張建財(cái)，張 麗，鄭 藝，田向軍，周 宇

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 三亞 572029； 4.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

基于LPJ模型的中亞地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與蒸散模擬

張建財(cái)1,2，張 麗2,3，鄭 藝2，田向軍4，周 宇2

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 三亞 572029； 4.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

中亞干旱區(qū)是對(duì)全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一，以草地和耕地為主的植被類型極易受到水資源短缺和人為等因素影響，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境極易惡化，故分析其植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)和蒸散(ET)變化特征及對(duì)氣候的響應(yīng)具有重要意義。本研究利用LPJ模型模擬中亞地區(qū)1982-2012年NPP和ET，并分析其在中亞潛在植被類型中的空間分布和變化特征。結(jié)果表明，1)NPP和ET的高低值空間分布基本一致，高值區(qū)主要分布在林地、草林地混合區(qū)以及耕地區(qū)，低值區(qū)主要分布在植被稀少的荒漠周邊區(qū)域和哈薩克中部草地區(qū)；2)NPP總量和ET總量均呈波動(dòng)上升趨勢，其中NPP年度變化范圍在469.59～1 130.26 Tg C·a-1，年均值為737.24 Tg C·a-1(185.57 g C·m-2·a-1)，ET范圍在695.53～1 047.69 km3·a-1，年均值為850.46 km3·a-1(214.07 mm·a-1)；3)影響中亞地區(qū)植被NPP和ET變化的氣候因子主要為降水，溫度影響相對(duì)較弱；4)吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦植被生產(chǎn)力增長較快，哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和新疆較為穩(wěn)定，土庫曼斯坦植被生產(chǎn)力出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

LPJ模型；中亞；凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)；蒸散(ET)

中亞地區(qū)作為全球最主要干旱區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)氣候變化和水資源分布不均勻已經(jīng)造成生態(tài)環(huán)境問題的出現(xiàn)[1-2]。人口不斷增長、水資源不合理利用和土地利用類型不斷更迭等人為因素又加速了中亞生態(tài)環(huán)境問題激化，甚至導(dǎo)致部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)惡化的趨勢[2-3]。中亞生態(tài)環(huán)境的變化影響著區(qū)域內(nèi)的大氣與陸地之間碳水循環(huán)，使其表現(xiàn)出新的時(shí)空特殊性，這引起了人們的日益關(guān)注[1,3-4]。

中亞地區(qū)植被類型以草地和耕地為主，并有少量林地分布，分析其碳水時(shí)空格局，有利于合理規(guī)劃農(nóng)牧區(qū)和緩解水資源的短缺，并為中亞生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。陸表植被是影響大氣和陸表間碳、水與能量交換的主要因素之一[5]，其中，凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是植被在單位時(shí)間單位面積上由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量扣除自養(yǎng)呼吸的剩余部分，能夠反映植物在自然環(huán)境下的生產(chǎn)力，同時(shí)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的存儲(chǔ)基礎(chǔ)[6]。蒸散(ET)是植被蒸騰和地表蒸發(fā)之和，是維持地表水平衡和能量平衡的重要組成部分[7]。NPP和ET不僅能反映區(qū)域碳循環(huán)、水循環(huán)的特征，同時(shí)也是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，因此能夠反映生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量狀況。

Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model(LPJ模型)作為動(dòng)態(tài)植被模型，能夠較充分考慮植被整個(gè)生理生態(tài)過程(葉、邊材、心材和細(xì)根的生長過程)，并較為真實(shí)地模擬碳水與能量流動(dòng)過程[8]，已廣泛應(yīng)用到全球不同地區(qū)的植被生產(chǎn)力、蒸散和碳通量等的模擬[9-13]中。本研究利用LPJ模型，基于氣象、土壤等數(shù)據(jù)估算1982-2012年中亞植被的NPP和ET，分析二者的時(shí)空序列特征及其主要驅(qū)動(dòng)因子，并進(jìn)一步分析中亞五國和我國新疆地區(qū)的年均NPP和ET值，評(píng)價(jià)各區(qū)域植被生產(chǎn)力狀況，對(duì)于改善中亞植被生長狀況和中亞生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究所指中亞地區(qū)包括中亞五國(烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫曼斯坦、塔吉克斯坦和哈薩克斯坦)和我國的新疆維吾爾自治區(qū)。該地區(qū)的地形地貌以沙漠和草原為主，其中沙漠的面積超過整體面積的1/4。中亞由于地處歐亞大陸腹地，并受到東南方高山阻隔，印度洋、太平洋的暖濕氣流對(duì)氣候的影響，導(dǎo)致該地區(qū)形成典型的溫帶沙漠、草原大陸性氣候。中亞地區(qū)溫度變化劇烈，晝夜和季節(jié)性溫差較大，許多地方晝夜溫差可達(dá)20～30 ℃，年均溫度為4～8 ℃；年降水量通常在300 mm以下，山區(qū)降水相對(duì)較多，咸海和沙漠地區(qū)降水較少[3]。太陽輻射熱量較大(年均熱量為4.18×107～5.43×107kJ·cm-2·a-1)，空氣干燥，引起大量的蒸發(fā)[2-3]。

溫帶大陸性氣候的特點(diǎn)決定了中亞地區(qū)為干旱區(qū)，其主要植被類型為草地、灌叢和森林等。根據(jù)MODIS土地覆蓋數(shù)據(jù)(MOD12Q1)統(tǒng)計(jì)中亞植被類型發(fā)現(xiàn)草地面積超過總植被面積的60%，主要分布在哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦以及我國新疆的西北部。主要河流有錫爾河、阿姆河、塔里木河和伊犁河等，并有咸海、巴爾喀什湖和博斯騰湖等湖泊。工農(nóng)業(yè)用水量的激增使得河流徑流量減少，湖泊面積縮小，再加上淡水資源分布極不均勻(超過75%位于塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦境內(nèi))和浪費(fèi)等，導(dǎo)致中亞水資源比較短缺[14]。

1.2 LPJ模型和數(shù)據(jù)資料

LPJ模型是在BIOME3模型基礎(chǔ)上，由Lund University、Potsdam Climate Research Centre 和 Max-Planck-Institute for Biogeochemistry, Jena聯(lián)合研究開發(fā)的全球動(dòng)態(tài)植被模型。該模型模擬過程主要分為兩部分：碳循環(huán)和水循環(huán)。將月均氣候數(shù)據(jù)(氣溫、降水和云量)，土壤質(zhì)地和CO2濃度作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)得到每天的潛在蒸散和平均溫度值，計(jì)算植被功能類型物候的變化過程，進(jìn)而模擬潛在植被碳水循環(huán)的整個(gè)過程[8]。LPJ模型進(jìn)行植被模擬時(shí)，假設(shè)研究區(qū)域沒有植被覆蓋和任何生物量，利用基準(zhǔn)年(30年)的英國東安格利亞大學(xué)(University of East Anglia)氣候研究中心(CRU)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行1 000年的循環(huán)驅(qū)動(dòng)(spin-up)，使植被生態(tài)系統(tǒng)和土壤結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)。在達(dá)到平衡狀態(tài)后，再應(yīng)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)模擬土壤-植被-大氣碳水交換。

本研究的氣象數(shù)據(jù)采用CRU提供的1901-2012年全球0.5°×0.5°分辨率的資料；年均大氣CO2濃度采用冰芯大氣觀測資料(1901-2002年)和夏威夷氣象觀測站(2003-2012年)提供的數(shù)據(jù)；土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)由聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)提供。

2 結(jié)果與討論

2.1 LPJ模型模擬結(jié)果驗(yàn)證

MODIS NPP(MOD17A3)和ET(MOD16A2)遙感產(chǎn)品已在全球不同區(qū)域生產(chǎn)力和蒸散等研究中得到廣泛驗(yàn)證和應(yīng)用，可以反映全球或者區(qū)域的NPP[15]和ET[16]。本研究統(tǒng)計(jì)LPJ模型模擬中亞在2000-2012年期間的NPP(NPP_LPJ)和ET(ET_LPJ)結(jié)果，與MODIS的NPP(NPP_MODIS)和ET(ET_MODIS)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析。NPP_LPJ和NPP_MODIS的相關(guān)性達(dá)到r=0.76(P<0.01)，ET_LPJ和ET_MODIS的相關(guān)性r=0.72(P<0.05)，說明LPJ結(jié)果與MODIS產(chǎn)品有較好的相關(guān)性。經(jīng)比較，NPP_MODIS和ET_MODIS產(chǎn)品結(jié)果比本研究LPJ模擬的結(jié)果偏低。類似地，Turner等[15]、Wang等[17]、范建忠等[18]也均發(fā)現(xiàn)MODIS NPP/GPP產(chǎn)品在部分干旱-半干旱區(qū)比GLOPEM(AVHRR Global Production Efficiency Model)模擬結(jié)果和站點(diǎn)觀測值要低，甚至在一些區(qū)域MODIS的NPP值只有GLOPEM模擬值的1/3。類似的，ET_LPJ和ET_MODIS之間也有一定的差異，在2000-2012年期間，ET_LPJ為198.74～247.02 mm·a-1，ET_MODIS為194.46～229.58 mm·a-1，二者年均值偏差在2.43%～10.31%。

本研究進(jìn)一步通過與已有的研究成果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本研究NPP和ET的模擬值。Propastin等[19]利用SeaWiFS數(shù)據(jù)和Landsat數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)光能利用率模型得到2004年哈薩克斯坦草地NPP分別為168和161 g C·m-2·a-1，本研究利用LPJ模擬哈薩克斯坦相同年份草地的結(jié)果為172.99 g C·m-2·a-1，研究結(jié)果較為接近。李琴等[20]利用SEBS模型模擬中亞地區(qū)2005年ET為974.10 km3(包含里海部分)，本研究模擬2005年ET結(jié)果為923.08 km3(未包含里海)，差異較小。通過不同的研究方法獲得NPP和ET的模擬值具有一定的差異性，這可能與模擬過程所使用的模型方法、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)等有關(guān)。

2.2 1982-2012年NPP時(shí)空變化特征

分析中亞在1982-2012年間植被區(qū)NPP年均值分布(圖1a)，哈薩克斯坦北部與東北部、吉爾吉斯斯坦的中西部與東北部和塔吉克斯坦的西部NPP較高，為350～660 g C·m-2·a-1。哈薩克斯坦中部、中亞的中西部戈壁區(qū)和新疆荒漠區(qū)周圍NPP較低，為0～150 g C·m-2·a-1。NPP高低值分布區(qū)分別約占植被區(qū)面積的36.92%和45.14%，且與植被類型、氣象條件等因素息息相關(guān)。如哈薩克斯坦北部主要植被類型為耕地和草耕混合區(qū)，氣候相對(duì)溫和，NPP較高。其余NPP高值區(qū)還位于天山山脈和吉薩爾-阿爾泰山系的崇山峻嶺與山間盆地，植被類型為草林交錯(cuò)帶和山地森林區(qū)，這里氣溫較低但降水量相對(duì)充沛。在戈壁荒漠周邊NPP低值區(qū)受地形地貌的限制，植被分布較少，以灌木叢為主，氣溫偏高且降水稀少，而哈薩克斯坦中部低值區(qū)主要是以旱生禾本科為主的草原和草甸，并受到干燥氣候的影響。

分析中亞植被NPP年度變化趨勢空間分布(圖2a)，NPP變化趨勢總體呈從西南到東北的遞增。年均NPP變化增長和減少的區(qū)域分別占植被區(qū)面積的50.03%和41.10%。在增長區(qū)域內(nèi)，尤其是在哈薩克斯坦北部與東南部以及吉爾吉斯斯坦的大部區(qū)域NPP呈現(xiàn)顯著增長趨勢(>4 g C·m-2·a-2，P<0.05)，說明這些區(qū)域植被生長狀態(tài)良好，生態(tài)環(huán)境在不斷改善。在哈薩克西北部部分農(nóng)業(yè)區(qū)與部分草地區(qū)以及土庫曼斯坦東南部林地區(qū)的NPP都呈現(xiàn)減少趨勢(<-2 g C·m-2·a-2，P=0.08)，有可能受到氣象和其他因素的影響，植被生長出現(xiàn)了退化。

在1982-2012年間，中亞植被NPP年均值為737.24 Tg C·a-1(即185.57 g C·m-2·a-1)(圖2b)，變化趨勢整體呈顯著增加趨勢(slope=3.20 Tg C·a-2，P<0.05)，但每10年的增長速度不同。1982-1991年間，NPP年均值為692.54 Tg C·a-1(slope=15.93 Tg C·a-2，P<0.05)；在1992-2001年間，NPP年均值為713.18 Tg C·a-1(slope=10.22 Tg C·a-2，P=0.15)。相對(duì)于前10年，NPP增幅為2.98%。在1992-1997年間，中亞地區(qū)植被覆蓋度出現(xiàn)下降趨勢，但在1997年后植被覆蓋度相對(duì)增加[21]，從而導(dǎo)致NPP年均總量整體增加。在2002-2012年間，NPP年均值為799.74 Tg C·a-1(slope=19.38 Tg C·a-2，P=0.07),比1982-1991年間增加了15.48%，比1992-2001年間增加了12.14%，極有可能與2002年之后中亞地區(qū)植被生長較為穩(wěn)定[21]和降水量相對(duì)增加[22]相關(guān)。

圖1 1982-2012年中亞年均(a)NPP和(b)ET空間分布圖

圖2 中亞1982-2012年NPP年度變化趨勢空間分布圖(a)和NPP年總量的年際變化圖(b)

2.3 1982-2012年ET時(shí)空變化特征

中亞ET高值區(qū)為300～450 mm·a-1，約占植被區(qū)面積的37.52%(圖1b)。如哈薩克斯坦的東北部和東南部ET較高，不僅有林地與草林交錯(cuò)帶地的存在，而且區(qū)域內(nèi)有豐富的水資源，致使該地區(qū)降水量較多，同時(shí)受溫度較高的影響，植被的蒸騰量和地表的蒸發(fā)量都相對(duì)較多。吉爾吉斯斯坦的大部分區(qū)域、塔吉克斯坦的西部和烏茲別克斯坦的東部也屬于ET高值區(qū)，是中亞地區(qū)降水量最多的區(qū)域[22]，常年降水補(bǔ)給充足，地表蒸發(fā)量為中亞最多的地帶，植被以草林為主，良好的生長環(huán)境，使得植被蒸騰量較大。在中亞大部分的草地區(qū)，主要?dú)夂驐l件以降水較少和溫度較低為主[22-23]，使得草地蒸騰量和地表蒸發(fā)量都受到限制，ET主要集中在100～300 mm·a-1，約占植被區(qū)面積的39.14%。在荒漠地區(qū)周圍,植被稀疏，降水稀少，ET以少量地表蒸發(fā)為主，為65～100 mm·a-1，約占植被區(qū)面積的23.34%。

水資源、降水量和植被分布影響著ET年際變化趨勢。中亞ET呈增長趨勢的區(qū)域約占植被區(qū)面積的55.34%，主要分布在哈薩克西部、中東部大部分區(qū)域和科斯塔奈州、北哈薩克州部分區(qū)域，吉爾吉斯斯坦的大部分區(qū)域，烏茲別克斯坦的費(fèi)爾干納和塔什干綠洲以及新疆主要植被區(qū)(圖3a)。ET減少趨勢區(qū)域僅占植被區(qū)面積的26.32%，中亞各個(gè)區(qū)域均有分布。ET的趨勢變化主要受到氣候條件以及植被生長狀況的影響，在降水增加與溫度適宜，植被生長狀況良好的條件下，ET呈增長趨勢，反之，其會(huì)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

在1982-2012年間，中亞植被ET年均值為850.46 km3·a-1(即214.07 mm·a-1)(圖3b)，年際變化趨勢基本與NPP的變化趨勢相同，整體呈顯著增長趨勢(slope=1.49 km3·a-2，P<0.05)。在1982-1991年、1992-2001年、2002-2012年這3個(gè)時(shí)段的均值分別為840.08、817.72和889.57 km3·a-1。在1992-2001年間，受降水偏少[22]以及溫度持續(xù)增高[23]的影響，同時(shí)植被生長狀況呈現(xiàn)“先壞后好”的變化[21]，造成在這期間段內(nèi)的ET均值相對(duì)其他兩個(gè)時(shí)間段較低。在2002-2012年期間，ET整體升高很可能與該地區(qū)的“暖濕化”[22-23]密切相關(guān)。

2.4 凈初級(jí)生產(chǎn)力和蒸散變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)

植被生理生態(tài)過程不僅受植被本身特征的制約，而且主要受到地理環(huán)境和氣候條件等條件的影響。氣候條件中的降水與溫度直接影響著植被的分布與生長，因此，不同區(qū)域植被NPP與ET對(duì)降水和溫度的響應(yīng)也存有差異。

利用美國國家環(huán)境數(shù)據(jù)中心(NCDC)提供的11個(gè)中亞氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)與NPP(圖4a)、ET(圖4c)作相關(guān)性分析。降水和NPP相關(guān)系數(shù)范圍在0.01～0.56，和ET相關(guān)系數(shù)范圍是0.16～0.87，其中降水與NPP、ET相關(guān)系數(shù)大于0.5的站點(diǎn)數(shù)超過30%。降水與NPP、ET基本是正相關(guān)：降水與NPP、ET同增長區(qū)主要分布在中亞北部和南部區(qū)域，這些地區(qū)主要是耕地區(qū)、草耕混合區(qū)和農(nóng)牧交錯(cuò)帶，降水相對(duì)充沛；同降低區(qū)主要位于中亞西部，這些地區(qū)以草地為主，與北部和南部相比水資源(以咸水湖為主)分布較少，降水稀少。溫度和NPP相關(guān)系數(shù)范圍在-0.29～0.28(圖4b)，和ET相關(guān)系數(shù)(圖4d)范圍在-0.23～0.26。與降水相比，NPP、ET與溫度相關(guān)性較差。溫度與NPP、ET主要是負(fù)相關(guān)，分布于中亞西部和東部區(qū)域，正相關(guān)分布范圍較少，位于中亞東北和東南區(qū)域。中亞地區(qū)溫度整體呈緩慢增長趨勢，但各區(qū)域溫度的年際變化較小[2]，對(duì)于NPP、ET的變化影響也較有限。

圖3 中亞1982-2012年ET年際變化趨勢空間分布圖(a)和ET年總量的年際變化圖(b)

圖4 NPP和ET與氣候因子相關(guān)性

注：(a)NPP與降水；(b)NPP與溫度；(c)ET與降水；(d)ET與溫度(Ⅰ，模擬結(jié)果與氣候因子同增長Ⅱ，模擬結(jié)果與氣候因子同降低Ⅲ，模擬結(jié)果降低，氣候因子增長Ⅳ，模擬結(jié)果增長，氣候因子降低)。*，P<0.1;**,P<0.05;***,P<0.001。

Note: (a) NPP and precipitation; (b) NPP and temperature; (c) ET and precipitation; (d) ET and temperature (I， the results and climatic factor with growth Ⅱ， the results and climatic factor with decreased Ⅲ， the results decreased but climatic factor growth Ⅳ， the results growth but climatic factor decreased). *，P<0.1; **,P<0.05; ***,P<0.001.

綜上所述，中亞地區(qū)降水是NPP和ET變化的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因子為降水，溫度對(duì)于二者的影響較弱。Poulter等[24]通過分析氣象對(duì)于干旱區(qū)植被覆蓋的影響發(fā)現(xiàn)，在南美洲和大洋洲的干旱區(qū)，NPP主要是受太平洋環(huán)流溫度的影響，降水影響相對(duì)較弱。而在北半球的干旱區(qū)，如中國西北等，降水為影響碳通量變化的主要?dú)夂蛴绊懸蛩豙25]，與本研究發(fā)現(xiàn)的中亞干旱區(qū)的現(xiàn)象一致。

2.5 各地區(qū)植被生產(chǎn)力與蒸散變化分析

中亞五國和新疆地區(qū)由于受到溫帶大陸性氣候、盛行西風(fēng)帶的影響，氣候變化特征總體為“暖濕化”[22-23]。各區(qū)域受到氣候條件和人文環(huán)境等的影響，所包含的植被類型和覆蓋度存有差異，而不同區(qū)域植被類型和氣候因素的差別使得其植被生產(chǎn)力和蒸散總量各不相同。

吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦境內(nèi)山地較多，山地前沿主要是林地和草林交錯(cuò)帶，而且兩國受到地理位置和氣候條件的影響，以農(nóng)作物和草地為主，相比其他4個(gè)地區(qū)，兩國的NPP值較高，范圍為160～480 g C·m-2·a-1(圖5)。兩國的水資源在中亞區(qū)域內(nèi)極為充沛，其中錫爾河流量的75.2%位于吉爾吉斯斯坦境內(nèi)，阿姆河流量75.0%集中在塔吉克斯坦境內(nèi)，此外還有冰川融化的補(bǔ)給[26]，豐富的水源使得該區(qū)域內(nèi)降水量最充沛，從而導(dǎo)致吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦兩國地表蒸發(fā)和植被蒸騰量較高，ET主要集中在240～350 mm·a-1。

哈薩克斯坦和我國新疆面積廣闊，植被類型主要是草地和耕地，而在天山山脈和阿爾泰山脈前沿分布著林地和草林混合區(qū)，NPP主要為90～300 g C·m-2·a-1。哈薩克斯坦和新疆降水分布極其不均，在山區(qū)年均降水量可達(dá)1 000 mm，其余地區(qū)年均降水只為150～160 mm[2]，降水不均導(dǎo)致山區(qū)和平原的蒸散量存有較大差異，使得哈薩克斯坦和新疆年均ET主要在120～280 mm·a-1。

圖5 1982-2012年中亞五國和中國新疆NPP和ET年度變化

烏茲別克斯坦西北部是克孜勒庫沙漠，但是東部和南部位于天山與吉薩爾-阿賴山系邊緣，由于錫爾河和阿姆河及其支流的流經(jīng)，得以形成塔什干、費(fèi)爾干納、卡爾希等綠洲，該國以耕地為主，并有少量林地和草地分布，NPP范圍為30～200 g C·m-2·a-1，ET集中在160～280 mm·a-1。

土庫曼斯坦的卡拉庫姆沙漠約占領(lǐng)土總面積的80%左右，只有極少數(shù)植被分布在東部區(qū)域，植被類型以草地和灌木叢為主，還有少量的林地與耕地，NPP較低，為10～190 g C·m-2·a-1。缺少水資源的補(bǔ)充使得降水稀少，導(dǎo)致該國地表蒸發(fā)和植被蒸騰受到限制，ET主要在100～210 mm·a-1。

近30年來，吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦NPP與ET增長趨勢非常顯著，說明兩國植被生產(chǎn)力增長較快。哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和我國新疆NPP與ET增長趨勢不顯著，說明這3個(gè)區(qū)域植被生產(chǎn)力較為穩(wěn)定。上述5個(gè)區(qū)域很可能與其生態(tài)環(huán)境恢復(fù)和植被生長狀況改善[27]相關(guān)。土庫曼斯坦NPP與ET顯現(xiàn)出減少趨勢，說明該國出現(xiàn)植被退化，這與何學(xué)敏等[28]的研究成果相同。

3 結(jié)論

本研究利用LPJ模型模擬中亞植被的NPP和ET，分析1982-2012年該地區(qū)的時(shí)空變化特征，并對(duì)中亞地區(qū)生態(tài)環(huán)境做出評(píng)價(jià)。

中亞NPP和ET空間分布特征基本相同，高值區(qū)主要位于林地、草林混合區(qū)和耕地，低值區(qū)主要位于沙漠區(qū)附近和哈薩克斯坦中部草地區(qū)；二者的時(shí)間變化序列也比較類似，總體上都呈顯著增長趨勢。中亞干旱區(qū)NPP和ET變化的氣候驅(qū)動(dòng)因子主要為降水，溫度影響相對(duì)較弱。一般來說，在降水量充足區(qū)域的植被生產(chǎn)力增長顯著，如哈薩克東北部，而在降水量缺乏區(qū)域發(fā)生了植被生產(chǎn)力減少趨勢，如土庫曼斯坦東部，這說明水資源對(duì)于中亞植被生長的重要性。中亞五國和新疆地區(qū)植被生產(chǎn)力和蒸散值存有差異，其中吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦植被生產(chǎn)力和ET增長較快，哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和新疆較為穩(wěn)定，土庫曼斯坦出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

利用LPJ模型模擬中亞地區(qū)NPP和ET變化可以反映中亞生態(tài)環(huán)境的變化，但也存在著不足。由于LPJ模擬過程中使用的是模型內(nèi)部潛在植被分布，沒有考慮人為因素(如人工林)，使得植被分布可能與實(shí)際分布存有差異，影響NPP和ET的模擬結(jié)果，例如在我國新疆地區(qū)模擬的NPP值要比其他已有研究值偏低[29-30]。在今后的研究中，需對(duì)LPJ模型進(jìn)行改進(jìn)，在模擬過程中應(yīng)用土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)使其估算出更為準(zhǔn)確的NPP和ET值，同時(shí)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和植被覆蓋度對(duì)影響二者變化的成因進(jìn)行更深入的分析，為中亞地區(qū)碳循環(huán)、水循環(huán)和環(huán)境監(jiān)測提供借鑒和依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

Simulation of vegetation net primary productivity and evapotranspiration based on LPJ model in Central Asia

ZHANG Jian-cai1,2, ZHANG Li2,3, ZHENG Yi2, TIAN Xiang-jun4, ZHOU Yu2

(1.College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266510, China；2.Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China；3.Hainan Key Laboratory of Earth Observation, Sanya 572029, China;4.Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Central Asia is one of the most sensitive regions to climate changes in the world and the ecological environment is very fragile. The two main vegetation types, grasslands and croplands, are very easily influenced by water shortages and humans activities. Study on changes of net primary productivity (NPP) and evapotranspiration(ET), and their relationship with climate are important in Central Asia. In the present study, the spatio-temporal patterns and changes of NPP and ET in Central Asia (1982-2012) were analyzed based on LPJ model. The results indicated that the spatial distributions of NPP and ET were very consistent. The high-values were mainly located in forests, the mixed area of grass-forest and croplands, whereas the low-values were mainly concentrated in sparse vegetated area around the desert and grasslands of central Kazakhstan. The annual NPP and ET showed a fluctuated increasing trend. Annual NPP varied from 469.59 Tg C·a-1to 1 130.26 Tg C·a-1with mean of 737.24 Tg C·a-1(185.57 g C·m-2·a-1). Annual ET varied from 695.53 km3·a-1to 1 047.69 km3·a-1with mean of 850.46 km3·a-1(214.07 mm·a-1). The main climate factor influencing the variations of NPP and ET was precipitation in Central Asia, while temperature played less important role in the region. The vegetation productivity of Kyrgyzstan and Tajikistan increased at a faster rate, yet Turkmenistan indicated a decline trend. Kazakhstan, Uzbekistan and Xinjiang’s vegetation productivitywere relatively stable.

LPJ model; Central Asia; net primary productivity(NPP); evapotranspiration (ET)

ZHANG Li E-mail：zhangli@radi.ac.cn

10.11829j.issn.1001-0629.2015-0103

張建財(cái),張麗,鄭藝,田向軍,周宇.基于LPJ模型的中亞地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與蒸散模擬[J].草業(yè)科學(xué),2015,32(11):1721-1729.

ZHANG Jian-cai,ZHANG Li,ZHENG Yi,TIAN Xiang-jun,ZHOU Yu.Simulation of vegetation net primary productivity and evapotranspiration based on LPJ model in Central Asia[J].Pratacultural Science，2015,32(11)：1721-1729.

2015-02-14 接受日期：2015-05-25

國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA122002)；國家自然科學(xué)基金(41271372)

張建財(cái)(1989-)，男，山西臨汾人，在讀碩士生，研究方向遙感科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用。E-mail: zhangjiancai1989@163.com

張麗(1975-)，女，新疆伊寧人，研究員，博士，研究方向植被生態(tài)遙感。E-mail: zhangli@radi.ac.cn

S181.6;S161.4+