劉春雨 董曉峰　劉英英 潘竟虎 車彥軍

摘要 本研究通過(guò)改進(jìn)的光能利用率概念模型（CarnegieAmesStanford Approach，CASA）和MODISNDVI數(shù)據(jù)估算了2000-2010年甘肅省凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的空間分布格局，并結(jié)合氣候因子，在不同空間和時(shí)間尺度上探討森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的NPP變化特征及與氣候變化之間的關(guān)系。研究表明：①2000-2010年甘肅省NPP的空間分布差異比較顯著，總體上呈現(xiàn)東南高西北低，即從東南向西北是逐漸遞減的；其中，森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的年均NPP分別為580.12 g·cm-2·a-1、380.12 g·cm-2·a-1、280.71 g·cm-2·a-1和83.27 g·cm-2·a-1。②2000-2010年甘肅省NPP顯著增加和輕度增加的面積分別占總面積的6.00 %和17.49 %，NPP顯著減少和輕度減少的面積分別占總面積的12.31%和27.07%，NPP有減少的趨勢(shì)。③以年為尺度，森林生態(tài)區(qū)和草原生態(tài)區(qū)主要受溫度影響，而降水量是荒漠生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的主要控制因子；在月尺度上，氣候因子對(duì)NPP的作用相當(dāng)；草原生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)分別對(duì)月降水量和月均溫存在時(shí)滯與累積效應(yīng)，森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)對(duì)降水量或溫度不存在時(shí)滯與累積效應(yīng)。④本文認(rèn)識(shí)和了解不同空間和時(shí)間尺度上NPP的變化規(guī)律，探討NPP與氣候變化之間的相互作用與機(jī)理，為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)起到重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞甘肅省；NPP；偏相關(guān)系數(shù)；氣候因子

中圖分類號(hào)Q149文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002-2104（2014）01-0163-08doi：103969/jissn1002-2104201401023

生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)是國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，與此同時(shí)產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，在環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位[1-3]。凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。它作為分析碳循環(huán)、水循環(huán)、食物安全和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的關(guān)鍵因子[5-6]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)提供人類生活必不可少的能量來(lái)源，將其應(yīng)用于資源的管理中，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[7]。越來(lái)越多的學(xué)者[8-11]利用3S技術(shù)[12]研究了生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的空間變化及受氣候因素的影響，并分析由此帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。在西部大開發(fā)的推動(dòng)下，甘肅省的生態(tài)系統(tǒng)格局發(fā)生了重大變化，相應(yīng)的也會(huì)引起NPP的變化。對(duì)NPP與氣候因子（降水量和溫度）的研究集中在一般的時(shí)間尺度及簡(jiǎn)單的相互關(guān)系，忽視了不同時(shí)間和空間尺度上NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)[8]，而考慮不同生態(tài)系統(tǒng)與氣候因子之間的關(guān)系較欠缺[10]。同時(shí)，由于缺少同步觀測(cè)系統(tǒng)獲取相應(yīng)的模型參數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用生態(tài)模型估算區(qū)域NPP存在很大誤差；加上經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型獲取大區(qū)域NPP受到了限制，以致不能較好的對(duì)NPP進(jìn)行研究。本研究通過(guò)改進(jìn)的CASA模型，并使用新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)MODIS數(shù)據(jù)和同期的降水量與溫度數(shù)據(jù)，以不同時(shí)間（年、當(dāng)月及前月）和空間尺度（整個(gè)研究區(qū)和不同生態(tài)區(qū)）為視角，分析不同植被類型（生態(tài)系統(tǒng)）NPP的空間格局及其對(duì)氣候變化的相應(yīng)，以期為甘肅省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為更好的推動(dòng)西部大開發(fā)。

1研究區(qū)概況

甘肅（圖1），由古甘州（今張掖）和肅州（今酒泉）兩地首字而得名。研究區(qū)位于北緯32°35′-42°47′和東經(jīng)92°21′-108°43′之間，地處西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處；東接陜西，南鄰四川，西連青海、新疆，北靠?jī)?nèi)蒙古、寧夏并與蒙古人民共和國(guó)接壤。甘肅地貌復(fù)雜多樣，有山地、高原、平川、河谷、沙漠和戈壁交錯(cuò)分布；地勢(shì)自西南向東北傾斜，地形狹長(zhǎng)，海拔一般在1 000-3 000 m之間。全省年均溫度在0-14 ℃之間，全省各地年降水量在36.6-734.9 mm，大致從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西降水量明顯減少，隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多。甘肅總面積為42.58×104 km2，轄87個(gè)縣（市、區(qū)）。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究模型

2.1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NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為16d，空間分辨率為250×250 m，時(shí)相為2000-2010年的MOD13數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、周期短，在時(shí)間和空間上具有連續(xù)性，是研究NPP與氣候變化非常有效的數(shù)據(jù)源。同時(shí)，使用MRT（MODIS Reprojection Tools）將下載的MODISNDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，并將投影轉(zhuǎn)換為WGS_1984_Albers投影，同時(shí)完成圖像的拼接和重采樣。將16d的MODISNDVI數(shù)據(jù)采用最大合成法（Maximum Value Composites，MVC）消除數(shù)據(jù)中殘留的云、大氣和太陽(yáng)高度等因素的影響，得到逐月的NDVI數(shù)據(jù)，并利用最新的甘肅省行政區(qū)劃圖獲取甘肅地區(qū)2000-2010逐月NDVI的柵格圖像。

氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）提供2000-2010年甘肅省境內(nèi)及周邊地區(qū)的50個(gè)基本站和15個(gè)基準(zhǔn)站的降水量、溫度、日照時(shí)數(shù)、氣壓、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽(yáng)總輻射。最后，采用ArcGIS 9.3對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離加權(quán)（Inverse Distance Weighted，IDW）插值獲取研究區(qū)的空間柵格數(shù)據(jù)，為了與遙感數(shù)據(jù)相匹配，數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一至250×250 m。

生態(tài)區(qū)邊界采用中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.ecosystem.csdb.cn/）提供的生態(tài)功能區(qū)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)空間連續(xù)性和主導(dǎo)因素原則，進(jìn)行合并而獲得。根據(jù)甘肅省生態(tài)區(qū)分布的特征將甘肅省分為四個(gè)區(qū)：森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)。

2.2研究模型

2.2.1凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算

CASA（CarnegieAmesStanford Approach）模型是一種光能利用率概念模型，主要考慮凈初級(jí)產(chǎn)力由植被所吸收的光合有效輻射和光能利用率兩個(gè)驅(qū)動(dòng)變量決定[13]，該模型應(yīng)用比較廣泛，已成為國(guó)內(nèi)外估算NPP的重要模型之一。通常認(rèn)為NPP的估算是基于資源平衡觀點(diǎn)，為此有必要改進(jìn)CASA模型[14-15]，并考慮其它因素（如溫度和大氣水汽）的影響，構(gòu)建基于MODIS數(shù)據(jù)的NPP估算模型：

NPP=（FPAR×PAR）×（ε*×Tε×We）（1）

式中，NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力；FPAR為光合有效輻射比率；PAR為到達(dá)地表的光合有效輻射[16]；ε*為最大光能利用率，在此取最大光能利用率（一般默認(rèn)值為0.389 g C/MJ）；Tε為溫度脅迫系數(shù)[17]；We為水分脅迫系數(shù)。

其中，CASA模型中關(guān)于FPAR的算法是根據(jù)NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，在此研究中采用MODISNDVI數(shù)據(jù)比其具有更高的空間分辨率，原有算法不能準(zhǔn)確地反演地面植被FPAR的實(shí)際情況。因此對(duì)其傳統(tǒng)的估算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，由于FPAR與NDVI[18]和EVI[19]都有很好的線性關(guān)系，且對(duì)比FPARNDVI和FPAREVI的估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NDVI估算的FPAR偏高，而EVI所估算的FPAR偏低。為了能夠準(zhǔn)確地估算NPP，本研究將上述兩種方法相結(jié)合，取其平均值作為本研究的FPAR[20]。相關(guān)參數(shù)的獲取如下：

摘要 本研究通過(guò)改進(jìn)的光能利用率概念模型（CarnegieAmesStanford Approach，CASA）和MODISNDVI數(shù)據(jù)估算了2000-2010年甘肅省凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的空間分布格局，并結(jié)合氣候因子，在不同空間和時(shí)間尺度上探討森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的NPP變化特征及與氣候變化之間的關(guān)系。研究表明：①2000-2010年甘肅省NPP的空間分布差異比較顯著，總體上呈現(xiàn)東南高西北低，即從東南向西北是逐漸遞減的；其中，森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的年均NPP分別為580.12 g·cm-2·a-1、380.12 g·cm-2·a-1、280.71 g·cm-2·a-1和83.27 g·cm-2·a-1。②2000-2010年甘肅省NPP顯著增加和輕度增加的面積分別占總面積的6.00 %和17.49 %，NPP顯著減少和輕度減少的面積分別占總面積的12.31%和27.07%，NPP有減少的趨勢(shì)。③以年為尺度，森林生態(tài)區(qū)和草原生態(tài)區(qū)主要受溫度影響，而降水量是荒漠生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的主要控制因子；在月尺度上，氣候因子對(duì)NPP的作用相當(dāng)；草原生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)分別對(duì)月降水量和月均溫存在時(shí)滯與累積效應(yīng)，森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)對(duì)降水量或溫度不存在時(shí)滯與累積效應(yīng)。④本文認(rèn)識(shí)和了解不同空間和時(shí)間尺度上NPP的變化規(guī)律，探討NPP與氣候變化之間的相互作用與機(jī)理，為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)起到重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞甘肅省；NPP；偏相關(guān)系數(shù)；氣候因子

中圖分類號(hào)Q149文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002-2104（2014）01-0163-08doi：103969/jissn1002-2104201401023

生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)是國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，與此同時(shí)產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，在環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位[1-3]。凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。它作為分析碳循環(huán)、水循環(huán)、食物安全和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的關(guān)鍵因子[5-6]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)提供人類生活必不可少的能量來(lái)源，將其應(yīng)用于資源的管理中，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[7]。越來(lái)越多的學(xué)者[8-11]利用3S技術(shù)[12]研究了生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的空間變化及受氣候因素的影響，并分析由此帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。在西部大開發(fā)的推動(dòng)下，甘肅省的生態(tài)系統(tǒng)格局發(fā)生了重大變化，相應(yīng)的也會(huì)引起NPP的變化。對(duì)NPP與氣候因子（降水量和溫度）的研究集中在一般的時(shí)間尺度及簡(jiǎn)單的相互關(guān)系，忽視了不同時(shí)間和空間尺度上NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)[8]，而考慮不同生態(tài)系統(tǒng)與氣候因子之間的關(guān)系較欠缺[10]。同時(shí)，由于缺少同步觀測(cè)系統(tǒng)獲取相應(yīng)的模型參數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用生態(tài)模型估算區(qū)域NPP存在很大誤差；加上經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型獲取大區(qū)域NPP受到了限制，以致不能較好的對(duì)NPP進(jìn)行研究。本研究通過(guò)改進(jìn)的CASA模型，并使用新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)MODIS數(shù)據(jù)和同期的降水量與溫度數(shù)據(jù)，以不同時(shí)間（年、當(dāng)月及前月）和空間尺度（整個(gè)研究區(qū)和不同生態(tài)區(qū)）為視角，分析不同植被類型（生態(tài)系統(tǒng)）NPP的空間格局及其對(duì)氣候變化的相應(yīng)，以期為甘肅省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為更好的推動(dòng)西部大開發(fā)。

1研究區(qū)概況

甘肅（圖1），由古甘州（今張掖）和肅州（今酒泉）兩地首字而得名。研究區(qū)位于北緯32°35′-42°47′和東經(jīng)92°21′-108°43′之間，地處西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處；東接陜西，南鄰四川，西連青海、新疆，北靠?jī)?nèi)蒙古、寧夏并與蒙古人民共和國(guó)接壤。甘肅地貌復(fù)雜多樣，有山地、高原、平川、河谷、沙漠和戈壁交錯(cuò)分布；地勢(shì)自西南向東北傾斜，地形狹長(zhǎng)，海拔一般在1 000-3 000 m之間。全省年均溫度在0-14 ℃之間，全省各地年降水量在36.6-734.9 mm，大致從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西降水量明顯減少，隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多。甘肅總面積為42.58×104 km2，轄87個(gè)縣（市、區(qū)）。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究模型

2.1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NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為16d，空間分辨率為250×250 m，時(shí)相為2000-2010年的MOD13數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、周期短，在時(shí)間和空間上具有連續(xù)性，是研究NPP與氣候變化非常有效的數(shù)據(jù)源。同時(shí)，使用MRT（MODIS Reprojection Tools）將下載的MODISNDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，并將投影轉(zhuǎn)換為WGS_1984_Albers投影，同時(shí)完成圖像的拼接和重采樣。將16d的MODISNDVI數(shù)據(jù)采用最大合成法（Maximum Value Composites，MVC）消除數(shù)據(jù)中殘留的云、大氣和太陽(yáng)高度等因素的影響，得到逐月的NDVI數(shù)據(jù)，并利用最新的甘肅省行政區(qū)劃圖獲取甘肅地區(qū)2000-2010逐月NDVI的柵格圖像。

氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）提供2000-2010年甘肅省境內(nèi)及周邊地區(qū)的50個(gè)基本站和15個(gè)基準(zhǔn)站的降水量、溫度、日照時(shí)數(shù)、氣壓、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽(yáng)總輻射。最后，采用ArcGIS 9.3對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離加權(quán)（Inverse Distance Weighted，IDW）插值獲取研究區(qū)的空間柵格數(shù)據(jù)，為了與遙感數(shù)據(jù)相匹配，數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一至250×250 m。

生態(tài)區(qū)邊界采用中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.ecosystem.csdb.cn/）提供的生態(tài)功能區(qū)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)空間連續(xù)性和主導(dǎo)因素原則，進(jìn)行合并而獲得。根據(jù)甘肅省生態(tài)區(qū)分布的特征將甘肅省分為四個(gè)區(qū)：森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)。

2.2研究模型

2.2.1凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算

CASA（CarnegieAmesStanford Approach）模型是一種光能利用率概念模型，主要考慮凈初級(jí)產(chǎn)力由植被所吸收的光合有效輻射和光能利用率兩個(gè)驅(qū)動(dòng)變量決定[13]，該模型應(yīng)用比較廣泛，已成為國(guó)內(nèi)外估算NPP的重要模型之一。通常認(rèn)為NPP的估算是基于資源平衡觀點(diǎn)，為此有必要改進(jìn)CASA模型[14-15]，并考慮其它因素（如溫度和大氣水汽）的影響，構(gòu)建基于MODIS數(shù)據(jù)的NPP估算模型：

NPP=（FPAR×PAR）×（ε*×Tε×We）（1）

式中，NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力；FPAR為光合有效輻射比率；PAR為到達(dá)地表的光合有效輻射[16]；ε*為最大光能利用率，在此取最大光能利用率（一般默認(rèn)值為0.389 g C/MJ）；Tε為溫度脅迫系數(shù)[17]；We為水分脅迫系數(shù)。

其中，CASA模型中關(guān)于FPAR的算法是根據(jù)NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，在此研究中采用MODISNDVI數(shù)據(jù)比其具有更高的空間分辨率，原有算法不能準(zhǔn)確地反演地面植被FPAR的實(shí)際情況。因此對(duì)其傳統(tǒng)的估算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，由于FPAR與NDVI[18]和EVI[19]都有很好的線性關(guān)系，且對(duì)比FPARNDVI和FPAREVI的估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NDVI估算的FPAR偏高，而EVI所估算的FPAR偏低。為了能夠準(zhǔn)確地估算NPP，本研究將上述兩種方法相結(jié)合，取其平均值作為本研究的FPAR[20]。相關(guān)參數(shù)的獲取如下：

摘要 本研究通過(guò)改進(jìn)的光能利用率概念模型（CarnegieAmesStanford Approach，CASA）和MODISNDVI數(shù)據(jù)估算了2000-2010年甘肅省凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的空間分布格局，并結(jié)合氣候因子，在不同空間和時(shí)間尺度上探討森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的NPP變化特征及與氣候變化之間的關(guān)系。研究表明：①2000-2010年甘肅省NPP的空間分布差異比較顯著，總體上呈現(xiàn)東南高西北低，即從東南向西北是逐漸遞減的；其中，森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)的年均NPP分別為580.12 g·cm-2·a-1、380.12 g·cm-2·a-1、280.71 g·cm-2·a-1和83.27 g·cm-2·a-1。②2000-2010年甘肅省NPP顯著增加和輕度增加的面積分別占總面積的6.00 %和17.49 %，NPP顯著減少和輕度減少的面積分別占總面積的12.31%和27.07%，NPP有減少的趨勢(shì)。③以年為尺度，森林生態(tài)區(qū)和草原生態(tài)區(qū)主要受溫度影響，而降水量是荒漠生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的主要控制因子；在月尺度上，氣候因子對(duì)NPP的作用相當(dāng)；草原生態(tài)區(qū)和農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)分別對(duì)月降水量和月均溫存在時(shí)滯與累積效應(yīng)，森林生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)對(duì)降水量或溫度不存在時(shí)滯與累積效應(yīng)。④本文認(rèn)識(shí)和了解不同空間和時(shí)間尺度上NPP的變化規(guī)律，探討NPP與氣候變化之間的相互作用與機(jī)理，為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)起到重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞甘肅??；NPP；偏相關(guān)系數(shù)；氣候因子

中圖分類號(hào)Q149文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002-2104（2014）01-0163-08doi：103969/jissn1002-2104201401023

生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)是國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)，與此同時(shí)產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，在環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位[1-3]。凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，也是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。它作為分析碳循環(huán)、水循環(huán)、食物安全和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程的關(guān)鍵因子[5-6]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)提供人類生活必不可少的能量來(lái)源，將其應(yīng)用于資源的管理中，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[7]。越來(lái)越多的學(xué)者[8-11]利用3S技術(shù)[12]研究了生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的空間變化及受氣候因素的影響，并分析由此帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。在西部大開發(fā)的推動(dòng)下，甘肅省的生態(tài)系統(tǒng)格局發(fā)生了重大變化，相應(yīng)的也會(huì)引起NPP的變化。對(duì)NPP與氣候因子（降水量和溫度）的研究集中在一般的時(shí)間尺度及簡(jiǎn)單的相互關(guān)系，忽視了不同時(shí)間和空間尺度上NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)[8]，而考慮不同生態(tài)系統(tǒng)與氣候因子之間的關(guān)系較欠缺[10]。同時(shí)，由于缺少同步觀測(cè)系統(tǒng)獲取相應(yīng)的模型參數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)用生態(tài)模型估算區(qū)域NPP存在很大誤差；加上經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型獲取大區(qū)域NPP受到了限制，以致不能較好的對(duì)NPP進(jìn)行研究。本研究通過(guò)改進(jìn)的CASA模型，并使用新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)MODIS數(shù)據(jù)和同期的降水量與溫度數(shù)據(jù)，以不同時(shí)間（年、當(dāng)月及前月）和空間尺度（整個(gè)研究區(qū)和不同生態(tài)區(qū)）為視角，分析不同植被類型（生態(tài)系統(tǒng)）NPP的空間格局及其對(duì)氣候變化的相應(yīng)，以期為甘肅省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為更好的推動(dòng)西部大開發(fā)。

1研究區(qū)概況

甘肅（圖1），由古甘州（今張掖）和肅州（今酒泉）兩地首字而得名。研究區(qū)位于北緯32°35′-42°47′和東經(jīng)92°21′-108°43′之間，地處西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)、東部季風(fēng)區(qū)三大自然區(qū)域的交匯處；東接陜西，南鄰四川，西連青海、新疆，北靠?jī)?nèi)蒙古、寧夏并與蒙古人民共和國(guó)接壤。甘肅地貌復(fù)雜多樣，有山地、高原、平川、河谷、沙漠和戈壁交錯(cuò)分布；地勢(shì)自西南向東北傾斜，地形狹長(zhǎng)，海拔一般在1 000-3 000 m之間。全省年均溫度在0-14 ℃之間，全省各地年降水量在36.6-734.9 mm，大致從東南向西北遞減，烏鞘嶺以西降水量明顯減少，隴南山區(qū)和祁連山東段降水偏多。甘肅總面積為42.58×104 km2，轄87個(gè)縣（市、區(qū)）。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究模型

2.1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NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為16d，空間分辨率為250×250 m，時(shí)相為2000-2010年的MOD13數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、周期短，在時(shí)間和空間上具有連續(xù)性，是研究NPP與氣候變化非常有效的數(shù)據(jù)源。同時(shí)，使用MRT（MODIS Reprojection Tools）將下載的MODISNDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和重投影，并將投影轉(zhuǎn)換為WGS_1984_Albers投影，同時(shí)完成圖像的拼接和重采樣。將16d的MODISNDVI數(shù)據(jù)采用最大合成法（Maximum Value Composites，MVC）消除數(shù)據(jù)中殘留的云、大氣和太陽(yáng)高度等因素的影響，得到逐月的NDVI數(shù)據(jù)，并利用最新的甘肅省行政區(qū)劃圖獲取甘肅地區(qū)2000-2010逐月NDVI的柵格圖像。

氣象數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do）提供2000-2010年甘肅省境內(nèi)及周邊地區(qū)的50個(gè)基本站和15個(gè)基準(zhǔn)站的降水量、溫度、日照時(shí)數(shù)、氣壓、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽(yáng)總輻射。最后，采用ArcGIS 9.3對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離加權(quán)（Inverse Distance Weighted，IDW）插值獲取研究區(qū)的空間柵格數(shù)據(jù)，為了與遙感數(shù)據(jù)相匹配，數(shù)據(jù)空間分辨率統(tǒng)一至250×250 m。

生態(tài)區(qū)邊界采用中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//www.ecosystem.csdb.cn/）提供的生態(tài)功能區(qū)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)空間連續(xù)性和主導(dǎo)因素原則，進(jìn)行合并而獲得。根據(jù)甘肅省生態(tài)區(qū)分布的特征將甘肅省分為四個(gè)區(qū)：森林生態(tài)區(qū)、草原生態(tài)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)和荒漠生態(tài)區(qū)。

2.2研究模型

2.2.1凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算

CASA（CarnegieAmesStanford Approach）模型是一種光能利用率概念模型，主要考慮凈初級(jí)產(chǎn)力由植被所吸收的光合有效輻射和光能利用率兩個(gè)驅(qū)動(dòng)變量決定[13]，該模型應(yīng)用比較廣泛，已成為國(guó)內(nèi)外估算NPP的重要模型之一。通常認(rèn)為NPP的估算是基于資源平衡觀點(diǎn)，為此有必要改進(jìn)CASA模型[14-15]，并考慮其它因素（如溫度和大氣水汽）的影響，構(gòu)建基于MODIS數(shù)據(jù)的NPP估算模型：

NPP=（FPAR×PAR）×（ε*×Tε×We）（1）

式中，NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力；FPAR為光合有效輻射比率；PAR為到達(dá)地表的光合有效輻射[16]；ε*為最大光能利用率，在此取最大光能利用率（一般默認(rèn)值為0.389 g C/MJ）；Tε為溫度脅迫系數(shù)[17]；We為水分脅迫系數(shù)。

其中，CASA模型中關(guān)于FPAR的算法是根據(jù)NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，在此研究中采用MODISNDVI數(shù)據(jù)比其具有更高的空間分辨率，原有算法不能準(zhǔn)確地反演地面植被FPAR的實(shí)際情況。因此對(duì)其傳統(tǒng)的估算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，由于FPAR與NDVI[18]和EVI[19]都有很好的線性關(guān)系，且對(duì)比FPARNDVI和FPAREVI的估算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NDVI估算的FPAR偏高，而EVI所估算的FPAR偏低。為了能夠準(zhǔn)確地估算NPP，本研究將上述兩種方法相結(jié)合，取其平均值作為本研究的FPAR[20]。相關(guān)參數(shù)的獲取如下：