2005-2014年南方农牧交错带净初级生产力时空分布特征

赵唯茜, 杜华明, 董廷旭, 胡利利

(绵阳师范学院 资源环境工程学院, 四川 绵阳 621000)

农牧交错带是我国一条重要的生态安全屏障带，也是对气候环境变化和人类活动影响反应最为敏感的区域[1]。其日益恶化的生态环境受到了政府和理论界的重视[2]。南方农牧交错带是我国农牧交错带的重要组成部分[2]，地处青藏高原与四川盆地、云贵高原的过渡地带，区域内不同植被生态系统在水平空间和垂直空间交错分布[3]。既是我国重要的生物多样性保护和水源涵养区[4]，又是长江中下游地区的重要生态安全屏障。因此区域内生态系统的改变，会对周边区域产生较大影响，从而对区域内生态系统变化的了解显得极为重要。净初级生产力可直接反映出生态系统的变化情况。

净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被通过光合作用所产生的有机质总量减去植被自养呼吸后的剩余部分，是生态系统中其他生物成员生存和繁衍的物质基础[5]。净初级生产力反映了植物群在自然条件下的生长状况和生产能力，是一个估算地球支持能力和评价陆地生态系统可持续发展的重要生态指标[6]。近年来我国学者对不同区域、不同尺度下植被NPP的研究工作相继展开[7-9]，但多数集中于某一行政区域内或单一自然地理单元内[10-14]。对于像农牧交错带这样的地理单元过渡带内的NPP研究较少。因此，借助遥感和地理信息技术，利用MODIS的遥感数据，对南方农牧交错带内整体和不同植被生态系统NPP的空间分布和时间变化进行分析，进而掌握南方农牧交错带内生态系统变化情况。以期望为南方农牧交错带内生态系统的有效保护和植被资源的有效管理与合理利用提供理论参考。

1 研究区概况

南方农牧交错带位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，处于我国第一阶梯和第二阶梯交界处，是青藏高原与四川盆地和云贵高原的过渡地带(图1)。交错带内整体地势高，地势起伏较大，地势高差较大。整体趋势东南低，西北高，平均海拔大于3 000 m。主要地貌表现为高山地貌和高原地貌。气候类型以高原山地温带、寒温带季风气候为主，夏季受东南季风和西南季风影响，降水丰沛，冬季受西北季风影响气候寒冷。区内河流水系分布较多，大体上呈“川”字形排列，多数江河自西北流向东南方向，主要江河有怒江、澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等。植被主要有云杉、冷杉、红杉等林地，以及高山灌丛和高山草甸等。行政区划上包括四川省的阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省迪庆藏族自治州。交错带内地广人稀，少数民族较多。由于自然、社会等客观因素的限制影响，致使经济发展相对缓慢。

2 数据来源以及研究方法

2.1 数据来源

文中所涉及到的遥感数据均来自美国宇航局(NASA)的MODIS产品(https:∥lpdaac.usgs.gov/)。植被NPP数据为MODIS版本6的MOD17A3H数据集，数据利用BIOME-BGC模型和光能利用率模型所建立的NPP估算模型，模拟得到全球生态系统的年NPP值。版本6的MOD17A3H与版本5.5的MOD17A3相比，使用了新的生物属性调查表(BPLUT)和新版的全球模型与融合室(GMAO)的日气象数据对NPP数值进行模拟，提高了NPP的估算精度，而且数据的空间分辨率提高到500 m×500 m。目前该数据已广泛应用于不同空间尺度下的NPP和碳循环研究中。本文中选取了2005—2014年共10 a的NPP数据进行分析。土地覆盖分类所使用的数据为MCD12Q1数据集，空间分辨率为500 m×500 m。该数据通过对Terra和Aqua两颗卫星1 a的观测数据进行处理后，根据国际生物圈计划分类标准，确定了17个土地覆盖类别。MCD12Q1数据集包含了5种不同的土地覆盖分类方案，分别为国际生物圈计划分类方案、美国马里兰大学分类方案、基于MODIS数据叶面积指数/光合有效辐射的分类方案、基于MODIS数据净初级生产力分类方案、植物功能型方案。本文土地覆盖类型分类方案选用国际生物圈计划的分类方案，对研究区域内土地覆盖分类进行提取。

图1南方农牧交错带区域分布

2.2 研究方法

研究区域跨度较大，涉及MODIS三景影像。因此在对数据提取和分析之前，使用MODIS重投影工具(MRT)对HDF格式的MOD17A3H数据集和MCD12Q1数据集进行波段提取、影像拼接，将影像投影坐标重新定义为WGS_1984_Albers投影，文件格式转换为TIF格式。应用ArcGIS对重投影后的影像进行研究区域的裁切，并对区域内数据进行提取、分析。

本文所涉及的植被NPP年际变化趋势分析处理方法主要有简单差值法和一元线性回归分析法，在像元的基础上，模拟研究区域内2005—2014年每个栅格像元植被NPP值的变化趋势。

简单差值法是对同一研究区域内，不同年份的影像进行相减，利用差值的大小来衡量在研究时间段内植被NPP值的变化程度和变化量。其计算公式为：

NPPminus=NPPt1-NPPt2

(1)

式中:NPPminus为两个不同年份带的NPP的差值；t1,t2为不同的年份。

一元线性回归分析法是在栅格数据的每个像元基础上，对研究区域内2005—2014年10年间每个像元NPP值的变化趋势进行模拟，从而揭示不同时期内NPP变化趋势的空间特征。其计算公式如下:

(2)

式中：θslope为研究区内NPP值的趋势线的斜率即线性倾向值；n为研究时间段内总年数，本文中n=10；i为年数变量，即i=1～n；NPPi为第i年的NPP的平均值。随时间i的增加θslope>0时，NPP处于上升趋势；反之，随时间i的增加θslope<0时，NPP值则处于下降趋势。θslope的大小反映了NPP上升或下降的速率，也就是其趋势线的倾斜程度。

10年间NPP的变化程度用百分比表示，其公式为：

(3)

式中:NPPchange为NPP值的变化百分比；θslope为由公式(2)计算得出的NPP斜率；NPPmean为10 a的平均NPP值；n为研究时间段内总年数，文中n=10。

3 结果与分析

3.1 年均植被NPP值空间分布特征

2005—2014年均植被NPP分布图(图2)可以看出，由于受到经纬度地带性、植被覆盖、气候、地形等因素的综合影响，2005—2014年植被NPP分布差异较大，整体呈自西北部向南、向东增多的趋势。大约在31°N线以北地区植被NPP自西向东逐渐增加，介于240～503 gC/(m2·a)之间。大约在29°～31°N，呈西北向东南逐渐增加的趋势，植被NPP值介于274～405 gC/(m2·a)之间。在29°N以南的地区，植被NPP自北向南大幅度增加，介于289～749 gC/(m2·a)之间。从行政区域划分来看，云南省泸水县、玉龙县、宁蒗县植被NPP最大，分别为748.72，712.13，671.84 gC/(m2·a)，3县均处于低纬高原季风区，受高原和高山峡谷地形的影响较大，降水量丰富，日照时间充足，拥有良好的植被生长条件。四川省德格县、甘孜县、理塘县NPP均值最小，分别为240.40，243.34，245.98 gC/(m2·a)，由于3个县处于青藏高原东部，受高原气候影响较大，境内气温低，冬长夏短，降水量较少，全年无霜期短，气候不利于植被生长。区域内河谷地带植被NPP值较高，沿河流呈带状分布。位于南部横断山脉的怒江、澜沧江、金沙江流域内河谷植被NPP高于位于北部大渡河、岷江河谷内植被NPP。

图2 2005-2014年南方农牧交错带年均植被NPP分布

3.2 植被NPP年际变化特征

2005—2014年南方农牧交错带年植被NPP变化范围为344～426 gC/(m2·a)，年均植被NPP为389 gC/(m2·a)。平均变化幅度为-0.48 gC/(m2·a)。植被NPP在2012年时最低，在2006年时植被NPP值最高。通过对2005—2014年南方农牧交错带内植被NPP的分级构成比例(图3)分析发现，南方农牧交错带年植被NPP主要分布在200～300 gC/(m2·a)，300～400 gC/(m2·a)范围内，分别占南方农牧交错带总面积的18.87%～26.21%和18.43%～26.83%。其次为100～200 gC/(m2·a)，400～500 gC/(m2·a)范围内，分别占南方农牧交错带总面积的7.12%～15.66%和9.67%～13.69%。再其次为500～600 gC/(m2·a)和>700 gC/(m2·a)区间，分别占南方农牧交错带总面积的7.83%～10.78%和4.91%～13.01%。植被NPP在600～700 gC/(m2·a)范围内所占土地面积最少，占南方农牧交错带总面积的5.7%～9.73%。

图3 2005-2014年南方农牧交错带平均植被

利用一元线性回归法分析得出南方农牧交错带平均植被NPP变化率(图4)。分析发现，南方农牧交错区10年间植被NPP减少的面积大于增加面积，植被NPP呈减少的面积占南方农牧交错带总面积的57.41%，呈增加趋势的面积占总面积的42.59%。其中减少0～15%的面积占总面积的47.88%，占南方农牧交错带土地面积最大，且在交错带内广泛分布。减少15%～30%的面积占总面积的8.56%，主要分布于南部贡山县、德钦县、得荣县、中甸县、木里县、稻城县的河谷地带和西部高原地区的白玉县、德格县、甘孜县、色达县和炉霍县；减少大于30%的面积占总面积的0.97%，主要在南部的河谷地带分和汶川县集中分布。增加0～15%的面积占总面积的34.41%，除西部高原的德格县、色达县、甘孜县、炉霍县、白玉县分布相对较少，在其他县域广泛分布；增加15%～30%的面积占南方农牧交错带总面积的6.98%，分布较多的区域主要在东部，主要包括九寨沟县、松潘县、黑水县、理县、小金县、金川县、丹巴县、道孚县、雅江县、康定县、九龙县、盐源县、宁蒗县、福贡县、泸水县；增加大于30%的面积占总面积的1.21%，在东部分布较多，主要包括松潘县、茂县、理县、汶川县、小金县、丹巴县、康定县、九龙县。

图4 2005-2014年南方农牧交错带植被NPP变化百分率

将本文研究时间段端点时间，即2005年和2014年的年植被NPP影像进行简单差值计算，得出10 a的植被NPP变化特征分布图(图5)，2014年与2005年相比平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。通过对图5分析发现，2014年与2005年相比，南方农牧交错带内植物NPP呈减少的面积占南方农牧交错带总面积的42.05%，植物NPP呈增长的面积占南方农牧交错带总面积的57.95%。其中，增幅大于80 gC/(m2·a)的地区占总面积的8.38%，主要分布在东北部的九寨沟县、松潘县、黑水县、茂县、汶川县、马尔康县、丹巴县，中部的雅江县以及南部的盐源县、宁蒗县、贡山县、维西县、福贡县、兰坪县、泸水县。增幅在40～80 gC/(m2·a)的地区占总面积的15.02%，在九寨沟县、松潘县、黑水县、茂县、理县、汶川县、马尔康县、小金县、金川县、丹巴县、道孚县、雅江县分布较多；增加在0～40 gC/(m2·a)的地区占总面积的34.56%，广泛分布于除福贡县和泸水县以外其他区域。减少0～40 gC/(m2·a)的地区占总面积的29.18%，在除九寨沟县、茂县、汶川县、马尔康县、金川县、丹巴县、雅江县、维西县、福贡县、泸水县之外的地区分布较多。减少40～80 gC/(m2·a)的地区占总面积的9.67%，在色达县、炉霍县、甘孜县、德格县、白玉县、巴塘县、乡城县、得荣县、德钦县、中甸县、木里县、盐源县、宁蒗县、丽江县分布广泛。减少大于80 gC/(m2·a)的地区占总面积的3.2%，主要分布在汶川县、色达县、康定县、德钦县、中甸县、木里县、丽江县、宁蒗县、盐源县。

图5 南方农牧交错带2014与2005年植被NPP差值

简单差值法虽然能够直接反映10年间南方农牧交错带内植被NPP的变化趋势，由于计算所涉及的数据是研究时间段端点数据之间的差异，因此得到的结果可能会受到极端天气影响[10]。因此本文选用一元线性回归和简单差值法对南方农牧交错带内植被NPP的变化趋势进行分析。

3.3 南方农牧交错带不同生态系统类型植被NPP化趋势

南方农牧交错带生态系统分为森林生态系统、草原生态系统、灌丛生态系统、湿地生态系统、农田生态系统。其中森林生态系统主要分布在南部横断山脉和河谷谷底。草地生态系统主要分布在西部高原地区，灌丛生态系统、农田生态系统等在区域内零星分布(图6)。

图6 南方农牧交错带土地利用类型

南方农牧交错带不同生态系统类型NPP变化趋势和变化幅度差异明显(表1)。森林生态系统年均植被NPP为558 gC/(m2·a),其中2011年森林生态系统植被NPP最高为608 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低为492 gC/(m2·a)。草地生态系统年均植被NPP为275 gC/(m2·a)，其中2006年草地生态系统植被NPP最高，为305 gC/(m2·a)，2012年草地生态系统植被NPP最低为244 gC/(m2·a)。农田生态系统年均植被NPP为500 gC/(m2·a),其中2006年农田生态系统植被NPP最高为536 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低为459 gC/(m2·a)。灌丛生态系统年均植被NPP为359 gC/(m2·a)，其中2009年灌丛生态系统植被NPP最高，为395 gC/(m2·a)，在2012年、2014年灌丛生态系统植被NPP最低为325 gC/(m2·a)。湿地年均植被NPP为326 gC/(m2·a)，其中2006年湿地生态系统植被NPP最高为357 gC/(m2·a)，在2010年湿地植被NPP最低为298 gC/(m2·a)。不同生态系统植被NPP均值表现为：森林生态系统>农田生态系统>灌丛生态系统>湿地生态系统>草地生态系统。

从图7中可以看出，南方农牧交错带内不同生态系统植被NPP变化相似，呈波动减少变化。其中灌丛植被的NPP下降趋势最大，平均变化幅度为-3.34 gC/(m2·a)。森林植被NPP下降趋势为-0.86 gC/(m2·a)，农田植被NPP下降趋势为-0.52 gC/(m2·a)，湿地植被NPP下降趋势为-0.32 gC/(m2·a)，草地植被NPP下降趋势最小，为-0.23 gC/(m2·a)。该地区不同植被类型NPP在2009年之后NPP波动变化幅度较大，可能与2009—2012年开始的川滇旱灾有关。

表1 2005-2014年南方农牧交错带不同生态系统植被NPP特征 gC/(m2·a)

图7 2004-2015年南方农牧交错带内

4 结 论

(1) 南方农牧交错带NPP总体上呈南部高北部底，东北部高，西部低的分布趋势。河谷地带分布较高。南部横断山脉是南方农牧交错带NPP最高的地区，植被NPP大于600 gC/(m2·a)。东北部有部分区域年均植被NPP也超过600 gC/(m2·a)。西北部高原地区年均植被NPP小于300 gC/(m2·a)，是该区域年均NPP最低的区域。而西北部是区域的高海拔分布区，东北部和南部是低海拔区域。

(2) 2005—2014年，南方农牧交错带植被NPP年变化范围为344～426 gC/(m2·a)，年平均植被NPP为470 gC/(m2·a)。南方农牧交错带年NPP在200～300 gC/(m2·a)区间分布最多，占南方农牧交错带总面积的26%。其次为300～400 gC/(m2·a)占23%。

(3) 2014年与2005年相比57.95%的区域为增长，平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。但是，2005—2014年，南方农牧交错带57%的区域植被NPP趋势呈略微减少。在10年间，48%的植被覆盖区域植被NPP减少了0～15%，为植被NPP变化分布最多的区间。34%植被覆盖区域植被NPP增加了0～15%。

(4) 南方农牧交错带不同生态系统平均植被NPP差异明显，森林生态系统植被NPP最高，变化范围为492～608 gC/(m2·a)；其次是农田生态系统，变化范围为459～536 gC/(m2·a)；灌丛生态系统变化范围为325～395 gC/(m2·a)；湿地生态系统变化范围为298～357 gC/(m2·a)；草地生态系统植被NPP最低，变化范围为275～305 gC/(m2·a)。