宁夏罗山地区2004-2015年NPP时空变化及气候响应

王夏冰, 马 超,2, 陈登魁, 刘 畅

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000;2.河南理工大学 矿山空间信息国家测绘与地理信息局重点实验室, 河南 焦作 454000)

干旱区覆盖约40%的地球陆地表面积，其净初级生产力约占全球植被净初级生产力总量的40%，对全球气候变化和生态系统具有重要的调节作用[1]。中国西北干旱区地处中纬度地带的欧亚大陆腹地，包括内蒙古西部、甘肃西北部以及黄河宁夏段以西的宁夏回族自治区等地区，是对全球气候变化响应最敏感的地区之一[2-3]。宁夏回族自治区罗山国家级自然保护区位于毛乌素沙漠南缘，地处宁夏中部干旱带和经济贫困带，鄂尔多斯高原西部与黄土高原北部的衔接地带，是当地唯一的水源涵养林，是维系着周边近20多万回汉人民生产生活及十几万只家畜的生命水源区[4-7]。由于其独特的地理位置、自然条件和地形地貌，作为干旱带上的森林生态系统和动植物群落，具有脆弱性、孑遗性和稀有性[8]。罗山保护区脆弱的生态环境在某种程度上增强了对气候变化的敏感性，是全球气候变化的“指示器”。植被作为干旱区敏感的环境因素，植被覆盖变化的研究已成为揭示干旱区自然环境变化及其规律的重要手段[9-10]。植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)是指绿色植物在单位时间单位面积上所积累的有机物数量，是由光合作用所产生的有机物总量(gross primary productivity, GPP)扣除自养呼吸(autotrophic respiration, RA)后的剩余部分[11]。NPP表示植物光合作用产物固定和转化的效率，直接反映植物在自然环境条件下的生产能力，是评价生态系统结构与功能协调及生物圈人口承载力状况指标[12]。随着全球变化研究的不断深入，植被净初级生产力在研究全球变化对生态系统的影响、响应和对策中，成为一项不可缺少的指标及核心内容[13]。研究区文献调研发现，过去的研究大多关注保护区内动植物资源的抢救性保护、水资源利用现状分析等，而没有将保护区的植被生物量变化同气候变化、人类活动等因素相结合，获得区域生态演化规律。本文拟采用MODIS NPP数据集，利用研究区内NPP总量变化，核心区、非核心区NPP总量变化，研究区生态剖面的结构变化，分析12 a植被生物量变化趋势与人口增长、气候变化的响应关系。旨在揭示罗山保护区植被演变规律及其与气候变化的相关性，以期为宁夏回族自治区及其周边生态环境的保护提供科学依据。

1 研究区与研究数据

1.1 研究区

罗山是宁夏回族自治区中部干旱带中一片自然孑遗的天然次生林区，位于宁夏回族集中的国家贫困县同心县和全国最大的生态移民开发区红寺堡交界区域[14]。由于地理位置的特殊性和生态系统的脆弱性[15]，早在1950年便将罗山确立为自然保护区，1980年被确定为国家水源涵养林区，1982年7月1日建立省级罗山自然保护区，2002年经国务院审批升级为国家级自然保护区(编号：宁05)[16-17]。地理坐标为37°11′—37°25′N,东经106°04′—106°24′E，南北长36 km，东西宽18 km，海拔为1 560～2 624.5 m，研究区总面积337.10 km2(其中核心区96.45 km2，占总面积的28.61%，缓冲区87.87 km2，占总面积的26.07%，试验区152.78 km2，占总面积的45.32%)[18]。罗山介于贺兰山和六盘山中间地带，山顶浑圆，山坡陡峭，地表受流水切割十分破碎，黄土岩石大部分裸露。山间溪流多干涸，冲刷沟壑纵横，森林植被具有典型的过渡性、稀有性和自然性[19-20]。四周被荒漠所围,有“荒漠翡翠”的美誉,是研究荒漠地带森林生态系统的天然实验室。研究区年平均气温8.8 ℃，无霜期130～150 d，年平均降水量261.8 mm，年平均蒸发量2 467.3 mm，是降水量的9.4倍，年平均相对湿度49%[21]。罗山自然保护区处于干旱、半干旱荒漠过渡地带，属荒漠区域内森林生态系统类型的自然保护区。主要保护对象为以青海云杉、油松为代表的荒漠区域典型森林生态系统[21-23]。

1.2 研究数据

本研究所选用数据和资料包括：2004—2015年MOD17 A3 H NPP数据(http:∥www.usgs.gov)，分辨率为500 m；数字高程模型数据：90 m水平分辨率，1 m垂直分辨率航天飞机雷达地形测绘使命数字高程模型(SRTM3 DEM，v4.0：ftp:∥e0 mss21 u.ecs.nasa.gov/srtm/)；此外还有1999年1∶25万居民地、行政区划等基础地理信息；2004—2015年的中国气象科学数据库中的全国气象资料(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)。

MOD17A3H NPP是基于MODIS/TERRA卫星遥感参数，通过BIOME-BGC模型计算出全球陆地植被净初级生产力年际变化数据集，目前已在不同区域的植被生长状况、生物量估算、环境监测和全球变化等研究中得到验证和广泛应用[24]。

2 结果分析

2.1 植被NPP分类提取

针对获取的NPP数据，进行MRT转换、研究区裁剪、掩膜、密度分割等操作，获得该区域时间跨度为12 a(2004—2015年)NPP图像12期(图1)。依据罗山自然保护区主要植被类型[23]，对数据进行密度分割，森林、灌丛或耕地、荒漠草原、荒漠，分别对应NPP g/(m2·a)阈值(350,500]，(250,350]，(150,250]，[50,150]。

2.2 NPP时间变化特征

2004—2015年宁夏自治区罗山自然保护区植被净初级生产力(NPP)统计值(表1)。研究区设置了以封山育林边界围栏为界限的核心区和非核心区。由表1可知，NPP值呈波动增加趋势，非核心区面积是核心区面积的2.6倍，非核心区NPP之和约是核心区的2倍。

研究区内NPP在[50,150)内的荒漠面积占比呈现波动性减少趋势，由2004年面积占比78.94%减少到2015年的58.65%，在12 a间最大变幅达61.72%；荒漠草原由17.95%增加至36.25%，12 a最大变幅为45.24%；耕地或灌丛面积增加1.99%，而森林面积除2012年以外，所占面积不足1%。可见，罗山典型森林生态系统的保护与改善仍任重道远。

表1 罗山自然保护区植被净初级生产力(NPP)统计

植被NPP随时间变化趋势(图2)。2004—2015年受“天保”工程Ⅰ，Ⅱ期、封山育林、人工造林等措施的影响，研究区年植被NPP呈明显的波动性增长趋势。核心区、非核心区以及研究区内的NPP之和的波动趋势一致，2004，2007，2010，2012年以及2014年NPP值较高，2005，2009年以及2015年NPP值较低，最高值出现在2012年，最低值出现在2005年。2004年9月—2005年11月，宁夏发生了历史罕见的旱灾，温度持续升高，大部分区域降水只有199.9 mm，成为历史上仅次于1982年(192.4 mm)的第二低值年，此次旱灾可能是导致2005年的NPP成为研究期内最小值的原因之一。而2012年宁夏地区中部降雨量创气象记录新高，各地温度平均偏高，温度和降水的双重作用使得2012年NPP值最高[25-27]。

3个区域NPP增加速率有较大差别，即，研究区>非核心区>核心区(图2)，易见研究区的增长率有64.7%是非核心区的贡献，而非核心区的增长率主要来源于红寺堡移民区开垦的耕地。

图1 研究区时间序列NPP密度分割结果

注：y1=0.026 9x+0.356 7，R2=0.633 6；y1=0.049 1x+0.745 9，R2=0.609 9；y3=0.076 0x+1.102 6，R2=0.622 5。

图2研究区、核心区、非核心区NPP之和变化趋势

2.3 NPP空间变化特征

为清晰地显示植被的位置及其林线变化情况，以研究区内大罗山山顶一点(东经106°14′48.81″，北纬37°18′25.47″)为原点，进行剖面分析(即W-E剖面、N-S剖面)(附图9)。 ①在2004—2009年W-E剖面上基带植被为荒漠，面积为276.32 km2，占研究区总面积的81.97%，2010—2015年荒漠逐渐减少，出现荒漠草原与荒漠并重的局面，两者分别占总面积的42.57%和47.83%，且研究区东部耕地徒然增加，西部由于人工造林的原因植被NPP值增加明显，其中2012年反差最为强烈；2015年由于气候原因，图2中2015年NPP分布状况再次出现与2011年相似的情形；森林的NPP值在2004—2011年持续低迷，2012—2015年迅速增加，2012—2015年森林总面积是2004—2011年的9.3倍，大罗山区域的森林生产力有所改善，但2015年大罗山区域荒漠草原的面积再度出现退缩趋势。 ②2004—2015年N-S剖面上的基带植被由以荒漠为主逐步演替为荒漠草原、耕地、荒漠三者并重的局面。2009—2015年剖面线上大罗山南部(小罗山方向)几乎由荒漠草原所覆盖，荒漠草原的边际线相较于2004—2009年扩张了近40个像素(约20 km)，在剖面线以外，2009—2011年小罗山方向荒漠草原的扩张并不明显，2011—2014年大罗山南部(W-E剖面以南)区域几乎由荒漠草原所覆盖，2015年其面积急剧缩减。结合表1可知，2012—2015年红寺堡方向(大罗山北部)由于人口的迁入，耕地增加明显，其中2012年耕地面积是2011年的近4.9倍；荒漠草原所占面积有所减少；大罗山山顶森林的林线〔NPP>350 g/(m2·a)〕继2004年开始显现之后，在2012—2015年逐渐扩大，森林的面积和质量相较于2004—2012年均有所改善。

2.4 NPP与气候变化的关系

分析和研究植被与气候因子间的相互关系，是植被生态学的主要任务之一。国内外学者大量研究了不同空间尺度上植被覆盖季节变化与气候因子的特征，研究表明，气温和降雨量是影响植被覆盖的最根本的因素[28]。通过对研究区周边中宁县、同心县2个站点12 a(2004—2015年)的气象信息进行分析、提取，获得以大、小罗山为中心的年均气温和降水的气候数据及其变化趋势。有研究表明，2000—2010年宁夏整体温度呈波动上升趋势，增温速率为0.2 ℃/10 a，相比于20世纪以前，增温速率有所下降；降水量呈波动下降趋势，且波动较大，下降速率为34.0 mm/10 a，空间分布呈现“南多北少”的格局，雨量带明显向南移动[27]。

2.4.1 核心区NPP与气候变化之间的关系

①如图3所示，核心区NPP之和与年均温度在研究期间保持波动上升趋势，利用SPSS相关性分析得到两者之间的相关性系数R=0.275，置信度p=0.396。核心区NPP之和在2004，2010，2012年以及2014年较高，2005，2011，2015年较低，这与研究区NPP之和的整体趋势相符；最高值出现在2012年，是7.3×107Pg/a；最低值出现在2005年，是3.4×107Pg/a。在2004—2015年期间，2006，2009，2010年以及2013年年均温度较高，最高值出现在2013年，是11.25 ℃；2008，2012年温度较低，最低值出现在2008年，是9.4 ℃。

②如图3所示，核心区NPP之和与年均降水在2004—2015年保持波动上升趋势，两者之间保持高度的相关性(R=0.609，p=0.036)。在2004—2015年期间，2007，2012，2014年降水量较高，最高值出现在2014年，是347.55 mm；2005，2008，2009，2013年以及2015年降水量相对较低，最低值出现在2005年，是98.95 mm。

③核心区NPP之和与降水保持较高的相关性；与温度不相关，在研究区内降水对植被NPP的影响占据主导地位。

2.4.2 非核心区NPP与气候变化之间的关系 如图4所示，非核心区NPP之和与年均温度、降水在2004—2015年保持波动上升趋势，其与年均温度的相关性系数及置信度与核心区相同，与年均降水的相关性系数R=0.647，置信度p=0.023。

非核心区NPP之和的高值区和低值区的变化趋势与核心区基本相同，但总体值域高于核心区，最高值出现在2014年，其值为1.42×108Pg/a，最低值出现在2005年，其值为7.20×107Pg/a，略低于核心区最高值。

核心区NPP—气温变化趋势 核心区NPP—降水变化趋势

图3核心区气温、降水(2004-2015年)变化趋势

非核心区NPP—气温变化趋势 非核心区NPP—降水变化趋势

图4非核心区气温、降水(2000-2015年)变化趋势

3 结 论

(1) 气候变化与研究区植被NPP具有高度相关性。相对于温度而言，降水对研究区内NPP的影响占据主导地位；核心区内NPP值与降水的相关系数、置信度分别为R=0.609，p=0.036；非核心区为R=0.647，p=0.023。

(2) 植被NPP时间变化趋势。研究区内NPP以0.076 Pg/a的速率波动性增长，高于全国植被NPP增长率0.008 Pg/a；研究区内荒漠区面积占比由2004年的78.94%下降到2015年的58.65%；荒漠草原由17.95%上升至36.25%；耕地或灌丛由2.89%增加到4.88%；除2012年以外，森林占比不超过1%。罗山国家级自然保护区的主要保护对像是以青海云杉、油松为代表的荒漠区域典型森林生态系统，其森林生态状况不容乐观。

(3) 植被NPP空间变化趋势。非核心区面积是核心区面积的2.6倍，NPP之和约是核心区的2倍；由于当地政府生态和环保政策的深入人心，大罗山整体植被NPP值呈增加趋势，小罗山由荒漠向荒漠草原过渡，2011—2015年大罗山东部及北部耕地增加迅速，生态工程效果显著，人类活动因素对生态环境影响巨大。