梁 瑞，任志遠

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062；2.陜西師范大學(xué) 西北國土資源研究中心，陜西 西安710062）

植被凈第一性生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指綠色植物在單位時間和單位面積所生產(chǎn)的有機物的數(shù)量，表現(xiàn)為由光合作用產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分［1］。它是研究生態(tài)服務(wù)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生態(tài)系統(tǒng)平衡和健康的重要指標，且在碳循環(huán)、碳存儲的研究中起到重要的作用［2］。近年來，人類活動資源的開發(fā)利用程度加大，對生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度加強了，NNP的測算對保護生態(tài)安全有一定的指導(dǎo)意義。

目前，對NPP的測算成為國內(nèi)外研究的熱點話題，高清竹等［2］采用CASA模型對藏北高寒草地NPP變化趨勢及對人類活動的響應(yīng)做出研究，劉勇洪［3］對華北植被的凈第一性生產(chǎn)力進行研究及其時空格局分析，黃耀等人［4］采用Crop—C模型對中國農(nóng)業(yè)植被凈第一性生產(chǎn)力進行模擬，主要側(cè)重了模型的建立及靈敏度分析。朱文泉、潘耀忠等［5］的中國陸地植被凈第一性生產(chǎn)力遙感估算，使用了估測值與實測值進行對比，對模型進行了驗證。朱鋒等人［6］對東北地區(qū)農(nóng)田凈第一性生產(chǎn)力時空特征及其影響因素進行分析，運用MODIS NPP數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)，對東北地區(qū)的農(nóng)田生產(chǎn)力進行分析。除此之外，國外對NPP的測算模型還有 Miami模型［7］、Thornthwaite Memorial模 型［8］和 Chikugo 模 型［9］等，同期國內(nèi)也相應(yīng)建立了北京模型［10］、綜合模型［11］、農(nóng)業(yè)模型［12］、分類指數(shù)模型［13］等，使用不同的模型方法對NPP進行了測算。目前對NPP的測算方法很多，但沒有統(tǒng)一的標準，對NPP的測算各個學(xué)者都在探索尋求最準確的算法。本研究總結(jié)前人的研究成果，利用改進后的CASA模型，此模型為遙感過程模型，充分考慮環(huán)境條件和植被本身的特征，能較為精確地測算區(qū)域的NPP［14］。除此之外，陜南地區(qū)氣候類型復(fù)雜，秦巴山區(qū)植被類型復(fù)雜多樣，為保護其生物多樣性及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，采用2000—2010年SPORT—NDVI及氣象數(shù)據(jù)，基于GIS空間差值及分析技術(shù)，選取改進后的CASA模型，模擬了2000—2010年陜南地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力（NPP），對研究區(qū)的時間變化規(guī)律及空間分布特征進行分析，同時為區(qū)域生態(tài)資源管理決策與規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜南地處陜西省南部，北靠秦嶺、南倚巴山、漢江自西向東順流而過。其包括漢中、安康、商洛3個行政區(qū)，共轄28個縣（市），土地總面積7.0×105km2，總?cè)丝?35萬人。陜南包括秦巴山區(qū)和漢水谷地，期間分布著漢中安康盆地，秦巴山區(qū)的平均氣溫在10～14℃，年均降水量在700～900mm。漢江南北年平均氣溫14～16℃，年降水量700～1 050mm。漢中市地處暖溫帶和亞熱帶氣候的過渡帶，冬無嚴寒，雨量充沛，生態(tài)環(huán)境良好。安康市地處秦嶺山谷，屬亞熱帶大陸性氣候，水熱資源最為豐富。商州市屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。陜南地區(qū)并有豐富的森林資源、礦產(chǎn)資源、生物資源和旅游資源。為植被生長提供得天獨厚的條件，尤其是秦巴山區(qū)植被覆蓋率較高，為研究植被凈第一性生產(chǎn)力（NPP）奠定了基礎(chǔ)［15］。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究所使用的數(shù)據(jù)是2000—2010年逐旬SPORT—NDVI數(shù)據(jù)［16］，來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺發(fā)布的全國的數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km，時間步長為10d，NDVI在備制過程中已經(jīng)過輻射校正和幾何粗矯正等處理，保證了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，與其它NDVI相比，誤差較小，精度較高，已被廣泛的應(yīng)用于全球及大尺度的植被變化研究中?；贏rcGIS 9.3軟件，將NDVI數(shù)據(jù)的灰度值轉(zhuǎn)換成真值，在此基礎(chǔ)上，采用最大合成法將10d的NDVI合成月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終投影變化處理選取阿爾伯斯投影，再經(jīng)過進一步計算、分析。

氣象數(shù)據(jù)采用了2000—2010年陜南及周邊的28個氣象站點的月平均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)以及全國的120個氣象站點的月平均太陽輻射數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)共享數(shù)據(jù)集。基于ArcGIS 9.3平臺，使用地統(tǒng)計模塊徑向基函數(shù)（radial basis functions）進行空間插值而獲得（空間分辨率1km×1 km）氣象數(shù)據(jù)空間分布圖［17］，然后根據(jù)行政界線裁出2000—2010年期間陜南地區(qū)的氣溫、降水以及太陽輻射等氣象柵格數(shù)據(jù)。植被類型的數(shù)據(jù)源于中國科學(xué)院地理研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室數(shù)字化的中國植被圖，用于統(tǒng)計不同植被類型對光能利用率的轉(zhuǎn)化程度及植被NPP的計算。

1.3 研究方法

在對國外的Miami模型、Thornthwaite Memorial模型和Chikugo模型及國內(nèi)的北京模型、綜合模型、農(nóng)業(yè)模型、分類指數(shù)模型對比分析之后，結(jié)合各種模型優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，選取改進后的CASA模型進行陜南地區(qū)NPP物質(zhì)的量估算，在改進后的CASA模型中植被凈第一性生產(chǎn)力主要由植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與光能轉(zhuǎn)化率（ε）兩個變量來確定［18］。

式中：NPP（x，t）——像元植被的凈第一性生產(chǎn)力；APAR（x，t）——像元空間位置上的植被所吸收的光合有效輻射（MJ／m2）；ε（x，t）——像元在空間位置上的植被的光能轉(zhuǎn)換率（g／MJ）。

式中：SOL（x，t）——像元的太陽總輻射（MJ／m2）；FPAR（x，t）——植被層對入射光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射（波長為0.38～0.71μm）占太陽總輻射的比例；FPAR（x，t）NDVI，F(xiàn)PAR（x，t）SR——由歸一化植被指數(shù)（NDVI）和比值植被指數(shù)（SR）計算所得的植被層對入射光合有效輻射的吸收比例；FPARmax，F(xiàn)PARmin分 別取常數(shù) 0.95 和 0.001；NDVI（i，max），NDVI（i，min）——第i種植被類型的 NDVI最小值和最大值；SR（i，max），SR（i，min）——第i種植被類型的比值植被指數(shù)最大值和最小值；NDVI（x，t）和SR（x，t）——像元的歸一化植被指數(shù)和比值植被指數(shù)。

式中：ε（x，t）——像元的實際光能利用率；f1（x，t），f2（x，t），w（x，t）——低溫、高溫和水分的脅迫系數(shù)；εmax——理想條件下的最大光能利用率（g／MJ），根據(jù)不同的用地類型取值各不相同（表1），取值為朱文泉模擬值［19］；Topt（x）——某一區(qū)域一年內(nèi) NDVI值達到最高時的當(dāng)月平均氣溫；T——月平均氣溫；EP——區(qū)域潛在月蒸散量（mm）；E——區(qū)域?qū)嶋H月蒸散量（mm），可以通過朱文泉的模型及研究方法推出［19］。

表1 不同植被類型的最大光能利用率（εmax）

為了揭示陜南地區(qū)NPP的時間變化趨勢，基于ArcGIS 9.3軟件平臺，使用統(tǒng)計單元工具，統(tǒng)計出各年的NPP平均值，并在Excel中做出陜南地區(qū)NPP年均變化曲線，在用最小二乘法擬合其變化趨勢線［20］。年際變化采取趨勢線分析方法，該方法在一定程度上可以消除極端氣候的影響，能比較客觀地反映陜南地區(qū)NPP的增減變化趨勢及變化幅度［21］。同樣陜南地區(qū)NPP年內(nèi)變化是統(tǒng)計了各年每月的平均值，然后在Excel中繪制了變化趨勢線。

為了避免計算過程中柵格圖像分辨率的大小變化，在分析陜南地區(qū)NPP的年際及年際各月的空間變化趨勢時，基于ArcGIS 9.3軟件平臺首先將陜南地區(qū)2000—2010年每年每個像元的NPP值提取為矩陣形式，然后將此矩陣導(dǎo)入Matlab中，利用最小二乘法進行變化趨勢分析，再將計算后的變化趨勢矩陣導(dǎo)入ArcGIS 9.3中，得出陜南地區(qū)空間變化趨勢特征［22］。

2 結(jié)果分析

2.1 土地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力年際變化

圖1為陜南地區(qū)NPP年平均變化曲線及趨勢線。從2000—2010年陜南地區(qū)各土地利用類型NPP變化比較明顯，均為增加趨勢。從平均值來看，林地的NPP年均增長量為0.012t／（hm2·a），灌叢的NPP年均增長量為0.199t／（hm2·a），草地的 NPP年均增長量為0.105t／（hm2·a），耕地的 NPP年均增長量為0.107t／（hm2·a），其它類型的土地的NPP年均增長量為0.069t／（hm2·a）。林地、灌叢、草地、耕地的NPP與年份的相關(guān)系數(shù)分別為0.389，0.520，0.514，0.529。在置信水平0.05水平下，其它類型用地的NPP與年份是相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)為0.612。對于各種土地利用類型而言，2000—2010年NPP的平均值排列順序為：林地＞灌叢＞草地＞耕地＞其它類型。從年際變化來看，各個土地利用類型NPP的值同步增減，在2005年出現(xiàn)波峰，2004及2006年出現(xiàn)兩次波谷，而林地NPP在2008年達到最大值，灌叢在2010年達到最值。

2.2 土地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力年內(nèi)變化

圖2為陜南地區(qū)NPP年內(nèi)變化曲線，從變化幅度來看，各個土地類型的NPP變化為：林地＞灌叢＞草地＞耕地＞其它類型。換言之，林地積累有機物的能力最強，灌叢次之，其它用地類型最弱。從年內(nèi)變化看，各個土地利用類型的NPP在2月開始增長，同步在7月達到峰值，各個土地利用類型的峰值分別為：林地11.21t／（hm2·a），灌叢8.07t／（hm2·a），草地5.88t／（hm2·a），耕地5.66t／（hm2·a），其它用地類型2.22t／（hm2·a）。11月至次年的1月，氣溫低，降水少，植被生長狀況最為緩慢，各個土地利用類型的NPP在次年1月到達一年中的最小值。按照慣例3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季，各個土地利用類型的NPP在春夏季節(jié)增長速度較快，在秋季下降較快，進入冬季后NPP基本保持不變。由此可知，陜南地區(qū)NPP的增長與氣溫降水基本保持同步增減。

圖1 陜南地區(qū)NPP年平均曲線及變化趨勢

圖2 陜南地區(qū)NPP年內(nèi)變化曲線

2.3 植被凈第一性生產(chǎn)力的年際空間格局

基于ArcGIS 9.3平臺，在柵格尺度下對陜南地區(qū)2000—2010年NPP分別求平均，做一元線性回歸，得到陜南地區(qū)NPP均值圖和每個柵格單元NPP變化趨勢圖（附圖3）。分析可知，常綠針葉林主要分布在寧強縣、鎮(zhèn)巴縣和柞水縣，除此之外，秦巴山區(qū)、洛南縣以及平利縣也有零星分布，其NPP均值為12.58t／（hm2·a）。常綠闊葉林受到緯度位置的影響，主要分布在陜南的南部地區(qū)，行政區(qū)劃上體現(xiàn)在南鄭縣、鎮(zhèn)巴縣、紫陽縣、嵐皋縣及鎮(zhèn)平縣的南部，其NPP的均值為12.09t／（hm2·a）。落葉闊葉林面積比較大，主要分布在秦巴山區(qū)、商南縣、山陰縣的南部、鳳丹縣北部、西鄉(xiāng)縣的東南及鎮(zhèn)巴縣的東北地區(qū)，其NPP均值為13.05t／（hm2·a）。灌叢分布在平利縣西南部、嵐皋縣東北部及商州市西北部，其NPP均值為9.38t／（hm2·a）。草地分布在城固縣南部、西鄉(xiāng)縣中部、石泉縣南部、漢陰縣、紫陽縣北部、安康市南部、以及東部的山陰縣商南縣，其NPP均值為1.93 t／（hm2·a）。耕地分布在漢中市的漢江平原附近，商洛市東北部洛河附近及安康市中部地區(qū)，其NPP均值為6.45t／（hm2·a）。

由附圖3可以看出，城固縣與西鄉(xiāng)縣的交界處NPP的值減少比較明顯，用地類型為常綠針葉林，其NPP年均減少值為0.143t／（hm2·a）。勉縣的東北部、洋縣、鎮(zhèn)巴縣、安康市的中南部以及丹鳳縣西北部，年均變化NPP的值減少比較平穩(wěn)，其值的變化范圍在－0.1～0t／（hm2·a）之間。城固縣、洋縣及西鄉(xiāng)縣三縣的交匯處，漢陰縣、安康市的中部地區(qū)、商州市東部、洛南縣的西部、嵐皋縣的南部以及鎮(zhèn)平縣的南部地區(qū)，主要以草地為主，年均NPP的變化值增加比較平穩(wěn)，其值在0～0.1t／（hm2·a）之間。漢中市的西部的大片區(qū)域、商州市的西北部及東南部，這些地區(qū)以林地和灌叢為主，年均NPP變化增長較快，其年均增長量在0.40～0.85t／（hm2·a）之間。安康市的大片區(qū)域以及商州市的中部，年均NPP增長較緩慢，其值變化范圍在0.10～0.40t／（hm2·a）之間。

2.4 植被凈初級生產(chǎn)力的年際各月空間格局

根據(jù)陜南地區(qū)2000—2010年4，7和10月份NPP的變化趨勢分析可知，陜南地區(qū)2000—2010年4月份的NPP變化總趨勢在增長。從行政區(qū)劃看，陜南西部寧強縣西北部及略陽縣的中部地區(qū)增加趨勢明顯，NPP增長量大于0.5t／（hm2·a），寧強縣、略陽縣大部分地區(qū)、留壩縣、石泉縣和商州縣的部分地區(qū)月平均NPP增長較快，增長量在0.3～0.5t／（hm2·a）之間，漢中市的東部、安康市的大部分地區(qū)及商州市的NPP變化比較平緩，其值在0～0.3t／（hm2·a）之間，洛南縣的大部分地區(qū)NPP量在減少，其值為－0.37～0t／（hm2·a）。陜南地區(qū)2000—2010年7月份的NPP變化，漢中市的西部及商州市的西部NPP增長量較明顯，其增長量在0.2～0.89t／（hm2·a）之間，尤其是寧強縣和略陽縣，土里利用類型以落葉闊葉林和常綠針葉林為主。鎮(zhèn)巴縣周邊、西鄉(xiāng)縣的南部及洋縣北部的NPP減少較為明顯，其減少量在0.39～1.0t／（hm2·a）之間。陜南地區(qū)2000—2010年10月份的NPP變化，商州市西北部及留壩縣的NPP增長較為明顯，其增長量在0.095～0.31t／（hm2·a）之間。漢中市中東部的大片區(qū)域其NPP減少量較明顯，減少量為0.02～0.18t／（hm2·a）。其余地區(qū) NPP的增減趨勢比較平緩。

與年際各月的空間變化相比較，從NPP值的變化幅度來看，年際變化的幅度最大。在空間格局的變化中，無論是年際變化還是年際各月份的變化，漢中市西部的寧強縣和略陽縣的NPP變化趨勢都是增長，漢中市的中東部和安康的中西部大部分地區(qū)NPP的增減變化不明顯。年際各月變化中，4月份漢中市的寧強縣和略陽縣NPP月平均增長明顯，7月份漢中市的西部和商州市的西北部增長較快，10月份商州市的西北部變化較為明顯。

3 結(jié)果討論

陜南地區(qū)的NPP年際年內(nèi)變化特征中，各個土地利用類型NPP的平均變化排列順序依次為：林地＞灌叢＞草地＞耕地＞其它類型。在氣溫、降水及太陽輻射等氣候條件相同的情況下，各個用地類型中，葉片密集度、葉面積指數(shù)大的用地類型，光合作用的能力強，積累的NPP就多，計算結(jié)果與實際情況相符。在空間分布規(guī)律的變化中，NPP的增減情況主要受到氣溫、降水和植被類型的影響，氣溫降水是植被生長的必要條件，所以氣溫高降水多的地方植被生長茂盛，光合作用強，積累的NPP多，在自然條件相同的條件下，則是植被覆蓋類型覺得NPP的增減狀況。NPP增減的除了上述的自然原因外還有人為原因，如人類活動對農(nóng)田施加化肥可以促使農(nóng)田NPP的增長。大氣變暖使其空氣中的二氧化碳含量增多，促使植被進行光合作用，也使得植被的NPP增長。與此同時，由于國家政策要求，為了涵養(yǎng)水源、水土保持，使得部分地區(qū)退耕還林，使得該地區(qū)的NPP有所減少。

本研究利用2000—2010年SPORT—NDVI數(shù)據(jù)，分析了陜南地區(qū)不同年份、不同月份、不同植被類型的NPP時空變化，客觀上反映了陜南地區(qū)NPP的時空變化特征。其一，NPP的值主要由氣象因素中的氣溫、降水及太陽輻射變化決定的。NPP基于GIS空間計算，氣溫降水及太陽輻射數(shù)據(jù)的獲取都是基于氣象站點，從空間意義上來說呈點狀分布，借助空間差值技術(shù)把點狀分布拓展成整個面狀數(shù)據(jù)參數(shù)，這樣使得這些主要參數(shù)存在一定的數(shù)據(jù)誤差。其二，NPP基于植被歸一化指數(shù)（NDVI）計算得到，而植被覆蓋變化是自然條件與人類活動共同作用的結(jié)果，在計算過程中只考慮了自然因素的變化對NPP的影響。如土地利用數(shù)據(jù)的標準不一致，在模擬NPP時中只采用了2009年的土地利用數(shù)據(jù)，沒有考慮土地利用變化對NPP的影響，這顯然與實際情況不符，因此在后續(xù)研究中需要完善土地利用變化對NPP的影響。

植被凈第一性生產(chǎn)力（NPP）的測算對陜南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護有一定的指導(dǎo)意義。秦巴山區(qū)NPP值的變化趨勢客觀地反映植被覆蓋狀況，在一定程度上表現(xiàn)研究區(qū)的水土保持能力，水土流失會影響陜南地區(qū)水質(zhì)，從而給引漢給渭工程提供了可靠依據(jù)。秦巴山區(qū)南坡的NPP值的變化體現(xiàn)其生物多樣性的增減趨勢，NPP的測算對保護生物多樣性有指導(dǎo)性作用，同時也能檢驗封山育林的效果。對陜南地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值估算與生態(tài)安全評價有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

（1）從土地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力年際變化看，2000—2010年間，各種土地利用類型的年均NPP均呈波動上升趨勢，各類土地利用類型平均值排列順序為：林地＞灌叢＞草地＞耕地＞其它類型。

（2）從土地生態(tài)系統(tǒng)凈第一性生產(chǎn)力年內(nèi)變化看，各個土地利用類型的NPP在2月開始增長，同步在7月達到峰值，11月至次年1月又回到最小值。各個土地利用類型月平均NPP的變化幅度由大到小依次為：林地＞灌叢＞草地＞耕地＞其它類型。

（3）陜南地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力的年際空間變化表現(xiàn)為漢中市的西部、商洛市的東部和西部地區(qū)年均NPP增長比較明顯，其用地類型以落葉闊葉林為主。漢中市的中部以及安康市中部地區(qū)大部分地區(qū)年均NPP的增長量保持平穩(wěn)，漢中市的城固縣與西鄉(xiāng)縣的交界處年均NPP的值減少比較明顯，其它地區(qū)的年均NPP變化不明顯。

（4）陜南地區(qū)植被經(jīng)初級生產(chǎn)力的各月空間表現(xiàn)為4月份漢中市的寧強縣和略陽縣NPP月平均增長明顯，7月份漢中市的西部和商州市的西北部增長較快，10月份商州市的西北部變化較為明顯。

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