趙 鵬， 于瑞德， 陳 桃， 郭艷飛， 吳燕良

(1. 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所： a. 干旱區(qū)環(huán)境演變實(shí)驗(yàn)室， b. 荒漠與綠洲國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity， NPP)是指植物在單位時(shí)間、單位面積通過光合作用累積的有機(jī)物總量扣除自身生長消耗的有機(jī)物的量后剩余的部分[1]，不僅能反映植被固定CO2的能力，而且對維系陸地生態(tài)系統(tǒng)氣候穩(wěn)定有重要作用[2]。大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)主要由地表植被完成，因此，植被NPP值是評估生態(tài)系統(tǒng)碳匯及功能的重要因子。另外，植被NPP值也是評估生態(tài)環(huán)境修復(fù)情況及了解水資源開發(fā)和碳平衡生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)[3]。

MOD17A3遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于研究不同地區(qū)植被生長發(fā)育狀況、監(jiān)測環(huán)境變化、估算生物量和全球氣候變化等領(lǐng)域[4-11]。小流域植被NPP值的動態(tài)變化與碳循環(huán)和碳擾動、氣候變化、土地利用變化和自然資源管理等密切相關(guān)[1]。然而，關(guān)于小流域植被NPP值動態(tài)變化情況及其與氣候關(guān)系的研究十分匱乏，因此，開展流域和區(qū)域尺度的植被NPP值動態(tài)變化研究具有十分重要的意義。

新疆博爾塔拉-精河流域位于干旱、半干旱地區(qū)，生態(tài)環(huán)境問題突出，生態(tài)退化程度很高[12]。博爾塔拉-精河流域是重要的防沙、治沙和濕地保護(hù)區(qū)，在天山北坡生態(tài)防護(hù)體系中占有重要地位。然而，隨著全球氣候變化和人類活動加劇，博爾塔拉-精河流域的荒漠化問題日益嚴(yán)重[13]。目前，關(guān)于該地區(qū)水資源可利用性、河流水文特征、氣候變化特征和生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)等方面[14-17]已有許多研究報(bào)道，但尚不清楚該地區(qū)植被生長對氣候變化的響應(yīng)。

鑒于此，基于2000年至2015年的MOD17A3遙感數(shù)據(jù)，作者對新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值的時(shí)空變化及其與該地區(qū)主要?dú)夂蛞蜃幽昃鶞睾湍昃邓康年P(guān)系進(jìn)行了研究，以期探明博爾塔拉-精河流域植被NPP值的中長期變化，了解該地區(qū)的環(huán)境承載力及其生態(tài)結(jié)構(gòu)健康狀況，為博爾塔拉-精河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

： 耕地Cultivated land； ： 草地Grassland； ： 水體Water body； ： 建設(shè)用地Building land； ： 裸地Barren land； ： 林地Forest land； ： 灌木地Shrub land.

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州的博爾塔拉-精河流域綠洲地區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯43°38′～45°52′、東經(jīng)80°53′～85°02′，主要由南北兩側(cè)的山地、中部的博爾塔拉谷地和東部的艾比湖盆地組成，海拔(400～2 000 m)由西向東遞減。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候，綠洲面積約6 337 km2，年均降水量約181 mm，年均蒸發(fā)量約1 562 mm，年均溫6 ℃～8 ℃；地表覆蓋類型主要有耕地、草地、林地、灌木地、水體、建設(shè)用地和裸地(圖1)，其中，耕地和草地面積分別占該地區(qū)總面積的45%和27%，林地和灌木地面積之和占該地區(qū)總面積的3%。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理方法 植被NPP值數(shù)據(jù)為美國NTSG(numerical terradynamic simulation group)網(wǎng)站(http：∥www.ntsg.umt.edu/)2000年至2015年新疆博爾塔拉-精河流域的MOD17A3遙感數(shù)據(jù)，擬合模型為BIOME-BGC模型，分辨率為1 km×1 km，并將非植被因子造成的異常值像元賦值為0。地表覆蓋數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http：∥www.globallandcover.com/)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：∥data.cma.cn/)。由于部分站點(diǎn)缺失個(gè)別年份數(shù)據(jù)，故選用新疆52個(gè)站點(diǎn)2000年至2015年的年均溫和年均降水量數(shù)據(jù)，利用Kriging插值法[18-19]進(jìn)行插值，并將插值數(shù)據(jù)裁剪成與研究區(qū)大小、形狀和分辨率一致的柵格圖像。

1.2.2 相關(guān)性分析 基于像元計(jì)算新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值與年均溫和年均降水量的相關(guān)系數(shù)[20]。相關(guān)系數(shù)介于-1～1，大于0為正相關(guān)，小于0為負(fù)相關(guān)，等于0為不相關(guān)；相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，說明相關(guān)性越強(qiáng)，反之則相關(guān)性越弱。

1.2.3 變化趨勢分析 采用一元線性回歸分析法[21]，基于像元分析2000年至2015年新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值的變化，單個(gè)像元線性回歸線的斜率即年際變化率。

2 結(jié)果和分析

2.1 植被NPP值的時(shí)間變化特征

由2000年至2015年新疆博爾塔拉-精河流域不同地表覆蓋類型植被NPP值的變化(圖2)可見：4種地表覆蓋類型的植被NPP值總體呈上升趨勢且均在2000年最小，但最大值的年份不同，其中，林地和耕地的植被NPP值分別在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年期間，林地的植被NPP值為287.7～384.5 g·m-2，平均值為321.1 g·m-2；耕地的植被NPP值為213.9～289.2 g·m-2，平均值為254.1 g·m-2；灌木地的植被NPP值為166.3～206.2 g·m-2，平均值為190.3 g·m-2；草地的植被NPP值為106.7～158.6 g·m-2，平均值為131.7 g·m-2。根據(jù)植被NPP值的平均值，該地區(qū)各地表覆蓋類型植被NPP值從高到低依次為林地、耕地、灌木地、草地。

結(jié)果(表1)表明：2000年至2015年整個(gè)研究區(qū)植被NPP值的平均值、最大值和最小值變化存在明顯差異。其中，2003年該地區(qū)植被NPP值的最小值最小，僅為0.2 g·m-2；2013年該地區(qū)植被NPP值的最大值最大，為484.7 g·m-2。根據(jù)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年該地區(qū)植被NPP值的極差為347.0～479.8 g·m-2，極差最大值出現(xiàn)在2009年，極差最小值出現(xiàn)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值的空間變化特征

由2000年至2015年新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值的平均值空間分布(圖3)可見：該地區(qū)植被NPP值的平均值為0.0～393.7 g·m-2，其空間分布呈現(xiàn)中間高、四周低的特征。距離2條河流較近的區(qū)域多為耕地、林地和灌木地，植被NPP值的平均值較高(213.1～393.7 g·m-2)；博爾塔拉河上游和中游兩側(cè)的山地及其下游入湖口區(qū)域多為草地，植被NPP值的平均值較低(0.0～213.1 g·m-2)；2條河流下游部分區(qū)域及艾比湖周圍多為裸地和建設(shè)用地，幾乎無植被覆蓋，植被NPP值的平均值為0.0 g·m-2。

基于像元，對該地區(qū)植被NPP值與時(shí)間進(jìn)行一元線性回歸分析，從而獲得植被NPP值空間分布的變化(圖4)。結(jié)果表明：環(huán)境因子改變導(dǎo)致植被NPP值空間分布變化呈現(xiàn)一定差異。該地區(qū)植被NPP值空間分布變化以增加為主，植被NPP值增加的區(qū)域占該地區(qū)總面積的57.22%；植被NPP值減少的區(qū)域占該地區(qū)總面積的19.90%，主要分布在博爾塔拉河上游兩側(cè)的山地區(qū)域及河流下游區(qū)域；植被NPP值不變的區(qū)域占該地區(qū)總面積的22.88%，主要分布在城鎮(zhèn)、艾比湖及其周圍無植被的區(qū)域，這些區(qū)域主要為建設(shè)用地、水體和裸地。

： M=0.0 g·m-2； ： 0.0 g·m-2

2.3 植被NPP值與主要?dú)夂蛞蜃拥南嚓P(guān)性分析

基于像元，新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值與年均溫和年均降水量的相關(guān)性分別見圖5和圖6。

由圖5可見：該地區(qū)53.45%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈負(fù)相關(guān)，其中1.89%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)；23.67%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈正相關(guān)，其中0.28%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈顯著正相關(guān)；22.88%區(qū)域的植被NPP值與年均溫不相關(guān)?？傮w來看，新疆博爾塔拉-精河流域大部分區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈負(fù)相關(guān)，而與年均溫呈正相關(guān)的區(qū)域則比較分散。

：-1.00≤R≤-0.40； ： -0.40

： -1.00≤R≤-0.40； ： -0.40

由圖6可見：41.65%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈正相關(guān)，其中9.95%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈顯著正相關(guān)，這些區(qū)域主要分布在博爾塔拉河的上游和中游，尤其是其上游和中游兩側(cè)山地的草地植被NPP值與年均降水量的相關(guān)性最高；35.47%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈負(fù)相關(guān)，其中0.24%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，這些區(qū)域主要分布在2條河流的下游；22.88%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量不相關(guān)，這些區(qū)域主要為水體、裸地和建設(shè)用地。

3 討論和結(jié)論

高原[22]的研究結(jié)果表明：2000年至2010年，新疆博爾塔拉河流域植被NPP值呈上升趨勢。本研究中，林地、耕地、灌木地和草地4種地表覆蓋類型的植被NPP值在2000年至2015年總體呈上升趨勢，這可能與新疆地區(qū)氣候持續(xù)暖濕化的變化有關(guān)[23]，這種氣候變化利于植被生長。并且，整個(gè)研究區(qū)57.22%區(qū)域的植被NPP值增加。比較而言，在新疆博爾塔拉-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值較低，草地的植被NPP值最低。不同植被類型特有的生物學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致其在同一氣候條件下生產(chǎn)能力存在差異[24]。林地多位于適宜植被生長的地區(qū)，植物對太陽輻射的利用率高，雖然林地面積偏小，但喬木的生物量最大，因此，林地的植被NPP值最高；雖然耕地農(nóng)作物的生物量偏小，但面積最大，因此，其植被NPP值也較高；相比而言，雖然灌木的生物量較大，但灌木地的面積卻最小，而草地雖然面積較大，但草本植物的生物量卻最小，因此，灌木地和草地植被NPP值總體上較低。實(shí)際上，新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值多年平均值的空間分布特征與地表覆蓋類型關(guān)系密切。距離2條河流較近的區(qū)域多為耕地、林地和灌木地，其植被NPP值的平均值較高，而草地多分布在博爾塔拉河上游和中游兩側(cè)的山地及其下游入湖口區(qū)域，其植被NPP值的平均值較低，導(dǎo)致新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值的空間分布呈現(xiàn)中間高、四周低的特征。

由于植被的生長狀況與氣候變化密切相關(guān)[25-26]，因此，探明植被NPP值對全球和區(qū)域氣候變化的響應(yīng)是研究植被與氣候因子關(guān)系的一個(gè)重要方面[27]。20世紀(jì)80年代至90年代以來，北疆地區(qū)的年均溫和年均降水量均呈上升趨勢，區(qū)域氣候朝暖濕方向發(fā)展[28]，利于植被生長[23]。另外，人類活動也會對該區(qū)域植被NPP值產(chǎn)生影響，適當(dāng)限制人類活動有利于促進(jìn)該區(qū)域天然植被生長[29]。相關(guān)性分析結(jié)果表明：新疆博爾塔拉-精河流域上游和中游兩側(cè)山地的草地與年均降水量呈顯著正相關(guān)，說明年均降水量對新疆博爾塔拉-精河流域上游和中游兩側(cè)山地的草地植被NPP值的影響很大。由于這些區(qū)域草地的海拔較高，且距離博爾塔拉河較遠(yuǎn)，植被受河流水量的影響較小，加上這些區(qū)域草地植被為天然草地植被，幾乎沒有人類活動干擾，據(jù)此推測，這些區(qū)域草地植被與年均降水量關(guān)系密切，年均降水量可能是影響這些區(qū)域草地植被NPP值的主要?dú)夂蛞蜃?。相關(guān)性分析結(jié)果還表明：2條河流下游區(qū)域大部分地區(qū)的植被NPP值與年均降水量呈負(fù)相關(guān)，這可能是因?yàn)?條河流下游區(qū)域水量充足，能夠滿足植被生長需求，降水時(shí)云層增厚反而影響植物的光合作用，從而抑制植物生長[30]。此外，新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值與年均溫總體呈負(fù)相關(guān)，這可能是因?yàn)闅鉁厣邔?dǎo)致植物蒸發(fā)量增加，限制了植物生長。

值得注意的是，在博爾塔拉河上游和中游兩側(cè)山地的草地與年均降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域，部分草地的植被NPP值減少，這是因?yàn)殡m然該地區(qū)年均降水量總體呈增加趨勢，但極有可能存在空間分布不均現(xiàn)象，在降水量偏少的區(qū)域植被生長受到抑制。另外，2條河流下游區(qū)域的植被NPP值減少，且這些區(qū)域與年均溫和年均降水量的相關(guān)性不顯著，推測這些區(qū)域植被NPP值減少可能與人類活動有關(guān)。

本研究中，2000年至2015年，新疆博爾塔拉-精河流域的植被NPP值總體呈上升趨勢，只有小部分區(qū)域(占該研究區(qū)總面積的19.90%)植被NPP值減少；區(qū)內(nèi)植被NPP值的平均值呈現(xiàn)中間高、四周低的分布特征，說明研究區(qū)內(nèi)的植被主要分布在河流附近區(qū)域。總體來看，年均溫和年均降水量對新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值有一定影響，其中，53.45%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈負(fù)相關(guān)，23.67%區(qū)域的植被NPP值與年均溫呈正相關(guān)；41.65%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈正相關(guān)，35.47%區(qū)域的植被NPP值與年均降水量呈負(fù)相關(guān)，且年均降水量對博爾塔拉河上游和中游兩側(cè)山地的草地植被NPP值影響最顯著。

本研究利用MOD17A3遙感數(shù)據(jù)分析了新疆博爾塔拉-精河流域植被NPP值的時(shí)空變化及其對氣候變化的響應(yīng)，但在實(shí)際研究過程中沒有考慮到人為活動(如灌溉、施肥和放牧等)對植被NPP值的影響，因此，該地區(qū)植被NPP值變化的主導(dǎo)因子到底是氣候因子還是人為因子還需要后續(xù)的深入研究。