2000-2015年新疆伊犁河谷草地NPP时空变化特征
2018-10-12闫俊杰刘海军
闫俊杰,刘海军,赵 玉,崔 东,刘 影
(1.伊犁师范学 院生物与地理科学学院,新疆 伊宁 835000; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830011; 3.中国科学院大学,北京 100049)
随着全球变化问题研究的不断深入，植被与大气之间的相互作用过程逐步成为研究的热点[1]。草地占据陆表25%的面积[2]，是全球分布最为广泛植被类型[3]，在气候调节以及全球碳循环中起着重要作用[4]。净初级生产力(net primary production，NPP)代表了单位面积绿色植被在单位时间内通过光合作用所生产的有机物量扣除自养呼吸消耗后的剩余部[5]，它不仅反映了植被在自然环境下的生产能力，而且还是估算生态系统碳源/汇及判定生态系统功能状况的重要指标[6]，在全球气候变化背景下，研究草地植被NPP的时空变化特征，对掌握植被生态功能的演变规律及其对大气的反馈作用具有重要意义。
区域尺度上，估算模型与遥感数据相结合是目前NPP估算有效且被广泛采用的方法[7-8]。国内外学者根据自身需求和则重点，建立了多种NPP估算模型，如NPP-EMSC，GLOPEM 及CASA等光能利用率模型，以及TEM，BIOME-BGC等生态系统过程模型[9]，这些模型的建立为区域NPP量化研究奠定重要基础，并被广泛应用于不同尺度植被NPP的估算和动态监测[10-14]。起始于2000年的MODIS NPP时间序列数据是向全球公开发布的NPP成品数据，该数据基于BIOME-BGC模型及改进的CASA模型拟合制成[15]，包含在MODIS MOD17A3数据集内，目前已在全球不同区域NPP研究中得到验证和广泛应用[7,15-16]。
我国草地广泛分布，西北干旱与半干旱区是其重要分布区，但该区干旱少雨，生态环境脆弱，对环境变化响应敏感，长期以来其植被、气候等环境变化被广泛关注[17]。目前，已有相关学者对西北全区及内蒙古等区域NPP时空变化进行了相关研究[18-19]，但西北地区地域广阔，地形复杂，环境条件地域差异明显，以流域为单位，研究其NPP时空变化，对掌握西北地区草地生态NPP变化的空间分异特征具有重要意义。伊犁河谷位于新疆西北，祖国边陲，河谷内草地植被发育良好，分布高寒草甸、山地草甸、温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性荒漠及低平地草甸等多种草地植被类型[20]，且其东、南和北三面被高山包围，西临国界，是一个独立而完整流域，同时该区受气候变化和人类影响，河谷内草地退化逐步加剧，环境恶化问题日趋严重，是西北草地生态的典型代表。
基于此，本文以伊犁河谷为研究区，基于MODIS MOD17A3数据，借助于GIS空间分析技术，分析其NPP时空变化特征，以期探明该区草地NPP的演变规律及其空间分异，为草地生态问题的治理提供科学参考。
1 研究区概况
伊犁河谷位于80°09′42″—84°56′50″E，42°14′16″—44°53′30″N，地处我国西北边境，整个区域北、东、南三面环山，西临国界，构成一个独立的地域单元。河谷内高山、盆地及河谷平原相间分布，地形复杂，河流纵横。河谷气候属温带大陆性气候，但受地形影响，山区降水丰沛而气温偏低，平原降水稀少而气温偏高[21-22]，水热条件的空间差异及多样变化为植被的多样性发育提供了良好条件，河谷内草地植被发育良好，是河谷生态主体，广阔且优质的草地使伊犁河谷成为我国西北乃至全国重要的畜牧基地。然则，随着伊犁河谷畜牧业的发展，人类活动对草地生态的干扰也不断增强，相继出现草地生产力降低及毒害草蔓延[23]等方面的草地退化问题。
2 材料与方法
2.1 数据来源及预处理
本文用到的NPP数据来自MODIS MOD17A3数据集，其空间分辨率为1 000 m，时间分辨率为1 a，时间序列为2000—2015年。该数据是基于BIOME-BGC模型及改进的CASA模型拟合制成NPP日数据后，再进一步合成NPP年数据。草地植被类型分布数据是在中国科学院中国植被图编辑委员会绘制的中国1∶100万植被类型分布图的基础上，通过对伊犁河谷2015年6—9月Landsat 8 OLI影像的解译，剔除非草地类型后而获得，文章对该图中的草地类型进行了归类，划分为了高寒草甸、山地草甸、温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性荒漠和低平地草甸7个类型。DEM数据为美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合分布的SRTM数据，其空间分辨率为90 m。
对获得的草地植被类型矢量图进行了栅格化处理，考虑到矢量图中斑块边界特征及数据量的大小，在栅格化的过程中将像元大小设置为了250 m×250 m。对获得的NPP数据，除进行了镶嵌、转投影及研究区裁剪等操作外，为保证其与草地类型栅格数据的空间匹配，将其像元大小重采样为了250 m×250 m。
2.2 趋势分析
利用Mann-Kendall检验与Theil-Sen median趋势分析来判断NPP时间序列的变化趋势，并对其变化速率进行量化[24]。Mann-Kendall检验的计算方法为：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：NPPk和NPPi为样本时间序列；n为时间序列长度；sign为符号函数。当|Zc|>U1-α/2时，表明在α水平上时间序列变化趋势显著。若统计量Zc值为正，表示时间序列变化呈上升趋势，若统计量Zc值为负，则变化趋势为减少。
Theil-Sen median趋势分析用于对时间序列变化进行量化，表示单位时间内的变化量，其计算公式为：
(5)
式中：1
3 结果与分析
3.1 伊犁河谷NPP总体特征
利用2000—2015年16期草地NPP年空间分布数据，求出其多年平均数据，以多年平均数据来表示伊犁河谷草地NPP整体状况，并根据草地NPP空间分布及其直方图特征，对草地NPP进行等级划分(表1)，制作伊犁河谷草地NPP等级类型空间分布图(图1)，分析其空间分布特征。
伊犁河谷内，海拔及地形是影响水热资源配比及空间分布的重要因素，因而也是决定植被空间分布的重要因素。伊犁河谷草地NPP总体表现为山前洪积冲积扇区、低山丘陵区及高山区NPP相对较低[NPP<300 g C/(m2·a)]，而中山区及山间盆地NPP相对较高[NPP>300 g C/(m2·a)]。
根据表1中统计结果，伊犁河谷全区NPP多年平均值为272.99 g C/(m2·a)。各草地类型中山地草甸面积最大，其NPP也最高，为331.04 g C/(m2·a)，其NPP >200 g C/(m2·a)的面积占到全区草地面积的38.27%；其次为温性草甸草原，其NNP为310.65g C/(m2·a)，但面积较小，其NPP >200 g C/(m2·a)的面积仅占全区草地面积的5.63%；温性荒漠NPP最小，为144.14 g C/(m2·a)，其86.43%的区域NPP <200 g C/(m2·a)；剩余草地类型的NNP均介于200～300 g C/(m2·a)。
图1 2000-2015年伊犁河谷草地平均NPP空间分布
对于不同NPP等级，全区NPP介于300～400 g C/(m2·a)的面积比例最大，为38.03%，其面积的55.14%为山地草甸，空间上主要分布于昭苏盆地及其周围，以及河谷中部、南部和北部的中山区；其次为NPP介于200～300 g C/(m2·a)及100～200 g C/(m2·a)的等级，其比例分别为31.41%和20.73%，对于NPP介于200～300 g C/(m2·a)的等级，其面积的69.85%为高寒草甸和山地草甸，空间上主要分布在河谷东部及南部的高山区，而对于NPP介于100～200 g C/(m2·a)的等级，其面积的58.51%则为温性荒漠类和高寒草甸，空间上主要分布在巩乃斯河下游、特克斯河下游、喀什河下游以及伊犁河两侧的洪积冲积扇区和低山丘陵区，海拔较高的高山区也有部分分布；NPP>400 g C/(m2·a)的面积比例为6.34%，其面积的54.57%为山地草甸，空间上主要分布在昭苏盆地周围的中山区；NPP<100 g C/(m2·a)的面积比例最小，仅为3.48%，其面积的68.97%为温性荒漠，空间上主要分布在伊犁河南部洪积冲积扇的前缘区。
表1 伊犁河谷全区及不同草地类型NPP等级类型面积比例 %
3.2 伊犁河谷NPP变化趋势
借助于IDL8.5开发平台，分别计算2000—2015年伊犁河谷全区及各草地类型年NPP的空间平均值，并利用Mann-Kendall法与Theil-Sen median法来检验其变化趋势及量化其变化速率(图2—3，表2)。
图2 伊犁河谷全区草地NPP年际变化曲线
图2为伊犁河全区草地NPP的年际变化曲线，从图中可以看出，伊犁河谷草地NPP整体呈波动减少的变化趋势，于2003年、2007年及2013年出现大的峰值，于2008年及2014年出现大的谷值，最高值出现在2007年，值为299.48 g C/(m2·a)，最小值出现在2008年，值为227.92 g C/(m2·a)。根据表2中的检验结果，全草地NPP年际变化率为-0.94 g C/(m2·a)，变化呈减少趋势，但未到达显著水平。
图3为伊犁河谷7种不同草地类型NPP的年际变化图，从图中可以看出，除高寒草甸外，其余6种年际波动与全区的平均特征相似。变化趋势上，7种草地类型NPP年际变化均呈减少趋势，其中面积最大的山地草甸以及温性草原的减少趋势达到了显著水平(表2)，其余5种减少趋势均未通过显著检验。7种草地类型中，温性荒漠草原与温性草原NPP变化速率最大，分别为-2.33 g C/(m2·a)和-2.23 g C/(m2·a)，其次为山地草甸及低平地草甸，其变化速率分别为-1.98 g C/(m2·a)和-1.26 g C/(m2·a)，高寒草甸、温性荒漠及温性草甸草原NPP变化率相对较小，分别为-0.85 g C/(m2·a)，-0.67 g C/(m2·a)和-0.50 g C/(m2·a)。
表2 伊犁河谷全区及各草地类型NPP变化率及变化趋势
图3 伊犁河谷各草地类型NPP年际变化
3.3 伊犁河谷NPP变化的空间特征
对NPP进行逐像元计算，检验其变化趋势，计算其变化速率，获得伊犁河谷草地NPP Mann-Kendall检验统计量Zc值及年际变化速率β值空间分布数据，依据此数据，对其变化趋势及变化速率进行分类和划等，制作伊犁河谷草地NPP变化趋势及变化速率等级空间分布图(图4—5)。
从图4中可以看出，与上述分析相一致，伊犁河谷绝大部分区域草地变化呈减少趋势，空间上主要分布在河谷南部那拉提山以西区域，以及北部山前洪积冲积扇及低山丘陵区，全区草地NPP呈减少趋势的比例达到了73.95%，草地类型主要为山地草甸、温性草原及高寒草甸，其中山地草甸所占比例最高，达到了26.99%；但同时也应看到，NPP减少趋势达到显著水平的比例仅为13.52%，主要分布在特克斯河中游两侧的中山区及乌孙山北坡的部分区域。全区草地NPP呈增加趋势的比例为26.05%，但达到显著水平的比例仅为1.75%，空间上仅零星分布于河谷东部及伊犁河下游末端的平原区；未达到显著水平的比例为24.30%，主要为山地草甸和高寒草甸，空间上分布于河谷东部及北部的中山和高山区。
对于NPP变化率等级的空间分布，从图5可以看出，降低速率>1.0 g C/(m2·a)的区域占了很大比例，其比例为51.99%，草地类型上主要为山地草甸、温性草原及高寒草甸。对于NPP呈增加趋势的草地，其增加速率多介于0～2.5 g C/(m2·a)，面积占全区草地总面积的24.34%，草地类型主要属于山地草甸和高寒草甸；增加速率>2.5 g C/(m2·a)的草地占全区的比例仅为4.00%，空间上仅在河谷东部及西北部的中山区有所分布。而对于NPP有所降低的区域，其降低速率主要介于0～5.0 g C/(m2·a)，比例为全区的67.26%；NPP降低速率>5.0 g C/(m2·a)的比例仅为4.40%，空间上主要分布在NPP发生显著降低的区域内。
图5 伊犁河谷草地NPP变化率等级空间分布
4 讨 论
4.1 NPP变化速率与NPP大小关系
由上述分析可以看出，不仅各草地类型的NPP变化率不同，不同大小的NPP的变化速率也有所差异，因此基于伊犁河谷多年平均NPP及NPP变化速率的空间分布数据，制作NPP等级与NPP变化率等级矩阵表(表3)，分和讨论NPP变化速率与NPP大小关系。
NPP的减小速率随NPP的增加总体呈现逐步增大的变化特征，其中NPP>300 g C/(m2·a)段表现最为明显。各NPP等级中，等级为300～400 g C/(m2·a)的面积最大，同时也是NPP的减小速率最大的区域，根据表3中统计结果，其NPP呈减少趋势的面积比例占到总草地面积的29.30%，其中其NPP减小速率>5.0 g C/(m2·a)及介于2.5～5.0 g C/(m2·a)的比例分别占到全区草地总面积的2.89%和11.18%，远高于其他等级；同时，NPP等级为300～400 g C/(m2·a)且变化呈减少趋势的面积比例也占到草地总面积的20.17%，但其减小速率总体小于NPP等级为300～400 g C/(m2·a)的区域。此外，从表3中还可以看出在NPP<400 g C/(m2·a)的范围内，NPP呈减少趋势的各变化率等级的面积比例随NPP等级的增大也逐步增加，进一步验证了NPP减小速率随NPP的增大而增大的变化特征。
4.2 NPP变化的海拔分异
伊犁河谷植被垂直地带性特征明显，利用全区MED数据及NPP变化率数据，制作海拔带与NPP变化率等级矩阵表(表4)，分析和讨论NPP变化的海拔分异特征。
由表4可知，伊犁河谷绝大部海拔上的NPP均呈减少趋势，且不同海拔高度NPP变化率也存在一定差异，其中1 000～1 500 m及1 500～2 000 m两个海拔带内NPP减少最为明显，减少速度最大的海拔高度出现在1 500～2 000 m海拔带。1 500～2 000 m及1 000～1 500 m海拔带内的草地面积分别占到全区草地总面积的29.35%和19.88%，而其NPP呈减少趋势的面积比例也分别达到全区草地总面积的24.66%和18.11%，表明两个海拔带内分别有84.02%和91.10%草地的NPP发生减少。海拔升高到2 250 m后，NPP的平均变化率趋于平稳，其值也接近于0，这主要是因为NPP呈增加趋势的面积比例有了较大提高，根据表4中统计，2 000～3 500 m的3个海拔带内草地面积占全区草地总面积的42.54%，其中NPP呈增加趋势的草地面积占到全区草地总面积的18.39%，表明该海拔带内43.23%区域的草地NPP有所增加，尤其是2 000～2 500 m及2 500～3 000 m两个海拔带。
表3 伊犁河谷NPP等级与NPP变化率等级矩阵 %
表4 海拔带与NPP变化率等级矩阵 %
5 结 论
(1) 伊犁河谷全区草地NPP多年平均值为272.99 g C/(m2·a)，全区69.44%草地的NPP介于200～400 g C/(m2·a)，空间上分布于河谷北、东和南三面的中山和高山以及乌孙山和昭苏盆地，草地类型主要属于山地草甸、高寒草甸及温性草原；NPP <200 g C/(m2·a)的面积比例为24.21%，巩乃斯河下游至伊犁河处境口一线两侧的洪积冲积扇和低山丘陵是其集中分布区，类型以温性荒漠和高寒草甸居多；NPP >400 g C/(m2·a)的面积比例为6.34%，主要分布在乌孙山南麓及昭苏盆地周边，草地类型主要属于山地草甸。
(2) 就平均情况来看，伊犁河谷草地NPP整体呈现非显著的减少趋势，平均减少速率为0.94 g C/(m2·a)，各类型草地的NPP也均呈减少的变化趋势，但仅有面积最大的山地草甸以及温性草原的减少趋势达到了显著水平，减少速率以温性荒漠草原与温性草原为最大，分别为2.33 g C/(m2·a)，2.23 g C/(m2·a)，以及高寒草甸、温性荒漠及温性草甸草原为最小，其减小速率均<1 g C/(m2·a)。
(3) 空间上，伊犁河谷绝大部分区域草地NPP变化呈减少趋势，全区草地NPP呈减少趋势的比例达到了73.94%，草地类型以山地草甸、温性草原及高寒草甸为主，减小速率多介于1.0～5.0 g C/(m2·a)，空间上主要分布在河谷南部那拉提山以西区域，以及北部山前洪积冲积扇及低山丘陵区；NPP呈增加趋势的草地以山地草甸和高寒草甸为，增加速率多介于0～2.5 g C/(m2·a)，空间上主要分布在河谷东部及北部的中山和高山区。
(4) 对于NPP变化率随NPP的变化，NPP的减小速率总体随NPP的增加而逐步增大，但NPP介于300～400 g C/(m2·a)的平均减小速率最大。
(5) 而对于海拔分异，绝大部分海拔上的NPP呈减少趋势，而1 000～2 000 m海拔带内NPP减少最为明显，减少速度最大的海拔带为1 500～2 000 m，而NPP有所增加的草地多位于2 000～3 000 m海拔带内。
