黃 露, 周 偉, 李浩然, 周富春, 楊 晗

(1.重慶交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 地理信息與國土資源系, 重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院, 重慶 400074)

陸地生態(tài)系統(tǒng)是重要的碳庫之一[1]，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮碳源/匯作用[2],其碳匯功能主要表現(xiàn)為碳的積累速率，碳源則體現(xiàn)在碳的排放強度上[3]。植被凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity， NPP)作為研究生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的基礎(chǔ)，是植物生化特性與外界環(huán)境共同作用的結(jié)果[4]，反映了植被固定光合產(chǎn)物并向生態(tài)系統(tǒng)，特別是土壤碳庫輸入碳素的能力[5]，是調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，能夠直接表征生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯狀況。Lieth[6]等建立了第一個全球NPP回歸模型(Miami模型)，認為NPP是年平均氣溫和年降雨的函數(shù)。有研究[7]表明，中國陸地植被NPP由西北至東南依次遞減，其變化主要受氣候和人類活動等作用的影響。區(qū)域尺度上，學(xué)者分別對內(nèi)蒙古草原[8]，新疆地區(qū)[9]，三江源區(qū)地區(qū)[10-12]，青藏高原[13-14]和西南等地區(qū)的植被NPP時空格局、變化規(guī)律以及其與影響[15-16]因素的相關(guān)性進行了研究。土地利用/覆被變化(land use and cover change， LUCC)能夠顯著改變地球表面覆蓋狀況，也是全球碳排放的重要因素[17]；LUCC同時影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)對大氣中CO2以及其他溫室氣體的吸收和排放[18]。

最早關(guān)于LUCC的研究主要集中于土地利用/覆蓋類型的人工調(diào)查、分類與制圖等方面。20世紀上半葉,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，土地利用/覆被變化的研究逐漸趨于科學(xué)化和系統(tǒng)化，并應(yīng)用于經(jīng)濟、社會和地理等學(xué)科之中[19]。張希彪[20]以20世紀最后15 a隴東地區(qū)土地利用/覆被為研究對象，認為該區(qū)域人類活動和自然環(huán)境的變化是土地利用變化的基本驅(qū)動力，且提出水文狀況是該地區(qū)土地利用變化的主導(dǎo)自然驅(qū)動因素。鄒亞榮[21]的研究認為，青藏高原海拔的上升通過引起晚新生代北半球氣候變化，促使中國北方氣候干旱化和農(nóng)牧交錯區(qū)形成，并對東部草地變化產(chǎn)生影響。Houghton等人[22]研究表明，1850—2000年全球土地利用變化導(dǎo)致碳排放量達156 Gt，約占人為碳排放的33%。有研究[23-26]表明，自然干擾、土地利用狀況以及人類活動等引起的地表變化決定了生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的大小，同時LUCC會直接影響到植被和土壤的固碳能力，進而影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯功能[27]。DeFries等[28-29]早在1999年運用CASA模型模擬植被NPP，并分析LUCC對生態(tài)系統(tǒng)NPP變化的影響。Dong[30]和Hackler[31]等利用FAO土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，采用二氧化碳定量還原方法，并對不同類型植被設(shè)置不同的參數(shù)，研究了土地利用變化狀況及其與影響因素之間的關(guān)系。另外，陳廣生等[32]在關(guān)于LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響研究中，得出不同土地利用/覆被變化格局會造成大小各異的碳釋放，且不同區(qū)域的土地利用/覆被變化對生態(tài)系統(tǒng)碳交換格局的影響也不一致。然而，草地生態(tài)系統(tǒng)占陸地總面積的25%，超過3.00×108hm2，是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要類型之一，在全球碳循環(huán)中起著重要作用，并且大陸中緯度地區(qū)的草地是重要的碳匯，全球草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約為266.3 Pg，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的12.7%[33-34]。

研究草地碳循環(huán)機制，同時估算其碳貯量狀況也是目前國際地圈—生物圈研究計劃(IGBP)中碳循環(huán)研究的重要組成部分[35]。因此，系統(tǒng)分析草地的生態(tài)價值、草地植被在全球氣候變化中的貢獻，對于全球碳循環(huán)和碳收支平衡研究具有重要意義。然而目前深入地揭示LUCC對草地NPP變化的精細化定量化方面的研究還顯不足。

為此，本研究選取內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市作為研究區(qū)域，該地區(qū)屬于北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，對氣候變化響應(yīng)敏感；同時又是全國退耕還林、退牧還草生態(tài)工程的重點實施區(qū)域[30,36]，因此，利用遙感和GIS技術(shù)，基于模型模擬，針對該區(qū)域草地NPP時空格局以及對土地利用/覆被變化的響應(yīng)機制進行探討，研究結(jié)果可為退牧還草措施的高效實施和草地資源的合理管理提供重要的理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，黃河中上游(106°42′—111°27′E，37°35′—40°51′N)。地勢由南北向中部隆起，海拔高度1 400～1 700 m，自南而北帶狀分布的地貌類型有毛烏素沙地、準格爾東勝高平原、庫布齊沙漠和黃河沿岸沖積平原。東、南、西與晉、陜、寧接壤，北及東北與草原鋼城包頭以及自治區(qū)首府呼和浩特隔河相望[37]。鄂爾多斯地處溫帶季風(fēng)區(qū)西緣[38]，年均溫度為6～8 ℃，1月均溫-14～-8 ℃，7月均溫22～24 ℃；年均降水量為150～500 mm，主要集中于7—9月。植被類型主要以旱生、沙生的半灌木為主[39]，從東南到西北方向，其植被依次劃分為典型草原亞帶、荒漠草原亞帶和草原化荒漠亞帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

光能利用率(carnegie ames stanford approach, CASA)模型被廣泛地應(yīng)用于區(qū)域凈初級生產(chǎn)力和土地利用變化對碳源/匯影響的估算之中，該模型是從植被機理出發(fā)建立的遙感參數(shù)模型，基本參數(shù)包含植被指數(shù)、土地覆被類型、土壤水分、地表溫度和太陽輻射等[40-41]。數(shù)據(jù)來源及處理方法為：歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index， NDVI)采用MODIS的MOD13 Q1數(shù)據(jù)，包括2001,2007,2015年這3個年份其空間分辨率為250 m×250 m，時間分辨率為16 d。利用最大值合成法，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換和裁剪等處理后得到3個年份植被NDVI數(shù)據(jù)[42]。2001,2007,2015年各月氣象數(shù)據(jù)源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http:∥data.cma.cn/)，月均氣溫和月總降水量選取內(nèi)蒙古70個站點數(shù)據(jù)，月總太陽輻射數(shù)據(jù)來源于18個輻射站點，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、空間插值、裁剪等操作后得到各月份氣象數(shù)據(jù)。LUCC數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，分別采用2000,2005,2015年(分別對應(yīng)2001，2007，2015年NDVI數(shù)據(jù))全國土地利用/覆被數(shù)據(jù)分辨率為1 km，并對其進行投影轉(zhuǎn)換、裁剪等處理得到研究區(qū)3個年份的LUCC數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括6個Ⅰ級分類：耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地。為了數(shù)據(jù)的精確性和研究結(jié)果的科學(xué)性，需對所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一分辨率，由于NDVI是CASA模型中的重要參數(shù)，對NPP模擬結(jié)果影響較大，且其分辨率為250 m×250 m，故以上NDVI數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和LUCC數(shù)據(jù)均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為250 m×250 m空間分辨率，投影坐標為WGS84_Albers。

1.3 研究方法

1.3.1 模型及原理 估算陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的模型有3種，即參數(shù)模型、統(tǒng)計模型和過程模型。本文基于已有的CASA模型[43]，結(jié)合中國科學(xué)院土地利用/土地覆被分類標準，對研究區(qū)域耕地、林地、草地等NPP進行核算。該模型主要由氣象數(shù)據(jù)和植被NDVI數(shù)據(jù)等作為基本參數(shù)，結(jié)合植被吸收光合作用的有效輻射、溫度脅迫系數(shù)、水分脅迫系數(shù)和最大光能利用率等參數(shù)對植被NPP進行核算[33,44-46]。其中植被NPP主要由植被所吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(E)決定。

NPP(x,t)=APAR(x,t)-E(x,t)

式中:APAR(x,t)——像元x在t月份吸收的光合有效輻射(MJ/m2/月)；E(x,t)——像元x在t月份的實際光能利用率(g/MJ)。

APAR(x,t)=SOL(x,t)·FPAR(x,t)×0.5

式中：SOL(x,t)——像元x在t月份吸收的太陽總輻射量(MJ/m2/月)； FPAR(x,t)——植被層對入射光合有效輻射的吸收比例； 0.5——植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。

光能利用率是指植被把所吸收的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機碳的效率。在理想條件下，通常認為植被具有最大光能利用率，但是在實際情況中，真實最大光能利用率E(x,t)還受氣溫和降水的影響，具體計算公式為：

E(x,t)=TE1(x,t)·TE2(x,t)·WE(x,t)·Emax

式中：TE1(x,t)——指高溫對光能利用率的脅迫作用；TE2(x,t)——低溫對光能利用率的脅迫作用;WE(x,t)——水分脅迫系數(shù)，它主要表示核算的NPP受水分狀況的影響程度；Emax——理想條件下的最大光能利用率(g/MJ)。

溫度、水分等脅迫因子計算過程參照前人[47]的研究結(jié)果。最大光能利用率的取值隨著植被類型的不同而有差異，本文參考朱文泉等[43,47]模擬出的中國典型植被最大光能利用率取值，其中耕地、草地、水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地以及未利用土地，光能利用率的取值為0.542 g/MJ；并選取全球公認值0.389 g/MJ作為林地的最大光能利用率。

1.3.2 精度驗證 利用2008年7—8月在鄂爾多斯地區(qū)實測得到的11個草地樣方生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)馬文紅等[48]對內(nèi)蒙古草地地上和地下生物量分配比例的研究，將其換算成草地植被地上、地下植被生產(chǎn)力，得到草地實測NPP數(shù)據(jù)，并進行模型精度驗證。圖1為草地NPP模型模擬值和樣本實測值的相關(guān)性分析結(jié)果，R2=0.9168(p<0.001)，結(jié)果表明，模型模擬精度高，該模型可以應(yīng)用在鄂爾多斯草地NPP的模擬中。

圖1 NPP模擬值與實測值檢驗散點分布

2 結(jié)果分析

2.1 NPP時空格局分析

2.1.1 草地NPP空間分布特征分析 鄂爾多斯市草地NPP在空間上呈現(xiàn)明顯的地域差異性(附圖1)，NPP值自東南向西北遞減，分析原因主要是植被生長水分條件的影響，由于降水和蒸散發(fā)的綜合作用使得水分狀況出現(xiàn)自東南向西北遞減的規(guī)律[8]。同時NPP的空間分布上表現(xiàn)出明顯的經(jīng)度地帶性，以2015年最為顯著：107°E附近，NPP介于1～50 g/m2之間，109°E附近NPP在100～150 g/m2，110°E附近數(shù)值最大，NPP介于200～500 g/m2。

2.1.2 草地NPP時間變化特征分析 由附圖2可以看出，研究區(qū)草地NPP總量逐年上升，2001年為5 700.16 Tg，2007年為6 528.71 Tg，2015年為7 634.61 Tg，15 a間草地NPP總增加量為1 934.46 Tg。草地NPP年平均值在2001年〔107.49 g/(m2·a)〕，2007年〔125.86 g/(m2·a)〕,2015年〔146.14 g/(m2·a)〕也逐年增加。這可能是由于：一方面，退牧還草工程等促進草地面積增加，最終帶來草地NPP的增加[49]；另一方面，氣候的暖濕化使得草地固碳能力增強[50]，統(tǒng)計表明，在這15 a間，鄂爾多斯大部分地區(qū)的草地NPP呈現(xiàn)增長趨勢，年增長率為3 g/(m2·a)。草地在全球碳循環(huán)中占有重要的作用，在鄂爾多斯地區(qū)，草地分布最廣。若只考慮土地利用變化，2001—2007年草地生態(tài)系統(tǒng)NPP減少的總量為112.16 Tg；2007—2015年總增加量為47.20 Tg。2001—2007年，鄂爾多斯西部地區(qū)草地NPP普遍增加；但在東南部大部分地區(qū)草地NPP減少；東北部地區(qū)變化情況不穩(wěn)定，有增有減。原因可能是西部及北部地區(qū)分布著大量的油蒿、禾草和冷蒿等植被[51]，這類植被生長較為旺盛，同時對碳的固定能力較強。2007—2015年草地NPP的空間變化特征與2001—2007年相反，東部地區(qū)草地NPP普遍增加，變化范圍在123～365 g/m2之間，其原因可能是氣候的大規(guī)模不規(guī)則變化[50]和生態(tài)恢復(fù)工程的政策影響等。

2.2 LUCC狀況分析

將3個代表年份的土地利用類型面積進行統(tǒng)計分析,得到土地利用/覆被面積變化的轉(zhuǎn)移矩陣(表1—2)。由表1可知，2001—2007年，草地類型保持不變的面積為51 264.81 km2，占比96.67%；耕地和林地轉(zhuǎn)為草地的面積分別為119.06，92.50 km2；未利用地恢復(fù)為草地的面積為338.81 km2。但與此同時，也有大量草地退化為未利用地，面積達1 135.50 km2，轉(zhuǎn)化率為2.14%；草地轉(zhuǎn)化為耕地和林地的面積為214.19，302.25 km2；草地轉(zhuǎn)化為水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地的面積分別為34.56和76.88 km2，草地與其他土地類型相互轉(zhuǎn)移共導(dǎo)致草地凈減少1 154.51 km2。由表2可知，2007—2015年，沒有發(fā)生類型變化的草地面積為51 167.50 km2，占草地總面積的98.65%。耕地、林地、未利用地轉(zhuǎn)化為草地的面積分別為73.94，91.00，851.56 km2。草地向林地和城鄉(xiāng)工礦居民用地轉(zhuǎn)化的面積分別為151.06和434.88 km2，轉(zhuǎn)為水域和未利用地的面積僅為40.75和76.00 km2。15 a間，草地未發(fā)生變化的面積為51 167.50 km2，但其他類型轉(zhuǎn)化為草地的總面積為1 683.18 km2，相反，草地轉(zhuǎn)為其他土地類型面積為2 466.07 km2。

2.3 LUCC對草地NPP影響分析

2.3.1 未發(fā)生土地利用類型變化區(qū)域的NPP分析 在兩個研究時段內(nèi)，在土地利用類型未發(fā)生變化的地區(qū)，草地的NPP數(shù)值均有所增加，2001—2007年總增加量為940.73 Tg，2007—2015年草地NPP總量增加了1 058.70 Tg。在草地未發(fā)生類型變化的地區(qū)，土地利用方式的改善和氣候條件的變化都會成為該區(qū)域碳儲量增加的重要原因。

表1 鄂爾多斯市2001-2007年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表2 鄂爾多斯市2007-2015年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3.2 土地利用類型變化對草地NPP影響分析 研究區(qū)域LUCC變化及其帶來的草地NPP變化情況空間分布如圖2—3所示。土地利用/覆被變化對草地NPP的影響主要表現(xiàn)在草地轉(zhuǎn)為其他用地類型的減少和其他類型土地轉(zhuǎn)為草地的增加上。2001—2007年，由于草地轉(zhuǎn)為其他土地類型共導(dǎo)致NPP總量減少205.53 Tg，其中轉(zhuǎn)化為耕地、林地減少量分別為35.08和46.79 Tg，轉(zhuǎn)化為水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地時草地NPP的減少量分別為5.46和9.31 Tg，轉(zhuǎn)化為未利用地時的減少量為108.88 Tg，占總減少量的52.98%。2007—2015年，草地轉(zhuǎn)化為其他類型土地所引起的NPP總減少量為98.45 Tg，其中轉(zhuǎn)化為林地和水域時的減少量為23.03和5.21 Tg，轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)工礦居民用地的減少量為60.82 Tg，占減少量的62%；轉(zhuǎn)化為未利用地時草地NPP減少量為9.40 Tg。草地轉(zhuǎn)化為水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地時，大量植被被毀，土壤碳儲量降低，草地NPP減小。草地轉(zhuǎn)化為耕地、林地時，雖然其轉(zhuǎn)化之后該地區(qū)仍然有植被存在，但不同植被類型其生產(chǎn)力不同，并對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響也不同。

注：圖中數(shù)字表示土地利用/覆被類型變化，兩位序號代表前者轉(zhuǎn)為后者，如13代表耕地轉(zhuǎn)為草地。

2001—2007年，由于其他土地類型轉(zhuǎn)化為草地導(dǎo)致草地NPP的增量為93.37 Tg C，其中由耕地、林地、水域、未利用地轉(zhuǎn)化為草地使草地NPP增加量分別增量分別為21.56，14.89，9.53，47.10 Tg。2007—2015年，其他類型土地轉(zhuǎn)化為草地所帶來的草地NPP總增加量為145.65 Tg，其中耕地、林地向草地的轉(zhuǎn)化共帶來草地NPP增加量為14.74，16.50 Tg。由未利用地恢復(fù)為草地共導(dǎo)致草地NPP增加104.28 Tg，占總增加量的72.60%，未利用地轉(zhuǎn)化為草地，提高了草地生態(tài)系統(tǒng)的碳物質(zhì)儲量，這一土地利用類型的轉(zhuǎn)化成為草地NPP增加的重要原因[52-53]。然而草地、耕地、林地都覆蓋有較高的綠色植被，都具有較強的固碳能力[54]，因此它們之間的相互轉(zhuǎn)化時僅伴隨有較少的碳交換。

圖3 研究區(qū)2001-2007年和2007-2015年LUCC對應(yīng)草地NPP變化

3 結(jié) 論

(1) 2001—2015年草地NPP時空差異較大，空間分布上草地NPP呈現(xiàn)出自西向東逐漸增大的趨勢，數(shù)值波動在1.63～495.32 g/(m2·a)之間；草地NPP平均值逐年增加，增加量達到38.65 g/m2；總量年增長為128.96 Tg/a。

(2) 2001—2015年土地利用/覆被變化明顯。未發(fā)生變化草地面積為51 167.50 km2；耕地持續(xù)減少，其中轉(zhuǎn)為草地的面積為193 km2；1 190.37 km2的未利用地轉(zhuǎn)為草地；草地轉(zhuǎn)出為未利用地面積最多，為1 211.50 km2，占原有草地總面積的2.29%。

(3) LUCC對草地NPP影響較大，未利用地的重新利用以及耕地和林地向草地的轉(zhuǎn)化使草地NPP增加，草地碳匯總量增加。草地向未利用地的轉(zhuǎn)化是草地碳損失最大的方式，總量為118.28 Tg，占總損失量的38.91%。草地向水域和城鄉(xiāng)工礦居民用地的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致大量的碳損失，總損失量達到139.94 Tg，這使得草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力減弱。