滑永春, 馬秀枝, 薩如拉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)是綠色植物在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)所累積有機(jī)物的總量，是植物光合作用吸收的碳總量減去呼吸作用消耗碳的差值[1-3]，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究和植被長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)有重要的意義[4].近年來(lái)，隨著對(duì)全球變化及碳循環(huán)研究的不斷深入，NPP估算受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，國(guó)際地圈—生物圈計(jì)劃(IGBP)、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)(GCTE)和京都協(xié)議書都將NPP的研究列為核心內(nèi)容之一[5].

NPP研究開始階段是以統(tǒng)計(jì)學(xué)模型為主，例如以氣溫和降水為變量擬合NPP的Miami[6]模型.后來(lái)將潛在蒸散量和土壤含水量也引入Thornthwaite Memorial[7]模型，但該類模型由于是以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)，受地域環(huán)境條件的限制，很難進(jìn)行大范圍推廣使用.1985年又出現(xiàn)了植被生態(tài)生理學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的Chikugo[8]模型，該模型是一種半理論半經(jīng)驗(yàn)的植被NPP估算方法，但該模型是基于土壤水分充足、植物生長(zhǎng)茂盛這一前提的，在草原、荒漠地區(qū)適用性比較差.之后又出現(xiàn)TEM[9-10]、CENTURY[11]、BIOME-BGC[12-14]等生理生態(tài)過程模型，這類模型機(jī)理清楚，可與大氣環(huán)流模式相耦合，有利于預(yù)測(cè)全球變化對(duì) NPP 的影響.但實(shí)際應(yīng)用中由于模型復(fù)雜、所需參數(shù)太多且難以獲得，限制了其推廣應(yīng)用.光能利用率模型是反演區(qū)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.該類模型比較簡(jiǎn)單，可直接利用遙感獲得所需參數(shù)，適宜于向區(qū)域及全球推廣.其中CASA模型是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模擬中應(yīng)用最為廣泛的模型，該模型已得到全球1 900多個(gè)實(shí)測(cè)站點(diǎn)的校準(zhǔn)[20].

草地生態(tài)系統(tǒng)具有防風(fēng)、固沙、保土、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能，是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[21-23].內(nèi)蒙古草地約占全國(guó)草地總面積的四分之一，對(duì)維系生態(tài)平衡、區(qū)域發(fā)展有著重要的意義[24].內(nèi)蒙古草地植被動(dòng)態(tài)變化一直受到廣泛關(guān)注[25]，而目前大多數(shù)學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古草地NPP的研究未給出草地NPP未來(lái)的變化趨勢(shì).為此本文基于CASA模型計(jì)算出各類草地NPP，并運(yùn)用趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)等方法探討1982—2015年草地NPP的變化趨勢(shì)，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，旨在為區(qū)域生態(tài)建設(shè)提供技術(shù)支撐和決策依據(jù).

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于我國(guó)北部地區(qū)(37°24′—53°2′N，97°12′—126°04′E)，地處歐亞大陸內(nèi)部；由東北向西呈長(zhǎng)條形分布，東西距離約2 400 km，南北跨度1 700 km；土地總面積118.3萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的12.3%.研究區(qū)氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，溫?5～10 ℃，自東向西遞增; 降水量35～530 mm，自東南向西北遞減.內(nèi)蒙古草地總面積約為8 666.7 hm2，約占全區(qū)土地總面積的60%，占全國(guó)草地總面積的四分之一以上.內(nèi)蒙古草原類型基本可以劃分為草甸草原、典型草原和荒漠草原3種類型(圖1).

圖1 內(nèi)蒙古草原空間分布Fig.1 Spatial distribution of grassland in Inner Mongolia

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

2.1.1 GIMMS NDVI3g獲取及處理 植被指數(shù)數(shù)據(jù)為美國(guó)宇航局(NASA)最新提供的第3代NDVI數(shù)據(jù)集(GIMMS NDVI3g V1.0)(https://ecocast.arc.nasa.gov/data/pub/gimms/3g.v1/)，該數(shù)據(jù)集時(shí)間跨度為1982—2015年，時(shí)間分辨率為15 d，空間分辨率為8 km.經(jīng)過幾何精校正、輻射校正、大氣校正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理,采用Matlab對(duì)1982—2015年覆蓋內(nèi)蒙古草地的GIMMS NDVI3g數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌、圖像裁剪、Albers等面積投轉(zhuǎn)換處理，形成涵蓋內(nèi)蒙古草地的月度DNVI時(shí)空數(shù)據(jù)集.

2.1.2 ERA5氣象數(shù)據(jù) 選用的氣象再分析資料為ECMWF公開的ERA5數(shù)據(jù)(http://apps.ecmwf.int/datasets/)，它是迄今最強(qiáng)大的全球氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，具有較高的時(shí)空分辨率，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)，空間分辨率高達(dá)0.125°.選用覆蓋內(nèi)蒙古草地1982—2015年1—12月0.125°的ECMWF-ERA5氣象模式2 m溫度、降水、太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)；采用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、年度合成、圖像裁剪、Albers等面積投轉(zhuǎn)換處理.

2.1.3 草原數(shù)據(jù) 草原類型數(shù)據(jù)是在中科院植物所2000年制作的1∶100萬(wàn)全國(guó)植被類型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的草甸草原、典型草原和荒漠草原范圍的提??；并對(duì)草原圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、柵格化等處理，獲得投影和分辨率與遙感數(shù)據(jù)一致的數(shù)字化產(chǎn)品.

2.2 研究模型

CASA模型是估計(jì)NPP的代表性模型，由植被吸收的光合作用有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)決定植被NPP.采用朱文泉等[26]改進(jìn)的光能利用率模型計(jì)算NPP：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)代表象元x在t月吸收的光合有效輻射，ε(x,t)代表像元x在t月的實(shí)際光能利用率.

植被吸收的光能有效輻射由太陽(yáng)總輻射和植被本身的特性決定，表示為：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×0.5×FPAR(x,t)

(2)

式中：SOL(x,t)為t時(shí)間在像元x處的全日照總輻射量；而FPAR(x,t)為植被對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收量；常數(shù)0.5為植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射，即光合有效輻射(波長(zhǎng)0.4～0.7 μm)，是總?cè)照樟康陌俜直?

光能轉(zhuǎn)化率指植物光合作用固定的PAR計(jì)量的干物質(zhì)總量.在實(shí)際條件下，光能利用率(ε)受溫度和降水的影響，計(jì)算公式表示如下：

ε(x,t)=Tε(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：Tε(x,t)為溫度對(duì)光能利用率脅迫系數(shù)；Wε(x,t)為水分對(duì)光能利用率脅迫系數(shù)；εmax為非現(xiàn)實(shí)條件下植物的最大光能轉(zhuǎn)化率，取值因植被類型的不同而有所不同.依據(jù)包剛等[27]對(duì)內(nèi)蒙古草原植被最大光能利用率的研究結(jié)果進(jìn)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別為0.654、0.553、0.511 g·MJ-1.

基于像元的一元線性回歸分析，模擬34 a來(lái)研究區(qū)植被的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

(4)

式中：θslope為趨勢(shì)變化率，n=34(監(jiān)測(cè)年數(shù))，Ci為內(nèi)蒙古第i年的植被NPP.θslope<0表示植被NPP降低，反之則表示植被NPP上升.采用F檢驗(yàn)對(duì)植被NPP的年際趨勢(shì)變化進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).計(jì)算公式為：

(5)

Hurst指數(shù)可有效預(yù)測(cè)時(shí)間序列的未來(lái)變化趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域.計(jì)算過程如下：

對(duì)于時(shí)間序列NPP(t)，t=1，2，3，n，以及任意正整數(shù)p≥1，定義均值序列NPP(p)為：

(6)

定義累積離差序列NPP(t,p)為：

(7)

定義極差序列R(p)為：

(8)

定義標(biāo)準(zhǔn)差序列S(p)為：

(9)

Hurst通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐總結(jié)，建立了如下關(guān)系：

(10)

式中：H為Hurst指數(shù).當(dāng)H=0.5時(shí)，NPP時(shí)間序列為隨機(jī)序列；當(dāng)0.5

圖2 草地NPP模擬驗(yàn)證Fig.2 Verification of simulated grassland NPP

3 結(jié)果與分析

3.1 NPP模擬驗(yàn)證

利用2011—2014年在研究區(qū)調(diào)查的35個(gè)實(shí)測(cè)草地(1 m×1 m)生物量數(shù)據(jù)，按照地上、地下部分的碳分配近似比(1∶5.73)和碳轉(zhuǎn)化率(0.475)，得到實(shí)測(cè)的NPP.對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和CASA模型的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析(圖2)，結(jié)果表明R2達(dá)到0.789 1，RMSE為45.34，說明利用該模型可以較好地模擬真實(shí)草地NPP.

3.2 草地NPP空間分布格局

3.2.1 草地NPP時(shí)空變化特征 1982—2015年內(nèi)蒙古草地NPP呈由西南向東北逐漸遞增的分布格局(圖3).東北部的草甸草原NPP最大，年均NPP值為383.66 g·m-2·a-1；其次為中部的典型草原，年均NPP值為245.46 g·m-2·a-1；西部荒漠草原的NPP最低，年均NPP值為123.76 g·m-2·a-1.

NPP年均值為0～100 g·m-2·a-1的區(qū)域主要分布在巴彥淖爾市、烏蘭察布市的北部和錫林郭勒盟的西北地區(qū)；NPP年均值為100～200 g·m-2·a-1的區(qū)域主要位于鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、包頭市、烏蘭察布市的北部和錫林郭勒盟的西部地區(qū)；NPP年均值為200～300 g·m-2·a-1的區(qū)域主要包括錫林郭勒盟的東部、鄂爾多斯市的東部、呼倫貝爾的西部等地區(qū)；NPP年均值為300～400 g·m-2·a-1的區(qū)域主要包括錫林郭勒盟的東部、呼倫貝爾的西部，以及零星分布于赤峰市、興安盟、通遼等地區(qū)；NPP年均值為400～500 g·m-2·a-1的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟的東部、呼倫貝爾的西部等地區(qū)；NPP年均值為500 g·m-2·a-1以上的區(qū)域主要集中在呼倫貝爾市的東、南、北部等地區(qū).

圖3 1982—2015年內(nèi)蒙古草地NPP均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of annual mean grassland NPP in Inner Mongolia from 1982 to 2015

3.2.2 草地NPP年際變化 對(duì)1982—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)各種草原類型NPP值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果(圖4)表明研究區(qū)NPP值在1982—1999年處于上升階段，2000—2011年處于下降的趨勢(shì)，2012—2015年NPP值又開始快速增長(zhǎng).總體上來(lái)看植被NPP值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)的斜率為0.137.其中典型草原增長(zhǎng)最快，線性回歸斜率為0.247；其次是荒漠草原，回歸斜率為0.229；草甸草原為負(fù)增長(zhǎng)，回歸斜率為-0.108.

圖4 內(nèi)蒙古地區(qū)各種草原類型NPP的年際變化Fig.4 Interannual variation of NPP for different types of grassland in Inner Mongolia

3.2.3 草地NPP的空間變化 為定量描述草原NPP值的變化趨勢(shì)，將研究區(qū)的NPP空間變化劃分為6個(gè)等級(jí)(圖5).內(nèi)蒙古地區(qū)草原極顯著增加和顯著增加的面積分別占草原總面積的11.76%、18.92%.其中，草甸草原極顯著增加和顯著增加的面積分別占草甸草原總面積的7.84%、12.74%，主要分布于鄂爾多斯市的烏審旗、伊金霍洛旗、杭錦旗、達(dá)拉特旗，錫林郭勒盟的東烏珠穆沁旗，通遼市的庫(kù)倫旗、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼，興安盟的科爾沁右翼前旗、扎賚特旗，呼倫貝爾市的新巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、牙克石市、鄂倫春自治旗、額爾古納市、扎蘭屯市、鄂溫克族自治旗等地區(qū)；典型草原極顯著增加和顯著增加的面積分別占典型草原總面積的15.19%、23.10%，主要集中在鄂爾多斯市的東勝市、鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審旗、伊金霍洛旗、杭錦旗、達(dá)拉特旗、準(zhǔn)格爾旗，錫林郭勒盟的東烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗、錫林浩特市，赤峰市的敖漢旗，通遼市的奈曼旗、庫(kù)倫旗、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗，呼倫貝爾市的新巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗等地區(qū)；荒漠草原極顯著增加和顯著增加的面積分別占荒漠草原總面積的7.92%、16.76%，主要集中于鄂爾多斯市的鄂托克旗、鄂托克前旗、杭錦旗，巴彥淖爾市的烏拉特前旗、烏拉特中旗、烏拉特后旗，錫林郭勒盟的蘇尼特左旗.內(nèi)蒙古地區(qū)草原極顯著減少和顯著減少的面積占草原總面積的4.26%、8.08%.其中，草甸草原極顯著減少和顯著減少的面積分別占草甸草原總面積的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、阿魯科爾沁旗，通遼市的扎魯特旗，興安盟的科爾沁右翼中旗，呼倫貝爾的新巴爾虎旗、牙克石市、鄂倫春自治旗、額爾古納市、牙克石市、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗、鄂溫克族自治旗等地區(qū)；典型草原極顯著減少和顯著減少的面積分別占典型草原總面積的3.97%、6.85%，主要集中于錫林郭勒盟的西烏珠穆沁旗，赤峰市的巴林左旗、巴林右旗、阿魯科爾沁旗，通遼市的扎魯特旗，興安盟的科爾沁右翼中旗等地區(qū)；荒漠草原極顯著減少和顯著減少的面積分別占荒漠草原總面積的0.42%、2.52%，主要分布在錫林郭勒盟的蘇尼特左旗和蘇尼特右旗.草原不顯著增加和不顯著減少的面積分別占草原總面積的41.66%、31.34%.其中，草甸草原、典型草原、荒漠草原不顯著變化面積分別占其對(duì)應(yīng)草原類型總面積的73.96%、70.05%和80.72%.

圖5 NPP變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)Fig.5 Variation trend and significance test of NPP

3.3 NPP變化的持續(xù)性

由圖6可知，內(nèi)蒙古自治區(qū)NPP Hurst指數(shù)空間差異明顯，全區(qū)絕大部分區(qū)域H<0.5，其面積比例高達(dá)93.87%(表1)，而全區(qū)平均H值也達(dá)到0.40(表2)，表明植被整體呈現(xiàn)反持續(xù)性，2015年之后一定時(shí)期內(nèi)研究區(qū)內(nèi)植被的NPP變化趨勢(shì)可能發(fā)生反轉(zhuǎn).全區(qū)H值為0.1～0.2或0.6～0.7時(shí)植被占總面積的比例很小，僅為0.07%、0.16%，說明植被正持續(xù)性及反持續(xù)性不強(qiáng)；H值為0.4～0.6時(shí)植被占總面積的46.90%，表明未來(lái)變化趨勢(shì)不明確，主要集中在不顯著變化植被上；H值為0.2～0.4的植被占總面積的52.86%，其中不顯著變化的面積占88.23%，意味著這些植被不再保持穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)NPP增加或減少的變化.顯著和極顯著增加、減少的面積分別占總面積的8.03%、3.82%，說明未來(lái)植被NPP減少的可能性要比植被增加的大.NPP可能增加的區(qū)域主要集中在錫林郭勒盟的蘇尼特右旗、西烏珠穆沁旗，赤峰市的翁牛特旗、巴林左旗、巴林右旗、阿魯科爾沁旗，通遼市的扎魯特旗等地區(qū).NPP可能減少的區(qū)域位于西部的鄂爾多斯市，巴彥淖爾市以及包頭市，東部的錫林郭勒盟的蘇尼特左旗、東烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗，赤峰市敖漢旗，通遼市的奈曼旗、庫(kù)倫旗、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗，呼倫貝爾市的新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗等地區(qū).

圖6 內(nèi)蒙古草地1982—2015年NPP Hurst指數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of Hurst index of grassland NPP in Inner Mongolia from 1982 to 2015

表1 NPP變化趨勢(shì)及其Hurst指數(shù)矩陣表Table 1 Matrix Table of variation trend and Hurst index of NPP %

表2 研究區(qū)不同草地類型的NPP Hurst指數(shù)Table 2 NPP Hurst index of different types of grassland in the study area

從表2可知，各種類型草地的H值都小于0.5，說明2015年后植被NPP有向反方向發(fā)展的趨勢(shì)，但變化不快.荒漠草原和典型草原NPP增加的面積比減少的面積大，表明這兩種草地在顯著變化的區(qū)域內(nèi)NPP有下降的趨勢(shì)，且荒漠草原NPP下降趨勢(shì)大于典型草原.草甸草原NPP增加的面積比減少的面積略小，表明未來(lái)在顯著變化的區(qū)域NPP可能出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

本文利用1982-2015年GIMMS NDVI3g NDVI數(shù)據(jù)及同期降水、氣溫、太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)反演內(nèi)蒙古草原的NPP，分析了區(qū)域內(nèi)NPP的時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力，結(jié)果表明：

(1)1982-2015年內(nèi)蒙古草地NPP呈由西南向東北逐漸遞增的分布格局.東北部的草甸草原NPP最大，年均NPP值為383.66 g·m-2·a-1；其次為中部的典型草原，年均NPP值為245.46 g·m-2·a-1；西部荒漠草原NPP最低，年均NPP值為123.76 g·m-2·a-1.

(2)內(nèi)蒙古地區(qū)草原1982—2015年極顯著和顯著增加的面積占草原總面積的11.76%、18.92%.其中，典型和荒漠草原極顯著和顯著增加的面積大于極顯著和顯著減少的面積，草原NPP呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；草甸草原極顯著和顯著增加的面積略小于極顯著和顯著減少的面積，草原NPP略有下降的趨勢(shì).

(3)內(nèi)蒙古自治區(qū)草原NPP Hurst指數(shù)空間差異明顯，全區(qū)絕大部分區(qū)域H<0.5，平均H值為0.40，表明植被整體呈現(xiàn)反持續(xù)性，2015年后一定時(shí)期內(nèi)研究區(qū)內(nèi)草地NPP變化趨勢(shì)可能發(fā)生反轉(zhuǎn).

4.2 討論

(1)本研究利用CASA模型模擬內(nèi)蒙古草地NPP，結(jié)果表明1982—2015年草地年均NPP為266.94 g·m-2·a-1，與以往研究對(duì)比有一定的差異，但在合理范圍(217.3～312.0 g·m-2·a-1)[28]，主要原因是研究時(shí)段、模型參數(shù)、數(shù)據(jù)源不同[29].在模型參數(shù)中，最大光能轉(zhuǎn)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].包剛等[27]對(duì)內(nèi)蒙古草原植被最大光能利用率εmax取值進(jìn)行研究，草甸草原、典型草原和荒漠草原εmax分別為0.654、0.553和0.511 g·MJ-1，結(jié)果表明實(shí)測(cè)NPP與模擬NPP之間的決定系數(shù)和均方根誤差分別提高了0.024和2.62 g·m-2.本研究參照文獻(xiàn)[27]選取εmax，通過模型驗(yàn)證精度可以達(dá)到0.79.

(2)潘萌甜等[28]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古草原2001—2014年NPP呈現(xiàn)出不顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中草甸草原和荒漠草原NPP總體呈上升趨勢(shì)，而典型草原則有下降的趨勢(shì).楊晗等[29]研究表明2001—2016年內(nèi)蒙古草地NPP顯著增加的面積大于顯著減少的面積，大部分地區(qū)草地NPP呈波動(dòng)上升趨勢(shì).本研究得出的結(jié)論基本上與上述研究一致.但本研究結(jié)果表明草甸草原NPP略有下降，主要原因是分析時(shí)段的跨度不一樣，部分草地在長(zhǎng)短時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)有所不同.