新疆博尔塔拉-精河流域植被净初级生产力变化及其与主要气候因子的关系

赵 鹏， 于瑞德， 陈 桃， 郭艳飞， 吴燕良

(1. 中国科学院新疆生态与地理研究所： a. 干旱区环境演变实验室， b. 荒漠与绿洲国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院大学， 北京 100049)

净初级生产力(net primary productivity， NPP)是指植物在单位时间、单位面积通过光合作用累积的有机物总量扣除自身生长消耗的有机物的量后剩余的部分[1]，不仅能反映植被固定CO2的能力，而且对维系陆地生态系统气候稳定有重要作用[2]。大气与陆地生态系统的碳循环主要由地表植被完成，因此，植被NPP值是评估生态系统碳汇及功能的重要因子。另外，植被NPP值也是评估生态环境修复情况及了解水资源开发和碳平衡生态效应的重要指标[3]。

MOD17A3遥感数据已经被广泛应用于研究不同地区植被生长发育状况、监测环境变化、估算生物量和全球气候变化等领域[4-11]。小流域植被NPP值的动态变化与碳循环和碳扰动、气候变化、土地利用变化和自然资源管理等密切相关[1]。然而，关于小流域植被NPP值动态变化情况及其与气候关系的研究十分匮乏，因此，开展流域和区域尺度的植被NPP值动态变化研究具有十分重要的意义。

新疆博尔塔拉-精河流域位于干旱、半干旱地区，生态环境问题突出，生态退化程度很高[12]。博尔塔拉-精河流域是重要的防沙、治沙和湿地保护区，在天山北坡生态防护体系中占有重要地位。然而，随着全球气候变化和人类活动加剧，博尔塔拉-精河流域的荒漠化问题日益严重[13]。目前，关于该地区水资源可利用性、河流水文特征、气候变化特征和生态系统评价等方面[14-17]已有许多研究报道，但尚不清楚该地区植被生长对气候变化的响应。

鉴于此，基于2000年至2015年的MOD17A3遥感数据，作者对新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值的时空变化及其与该地区主要气候因子年均温和年均降水量的关系进行了研究，以期探明博尔塔拉-精河流域植被NPP值的中长期变化，了解该地区的环境承载力及其生态结构健康状况，为博尔塔拉-精河流域的生态环境保护和生态建设提供理论基础。

1 研究区概况和研究方法

： 耕地Cultivated land； ： 草地Grassland； ： 水体Water body； ： 建设用地Building land； ： 裸地Barren land； ： 林地Forest land； ： 灌木地Shrub land.

1.1 研究区概况

本研究区位于新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州的博尔塔拉-精河流域绿洲地区，地理坐标为北纬43°38′～45°52′、东经80°53′～85°02′，主要由南北两侧的山地、中部的博尔塔拉谷地和东部的艾比湖盆地组成，海拔(400～2 000 m)由西向东递减。该地区属温带大陆性干旱气候，绿洲面积约6 337 km2，年均降水量约181 mm，年均蒸发量约1 562 mm，年均温6 ℃～8 ℃；地表覆盖类型主要有耕地、草地、林地、灌木地、水体、建设用地和裸地(图1)，其中，耕地和草地面积分别占该地区总面积的45%和27%，林地和灌木地面积之和占该地区总面积的3%。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理方法 植被NPP值数据为美国NTSG(numerical terradynamic simulation group)网站(http：∥www.ntsg.umt.edu/)2000年至2015年新疆博尔塔拉-精河流域的MOD17A3遥感数据，拟合模型为BIOME-BGC模型，分辨率为1 km×1 km，并将非植被因子造成的异常值像元赋值为0。地表覆盖数据来源于国家基础地理信息中心(http：∥www.globallandcover.com/)。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http：∥data.cma.cn/)。由于部分站点缺失个别年份数据，故选用新疆52个站点2000年至2015年的年均温和年均降水量数据，利用Kriging插值法[18-19]进行插值，并将插值数据裁剪成与研究区大小、形状和分辨率一致的栅格图像。

1.2.2 相关性分析 基于像元计算新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值与年均温和年均降水量的相关系数[20]。相关系数介于-1～1，大于0为正相关，小于0为负相关，等于0为不相关；相关系数的绝对值越大，说明相关性越强，反之则相关性越弱。

1.2.3 变化趋势分析 采用一元线性回归分析法[21]，基于像元分析2000年至2015年新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值的变化，单个像元线性回归线的斜率即年际变化率。

2 结果和分析

2.1 植被NPP值的时间变化特征

由2000年至2015年新疆博尔塔拉-精河流域不同地表覆盖类型植被NPP值的变化(图2)可见：4种地表覆盖类型的植被NPP值总体呈上升趋势且均在2000年最小，但最大值的年份不同，其中，林地和耕地的植被NPP值分别在2015年和2012年最大，灌木地和草地的植被NPP值在2013年最大。

在2000年至2015年期间，林地的植被NPP值为287.7～384.5 g·m-2，平均值为321.1 g·m-2；耕地的植被NPP值为213.9～289.2 g·m-2，平均值为254.1 g·m-2；灌木地的植被NPP值为166.3～206.2 g·m-2，平均值为190.3 g·m-2；草地的植被NPP值为106.7～158.6 g·m-2，平均值为131.7 g·m-2。根据植被NPP值的平均值，该地区各地表覆盖类型植被NPP值从高到低依次为林地、耕地、灌木地、草地。

结果(表1)表明：2000年至2015年整个研究区植被NPP值的平均值、最大值和最小值变化存在明显差异。其中，2003年该地区植被NPP值的最小值最小，仅为0.2 g·m-2；2013年该地区植被NPP值的最大值最大，为484.7 g·m-2。根据植被NPP值的平均值，其在2000年最小(182.0 g·m-2)，在2012年最大(248.6 g·m-2)。2000年至2015年该地区植被NPP值的极差为347.0～479.8 g·m-2，极差最大值出现在2009年，极差最小值出现在2008年。

●： 林地 Forest land； △： 耕地 Cultivated land； ▲： 灌木地 Shrub land； ○： 草地 Grassland.

年份YearNPP/(g·m-2) XMaxMin2000182.0405.62.82001190.3412.235.42002213.7418.121.02003219.2470.20.22004205.2397.59.02005223.0435.46.22006218.9444.019.62007228.5422.535.62008209.1375.628.62009230.7481.51.72010216.0405.736.62011220.1400.232.72012248.6467.124.62013244.4484.730.22014214.6384.636.72015223.1416.137.7

2.2 植被NPP值的空间变化特征

由2000年至2015年新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值的平均值空间分布(图3)可见：该地区植被NPP值的平均值为0.0～393.7 g·m-2，其空间分布呈现中间高、四周低的特征。距离2条河流较近的区域多为耕地、林地和灌木地，植被NPP值的平均值较高(213.1～393.7 g·m-2)；博尔塔拉河上游和中游两侧的山地及其下游入湖口区域多为草地，植被NPP值的平均值较低(0.0～213.1 g·m-2)；2条河流下游部分区域及艾比湖周围多为裸地和建设用地，几乎无植被覆盖，植被NPP值的平均值为0.0 g·m-2。

基于像元，对该地区植被NPP值与时间进行一元线性回归分析，从而获得植被NPP值空间分布的变化(图4)。结果表明：环境因子改变导致植被NPP值空间分布变化呈现一定差异。该地区植被NPP值空间分布变化以增加为主，植被NPP值增加的区域占该地区总面积的57.22%；植被NPP值减少的区域占该地区总面积的19.90%，主要分布在博尔塔拉河上游两侧的山地区域及河流下游区域；植被NPP值不变的区域占该地区总面积的22.88%，主要分布在城镇、艾比湖及其周围无植被的区域，这些区域主要为建设用地、水体和裸地。

： M=0.0 g·m-2； ： 0.0 g·m-2

2.3 植被NPP值与主要气候因子的相关性分析

基于像元，新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值与年均温和年均降水量的相关性分别见图5和图6。

由图5可见：该地区53.45%区域的植被NPP值与年均温呈负相关，其中1.89%区域的植被NPP值与年均温呈显著(P<0.05)负相关；23.67%区域的植被NPP值与年均温呈正相关，其中0.28%区域的植被NPP值与年均温呈显著正相关；22.88%区域的植被NPP值与年均温不相关。总体来看，新疆博尔塔拉-精河流域大部分区域的植被NPP值与年均温呈负相关，而与年均温呈正相关的区域则比较分散。

：-1.00≤R≤-0.40； ： -0.40

： -1.00≤R≤-0.40； ： -0.40

由图6可见：41.65%区域的植被NPP值与年均降水量呈正相关，其中9.95%区域的植被NPP值与年均降水量呈显著正相关，这些区域主要分布在博尔塔拉河的上游和中游，尤其是其上游和中游两侧山地的草地植被NPP值与年均降水量的相关性最高；35.47%区域的植被NPP值与年均降水量呈负相关，其中0.24%区域的植被NPP值与年均降水量呈显著负相关，这些区域主要分布在2条河流的下游；22.88%区域的植被NPP值与年均降水量不相关，这些区域主要为水体、裸地和建设用地。

3 讨论和结论

高原[22]的研究结果表明：2000年至2010年，新疆博尔塔拉河流域植被NPP值呈上升趋势。本研究中，林地、耕地、灌木地和草地4种地表覆盖类型的植被NPP值在2000年至2015年总体呈上升趋势，这可能与新疆地区气候持续暖湿化的变化有关[23]，这种气候变化利于植被生长。并且，整个研究区57.22%区域的植被NPP值增加。比较而言，在新疆博尔塔拉-精河流域，林地的植被NPP值最高，耕地的植被NPP值次之，灌木地的植被NPP值较低，草地的植被NPP值最低。不同植被类型特有的生物学性质导致其在同一气候条件下生产能力存在差异[24]。林地多位于适宜植被生长的地区，植物对太阳辐射的利用率高，虽然林地面积偏小，但乔木的生物量最大，因此，林地的植被NPP值最高；虽然耕地农作物的生物量偏小，但面积最大，因此，其植被NPP值也较高；相比而言，虽然灌木的生物量较大，但灌木地的面积却最小，而草地虽然面积较大，但草本植物的生物量却最小，因此，灌木地和草地植被NPP值总体上较低。实际上，新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值多年平均值的空间分布特征与地表覆盖类型关系密切。距离2条河流较近的区域多为耕地、林地和灌木地，其植被NPP值的平均值较高，而草地多分布在博尔塔拉河上游和中游两侧的山地及其下游入湖口区域，其植被NPP值的平均值较低，导致新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值的空间分布呈现中间高、四周低的特征。

由于植被的生长状况与气候变化密切相关[25-26]，因此，探明植被NPP值对全球和区域气候变化的响应是研究植被与气候因子关系的一个重要方面[27]。20世纪80年代至90年代以来，北疆地区的年均温和年均降水量均呈上升趋势，区域气候朝暖湿方向发展[28]，利于植被生长[23]。另外，人类活动也会对该区域植被NPP值产生影响，适当限制人类活动有利于促进该区域天然植被生长[29]。相关性分析结果表明：新疆博尔塔拉-精河流域上游和中游两侧山地的草地与年均降水量呈显著正相关，说明年均降水量对新疆博尔塔拉-精河流域上游和中游两侧山地的草地植被NPP值的影响很大。由于这些区域草地的海拔较高，且距离博尔塔拉河较远，植被受河流水量的影响较小，加上这些区域草地植被为天然草地植被，几乎没有人类活动干扰，据此推测，这些区域草地植被与年均降水量关系密切，年均降水量可能是影响这些区域草地植被NPP值的主要气候因子。相关性分析结果还表明：2条河流下游区域大部分地区的植被NPP值与年均降水量呈负相关，这可能是因为2条河流下游区域水量充足，能够满足植被生长需求，降水时云层增厚反而影响植物的光合作用，从而抑制植物生长[30]。此外，新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值与年均温总体呈负相关，这可能是因为气温升高导致植物蒸发量增加，限制了植物生长。

值得注意的是，在博尔塔拉河上游和中游两侧山地的草地与年均降水量呈显著正相关的区域，部分草地的植被NPP值减少，这是因为虽然该地区年均降水量总体呈增加趋势，但极有可能存在空间分布不均现象，在降水量偏少的区域植被生长受到抑制。另外，2条河流下游区域的植被NPP值减少，且这些区域与年均温和年均降水量的相关性不显著，推测这些区域植被NPP值减少可能与人类活动有关。

本研究中，2000年至2015年，新疆博尔塔拉-精河流域的植被NPP值总体呈上升趋势，只有小部分区域(占该研究区总面积的19.90%)植被NPP值减少；区内植被NPP值的平均值呈现中间高、四周低的分布特征，说明研究区内的植被主要分布在河流附近区域。总体来看，年均温和年均降水量对新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值有一定影响，其中，53.45%区域的植被NPP值与年均温呈负相关，23.67%区域的植被NPP值与年均温呈正相关；41.65%区域的植被NPP值与年均降水量呈正相关，35.47%区域的植被NPP值与年均降水量呈负相关，且年均降水量对博尔塔拉河上游和中游两侧山地的草地植被NPP值影响最显著。

本研究利用MOD17A3遥感数据分析了新疆博尔塔拉-精河流域植被NPP值的时空变化及其对气候变化的响应，但在实际研究过程中没有考虑到人为活动(如灌溉、施肥和放牧等)对植被NPP值的影响，因此，该地区植被NPP值变化的主导因子到底是气候因子还是人为因子还需要后续的深入研究。