許吉仁，董霽紅，楊宏兵

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州 221116;2.江蘇省資源環(huán)境與信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，徐州 221116)

0 引言

植被凈第一性生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)是指綠色植物在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)所累積的有機(jī)物數(shù)量［1］，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)性及其與環(huán)境相互作用的重要指標(biāo)，直接與全球變化的關(guān)鍵科學(xué)問題——碳循環(huán)、水循環(huán)與食物安全密切相關(guān)［2，3］。土地覆被變化與植被凈第一性生產(chǎn)力的關(guān)系是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)問題之一，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)此作了大量研究［4－10］。然而這些研究大多集中在全球和區(qū)域空間尺度上植被凈第一性生產(chǎn)力的估算和評(píng)價(jià)，較少涉及到溫帶草原系統(tǒng)這一特定區(qū)域［11－13］，同時(shí)，國內(nèi)較少涉及長時(shí)間跨度的典型溫帶草原土地覆被變化及其凈初級(jí)生產(chǎn)力響應(yīng)的研究。

皇甫川是黃河中游的一級(jí)支流，多粗泥沙，水土流失極其強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響著流域的生態(tài)環(huán)境［14］。研究分析皇甫川流域土地覆被變化及其對(duì)NPP的影響，對(duì)以皇甫川流域?yàn)榈湫痛淼臏貛Р菰鷳B(tài)系統(tǒng)土地資源的合理利用、土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、脆弱生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

皇甫川流域位于 E110.3°～111.2°，N39.2°～39.9°之間，屬溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，干燥少雨多風(fēng)，降水多為夏季暴雨。流域南北最寬距離85.9 km，東西最長距離 102.1 km，總面積 3 235.14 km2，大部分屬內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗境內(nèi);流域南部有415 km2屬陜西省，占流域面積的12.83%。流域內(nèi)土質(zhì)以草原栗鈣土為主，由于氣候變化歷史時(shí)期的砍伐及自清末以來的農(nóng)墾，天然林已所剩無幾，被人工植被和天然次生草原植被所代替，目前草原面積占該流域面積的絕大部分［15］。由于皇甫川流域草原面積比例大，生態(tài)脆弱，加之受到周邊高強(qiáng)度礦業(yè)開采的干擾，1983年被列為全國八大片水土流失重點(diǎn)治理區(qū)之一。以該地區(qū)作為快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下中國溫帶草原系統(tǒng)土地覆被變化及其NPP響應(yīng)的研究區(qū)域具有代表性。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

相關(guān)研究表明，內(nèi)蒙古典型草原NPP與年降水量呈極顯著的相關(guān)關(guān)系［16］?；矢Υ饔蜃畲蠼涤暝路菀话阍?月，故本研究選用1987年7月4日、1995年7月26日、2000年7月31日、2007年7月12日、2011年7月21日5期跨度25 a的Landsat TM數(shù)據(jù)，軌道號(hào)為127/32和127/33。各期影像均經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正、地面控制點(diǎn)幾何糾正和DEM的地形校正，并用ERDAS IMAGINE 9.3軟件統(tǒng)一為UTM/WGS84投影，用Raster/Mosaic功能進(jìn)行拼接鑲嵌，得到5期能夠完全覆蓋研究區(qū)的遙感圖像，再利用提取的皇甫川流域邊界線將其進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)的影像。

2 研究方法

2.1 遙感影像分類

參照《土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測規(guī)程》［17］和《土地利用現(xiàn)狀分類》［18］，把皇甫川流域土地利用/覆被類型劃分為耕地、林地、水域、沙地、裸巖、草地、灌叢及建設(shè)用地等8種類型。

2.2 CASA 模型

CASA(Carnegie－Ames－Stanford apprvach)模型充分考慮了環(huán)境條件以及植被本身的特征，主要以遙感和地理信息系統(tǒng)為技術(shù)手段，通過遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)以及植被類型、土壤類型共同驅(qū)動(dòng)。CASA模型依據(jù)的原理是植被凈第一性生產(chǎn)力主要由植被所吸收的光合有效輻射與其光能轉(zhuǎn)化率2個(gè)變量來確定，即

式中:t為時(shí)間(月份);x為空間位置;APARx，t為像元x處植被在t月份吸收到的光合有效輻射，MJ·m－2·月－1;εx，t為像元x處植被在t月份的實(shí)際光利用率，gC·MJ－1。

植被所吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例，即

式中:SOLx，t是t月份像元x處的太陽總輻射量，MJ·m－2;FPARx，t為植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例，在一定范圍內(nèi)，F(xiàn)PAR和NDVI之間存在著線性關(guān)系;常數(shù)0.5表示植被所利用的太陽有效輻射(波長范圍0.38～0.71μm)占太陽總輻射的比例。

光能轉(zhuǎn)化率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率。一般認(rèn)為在理想條件下植被具有最大光能轉(zhuǎn)化率，而在現(xiàn)實(shí)條件下光能轉(zhuǎn)化率主要受溫度和水分的影響［21］，即

式中:Tε1和Tε2反映溫度對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響;Wε為水分脅迫影響系數(shù)，代表水分條件的影響;ε*為理想狀態(tài)下的最大光能轉(zhuǎn)化率，采用全球最大光能利用率取值為0.389 gC/MJ。

FPAR，Tε1，Tε2和Wε的計(jì)算及改進(jìn)方法見文獻(xiàn)［19］，在此不再詳述。

3 模型參數(shù)獲取與處理

3.1 NDVI數(shù)據(jù)的獲取與處理

通過輻射校正和大氣校正，分別計(jì)算出皇甫川流域1987年、1995年、2000年、2007年和2011年5期的NDVI(圖1)。

圖1－1 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－1 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

圖1－2 1987—2011年皇甫川流域NDVIFig.1－2 NDVI during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

3.2 氣象數(shù)據(jù)的獲取與處理

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，包括皇甫川流域及其周邊氣象臺(tái)站1987年、1995年、2000年、2007年和2011年7月的氣溫、降水和太陽輻射數(shù)據(jù)(由于目前許多氣象觀測站點(diǎn)并不能直接獲得太陽輻射數(shù)據(jù)，可以用氣象站點(diǎn)每日的日照總時(shí)數(shù)換算成為每日的太陽輻射量)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除不可替代的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，最后保留了數(shù)據(jù)相對(duì)完整且空間分布較均勻的13個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)。對(duì)這些臺(tái)站的月平均氣溫、月總降水量、月太陽總輻射量3屬性進(jìn)行簡單Kriging插值，得到研究區(qū)的月平均氣溫、月總降水量和月太陽總輻射量分布值。

3.3 土壤類型數(shù)據(jù)的獲取與處理

皇甫川流域內(nèi)土壤可分為栗鈣土、黃綿土、風(fēng)沙土、沖積土、淡栗褐土、石質(zhì)土和粗骨土7種類型。土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站(http://www.soil.csdb.cn/)。圖 2 為土壤類型圖。

圖2 皇甫川流域土壤類型圖Fig.2 Soil types in Huangfuchuan W atershed

3.4 CASA模型的修正

本文參考Running等［20］依據(jù)生態(tài)生理過程模型BIOME－BGG對(duì)10種植被類型的模擬結(jié)果，對(duì)CASA模型中最大光能利用率(ε*)參數(shù)按陜北7種主要植被類型分別取值:針闊混交林1.044 gC/MJ，疏林灌叢 0.888 gC/MJ，草地 0.768 gC/MJ，干旱草地0.608 gC/MJ，耕作植被 0.604 gC/MJ，荒漠、水體等生態(tài)系統(tǒng)取CASA模型所估算的全球最大光能利用率 0.389 gC/MJ。

4 結(jié)果與分析

4.1 1987—2011年皇甫川流域土地覆蓋變化

利用1987年、1995年、2000年、2007年和2011年TM影像解譯得到皇甫川流域5期土地利用類型。表1反映了各土地利用類型的變化轉(zhuǎn)移情況。從表中可以得到:1987—2011年間，土地利用類型的數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變。灌叢和草地是皇甫川流域的主要土地利用類型，其總和占土地總面積的一半以上。

1)1987年，皇甫川流域灌叢面積最大，草地、裸巖也占據(jù)較大比重，耕地、林地、水域和沙地的面積較少。

2)1995年，由于人口增長較快，導(dǎo)致糧食需求增加，耕地面積增加;由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建設(shè)用地也有所增加，與此同時(shí)，由于部分草地被開墾為耕地，草地面積萎縮。

3)2000年，耕地、林地、灌叢、建設(shè)用地面積保持較快的增長，耕地面積占整個(gè)流域的4.46%。

4)2007年，隨著政府一系列保護(hù)政策的出臺(tái)，林地面積繼續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì);建設(shè)用地面積擴(kuò)張較為明顯;其他土地利用類型面積則出現(xiàn)不同程度的下降，其中，灌叢和沙地面積下降的幅度最大;流域耕地面積繼續(xù)增加，并達(dá)到最大值，這是因?yàn)榱饔蛉丝诳焖僭鲩L，對(duì)糧食的需求大幅增加，進(jìn)而使耕地面積繼續(xù)增加;2007年裸巖面積有小幅度增加。

表1 皇甫川流域1987—2011年土地利用統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Land use during 1987—2011 in Huangfuchuan Watershed

5)2011年，皇甫川流域的林地和建設(shè)用地面積繼續(xù)保持較快的增長速度，林地面積已占到全流域面積的6.81%，建設(shè)用地面積已占到全流域面積的0.24%;在人類對(duì)土地的需求擴(kuò)大的同時(shí)，土地的集約程度得到提高，未利用地(裸巖和沙地)的面積不斷減小;受氣候干旱化的影響，水域面積繼續(xù)減小，僅占全流域面積的1.61%;草地和耕地面積經(jīng)歷增長階段后開始出現(xiàn)較大幅度下降。

4.2 基于修正的CASA模型估算NPP

基于修正的CASA模型模擬出1987年、1995年、2000年、2007年和2011各年7月份皇甫川流域5期植被NPP分布圖，如圖3所示。

圖3 1987—2011年皇甫川流域NPP分布Fig.3 Distribution of NPP during 1987—2011 in Huangfuchuan W atershed

5個(gè)時(shí)期皇甫川流域NPP總量分別為28.12 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.92 GgC 和 78.52 GgC。NPP從1987年7月至2007年7月逐步增加，2007年7月以后逐步減少，5期總量表現(xiàn)為“先增后減”的變化趨勢(shì)，呈現(xiàn)一定的時(shí)間波動(dòng)性。

4.3 皇甫川流域土地覆被變化對(duì)NPP的響應(yīng)

研究區(qū)處于溫帶草原生態(tài)脆弱區(qū)，不同土地覆被類型之間的轉(zhuǎn)移，有可能改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)植被NPP的影響很大。通過研究不同土地覆被類型轉(zhuǎn)移情況對(duì)NPP變化的影響，確定影響區(qū)域植被凈第一性生產(chǎn)力的主要土地利用類型?；矢Υ饔蚋鲿r(shí)期土地覆被變化對(duì)應(yīng)的NPP變化情況如表2—表5所示。

表2 皇甫川流域1987—1995年土地覆被變化對(duì)應(yīng)的NPP變化Tab.2 NPP changes corresponding with land cover change during 1987—1995 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表2可知，皇甫川流域1987—1995年間耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.66 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.01 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.91 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了1.40 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.98 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了3.76 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.96 GgC。本階段植被NPP共增加11.34 GgC，草地轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因。在該階段，草地面積主要轉(zhuǎn)移為灌叢和裸巖，草地轉(zhuǎn)化為灌叢的過程使植被NPP增加了3.63 GgC，說明草地轉(zhuǎn)移為灌叢對(duì)植被NPP增加的貢獻(xiàn)最大。

表3 皇甫川流域1995—2000年土地覆被變化對(duì)應(yīng)的NPP變化Tab.3 NPP changes corresponding with land cover change during 1995—2000 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表3可知，皇甫川流域1995—2000年間耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了1.04 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了0.63 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.87 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.17 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了5.78 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.26 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了2.84 GgC。本階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP增加了10.25 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因。

表4 皇甫川流域2000—2007年土地覆被變化對(duì)應(yīng)的NPP變化Tab.4 NPP changes corresponding with land cover change during 2000—2007 in Huangfuchuan Watershed (GgC)

由表4可知，皇甫川流域2000—2007年間，耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.94 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.84 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了1.65 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了3.99 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了9.10 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了6.47 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了25.60 GgC。該階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP增加了48.59 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移是植被NPP增加的主要原因，期間灌叢面積主要轉(zhuǎn)移為草地和裸巖，灌叢轉(zhuǎn)化為草地的過程使植被NPP增加了9.34 GgC，灌叢轉(zhuǎn)化為草地對(duì)植被NPP增加的貢獻(xiàn)最大。

表5 皇甫川流域2007—2011年土地覆被變化對(duì)應(yīng)的NPP變化Tab.5 NPP changes corresponding with land cover change during 2007—2011 in Huangfuchuan W atershed (GgC)

由表5可知，2007—2011年間，皇甫川流域耕地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了14.89 GgC，林地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少了6.34 GgC，水域轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.48 GgC，沙地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了0.37 GgC，裸巖轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP增加了5.63 GgC，草地轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少15.82 GgC，灌叢轉(zhuǎn)移導(dǎo)致植被NPP減少11.13 GgC，本階段各土地利用類型轉(zhuǎn)移使植被NPP共減少41.70 GgC，草地轉(zhuǎn)移是植被NPP減少的主要原因。在本階段，草地面積主要轉(zhuǎn)移為灌叢和裸巖，草地轉(zhuǎn)移為灌叢的過程使植被NPP減少了12.50 GgC，說明草地轉(zhuǎn)移為灌叢對(duì)植被NPP下降的貢獻(xiàn)最大。

綜上所述，人口增長對(duì)耕地的需求、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因素帶來的畜牧業(yè)擴(kuò)張和礦業(yè)開采以及政策性導(dǎo)向?qū)ι鷳B(tài)脆弱區(qū)環(huán)境改善，很大程度上決定了皇甫川流域土地覆被變化，并且形成了其NPP近25 a來“先增后減”、整體增加的變化趨勢(shì)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，國家實(shí)施了“京津風(fēng)沙源治理”、“退耕還林還草”、“退牧還草”、“圍封轉(zhuǎn)移”等一系列生態(tài)恢復(fù)工程，對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)脆弱地區(qū)環(huán)境改善以及植被恢復(fù)起到了積極的作用，這些生態(tài)恢復(fù)措施有效地遏制了草地的退化，促進(jìn)了草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加。然而，近10 a來由于皇甫川流域內(nèi)及周邊高強(qiáng)度的礦業(yè)開采，造成了地下水流失、草原生態(tài)系統(tǒng)被破壞，導(dǎo)致其植被凈初級(jí)生產(chǎn)力又開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

5 結(jié)論

隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)和氣候條件的變化，處于生態(tài)脆弱區(qū)的溫帶草原系統(tǒng)典型代表皇甫川流域在近25 a間，土地利用類型的數(shù)量和結(jié)構(gòu)均發(fā)生了較大的改變，從而導(dǎo)致了NPP總量的變化。

1)土地利用類型主要以灌叢和草地為主，土地結(jié)構(gòu)變化明顯，建設(shè)用地、林地面積逐漸增加，水域面積逐漸減小，耕地、草地、灌叢、裸巖和沙地呈波動(dòng)變化。

2)1987年、1995年、2000年、2007年和2011年皇甫川流域的NPP總量分別為28.11 GgC，53.47 GgC，73.23 GgC，157.91 GgC 和 78.51 GgC，是一個(gè)先增多后減少的過程。灌叢和草地NPP位列流域內(nèi)各類土地覆被類型的前2位。

3)1987—1995年間，皇甫川流域草地轉(zhuǎn)移為灌叢是影響NPP變化的主要原因;1995—2000年間，裸巖轉(zhuǎn)移為草地是影響NPP變化的主要原因;2000—2007年間，灌叢轉(zhuǎn)移為草地是影響NPP變化的主要原因;2007—2011年間，草地轉(zhuǎn)移為灌叢是影響NPP變化的主要原因。

要保障溫帶草原地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力，應(yīng)該著重保證灌叢和草地的覆被面積，協(xié)調(diào)區(qū)域資源開發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)，保障流域生態(tài)系統(tǒng)平衡。在區(qū)域尺度上堅(jiān)持“以草定畜”原則，將牲畜頭數(shù)限制在各地區(qū)、各地方實(shí)際牧草供應(yīng)能力范圍之內(nèi);加強(qiáng)草原區(qū)的生態(tài)工程建設(shè)，如退化草地的改良、沙化土地的治理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù);同時(shí)應(yīng)協(xié)調(diào)區(qū)域資源開發(fā)與生態(tài)保護(hù)。草原周邊礦產(chǎn)資源豐富，經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致近年來礦產(chǎn)資源被大量開采，導(dǎo)致土地塌陷、裂縫，地下水沉降，水土流失，從而影響草原植被的生長，有關(guān)部門應(yīng)在合理開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)加倍重視礦山環(huán)境的恢復(fù)與治理。

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