内蒙古温带草原NPP时空变化特征分析

潘萌甜，梁俊红*，李 佳，姜群鸥，聂承静

(1.湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002；2.中国科学院 青藏高原研究所，北京 100101；3.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083；4.河北经贸大学 公共管理学院，河北 石家庄 050061)

植被净初级生产力(NPP)对陆地生态系统碳循环研究有着重要的意义[1-3]。内蒙古地区67%的面积分布着温带草原，大约占全国草地面积的22%[4]。内蒙古地区温带草原生态系统对气候和环境变化十分敏感，定量地分析草地NPP的时空变化特征及其对气候变化的响应，探讨其在全球变化背景下对陆地碳循环的贡献，对于合理利用草地资源、实现草地生态系统的可持续发展有重要的指导意义[5]。

光能利用率模型是研究区域尺度NPP特征的常用手段[6]，已有大量的模型针对区域尺度的陆地生态系统NPP进行估算[7]。比如GLO-PEM[8]、SDBM[9]、TURC[10]、VPM[11]、CASA[12]，这些模型的结构参照光能利用率原理，然而模型之间参数差异很大，参数的准确性对模型结果影响很大。光能利用率模型(LUE)是在基于广泛应用的GLO-PEM、CASA等模型结构的基础上，根据可以直接利用的区域尺度遥感产品参数(MODIS产品参数)模拟生态系统NPP。已有研究表明该模型对区域尺度植被NPP具有很好的模拟效果[13]，可以用来模拟内蒙古温带草原地区的NPP。此外，内蒙古温带草原主要包含草甸草原、典型草原和荒漠草原3种类型[14-15]。已有一些研究基于CASA模型模拟分析草原NPP对气候变化的响应[5,14,16]。本研究利用新发展的LUE模型模拟内蒙古温带草原NPP，探讨对气候变化的响应：分析内蒙古温带草原NPP空间特征，分析内蒙古温带草原NPP年际变化特征，探讨不同类型温带草原(草甸草原，典型草原和荒漠草原)NPP对气候因子(降水和温度)的响应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区(37°24′-53°23′N，97°12′-126°04′E)位于我国北部边疆，总面积约118万km2。温带草原主要为典型的温带大陆性气候，多年平均降水量50～450 mm，多年平均气温8℃。内蒙古温带草原主要包括草甸草原，典型草原和荒漠草原(图1)。 草甸草原主要位于内蒙古东北地区，植被类型主要有贝加尔针茅(Stipabaicalensis) 和线叶菊(Filifoliumsibiricum)。典型草原分布在中部地区，植被类型以大针茅(S.grandis)和克氏针茅(S.krylovii)为主。荒漠草原则分布在西部地区，植被类型主要有短花针茅(S.breviflora)和猪毛菜(Salsolacollina)[17]。

图1 内蒙古温带草原空间分布

1.2 气象和遥感数据

选取覆盖研究区的52个国家气象台站数据(http://cdc.cma.gov.cn)，包括降水、温度、太阳辐射、地表水气压、日照日数、风速和相对湿度等参数。气象数据主要作为模型的驱动数据，同时还用于分析内蒙温带草原NPP时空变化和气候变化的关系。通过ANUSPLINE 软件进行插值得到[18]内蒙古地区气象特征，并统一成时间分辨率8 d和空间分辨率1 km。

土地覆盖数据(LUCC)来源于“地球系统科学数据共享平台”(http://www.geodata.cn)提供的2005年内蒙古1∶25万土地覆盖图，数据内容包括3个主要草地类型,然后与1∶100万中国植被图的草地类型融合，得到了内蒙古温带草原空间分布图(图1)[19]。

驱动LUE模型还需要MODIS陆面和大气的遥感数据。这其中包括MODIS大气产品的大气水汽含量，angstrom's系数，云层光学厚度，臭氧层厚度和云顶气压[13]，还有AMSR-E传感器提供的土壤湿度数据(Soil Moisture)。大气产品数据有些会有缺失，用Savitzky-Golay滤波的办法进行处理[20]，满足模型需要，最后将MODIS遥感数据插值成时间分辨率8 d和空间分辨率1 km。

1.3 LUE模型

利用LUE模型反演NPP[13]，该模型主要的特点是用遥感数据驱动。

NPP=PAR×FPAR×ε-Ra

(1)

式中，ε是光能转化率，Ra是植被自养呼吸，包括维持性呼吸和生长性呼吸[21-22]。PAR是植被光合有效辐射，在模型中用MODIS大气产品数据反演得到。FPAR是植被吸收光合有效辐射比例，直接从MODIS陆面产品中获取[13]。

1.4 NPP趋势分析

参照线性回归分析法计算植被NPP时空变化趋势。

(2)

式中，θs为变化斜率；n代表时间(年)；NPPi表示第i年的NPP；当θs>0或θs<0表示NPP的增加或者减少。本文还利用显著性检验判断NPP变化趋势是否显著。

1.5 相关性分析

NPP与温度或降水量的相关系数计算公式如下[23]：

(3)

偏相关系数计算公式如下[23]：

(4)

2 结果与分析

2.1 NPP模拟验证

利用2008-2010年在研究区间调查的64个实测样地生物量数据与模型模拟结果进行对比验证(图1和图2)。采样和处理数据方法参考已有的文献[24]。采用方精云[25]等植被生物量(g)转换为碳(gC)的转换系数(0.45)进行转换，并求得各类型草地估算与实测平均值(图2)。对比结果表明，LUE模型模拟的温带草原NPP与实测结果具有显著的线性相关性(斜率=0.812,R2=0.71,P<0.001,n=64)，均方根误差(RMSE)为40.21 gC·m-2·a-1，大约是实测NPP平均值的18%。模型模拟的NPP值略微高于实测值(表1)。3种草地类型(荒漠草原，典型草原和草甸草原)的均方根误差分别是58.64 gC·m-2·a-1,36.56 gC·m-2·a-1和41.28 gC·m-2·a-1。3种草地模拟的NPP与实测结果都有显著的线性相关性(表2)，其中荒漠草原 (Slope=0.752,R2=0.75,P<0.001,n=10)，典型草原(Slope=0.714,R2=0.68,P<0.001,n=38)和草甸草原(Slope=0.947,R2=0.66,P<0.001,n=16)，说明LUE模型模拟的结果精度较高。

图2 草地NPP模拟验证

将CASA模型模拟值与实测值进行对比(表1)表明，CASA模型模拟的NPP平均值略高于本研究LUE模型的结果，也高于不同类型草地实测的NPP结果，标准差和LUE模型模拟结果基本在同一范围。CASA模型的模拟NPP具有广泛的应用，并且在不同的研究区域模拟精度很高，本研究LUE模型模拟的NPP与CASA模型有相似的趋势，和实测数据验证对比则显示LUE模型值略低于CASA，可能是因为驱动模型的数据源不一样，CASA模型在模拟PAR和NPP中主要使用的气象站点观测数据，通过插值而得到面上的数据，而LUE模型则直接采用MODIS的大气产品，由于这个区别而导致模拟的结果的略微差异。基于以上分析，本研究认为LUE模型能够运用于内蒙古温带草原NPP模拟和分析研究。

表1 不同草地类型NPP模拟验证结果

2.2 NPP空间分布特征

内蒙古温带草原2001-2014年平均NPP具有从东北部向西南部逐渐递减特征(图3)。对于整个区域而言，温带草原2001-2014年年平均NPP值为235.65 gC·m-2·a-1，14 a间的年平均值从205.62 gC·m-2·a-1到 270.53 gC·m-2·a-1不等。温带草原NPP年平均总量87.37 TgC·a-1，大概占整个内蒙古陆地生态系统NPP的36.7%。

对于3种草地类型，草甸草原NPP值最大，典型草原次之，而荒漠草原值最小。草甸草原NPP10 a间多年平均值是358.97 gC·m-2·a-1，年平均值从294.85～431.95 gC·m-2·a-1不等。典型草原NPP10 a间多年平均值是237.17 gC·m-2·a-1，年平均值从217.05～281.87 gC·m-2·a-1不等。荒漠草原NPP10 a间多年平均值是127.77 gC·m-2·a-1，年平均值从107.31～144.33 gC·m-2·a-1不等。3种草地类型NPP年平均总量分别是草甸草原19.28 TgC·a-1、典型草原57.83 TgC·a-1和荒漠草原10.25 TgC·a-1，分别占内蒙古温带草原NPP总量的22%、66%和12%。

图3 2001-2014年内蒙古温带草原平均NPP空间分布特征

2.3 NPP时间变化特征

内蒙古温带草原2001-2014年NPP呈现出不显著的增加趋势，增长斜率为0.91 gC·m-2·a-1，与已有的研究结果一致[16]。 2003年草地NPP值最大，年平均值为270.51 gC·m-2·a-1，NPP总量为102.3 TgC·a-1(比2014年平均值高13.5%)。然而，2001年草地NPP值最小，年平均值为205.62 gC·m-2·a-1，NPP总量为77.8 TgC·a-1(比2014年平均值低11.9%)(图4a)。对于草甸草原来说，2003年NPP值最大(431.95 gC·m-2·a-1)，2004年NPP值最小(294.58 gC·m-2·a-1)。对于典型草原来说，2003年NPP值最大(281.87 gC·m-2·a-1)，2001年NPP值最小(217.05 gC·m-2·a-1)。对于荒漠草原来说，2003年NPP值最大(133.45 gC·m-2·a-1)，2004年NPP值最小(107.31 gC·m-2·a-1)。3种草地类型中，草甸草原和荒漠草原NPP在此10 a呈现出增加的趋势，而典型草原则呈现出下降的趋势(图4b)。草甸草原在14 a间年平均增长4.61 gC·m-2·a-1，主要集中在锡林郭勒东部和呼伦贝尔草原。内蒙西部地区的荒漠草原在14 a平均增长1.56 gC·m-2·a-1。 典型草原集中在阴山和锡林郭勒中部地区，NPP在此14 a则出现了减少的趋势，平均每年降低-1.45 gC·m-2·a-1。

进一步分析内蒙古草地NPP年际变化趋势在空间上的显著性差异。极端显著减少(ESD)，显著减少(SD)，不显著减少(NSD)，不显著增加(NSI)，显著增加(SI)和极端显著增加(ESI)的区域分别占整个研究区的7.50%，3.41%，38.08%,38.05%，4.52% 和8.41%(图5)。总体而言，有76.13%的区域NPP变化(增加或减少)不具备显著性。对于草甸草原，极端显著减少(13.39%) 和极端显著增加(23.76%)的区域高于显著减少(4.07%)和显著增加(7.73%)，51.03%的区域变化(增加或减少)无显著性。对于典型草原，极端显著减少，极端显著增加，显著减少和显著增加的区域分别占6.63%，4.86%，7.83% 和4.56%，76.11%的区域变化(增加或减少)没有显著性。对于荒漠草原，94.65% 的区域变化(增加或减少)无显著性，只有3.56%的区域有显著性增加或者减少。

图4 2001-2014年内蒙古不同草地类型NPP年际变化值(a)以及总体变化趋势(b)

图5 不同草地类型变化趋势的显著性检验结果

类型气候因子最小最大平均值温带草原降水-0.720.870.11温度-0.770.63-0.06草甸草原降水-0.560.720.06温度-0.680.630.08典型草原降水-0.650.850.13温度-0.770.51-0.06荒漠草原降水-0.810.960.20温度-0.780.59-0.11

2.4 NPP对降水和温度的响应

在空间像元尺度计算内蒙古温带草原2001-2014期间年NPP与年降水量和年均温的偏相关系数。分析结果认为，内蒙古温带草原NPP有76.35%的区域与降水量有正相关性,而NPP只有36.17%区域与温度有正相关性(图6)。简而言之，内蒙古温带草原NPP变化对降水的敏感性强于对温度的敏感性，这一结论与已有的研究结果相符合[26-27]。

NPP对降水和温度的响应在不同的草地类型和区域也有不同的特征(表2)。对于草甸草原来说，NPP变化同时受到降水和温度变化的影响，其中54.66%的区域与降水有正相关关系，70.59%的区域与温度有正相关关系，NPP与温度的平均偏相关系数为0.08，NPP与降水的平均偏相关系数为0.06。锡林郭勒东北部，鄂尔多斯和呼伦贝尔草原这些区域草甸草原的NPP与温度的偏相关系数范围在0.3～0.6，而NPP与降水的偏相关系数范围在-0.2～0.4。因此,草甸草原NPP受温度的影响较大，主要是因为这些区域降水较充足(温带半湿润区)，而温度相对较低，植被生长对温度的变化更为敏感。

对于典型草甸来说，71.29%的区域NPP与降水有正相关关系，35.96%的区域与温度有正相关关系，NPP与温度的平均偏相关系数为-0.06，NPP与降水的平均偏相关系数为0.13。锡林郭勒盟、巴彦淖尔盟和呼伦贝尔盟西部地区的典型草原NPP与降水的偏相关系数在0.3～0.7，而NPP与温度的偏相关系数在-0.4～0.4。因此，典型草原NPP受降水的影响较大，主要是因为典型草原分布范围广，大多位于半干旱区域，温度比草甸草原区域高，有利于植被生长，而降水在这个区域对植被生长就变得更为敏感。

对于荒漠草原来说，81.38%的区域NPP与降水有正相关关系，31.56%的区域与温度有正相关关系，NPP与温度的平均偏相关系数为-0.11，NPP与降水的平均偏相关系数为0.20。内蒙古西部地区的荒漠草原NPP与降水的偏相关系数在0.5～0.8，而NPP与温度的偏相关系数在-0.4～0.2。因此，荒漠草原相比于典型草原，NPP对降水的响应更为敏感(表3)。

图6 2001-2014年内蒙古温带草原NPP与降水(a)和温度(b)因子的偏相关系数空间分布

模型年份/年NPP/(gC·m-2·a-1)文献Miami2002958.6朱文泉[30]等.2005Montreal2002687.4朱文泉[30]等.2005Chikugo2002442.9朱文泉[30]等.2005CASA2002259.9朱文泉[30]等.2005CASA1982-2002290.2张 峰[5]等.2008CASA2001-2010281.3穆少杰[16]等.2013CEVSA2000-2008310.0赵国帅[32]等.2011Biome-BGC2000-2008312.0国志兴[31]等.2008改进CASA2003217.3李 刚[17]等.2007LUE2001-2014235.6本研究

4 结论与讨论

NPP模拟的准确性是本研究分析和研究的基础[33-34]。目前已有大量的研究模拟了内蒙古区域温带草原NPP，而本研究模拟的NPP均值为235.6 gC·m-2·a-1，明显低于气候生产力模型的结果，和其他遥感光能利用率模拟的结果基本一致，在合理范围(217.3～312 gC·m-2·a-1)。

气候因子降水量和温度的变化，对于内蒙古草地生长有着重要的影响。李刚[17]等认为内蒙古草地NPP受降水和生物温度的影响较大，但受降水的影响更为明显。殷贺[28]等在对内蒙古荒漠化研究中发现，降水因子和荒漠区植被恢复有着显著的促进作用。张峰[5]等认为内蒙古典型草原区NPP与年降水量呈极显著的相关关系,年降水量显著影响NPP的变异，而NPP与年均温无显著相关关系。闫伟兄[29]等 认为内蒙古典型草原区(主要包括本研究的草甸草原区域)NPP的增加是主要是温度增加导致的。本研究认为内蒙古草地植被的生长主要受降水量影响，但不同草地类型NPP对降水量、温度的依赖性有明显差异。本研究所属时段内(2001-2014年)，内蒙古温带草原地区年降水量呈现升高趋势，年均温呈现降低趋势[16]。降水量增加可以改善土壤水分条件，增强光合速率，从而提高生物量；温度降低能够减少蒸散，从而减少可利用水分的散失，有利于植被生长。因此，整个区域温带草原总体是增加的。然而典型草原的NPP是略微下降的。有可能是人类活动影响造成的。穆少杰[16]等认为国家实施的退牧还草和围封转移生态恢复工程集中在已退化草地和风沙源地区，而由牲畜数量上升引起的逐年增加的放牧压力则向原来的未退化草地转移，可能是2001-2014年间锡林郭勒盟中部的典型草原NPP出现下降趋势的原因。但是典型草原NPP趋势到底是有气候变化主导还是人类活动主导，尚无一定量分析结果，待进一步探讨。

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