2000～2013年三江平原北部NPP变化特征分析

刘晓光，宁静*，董芳辰，于杰，杜国明，匡文慧

2000～2013年三江平原北部NPP变化特征分析

刘晓光1，宁静1*，董芳辰1，于杰1，杜国明1，匡文慧2

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨150030；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100010）

应用最小二乘法和逐像元相关分析方法，结合三江平原土地利用变化数据，分析2000～2013年三江平原北部地区年均植被NPP变化情况，获得研究区NPP趋势变化数据及水田扩张与NPP空间相关数据。结果表明，三江平原北部在水田快速扩张驱动下，NPP值先缓慢减少后波动上升，整体为线性增加趋势。NPP具有明显年际增加趋势，基本规律为年均NPP值相对较低区域，增加趋势较弱，反之亦然。水田扩张与NPP值相关性分析表明，由旱地转为水田区域，水田扩张与NPP值变化具有正向相关性；由沼泽湿地和林地转为水田区域，水田扩张与NPP值变化具有负向相关性。研究表明，农田耕作方式是NPP变化重要影响因素之一。

植被NPP；水田扩张；三江平原北部；变化特征

植物净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是绿色植被在单位时间和单位面积上积累有机干物质总量，可表征植被活动及生产能力，是生态系统碳循环和调节生态过程关键要素[1-3]，反映气候变化和人类活动对陆地植被综合作用结果[4]。农田碳循环具有短周期固碳、大量蓄积特点，是全球碳库中较为活跃部分。农田碳库容量及其在全球碳平衡中作用备受关注。NPP空间变化特征主要与气候变化、人为干扰和生态过程变化相关[5-6]。而NPP时间变化主要表现为季节、年际变化和长期趋势等[7]。

目前，学者对我国区域范围内植被NPP研究重点集中在：①NPP时空分布特征及驱动因子探讨，如毛德华等在1982～2010年东北地区植被NPP时空格局分析基础上量化分析其驱动因子[8]；周伟等基于CASA模型估算1982～2010年我国草地净初生产力，并研究草地NPP时空动态特征及其与气候因子关系[9]；李传华等以石羊河流域为研究区定量分析人类活动对该区域植被NPP影响[10]。②植被NPP对气候要素，特别是气温和降水相关性探讨。如龙慧灵等改进光能利用率NPP遥感估算模型估算内蒙古地区NPP，并从季节和年际尺度上分析NPP与温度和降水间关系[11]；崔林丽等研究我国东南部主要植被类型NPP时空变化及与气候相关性[12]。③研究NPP估算模型及算法，牛忠恩等利用MODIS_OLI遥感数据融合技术估算农田生产力[13]；孙成明等基于温度和降水确定南方草地NPP估算模型，为南方草山草坡NPP估算提供新方法[14]。

国内NPP研究主要集中在自然植被，如草地、湿地及全部植被NPP分布格局及影响因素探讨，对农田生态系统NPP变化研究较少[15]。农田生态系统是地球表面最活跃，影响气候变化最敏感土地利用类型，农田生态系统NPP作为研究热点和难点之一，研究体系和方法尚不成熟。另外，国内在NPP研究区位选择上，三江源、青藏高原、东北地区等生态敏感区均为重点研究区域，但研究区域范围均相对较大，研究趋势主要受NPP数据空间分辨率精度制约。

三江平原北部是我国最大的以沼泽为主湿地生态分布区，是我国重要粮食生产基地，近年大面积旱作耕地改为水田，迅速改变土壤利用方式及过程，生态景观格局及生态过程发生明显变化。本文结合土地利用方式快速变化进程和14年间逐年NPP值变化特征及趋势，探讨人类活动干扰下生物净初级生产力空间和时间变化特征。利用相关分析模型分析研究区特殊水田扩张现象与NPP值变化相关性，借助NPP变量分析三江平原北部快速水田化，为量化分析三江平原北部产能变化特征及规律提供数据支持。

1 研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

三江平原北部地处东北平原东北部，西起大兴安岭，东达乌苏里江，北起黑龙江，是我国最大淡水沼泽分布区之一。行政区域包括抚远县、同江市、绥滨县、饶河县、宝清县、富锦市和友谊县，土地总面积约4.24万km2。该区域平均海拔55 m，地势西南高东北低，地貌属于三江冲积低平原和兴凯湖冲积、湖积低平原。气候类型属于温带湿润大陆性气候。年均降水量为550～600 mm，10℃以上活动积温2 300～2 500℃，年均气温为2.6～3.6℃，七月份平均气温为21～22℃。植被以沼泽化草甸和沼泽植被为主，优势植被类型有小叶章（Deyeuxia angustifolia）、苔草（Carex）[16]。土壤以草甸土、沼泽土、白浆土、棕壤为主。近60年来，三江平原北部经过多次大规模垦殖活动，大面积沼泽湿地垦殖为旱地或水田，部分旱地改为水田。

1.2研究方法

1.2.1 数据获取及处理

三江平原北部地区土地利用采用4期Landsat ETM遥感数据，分别为2000、2005、2009和2013年。将Landsat ETM数据5，4，3波段假彩色合成并与8波段融合，融合后分辨率为15m。遥感影像经过几何校正，大气校正等预处理后，采用人机交互解译方法参考中科院分类系统并结合三江平原区域特征，将该区域分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地5大类，13小类。利用ARCGIS10.5对4期土地利用数据投影转换，利用INTERSECT分析方法生成2000～2013年土地利用动态数据。

NPP数据采用美国国家航天航空局（NASA）EOS/ MODIS提供的2000～2013年逐年NPP数据，共14期。该数据主要利用MODIS携带Terra卫星数据计算全球净初生产力（NPP），空间分辨率1 km。基于BIOME-BGC模型计算NPP数据，并在农田生产力时空变化特征及驱动因素研究方面获得广泛引用和验证[15,17-18]。年均NPP主要是研究区年内净光合作用时间累加，具体公式如下[19]：

其中，GPP为植被总初级生产力。0.45为常数，表示植被吸收利用太阳有效辐射（通常波长为0.4～0.7μm）占太阳总辐射比例。ε为光能利用率，指多种植被类型最大光能利用率εmax，受环境温度TMIN和水汽压VPD因子影响；Rml和Rmr分别是枝叶和根部呼吸消耗能量；式（3）中Rmo为呼吸消耗能量（枝叶和根以外其他部分），Rg为植物生长呼吸消耗能量。

1.2.2 NPP年际变化趋势分析

利用ARCGIS10.5栅格分析模块对三江平原北部地区2000～2013年逐年NPP数据按像元年变化趋势分析。每个像元NPP年际变化趋势采用一元线性回归趋势线方法，该回归直线斜率采用最小二乘法获取。通过斜率θtrend判断NPP年际变化趋势[20-21]。

其中，θtrend为像元年变化趋势线斜率，说明NPP年际变化，正值表示该像元NPP呈增加趋势；负值表示该像元NPP呈减少趋势；变量i为年序号，n为研究年期数，本文取值范围为14；NPPi为像元第i年NPP值。

1.2.3 NPP变化与农田扩张相关性分析

利用ARCGIS10.5的fishnet建立公里网格，将四期土地利用与公里网格数据叠加生成水田面积变化百分比公里网格数据并转化为栅格数据，像元与NPP数据保持一致。逐像元计算NPP多年变化趋势与农田扩张相关性，计算公式[9]如下：

其中：R为相关系数，Ni为第i年NPP值，为多年平均NPP值，Mi为第i年水田公里网格面积比例，为多年水田公里网格面积比平均值。

2 研究结果

2.1土地动态变化特征

土地生态系统NPP变化研究发现，林地和草地NPP对气候变化响应明显，而耕地NPP变化与气候特征变化相关性较小[8,16,19]。三江平原北部土地覆盖变化是东北地区NPP变化主要因素之一。探讨2000～2013年土地动态变化特征，特别是耕地面积扩张及内部快速转化可以初步判定水田扩张驱动态势。2000年初三江平原地区北部农田总面积2 115 916.61 hm2，占研究区土地总面积50.23%，是三江平原北部主要土地利用类型。其中，旱地是主要耕地类型，面积约1 908 843.79 hm2，占全区耕地总面积92.7%；水田面积207 072.28hm2，占全区耕地总面积9.7%；2013年农田总面积为2 798 438.37 hm2，占研究区土地总面积66.44%，耕地14年间增加682 522hm2，平均每年新增耕地48 751.57 hm2。2013年水田面积约1 526 765.91 hm2，占研究区农田总面积55%，成为主要农田生态系统类型。由图1可知，自2000年开始研究区主要土地利用变化趋势为沼泽湿地垦为耕地，沼泽面积减少；旱地不再是三江平原北部控制性土地利用变化类型。伴随耕地面积扩大，农田土地系统内部由大量旱地逐渐转为水田，14年内约有108.10万hm2旱田转变为水田。至2013年水田农业系统成为主要农业景观，生物生产过程改变。

图1 2000～2013年三江平原北部土地利用Fig.1 Land use of Northern Sanjing plain from 2000 to 2013

从空间分布上看，各市县垦殖率均＞70%，2000～2013年水田面积显著增加：同江市，抚远县和绥滨县最为明显，水田面积分别从2000年23 113.96、12 548.24和46 870.87 hm2增至2013年291 409.00、274 561.22和156 686.54 hm2。富锦市沼泽湿地退缩明显，由2000年250 048.63 hm2减至2013年58 248.03 hm2，沼泽湿地面积约减少77%，沼泽湿地主要作为后备耕地直接开垦为水田或旱地。富锦市水田面积由2000年34 263.66 hm2增至2013年382 096.85 hm2。从整体看，2000～2013年该区域土地利用变化主要特征为水田面积扩张，沼泽湿地农田化及少量林地开垦，农田生态系统基质属性发生明显变化。

2.2NPP分布格局与变化趋势

2.2.1 2000～2013年三江平原北部各市县年NPP动态特征分析

由图2可知，2000～2013年，NPP变化范围为513.3～592.61 gC·m-2，均值约537 gC·m-2。最大值在2008年，达592.61 gC·m-2，最小值在2000年，约513.31 gC·m-2。研究表明，农田生态系统NPP分布频度比较广，分布在400～600 gC·m-2。因此可知，研究区对NPP值控制植被类型为农田生态系统植被。2000～2013年年均NPP变化整体趋势线表现为增加趋势，具体为先缓慢减少后波动增加，2000～2007年，全区域年平均NPP值为500～550 gC·m-2，除抚远县外，其他市县波动性较平缓；2008～2010年出现NPP突变折点，即各市县2008年NPP值突然增加，2009年突然降低，2010年重新回复平衡位置。研究表明，农田生态系统NPP值虽与气温降水有一定相关性，但相关性不显著[16]。主要受人为活动干扰，耕作方式、管理模式和种植制度变动对NPP值影响更显著。因此，研究区NPP在2008～2010年明显波动主要受这一时期土地利用变化影响。2010～2013年三江平原北部地区NPP变化趋于平稳并缓慢增加，研究区年均NPP值约为550～600 gC·m-2。

图2 2000～2013年NPP年均值Fig.2 Average NPP line chart from 2000 to 2013

由各市县NPP值变化可知，研究区多年平均NPP值受气温和降水地带性控制，呈现空间分布地带性特征，NPP值由北向南逐渐递增，抚远县位于研究区最北部，NPP值较低，为400～450 gC·m-2，同江市次之；富锦市和绥滨县位于研究区中西部，地带性区位相似，NPP值相近，450～550 gC·m-2；饶河县虽然地理区位与富锦市和绥滨县相似，NPP值转高，为550～650 gC·m-2，结合土地利用数据可见，饶河县林地分布面积较大，2013年各类林地面积约为304 786 hm2，约占饶河县总面积46.32%，是主要植被类型。森林NPP年积累量远高于农田，森林生态系统NPP年积累量最高，因此饶河县具有相对较高NPP年积累量[22]。

2.2.2 三江平原北部多年平均NPP特征分析

由图3可知，研究区NPP值分布在15～1 064 gC·m-2，主要集中在200～700 gC·m-2，并在分布区存在两个明显高频度峰值区域，各区域NPP值分别集中在320和650 gC·m-2附近。不同土地类型NPP值比较：水田＞林地＞旱地[23]，旱地NPP值300～400 gC·m-2，针阔混交林NPP为600～800 gC· m-2[18]，而农田平均分布为300～600 gC·m-2。由此可见，NPP频度最高峰值主要由水田和林地两种土地利用类型复合形成，另一个高峰区主要由该区域另一个主要土地利用类型旱地形成。多年平均NPP分布频度特征说明，三江平原北部主要为旱地生态系统和水田生态系统。

图3 多年平均NPP值分布频度Fig.3 Mean NPP distribution frequency

由图4可知，NPP值在空间上分布与植被覆盖密切相关。由区域水平可见，除水域外，多年平均NPP低值区主要集中在抚远县，并具有空间分异特征：中部地区NPP值显著高于外部区域，结合土地利用数据可知，中部为水田扩张主要区域，水田快速扩张使中心区域具有较高NPP值。NPP高值区域主要分布在宝清县东部，饶河县西北部，富锦市东北部及绥滨县西部。

这些地区NPP值较高主要原因：①旱地快速转变为水田，在水田密集区域有明显增高趋势；②饶河县和宝清县是三江平原北部针阔混交林主要分布区域，NPP值较高。

图4 三江平原北部多年平均NPP分布Fig.4 Mean NPP of northern of Sanjing Plain

2.2.3 NPP变化趋势分析

利用ARCGIS10.5栅格数据空间分析工具获得基于最小二乘法研究区NPP变化趋势（见图5），研究区同时存在NPP减少和增加趋势。NPP多年变化为整体增加趋势，局部减少。对NPP值变化趋势逐像元统计分析发现，研究区约71.5%像元NPP呈增加趋势，其中年增幅＞15 gC·m-2像元约2.35%，年增幅10～15 gC·m-2像元占8.81%，年增幅5～10 gC·m-2约26.06%，年增幅0～5 gC·m-2为34.23%。研究区约28.5%像元NPP值呈减少趋势，减少幅度在-5～0 gC·m-2像元约19.78%，6.31%像元NPP减少幅度为-10～-15 gC·m-2，其余减少幅度为＜-15 gC·m-2。54%像元NPP年际变化范围为-5～5 gC·m-2，NPP变化趋势呈正态分布。

结合土地利用数据可知，NPP呈现减少趋势区域多为非耕地，特别是在2000～2013年表现为沼泽湿地农田化区域，NPP值显著减少；而NPP值呈现增加趋势区域多半为旱改水区域或林地。说明NPP变化趋势与植被覆盖类型有一定相关性。

从区域上可知，多年平均NPP值较低区域，如抚远县和同江市，NPP值增加趋势相对较弱，减少趋势增强；多年平均NPP值较高区域，如饶河县、宝清县和友谊县，NPP值呈显著增加趋势。主要原因为饶河县、宝清县、友谊县具有相对优越水热条件和一定数量林地分布，近年林地资源保护促进区域土壤SOC含量增加，研究表明NPP变化趋势一定程度上也反映输入农田有机物变化情况[24]。

图5 三江平原北部NPP值趋势变化Fig.5 NPP trend of northern Sanjiang Plain

2.3NPP多年变化与水田扩张相关性分析

中等时间尺度NPP变化是人类活动干扰强度主要指标，本文探讨NPP年际变化与水田扩张程度之间关系。三江平原北部地区人类活动最突出变化，自2000年以来大面积旱地改为水田。水田扩张速度及强度均超生态环境适应能力，耕作方式急剧变动对NPP值影响显著。

利用相关系数模型结合ARCGIS10.5平台，逐像元获得水田变化百分比公里网格与NPP相关系数空间分布数据（见图6）。

图6 三江平原北部NPP与水田扩张相关系数分布Fig.6 Correlation relationship between annual NPP and paddy expansion in northern Sanjiang Plain

分析显示，研究区NPP值多年变化与水田扩张速度和面积具有一定相关性。在整个研究区范围内，水田面积变化百分比公里网格均与NPP变化具有一定相关性，显著相关区域较多。具体表现为，全区域平均相关系数为0.24，相关系数在|R| 0.5像元占总像元数据55%，说明大部分区域存在明显正相关或负相关；相关系数在||R 0.1像元占总像元8.3%，仅有少数像元具有不明显相关性；其余像元具有中等相关性。结合相关性（见图6）和土地利用变化（见图1）可见，滨绥县，友谊县和富锦市西南部水田扩张与NPP呈显著正相关；而同江市、富锦市东北部，饶河县西北部显著负相关。从土地利用变化情况分析，水田扩张耕作对NPP变化趋势具有相反相关性主要原因是：绥滨县，友谊县和富锦市西南部水田主要来源为旱作耕地转换，相关学者研究表明水田NPP值高于旱地NPP值，这些区域对NPP变化存在正向影响；同江市、富锦市东北部、饶河县西北部水田主要来源为沼泽湿地、林地和高覆盖草地，水田扩张导致N PP局部下降呈负向相关。

3 讨论与结论

本文利用2000～2013年NPP数据及2000～2013年土地利用数据量化分析三江平原北部NPP动态变化特征。2000～2013年三江平原北部各市县年均NPP时间及空间变化特征表明，①NPP空间分布格局受气候主要因子控制，呈现由南向北递减趋势；②具有相同气候条件区位，例如饶河县、富锦市和绥滨县，由于主要植被类型生物特征形成NPP年积累量明显差异。饶河县森林植被是主要植被类型之一，年均NPP值高于其他同区位市县，说明植被类型对区域NPP值变化影响显著。

近14年三江平原北部NPP整体上呈缓慢上升趋势，利用最小二乘法可知，71.5%像元NPP表现为增加趋势，增加程度与年均NPP值有关，年均NPP较高区域如饶河县、宝清县等NPP值增加趋势相对明显，反之亦然。结合土地利用变化数据可见，同期耕地类型发生快速转变，旱地快速大面积转变为水田，沼泽湿地持续减少。相关研究表明农业耕作区NPP变化在很大程度上体现人类活动影响，人类频繁干扰降低气候环境对NPP影响程度[20]。研究区植被NPP波动变化受水田扩张影响。通过逐像元分析可进一步量化水田扩张与NPP值变化相关性，仅有8.3%像元二者之间相关性不明显，其余像元均为中等或高度相关。水田扩张对NPP值变化趋势影响为非单向性。

耕地动态特征是全球变化重要影响因子，旱地或其他土地利用类型向水田转变，改变下垫面物理基质，即水田有水耕作方式改变地表对光温反射及吸收特征；改变温室气体释放和消纳过程；水田作物植被属性影响该区域NPP值，而NPP值如前所述可表征研究区自然环境条件下生产能力和该区域特征农田生态系统质量。

由于NPP影响因子具有复杂性，特别是气候、土壤、植被和地形地带性非地带性控制，人类活动对NPP影响难以量化，多半以定性分析为主。耕地NPP值变化具有其特殊性，耕地独有土地利用属性弱化气候要素对NPP影响，为量化人类活动对NPP影响提供参考。NPP决定耕地植被固定大气CO2能力，因而可以表征土壤可获得有机碳含量。本文通过相关分析探讨耕地类型和耕作方式变化下NPP变化趋势及其与快速水田化相关性，未来可进一步探讨研究区快速水田化进程中对土壤有机碳及农业生态环境的干扰和影响；其空间相关性也可作为快速水田化反馈机制研究参考依据，探究土壤理化性质及局地气候变化对农田生产特别是对水田生产能力影响。

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Spatial-temporal variation characteristics of vegetation NPP of northern Sanjiang plain from 2000 to 2013/

LIU Xiaoguang1,NING Jing1,DONG
Fangchen1,YU Jie1,DU Guoming1,KUANG Wenhui2
(1.School of Resources and Environment, Northeast Agricultural University,Harbin 150030;China;2.Institute of Geographic Sciences and NaturalResources Research,CAS,Beijing 100101,China)

Using the least square method and pixel by pixel correlation analysis method, combined with the Sanjiang plain land use change data,this paper analysed the change of annual vegetation NPP in north of Sanjiang plain from 2000 to 2013,obtaining data about the change of NPP's trend,the paddy field expansion and the spatial correlation of NPP in the study area. The results showed that,being driven by rapid expansion of the paddy field in the northern area of Sanjiang plain,the value of NPP showed slow decline then rising volatility,and the overall trend of NPP showed a linear increase trend.The inter annual variation trend of NPP was obviously increasing,the basic rule for the annual NPP value of relatively low area,the increasing trend was weak,and vice verse.The expansion of paddy field and NPP value of the correlation analysis showed that from the dry land to paddy field area,expansion and change of paddy field NPP values have a positive correlation;the marsh and forest land turn into paddy field area,paddy field expansion and NPP had negative correlation.The study preliminaryproved that the method of farming was one of the most important factors influencing the change of NPP.

vegetation NPP;paddy expansion;Northern Sanjiang plain;variation characteristics

Q948

A

1005-9369（2017）07-0063-09

时间2017-7-12 11:20:06[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170712.1120.016.html

刘晓光,宁静,董芳辰,等.2000～2013年三江平原北部NPP变化特征分析[J].东北农业大学学报,2017,48(7):63-71.

Liu Xiaoguang,Ning Jing,Dong Fangchen,et al.Spatial-temporalvariation characteristics of vegetation NPP of northern Sanjiang plain from 2000 to 2013[J].Journalof Northeast Agricultural University,2017,48(7):63-71.(in Chinese with English abstract)

2017-06-07

国家自然基金项目（41571167）

刘晓光（1979-），男，实验师，硕士，研究方向为土地资源利用与生态修复研究，E-mail:lxgneau@163.com

*通讯作者：宁静，副教授，博士，硕士研究生导师，研究方向为3S技术及土地退化问题研究，E-mail:njing_today@163.com