基于CASA模型的内蒙古地区草地生产力估测

段 菁，云海英，李 鑫，滕 飞，纳 青

(内蒙古自治区林业信息中心，内蒙古 呼和浩特 010010)

内蒙古地区是我国重要的牧业生产基地，该地区的主要覆盖植被为草地和林地，其中可利用的草原面积约为6.8×107hm2，包含100余种适口性强、利用价值高的牧草[1]。随着内蒙古地区养殖业、畜牧业以及矿产业发展迅速，频繁的人类活动对当地生态环境造成极其严重的影响。自1978年始，退耕还林工程、“三北”防护林工程等多项国家重点工程的推进使当地生态环境得到改善[2-3]。本研究构建了内蒙古草地初级净生产力的估测模型，对2005—2019年间内蒙古地区草地生产力进行分析，预测不同区域、不同草地类型的生产力未来变化趋势，为维护该地区生态平衡，指导当地畜牧业科学发展提供参考。

1 内蒙古草地生产力估算

1.1 研究区域概况

内蒙古地区所处纬度较高，主要以温带大陆性季风气候为主，降水空间分布极不均匀，年气温差距较大[4-5]。内蒙古地区的主要植被覆盖类型为草地和林地。从草地分布的空间特性来看，主要草地类型为温性荒漠类、低地盐化草甸类、温性荒漠类、暖性灌草丛类、温性草甸草原类、温性草原类6种。6种主要草地类型占内蒙古地区总草地面积的98.14%。东北部的草地地理条件较优，牧草质优产高，以温性草甸草原类、温性草原类、低地盐化草甸类和温性山地草甸类为主。南部和中部地区牧草营养较为丰富，但是密度较低且产量不理想，只适合饲养牛羊等牲畜[6-7]。阴山北部和鄂尔多斯高原西部气候干燥，牧草种类较少且产量较低。西部地区主要为荒漠化草原，适合饲养骆驼[8]。

1.2 内蒙古草地NPP估算

草地NPP估算需要考虑光合有效辐射(APAR,Absorbed Photosynthetic Active Radiation)和实际光能利用率两部分[9-10]。APAR的数值取决于太阳总辐射量、植被覆盖指数(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)和光合有效辐射(PAR，Photosynthetically Active Radiation)。

(x,y,t)+FPARSR(x,y,t))

(1)

式(1)是光合有效辐射的计算公式。APAR(x,y,t)、SOL(x,y,t)分别表示在空间位置(x,y)处的像元在t月份吸收的光合有效辐射和太阳总辐射能量，单位均为MJ/m2。FPARNDVI、FPARSR均会对植被层对入射光合有效辐射的吸收比例造成影响，其计算公式如公式(2)所示。

(2)

式(2)中的NDVI(x,y,t)表示在空间位置(x,y)处像元的NDVI数值，NDVImax、NDVImin分别表示草地植被覆盖率的最大值和最小值。根据内蒙古地区现状，选取NDVImax、NDVImin分别为0.634和0.023[11]。SRmax、SRmin分别表示为比值植被指数的最大值和最小值，内蒙古地区比值植被指数的最大值和最小值取值为4.46和1.05[12]。

ε(x,y,t)=Tε1(x,y,t)×Tε2(x,y,t)×

Wε(x,y,t)×εmax

(3)

式(3)为实际光能利用率ε的计算公式。Tε1(x,y,t)、Tε1(x,y,t)为温度胁迫系数，Wε(x,y,t)为水分胁迫系数。Tε1(x,y,t)可以反映温度过高或过低情况下，植被光合作用效果降低而导致的植被初级生产力的降低值。Tε1(x,y,t)可以体现温度从最适温度Topt(x,y)向高温或低温变化时，植被光能利用率逐渐减小的趋势。εmax为最大光能利用率，其具体数值受到草地类型的影响[13]。

(4)

式(4)是温度胁迫系数Tε1(x,y,t)和Tε1(x,y,t)的计算公式，T(x,y)表示某个月份的平均气温。植被光合作用的最适温度为研究区域内一年中NDVI数值达到最大的月份的平均气温。

(5)

式(5)是水分胁迫系数Wε(x,y,t)的计算公式。EET(x,y,t)、PET(x,y,t)分别表示空间位置(x,y)处像元在t月份的实际蒸散量和潜在蒸散量，单位为mm。

为验证研究选用的CASA模型的有效性，选取研究区内的1 000个随机点，对比两种方式估算的年度草地净初级生产力(SNPP)结果，得到的草地NPP结果和MOD17A3-NPP结果拟合情况如图1所示。草地NPP结果和MOD17A3-NPP结果的相关系数为0.935，具有较高的拟合度，调整之后的拟合优化系数为0.874。随机生成点中，温性草甸草原类、温性草原类、温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类、低地盐化草甸类的有效随机点数分别为150、397、132、33、3、181，6种类型草地的调整后拟合优化系数分别为0.77、0.80、0.89、0.91、0.86、0.84。说明研究选用的CASA模型具有较高的精度，使用该模型模拟得到的内蒙古草地生产力结果具有一定的科学性。

图1 MOD17A3H和CASA模型估算的 NPP值结果相关性分析Fig.1 Correlation analysis of NPP value estimated by MOD17A3H and CASA model

2 内蒙古草地NPP空间格局

2.1 草地SNPP均值空间分布特征

内蒙古地区2005—2019年的SNPP均值整体上呈现出自西向东、自南向北逐渐增加的趋势。阿拉善盟、巴彦淖尔市的SNPP值在0～100 g·C/(m2·a)，处于较低水平；呼伦贝尔市、兴安盟和赤峰市部分地区的SNPP值在300 g·C/(m2·a)以上。

研究区NPP经向变化规律见图2所示。

图2 内蒙古草地平均NPP经向变化规律Fig.2 Longitude variation of grassland average NPP in Inner Mongolia

从图2所示的NPP经向变化规律来看，地区NPP变化具有明显的地带性，上升趋势较为明显，变化速率约为12.69 g·C/(m2·a)。温性草甸草原类草地的平均SNPP值最高，为309.98 g·C/(m2·a)。温性荒漠类草地的平均SNPP值最低，为40.06 g·C/(m2·a)。结合各区域草地类型及环境特点可知，草甸草原和温性草原类区域由于气温较低、降水较多，草地的初级净生产力更高。荒漠化草原区域的气温较高、降水较少，生态环境脆弱，草地的初级净生产力较低。从经纬度来看，内蒙古地区的草地SNPP空间分布，SNPP值从西向东的变化速率大约为12.65 g·C/(m2·a·10°)。

2.2 草地SNPP时空演变特征

研究内蒙古地区草地SNPP的时空演变特征，可以在像元尺度上计算每个栅格的变化趋势。对15年间的SNPP值进行拟合回归获取一元线性函数，函数的斜率(k值)即为年际变化率。研究使用F检验方法验证SNPP值变化的可置信程度，其值为p。若某一区域内k值小于0，p小于0.01，则该区域草地SNPP极显著减少；p在0.01～0.05，则草地SNPP显著减少；p大于0.05，则草地SNPP减小不显著。若某一区域内k值大于0，p大于0.05，则该区域草地SNPP增加不显著；p在0.01～0.05，则草地SNPP显著增加；p大于0.05，则草地SNPP极显著增加。根据上述标准，统计分析了内蒙古草地SNPP变化趋势，如图3所示。

图3 内蒙古草地SNPP值变化显著性Fig.3 Significance of SNPP value change in Inner Mongolia

内蒙古93.56%的地区15年间的SNPP值呈现增加趋势，“显著增加”和“极显著增加”的比例分别为22.26%和29.76%。“显著减小”和“极显著减小”的区域仅占内蒙古地区的0.35%，主要集中在阿拉善盟的西部。从图3中可以看出，按照草地类型划分，“极显著增加”区域占比较高的为低地盐化草甸类和温性草甸草原类，分别为48%和39.98%。占比最低的为温性荒漠类，仅有8.44%。“极显著减小”和“显著减小”的比例在6种草地类型中占比均低于2%。除去温性荒漠类的其他草地类型中，这2种变化趋势不超过0.3%。

3 内蒙古草地NPP时间变化特征分析

3.1 年变化特性

对2005—2019年内蒙古地区草地SNPP均值的年际变化情况进行统计，绘制NPP年际变化图(图4)。

图4 内蒙古地区15年间的草地NPP年际变化Fig.4 Interannual variation of grassland NPP in Inner Mongolia in 15 years

从图4显示的NPP年际变化情况可知，15年间的SNPP均值呈现出台阶式上升趋势。2007—2008年、2012—2013年、2016—2018年为3个增长阶梯。2006年的平均SNPP值最小，为27.48 g·C/(m2·a)；2018年的平均SNPP值最大，为43.54 g·C/(m2·a)。从图中可以看出，15年间，300 g·C/(m2·a)以下的区域减少了12.84%，300 g·C/(m2·a)以上的区域增加了15.08%。当地生态环境有明显改善，草地生产力稳步提高。

6种草地类型的SNPP年际变化趋势拟合函数见表1所示。

表1 内蒙古地区6种草地类型的SNPP年际变化趋势Tab.1 Interannual variation trend of SNPP of six grassland types in Inner Mongolia

6种主要草地类型的变化趋势基本一致，均呈现出波动上升趋势。由拟合曲线的函数表达式可知，温性草甸草原类的增速最高，其次是低地盐化草甸类和温性草原类。温性荒漠类草地的增速最低，仅为0.709 6 g·C/(m2·a)。

3.2 月、季变化特性

受气温和湿度影响，内蒙古地区草地NPP在每个月份的数值不同。1—7月份，气温逐渐升高且草地生长所需水分逐渐增加，草地NPP也逐渐提高。7月份之后，草地NPP整体处于下降趋势。冬季气温低，降水降雪不断增加，低温高湿的环境不利于植被生长。

草地NPP的主要积累期在水热搭配较好的4—10月，但受草地类型的影响，不同草地类型的NPP积累期峰值所处位置略有不同。6种草地类型的NPP在一年中各个月份的积累情况如图5所示。温性草甸草原类、温性草原类和低地盐化草甸类的NPP均值峰值出现在7月，其他3种草地类型的NPP均值峰值均出现在8月。该现象可为该地区草地管理提供一定参考，提高草地NPP的积累。

图5 6种草地类型的NPP均值月变动情况Fig.5 Monthly variation of average NPP value of six grassland types

3.3 未来变化趋势

使用Hurst指数法预测内蒙古草地NPP的未来变化趋势，揭示草地SNPP变化规律。当Hurst指数的数值越接近0，反持续性越强；H数值越接近1，持续性越强。

草地SNPP的平均Hurst指数为0.71。研究区域15.8%的区域呈现出反持续特征，84.2%的区域呈现出持续性特征。锡林郭勒盟、赤峰市和通辽市的大部分区域均呈现出“强持续性”和“极强持续性”；阿拉善盟西部和呼伦贝尔市东北部呈现出“极强反持续性”和“强反持续性”。研究区域草地SNPP的Hurst指数统计结果如图6所示。从草地类型看，Hurst指数比重最高的为温性荒漠草原类，为92.44%；Hurst指数比重最低的为温性荒漠类，为73.55%。反持续性特征最为明显的为温性荒漠类，持续性特征最为明显的为温性荒漠草原类。

图6 内蒙古地区草地SNPP的Hurst指数空间分布Fig.6 Spatial distribution of Hurst index of grassland SNPP in Inner Mongolia

根据研究区域SNPP的Hurst指数和年际变化率，可将草地SNPP的未来变化趋势划分为如图7所示的4种(图7)。

图7 内蒙古地区草地SNPP未来变化趋势Fig.7 Future trend of grassland SNPP in Inner Mongolia

年际变化率大于0，Hurst指数大于0.5时，草地SNPP值“持续增加”；Hurst指数小于0.5时，SNPP值“由增加变为减小”；年际变化率小于0，Hurst指数大于0.5时，草地SNPP值“持续减小”；Hurst指数小于0.5时，SNPP值“由减小变为增加”。从图中可以看出，内蒙古大部分地区的草地SNPP值将“持续增加”。大约4.07%的区域会出现“持续减小”情况，主要集中在阿拉善盟西部地区。大约13.45%的区域呈现“由增加变为减小”趋势，主要集中在呼伦贝尔市东北部。从草地类型看，SNPP“持续增加”占比最高的草地类型为温性荒漠草原类，为91.68%；SNPP“持续减小”比重最高的草地类型为温性荒漠类，为14.98%；SNPP“由增加变为减小”占比最高的类型为低地盐化草甸类，其次为温性草甸草原类，分别为19.43%和17.59%。需要采取一定人为措施提高温性荒漠类草地的生产力，同时应特别注意低地盐化草甸类和温性草甸类草地，防止其生产力由提升转为降低。

4 结论

草原生态系统植被生产力的研究是全球气候变化研究的热点之一，也是区域政府制定可持续发展战略的必要参考内容。本次研究使用CASA模型对内蒙古地区草地NPP在不同时间尺度下的时空变化特征进行分析。使用Hurst指数法预测研究区域内草地未来NPP变化趋势。结果表明，内蒙古93.56%的地区在15年间的SNPP值呈现增加趋势，温性草甸草原类草地的平均SNPP值最高。温性草甸草原类、温性草原类和低地盐化草甸类的NPP均值峰值出现在7月，其他3种草地类型的NPP均值峰值在8月。Hurst指数比重最高的是温性荒漠草原类，为92.44%。SNPP“由增加变为减小”占比最高的类型是低地盐化草甸类，其次是温性草甸草原类，分别为19.43%和17.59%。上述研究成果将为内蒙古地区生态治理和经济发展规划提供一定参考依据，但是有关草地生产力未来变化趋势的预测并未经过实际验证，后续还需要继续跟踪研究。