内蒙古草地NPP时空变化格局及其与水热因子耦合关系

杨 晗, 周 伟, 石佩琪， 黄 露

(重庆交通大学 建筑与城市规划学院 地理与国土资源系, 重庆 400074)

草地是陆地生态系统中一个巨大的碳库，具有水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性保护等多种重要的生态功能[1-3]。植被净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)是指在单位时间内，单位面积的绿色植物所积累的有机物数量，即由植物光合作用固定的有机质总量(Gross primary productivity，GPP)中扣除自养呼吸(Autotrophic respiration，Ra)消耗掉的有机质后的剩余部分，它代表从空气中进入植被的纯碳量，是表征植被生理生态过程和陆地生态系统碳循环的关键参数[4]。

在NPP研究起步阶段，由于资料的欠缺和技术的落后，许多学者普遍选择以Miami模型[5]和Thornthwaite Memorial模型[6]等为代表的较为简单的统计学方法。在全球生物学计划(IBP)的推动下，国内外关于NPP的研究从理论、方法及模型的应用上得到了飞速发展。1985年日本学者提出Chikugo模型，该模型是植被生态生理学和统计学方法相结合的产物[7]；后来朱志辉[8]、周广胜[9-10]等在此基础上进行了改进。生态学过程模型包括TEM模型[11-12]、CENTURY模型[13]、BIOME-BGC模型[14-17]等，此类模型结合植被的生物学特征和生态系统的功能与动态变化，来模拟生态系统尺度上的植被生产力。CASA (Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型是基于光能利用率原理的过程模型[18]，且已得到全球1 900多个实测站点的校准，该模型在生态系统生产力模拟中得到了广泛应用。

内蒙古位于IGBP全球变化研究典型陆地样带中国东北陆地样带之内，是全球变化最为敏感的区域[19]，生态环境十分脆弱。近年来，又由于人类活动的干扰，内蒙古草地退化严重，草地生产力大幅降低，因此，准确地估算内蒙古草地净初级生产力NPP对于建设美丽中国和国家绿色生态屏障具有重要意义。本研究选取内蒙古作为研究区，在国内外相关研究成果的基础上，基于卫星遥感数据、地面气象观测数据及其他统计资料，利用CASA模型模拟内蒙古草地净初级生产力NPP，并结合气象数据来分析2001—2016年内蒙古草地NPP与水热因子的耦合关系。

1 研究区概况、数据来源与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区(37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E)位于中国北部边疆，由东北向西南方向倾斜伸展，整体呈狭长的带状分布，南北纵跨1 700 km，东西跨越2 400 km；幅员面积118.3万km2，约占中国土地总面积的12.3%。由于大部分地区都受到东亚季风的影响，形成以温带大陆性季风气候为主的复合型气候；地形多以高原为主，具有气温变化剧烈、冷热悬殊甚大、降水量少且不均匀等典型特征。

内蒙古草地总面积约为8 666.7万hm2，约占全区土地总面积的60%，占全国草地总面积的1/4以上，其中可利用草场面积6 818万hm2(图1)。内蒙古天然草原退牧还草工程于2002年开始试点，2003年正式启动。据监测显示，2015年内蒙古自治区草地覆盖度达43.8%，比2010年提高了6.7%，比2000年提高了13.8%；草原“三化”面积比2010年减少44.75万hm2，比2000年减少255.73万hm2，其中重度退化面积减少了203.2万hm2，退牧还草措施有效遏制了草原生态系统的总体恶化趋势。

图1 内蒙古草地分布

1.2 数据来源及预处理

1.2.1 MODIS NDVI数据 采用NASA的MODIS NDVI数据中的MOD13A1级数据产品，时间序列为2001—2016年，时间分辨率为16 d，空间分辨率为500 m×500 m。应用MODIS Reprojection Tools (MRT)软件对下载的数据进行格式转换与影像拼接。利用最大值合成法减少云、大气和太阳高度角等因素对NDVI影像的影响，使用ArcGIS 10.2软件对影像进行投影转换和裁剪，并统一采用WGS_1984地理坐标系统的Albers Equal-Area Conic投影。

1.2.2 气象数据 利用中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)提供的2001—2016年内蒙古及其周边94个标准气象站点的月平均温度、月总降水量及月总太阳辐射数据，并根据各气象站点的高程及经纬度信息，运用ArcGIS 10.2软件将各站点的气象数据进行Kriging空间插值，得到的栅格影像要与NDVI数据的投影系统和空间分辨率保持一致。

1.2.3 植被类型数据 本研究所需要的土地利用覆盖数据采用2001年、2008年、2013年的MCD12Q1产品，空间分辨率为500 m×500 m。MCD12Q1产品的IGBP分类法在全球范围内的分类精度达到74.8%，其中72.3%～77.4%的区域达到95%的置信区间[20]，IGBP分类系统下内蒙古地区各种主要土地覆盖类型的分类精度为：草地为66%，农田为58%，稀疏灌丛为85%，混交林为65%，荒漠为74.5%，城市为93%[21]。该数据产品采用IGBP分类标准将全球的土地覆被分成17种类型，本研究将其重分类为与NRED(中国科学院资源环境数据中心)分类标准相对应的6类，并将开放灌丛、草原、森林草原、稀树草原和永久湿地合并为草地。

1.3 研究方法

1.3.1 草地NPP的估算 CASA模型所估算的植被NPP可通过植被所吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)2个变量确定，其估算公式为：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)表示在t月份内x像元吸收的光合有效辐射(MJ/m2);ε(x,t)代表其对应的实际光能利用率(g C/MJ)。

(1) APAR的估算。光合有效辐射(PAR)是驱动植被进行光合作用的动力，植被所吸收的(APAR)取决于太阳总辐射与植被对入射的光合有效辐射的吸收比重，计量公式为：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中：APAR(x,t)表示在t月份内x像元的太阳总辐射(MJ/m2)；常数0.5表示由植被所吸收的APAR(400～700 nm)在太阳总辐射中的占比；FPAR(x,t)指的是植被对入射的光合有效辐射(PAR)的吸收比例。

(2) 光能转化率(ε)的估算。光能转化率(ε)主要受水热因子的限制，表示植被将其所吸收的光合有效辐射(PAR)转化为有机碳的效率，用公式(3)计算：

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：Tε1(x,t)表示在低温或高温时植被体内在的生化反应限制其光合作用的程度，从而影响植被NPP的大小；Tε2(x,t)表示环境温度从最适宜温度向高温或低温转化时逐渐降低植物光能转化率的趋势；Wε(x,t)表示植被所能利用的有效水分条件对光能转化率的影响；εmax(0.09～2.16)指的是植被在理想状态下的最大光能利用率，不同植被类型对应的取值有所不同。本文εmax的取值参照朱文泉等[22]的研究成果，其中草地的εmax模拟值为0.542 g C/MJ。CASA模型中；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)的具体运算过程也参考朱文泉[23]的研究结果。

1.3.2 CASA模型精度验证与参数评价分析 由于无法获得与遥感数据空间分辨率一致的大尺度范围的地面实测数据，但考虑到样方比较典型、数量较多且抽样时间比较一致，在一定程度上NPP的模拟值可以代表内蒙古草原实测净初级生产力。本研究利用2008年7月、8月份实测得到的30块内蒙古草原样地的生物量数据，根据马文红等[24]的相关研究，将内蒙古草原地上和地下生物量近似分配比取为1∶5.73，并根据碳转化率(0.475)计算得到草地实测NPP；再将CASA模型模拟得到的NPP与实测NPP在空间位置上一一对应，进行模型精度验证。样地选取时，需选择地势平坦且牧草生长较为均匀的地块，每个样地设置5个1 m×1 m的样方。齐地切割样地地上部分的牧草后，将其放至70℃的恒温烘箱内烘干至恒重后称取干重。模型精度验证结果(图2)显示内蒙古草地NPP的实测值与模拟值呈显著相关关系(R2=0.501，p<0.001)。

图2 内蒙古草地模拟NPP与实测NPP的对比

1.3.3 年际变化趋势计算 基于像元的一元线性回归分析，模拟2001—2016年内蒙古草地NPP的年际变化趋势，其计算公式为：

(4)

式中：θslope表示年际趋势变化率；n为监测年数(n=16)，NPPi表示第i年的草地NPP。若θslope为负，则表示草地NPP下降，反之则表示草地NPP上升。采用F检验对草地NPP的年际变化趋势进行显著性检验，并将其结果划分为6个变化等级。计算公式为：

(5)

1.3.4 与水热因子相关性的计算 运用基于栅格像元的空间分析方法，计算内蒙古草地NPP与水热因子的偏相关性，计算公式[25]如下：

(6)

式中：Rxy·z代表x，y，z变量间的偏相关系数；Rxy，Rxz，Ryz表示草地NPP与温度、降水量两两之间的简单相关系数。

采用t检验对草地NPP与水热因子的偏相关性进行检验，计算公式如下：

(7)

式中：n表示监测年数(n=16)。

2 结果与分析

2.1 草地NPP的空间分布格局

2001—2016年内蒙古草地NPP呈由东北至西南逐渐递减的总体分布格局(图3)，且具有明显的经向地带性和空间异质性，其中东北部草原NPP最大，中部典型草原NPP次之，西部荒漠草原NPP最低。研究区16 a来草地NPP平均值介于0.55～788 g C/m2之间，年际平均值为343.46 g C/(m2·a)；年均NPP主要集中在100～400 g C/m2之间，占内蒙古草地总面积的60%以上；年均NPP总量约为0.218 Pg C，16 a共计3.483 Pg C。

图3 2001-2016年内蒙古草地NPP平均空间分布

MCD12Q1产品采用IGBP分类系统将全球分成17种土地覆盖类型，本研究将开放灌丛、森林草原、稀树草原、草原和永久湿地合并为草地，各草地类型覆盖面积比例分别为2.06%，4.14%，0.71%，93.08%，0.01%。不同草地类型的多年平均NPP有较大差异，各草地类型年际平均NPP依次为167.95，583.49，592.73，334.73，514.04 g C/m2。其中草原NPP(334.73 g C/m2)与草地NPP的年际平均值最吻合，森林草原、稀树草原和永久湿地主要分布在东北部水热条件较好的地带，使得其草地生产力高于全区平均值。

2.2 草地NPP的时间变化特征

2001—2016年内蒙古草地NPP总体呈波动上升趋势(图4)，从2001年(293.46 g C/m2)到2016年(379.63 g C/m2)增加了86.17 g C/m2，增幅为29.36%；2011年(253.71 g C/m2)出现明显的波谷，2012—2014年出现明显回升，且内蒙古草地NPP于2012年达到最大值(410.05 g C/m2)。2011年与2012年内蒙古草地NPP差异最大，处于两个极端值，主要是因为2011年该区年均温最低仅3.1℃，且年总降水量(301 mm)也小于平均水平，总体水热条件较低；而2012年平均气温虽稍有上升，但年总降水量(441 mm)达到16 a最大，为内蒙古草原植被的生长提供了充沛有利的水分条件，因而使得2012年该区草地NPP达到最大值。16 a来全区草地NPP在呼伦贝尔草原区、大兴安岭北段西侧和松辽平原中部的森林草原区增长趋势最为明显；而西辽河平原草原区、大兴安岭南段草原区和内蒙古东部草原减少趋势最为明显。

图4 2001-2016年内蒙古草地NPP年际变化

利用趋势分析法对2001—2016年内蒙古草地NPP年际变化趋势进行分析(图5)，全区草地NPP年平均值在253.71～410.05 g C/m2之间波动，大部分地区草地NPP呈增长趋势，16 a平均增长率约为4.27 g C/(m2·a)。16 a草地NPP随时间变化趋势的显著性检验结果(图6)表明：草地NPP呈增长趋势的面积为68.69万km2，占内蒙古草地总面积的79.26%；其中呈不显著增加、显著增加和极显著增加的比例分别为58.60%，8.92%，11.74%；草地NPP呈减少趋势的面积为17.97万km2，占内蒙古草地总面积的20.74%，其中呈不显著减少、显著减少和极显著减少的比例分别为19.15%，0.92%，0.67%。

2.3 草地NPP与温度的耦合关系

16 a间内蒙古气温空间差异明显，年均温介于-3.50～9.89℃之间，且总体上呈现出由西南向东北方向逐渐递减的趋势(图7)。内蒙古草地NPP与年均温的偏相关系数为0.306，显著性检验结果表明内蒙古大部分地区草地NPP与年均温呈不显著相关关系。统计发现，全区草地NPP与年均温呈极显著正相关的草地面积为9.84万km2，占草地总面积的11.35%，主要分布于大兴安岭北段山地草原区、松辽平原东部山前台地和中部草原区；呈显著正相关的草地面积为9.23万km2，占草地总面积的10.65%。内蒙古草地NPP与年均温呈显著负相关和极显著负相关的草地共占0.013%，说明这两类地区草地NPP随年均温升高而降低。从显著性检验的分布结果(图8)可以看出，67.59万km2的草地NPP与年均温呈不显著相关，占全区草地总面积的77.99%，因此年均温并不是影响内蒙古草地NPP的主要气候因子。

图5 2001-2016年内蒙古草地NPP年际趋势变化

图6 2001-2016年内蒙古草地NPP显著性检验

2.4 与年总降水量的耦合关系

2001—2016年内蒙古草地生态系统年总降水量(图9)介于65.97～532.93 mm之间，年际平均值为329 mm。草地NPP与年总降水量的平均偏相关系数为0.622，显著性检验结果表明内蒙古大部分地区草地NPP与年总降水量呈显著正相关。统计发现，全区草地NPP与年总降水量呈极显著正相关的草地面积为44.65万km2，占草地总面积的51.52%，集中分布在松辽平原东部山前台地草原、中部森林草原和东北部的大兴安岭北段山地草原等湿润区(图10)；呈显著正相关的草地面积为19.44万km2，其比例为22.43%。呈极显著负相关和显著负相关的草地面积比例之和为0.035%；呈不显著相关的草地面积为22.55万km2，其比例为26.02%，主要集中在西辽河平原草原区、鄂尔多斯草原区等半干旱区。因此，降水量是影响内蒙古草地NPP的主要气候因子。

图8 内蒙古草地NPP与年均温的显著性关系

图9 2001-2016年内蒙古平均年总降水量

3 讨论与结论

3.1 讨 论

3.1.1 内蒙古草地NPP模拟结果对比 本研究利用基于光能利用率原理的CASA模型模拟内蒙古草地NPP，得到2001—2016年的内蒙古草地年际平均NPP为343.46 g C/(m2·a)。与以往研究对比发现，张峰等[26]对1982—2002年内蒙古典型草原的年平均NPP估算值为290.23 g C/(m2·a)；龙慧灵等[27]对1982—2006年内蒙古草原区NPP的估算平均值为299.8 g C/(m2·a)；穆少杰等[28]对2001—2010年内蒙古草地平均NPP的估算值为281.3 g C/(m2·a)。以上研究均利用CASA模型对内蒙古草地NPP进行模拟，但由于研究时段、模型参数设置、草地覆盖分类数据来源的差异，王国成[29]、穆少杰[28]等将内蒙古草地划分为草甸草原、典型草原和荒漠草原3类，西部荒漠也被划分为草地，而本研究将MCD12Q1产品重分类为与NRED(中国科学院资源环境数据中心)分类标准相对应的6类，其中内蒙古西北荒漠地区草地覆盖较少，使得草地NPP模拟结果的平均值高于以往研究结果。除此之外，模型中输入的气象栅格数据是利用气象站点的观测值通过Kriging空间插值得到的，空间插值过程会造成一定的偏差，也会影响区域植被NPP的估算精度。

图10 内蒙古草地NPP与年总降水量的显著性关系

3.1.2 水热因子对内蒙古草地NPP的影响 内蒙古东北部草原区降雨量充沛，年均温较高，草原植被长势较好；而西部荒漠区水热因子组合失衡，影响了草原植被的正常生长，引起牧草产量和质量下降，在一定程度上导致荒漠草原退化。内蒙古草地NPP与水热因子的耦合关系分析结果表明：内蒙古大部分地区草地NPP与年总降水量呈显著正相关，而与年均温呈无显著相关，表明降水量是内蒙古草地NPP的主要气候限制因子，导致草地NPP总体上也呈现出由东北至西南逐渐递减的空间分布格局。戴尔阜[30]、李刚[31]、赵军[32]等研究表明，合理的水热条件配置更有利于草原植被的生长，降水量是影响内蒙古草地净初级生产力的主要气候限制因子，而草地NPP与温度呈较弱的负相关。

3.2 结 论

在空间分布上，2001—2016年内蒙古草地NPP总体呈现由东北至西南逐渐递减的分布格局，且具有明显的经向地带性和空间异质性；草地年均NPP介于0.55～788 g C/m2之间，年际平均值为343.46 g C/(m2·a)，但主要集中在100～400 g C/m2，占内蒙古草地总面积的60%以上；草地年均NPP总量约为0.218 Pg C，16 a共计3.483 Pg C。在年际趋势变化上，16 a来内蒙古草地NPP总体呈波动上升趋势，从2001年(293.46 g C/m2)到2016年(379.63 g C/m2)增加了86.17 g C/m2，增幅为29.36%；全区草地NPP年平均值在253.71～410.05 g C/m2之间波动，大部分地区草地NPP呈增长趋势，16 a平均增长率约为4.27 g C/(m2·a)。

西部荒漠区与东北部草原区相比，水热条件明显失衡，导致草原植被无法正常生长，引起草原荒漠化甚至呈退化状态；而森林草原、稀树草原和永久湿地主要分布在东北部水热条件较好的地带，使得其草地生产力高于全区平均值。且内蒙古草地NPP在2011年(253.71 g C/m2)与2012年(410.05 g C/m2)处于两个极端值，分析其水热条件我们不难看出，在低温情况下，降水量的大小更容易影响内蒙古草原植被的生长。内蒙古草地NPP与年均温的偏相关系数为0.306，与年总降水量的偏相关系数为0.622；大部分地区草地NPP与年总降水量呈显著正相关关系，而与年均温无显著相关。因而对内蒙古草地NPP与水热因子耦合关系分析可以得到：降水量是影响内蒙古草地NPP的主要气候因子。