袁 甲， 沈 非， 王甜甜， 羅小瑞

(1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003;2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241003)

安徽省農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力時(shí)空變化特征及影響因素
——基于MOD17A3的研究

袁 甲， 沈 非， 王甜甜， 羅小瑞

(1.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003;2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241003)

基于MODIS/MOD17A3數(shù)據(jù)集，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用距平分析、相關(guān)分析等方法，分析了2000-2010年安徽省農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力(NPP)的時(shí)空變化特征及影響因素.結(jié)果表明：安徽省農(nóng)田以水田為主；研究時(shí)段內(nèi)，安徽省農(nóng)田年NPP均值及年NPP總量整體上呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢；中產(chǎn)農(nóng)田面積最大，低產(chǎn)農(nóng)田次之，高產(chǎn)農(nóng)田面積最??；農(nóng)田NPP空間分異顯著，呈由北向南遞增的趨勢，中低產(chǎn)水田和旱地主要集中在長江以北地區(qū)，高產(chǎn)水田和旱地分布于沿江及其以南地區(qū)；降水與水田和旱地NPP均值呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，溫度與水田和旱地NPP均值呈顯著正相關(guān)關(guān)系；溫度是影響安徽省農(nóng)田生產(chǎn)力空間分異的主要?dú)庀笠蛩?

MOD17A3；NPP；農(nóng)田生產(chǎn)力；安徽省

耕地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的物質(zhì)條件，其數(shù)量和質(zhì)量的變化直接引起糧食產(chǎn)量的波動(dòng)，進(jìn)而影響到糧食的有效供給及糧食安全水平[1].20世紀(jì)90年代以來，快速的工業(yè)化和城市化進(jìn)程及退耕還林還草等占用了大量耕地，使中國耕地資源和農(nóng)業(yè)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化[2-4].在此背景下，開展農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力(NPP)及其影響因素的研究，對估算農(nóng)田承載力、合理開發(fā)和利用耕地資源、制定保障國家糧食安全的對策及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5-6].

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人類社會(huì)存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，是在人類強(qiáng)烈干預(yù)和控制下形成的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的亞系統(tǒng)，具有自然和社會(huì)雙重屬性[7].凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，簡稱NPP)指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上所積累的有機(jī)干物質(zhì)總量[8]，NPP能夠以統(tǒng)一的尺度標(biāo)準(zhǔn)度量生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，可避免以作物產(chǎn)量衡量農(nóng)田生產(chǎn)力時(shí)，由于農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、作物品種變化等造成的干擾，是衡量農(nóng)田生產(chǎn)力變化的切實(shí)可行的指標(biāo)[9].地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，為實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測區(qū)域或全國尺度的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力提供了大尺度、高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)和方法，已有研究主要集中于探究森林[10-11]、草原[12-14]或整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)[15-16]的生產(chǎn)力及其影響因素，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP的研究缺乏關(guān)注.

安徽省位于我國東部，是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，2013年全省糧食產(chǎn)量3279.60萬t，居全國第八位[17].本研究基于MOD17A3 NPP數(shù)據(jù)集，依托GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)及同期氣象數(shù)據(jù)，探究2000-2010年安徽省農(nóng)田NPP的時(shí)空演變規(guī)律，量化分析氣候因素對農(nóng)田NPP產(chǎn)生的影響，以期為科學(xué)管理和合理利用農(nóng)業(yè)自然資源提供決策依據(jù).

1 研究區(qū)概況

安徽省地處華東腹地，長江、淮河中下游，介于29°41′-34°38′N、114°54′-119°37′E之間，是我國華北與華南的過渡帶.土地面積13.96×104km2，約占全國國土面積的1.45%.區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，地勢西南高、東北低；由北向南大致可分為淮北平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)、皖西丘陵山區(qū)、沿江平原區(qū)和皖南山區(qū)等5個(gè)自然地形區(qū).該區(qū)位于北亞熱帶和南溫帶過渡地帶，以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，淮河北部為暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，南部為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候.年平均氣溫14-17℃，年降水量750-1700mm.氣候溫暖濕潤、四季分明、雨熱同期、雨量充沛，有利于作物生長，淮北地區(qū)為商品糧基地，作物以小麥、玉米為主，江淮地區(qū)為魚米之鄉(xiāng)，多種植水稻、油菜.行政區(qū)劃上主要包括17個(gè)地級市和61個(gè)縣(2010年行政區(qū)劃調(diào)整前)，2013年末，全省國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)19038.87億元，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值約占12.33%.

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

圖1 安徽省農(nóng)田空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of farmland in Anhui Province

研究區(qū)2000-2010年的NPP數(shù)據(jù)來源于MODIS四級處理產(chǎn)品MOD17A3(https://lpdaac.usgs.gov)，其空間分辨率為1km×1km.利用MRT軟件，對MOD17A3數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、格式轉(zhuǎn)換、投影變換及重采樣處理，處理后的數(shù)據(jù)為TIFF格式，投影為Albers等積圓錐投影，空間分辨率為1km.土地利用數(shù)據(jù)(2005年)由國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目：地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.geodata.cn/)提供，利用該數(shù)據(jù)提取安徽省農(nóng)田(旱地和水田)空間分布數(shù)據(jù)(圖1).氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)，包括各站點(diǎn)的年平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)精度，利用安徽省境內(nèi)及周邊地區(qū)的55個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值.采用反距離權(quán)重(Inverse Distance Weighted，IDW)插值法得到與NPP數(shù)據(jù)具有相同空間分辨率和投影的溫度和降水柵格數(shù)據(jù)集.利用安徽省矢量邊界數(shù)據(jù)對NPP數(shù)據(jù)及氣溫、降水柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)NPP及氣溫和降水的空間分布數(shù)據(jù).

2.2 分析方法

由于各種農(nóng)田作物的產(chǎn)量差異和不可比性，農(nóng)田產(chǎn)量的確定具有一定的模糊性，而距平百分率可以體現(xiàn)某一時(shí)段內(nèi)的農(nóng)田NPP偏離同期多年NPP均值的程度，能夠在一定程度上反映出農(nóng)田生產(chǎn)力的空間分異特征[18].其計(jì)算公式如下：

(1)

相關(guān)分析是研究隨機(jī)變量之間相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計(jì)方法，可用于研究地理系統(tǒng)中各要素之間是否存在依存關(guān)系，對具有依存關(guān)系的要素，可以進(jìn)一步探討其相關(guān)關(guān)系的方向及相關(guān)程度.本研究基于柵格像元，分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP與溫度和降水量的相關(guān)性，其計(jì)算公式如下：

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 安徽省2000-2010年農(nóng)田NPP時(shí)間變化特征

2000-2010年間，安徽省農(nóng)田年NPP均值及年NPP總量總體上均呈波動(dòng)上升趨勢(圖2).農(nóng)田NPP均值由2000年的401.72gC·m-2·a-1增至2010年的497.70gC·m-2·a-1，增幅為23.89%，平均值為465.93gC·m-2·a-1.同期，農(nóng)田NPP總量由3.08×107gC·a-1增至3.89×107gC·a-1，增幅為26.30%，平均值為3.61×107gC·a-1.

圖2 2000-2010年安徽省農(nóng)田年NPP均值及年NPP總量變化趨勢Fig.2 The changing trend of the average annual NPP and the total annual NPP of farmland in Anhui province from 2000 to 2010

基于ArcGIS的空間分析功能，對研究區(qū)2000-2010年間水田和旱地的NPP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1).由表1可知：近11年來，各市級行政區(qū)水田NPP均值介于399.61-561.97gC·m-2·a-1之間，平均為463.77gC·m-2·a-1.旱地NPP均值介于412.37-566.89gC·m-2·a-1之間，平均為465.49gC·m-2·a-1，略高于水田NPP均值.研究期間，水田和旱地NPP最小值分別位于銅陵市和黃山市，最大值均位于蕪湖市.水田的標(biāo)準(zhǔn)差均值為61.57，旱地的標(biāo)準(zhǔn)差均值為60.86，說明旱地生產(chǎn)力較水田穩(wěn)定.2000-2010年間，安徽省水田NPP總量變化范圍是1.73×107gC·a-1-2.24×107gC·a-1，2005年NPP總量最小，2002年最大.旱地NPP總量變化范圍是1.32×107gC·a-1-1.80×107gC·a-1，低于水田NPP總量，2000年NPP總量最小，2008年最大.

表1 2000-2010年安徽省各市農(nóng)田年均NPP(單位：gC·m-2·a-1)

3.2 安徽省2000-2010年農(nóng)田NPP空間分布格局

安徽省農(nóng)田以水田為主，總面積約42668.75km2，占農(nóng)田總面積的54.02%，主要分布在淮河以南鄰近水源的地區(qū).旱地總面積約36317.31km2，占農(nóng)田總面積的45.98%，集中分布于淮河以北地區(qū)(圖1).根據(jù)公式(1)計(jì)算水田和旱地的距平百分率，得到安徽省水田和旱地等級的空間分布圖(圖3).由圖3可知，安徽省中產(chǎn)水田面積最大，約占水田總面積的60.42%，廣泛分布于安徽省中南部地區(qū)，其中位于江淮之間的滁州市、合肥市、六安市、巢湖市、安慶市中產(chǎn)水田分布最為集中且面積較大，約占中產(chǎn)水田總面積的80.59%.低產(chǎn)水田約占水田總面積的20.94%，集中分布于江淮之間.高產(chǎn)水田約占水田總面積的18.64%，集中分布于沿江平原及長江以南地區(qū)，安慶市、池州市、黃山市、宣城市及蕪湖市的高產(chǎn)水田面積約占水田總面積的80.83%.

研究區(qū)中產(chǎn)旱地約占旱地總面積66.11%，主要集中分布在沿淮及淮河以北的平原地區(qū)；高產(chǎn)旱田約占旱田面積的2.79%，零星分布于沿江平原及宣城市東北部和黃山市中東部地區(qū)，淮河以北主要集中在宿州市東部；低產(chǎn)旱地約占旱地總面積的31.10%，集中分布于淮河以北地區(qū)，其中87.55%的低產(chǎn)旱地分布于阜陽市、亳州市、淮北市、宿州市及蚌埠市.

為進(jìn)一步剖析研究區(qū)水田和旱地生產(chǎn)力的空間分布規(guī)律，按市級行政區(qū)統(tǒng)計(jì)各等級水田和旱地所占比例(表2).從表2可以看出，各市低產(chǎn)和中產(chǎn)水田所占比例整體上由北向南逐漸減小，高產(chǎn)水田分布趨勢與之相反；各市各級旱地所占比例分布趨勢與水田基本一致.總體上，安徽省以中產(chǎn)農(nóng)田為主，中產(chǎn)水田和旱地共占安徽省農(nóng)田總量的63.04%，集中分布于長江以北地區(qū)；低產(chǎn)農(nóng)田面積較大，占農(nóng)田總面積的25.61%，與中產(chǎn)農(nóng)田分布范圍大致相同；高產(chǎn)農(nóng)田所占比例最小，分布于沿江及長江以南地區(qū).農(nóng)田生產(chǎn)力整體上由北向南逐漸增加.

圖3 安徽省耕地分級圖Fig.3 Farmland classification map of Anhui Province表2 安徽省市級行政區(qū)各等級水田和旱地所占比例(%)Tab.2 The proportion (%) of paddy field and dry land in the municipal administrative region in Anhui Province

地區(qū)水田旱地低產(chǎn)中產(chǎn)高產(chǎn)低產(chǎn)中產(chǎn)高產(chǎn)宿州市26.4273.100.4829.7868.661.57淮北市55.6944.310.0056.4243.580.00亳州市42.4157.590.0047.6752.330.00阜陽市40.6359.370.0025.8874.120.00蚌埠市27.4572.550.0017.6382.230.14淮南市35.3064.700.0035.2864.720.00滁州市9.9883.166.8614.9683.731.32合肥市13.4185.880.7110.2989.370.33六安市58.5838.742.6853.0645.960.97馬鞍山市11.9864.9223.118.1544.5247.33巢湖市14.0477.618.3510.4581.967.59安慶市11.2052.8036.0011.7652.9235.32蕪湖市8.3064.0027.7016.6262.9520.43銅陵市21.2464.3314.4320.7246.5832.70池州市8.8736.3554.789.7731.7258.51宣城市4.5825.6369.773.5724.0372.40黃山市2.6133.9563.442.0233.0864.89

4 影響因素分析

4.1 安徽省年均氣溫及降水時(shí)空變化

分析2000-2010年間安徽省溫度、降水柵格數(shù)據(jù)可知：近11年來，安徽省年平均溫度表現(xiàn)出微弱的下降趨勢(圖4a)，年均氣溫從15.83℃下降到15.74℃，下降了0.09℃，平均溫度為15.99℃.2003年平均溫度最低，為15.53℃；2007年溫度最高，為16.54℃.同期，研究區(qū)年降水量呈現(xiàn)出上升趨勢(圖4b)，年均降水量從1108.61mm上升到1210.44mm，上升了101.83mm，平均降水量為1136.79mm.2001年平均降水量最小，為898.69mm，2003年最大，為1391.12mm.研究期間，年均溫度和年均降水量總體上呈現(xiàn)出由北向南增加的空間分布特征，但在研究區(qū)南部的黃山市境內(nèi)出現(xiàn)了較大面積的低溫中心，平均氣溫為14.14℃.同時(shí)，平均降水量最大值1692.73mm，也位于黃山市，淮北市平均降水量最小，為898.47mm.

圖4 安徽省2000-2010年平均溫度(a)及平均降水(b)變化及其線性趨勢Fig.4 Annual mean temperature (a) and mean precipitation (b) and its linear trend in Anhui province from 2000 to 2010

4.2 氣象因素對NPP的影響

對安徽省2000-2010年氣象柵格數(shù)據(jù)和農(nóng)田NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，得到降水、溫度與農(nóng)田NPP相關(guān)系數(shù)的空間分布圖(圖5).由圖5可知，氣溫和降水對農(nóng)田NPP均值的影響呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征.其中：農(nóng)田NPP均值與降水呈顯著正相關(guān)的面積占總面積的13.16%，主要分布在安慶市和宣城市中北部、宿州市北部及長江和淮河沿岸地區(qū)；呈顯著負(fù)相關(guān)的面積占總面積的24.75%，淮河以北各市分布面積均較大，江淮之間的滁州市、合肥市及沿江地區(qū)也有大面積的分布；農(nóng)田NPP均值與氣溫呈顯著正相關(guān)的面積占總面積的59.07%，除六安市、池州市、宣城市、黃山市分布面積較小外，其余各市均有大面積分布；呈顯著負(fù)相關(guān)的面積占總面積的2.74%，集中分布于六安市、合肥市、滁州市、巢湖市.研究區(qū)農(nóng)田NPP均值與降水量和溫度之間的平均相關(guān)系數(shù)是-0.022和0.256(P<0.05)，說明安徽省農(nóng)田NPP均值與降水存在弱負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫則呈顯著正相關(guān)關(guān)系.降水與水田和旱地NPP均值的平均相關(guān)系數(shù)分別是-0.019和-0.041，溫度與水田和旱地NPP均值的平均相關(guān)系數(shù)分別是0.261和0.240(P<0.05).表明降水對安徽省水田和旱地生產(chǎn)力具有微弱的抑制作用，溫度對安徽省水田和旱地生產(chǎn)力的影響比降水明顯，是促進(jìn)水田和旱地NPP增加的主要?dú)夂蛞蜃?

各市級行政區(qū)水田和旱地與溫度均呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性由北向南波動(dòng)減小，溫度與水田和旱地的平均相關(guān)系數(shù)最大值分別位于銅陵市和亳州市，分別為0.38和0.87(P<0.01)，最小值分別為合肥市的0.10和六安市的0.08.降水與水田和旱地的相關(guān)性自北向南逐漸由負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)，且最南端的黃山市正相關(guān)關(guān)系最為明顯，其與水田和旱地的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.20和0.17，水田和旱地與降水平均相關(guān)系數(shù)最小值均出現(xiàn)在北部的淮北市，分別為0.27和0.24(P<0.05).說明2000-2010年間，隨著緯度的升高降水逐漸由促進(jìn)安徽省作物生長的因素，轉(zhuǎn)變?yōu)橄拗埔蛩?

圖5 NPP與降水(a)及溫度(b)相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.5 Spatial distribution of correlation coefficient between NPP and precipitation (a) and temperature (b)

5 結(jié)論

2000-2010年間，安徽省農(nóng)田年NPP均值及年NPP總量總體上均呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢，年NPP均值增幅為23.89%，年NPP總量增幅為26.30%.安徽省水田NPP均值為463.77gC·m-2·a-1，略低于旱地NPP均值；水田年均NPP總量為2.028×107gC·a-1，大于旱地年均NPP總量.安徽省農(nóng)田以水田為主，約占農(nóng)田總量的54.02%.中產(chǎn)農(nóng)田面積最大，共占安徽省農(nóng)田總量的63.04%，高產(chǎn)農(nóng)田所占比例最小.研究區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)力總體表現(xiàn)出由北向南逐漸增加的空間分布特征，中低產(chǎn)水田和旱地主要集中在長江以北地區(qū)，高產(chǎn)水田和旱地分布于沿江及長江以南地區(qū)，各市低產(chǎn)和中產(chǎn)水田所占比例整體上由北向南逐漸減小，高產(chǎn)水田分布趨勢與之相反.各市各級旱地所占比例分布趨勢與水田基本一致.安徽省農(nóng)田NPP的時(shí)空分布主要受溫度的影響，隨著緯度的升高降水逐漸由促進(jìn)研究區(qū)作物生長的因素，轉(zhuǎn)變?yōu)橄拗埔蛩?

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Temporal-Spatial Variation Characteristics and Influencing Factors of Farmland Net Primary Productivity in Anhui Province——Study Based on MOD17A3

YUAN Jia, SHEN Fei, WANG Tian-tian, LUO Xiao-rui

(1.College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China; 2. Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention, Wuhu 241003,China)

The spatial-temporal variation characteristics and the effects of climate change on farm productivity in Anhui province was studied in terms of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) net primary productivity(NPP) data products from 2000 to 2010, land use data and meteorological data. The results showed that the paddy field is the main agricultural land in Anhui province. During the study period, the average annual NPP and the total annual NPP showed a fluctuation upward trend. The middle yield farmland area is the largest, followed by low-yielding farmland, and the proportion of high yield farmland is the smallest. There is a significant spatial differentiation of farmland net primary productivity, which showed an increased trend gradually from north to south. Middle yield and low yield paddy field and dry land are mainly concentrated in the north of the Yangtze River, the high-yield paddy field and dry land are along the Yangtze river and the south of the region. The correlation between precipitation and average NPP in paddy field and dry land is weakly negative. The mean temperature and the average NPP of paddy field and dry land has a significant positive correlation. Temperature is the main meteorological factor affecting the spatial variation of farmland productivity in Anhui province.

MOD17A3; NPP; farmland productivity; Anhui Province

10.14182/J.cnki.1001-2443.2016.06.012

2015-09-22

安徽省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(AHSKY2015D72).

袁甲(1987-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生；通訊作者：沈非(1975-)，男，安徽明光人，副教授，博士研究生.

袁甲，沈非，王甜甜，等.安徽省農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力時(shí)空變化特征及影響因素——基于MOD17A3的研究[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016，39(6)：568-574

S127;P966.1 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1001-2443(2016)06-0568-07