2000-2010年錫林郭勒草原NPP 時(shí)空變化及其氣候響應(yīng)

劉海江，尹思陽(yáng)，孫 聰，彭福利，周 澎

(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012； 2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；3.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

前植物生產(chǎn)層

2000-2010年錫林郭勒草原NPP 時(shí)空變化及其氣候響應(yīng)

劉海江1，尹思陽(yáng)2，孫 聰1，彭福利1，周 澎3

(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012； 2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；3.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

利用MODIS MOD17A3植被初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)產(chǎn)品及地面氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究分析了2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時(shí)空變化特征、各氣候因子的年際變化特征及NPP與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，錫林郭勒盟草原NPP的分布由東向西逐漸減小，值大多分布在0～0.5 kg C·m-2；2001-2010年NPP呈現(xiàn)波動(dòng)變化，整體呈增加趨勢(shì)，空間分布上更加趨于均勻分布；2000-2010年，研究區(qū)內(nèi)典型草原和荒漠草原各氣候因子的變化趨勢(shì)大致相同，4-9月累計(jì)平均氣溫、平均相對(duì)濕度和累計(jì)日照時(shí)數(shù)呈減小趨勢(shì)，平均風(fēng)速呈增加趨勢(shì)，累計(jì)降水量典型草原呈輕微減少趨勢(shì)，荒漠草原呈增加趨勢(shì)，趨勢(shì)斜率分別為-0.026和1.044 5，典型草原大部分氣候因子的波動(dòng)程度大于荒漠草原；研究區(qū)內(nèi)兩種類(lèi)型的草原的NPP均與4-9月累計(jì)平均氣溫、平均日最低氣溫有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系(顯著水平分別為P<0.001和P<0.01)，與累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系(顯著水平為P<0.01)，與4-9月累計(jì)日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系但相關(guān)關(guān)系較弱，荒漠草原對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)總體不如典型草原敏感。

錫林郭勒盟草原；凈初級(jí)生產(chǎn)力；氣候因子；MODIS

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量植物群落在自然環(huán)境條件下生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)，通常定義為植物在單位時(shí)間、單位面積上，由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[1-2]。NPP與全球氣候變化及碳循環(huán)有著密切的關(guān)系，是植被生態(tài)系統(tǒng)中的重要參數(shù)[3]。NPP的變化直接反映了生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境氣候條件的響應(yīng)，因此可以作為生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究指標(biāo)[4-5]。

草原生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，由于草原生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感性使內(nèi)蒙古草原成為全球變化研究的典型區(qū)域之一[6]。NPP不僅是草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的直接反映，也是草原生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要表征[7-9]，定量地分析草地NPP的時(shí)空分布特征及其對(duì)氣候因子的響應(yīng)，研究在全球氣候變化背景下氣候與草原NPP的相互作用關(guān)系，對(duì)于合理利用草地資源、實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義[10-11]。為此，本研究利用EOS/MODIS的MOD17A3數(shù)據(jù)和地面氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時(shí)空變化特征及其與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于蒙古高原東南緣，內(nèi)蒙古自治區(qū)的中部，地理坐標(biāo)范圍為110°59′-120°00′ E，42°32′-46°41′ N，區(qū)域海拔800～1 800 m，地勢(shì)南高北低，略向中間傾斜。該地南北寬約500 km，東西長(zhǎng)約700 km，面積約為20.3萬(wàn)km2，占內(nèi)蒙古自治區(qū)面積的17.2%，全盟轄12個(gè)旗縣市(9旗、2市、1縣)(圖1)。錫林郭勒盟地處中緯度內(nèi)陸，屬于中溫帶半干旱、干旱大陸性季風(fēng)氣候，區(qū)域年平均氣溫0～3 ℃，由西南向東北減?。荒昶骄邓?50～500 mm，由東南向西北遞減；年平均蒸發(fā)量1 540～2 300 mm，由東向西遞增。錫林郭勒盟的土壤和植被分布有顯著的水平地帶性規(guī)律，從東向西草地植被類(lèi)型依次為草甸草原-典型草原-荒漠草原[12]。

1.2 研究數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的EOS/MODIS數(shù)據(jù)(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/)，下載得到2000-2010年的MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時(shí)間分辨率為yearly，空間分辨率為1 km。MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間覆蓋范圍為2000年1月到2010年12月，包含3個(gè)圖層，分別為總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity，GPP)、NPP和質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。

利用NASA提供的MODIS圖像處理工具M(jìn)RT(MODIS Reprojection Tools)對(duì)MODIS-NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，將HDF文件格式轉(zhuǎn)換為T(mén)iff格式，將SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為China Lambert Conformal Conic投影，同時(shí)完成圖像的空間拼接和重采樣。然后利用錫林郭勒盟行政區(qū)劃矢量文件裁剪得到錫林郭勒盟地區(qū)2000-2010年的NPP柵格圖像。

圖1 研究區(qū)位置

注：底圖為在國(guó)家測(cè)繪局網(wǎng)站下載獲取的1 200萬(wàn)中英文對(duì)照政區(qū)版地圖，審圖號(hào)為GS(2008)1417號(hào)。

Note: Base map is the administrative zone map both in Chinese and English at a scale of 1∶1 2000 thousand that comes from the website of the National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation of China. Drawing number is GS(2008)1417.

植被類(lèi)型數(shù)據(jù)為中國(guó)1∶400萬(wàn)植被圖[13]，數(shù)據(jù)來(lái)源于“寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，處理得到研究區(qū)的植被分布情況[14]。氣象數(shù)據(jù)為2000-2010年8個(gè)氣象觀(guān)測(cè)站每日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水、相對(duì)濕度及日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得到各觀(guān)測(cè)站年均氣象數(shù)據(jù)。研究區(qū)植被分布情況及氣象站點(diǎn)位置如圖2所示。根據(jù)不同草原類(lèi)型植被的分布情況，將氣象站點(diǎn)劃分為屬于典型草原和荒漠草原兩大類(lèi)，以便對(duì)不同的草原類(lèi)型進(jìn)行NPP對(duì)氣候因子的響應(yīng)研究[15]。根據(jù)中國(guó)植被分類(lèi)系統(tǒng)，叢生禾草草原群系組屬于典型草原植被亞型，叢生矮禾草、矮半灌木草原群系組屬于荒漠草原植被亞型，各氣象站點(diǎn)的分類(lèi)情況如表1所示[16-18]。

1.3 研究方法

1.3.1 線(xiàn)性趨勢(shì)分析方法 采用線(xiàn)性趨勢(shì)分析方法來(lái)分析2000-2010年間錫林郭勒盟NPP及氣候因子的變化趨勢(shì)，計(jì)算公式為：

(1)

式中，Slope為趨勢(shì)斜率，n為監(jiān)測(cè)時(shí)間段的年數(shù)，Xi為第i年的待分析變量。利用變量序列和時(shí)間序列的相關(guān)關(guān)系來(lái)判斷待分析變量的年際變化趨勢(shì)，若Slope>0，表示隨時(shí)間的增加變量呈上升趨勢(shì)，否則，呈下降趨勢(shì)，Slope數(shù)值的大小反映了變量隨時(shí)間變化的速率大小。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù) 采用標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來(lái)描述2000-2010年間NPP及有關(guān)氣候因子的絕對(duì)變異量和相對(duì)波動(dòng)程度。標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

圖2 研究區(qū)植被類(lèi)型及氣象站點(diǎn)分布圖

1.3.3 Person相關(guān)系數(shù)及相關(guān)性檢驗(yàn) 采取空間相關(guān)分析方法分析NPP與各氣候因子及各氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算相關(guān)系數(shù)：

(4)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中大樣本定理，樣本量大于30才有統(tǒng)計(jì)意義。當(dāng)樣本量較小時(shí)計(jì)算所得相關(guān)系數(shù)可能會(huì)與總體相關(guān)系數(shù)偏離較遠(yuǎn)。這時(shí)，需要計(jì)算無(wú)偏相關(guān)系數(shù)(R*)加以校正，計(jì)算公式為：

(5)

在概率統(tǒng)計(jì)中，偏相關(guān)系數(shù)是在對(duì)其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下，衡量多個(gè)變量中某兩個(gè)變量之間的線(xiàn)性相關(guān)程度的指標(biāo)[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 NPP的時(shí)空變化特征

2.1.1 NPP的空間分布特征 利用2000-2010年的NPP數(shù)據(jù)計(jì)算研究區(qū)域11年的平均NPP(圖3)。錫林郭勒盟草原NPP的分布有較明顯的水平地帶性規(guī)律，由東向西NPP逐漸減小，與該地區(qū)植被類(lèi)型的分布相對(duì)應(yīng)。錫林郭勒盟草原的NPP一般在0～0.5 kg C·m-2，總體均值為0.15 kg C·m-2，大部分區(qū)域的年平均NPP在0.05～0.25 kg C·m-2，約占總面積的99.14%。為方便討論，分別記0.00～0.10 kg C·m-2為低NPP，0.10～0.15kg C·m-2為稍低NPP，0.15～0.20 kg C·m-2為中NPP、0.20～0.25 kg C·m-2為稍高NPP，0.25～0.50 kg C·m-2為高NPP，將NPP分為5個(gè)不同的等級(jí)。那么，對(duì)于錫林郭勒盟草原2000-2010年NPP來(lái)說(shuō)，低NPP主要分布在其西南的蘇尼特右旗、二連浩特及蘇尼特左旗的北部，渾善達(dá)克沙地北部，約占研究區(qū)總面積的17.57%；稍低NPP主要分布在研究區(qū)中部的阿巴嘎旗、鑲黃旗、正鑲白旗北部及蘇尼特左旗的南部，包括阿巴嘎熔巖臺(tái)地及渾善達(dá)克沙地南部，約占研究區(qū)總面積的36.19%；中NPP主要分布在正鑲白旗、正藍(lán)旗、錫林浩特市及東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗的西部，大部分位于烏拉蓋洼地，約占研究區(qū)總面積的32.87%；稍高NPP主要分布在太仆寺旗、多倫縣及東烏珠穆沁旗東部和西烏珠穆沁旗的南部，大部分位于大興安嶺向西延伸的西部山麓地帶及陰山山脈向東延伸的北部山麓地帶，即察哈爾地山丘陵地區(qū)，約占研究區(qū)總面積的12.49%；高NPP的分布區(qū)域很小，大約只占研究區(qū)總面積的0.04%[12]。研究區(qū)NPP分布與王穎等[20]研究得到的錫林郭勒盟草原植被覆蓋度分布基本一致。

表1 氣象站點(diǎn)位置及其主要草原類(lèi)型Table 1 Locations and grassland types of the meteorological stations

2.1.2 NPP的時(shí)空變化特征 為了分析研究區(qū)域NPP的年際變化，對(duì)錫林郭勒盟逐年的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除數(shù)據(jù)中用來(lái)表示湖泊、冰雪、城市等區(qū)域的無(wú)效填充數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)不同NPP等級(jí)的分布面積，利用ArcGIS軟件成圖輸出，得到2000-2010年逐年的NPP分布圖(圖3)?？梢钥闯觯?003年研究區(qū)的整體NPP升高，棕色區(qū)域明顯減少。2004-2007年，棕色和黃色區(qū)域增加，表明研究區(qū)的NPP不斷減小，而到2008年又有所改善。2009-2010年，研究區(qū)整體的NPP呈減少趨勢(shì)。

為進(jìn)一步描述錫林郭勒盟2000-2010年不同區(qū)域NPP的變化情況，計(jì)算各像元的變化趨勢(shì)斜率及變異系數(shù)(圖4)。研究區(qū)平均NPP變化的趨勢(shì)斜率為0.000 1，表明2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP整體呈增加的趨勢(shì)，平均年變化速率為0.000 1 kg C·m-2·a-1，NPP總量平均每年比上一年增長(zhǎng)0.07%。大部分地區(qū)NPP的變化趨勢(shì)斜率在-0.005～0.005 kg C·m-2·a-1，約占研究區(qū)總面積的97.97%，表明大部分區(qū)域NPP的變化速率較小(圖4a)；趨勢(shì)斜率大于0.005 kg C·m-2·a-1的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的1.05%，零星分布于多倫縣、阿巴嘎旗中部及東烏珠穆沁旗北部；趨勢(shì)斜率小于-0.005 kg C·m-2·a-1的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的0.97%，主要分布于正鑲白旗和鑲黃旗的南部。NPP變化趨勢(shì)斜率大于零的區(qū)域主要分布在蘇尼特右旗、蘇尼特左旗的東南部及錫林郭勒盟中部的渾善達(dá)克沙地和東北和東南部的察哈爾山區(qū)丘陵地區(qū)，表明這些區(qū)域的植被長(zhǎng)勢(shì)總體逐年變好。變異系數(shù)反映了NPP在2000-2010年11年間的波動(dòng)情況，研究區(qū)的NPP變異系數(shù)大多在0.10～0.25，約占研究區(qū)總面積的89.84%。NPP值波動(dòng)較大的區(qū)域主要分布在阿巴嘎旗、錫林浩特北部和東烏珠穆沁旗西南部以及正鑲白旗、鑲黃旗東南部和蘇尼特右旗南部(圖4b)。研究區(qū)東北部和西南部大部分區(qū)域NPP變異系數(shù)小于0.15，NPP的年際波動(dòng)變化較小。這與穆少杰等[7]的相關(guān)研究結(jié)論基本一致。

圖3 2000-2010年逐年的NPP分布情況

圖4 2000-2010年NPP年際變化趨勢(shì)斜率(a)及變異系數(shù)(b)分布情況

為分析研究區(qū)域總體的NPP變化趨勢(shì)，對(duì)整個(gè)研究區(qū)取均值，得到2000-2010年研究區(qū)平均NPP的變化趨勢(shì)(圖5)。由變化曲線(xiàn)可以看出，2001-2010年錫林郭勒盟草原NPP呈現(xiàn)波動(dòng)變化，趨勢(shì)斜率為0.000 1 kg C·m-2，在2003年達(dá)到11年間的最大值(0.178 kg C·m-2)，比多年平均值高21%；在2000年和2007年降到極小值，分別為0.129和0.127 kg C·m-2，比多年平均值低13%；其余年份的NPP均在多年均值的上下10%以?xún)?nèi)波動(dòng)。對(duì)于不同草地類(lèi)型，利用氣象站點(diǎn)及其周?chē)臄?shù)據(jù)，計(jì)算得到典型草原和荒漠草原兩種草原類(lèi)型的NPP年際變化趨勢(shì)也在圖5中展示出來(lái)。需要說(shuō)明的是，一般研究認(rèn)為10 km是氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的有效范圍，并可以避免數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)[14,21-23]，因此，本研究分別將每個(gè)氣象站點(diǎn)10 km以?xún)?nèi)的像元NPP取均值來(lái)代表該站的NPP值。由不同草地類(lèi)型NPP的變化曲線(xiàn)可以看出，典型草原的NPP(0.20～0.14 kg C·m-2)較高于荒漠草原的(0.18～0.14 kg C·m-2)；典型草原NPP的波動(dòng)幅度較大，兩組數(shù)據(jù)的變異系數(shù)分別為0.13和0.09；兩種草原類(lèi)型的NPP都隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，但典型草原減小的速度較荒漠草原大些，其趨勢(shì)斜率分別為-0.001和-0.000 1 kg C·m-2·a-1。

圖5 2000-2010年4-9月不同草原類(lèi)型各氣候因子及NPP的變化情況

根據(jù)研究區(qū)NPP的分布情況，將其分為5個(gè)等級(jí)，分別統(tǒng)計(jì)得到2000-2010年不同等級(jí)NPP的面積變化情況。結(jié)果表明，稍低NPP和中NPP的面積呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)斜率分別約為750.05和362.25 km2·a-1；低NPP、稍高NPP和高NPP的面積呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)斜率分別約為-875.95、-129.16和-103.11 km2·a-1。由此反映出，在2000-2010年間，NPP值較高和較低區(qū)域的面積減小，研究區(qū)NPP更加趨于均勻分布。這與王穎等[20]研究分析錫林郭勒盟草原植被覆蓋度變化得出的結(jié)論基本一致。從變異系數(shù)來(lái)看，低NPP、稍高NPP和高NPP面積的波動(dòng)比較大，變異系數(shù)分別為0.39、0.54和1.03，相對(duì)不穩(wěn)定；而稍低NPP和中NPP的面積波動(dòng)小，變異系數(shù)分別為0.21、0.17。

2.2 NPP時(shí)空變化與氣候因子的關(guān)系

2.2.1 氣候因子的年變化 根據(jù)各氣象站的草地類(lèi)型，分別統(tǒng)計(jì)荒漠草原和典型草原氣候因子的變化情況。由于當(dāng)溫度小于0 ℃時(shí)大部分植物的葉子氣孔會(huì)關(guān)閉，從而使光合作用停止，而有機(jī)物的積累主要依靠光合作用，故當(dāng)日最低溫度大于0 ℃時(shí)才可能進(jìn)行有機(jī)物的積累。根據(jù)錫林郭勒盟地區(qū)草原的物候期特征，草原從返青期到成熟期的時(shí)間大致為4-9月[24]。綜合考慮，選取錫盟4-9月日最低氣溫大于0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)氣溫、平均日最低氣溫、累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度、累計(jì)日照時(shí)數(shù)及平均風(fēng)速等氣候因子進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)它們?cè)?000-2010年的變化情況(圖5)。

對(duì)于4-9月氣溫，分別統(tǒng)計(jì)了兩種草原類(lèi)型氣溫通過(guò)0 ℃的天數(shù)、累計(jì)平均氣溫及平均日最低氣溫，結(jié)果顯示，荒漠草原的氣溫明顯高于典型草原，其2000-2010年累計(jì)平均氣溫均值分別為3 159.14和2 686.16 ℃；但這3個(gè)因子的變化趨勢(shì)和波動(dòng)程度大致相同；在2010年，4-9月氣溫高于0 ℃的天數(shù)明顯減少，但平均日最低氣溫增加，累計(jì)平均氣溫變化不明顯。對(duì)于4-9月累計(jì)降水量，典型草原的降水量明顯高于荒漠草原，兩種草原類(lèi)型2000-2010年均值分別為228.09和157.28 mm；2000-2010年荒漠草原降水量呈增加趨勢(shì)，典型草原呈輕微的減少趨勢(shì)，趨勢(shì)斜率分別為1.044 5和-0.026 0 mm·a-1；兩種草原類(lèi)型累計(jì)降水量的峰值都出現(xiàn)在2003年，分別為317.14和217.40 mm。對(duì)于4-9月平均相對(duì)濕度，也是典型草原高于荒漠草原，但兩種草原類(lèi)型的相對(duì)濕度變化趨勢(shì)大致相同，趨勢(shì)斜率分別為-0.169 1%·a-1和-0.361 7%·a-1，除2003年和2008年出現(xiàn)較高的峰值外，在其他幾年波動(dòng)不大，變異系數(shù)分別為0.068 1和0.092 6。對(duì)于4-9月累計(jì)日照時(shí)數(shù)，荒漠草原高于典型草原，2000-2010年均值分別為1 595.19和1 442.04 h；但兩種草原類(lèi)型累計(jì)日照時(shí)數(shù)都有減小的趨勢(shì)，其趨勢(shì)斜率分別為-3.17和-9.68 h·a-1。對(duì)于4-9月平均風(fēng)速，荒漠草原大于典型草原，其2000-2010年均值分別為4.012和3.210 m·s-1；對(duì)于兩種草原風(fēng)速都隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，其趨勢(shì)斜率分別為0.036和0.009 m·s-1·a-1，但典型草原的風(fēng)速變化較荒漠草原平穩(wěn)，變異系數(shù)分別為0.050 6和0.045 2。

為了分析不同草原類(lèi)型各氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)(表2、表3)。對(duì)于典型草原，4-9月累計(jì)氣溫與累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為-0.8且通過(guò)顯著水平為0.01的t檢驗(yàn)。累計(jì)降水量與平均相對(duì)濕度有顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為0.9且通過(guò)顯著水平為0.001的t檢驗(yàn)。4-9月累計(jì)氣溫與平均日最低氣溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別約為0.5和0.6，但均沒(méi)通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)。另外，平均相對(duì)濕度與累計(jì)日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為-0.6；累計(jì)日照時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為0.5，也都沒(méi)有通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)。說(shuō)明對(duì)于典型草原的各氣候因子，只有4-9月累計(jì)氣溫與累計(jì)降水量和平均相對(duì)濕度，以及累計(jì)降水量與平均相對(duì)濕度之間有較顯著的相關(guān)關(guān)系。

對(duì)于荒漠草原，4-9月累計(jì)氣溫同樣與累計(jì)降水量和平均相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均約為-0.7并且通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)，與典型草原相比相關(guān)性較弱。累計(jì)降水量和平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為0.8并且通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)。4-9月累計(jì)氣溫與平均日最低氣溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)也呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別約為0.5和0.6，但均沒(méi)有通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)。另外，與典型草原不同，荒漠草原4-9月累計(jì)日照時(shí)數(shù)與平均風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為-0.6，但也沒(méi)有通過(guò)顯著水平為0.05的t檢驗(yàn)；4-9月平均相對(duì)濕度與累計(jì)日照時(shí)數(shù)的相關(guān)關(guān)系不大。

表2 典型草原2000-2010年各氣候因子及NPP間的相關(guān)關(guān)系

注：表中數(shù)據(jù)均指2000-2010年研究區(qū)4-9月的相關(guān)數(shù)據(jù)；*為通過(guò)顯著水平為0.05檢驗(yàn)(P<0.05)，**為通過(guò)顯著水平為0.01檢驗(yàn)(P<0.01)；***為通過(guò)顯著水平為0.001檢驗(yàn)(P<0.001)。下同。

Note: The data in this

Table is the study area’s data of Aripl to September from 2000-2010. In the table, * represents the correlation coefficient is significant at the 0.05 level, ** represents the correlation coefficient is significant at the 0.01 level， and *** represents the correlation coefficient is significant at the 0.001 level. The same below.

表3 荒漠草原2000-2010年各氣候因子及NPP間的相關(guān)關(guān)系

2.2.2 NPP變化與氣候因子的相關(guān)關(guān)系 為了分析NPP變化與氣候因子的關(guān)系，本研究對(duì)分別屬于典型草原和荒漠草原的8個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算其在2000-2010年逐年NPP與相應(yīng)氣候因子的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)(表4、表5)。對(duì)不同草地類(lèi)型的氣象站，計(jì)算其各氣候因子及NPP的均值，得到其相關(guān)關(guān)系(表2、表3)。其中各氣象站逐年的NPP數(shù)據(jù)為每個(gè)氣象站點(diǎn)10 km以?xún)?nèi)所有像元的NPP均值。

對(duì)于典型草原，NPP與4-9月累計(jì)氣溫、平均日最低氣溫呈負(fù)相關(guān)，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為-0.9和-0.8，且均通過(guò)了顯著水平為0.001的假設(shè)檢驗(yàn)；NPP與4-9月累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為0.9和0.8，且均通過(guò)了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗(yàn)；NPP與4-9月累計(jì)日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速相關(guān)性不大，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為-0.10和-0.06。從偏相關(guān)系數(shù)中可以看出，NPP與4-9月平均風(fēng)速、累計(jì)氣溫呈負(fù)相關(guān)，與4-9月累計(jì)降水量呈正相關(guān)；與相關(guān)系數(shù)相比，NPP與4-9月平均日最低氣溫和平均相對(duì)濕度的偏相關(guān)系數(shù)明顯減小，考慮到平均相對(duì)濕度與累計(jì)降水量呈顯著正相關(guān)，平均日最低溫度與累計(jì)溫度呈顯著正相關(guān)，故可以得出，NPP主要與累計(jì)氣溫和累計(jì)降水量有較顯著的相關(guān)關(guān)系，而與平均相對(duì)濕度和日最低氣溫的相關(guān)關(guān)系不是很大，這與相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者的研究結(jié)果一致[4,7]；NPP與4-9月的累計(jì)日照時(shí)數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)呈正相關(guān)，而相關(guān)系數(shù)為負(fù)相關(guān)，表明除去其他因素影響，日照時(shí)數(shù)增多對(duì)NPP的增加起促進(jìn)作用。

表4 2000-2010年NPP與氣候因子的相關(guān)系數(shù)

表5 2000-2010年NPP與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)

對(duì)于荒漠草原，NPP與4-9月累計(jì)氣溫、平均日最低氣溫呈負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別約為-0.7和-0.8，且均通過(guò)了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗(yàn)；NPP與4-9月累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別約為0.8和0.7，且均通過(guò)了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗(yàn)；NPP與4-9累計(jì)日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速相關(guān)性不大，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為-0.10和-0.06。從偏相關(guān)系數(shù)中可以看出，NPP與4-9月平均日最低氣溫呈負(fù)相關(guān)，而與其他氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)都較小，表明與其他氣候因子相比，4-9月日最低氣溫是荒漠草原NPP積累量的主要限制因素。與典型草原相比，荒漠草原NPP與4-9月平均風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)較小，風(fēng)速反映了氣候的動(dòng)力屬性[25]，故這從一定程度上反映出荒漠草原對(duì)氣候的響應(yīng)不如典型草原敏感。從兩種類(lèi)型草原與4-9月累計(jì)氣溫、平均日最低氣溫、累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)也可以看出，相比荒漠草原，典型草原與氣候因子的相關(guān)關(guān)系更強(qiáng)。

3 結(jié)論

本研究利用MODIS MOD17A3衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品及地面氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時(shí)空變化特征、各氣候因子的年際變化特征及不同草地類(lèi)型的NPP與氣候因子的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：

(1)錫林郭勒盟草原NPP的分布有較明顯的水平地帶性規(guī)律，由東向西逐漸減小。研究區(qū)NPP的值一般分布在0～0.5 kg C·m-2，總體均值為0.15 kg C·m-2，99.14%的區(qū)域年均NPP在0.05～0.25 kg C·m-2范圍內(nèi)。

(2)2001-2010年錫林郭勒盟草原NPP隨時(shí)間呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，變異系數(shù)大多在0.10～0.25，變化較為平緩。對(duì)于不同草地類(lèi)型的NPP，典型草原高于荒漠草原，但都隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，典型草原NPP的波動(dòng)幅度大于荒漠草原。對(duì)于研究區(qū)不同等級(jí)NPP的面積變化情況，稍低NPP和中NPP的面積隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，低NPP、稍高NPP和高NPP的面積隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，表明2000-2010年研究區(qū)NPP更加趨于均勻分布。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，研究區(qū)NPP的分布和變化與該地區(qū)植被覆蓋的分布和變化基本一致。

(3)對(duì)于兩種草原各氣候因子2000-2010年的年變化特征。典型草原4-9月累計(jì)降水量和日平均相對(duì)濕度高于荒漠草原，4-9月氣溫、累計(jì)日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速低于荒漠草原；但大部分氣候因子的變化趨勢(shì)基本相同，累計(jì)氣溫、平均相對(duì)濕度和累計(jì)日照時(shí)數(shù)均隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，平均風(fēng)速均隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，累計(jì)降水量典型草原呈輕微減少趨勢(shì)，荒漠草原呈增加趨勢(shì)；典型草原大部分氣候因子的波動(dòng)程度大于荒漠草原。對(duì)于兩種草原，累計(jì)氣溫與累計(jì)降水量和平均相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，顯著水平分別為P<0.01和P<0.05；累計(jì)降水量與平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)，顯著水平分別為P<0.001和P<0.05；典型草原與各氣候因子的相關(guān)性強(qiáng)于荒漠草原。

(4)對(duì)于典型草原和荒漠草原，NPP與4-9月累計(jì)氣溫、平均日最低氣溫均呈負(fù)相關(guān)(P<0.001和P<0.01)；與4-9月累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度呈正相關(guān)(P<0.01)。與相關(guān)系數(shù)相比，NPP與4-9月平均日最低氣溫和平均相對(duì)濕度的偏相關(guān)系數(shù)明顯減小，表明NPP主要與累計(jì)氣溫和累計(jì)降水量有關(guān)，而與平均相對(duì)濕度和日最低氣溫的相關(guān)關(guān)系不是很大。對(duì)于典型草原，NPP與4-9月的累計(jì)日照時(shí)數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為正，而相關(guān)系數(shù)為負(fù)，表明除去其他因素影響，日照時(shí)數(shù)增多對(duì)NPP的增加起促進(jìn)作用。對(duì)于荒漠草原，NPP與4-9月平均日最低氣溫的偏相關(guān)系數(shù)顯示兩者呈負(fù)相關(guān)，表明與其他氣候因子相比，4-9月日最低氣溫是荒漠草原NPP積累量的主要限制因素?；哪菰茱L(fēng)速的影響小于典型草原?？傮w來(lái)看，荒漠草原對(duì)氣候因子變化的響應(yīng)不如典型草原敏感。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

Temporal and spatial variation of net primary productivity (NPP) and its responses with climatic changes in the Xilingol grassland from 2000 to 2010

LIU Hai-jiang1, YIN Si-yang2, SUN Cong1, PENG Fu-li1, ZHOU Peng3

(1.China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 10012, China; 2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Science, Beijing 10094, China; 3.Xilingol League Environmental Protection Monitoring Station, Xilingol League Environmental Protection Breau, Xilinhot 026000, China)

Using MODIS MOD17A3 Net Primary Productivity (NPP) data and meteorological data, we analyzed the temporal and spatial variation of NPP, inter-annual changes of climatic factors and the correlative relationship between NPP and climatic factors in Xilingol grassland from 2000 to 2010. The NPP of the Xilingol grassland varied from 0 to 0.5 kg C·m-2which decreased from east to west. From 2000 to 2010, the NPP fluctuated annual that increased in generaland evenly distributed. The variations of climatic factors in typical and desert grassland were similar. The cumulative average temperature, average relative humility and cumulative sunshine duration in April to August had a downward trend, while the average wind speed had an increasing trend. The cumulative precipitation hadan increasing trend in desert grassland, but had a slight decreasing trend in typical grassland. For most climatic factors, they had more dramatic fluctuations in typical grassland than in desert grassland. For the two types of grassland in the study area, the grassland NPP has very significantly negative correlation (P<0.001) with cumulative average temperature and average daily minimum temperature in April to August, and had slight negative correlation with cumulative sunshine duration and average wind speed, while had strong positive correlation (P<0.001) with cumulative precipitation and average relative humility. In conclusion, the typical grassland had stronger response ability to the changes of climatic factors than the desert grassland.

Xilingol steppe; Net primary productivity (NPP); climatic factors; MODIS

ZHOU Peng E-mail:zp.imu@163.com

10.11829j.issn.1001-0629.2015-0371

劉海江,尹思陽(yáng),孫聰,彭福利,周澎.2000-2010年錫林郭勒草原NPP時(shí)空變化及其氣候響應(yīng)[J].草業(yè)科學(xué),2015,32(11):1709-1720.

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2015-07-01 接受日期：2015-08-20

公益性行業(yè)(環(huán)保)科研專(zhuān)項(xiàng)課題——重要生態(tài)功能區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)模式研究與應(yīng)用示范(201409055)

劉海江(1978-)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，高工，博士，主要從事生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究。E-mail: liuhj@cnemc.cn

周澎(1980-)，男，山西朔州人，工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究。E-mail：zp.imu@163.com

S812.1

A

1001-0629(2015)11-1709-12