目前许多气象观测站点并不能直接获得太阳辐射数据，可以用气象站点每日的日照总时数换算成为每日的太阳辐射量)。对这些数据进行筛选，剔除不可替代的错误数据，最后保留了数据相对完整且空间分布较均匀的13个台站的数据。对这些台站的月平均气温、月总降水量、月太阳总辐射量3属性进行简单Kriging插值，得到研究区的月平均气温、月总降水量和月太阳总辐射量分布值。

3.3 土壤类型数据的获取与处理

皇甫川流域内土壤可分为栗钙土、黄绵土、风沙土、冲积土、淡栗褐土、石质土和粗骨土7种类型。土壤类型数据来源于中国土壤数据库网站(http://www.soil.csdb.cn/)。图 2 为土壤类型图。

图2 皇甫川流域土壤类型图Fig.2 Soil types in Huangfuchuan W atershed

3.4 CASA模型的修正

本文参考Running等［20］依据生态生理过程模型BIOME－BGG对10种植被类型的模拟结果，对CASA模型中最大光能利用率(ε*)参数按陕北7种主要植被类型分别取值:针阔混交林1.044 gC/MJ，疏林灌丛 0.888 gC/MJ，草地 0.768 gC/MJ，干旱草地0.608 gC/MJ，耕作植被 0.604 gC/MJ，荒漠、水体等生态系统取CASA模型所估算的全球最大光能利用率 0.389 gC/MJ。

4 结果与分析

4.1 1987—2011年皇甫川流域土地覆盖变化

利用1987年、1995年、2000年、2007年和2011年TM影像解译得到皇甫川流域5期土地利用类型。表1反映了各土地利用类型的变化转移情况。从表中可以得到:1987—2011年间，土地利用类型的数量和结构发生较大改变。灌丛和草地是皇甫川流域的主要土地利用类型，其总和占土地总面积的一半以上。

1)1987年，皇甫川流域灌丛面积最大，草地、裸岩也占据较大比重，耕地、林地、水域和沙地的面积较少。

2)1995年，由于人口增长较快，导致粮食需求增加，耕地面积增加;由于经济的快速发展，建设用地也有所增加，与此同时，由于部分草地被开垦为耕地，草地面积萎缩。

3)2000年，耕地、林地、灌丛、建设用地面积保持较快的增长，耕地面积占整个流域的4.46%。

4)2007年，随着政府一系列保护政策的出台，林地面积继续呈现上升趋势;建设用地面积扩张较为明显;其他土地利用类型面积则出现不同程度的下降，其中，灌丛和沙地面积下降的幅度最大;流域耕地面积继续增加，并达到最大值，这是因为流域人口快速增长，对粮食的需求大幅增加，进而使耕地面积继续增加;2007年裸岩面积有小幅度增加。

表1 皇甫川流域1987—2011年土地利用统计表Tab.1 Land use during 1987—2011 in Huangfuchuan Watershed

5)2011年，皇甫川流域的林地和建设用地面积继续保持较快的增长速度，林地面积已占到全流域面积的6.81%，建设用地面积已占到全流域面积的0.24%;在人类对土地的需求扩大的同时，土地的集约程度得到提高，未利用地(裸岩和沙地)的面积不断减小;受气候干旱化的影响，水域面积继续减小，仅占全流域面积的1.61%;草地和耕地面积经历增长阶段后开始出现较大幅度下降。

4.2 基于修正的CASA模型估算NPP

基于修正的CASA模型模拟出1987年、1995年、2000年、2007年和2011各年7月份皇甫川流域5期植被NPP分布图，如图3所示。

图3 1987—2011年皇甫川流域NPP分布Fig.3 Distribution of NPP during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

5个时期皇甫川流域NPP总量分别为28.12 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.92 GgC 和 78.52 GgC。NPP从1987年7月至2007年7月逐步增加，2007年7月以后逐步减少，5期总量表现为“先增后减”的变化趋势，呈现一定的时间波动性。

4.3 皇甫川流域土地覆被变化对NPP的响应

研究区处于温带草原生态脆弱区，不同土地覆被类型之间的转移，有可能改变生态系统的结构和功能，对植被NPP的影响很大。通过研究不同土地覆被类型转移情况对NPP变化的影响，确定影响区域植被净第一性生产力的主要土地利用类型。皇甫川流域各时期土地覆被变化对应的NPP变化情况如表2—表5所示。

表2 皇甫川流域1987—1995年土地覆被变化对应的NPP变化Tab.2 NPP changes corresponding with land cover change during 1987—1995 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表2可知，皇甫川流域1987—1995年间耕地转移导致植被NPP减少了0.66 GgC，林地转移导致植被NPP减少了0.01 GgC，水域转移导致植被NPP增加了0.91 GgC，沙地转移导致植被NPP增加了1.40 GgC，裸岩转移导致植被NPP增加了2.98 GgC，草地转移导致植被NPP增加了3.76 GgC，灌丛转移导致植被NPP增加了2.96 GgC。本阶段植被NPP共增加11.34 GgC，草地转移是植被NPP增加的主要原因。在该阶段，草地面积主要转移为灌丛和裸岩，草地转化为灌丛的过程使植被NPP增加了3.63 GgC，说明草地转移为灌丛对植被NPP增加的贡献最大。

表3 皇甫川流域1995—2000年土地覆被变化对应的NPP变化Tab.3 NPP changes corresponding with land cover change during 1995—2000 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表3可知，皇甫川流域1995—2000年间耕地转移导致植被NPP减少了1.04 GgC，林地转移导致植被NPP减少了0.63 GgC，水域转移导致植被NPP增加了0.87 GgC，沙地转移导致植被NPP增加了2.17 GgC，裸岩转移导致植被NPP增加了5.78 GgC，草地转移导致植被NPP增加了0.26 GgC，灌丛转移导致植被NPP增加了2.84 GgC。本阶段各土地利用类型转移使植被NPP增加了10.25 GgC，裸岩转移是植被NPP增加的主要原因。

表4 皇甫川流域2000—2007年土地覆被变化对应的NPP变化Tab.4 NPP changes corresponding with land cover change during 2000—2007 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表4可知，皇甫川流域2000—2007年间，耕地转移导致植被NPP增加了0.94 GgC，林地转移导致植被NPP增加了0.84 GgC，水域转移导致植被NPP增加了1.65 GgC，沙地转移导致植被NPP增加了3.99 GgC，裸岩转移导致植被NPP增加了9.10 GgC，草地转移导致植被NPP增加了6.47 GgC，灌丛转移导致植被NPP增加了25.60 GgC。该阶段各土地利用类型转移使植被NPP增加了48.59 GgC，灌丛转移是植被NPP增加的主要原因，期间灌丛面积主要转移为草地和裸岩，灌丛转化为草地的过程使植被NPP增加了9.34 GgC，灌丛转化为草地对植被NPP增加的贡献最大。

表5 皇甫川流域2007—2011年土地覆被变化对应的NPP变化Tab.5 NPP changes corresponding with land cover change during 2007—2011 in Huangfuchuan W atershed (GgC)

由表5可知，2007—2011年间，皇甫川流域耕地转移导致植被NPP减少了14.89 GgC，林地转移导致植被NPP减少了6.34 GgC，水域转移导致植被NPP增加了0.48 GgC，沙地转移导致植被NPP增加了0.37 GgC，裸岩转移导致植被NPP增加了5.63 GgC，草地转移导致植被NPP减少15.82 GgC，灌丛转移导致植被NPP减少11.13 GgC，本阶段各土地利用类型转移使植被NPP共减少41.70 GgC，草地转移是植被NPP减少的主要原因。在本阶段，草地面积主要转移为灌丛和裸岩，草地转移为灌丛的过程使植被NPP减少了12.50 GgC，说明草地转移为灌丛对植被NPP下降的贡献最大。

综上所述，人口增长对耕地的需求、经济驱动因素带来的畜牧业扩张和矿业开采以及政策性导向对生态脆弱区环境改善，很大程度上决定了皇甫川流域土地覆被变化，并且形成了其NPP近25 a来“先增后减”、整体增加的变化趋势。进入20世纪90年代以来，国家实施了“京津风沙源治理”、“退耕还林还草”、“退牧还草”、“围封转移”等一系列生态恢复工程，对内蒙古自治区生态脆弱地区环境改善以及植被恢复起到了积极的作用，这些生态恢复措施有效地遏制了草地的退化，促进了草地净初级生产力的增加。然而，近10 a来由于皇甫川流域内及周边高强度的矿业开采，造成了地下水流失、草原生态系统被破坏，导致其植被净初级生产力又开始呈现下降趋势。

5 结论

随着人类活动的加强和气候条件的变化，处于生态脆弱区的温带草原系统典型代表皇甫川流域在近25 a间，土地利用类型的数量和结构均发生了较大的改变，从而导致了NPP总量的变化。

1)土地利用类型主要以灌丛和草地为主，土地结构变化明显，建设用地、林地面积逐渐增加，水域面积逐渐减小，耕地、草地、灌丛、裸岩和沙地呈波动变化。

2)1987年、1995年、2000年、2007年和2011年皇甫川流域的NPP总量分别为28.11 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.91 GgC 和 78.51 GgC，是一个先增多后减少的过程。灌丛和草地NPP位列流域内各类土地覆被类型的前2位。

3)1987—1995年间，皇甫川流域草地转移为灌丛是影响NPP变化的主要原因;1995—2000年间，裸岩转移为草地是影响NPP变化的主要原因;2000—2007年间，灌丛转移为草地是影响NPP变化的主要原因;2007—2011年间，草地转移为灌丛是影响NPP变化的主要原因。

要保障温带草原地区植被净第一性生产力，应该着重保证灌丛和草地的覆被面积，协调区域资源开发与生态系统保护，保障流域生态系统平衡。在区域尺度上坚持“以草定畜”原则，将牲畜头数限制在各地区、各地方实际牧草供应能力范围之内;加强草原区的生态工程建设，如退化草地的改良、沙化土地的治理，以实现对受损生态系统的恢复;同时应协调区域资源开发与生态保护。草原周边矿产资源丰富，经济的驱动导致近年来矿产资源被大量开采，导致土地塌陷、裂缝，地下水沉降，水土流失，从而影响草原植被的生长，有关部门应在合理开发矿产资源的同时加倍重视矿山环境的恢复与治理。

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