基于遥感的新疆人工绿洲扩张中植被净初级生产力动态变化
2017-07-18熊黑钢许仲林
张 芳,熊黑钢,冯 娟,许仲林
基于遥感的新疆人工绿洲扩张中植被净初级生产力动态变化
张 芳1,2,熊黑钢2,3,冯 娟1,2,许仲林1,2
(1. 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐830046;2. 教育部新疆绿洲生态重点实验室,乌鲁木齐830046; 3. 北京联合大学应用文理学院,北京 100083)
人类活动对全球碳循环过程的影响是全球气候变化研究中争论的主要焦点问题之一。不同区域、不同自然和人为因素对碳循环的作用机制十分复杂且差异很大,通过探讨人类开垦活动对干旱区绿洲生态系统净初级生产力(net primary productivity, NPP)分布格局的影响,将有助于增加人类活动对干旱区陆地生态系统及碳循环影响的认识和理解。该文基于长时间序列的Landsat遥感数据,利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算了1976年6月-2016年6月新疆奇台新人工绿洲扩张过程中NPP的变化情况,结果表明:1)1976年研究区主要是荒漠草原景观,农田仅有5 150 hm2,占研究区面积的3.25%,到2016年,农田面积扩大到64 675 hm2,增加11倍以上;2)人工绿洲扩张的同时,泉水溢出带消失,水库干涸,灌丛面积从17 871 hm2下降到5 202 hm2;3)土壤盐碱化发育进程中断,裸碱地面积减少近70%,并且开始向新生草地演替;4)2016年6月,研究区NPP总量达到了90 602 t,是1976年6月的2.2倍,农田对NPP增量的贡献超过93%,同期,灌丛则净损失了8 265 t NPP,沼泽净损失3 319 t;5)1976年的NPP主要由天然草地和灌丛构成,分别占56.68%和26.61%,2016年的NPP主要由农田和新生草地构成,分别占65.23%和31.85%。
遥感;草地;农田;新人工绿洲扩张;NPP;CASA模型;新疆奇台绿洲
0 引 言
植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)是指绿色植物在单位面积和单位时间内通过光合作用累积的有机物量,用于测定植物体固定的净碳量,可反映陆地生态系统与大气间的碳交换过程[1]。近年来,在“粮食安全”和“全球变暖”2个重大问题驱动下,陆地生态系统NPP的相关研究与应用受到广泛重视[2-4],建立于1987年的国际地圈-生物圈计划(IGBP)、全球变化与陆地生态系统(GCTE)和京都协定(KP)均把植被的NPP研究确定为核心内容之一[5]。NPP测量方式包括直接测定法和间接测定法,直接测定方式中以涡度相关法为公认标准,可以直接测定大气与植被水汽、CO2交换通量,测量精度高,适用于尺度小、下垫面均一平坦环境[6];间接测量包括模型估测和遥感反演,其中基于光能利用率的遥感模型目前已成为NPP估算的一种有效手段,使区域及全球尺度的NPP估算成为可能[7-9]。CASA(Carnegie- Ames-Stanford-Approach)模型是目前区域NPP估算中应用较多的光能利用率模型,其优点在于:模型相对简单、所需参数较少;遥感数据有获得植被及光合有效辐射信息的优势,可对植被覆盖情况分类,通过多时相遥感数据可以实现对NPP进行时间和空间上的动态监测[10]。
新疆地处“一带一路”核心区,在中国经济发展和国家安全方面占有十分重要的战略地位,是中国21世纪重要的资源接替区和经济增长支点,也是后备耕地资源占全国耕地储备量1/4的国家粮食安全的重要保障基地[11]。目前,只占新疆土地面积的4%的绿洲,聚集着95%的人口和90%以上的社会财富,灌溉农业则是绿洲地区最广泛的经济活动[12-13]。中国从1976年到2016年是经济发展不断加速的40 a,如今,整个天山北麓经济带仅占全疆面积8.22%,但国内生产总值占全疆近50%,耕地面积和人口均超过全疆的25%[14]。新人工绿洲的大规模扩张必然造成陆地生态系统结构和组成的改变,进而影响全球碳循环过程[15-16]。
本研究选用天山北麓奇台绿洲平原区1976-2016年的5期同时相的Landsat系列遥感影像(间隔10 a左右),结合地面调查数据,气象数据等,通过基于光能利用率的CASA模型计算该区域40 a来新绿洲迅速扩张过程中NPP分布格局的变化,以期增加人类活动对干旱区陆地生态系统及碳循环影响的认识,为人类活动在全球气候变化中的作用提供客观依据。
1 数据与方法
1.1 研究区概况
依据前人研究结果[17-18],天山北麓的绿洲分布扩张轨迹表现为:古绿洲(千年前形成)多分布在河流三角洲上;老绿洲(20世纪中叶前形成)多分布于冲洪积扇引水方便的中、上游冲积平原;新绿洲(20世纪中叶后形成)则主要分布于冲积平原的中下部。奇台绿洲位于天山北麓经济带上,农业开发强度很高,是多年的全国农业百强县,因此,研究区选用奇台绿洲与古尔班通古特沙漠相毗邻的交错带区域,地理坐标范围为43°57′N~44°13¢N,89°24′E~90°09′E,年均温5℃左右,年均降水约176 mm,年均蒸发势2 141 mm,属于温带大陆性干旱半干旱气候。
1.2 遥感数据选择及预处理
Landsat系列数据是目前世界范围内应用最广泛的民用对地观测多光谱遥感数据,其空间分辨率及长时间数据序列非常适合中等区域尺度地表环境演变与监测研究。遥感数据的选择主要从以下2个方面进行考虑:1)数据质量(如云量、条带等);2)时相(植物生长最旺盛季节)。受地理位置和大地形影响,新疆自然植被生长季极不同步,研究区3-5月作物归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)下降,7-8月自然荒漠植被的NDVI在高温和不连续降水条件下明显下降[19],这与多年对研究区实地调查情况一致:奇台绿洲平原区主要作物为小麦、玉米和甜菜,玉米、甜菜一般在4月份播种,5月中旬之前其幼苗叶片尚不能盖满田块,7月中/下旬小麦开始收割。本研究旨在从新人工绿洲扩张视角出发,讨论人类活动对干旱区植被结构和NPP分布格局的影响,因此,6月为该区域提取植被覆盖类型变化信息的最佳时间。
通过对上述因素的综合考虑,选用了1976年6月6日Landsat MSS影像和1989年5月23日、1996年6月28日、2007年6月27日、2016年6月19日的Landsat TM影像共5期卫星数据,间隔约10 a左右。
遥感数据在使用前进行了严格的预处理:1)大气辐射校正;2)几何精校正,校正误差控制在0.2个像元以内。预处理通过遥感数据处理专业软件ENVI5.1完成。预处理后,原灰度值图像转换为地表反射率图像,可用于下一步的图像分类、运算和模型应用。
1.3 NPP计算
CASA模型中植被NPP主要由植被吸收的光合有效辐射(absorbed photosynthetically active radiation, APAR)与光能转化率()2个变量来确定[20-21]。公式如下
NPP=APAR·T1·T2·W·ε(1)
APAR=0.5 SOL·FAPAR (2)
式中SOL是当月研究区太阳总辐射量,MJ/m2;ε为最大光能转化率,g/MJ;FAPAR(fractional APAR)为植被对光合有效辐射的吸收比例,常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(可见光波长0.4~0.7m)占太阳总辐射的比例。T1和T2均为温度胁迫系数;W为水分胁迫影响系数。
FAPAR由NDVI确定。相关计算基于下列公式完成
NDVI=(NIR–)/(NIR+) (3)
SR=(1+NDVI)/(1–NDVI) (4)
FAPARSR=[(SR–SRmin)/(SRmax–SRmin)]·(FAPARmax–
FAPARmin)+FAPARmin(5)
FAPARNDVI=[(NDVI–NDVImin)/(NDVImax–NDVImin)]·
(FAPARmax–FAPARmin)+FAPARmin(6)
FAPAR=(FAPARSR+FAPARNDVI)/2 (7)
式中NIR为近红外反射率,为红波段反射率;SR为简单比值植被指数,与植被类型有关,SRmin=1.08,SRmax取值在4.14~6.17之间,FAPARmax=0.95,FAPARmin=0.001,这些参数无区域限制性,系通用参数[21]。
光能转化率是植物通过光合作用固定太阳能,将所截获/吸收的能量转化为碳(C)/有机物干物质的效率,用g/MJ(以C计,下同)表示。在此,CASA模型ε取值0.389 g/MJ[22-23]。
T1反映了在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制,计算如下
T1=0.8+0.02T–0.00052(8)
式中T为某区域一年内NDVI值达到最高时月份的平均气温,℃。
T2表示环境温度从最适宜温度T向高温和低温变化时植物光能转化率变小的趋势,计算如下:
T2=1.1814({1+e[0.2 (T–10–T)]}/{1+e[0.3 (–T–10+T)]}) (9)
式中为影像数据获取月份的平均气温,℃。
W反映植物所能利用的有效水分条件对光能转化率的影响。随着环境有效水分的增加,W逐渐增大,取值为0.5(在极端干旱条件下)~1(非常湿润条件下)[20]。
W=0.5+0.5(EET/PET) (10)
式中PET为可能蒸散量,mm;EET为实际蒸散量,mm。
PET=58.93BT (11)
式中BT为生物温度,℃。BT是0~30℃月均温之和除以12[24]。
EET={·R·[P+R2+·R]}/{(+R)·(2+R2)} (12)
式中为当月降水量,mm;R为当月太阳净辐射,MJ/m2。
气象数据来自中国气象科学数据共享服务网[25]。
经过多年田间走访调查,研究区为灌溉农业,灌溉过程由生产者根据经验和土壤墒情决定。传统长期采用大水漫灌方式,造成水资源大量浪费,2008年后开始逐步推广节水工程,科学测算各类作物需水量,保障作物充足水分供给。因此,研究区农业生产基本不受降水状况限制和胁迫,因而农田与沼泽的水分胁迫W取值为1。
1.4 影像分类
目前,研究区主要的地物类型包括农田、草地、裸碱地和灌丛(图1),树木主要在部分田边或路边以防护林形式成线状分布,未形成宽度超过1个像元(30 m)的成面积的可提取信息,因此林地未进行单独分类。农田种植面积最大的作物类型主要有小麦、玉米、甜菜、打瓜等;草地主要指低矮草本植物为主如叉毛蓬、骆驼蓬等;灌丛指有株形较大的灌木或半灌木与草本的混合群落,如柽柳+芨芨草+苦豆子等。研究区土壤为碱性土壤,土壤pH值大于9.5的地方植物难以生长,有些就是光板地,因此划分为裸碱地[26]。
图1 研究区典型地物景观照片
2 结果与分析
2.1 研究区40 a新人工绿洲扩张
研究区地势东南高,西北低,西北处角地势低洼处建有一平原水库,泉水溢出带沿800 m等高线由西南向东北方向呈弧形分布[27]。根据研究区多年实地定位观测及访查资料,采用监督分类法对各期影像进行分类(图2),5期影像分类精度分别为96.38%、95.65%、92.75%、98.60%、98.45%。从图2可以看出,1976年时,以泉水溢出带为水源区形成沼泽、坑塘和向北流淌的泉水河,经实地访查,沼泽及其周围生长植物以芦苇和芨芨草混合灌丛为主,在泉水河两侧,灌丛沿河线状分布;干旱气候与地表水分条件的共同作用使盐碱土广泛发育;农田稀疏,呈小斑块状零星散布,人类的活动强度较弱。1989年,农田在原有田块周围迅速增加,沼泽特征减弱,水体水面略有缩小,灌丛大量减少。1996年,农田继续扩张,分散田块连接成片,泉水溢出带消失被开垦为农田,水库干涸仅留下大坝。2007年,地表覆盖主要为3种地物类型:农田、草地和裸碱地,农田继续在原有基础上向外围拓展,向沙漠逼近,许多盐碱地也垦为农田。到2016年,研究区原来的天然绿洲景观完全被新人工绿洲替代,大面积条田相互连接,成为适合大型农业机械作业的现代化农业绿洲。
图2 研究区不同时期土地覆盖图
表1为根据分类结果提取的各类别覆盖面积。1976年研究区农田仅有5 150 hm2,占研究区面积3.25%,1989年,农田面积增加到20 376 hm2,年均增加1 171 hm2;之后的1989-1996、1996-2007、2007-2016的3个时间段里,年均增加量分别为2 016、1 355和1 698 hm2。20世纪80年代中期之前,受交通、农业机械化程度、灌溉条件等限制,垦荒速度相对较低;20世纪80年代末到20世纪90年代中期垦荒强度最大,这一阶段,随着联产承包责任制落实到户,全县打井总眼数超过了4 000眼[28];之后在国家退耕还草等政策调整下,垦荒速度有所放缓,近10 a来垦荒强度又有所增加,2016年耕地面积占比已经超过了研究区面积的40%。
表1 地物类型的面积变化
1976年-2016年裸碱地面积减少约41 056 hm2,缩小近70%,这主要是由于开垦导致研究区水文条件发生改变引起的:研究区地处干旱区冲洪积扇下缘,1976年地表水有水库、坑塘、泉水河、沼泽等(图2),说明当时地下水位高,极易造成土壤强烈盐碱化;由于大量开垦农田,打井灌溉,到1996年地下水位迅速下降超过10 m[29],沼泽消失,水库干涸,地表水体仅剩几个小涝坝。地下水位下降超过一定深度,土壤表层积盐进程停止,活性盐碱土变为残余盐碱土,在研究区近180 mm的年降水量的淋洗作用下,土壤表层的盐碱化的程度逐渐减弱,有植被开始生长,盐碱地向新生草地演替或被开垦改良成农田。灌丛原来多生长在水分条件较好的地方,40 a来,灌丛从17 871 hm2减少到5 202 hm2,已经很少能成片分布。草地面积在40 a里变化不大,但其分布位置明显变化,原有草地被垦为农田,新生草地在盐碱地上形成,可知,人类的新绿洲扩张活动使农田大量增加的同时也改变了整个区域的水资源消耗方式和时空分布,进而改变不同植被类型的空间分布格局。
2.2 人工绿洲扩张过程中NPP动态变化
依据分类结果计算各类别中每个像元的NPP值,其中裸碱地和水体由于基本无植物信息不参与统计(表2)。2016年,研究区NPP总量为90 602 t,是1976年同期的2.2倍,其中,仅农田扩张就增加NPP 55 561 t,占增量的93%以上。2016年与1976年相比,灌丛则净损失的NPP总量为8 265 t,沼泽净损失3 319 t。1976年农田对NPP的贡献率仅为8.62%,40 a后,其贡献率达65.23%。1996年以前,草地面积占比在42.72%~57.18%之间波动,但其NPP总量维持在一个相对平稳水平,近20 a则有明显增加。1989年与1976年相比,草地总NPP略降,这可能是由于20世纪80年代中后期质量及时相对应最好的Landsat数据为1989年5月23日,与其他4期影像存在约半个月的时间差造成的。
表2 1976-2016 年的植被净初级生产力(NPP)变化
若不考虑在时间上受到一定影响的1989年数据,1976年6月农田单位面积NPP为68.6 g /m2。随着农业机械化耕作、化肥农药的施用、盐碱化土壤改良等耕作模式与管理手段的不断提高,农田单位面积NPP逐步提高,2007年6月和2016年6月均已超过90g/m2。6月份的农田NPP一定程度上受到作物类型的影响,例如研究区主要农作物为小麦、玉米,2000年后受市场需求驱动,也开始一定规模的种植甜菜、油葵、打瓜等,这使得农田中不同作物的生长旺盛期不同步。40 a里,6月份的草地单位面积NPP在30~40g/m2范围之内波动,相对比较稳定,其影响因素主要是降水和春季气温回升情况,特别是春季融雪给土壤提供的水量在4-5月可以明显地影响短生植物的萌发和生长,例如1989年草地面积明显增大(表1),但单位面积NPP却较小,就与一定量的短生植物尚处于幼苗期有关。灌丛多为多年生深根植物,其NPP除在一定程度上受到气象因素影响外,也受到人类较大的干扰,例如1976年地面水量大,灌丛多生长于沼泽和泉水河周围,形成比较长期稳定的群落结构,随着新绿洲垦荒强度的增加,灌丛被大量开垦,地下水位下降,新的灌丛多出现于田间空地,株龄短,冠幅小,密度低,NPP也较低。沼泽只在1976年和1989年2期图像上出现,到1996年时已完全消失,但是1989年沼泽单位面积NPP却比1976年大42%,这可能是因为1989年沼泽已经开始明显退化,淹水深度降低,更利于浅水植物生长。
2.3 人工绿洲扩张中地表NPP格局的变化
奇台绿洲40 a的新人工绿洲扩张活动改变了原来天然绿洲的植被构成和NPP空间分布格局(图3)。1976年6月单位面积NPP>120 g/m2的区域主要零星分布着农田和高大柽柳+芨芨草等灌丛,介于70~120 g/m2之间的的主要是沼泽和芨芨草+苦豆子+盐爪爪等混生灌丛群落,≤70 g/m2的多为荒漠草原,1976年6月研究区的NPP主要由天然草地(56.68%)和天然灌丛(26.61%)构成,农田的NPP贡献率仅占8.62%,沼泽为8.10%(表2),大面积的盐碱地几乎无植被生长。经过40a的新人工绿洲大开发过程,2016年6月研究区的NPP主要由农田(65.23%)和新生草地(31.85%)构成,灌丛的NPP贡献率下降到2.92%,天然绿洲的植被构成和荒漠草原景观已被完全改变。
图3 研究区不同时期单位面积植被净初级生产力(NPP)分布
定量分析40a来研究区NPP分布格局的变化(表3),1976年灌丛中的66.93%、沼泽中的75.58%、草地中的41.43%、盐碱地中的23.86%和水体中的77.96%构成了现在的农田;1976年的草地中有43.62%在40a后依然是草地,只是基本都被新垦农田分割成碎片散布,然后与由59.38%的裸碱地演替而来的新生草地连接成片,另外1976年灌丛中的21.44%和沼泽中的16.57%退化成为2016年草地中的一部分。1976年的裸碱地中仅剩15.01%在2016年依然存在,其余的裸碱地则来自草地、灌丛、沼泽等的退化。
表3 2016年相较于1976年的地物类别转移
3 讨 论
气候变化对研究区NPP变化的影响。在无人为干扰条件下,NPP的变化与温度、水和太阳辐射等因素的变化密切相关。有研究表明,近年来的全球气候变化缓解了对植物生长的限制,使得北半球中高纬度地区的NPP有所增加[30]。研究区40 a来的气温也呈暖化趋势,但是研究区植物生长季节的温度变化表现为春季上升0.14 ℃/10 a、夏季气温呈反向变化,为-0.14 ℃/10a[31]。通过对研究区40 a来NPP变化研究来看,研究区5个研究年份的生物温度基本在9.52 ℃上下波动,变化幅度不超过0.25 ℃,可知,温度对研究区NPP的影响很小。研究区年均降水量约180 mm,近40a的年降水量升率为15.8mm/10a[31]。由于研究区地处干旱区,蒸发强度大,地下水位已普遍降于10 m以下,这样的降水升率在一定程度上虽然可能有助于草地和短生浅根植物的生物量增加,但受降水增加的影响,研究区近年来的日照时数呈下降趋势,这对光合作用又会起到一定的削弱,因此,对本研究区而言,自然气候因子对NPP的影响是比较有限的,这也与前人研究一致,有研究认为天山以北潜在植被NPP受气候变化影响的脆弱性较低[32]。
人类活动是影响研究区NPP分布格局的决定性因素。1976-2016年是中国经济发展不断加速的阶段,也是人口持续增加,人民生活水平不断提高的阶段,垦荒活动在干旱区绿洲普遍展开,特别是老绿洲外围的荒漠交错带区域,大面积的天然绿洲被开垦,农田延伸直至沙漠,新人工绿洲的剧烈扩张,强烈改变了水资源的消耗方式和时空分配,引起生态环境显著变化[17]。由于新垦农田快速增加,奇台县农业灌溉用水超过全县用水量的95%,年超采地下水近1.5亿m3,形成的地下水漏斗近800 km2 [33],地下水超采导致泉水溢出带消失,水库干涸,给研究区的生态环境带来负面效应,因此,水资源的可持续性利用与新人工绿洲扩张过程中生态系统碳库反馈效应的未来发展趋势应引起重视和进行更深入的研究。
4 结 论
40 a里,研究区农田面积从5 150 hm2增加到64 675 hm2,增加了11倍以上,裸碱地从58 859 hm2减少到17 803 hm2,减少约70%;地表覆被类型发生了剧烈变化,泉水溢出带消失,水库干涸,灌丛大幅减少,土壤盐碱化发育进程中断,新生草地在裸碱地上形成,1976年的草地中有41.43%在40 a后转变成农田,而裸碱地则有23.86%转变成农田,另外有59.38%转变成草地。
研究区人工绿洲扩张使地表NPP总量大幅增加,2016年6月地表NPP总量是1976年6月的2.2倍,增量中超过93%的NPP来自于农作物。NPP分布格局也发生了显著变化,1976年6月的NPP由天然草地、灌丛、农田和沼泽构成,分别占56.68%、26.61%、8.62%和8.10%,到了2016年6月,NPP主要由农田(65.23%)和新生草地(31.85%)构成。
[1] 陈晓玲,曾永年. 亚热带山地丘陵区植被NPP时空变化及其与气候因子的关系:以湖南省为例[J]. 地理学报,2016,71(1):35-48. Chen Xiaoling, Zeng Yongnian. Spatial and temporal variability of the net primary production (NPP) and its relationship with climate factorsin subtropical mountainous and hilly regions of China:A case study in Hunan province[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(1): 35-48. (in Chinese with English abstract)
[2] IPCC. Second assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)[J]. Environ. Policy Law, 1996, 26(5): 234-235.
[3] 卢玲,李新,Frank Veroustraete. 中国西部地区植被净初级生产力的时空格局[J]. 生态学报,2005,25(5):1026-1032. Lu Ling, Li Xin, Frank Veroustraete.Terrestrial net primary productivity and its spatial-temporal variability in western China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(5): 1026-1032. (in Chinese with English abstract)
[4] Alberti M. The effects of urban patterns on ecosystem function[J]. International Regional Science Review, 2005, 28(2): 168-192.
[5] 杨延征,马元丹,江洪,等. 基于IBIS模型的1960-2006年中国陆地生态系统碳收支格局研究[J]. 生态学报,2016,36(13):3911-3922. Yang Yanzheng, Ma Yuandan, Jiang Hong, et al. Evaluating the carbon budget pattern of Chinese terrestrial ecosystem from 1960 to 2006 using Integrated Biosphere Simulator[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(13): 3911-3922. (in Chinese with English abstract)
[6] 李守娟,马杰,唐立松,等. 梭梭群落碳交换的尺度转换研究: 从叶片到群落[J].干旱区研究,2016,33(2):362-370. Li Shoujuan, Ma Jie, Tang Lisong, et al. Scale transformation of carbon exchange over haloxylon ammodendron community: From leaf to community[J]. Arid Zone Research, 2016, 33(2): 362-370. (in Chinese with English abstract)
[7] 姜春,吴志峰,程炯,等. 广东省土地覆盖变化对植被净初级生产力的影响分析[J]. 自然资源学报,2016,31(6):961-972. Jiang Chun, Wu Zhifeng, Cheng Jiong, et al. Analyzing the effects of land cover change on vegetation net primary productivity in Guangdong Province[J]. Journal of Natural Resources, 2016, 31(6): 961-972. (in Chinese with English abstract)
[8] Fang Jingyun, Piao Shilong, Field C B, et al. Increasing net primary production in China from 1982 to 1999[J]. Frontiers in Ecology and the Environment. 2003, 1(6): 293-297.
[9] 孙睿,朱启疆. 中国陆地植被净第一性生产力及季节变化研究[J]. 地理学报,2000,55(1):36-45. Sun Rui, Zhu Qijiang. Distribution and seasonal change of net primary productivity in China from April 1992 to March 1993[J]. Acta Geographica Sinica, 2000, 55(1): 36-45. (in Chinese with English abstract)
[10] 冉慧. 基于CASA模型的吉林省区域NPP遥感研究[D]. 吉林:吉林大学,2010:9-14. Ran Hui. Remote Sensing Research on NPP of Regions in Jilin Province Based on CASA Model[D]. Jilin: Jilin University, 2010:9-14. (in Chinese with English abstract)
[11] 刘新平. 新疆绿洲土地资源可持续利用的经济学分析[M]. 北京:中国文史出版社,2005.
[12] 韩德林. 新疆人工绿洲[M]. 北京:中国环境科学出版社,2001.
[13] 中国科学院新疆综合考察队. 新疆土壤地理[M].北京:科学出版社,1965.
[14] 程维明,周成虎,李建新. 天山北麓经济发展与绿洲扩张[J]. 地理学报,2002,57(5):561-568. Cheng Weiming, Zhou Chenghu, Li Jianxin. Economic development and oasis growth at the Northern Foot of the Tianshan Mountains[J]. Acta Geographica Sinica, 2002, 57(5): 561-568. (in Chinese with English abstract)
[15] Defries R S, Field C B, Fung I, et al. Combining satellite data and biogeochemical models to estimate global effects of human-induced land cover change on carbon emissions and primary productivity[J]. Global Biogeochemical Cycles. 1999, 13(3): 803-815.
[16] 何玲,贾启建,李超,等. 基于生态系统服务价值和生态安全格局的土地利用格局模拟[J]. 农业工程学报,2016,32(3):275-284. He Ling, Jia Qijian, Li Chao, et al. Land use pattern simulation based on ecosystem service value and ecological security pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 275-284. (in Chinese with English abstract)
[17] 樊自立,马英杰,艾力西尔·库尔班,等. 试论中国荒漠区人工绿洲生态系统的形成演变和可持续发展[J]. 中国沙漠,2004,24(1):10-16. Fan Zili, Ma Yingjie, Alishir·Kurban, et al. On formation, evolution and sustainable development of artificial oasis ecosystem in desert area in China[J]. Journal of Desert Research, 2004, 24(1): 10-16. (in Chinese with English abstract)
[18] 韩德麟. 关于绿洲若干问题的认识[J]. 干旱区资源与环境,1995,9(3):13-31. Han Delin. Knowledge of a few issues on oasis[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 1995,9(3): 13-31. (in Chinese with English abstract)
[19] 杜加强,赵晨曦,贾尔恒·阿哈提,等. 近30 a新疆月NDVI 动态变化及其驱动因子分析. 农业工程学报,2016,32(5):172-181. Du Jiaqiang, Zhao Chenxi, Jiaerheng·Ahati, et al. Analysis on spatio-temporal trends and drivers in monthly NDVI during recent decades in Xinjiang, China based two datasets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 172-181. (in Chinese with English abstract)
[20] 张峰,周广胜,王玉辉. 基于CASA模型的内蒙古典型草原植被净初级生产力动态模拟[J]. 植物生态学报,2008,32(4):786-797. Zhang Feng, Zhou Guangsheng, Wang Yuhui. Dynamics simulation of net primary productivity by a satellite data-driven CASA model in Inner Mongolian typical steppe, China[J]. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(4): 786-797. (in Chinese with English abstract)
[21] 朴世龙,方精云,郭庆华. 利用CASA模型估算我国植被净第一性生产力[J]. 植物生态学报,2001,25(5):603-608. Piao Shilong, Fang Jingyun, Guo Qinghua. Application of CASA model to the estimation of Chinese terrestrial net primary productivity[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2001, 25(5): 603-608. (in Chinese with English abstract)
[22] Field C B, Behrenfeld M J, Randerson J T, et al. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial andoceanic components[J]. Science, 1998,281(5374):237-240.
[23] Potter C S, Randerson J T, Field C B, et al. Terrestrial ecosystem production:A process model based on global satellite and surface data[J]. Global Biogeochemical Cycles, 1993, 7(4): 811-841.
[24] 任正超. 基于CASA模型的俄罗斯布里亚特共和国植被NPP变化及其对气候的响应[D]. 兰州:甘肃农业大学, 2010:18-21. Ren Zhengchao. Vegetation Net Primary Productivity Variation and Its Response to Climate in Buryatiya Republic Russia Based on CASA Model[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2010:18-21. (in Chinese with English abstract)
[25] 中国气象科学数据共享服务网.中国地面累年值月值数据集[EB/OL].(2016-09-01)[2016-11-01].http://data.cma.cn/dataService/cdcindex/datacode/SURF_CLI_CHN_MUL_MON/show_value/normal.html.
[26] 张芳,熊黑钢,安放舟,等. 基于盐(碱)生植被盖度的土壤碱化分级[J]. 土壤学报,2012,49(4):665-672.Zhang Fang, Xiong Heigang, An Fangzhou, et al. Classification of soil alkalization based on halophyte coverage[J]. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(4): 665-672. (in Chinese with English abstract)
[27] 张芳,熊黑钢,田源,等. 区域尺度地形因素对奇台绿洲土壤盐渍化空间分布的影响[J]. 环境科学研究,2011,24(7):731-739. Zhang Fang, Xiong Heigang, Tian Yuan, et al. Impacts of regional topographic factors on spatial distribution of soil salinization in Qitai Oasis[J]. Research of Environmental Sciences. 2011, 24(7): 731-739. (in Chinese with English abstract)
[28] 李丰德. 论奇台县开发利用地下水资源存在的问题及建议[J]. 地下水,2003,25(1):31-33. Li Fengde. On existed problems and suggestions on development&utilization of underground water resources of Qitai County[J]. Groundwater, 2003, 25(1): 31-33. (in Chinese with English abstract)
[29] 夏倩柔,熊黑钢,张芳. 绿洲不同尺度地下水时空动态变化特征及成因分析[J]. 新疆农业科学,2013,50(6):1137-1144. Xia Qianrou, Xiong Heigang, Zhang Fang. Study on the characteristics and causes of temporal-spatial variation of groundwater on different Scales in the oasis of Qitai, Xinjiang[J]. Xinjiang Agricultural Seiences, 2013, 50(6): 1137-1144. (in Chinese with English abstract)
[30] Ramakrishna R Nemani, Charles D Keeling, Hirofumi Hashimoto, et al. Climate-driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to 1999[J]. Science, 2003, 300(5625): 1560-1563.
[31] 宋文娟,熊黑钢,戚冉. 新疆奇台县近42a气候变化特征分析[J]. 干旱区资源与环境,2009,23(4):100-106. Song Wenjuan, Xiong Heigang, Qi Ran. Climate change in Qitai County in Xinjiang in recent 42a[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2009, 23(4): 100-106. (in Chinese with English abstract)
[32] 苑全治,吴绍洪,戴尔阜,等. 过去50年气候变化下中国潜在植被NPP的脆弱性评价[J]. 地理学报,2016,71(5):797-806. Yuan Quanzhi, Wu Shaohong, Dai Erfu, et al. NPP vulnerability of China's potential vegetation to climate change in the past 50 years[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(5): 797-806. (in Chinese with English abstract)
[33] 杨建光,艾根生. 奇台:水危机引发一场“用水革命”.昌吉日报[R]. 2009-05-11[2016-10-01].
Dynamic change of net primary productivity during process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on remote sensing
Zhang Fang1,2, Xiong Heigang2,3, Feng Juan1,2, Xu Zhonglin1,2
(1.830046,; 2.,830046,; 3.100083)
The impact of human activities on the global carbon cycle is one of the main concerns in the global climate change research. However, the mechanisms of the carbon cycle for the different regions, natural and human factors are very complex and different. Exploring the impact of human reclamation activities on the distribution pattern of net primary productivity (NPP) in arid oasis ecosystem will help to increase the understanding of human activities on terrestrial ecosystems and carbon cycle impacts in arid regions. This study aimed to investigate the change of NPP during the process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on the remote sensing data. June was selected as the optimal time for extracting vegetation cover types change information. Based on the long-term Landsat remote sensing data, the Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA) model was used to estimate the change of NPP during the expansion of Xinjiang Qitai artificial oasis from June 1976 to June 2016. The results showed that: 1) In 1976, the study area mainly was dominated by desert steppe, and the farmland was only 5 150 hm2, accounting for 3.25% of the area. By 2016, the amount of farmland expanded to 64 675hm2, which increased by more than 11 times; 2) While the artificial oasis was expanding, spring overflow zone disappeared, the swampland and the reservoir dried up, which resulted in the decrease of shrub area from 17 871 hm2to 5 202 hm2; 3) Reclamation resulted in a significant decline in groundwater level, soil salinity development process was interrupted, and bare alkaline area was reduced from 58 859 hm2in 1976 to 17 803 hm2in 2016, which was reduced by nearly 70% and began to succession to the new grassland; 4) In June 1976, the unit area NPP of farmland was 68.6 g/m2, and the unit area NPP of farmland in June 2007 and June 2016 was over 90 g/m2. In the recent 40 years, the unit area NPP of grassland was fluctuated within the range of 30-40 g/m2, which was relatively stable; 5) In June 1976, the total NPP in the study area was 41 018 t, of which the contribution rate of farmland was only 8.62%. In June 2016, the total NPP of the study area reached to 90 602 t, which was 2.2 times higher than that in June 1976. The contribution rate of farmland to total NPP was 65.23%. In the same period, the net loss of shrub and swamp NPP was 8 265 t and 3 319 t, respectively; 6) Human activities were the decisive factors that influenced the distribution pattern of NPP in the study area. And NPP in 1976 were mainly composed of natural grassland and shrub, accounting for 56.68% and 26.61% respectively, NPP in 2016 was mainly composed of farmland and fresh grassland, accounting for 65.23% and 31.85%, respectively. In 1976, 66.93% of the shrubs, 75.58% of the swamps, 41.43% of the grassland, 23.86 % of the bare alkali land and 77.96% of the water bodies were evolved into farmland in 2016. The 43.62% of the grassland in 1976 was still grassland after 40 years, but was divided into fragments by the newly reclaimed farmland. Only 15.01% of the bare alkaline area in 1976 remained in 2016, while the rest came from degradation of grasslands, shrubs and swamps. In the recent 40 years, the original natural oasis landscape in the study area had been completely changed, and large areas of farmlands connected to each other become modern agriculture oasis that was suitable for large-scale agricultural machinery operations.
remote sensing; grassland; farmland; new artificial oasis expansion; net primary productivity (NPP); Carnegie- Ames-Stan-ford Approach (CASA); Xinjiang Qitai oasis
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025
X171;TP 79
A
1002-6819(2017)-12-0194-07
2016-12-13
2017-05-10
国家自然科学基金(41261049、41671198、41361098);中国博士后基金面上资助(2013M532100)
张 芳,女,山东嘉祥人,博士,副教授,研究方向:干旱区环境演变与人地关系。乌鲁木齐 新疆大学资源与环境科学学院,830046。 Email:zhangf602@163.com
张 芳,熊黑钢,冯 娟,许仲林. 基于遥感的新疆人工绿洲扩张中植被净初级生产力动态变化[J]. 农业工程学报,2017,33(12):194-200. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025 http://www.tcsae.org
Zhang Fang, Xiong Heigang, Feng Juan, Xu Zhonglin. Dynamic change of net primary productivity during process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on remote sensing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 194-200. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025 http://www.tcsae.org