2005-2014年南方農(nóng)牧交錯帶凈初級生產(chǎn)力時空分布特征

趙唯茜, 杜華明, 董廷旭, 胡利利

(綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽 621000)

農(nóng)牧交錯帶是我國一條重要的生態(tài)安全屏障帶，也是對氣候環(huán)境變化和人類活動影響反應(yīng)最為敏感的區(qū)域[1]。其日益惡化的生態(tài)環(huán)境受到了政府和理論界的重視[2]。南方農(nóng)牧交錯帶是我國農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分[2]，地處青藏高原與四川盆地、云貴高原的過渡地帶，區(qū)域內(nèi)不同植被生態(tài)系統(tǒng)在水平空間和垂直空間交錯分布[3]。既是我國重要的生物多樣性保護(hù)和水源涵養(yǎng)區(qū)[4]，又是長江中下游地區(qū)的重要生態(tài)安全屏障。因此區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的改變，會對周邊區(qū)域產(chǎn)生較大影響，從而對區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)變化的了解顯得極為重要。凈初級生產(chǎn)力可直接反映出生態(tài)系統(tǒng)的變化情況。

凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被通過光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去植被自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。凈初級生產(chǎn)力反映了植物群在自然條件下的生長狀況和生產(chǎn)能力，是一個估算地球支持能力和評價陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)指標(biāo)[6]。近年來我國學(xué)者對不同區(qū)域、不同尺度下植被NPP的研究工作相繼展開[7-9]，但多數(shù)集中于某一行政區(qū)域內(nèi)或單一自然地理單元內(nèi)[10-14]。對于像農(nóng)牧交錯帶這樣的地理單元過渡帶內(nèi)的NPP研究較少。因此，借助遙感和地理信息技術(shù)，利用MODIS的遙感數(shù)據(jù)，對南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)整體和不同植被生態(tài)系統(tǒng)NPP的空間分布和時間變化進(jìn)行分析，進(jìn)而掌握南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)變化情況。以期望為南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)和植被資源的有效管理與合理利用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

南方農(nóng)牧交錯帶位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，處于我國第一階梯和第二階梯交界處，是青藏高原與四川盆地和云貴高原的過渡地帶(圖1)。交錯帶內(nèi)整體地勢高，地勢起伏較大，地勢高差較大。整體趨勢東南低，西北高，平均海拔大于3 000 m。主要地貌表現(xiàn)為高山地貌和高原地貌。氣候類型以高原山地溫帶、寒溫帶季風(fēng)氣候為主，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，降水豐沛，冬季受西北季風(fēng)影響氣候寒冷。區(qū)內(nèi)河流水系分布較多，大體上呈“川”字形排列，多數(shù)江河自西北流向東南方向，主要江河有怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等。植被主要有云杉、冷杉、紅杉等林地，以及高山灌叢和高山草甸等。行政區(qū)劃上包括四川省的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省迪慶藏族自治州。交錯帶內(nèi)地廣人稀，少數(shù)民族較多。由于自然、社會等客觀因素的限制影響，致使經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對緩慢。

2 數(shù)據(jù)來源以及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

文中所涉及到的遙感數(shù)據(jù)均來自美國宇航局(NASA)的MODIS產(chǎn)品(https:∥lpdaac.usgs.gov/)。植被NPP數(shù)據(jù)為MODIS版本6的MOD17A3H數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)利用BIOME-BGC模型和光能利用率模型所建立的NPP估算模型，模擬得到全球生態(tài)系統(tǒng)的年NPP值。版本6的MOD17A3H與版本5.5的MOD17A3相比，使用了新的生物屬性調(diào)查表(BPLUT)和新版的全球模型與融合室(GMAO)的日氣象數(shù)據(jù)對NPP數(shù)值進(jìn)行模擬，提高了NPP的估算精度，而且數(shù)據(jù)的空間分辨率提高到500 m×500 m。目前該數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于不同空間尺度下的NPP和碳循環(huán)研究中。本文中選取了2005—2014年共10 a的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土地覆蓋分類所使用的數(shù)據(jù)為MCD12Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m×500 m。該數(shù)據(jù)通過對Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星1 a的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)國際生物圈計劃分類標(biāo)準(zhǔn)，確定了17個土地覆蓋類別。MCD12Q1數(shù)據(jù)集包含了5種不同的土地覆蓋分類方案，分別為國際生物圈計劃分類方案、美國馬里蘭大學(xué)分類方案、基于MODIS數(shù)據(jù)葉面積指數(shù)/光合有效輻射的分類方案、基于MODIS數(shù)據(jù)凈初級生產(chǎn)力分類方案、植物功能型方案。本文土地覆蓋類型分類方案選用國際生物圈計劃的分類方案，對研究區(qū)域內(nèi)土地覆蓋分類進(jìn)行提取。

圖1南方農(nóng)牧交錯帶區(qū)域分布

2.2 研究方法

研究區(qū)域跨度較大，涉及MODIS三景影像。因此在對數(shù)據(jù)提取和分析之前，使用MODIS重投影工具(MRT)對HDF格式的MOD17A3H數(shù)據(jù)集和MCD12Q1數(shù)據(jù)集進(jìn)行波段提取、影像拼接，將影像投影坐標(biāo)重新定義為WGS_1984_Albers投影，文件格式轉(zhuǎn)換為TIF格式。應(yīng)用ArcGIS對重投影后的影像進(jìn)行研究區(qū)域的裁切，并對區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析。

本文所涉及的植被NPP年際變化趨勢分析處理方法主要有簡單差值法和一元線性回歸分析法，在像元的基礎(chǔ)上，模擬研究區(qū)域內(nèi)2005—2014年每個柵格像元植被NPP值的變化趨勢。

簡單差值法是對同一研究區(qū)域內(nèi)，不同年份的影像進(jìn)行相減，利用差值的大小來衡量在研究時間段內(nèi)植被NPP值的變化程度和變化量。其計算公式為：

NPPminus=NPPt1-NPPt2

(1)

式中:NPPminus為兩個不同年份帶的NPP的差值；t1,t2為不同的年份。

一元線性回歸分析法是在柵格數(shù)據(jù)的每個像元基礎(chǔ)上，對研究區(qū)域內(nèi)2005—2014年10年間每個像元NPP值的變化趨勢進(jìn)行模擬，從而揭示不同時期內(nèi)NPP變化趨勢的空間特征。其計算公式如下:

(2)

式中：θslope為研究區(qū)內(nèi)NPP值的趨勢線的斜率即線性傾向值；n為研究時間段內(nèi)總年數(shù)，本文中n=10；i為年數(shù)變量，即i=1～n；NPPi為第i年的NPP的平均值。隨時間i的增加θslope>0時，NPP處于上升趨勢；反之，隨時間i的增加θslope<0時，NPP值則處于下降趨勢。θslope的大小反映了NPP上升或下降的速率，也就是其趨勢線的傾斜程度。

10年間NPP的變化程度用百分比表示，其公式為：

(3)

式中:NPPchange為NPP值的變化百分比；θslope為由公式(2)計算得出的NPP斜率；NPPmean為10 a的平均NPP值；n為研究時間段內(nèi)總年數(shù)，文中n=10。

3 結(jié)果與分析

3.1 年均植被NPP值空間分布特征

2005—2014年均植被NPP分布圖(圖2)可以看出，由于受到經(jīng)緯度地帶性、植被覆蓋、氣候、地形等因素的綜合影響，2005—2014年植被NPP分布差異較大，整體呈自西北部向南、向東增多的趨勢。大約在31°N線以北地區(qū)植被NPP自西向東逐漸增加，介于240～503 gC/(m2·a)之間。大約在29°～31°N，呈西北向東南逐漸增加的趨勢，植被NPP值介于274～405 gC/(m2·a)之間。在29°N以南的地區(qū)，植被NPP自北向南大幅度增加，介于289～749 gC/(m2·a)之間。從行政區(qū)域劃分來看，云南省瀘水縣、玉龍縣、寧蒗縣植被NPP最大，分別為748.72，712.13，671.84 gC/(m2·a)，3縣均處于低緯高原季風(fēng)區(qū)，受高原和高山峽谷地形的影響較大，降水量豐富，日照時間充足，擁有良好的植被生長條件。四川省德格縣、甘孜縣、理塘縣NPP均值最小，分別為240.40，243.34，245.98 gC/(m2·a)，由于3個縣處于青藏高原東部，受高原氣候影響較大，境內(nèi)氣溫低，冬長夏短，降水量較少，全年無霜期短，氣候不利于植被生長。區(qū)域內(nèi)河谷地帶植被NPP值較高，沿河流呈帶狀分布。位于南部橫斷山脈的怒江、瀾滄江、金沙江流域內(nèi)河谷植被NPP高于位于北部大渡河、岷江河谷內(nèi)植被NPP。

圖2 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯帶年均植被NPP分布

3.2 植被NPP年際變化特征

2005—2014年南方農(nóng)牧交錯帶年植被NPP變化范圍為344～426 gC/(m2·a)，年均植被NPP為389 gC/(m2·a)。平均變化幅度為-0.48 gC/(m2·a)。植被NPP在2012年時最低，在2006年時植被NPP值最高。通過對2005—2014年南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)植被NPP的分級構(gòu)成比例(圖3)分析發(fā)現(xiàn)，南方農(nóng)牧交錯帶年植被NPP主要分布在200～300 gC/(m2·a)，300～400 gC/(m2·a)范圍內(nèi)，分別占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的18.87%～26.21%和18.43%～26.83%。其次為100～200 gC/(m2·a)，400～500 gC/(m2·a)范圍內(nèi)，分別占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的7.12%～15.66%和9.67%～13.69%。再其次為500～600 gC/(m2·a)和>700 gC/(m2·a)區(qū)間，分別占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的7.83%～10.78%和4.91%～13.01%。植被NPP在600～700 gC/(m2·a)范圍內(nèi)所占土地面積最少，占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的5.7%～9.73%。

圖3 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯帶平均植被

利用一元線性回歸法分析得出南方農(nóng)牧交錯帶平均植被NPP變化率(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)，南方農(nóng)牧交錯區(qū)10年間植被NPP減少的面積大于增加面積，植被NPP呈減少的面積占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的57.41%，呈增加趨勢的面積占總面積的42.59%。其中減少0～15%的面積占總面積的47.88%，占南方農(nóng)牧交錯帶土地面積最大，且在交錯帶內(nèi)廣泛分布。減少15%～30%的面積占總面積的8.56%，主要分布于南部貢山縣、德欽縣、得榮縣、中甸縣、木里縣、稻城縣的河谷地帶和西部高原地區(qū)的白玉縣、德格縣、甘孜縣、色達(dá)縣和爐霍縣；減少大于30%的面積占總面積的0.97%，主要在南部的河谷地帶分和汶川縣集中分布。增加0～15%的面積占總面積的34.41%，除西部高原的德格縣、色達(dá)縣、甘孜縣、爐霍縣、白玉縣分布相對較少，在其他縣域廣泛分布；增加15%～30%的面積占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的6.98%，分布較多的區(qū)域主要在東部，主要包括九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、理縣、小金縣、金川縣、丹巴縣、道孚縣、雅江縣、康定縣、九龍縣、鹽源縣、寧蒗縣、福貢縣、瀘水縣；增加大于30%的面積占總面積的1.21%，在東部分布較多，主要包括松潘縣、茂縣、理縣、汶川縣、小金縣、丹巴縣、康定縣、九龍縣。

圖4 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯帶植被NPP變化百分率

將本文研究時間段端點時間，即2005年和2014年的年植被NPP影像進(jìn)行簡單差值計算，得出10 a的植被NPP變化特征分布圖(圖5)，2014年與2005年相比平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。通過對圖5分析發(fā)現(xiàn)，2014年與2005年相比，南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)植物NPP呈減少的面積占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的42.05%，植物NPP呈增長的面積占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的57.95%。其中，增幅大于80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的8.38%，主要分布在東北部的九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、茂縣、汶川縣、馬爾康縣、丹巴縣，中部的雅江縣以及南部的鹽源縣、寧蒗縣、貢山縣、維西縣、福貢縣、蘭坪縣、瀘水縣。增幅在40～80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的15.02%，在九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、茂縣、理縣、汶川縣、馬爾康縣、小金縣、金川縣、丹巴縣、道孚縣、雅江縣分布較多；增加在0～40 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的34.56%，廣泛分布于除福貢縣和瀘水縣以外其他區(qū)域。減少0～40 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的29.18%，在除九寨溝縣、茂縣、汶川縣、馬爾康縣、金川縣、丹巴縣、雅江縣、維西縣、福貢縣、瀘水縣之外的地區(qū)分布較多。減少40～80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的9.67%，在色達(dá)縣、爐霍縣、甘孜縣、德格縣、白玉縣、巴塘縣、鄉(xiāng)城縣、得榮縣、德欽縣、中甸縣、木里縣、鹽源縣、寧蒗縣、麗江縣分布廣泛。減少大于80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的3.2%，主要分布在汶川縣、色達(dá)縣、康定縣、德欽縣、中甸縣、木里縣、麗江縣、寧蒗縣、鹽源縣。

圖5 南方農(nóng)牧交錯帶2014與2005年植被NPP差值

簡單差值法雖然能夠直接反映10年間南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)植被NPP的變化趨勢，由于計算所涉及的數(shù)據(jù)是研究時間段端點數(shù)據(jù)之間的差異，因此得到的結(jié)果可能會受到極端天氣影響[10]。因此本文選用一元線性回歸和簡單差值法對南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)植被NPP的變化趨勢進(jìn)行分析。

3.3 南方農(nóng)牧交錯帶不同生態(tài)系統(tǒng)類型植被NPP化趨勢

南方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)系統(tǒng)分為森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。其中森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在南部橫斷山脈和河谷谷底。草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在西部高原地區(qū)，灌叢生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等在區(qū)域內(nèi)零星分布(圖6)。

圖6 南方農(nóng)牧交錯帶土地利用類型

南方農(nóng)牧交錯帶不同生態(tài)系統(tǒng)類型NPP變化趨勢和變化幅度差異明顯(表1)。森林生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為558 gC/(m2·a),其中2011年森林生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為608 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低為492 gC/(m2·a)。草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為275 gC/(m2·a)，其中2006年草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，為305 gC/(m2·a)，2012年草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低為244 gC/(m2·a)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為500 gC/(m2·a),其中2006年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為536 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低為459 gC/(m2·a)。灌叢生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為359 gC/(m2·a)，其中2009年灌叢生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，為395 gC/(m2·a)，在2012年、2014年灌叢生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低為325 gC/(m2·a)。濕地年均植被NPP為326 gC/(m2·a)，其中2006年濕地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為357 gC/(m2·a)，在2010年濕地植被NPP最低為298 gC/(m2·a)。不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP均值表現(xiàn)為：森林生態(tài)系統(tǒng)>農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)>灌叢生態(tài)系統(tǒng)>濕地生態(tài)系統(tǒng)>草地生態(tài)系統(tǒng)。

從圖7中可以看出，南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP變化相似，呈波動減少變化。其中灌叢植被的NPP下降趨勢最大，平均變化幅度為-3.34 gC/(m2·a)。森林植被NPP下降趨勢為-0.86 gC/(m2·a)，農(nóng)田植被NPP下降趨勢為-0.52 gC/(m2·a)，濕地植被NPP下降趨勢為-0.32 gC/(m2·a)，草地植被NPP下降趨勢最小，為-0.23 gC/(m2·a)。該地區(qū)不同植被類型NPP在2009年之后NPP波動變化幅度較大，可能與2009—2012年開始的川滇旱災(zāi)有關(guān)。

表1 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯帶不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP特征 gC/(m2·a)

圖7 2004-2015年南方農(nóng)牧交錯帶內(nèi)

4 結(jié) 論

(1) 南方農(nóng)牧交錯帶NPP總體上呈南部高北部底，東北部高，西部低的分布趨勢。河谷地帶分布較高。南部橫斷山脈是南方農(nóng)牧交錯帶NPP最高的地區(qū)，植被NPP大于600 gC/(m2·a)。東北部有部分區(qū)域年均植被NPP也超過600 gC/(m2·a)。西北部高原地區(qū)年均植被NPP小于300 gC/(m2·a)，是該區(qū)域年均NPP最低的區(qū)域。而西北部是區(qū)域的高海拔分布區(qū)，東北部和南部是低海拔區(qū)域。

(2) 2005—2014年，南方農(nóng)牧交錯帶植被NPP年變化范圍為344～426 gC/(m2·a)，年平均植被NPP為470 gC/(m2·a)。南方農(nóng)牧交錯帶年NPP在200～300 gC/(m2·a)區(qū)間分布最多，占南方農(nóng)牧交錯帶總面積的26%。其次為300～400 gC/(m2·a)占23%。

(3) 2014年與2005年相比57.95%的區(qū)域為增長，平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。但是，2005—2014年，南方農(nóng)牧交錯帶57%的區(qū)域植被NPP趨勢呈略微減少。在10年間，48%的植被覆蓋區(qū)域植被NPP減少了0～15%，為植被NPP變化分布最多的區(qū)間。34%植被覆蓋區(qū)域植被NPP增加了0～15%。

(4) 南方農(nóng)牧交錯帶不同生態(tài)系統(tǒng)平均植被NPP差異明顯，森林生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，變化范圍為492～608 gC/(m2·a)；其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，變化范圍為459～536 gC/(m2·a)；灌叢生態(tài)系統(tǒng)變化范圍為325～395 gC/(m2·a)；濕地生態(tài)系統(tǒng)變化范圍為298～357 gC/(m2·a)；草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低，變化范圍為275～305 gC/(m2·a)。