内蒙古地区草地NPP时空变化及预测

滑永春, 马秀枝, 萨如拉

(内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)是绿色植物在单位时间、单位面积内所累积有机物的总量，是植物光合作用吸收的碳总量减去呼吸作用消耗碳的差值[1-3]，对陆地生态系统碳循环研究和植被长势监测有重要的意义[4].近年来，随着对全球变化及碳循环研究的不断深入，NPP估算受到越来越多学者的关注，国际地圈—生物圈计划(IGBP)、全球变化与陆地生态系统(GCTE)和京都协议书都将NPP的研究列为核心内容之一[5].

NPP研究开始阶段是以统计学模型为主，例如以气温和降水为变量拟合NPP的Miami[6]模型.后来将潜在蒸散量和土壤含水量也引入Thornthwaite Memorial[7]模型，但该类模型由于是以统计学为基础，受地域环境条件的限制，很难进行大范围推广使用.1985年又出现了植被生态生理学与统计学相结合的Chikugo[8]模型，该模型是一种半理论半经验的植被NPP估算方法，但该模型是基于土壤水分充足、植物生长茂盛这一前提的，在草原、荒漠地区适用性比较差.之后又出现TEM[9-10]、CENTURY[11]、BIOME-BGC[12-14]等生理生态过程模型，这类模型机理清楚，可与大气环流模式相耦合，有利于预测全球变化对 NPP 的影响.但实际应用中由于模型复杂、所需参数太多且难以获得，限制了其推广应用.光能利用率模型是反演区域尺度NPP的常用方法，主要包含GLO-PEM[15]、SDBM[16]、TURC[17]、VPM[18]、CASA[19]等模型.该类模型比较简单，可直接利用遥感获得所需参数，适宜于向区域及全球推广.其中CASA模型是生态系统生产力模拟中应用最为广泛的模型，该模型已得到全球1 900多个实测站点的校准[20].

草地生态系统具有防风、固沙、保土、调节气候、净化空气、涵养水源等生态功能，是自然生态系统的重要组成部分[21-23].内蒙古草地约占全国草地总面积的四分之一，对维系生态平衡、区域发展有着重要的意义[24].内蒙古草地植被动态变化一直受到广泛关注[25]，而目前大多数学者对内蒙古草地NPP的研究未给出草地NPP未来的变化趋势.为此本文基于CASA模型计算出各类草地NPP，并运用趋势分析、Hurst指数等方法探讨1982—2015年草地NPP的变化趋势，并对其发展趋势进行预测，旨在为区域生态建设提供技术支撑和决策依据.

1 研究区概况

内蒙古位于我国北部地区(37°24′—53°2′N，97°12′—126°04′E)，地处欧亚大陆内部；由东北向西呈长条形分布，东西距离约2 400 km，南北跨度1 700 km；土地总面积118.3万km2，占全国总面积的12.3%.研究区气候以温带大陆性季风气候为主，温度-5～10 ℃，自东向西递增; 降水量35～530 mm，自东南向西北递减.内蒙古草地总面积约为8 666.7 hm2，约占全区土地总面积的60%，占全国草地总面积的四分之一以上.内蒙古草原类型基本可以划分为草甸草原、典型草原和荒漠草原3种类型(图1).

图1 内蒙古草原空间分布Fig.1 Spatial distribution of grassland in Inner Mongolia

2 研究方法

2.1 数据获取及预处理

2.1.1 GIMMS NDVI3g获取及处理 植被指数数据为美国宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI数据集(GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，该数据集时间跨度为1982—2015年，时间分辨率为15 d，空间分辨率为8 km.经过几何精校正、辐射校正、大气校正、图像增强等预处理,采用Matlab对1982—2015年覆盖内蒙古草地的GIMMS NDVI3g数据进行格式转换、图像镶嵌、图像裁剪、Albers等面积投转换处理，形成涵盖内蒙古草地的月度DNVI时空数据集.

2.1.2 ERA5气象数据 选用的气象再分析资料为ECMWF公开的ERA5数据(http://apps.ecmwf.int/datasets/)，它是迄今最强大的全球气候监测数据集，具有较高的时空分辨率，时间分辨率为逐小时，空间分辨率高达0.125°.选用覆盖内蒙古草地1982—2015年1—12月0.125°的ECMWF-ERA5气象模式2 m温度、降水、太阳总辐射数据；采用Matlab对数据进行格式转换、年度合成、图像裁剪、Albers等面积投转换处理.

2.1.3 草原数据 草原类型数据是在中科院植物所2000年制作的1∶100万全国植被类型数据的基础上，完成对内蒙古地区的草甸草原、典型草原和荒漠草原范围的提取；并对草原图进行投影转换、栅格化等处理，获得投影和分辨率与遥感数据一致的数字化产品.

2.2 研究模型

CASA模型是估计NPP的代表性模型，由植被吸收的光合作用有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)决定植被NPP.采用朱文泉等[26]改进的光能利用率模型计算NPP：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)代表象元x在t月吸收的光合有效辐射，ε(x,t)代表像元x在t月的实际光能利用率.

植被吸收的光能有效辐射由太阳总辐射和植被本身的特性决定，表示为：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×0.5×FPAR(x,t)

(2)

式中：SOL(x,t)为t时间在像元x处的全日照总辐射量；而FPAR(x,t)为植被对入射光合有效辐射(PAR)的吸收量；常数0.5为植被所能利用的太阳有效辐射，即光合有效辐射(波长0.4～0.7 μm)，是总日照量的百分比.

光能转化率指植物光合作用固定的PAR计量的干物质总量.在实际条件下，光能利用率(ε)受温度和降水的影响，计算公式表示如下：

ε(x,t)=Tε(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：Tε(x,t)为温度对光能利用率胁迫系数；Wε(x,t)为水分对光能利用率胁迫系数；εmax为非现实条件下植物的最大光能转化率，取值因植被类型的不同而有所不同.依据包刚等[27]对内蒙古草原植被最大光能利用率的研究结果进行εmax取值，草甸草原、典型草原和荒漠草原最大光能利用率分别为0.654、0.553、0.511 g·MJ-1.

基于像元的一元线性回归分析，模拟34 a来研究区植被的变化趋势，计算公式为：

(4)

式中：θslope为趋势变化率，n=34(监测年数)，Ci为内蒙古第i年的植被NPP.θslope<0表示植被NPP降低，反之则表示植被NPP上升.采用F检验对植被NPP的年际趋势变化进行显著性检验.计算公式为：

(5)

Hurst指数可有效预测时间序列的未来变化趋势，广泛应用于生态学等领域.计算过程如下：

对于时间序列NPP(t)，t=1，2，3，n，以及任意正整数p≥1，定义均值序列NPP(p)为：

(6)

定义累积离差序列NPP(t,p)为：

(7)

定义极差序列R(p)为：

(8)

定义标准差序列S(p)为：

(9)

Hurst通过长时间的实践总结，建立了如下关系：

(10)

式中：H为Hurst指数.当H=0.5时，NPP时间序列为随机序列；当0.5

图2 草地NPP模拟验证Fig.2 Verification of simulated grassland NPP

3 结果与分析

3.1 NPP模拟验证

利用2011—2014年在研究区调查的35个实测草地(1 m×1 m)生物量数据，按照地上、地下部分的碳分配近似比(1∶5.73)和碳转化率(0.475)，得到实测的NPP.对实测数据和CASA模型的模拟数据进行线性回归分析(图2)，结果表明R2达到0.789 1，RMSE为45.34，说明利用该模型可以较好地模拟真实草地NPP.

3.2 草地NPP空间分布格局

3.2.1 草地NPP时空变化特征 1982—2015年内蒙古草地NPP呈由西南向东北逐渐递增的分布格局(图3).东北部的草甸草原NPP最大，年均NPP值为383.66 g·m-2·a-1；其次为中部的典型草原，年均NPP值为245.46 g·m-2·a-1；西部荒漠草原的NPP最低，年均NPP值为123.76 g·m-2·a-1.

NPP年均值为0～100 g·m-2·a-1的区域主要分布在巴彦淖尔市、乌兰察布市的北部和锡林郭勒盟的西北地区；NPP年均值为100～200 g·m-2·a-1的区域主要位于鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市的北部和锡林郭勒盟的西部地区；NPP年均值为200～300 g·m-2·a-1的区域主要包括锡林郭勒盟的东部、鄂尔多斯市的东部、呼伦贝尔的西部等地区；NPP年均值为300～400 g·m-2·a-1的区域主要包括锡林郭勒盟的东部、呼伦贝尔的西部，以及零星分布于赤峰市、兴安盟、通辽等地区；NPP年均值为400～500 g·m-2·a-1的区域主要分布在锡林郭勒盟的东部、呼伦贝尔的西部等地区；NPP年均值为500 g·m-2·a-1以上的区域主要集中在呼伦贝尔市的东、南、北部等地区.

图3 1982—2015年内蒙古草地NPP均值空间分布Fig.3 Spatial distribution of annual mean grassland NPP in Inner Mongolia from 1982 to 2015

3.2.2 草地NPP年际变化 对1982—2015年内蒙古地区各种草原类型NPP值进行统计，结果(图4)表明研究区NPP值在1982—1999年处于上升阶段，2000—2011年处于下降的趋势，2012—2015年NPP值又开始快速增长.总体上来看植被NPP值呈波动上升趋势，增长的斜率为0.137.其中典型草原增长最快，线性回归斜率为0.247；其次是荒漠草原，回归斜率为0.229；草甸草原为负增长，回归斜率为-0.108.

图4 内蒙古地区各种草原类型NPP的年际变化Fig.4 Interannual variation of NPP for different types of grassland in Inner Mongolia

3.2.3 草地NPP的空间变化 为定量描述草原NPP值的变化趋势，将研究区的NPP空间变化划分为6个等级(图5).内蒙古地区草原极显著增加和显著增加的面积分别占草原总面积的11.76%、18.92%.其中，草甸草原极显著增加和显著增加的面积分别占草甸草原总面积的7.84%、12.74%，主要分布于鄂尔多斯市的乌审旗、伊金霍洛旗、杭锦旗、达拉特旗，锡林郭勒盟的东乌珠穆沁旗，通辽市的库伦旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼，兴安盟的科尔沁右翼前旗、扎赉特旗，呼伦贝尔市的新巴尔虎旗、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、牙克石市、鄂伦春自治旗、额尔古纳市、扎兰屯市、鄂温克族自治旗等地区；典型草原极显著增加和显著增加的面积分别占典型草原总面积的15.19%、23.10%，主要集中在鄂尔多斯市的东胜市、鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗、伊金霍洛旗、杭锦旗、达拉特旗、准格尔旗，锡林郭勒盟的东乌珠穆沁旗、阿巴嘎旗、锡林浩特市，赤峰市的敖汉旗，通辽市的奈曼旗、库伦旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗，呼伦贝尔市的新巴尔虎旗、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗等地区；荒漠草原极显著增加和显著增加的面积分别占荒漠草原总面积的7.92%、16.76%，主要集中于鄂尔多斯市的鄂托克旗、鄂托克前旗、杭锦旗，巴彦淖尔市的乌拉特前旗、乌拉特中旗、乌拉特后旗，锡林郭勒盟的苏尼特左旗.内蒙古地区草原极显著减少和显著减少的面积占草原总面积的4.26%、8.08%.其中，草甸草原极显著减少和显著减少的面积分别占草甸草原总面积的6.90%、13.29%，主要分布于赤峰市的翁牛特旗、巴林左旗、巴林右旗、阿鲁科尔沁旗，通辽市的扎鲁特旗，兴安盟的科尔沁右翼中旗，呼伦贝尔的新巴尔虎旗、牙克石市、鄂伦春自治旗、额尔古纳市、牙克石市、莫力达瓦达斡尔族自治旗、鄂温克族自治旗等地区；典型草原极显著减少和显著减少的面积分别占典型草原总面积的3.97%、6.85%，主要集中于锡林郭勒盟的西乌珠穆沁旗，赤峰市的巴林左旗、巴林右旗、阿鲁科尔沁旗，通辽市的扎鲁特旗，兴安盟的科尔沁右翼中旗等地区；荒漠草原极显著减少和显著减少的面积分别占荒漠草原总面积的0.42%、2.52%，主要分布在锡林郭勒盟的苏尼特左旗和苏尼特右旗.草原不显著增加和不显著减少的面积分别占草原总面积的41.66%、31.34%.其中，草甸草原、典型草原、荒漠草原不显著变化面积分别占其对应草原类型总面积的73.96%、70.05%和80.72%.

图5 NPP变化趋势及显著性检验Fig.5 Variation trend and significance test of NPP

3.3 NPP变化的持续性

由图6可知，内蒙古自治区NPP Hurst指数空间差异明显，全区绝大部分区域H<0.5，其面积比例高达93.87%(表1)，而全区平均H值也达到0.40(表2)，表明植被整体呈现反持续性，2015年之后一定时期内研究区内植被的NPP变化趋势可能发生反转.全区H值为0.1～0.2或0.6～0.7时植被占总面积的比例很小，仅为0.07%、0.16%，说明植被正持续性及反持续性不强；H值为0.4～0.6时植被占总面积的46.90%，表明未来变化趋势不明确，主要集中在不显著变化植被上；H值为0.2～0.4的植被占总面积的52.86%，其中不显著变化的面积占88.23%，意味着这些植被不再保持稳定状态，会出现NPP增加或减少的变化.显著和极显著增加、减少的面积分别占总面积的8.03%、3.82%，说明未来植被NPP减少的可能性要比植被增加的大.NPP可能增加的区域主要集中在锡林郭勒盟的苏尼特右旗、西乌珠穆沁旗，赤峰市的翁牛特旗、巴林左旗、巴林右旗、阿鲁科尔沁旗，通辽市的扎鲁特旗等地区.NPP可能减少的区域位于西部的鄂尔多斯市，巴彦淖尔市以及包头市，东部的锡林郭勒盟的苏尼特左旗、东乌珠穆沁旗、阿巴嘎旗，赤峰市敖汉旗，通辽市的奈曼旗、库伦旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁左翼中旗，呼伦贝尔市的新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗等地区.

图6 内蒙古草地1982—2015年NPP Hurst指数的空间分布Fig.6 Spatial distribution of Hurst index of grassland NPP in Inner Mongolia from 1982 to 2015

表1 NPP变化趋势及其Hurst指数矩阵表Table 1 Matrix Table of variation trend and Hurst index of NPP %

表2 研究区不同草地类型的NPP Hurst指数Table 2 NPP Hurst index of different types of grassland in the study area

从表2可知，各种类型草地的H值都小于0.5，说明2015年后植被NPP有向反方向发展的趋势，但变化不快.荒漠草原和典型草原NPP增加的面积比减少的面积大，表明这两种草地在显著变化的区域内NPP有下降的趋势，且荒漠草原NPP下降趋势大于典型草原.草甸草原NPP增加的面积比减少的面积略小，表明未来在显著变化的区域NPP可能出现增长趋势.

4 小结与讨论

4.1 小结

本文利用1982-2015年GIMMS NDVI3g NDVI数据及同期降水、气温、太阳总辐射数据反演内蒙古草原的NPP，分析了区域内NPP的时空变化及驱动力，结果表明：

(1)1982-2015年内蒙古草地NPP呈由西南向东北逐渐递增的分布格局.东北部的草甸草原NPP最大，年均NPP值为383.66 g·m-2·a-1；其次为中部的典型草原，年均NPP值为245.46 g·m-2·a-1；西部荒漠草原NPP最低，年均NPP值为123.76 g·m-2·a-1.

(2)内蒙古地区草原1982—2015年极显著和显著增加的面积占草原总面积的11.76%、18.92%.其中，典型和荒漠草原极显著和显著增加的面积大于极显著和显著减少的面积，草原NPP呈现增长的趋势；草甸草原极显著和显著增加的面积略小于极显著和显著减少的面积，草原NPP略有下降的趋势.

(3)内蒙古自治区草原NPP Hurst指数空间差异明显，全区绝大部分区域H<0.5，平均H值为0.40，表明植被整体呈现反持续性，2015年后一定时期内研究区内草地NPP变化趋势可能发生反转.

4.2 讨论

(1)本研究利用CASA模型模拟内蒙古草地NPP，结果表明1982—2015年草地年均NPP为266.94 g·m-2·a-1，与以往研究对比有一定的差异，但在合理范围(217.3～312.0 g·m-2·a-1)[28]，主要原因是研究时段、模型参数、数据源不同[29].在模型参数中，最大光能转化率εmax取值不同，有的取值0.389 g·MJ-1[30]，有的取值0.541 g·MJ-1[31]，也有的取值0.542 g·MJ-1[28].包刚等[27]对内蒙古草原植被最大光能利用率εmax取值进行研究，草甸草原、典型草原和荒漠草原εmax分别为0.654、0.553和0.511 g·MJ-1，结果表明实测NPP与模拟NPP之间的决定系数和均方根误差分别提高了0.024和2.62 g·m-2.本研究参照文献[27]选取εmax，通过模型验证精度可以达到0.79.

(2)潘萌甜等[28]研究发现内蒙古草原2001—2014年NPP呈现出不显著的增长趋势，其中草甸草原和荒漠草原NPP总体呈上升趋势，而典型草原则有下降的趋势.杨晗等[29]研究表明2001—2016年内蒙古草地NPP显著增加的面积大于显著减少的面积，大部分地区草地NPP呈波动上升趋势.本研究得出的结论基本上与上述研究一致.但本研究结果表明草甸草原NPP略有下降，主要原因是分析时段的跨度不一样，部分草地在长短时间序列上的变化趋势有所不同.