土地利用/覆被变化对鄂尔多斯市草地生态系统净初级生产力的影响

黄 露, 周 伟, 李浩然, 周富春, 杨 晗

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院 地理信息与国土资源系, 重庆 400074; 2.重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074)

陆地生态系统是重要的碳库之一[1]，在全球碳循环中发挥碳源/汇作用[2],其碳汇功能主要表现为碳的积累速率，碳源则体现在碳的排放强度上[3]。植被净初级生产力(net primary productivity， NPP)作为研究生态系统物质和能量的基础，是植物生化特性与外界环境共同作用的结果[4]，反映了植被固定光合产物并向生态系统，特别是土壤碳库输入碳素的能力[5]，是调节生态过程的主要因子，能够直接表征生态系统碳源/汇状况。Lieth[6]等建立了第一个全球NPP回归模型(Miami模型)，认为NPP是年平均气温和年降雨的函数。有研究[7]表明，中国陆地植被NPP由西北至东南依次递减，其变化主要受气候和人类活动等作用的影响。区域尺度上，学者分别对内蒙古草原[8]，新疆地区[9]，三江源区地区[10-12]，青藏高原[13-14]和西南等地区的植被NPP时空格局、变化规律以及其与影响[15-16]因素的相关性进行了研究。土地利用/覆被变化(land use and cover change， LUCC)能够显著改变地球表面覆盖状况，也是全球碳排放的重要因素[17]；LUCC同时影响着陆地生态系统对大气中CO2以及其他温室气体的吸收和排放[18]。

最早关于LUCC的研究主要集中于土地利用/覆盖类型的人工调查、分类与制图等方面。20世纪上半叶,随着工业化和城镇化的发展，土地利用/覆被变化的研究逐渐趋于科学化和系统化，并应用于经济、社会和地理等学科之中[19]。张希彪[20]以20世纪最后15 a陇东地区土地利用/覆被为研究对象，认为该区域人类活动和自然环境的变化是土地利用变化的基本驱动力，且提出水文状况是该地区土地利用变化的主导自然驱动因素。邹亚荣[21]的研究认为，青藏高原海拔的上升通过引起晚新生代北半球气候变化，促使中国北方气候干旱化和农牧交错区形成，并对东部草地变化产生影响。Houghton等人[22]研究表明，1850—2000年全球土地利用变化导致碳排放量达156 Gt，约占人为碳排放的33%。有研究[23-26]表明，自然干扰、土地利用状况以及人类活动等引起的地表变化决定了生态系统碳储量的大小，同时LUCC会直接影响到植被和土壤的固碳能力，进而影响到整个生态系统的碳源/汇功能[27]。DeFries等[28-29]早在1999年运用CASA模型模拟植被NPP，并分析LUCC对生态系统NPP变化的影响。Dong[30]和Hackler[31]等利用FAO土地利用/覆盖数据，采用二氧化碳定量还原方法，并对不同类型植被设置不同的参数，研究了土地利用变化状况及其与影响因素之间的关系。另外，陈广生等[32]在关于LUCC对陆地生态系统碳循环的影响研究中，得出不同土地利用/覆被变化格局会造成大小各异的碳释放，且不同区域的土地利用/覆被变化对生态系统碳交换格局的影响也不一致。然而，草地生态系统占陆地总面积的25%，超过3.00×108hm2，是全球陆地生态系统的主要类型之一，在全球碳循环中起着重要作用，并且大陆中纬度地区的草地是重要的碳汇，全球草地生态系统碳储量约为266.3 Pg，约占陆地生态系统碳储量的12.7%[33-34]。

研究草地碳循环机制，同时估算其碳贮量状况也是目前国际地圈—生物圈研究计划(IGBP)中碳循环研究的重要组成部分[35]。因此，系统分析草地的生态价值、草地植被在全球气候变化中的贡献，对于全球碳循环和碳收支平衡研究具有重要意义。然而目前深入地揭示LUCC对草地NPP变化的精细化定量化方面的研究还显不足。

为此，本研究选取内蒙古自治区鄂尔多斯市作为研究区域，该地区属于北温带半干旱大陆性气候区，对气候变化响应敏感；同时又是全国退耕还林、退牧还草生态工程的重点实施区域[30,36]，因此，利用遥感和GIS技术，基于模型模拟，针对该区域草地NPP时空格局以及对土地利用/覆被变化的响应机制进行探讨，研究结果可为退牧还草措施的高效实施和草地资源的合理管理提供重要的理论依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

鄂尔多斯市位于内蒙古自治区西南部，黄河中上游(106°42′—111°27′E，37°35′—40°51′N)。地势由南北向中部隆起，海拔高度1 400～1 700 m，自南而北带状分布的地貌类型有毛乌素沙地、准格尔东胜高平原、库布齐沙漠和黄河沿岸冲积平原。东、南、西与晋、陕、宁接壤，北及东北与草原钢城包头以及自治区首府呼和浩特隔河相望[37]。鄂尔多斯地处温带季风区西缘[38]，年均温度为6～8 ℃，1月均温-14～-8 ℃，7月均温22～24 ℃；年均降水量为150～500 mm，主要集中于7—9月。植被类型主要以旱生、沙生的半灌木为主[39]，从东南到西北方向，其植被依次划分为典型草原亚带、荒漠草原亚带和草原化荒漠亚带。

1.2 数据来源与处理

光能利用率(carnegie ames stanford approach, CASA)模型被广泛地应用于区域净初级生产力和土地利用变化对碳源/汇影响的估算之中，该模型是从植被机理出发建立的遥感参数模型，基本参数包含植被指数、土地覆被类型、土壤水分、地表温度和太阳辐射等[40-41]。数据来源及处理方法为：归一化植被指数(normalized difference vegetation index， NDVI)采用MODIS的MOD13 Q1数据，包括2001,2007,2015年这3个年份其空间分辨率为250 m×250 m，时间分辨率为16 d。利用最大值合成法，经过投影转换和裁剪等处理后得到3个年份植被NDVI数据[42]。2001,2007,2015年各月气象数据源于国家气象科学数据共享服务平台(http:∥data.cma.cn/)，月均气温和月总降水量选取内蒙古70个站点数据，月总太阳辐射数据来源于18个辐射站点，经过数据格式转换、空间插值、裁剪等操作后得到各月份气象数据。LUCC数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)，分别采用2000,2005,2015年(分别对应2001，2007，2015年NDVI数据)全国土地利用/覆被数据分辨率为1 km，并对其进行投影转换、裁剪等处理得到研究区3个年份的LUCC数据。该数据包括6个Ⅰ级分类：耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地、未利用地。为了数据的精确性和研究结果的科学性，需对所有数据统一分辨率，由于NDVI是CASA模型中的重要参数，对NPP模拟结果影响较大，且其分辨率为250 m×250 m，故以上NDVI数据、气象数据和LUCC数据均统一转换为250 m×250 m空间分辨率，投影坐标为WGS84_Albers。

1.3 研究方法

1.3.1 模型及原理 估算陆地生态系统NPP的模型有3种，即参数模型、统计模型和过程模型。本文基于已有的CASA模型[43]，结合中国科学院土地利用/土地覆被分类标准，对研究区域耕地、林地、草地等NPP进行核算。该模型主要由气象数据和植被NDVI数据等作为基本参数，结合植被吸收光合作用的有效辐射、温度胁迫系数、水分胁迫系数和最大光能利用率等参数对植被NPP进行核算[33,44-46]。其中植被NPP主要由植被所吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(E)决定。

NPP(x,t)=APAR(x,t)-E(x,t)

式中:APAR(x,t)——像元x在t月份吸收的光合有效辐射(MJ/m2/月)；E(x,t)——像元x在t月份的实际光能利用率(g/MJ)。

APAR(x,t)=SOL(x,t)·FPAR(x,t)×0.5

式中：SOL(x,t)——像元x在t月份吸收的太阳总辐射量(MJ/m2/月)； FPAR(x,t)——植被层对入射光合有效辐射的吸收比例； 0.5——植被所能利用的太阳有效辐射占太阳总辐射的比例。

光能利用率是指植被把所吸收的光合有效辐射(PAR)转化为有机碳的效率。在理想条件下，通常认为植被具有最大光能利用率，但是在实际情况中，真实最大光能利用率E(x,t)还受气温和降水的影响，具体计算公式为：

E(x,t)=TE1(x,t)·TE2(x,t)·WE(x,t)·Emax

式中：TE1(x,t)——指高温对光能利用率的胁迫作用；TE2(x,t)——低温对光能利用率的胁迫作用;WE(x,t)——水分胁迫系数，它主要表示核算的NPP受水分状况的影响程度；Emax——理想条件下的最大光能利用率(g/MJ)。

温度、水分等胁迫因子计算过程参照前人[47]的研究结果。最大光能利用率的取值随着植被类型的不同而有差异，本文参考朱文泉等[43,47]模拟出的中国典型植被最大光能利用率取值，其中耕地、草地、水域和城乡工矿居民用地以及未利用土地，光能利用率的取值为0.542 g/MJ；并选取全球公认值0.389 g/MJ作为林地的最大光能利用率。

1.3.2 精度验证 利用2008年7—8月在鄂尔多斯地区实测得到的11个草地样方生物量数据，根据马文红等[48]对内蒙古草地地上和地下生物量分配比例的研究，将其换算成草地植被地上、地下植被生产力，得到草地实测NPP数据，并进行模型精度验证。图1为草地NPP模型模拟值和样本实测值的相关性分析结果，R2=0.9168(p<0.001)，结果表明，模型模拟精度高，该模型可以应用在鄂尔多斯草地NPP的模拟中。

图1 NPP模拟值与实测值检验散点分布

2 结果分析

2.1 NPP时空格局分析

2.1.1 草地NPP空间分布特征分析 鄂尔多斯市草地NPP在空间上呈现明显的地域差异性(附图1)，NPP值自东南向西北递减，分析原因主要是植被生长水分条件的影响，由于降水和蒸散发的综合作用使得水分状况出现自东南向西北递减的规律[8]。同时NPP的空间分布上表现出明显的经度地带性，以2015年最为显著：107°E附近，NPP介于1～50 g/m2之间，109°E附近NPP在100～150 g/m2，110°E附近数值最大，NPP介于200～500 g/m2。

2.1.2 草地NPP时间变化特征分析 由附图2可以看出，研究区草地NPP总量逐年上升，2001年为5 700.16 Tg，2007年为6 528.71 Tg，2015年为7 634.61 Tg，15 a间草地NPP总增加量为1 934.46 Tg。草地NPP年平均值在2001年〔107.49 g/(m2·a)〕，2007年〔125.86 g/(m2·a)〕,2015年〔146.14 g/(m2·a)〕也逐年增加。这可能是由于：一方面，退牧还草工程等促进草地面积增加，最终带来草地NPP的增加[49]；另一方面，气候的暖湿化使得草地固碳能力增强[50]，统计表明，在这15 a间，鄂尔多斯大部分地区的草地NPP呈现增长趋势，年增长率为3 g/(m2·a)。草地在全球碳循环中占有重要的作用，在鄂尔多斯地区，草地分布最广。若只考虑土地利用变化，2001—2007年草地生态系统NPP减少的总量为112.16 Tg；2007—2015年总增加量为47.20 Tg。2001—2007年，鄂尔多斯西部地区草地NPP普遍增加；但在东南部大部分地区草地NPP减少；东北部地区变化情况不稳定，有增有减。原因可能是西部及北部地区分布着大量的油蒿、禾草和冷蒿等植被[51]，这类植被生长较为旺盛，同时对碳的固定能力较强。2007—2015年草地NPP的空间变化特征与2001—2007年相反，东部地区草地NPP普遍增加，变化范围在123～365 g/m2之间，其原因可能是气候的大规模不规则变化[50]和生态恢复工程的政策影响等。

2.2 LUCC状况分析

将3个代表年份的土地利用类型面积进行统计分析,得到土地利用/覆被面积变化的转移矩阵(表1—2)。由表1可知，2001—2007年，草地类型保持不变的面积为51 264.81 km2，占比96.67%；耕地和林地转为草地的面积分别为119.06，92.50 km2；未利用地恢复为草地的面积为338.81 km2。但与此同时，也有大量草地退化为未利用地，面积达1 135.50 km2，转化率为2.14%；草地转化为耕地和林地的面积为214.19，302.25 km2；草地转化为水域和城乡工矿居民用地的面积分别为34.56和76.88 km2，草地与其他土地类型相互转移共导致草地净减少1 154.51 km2。由表2可知，2007—2015年，没有发生类型变化的草地面积为51 167.50 km2，占草地总面积的98.65%。耕地、林地、未利用地转化为草地的面积分别为73.94，91.00，851.56 km2。草地向林地和城乡工矿居民用地转化的面积分别为151.06和434.88 km2，转为水域和未利用地的面积仅为40.75和76.00 km2。15 a间，草地未发生变化的面积为51 167.50 km2，但其他类型转化为草地的总面积为1 683.18 km2，相反，草地转为其他土地类型面积为2 466.07 km2。

2.3 LUCC对草地NPP影响分析

2.3.1 未发生土地利用类型变化区域的NPP分析 在两个研究时段内，在土地利用类型未发生变化的地区，草地的NPP数值均有所增加，2001—2007年总增加量为940.73 Tg，2007—2015年草地NPP总量增加了1 058.70 Tg。在草地未发生类型变化的地区，土地利用方式的改善和气候条件的变化都会成为该区域碳储量增加的重要原因。

表1 鄂尔多斯市2001-2007年土地利用类型面积转移矩阵 km2

表2 鄂尔多斯市2007-2015年土地利用类型面积转移矩阵 km2

2.3.2 土地利用类型变化对草地NPP影响分析 研究区域LUCC变化及其带来的草地NPP变化情况空间分布如图2—3所示。土地利用/覆被变化对草地NPP的影响主要表现在草地转为其他用地类型的减少和其他类型土地转为草地的增加上。2001—2007年，由于草地转为其他土地类型共导致NPP总量减少205.53 Tg，其中转化为耕地、林地减少量分别为35.08和46.79 Tg，转化为水域和城乡工矿居民用地时草地NPP的减少量分别为5.46和9.31 Tg，转化为未利用地时的减少量为108.88 Tg，占总减少量的52.98%。2007—2015年，草地转化为其他类型土地所引起的NPP总减少量为98.45 Tg，其中转化为林地和水域时的减少量为23.03和5.21 Tg，转化为城乡工矿居民用地的减少量为60.82 Tg，占减少量的62%；转化为未利用地时草地NPP减少量为9.40 Tg。草地转化为水域、城乡工矿居民用地时，大量植被被毁，土壤碳储量降低，草地NPP减小。草地转化为耕地、林地时，虽然其转化之后该地区仍然有植被存在，但不同植被类型其生产力不同，并对生态系统结构和功能的影响也不同。

注：图中数字表示土地利用/覆被类型变化，两位序号代表前者转为后者，如13代表耕地转为草地。

2001—2007年，由于其他土地类型转化为草地导致草地NPP的增量为93.37 Tg C，其中由耕地、林地、水域、未利用地转化为草地使草地NPP增加量分别增量分别为21.56，14.89，9.53，47.10 Tg。2007—2015年，其他类型土地转化为草地所带来的草地NPP总增加量为145.65 Tg，其中耕地、林地向草地的转化共带来草地NPP增加量为14.74，16.50 Tg。由未利用地恢复为草地共导致草地NPP增加104.28 Tg，占总增加量的72.60%，未利用地转化为草地，提高了草地生态系统的碳物质储量，这一土地利用类型的转化成为草地NPP增加的重要原因[52-53]。然而草地、耕地、林地都覆盖有较高的绿色植被，都具有较强的固碳能力[54]，因此它们之间的相互转化时仅伴随有较少的碳交换。

图3 研究区2001-2007年和2007-2015年LUCC对应草地NPP变化

3 结 论

(1) 2001—2015年草地NPP时空差异较大，空间分布上草地NPP呈现出自西向东逐渐增大的趋势，数值波动在1.63～495.32 g/(m2·a)之间；草地NPP平均值逐年增加，增加量达到38.65 g/m2；总量年增长为128.96 Tg/a。

(2) 2001—2015年土地利用/覆被变化明显。未发生变化草地面积为51 167.50 km2；耕地持续减少，其中转为草地的面积为193 km2；1 190.37 km2的未利用地转为草地；草地转出为未利用地面积最多，为1 211.50 km2，占原有草地总面积的2.29%。

(3) LUCC对草地NPP影响较大，未利用地的重新利用以及耕地和林地向草地的转化使草地NPP增加，草地碳汇总量增加。草地向未利用地的转化是草地碳损失最大的方式，总量为118.28 Tg，占总损失量的38.91%。草地向水域和城乡工矿居民用地的转化，导致大量的碳损失，总损失量达到139.94 Tg，这使得草地生态系统碳汇能力减弱。