劉海江，尹思陽，孫 聰，彭福利，周 澎

(1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012； 2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；3.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟環(huán)境保護監(jiān)測站，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 時空變化及其氣候響應(yīng)

劉海江1，尹思陽2，孫 聰1，彭福利1，周 澎3

(1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012； 2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；3.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟環(huán)境保護監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

利用MODIS MOD17A3植被初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)產(chǎn)品及地面氣象觀測數(shù)據(jù)，研究分析了2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時空變化特征、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)波動變化，整體呈增加趨勢，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大致相同，4-9月累計平均氣溫、平均相對濕度和累計日照時數(shù)呈減小趨勢，平均風速呈增加趨勢，累計降水量典型草原呈輕微減少趨勢，荒漠草原呈增加趨勢，趨勢斜率分別為-0.026和1.044 5，典型草原大部分氣候因子的波動程度大于荒漠草原；研究區(qū)內(nèi)兩種類型的草原的NPP均與4-9月累計平均氣溫、平均日最低氣溫有較強的負相關(guān)關(guān)系(顯著水平分別為P<0.001和P<0.01)，與累計降水量、平均相對濕度有較強的正相關(guān)關(guān)系(顯著水平為P<0.01)，與4-9月累計日照時數(shù)、平均風速呈負相關(guān)關(guān)系但相關(guān)關(guān)系較弱，荒漠草原對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；凈初級生產(chǎn)力；氣候因子；MODIS

植被凈初級生產(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，通常定義為植物在單位時間、單位面積上，由光合作用產(chǎn)生的有機物質(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)功能對氣候變化響應(yīng)的研究指標[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的時空分布特征及其對氣候因子的響應(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，對于合理利用草地資源、實現(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)和地面氣象觀測數(shù)據(jù)，分析2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時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，地理坐標范圍為110°59′-120°00′ E，42°32′-46°41′ N，區(qū)域海拔800～1 800 m，地勢南高北低，略向中間傾斜。該地南北寬約500 km，東西長約700 km，面積約為20.3萬km2，占內(nèi)蒙古自治區(qū)面積的17.2%，全盟轄12個旗縣市(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)來源與預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局(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，時間分辨率為yearly，空間分辨率為1 km。MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時間覆蓋范圍為2000年1月到2010年12月，包含3個圖層，分別為總初級生產(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MRT(MODIS Reprojection Tools)對MODIS-NPP數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換和重投影，將HDF文件格式轉(zhuǎn)換為Tiff格式，將SIN地圖投影轉(zhuǎn)換為China Lambert Conformal Conic投影，同時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：底圖為在國家測繪局網(wǎng)站下載獲取的1 200萬中英文對照政區(qū)版地圖，審圖號為GS(2008)1417號。

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.

植被類型數(shù)據(jù)為中國1∶400萬植被圖[13]，數(shù)據(jù)來源于“寒區(qū)旱區(qū)科學數(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個氣象觀測站每日的實測數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水、相對濕度及日照時數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到各觀測站年均氣象數(shù)據(jù)。研究區(qū)植被分布情況及氣象站點位置如圖2所示。根據(jù)不同草原類型植被的分布情況，將氣象站點劃分為屬于典型草原和荒漠草原兩大類，以便對不同的草原類型進行NPP對氣候因子的響應(yīng)研究[15]。根據(jù)中國植被分類系統(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，各氣象站點的分類情況如表1所示[16-18]。

1.3 研究方法

1.3.1 線性趨勢分析方法 采用線性趨勢分析方法來分析2000-2010年間錫林郭勒盟NPP及氣候因子的變化趨勢，計算公式為：

(1)

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

1.3.2 標準差與變異系數(shù) 采用標準差和變異系數(shù)來描述2000-2010年間NPP及有關(guān)氣候因子的絕對變異量和相對波動程度。標準差及變異系數(shù)的計算公式為：

(2)

(3)

圖2 研究區(qū)植被類型及氣象站點分布圖

1.3.3 Person相關(guān)系數(shù)及相關(guān)性檢驗 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，計算相關(guān)系數(shù)：

(4)

根據(jù)統(tǒng)計學中大樣本定理，樣本量大于30才有統(tǒng)計意義。當樣本量較小時計算所得相關(guān)系數(shù)可能會與總體相關(guān)系數(shù)偏離較遠。這時，需要計算無偏相關(guān)系數(shù)(R*)加以校正，計算公式為：

(5)

在概率統(tǒng)計中，偏相關(guān)系數(shù)是在對其他變量的影響進行控制的條件下，衡量多個變量中某兩個變量之間的線性相關(guān)程度的指標[19]。

2 結(jié)果與討論

2.1 NPP的時空變化特征

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)植被類型的分布相對應(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個不同的等級。那么，對于錫林郭勒盟草原2000-2010年NPP來說，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，包括阿巴嘎熔巖臺地及渾善達克沙地南部，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 氣象站點位置及其主要草原類型Table 1 Locations and grassland types of the meteorological stations

2.1.2 NPP的時空變化特征 為了分析研究區(qū)域NPP的年際變化，對錫林郭勒盟逐年的NPP數(shù)據(jù)進行處理，去除數(shù)據(jù)中用來表示湖泊、冰雪、城市等區(qū)域的無效填充數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計不同NPP等級的分布面積，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?，2003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。

為進一步描述錫林郭勒盟2000-2010年不同區(qū)域NPP的變化情況，計算各像元的變化趨勢斜率及變異系數(shù)(圖4)。研究區(qū)平均NPP變化的趨勢斜率為0.000 1，表明2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP整體呈增加的趨勢，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0.07%。大部分地區(qū)NPP的變化趨勢斜率在-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)域的植被長勢總體逐年變好。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，對整個研究區(qū)取均值，得到2000-2010年研究區(qū)平均NPP的變化趨勢(圖5)。由變化曲線可以看出，2001-2010年錫林郭勒盟草原NPP呈現(xiàn)波動變化，趨勢斜率為0.000 1 kg C·m-2，在2003年達到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%以內(nèi)波動。對于不同草地類型，利用氣象站點及其周圍的數(shù)據(jù)，計算得到典型草原和荒漠草原兩種草原類型的NPP年際變化趨勢也在圖5中展示出來。需要說明的是，一般研究認為10 km是氣象站點數(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，本研究分別將每個氣象站點10 km以內(nèi)的像元NPP取均值來代表該站的NPP值。由不同草地類型NPP的變化曲線可以看出，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；兩種草原類型的NPP都隨時間呈減小趨勢，但典型草原減小的速度較荒漠草原大些，其趨勢斜率分別為-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個等級，分別統(tǒng)計得到2000-2010年不同等級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，趨勢斜率分別約為750.05和362.25 km2·a-1；低NPP、稍高NPP和高NPP的面積呈下降趨勢，趨勢斜率分別約為-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)來看，低NPP、稍高NPP和高NPP面積的波動比較大，變異系數(shù)分別為0.39、0.54和1.03，相對不穩(wěn)定；而稍低NPP和中NPP的面積波動小，變異系數(shù)分別為0.21、0.17。

2.2 NPP時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)各氣象站的草地類型，分別統(tǒng)計荒漠草原和典型草原氣候因子的變化情況。由于當溫度小于0 ℃時大部分植物的葉子氣孔會關(guān)閉，從而使光合作用停止，而有機物的積累主要依靠光合作用，故當日最低溫度大于0 ℃時才可能進行有機物的積累。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 ℃時對應(yīng)的氣象觀測數(shù)據(jù)進行累計氣溫、平均日最低氣溫、累計降水量、平均相對濕度、累計日照時數(shù)及平均風速等氣候因子進行分析，統(tǒng)計它們在2000-2010年的變化情況(圖5)。

對于4-9月氣溫，分別統(tǒng)計了兩種草原類型氣溫通過0 ℃的天數(shù)、累計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年累計平均氣溫均值分別為3 159.14和2 686.16 ℃；但這3個因子的變化趨勢和波動程度大致相同；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，累計平均氣溫變化不明顯。對于4-9月累計降水量，典型草原的降水量明顯高于荒漠草原，兩種草原類型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，典型草原呈輕微的減少趨勢，趨勢斜率分別為1.044 5和-0.026 0 mm·a-1；兩種草原類型累計降水量的峰值都出現(xiàn)在2003年，分別為317.14和217.40 mm。對于4-9月平均相對濕度，也是典型草原高于荒漠草原，但兩種草原類型的相對濕度變化趨勢大致相同，趨勢斜率分別為-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，在其他幾年波動不大，變異系數(shù)分別為0.068 1和0.092 6。對于4-9月累計日照時數(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；但兩種草原類型累計日照時數(shù)都有減小的趨勢，其趨勢斜率分別為-3.17和-9.68 h·a-1。對于4-9月平均風速，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；對于兩種草原風速都隨時間呈增加趨勢，其趨勢斜率分別為0.036和0.009 m·s-1·a-1，但典型草原的風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型各氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系，計算其相關(guān)系數(shù)(表2、表3)。對于典型草原，4-9月累計氣溫與累計降水量、平均相對濕度有顯著的負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為-0.8且通過顯著水平為0.01的t檢驗。累計降水量與平均相對濕度有顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為0.9且通過顯著水平為0.001的t檢驗。4-9月累計氣溫與平均日最低氣溫、累計日照時數(shù)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別約為0.5和0.6，但均沒通過顯著水平為0.05的t檢驗。另外，平均相對濕度與累計日照時數(shù)呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為-0.6；累計日照時數(shù)與平均風速呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為0.5，也都沒有通過顯著水平為0.05的t檢驗。說明對于典型草原的各氣候因子，只有4-9月累計氣溫與累計降水量和平均相對濕度，以及累計降水量與平均相對濕度之間有較顯著的相關(guān)關(guān)系。

對于荒漠草原，4-9月累計氣溫同樣與累計降水量和平均相對濕度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均約為-0.7并且通過顯著水平為0.05的t檢驗，與典型草原相比相關(guān)性較弱。累計降水量和平均相對濕度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為0.8并且通過顯著水平為0.05的t檢驗。4-9月累計氣溫與平均日最低氣溫、累計日照時數(shù)也呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別約為0.5和0.6，但均沒有通過顯著水平為0.05的t檢驗。另外，與典型草原不同，荒漠草原4-9月累計日照時數(shù)與平均風速呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為-0.6，但也沒有通過顯著水平為0.05的t檢驗；4-9月平均相對濕度與累計日照時數(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)；*為通過顯著水平為0.05檢驗(P<0.05)，**為通過顯著水平為0.01檢驗(P<0.01)；***為通過顯著水平為0.001檢驗(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，本研究對分別屬于典型草原和荒漠草原的8個氣象站點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算其在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)。對不同草地類型的氣象站，計算其各氣候因子及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)為每個氣象站點10 km以內(nèi)所有像元的NPP均值。

對于典型草原，NPP與4-9月累計氣溫、平均日最低氣溫呈負相關(guān)，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為-0.9和-0.8，且均通過了顯著水平為0.001的假設(shè)檢驗；NPP與4-9月累計降水量、平均相對濕度呈正相關(guān)，各站平均值的相關(guān)系數(shù)分別約為0.9和0.8，且均通過了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗；NPP與4-9月累計日照時數(shù)、平均風速相關(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月平均風速、累計氣溫呈負相關(guān)，與4-9月累計降水量呈正相關(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濕度的偏相關(guān)系數(shù)明顯減小，考慮到平均相對濕度與累計降水量呈顯著正相關(guān)，平均日最低溫度與累計溫度呈顯著正相關(guān)，故可以得出，NPP主要與累計氣溫和累計降水量有較顯著的相關(guān)關(guān)系，而與平均相對濕度和日最低氣溫的相關(guān)關(guān)系不是很大，這與相關(guān)專家學者的研究結(jié)果一致[4,7]；NPP與4-9月的累計日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)呈正相關(guān)，而相關(guān)系數(shù)為負相關(guān)，表明除去其他因素影響，日照時數(shù)增多對NPP的增加起促進作用。

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)

對于荒漠草原，NPP與4-9月累計氣溫、平均日最低氣溫呈負相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別約為-0.7和-0.8，且均通過了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗；NPP與4-9月累計降水量、平均相對濕度呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別約為0.8和0.7，且均通過了顯著水平為0.01的假設(shè)檢驗；NPP與4-9累計日照時數(shù)、平均風速相關(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月平均風速的偏相關(guān)系數(shù)較小，風速反映了氣候的動力屬性[25]，故這從一定程度上反映出荒漠草原對氣候的響應(yīng)不如典型草原敏感。從兩種類型草原與4-9月累計氣溫、平均日最低氣溫、累計降水量、平均相對濕度的相關(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。

3 結(jié)論

本研究利用MODIS MOD17A3衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品及地面氣象觀測數(shù)據(jù)，分析了2000-2010年錫林郭勒盟草原NPP的時空變化特征、各氣候因子的年際變化特征及不同草地類型的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隨時間呈波動增加趨勢，變異系數(shù)大多在0.10～0.25，變化較為平緩。對于不同草地類型的NPP，典型草原高于荒漠草原，但都隨時間呈減小趨勢，典型草原NPP的波動幅度大于荒漠草原。對于研究區(qū)不同等級NPP的面積變化情況，稍低NPP和中NPP的面積隨時間呈上升趨勢，低NPP、稍高NPP和高NPP的面積隨時間呈下降趨勢，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月累計降水量和日平均相對濕度高于荒漠草原，4-9月氣溫、累計日照時數(shù)和風速低于荒漠草原；但大部分氣候因子的變化趨勢基本相同，累計氣溫、平均相對濕度和累計日照時數(shù)均隨時間呈減小趨勢，平均風速均隨時間呈增加趨勢，累計降水量典型草原呈輕微減少趨勢，荒漠草原呈增加趨勢；典型草原大部分氣候因子的波動程度大于荒漠草原。對于兩種草原，累計氣溫與累計降水量和平均相對濕度呈負相關(guān)，顯著水平分別為P<0.01和P<0.05；累計降水量與平均相對濕度呈正相關(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)性強于荒漠草原。

(4)對于典型草原和荒漠草原，NPP與4-9月累計氣溫、平均日最低氣溫均呈負相關(guān)(P<0.001和P<0.01)；與4-9月累計降水量、平均相對濕度呈正相關(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濕度的偏相關(guān)系數(shù)明顯減小，表明NPP主要與累計氣溫和累計降水量有關(guān)，而與平均相對濕度和日最低氣溫的相關(guān)關(guān)系不是很大。對于典型草原，NPP與4-9月的累計日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為正，而相關(guān)系數(shù)為負，表明除去其他因素影響，日照時數(shù)增多對NPP的增加起促進作用。對于荒漠草原，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速的影響小于典型草原?？傮w來看，荒漠草原對氣候因子變化的響應(yīng)不如典型草原敏感。

[1] 國志興,王宗明,張柏,劉殿偉,楊桄,宋開山,李方.2000年-2006年東北地區(qū)植被NPP的時空特征及影響因素分析[J].資源科學,2008,30(8):1226-1235.

[2] Lieth H,Whittaker R H.Primary Productivity of the Biosphere[M].New York:Springer-Verlad Press,1975:3-4.

[3] Lin H L,Zhao J,Liang T G,Jan B,Li Z Q.A Classification indices-based model for net primary productivity (NPP) and potential productivity of vegetation in China[J].International Journal of Biomathematics,2012,5(3):1-23.

[4] 李剛,周磊,王道龍,辛曉平,楊桂霞,張宏斌,陳寶瑞.內(nèi)蒙古草地NPP變化及其對氣候的響應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(5):1948-1955.

[5] 谷曉平,黃玫,季勁鈞,吳戰(zhàn)平.近20年氣候變化對西南地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的影響[J].自然資源學報,2007,22(2):215-260.

[6] 張峰,周廣勝,王玉輝.基于CASA模型的內(nèi)蒙古典型草原植被凈初級生產(chǎn)力動態(tài)模擬[J].植物生態(tài)學報,2008,32(4):786-797.

[7] 穆少杰,李建龍,楊紅飛,剛成誠,陳奕兆.內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)近10年NPP時空變化及其與氣候的關(guān)系[J].草業(yè)學報,2013,22(3):6-15.

[8] Scurlock J M O,Johnson K,Olson R J.Estimating net primary productivity from grassland biomass dynamics measurements[J].Global Change Biology,2002,8(8):736-753.

[9] 林慧龍,常生華,李飛.草地凈初級生產(chǎn)力模型研究進展[J].草業(yè)科學,2007,24(12):26-29.

[10] Lin H L,Wang X L,Zhang Y J,Liang T G,Feng Q S,Ren J Z.Spatiotemporal dynamics on the distribution,extent and NPP of potential grassland in response to climate changes in China[J].The Rangeland Journal,2013,35(4):409-425.

[11] Lin H L,Feng Q S,Liang T G,Ren J Z.Modeling global-scale potential grassland changes in spatial-temporal patterns to global climate change[J].International Journal of Sustainable Development & World Ecology,2013,20(1):83-96.

[12] 胡云峰,阿拉騰圖雅,艷燕,于國茂.內(nèi)蒙古錫林郭勒生態(tài)系統(tǒng)綜合監(jiān)測與評估[M].北京:中國環(huán)境出版社,2013:1-8.

[13] 候?qū)W煜.中國人民共和國植被圖[M].北京:地圖出版社,1979.

[14] 辜智慧,陳晉,史培軍,徐明.錫林郭勒草原1983～1999年NDVI逐旬變化量與氣象因子的相關(guān)分析[J].植物生態(tài)學報,2005,29(5):753-765.

[15] Lin H L,Zhang Y J.Evaluation of six methods to predict grassland net primary productivity along an altitudinal gradient in the Alxa Rangeland,Western Inner Mongolia,China[J].Grassland Science,2013,59:100-110.

[16] 魏紹成,周嘉友.草原分類與植被分類關(guān)系的分析[J].草業(yè)科學,1991,8(2):1-3.

[17] 中國植被編委會.中國植被[M].北京:科學出版社,1980.

[18] 劉虎俊,王繼和,常兆豐,馬全林,楊自輝,詹科杰.石羊河下游荒漠植物區(qū)系及其植被特征[J].生態(tài)學雜志,2006,25(2):113-118.

[19] 嚴麗坤.相關(guān)系數(shù)與偏相關(guān)系數(shù)在相關(guān)分析中的應(yīng)用[J].云南財貿(mào)學院學報,2003,19(3):78-80.

[20] 王穎,張科利,李峰.基于10年MODIS數(shù)據(jù)的錫林郭勒盟草原植被覆蓋度變化監(jiān)測[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2012,26(9):165-169.

[21] Yu F,Price K P,Ellis J,Shi P J.Response of seasonal vegetation development to climate variations in eastern central Asia[J].Remote Sensing of Environment,2003,87:42-54.

[22] Hubbard K G,Rosenberg N J,Nielsen D C.Automated weather data network for agriculture[J].Journal of Water Resources Planning and Management,1983,109(3):213-222.

[23] Ji I,Peters A J.A spatial regression procedure for evaluating the relationship between AVHRR-NDVI and climate in the northern Great Plains[J].International Journal of Remote Sensing,2004,25(2):297-311.

[24] 師桂花.氣候變化對錫林郭勒盟典型草原天然牧草物候期的影響[J].中國農(nóng)業(yè)通報,2014,30(29):197-204.

[25] 劉巖.半干旱草地NPP遙感模型和環(huán)境響應(yīng)研究[D].北京:中國科學院研究生院碩士學位論文,2006.

(責任編輯 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,孫聰,彭福利,周澎.2000-2010年錫林郭勒草原NPP時空變化及其氣候響應(yīng)[J].草業(yè)科學,2015,32(11):1709-1720.

LIU Hai-jiang,YIN Si-yang,SUN Cong,PENG Fu-li,ZHOU Peng.Temporal and spatial variation of net primary productivity (NPP) and its responses with climatic changes in the Xilingol grassland from 2000 to 2010[J].Pratacultural Science，2015,32(11)：1709-1720.

2015-07-01 接受日期：2015-08-20

公益性行業(yè)(環(huán)保)科研專項課題——重要生態(tài)功能區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復模式研究與應(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)測與評價研究。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)測研究。E-mail：zp.imu@163.com

S812.1

A

1001-0629(2015)11-1709-12