張 芳，熊黑鋼，馮 娟，許仲林

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基于遙感的新疆人工綠洲擴(kuò)張中植被凈初級生產(chǎn)力動態(tài)變化

張 芳1,2，熊黑鋼2,3，馮 娟1,2，許仲林1,2

（1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2. 教育部新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊830046； 3. 北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083）

人類活動對全球碳循環(huán)過程的影響是全球氣候變化研究中爭論的主要焦點問題之一。不同區(qū)域、不同自然和人為因素對碳循環(huán)的作用機(jī)制十分復(fù)雜且差異很大，通過探討人類開墾活動對干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity, NPP）分布格局的影響，將有助于增加人類活動對干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)及碳循環(huán)影響的認(rèn)識和理解。該文基于長時間序列的Landsat遙感數(shù)據(jù)，利用CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型估算了1976年6月－2016年6月新疆奇臺新人工綠洲擴(kuò)張過程中NPP的變化情況，結(jié)果表明：1）1976年研究區(qū)主要是荒漠草原景觀，農(nóng)田僅有5 150 hm2，占研究區(qū)面積的3.25%，到2016年，農(nóng)田面積擴(kuò)大到64 675 hm2，增加11倍以上；2）人工綠洲擴(kuò)張的同時，泉水溢出帶消失，水庫干涸，灌叢面積從17 871 hm2下降到5 202 hm2；3）土壤鹽堿化發(fā)育進(jìn)程中斷，裸堿地面積減少近70%，并且開始向新生草地演替；4）2016年6月，研究區(qū)NPP總量達(dá)到了90 602 t，是1976年6月的2.2倍，農(nóng)田對NPP增量的貢獻(xiàn)超過93%，同期，灌叢則凈損失了8 265 t NPP，沼澤凈損失3 319 t；5）1976年的NPP主要由天然草地和灌叢構(gòu)成，分別占56.68%和26.61%，2016年的NPP主要由農(nóng)田和新生草地構(gòu)成，分別占65.23%和31.85%。

遙感；草地；農(nóng)田；新人工綠洲擴(kuò)張；NPP；CASA模型；新疆奇臺綠洲

0 引 言

植被凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指綠色植物在單位面積和單位時間內(nèi)通過光合作用累積的有機(jī)物量，用于測定植物體固定的凈碳量，可反映陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳交換過程[1]。近年來，在“糧食安全”和“全球變暖”2個重大問題驅(qū)動下，陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的相關(guān)研究與應(yīng)用受到廣泛重視[2-4]，建立于1987年的國際地圈-生物圈計劃（IGBP）、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GCTE）和京都協(xié)定（KP）均把植被的NPP研究確定為核心內(nèi)容之一[5]。NPP測量方式包括直接測定法和間接測定法，直接測定方式中以渦度相關(guān)法為公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接測定大氣與植被水汽、CO2交換通量，測量精度高，適用于尺度小、下墊面均一平坦環(huán)境[6]；間接測量包括模型估測和遙感反演，其中基于光能利用率的遙感模型目前已成為NPP估算的一種有效手段，使區(qū)域及全球尺度的NPP估算成為可能[7-9]。CASA（Carnegie- Ames-Stanford-Approach）模型是目前區(qū)域NPP估算中應(yīng)用較多的光能利用率模型，其優(yōu)點在于：模型相對簡單、所需參數(shù)較少；遙感數(shù)據(jù)有獲得植被及光合有效輻射信息的優(yōu)勢，可對植被覆蓋情況分類，通過多時相遙感數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對NPP進(jìn)行時間和空間上的動態(tài)監(jiān)測[10]。

新疆地處“一帶一路”核心區(qū)，在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全方面占有十分重要的戰(zhàn)略地位，是中國21世紀(jì)重要的資源接替區(qū)和經(jīng)濟(jì)增長支點，也是后備耕地資源占全國耕地儲備量1/4的國家糧食安全的重要保障基地[11]。目前，只占新疆土地面積的4%的綠洲，聚集著95%的人口和90%以上的社會財富，灌溉農(nóng)業(yè)則是綠洲地區(qū)最廣泛的經(jīng)濟(jì)活動[12-13]。中國從1976年到2016年是經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷加速的40 a，如今，整個天山北麓經(jīng)濟(jì)帶僅占全疆面積8.22%，但國內(nèi)生產(chǎn)總值占全疆近50%，耕地面積和人口均超過全疆的25%[14]。新人工綠洲的大規(guī)模擴(kuò)張必然造成陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的改變，進(jìn)而影響全球碳循環(huán)過程[15-16]。

本研究選用天山北麓奇臺綠洲平原區(qū)1976－2016年的5期同時相的Landsat系列遙感影像（間隔10 a左右），結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)等，通過基于光能利用率的CASA模型計算該區(qū)域40 a來新綠洲迅速擴(kuò)張過程中NPP分布格局的變化，以期增加人類活動對干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)及碳循環(huán)影響的認(rèn)識，為人類活動在全球氣候變化中的作用提供客觀依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

依據(jù)前人研究結(jié)果[17-18]，天山北麓的綠洲分布擴(kuò)張軌跡表現(xiàn)為：古綠洲（千年前形成）多分布在河流三角洲上；老綠洲（20世紀(jì)中葉前形成）多分布于沖洪積扇引水方便的中、上游沖積平原；新綠洲（20世紀(jì)中葉后形成）則主要分布于沖積平原的中下部。奇臺綠洲位于天山北麓經(jīng)濟(jì)帶上，農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度很高，是多年的全國農(nóng)業(yè)百強(qiáng)縣，因此，研究區(qū)選用奇臺綠洲與古爾班通古特沙漠相毗鄰的交錯帶區(qū)域，地理坐標(biāo)范圍為43°57′N～44°13￠N，89°24′E～90°09′E，年均溫5℃左右，年均降水約176 mm，年均蒸發(fā)勢2 141 mm，屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候。

1.2 遙感數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理

Landsat系列數(shù)據(jù)是目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的民用對地觀測多光譜遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率及長時間數(shù)據(jù)序列非常適合中等區(qū)域尺度地表環(huán)境演變與監(jiān)測研究。遙感數(shù)據(jù)的選擇主要從以下2個方面進(jìn)行考慮：1）數(shù)據(jù)質(zhì)量（如云量、條帶等）；2）時相（植物生長最旺盛季節(jié)）。受地理位置和大地形影響，新疆自然植被生長季極不同步，研究區(qū)3－5月作物歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）下降，7－8月自然荒漠植被的NDVI在高溫和不連續(xù)降水條件下明顯下降[19]，這與多年對研究區(qū)實地調(diào)查情況一致：奇臺綠洲平原區(qū)主要作物為小麥、玉米和甜菜，玉米、甜菜一般在4月份播種，5月中旬之前其幼苗葉片尚不能蓋滿田塊，7月中/下旬小麥開始收割。本研究旨在從新人工綠洲擴(kuò)張視角出發(fā)，討論人類活動對干旱區(qū)植被結(jié)構(gòu)和NPP分布格局的影響，因此，6月為該區(qū)域提取植被覆蓋類型變化信息的最佳時間。

通過對上述因素的綜合考慮，選用了1976年6月6日Landsat MSS影像和1989年5月23日、1996年6月28日、2007年6月27日、2016年6月19日的Landsat TM影像共5期衛(wèi)星數(shù)據(jù)，間隔約10 a左右。

遙感數(shù)據(jù)在使用前進(jìn)行了嚴(yán)格的預(yù)處理：1）大氣輻射校正；2）幾何精校正，校正誤差控制在0.2個像元以內(nèi)。預(yù)處理通過遙感數(shù)據(jù)處理專業(yè)軟件ENVI5.1完成。預(yù)處理后，原灰度值圖像轉(zhuǎn)換為地表反射率圖像，可用于下一步的圖像分類、運算和模型應(yīng)用。

1.3 NPP計算

CASA模型中植被NPP主要由植被吸收的光合有效輻射（absorbed photosynthetically active radiation, APAR）與光能轉(zhuǎn)化率（）2個變量來確定[20-21]。公式如下

NPP=APAR·T1·T2·W·ε（1）

APAR=0.5 SOL·FAPAR （2）

式中SOL是當(dāng)月研究區(qū)太陽總輻射量，MJ/m2；ε為最大光能轉(zhuǎn)化率，g/MJ；FAPAR（fractional APAR）為植被對光合有效輻射的吸收比例，常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射（可見光波長0.4～0.7m）占太陽總輻射的比例。T1和T2均為溫度脅迫系數(shù)；W為水分脅迫影響系數(shù)。

FAPAR由NDVI確定。相關(guān)計算基于下列公式完成

NDVI=(NIR–)/(NIR+) （3）

SR=(1+NDVI)/(1–NDVI) （4）

FAPARSR=[(SR–SRmin)/(SRmax–SRmin)]·(FAPARmax–

FAPARmin)+FAPARmin（5）

FAPARNDVI=[(NDVI–NDVImin)/(NDVImax–NDVImin)]·

(FAPARmax–FAPARmin)+FAPARmin（6）

FAPAR=(FAPARSR+FAPARNDVI)/2 （7）

式中NIR為近紅外反射率，為紅波段反射率；SR為簡單比值植被指數(shù)，與植被類型有關(guān)，SRmin=1.08，SRmax取值在4.14～6.17之間，F(xiàn)APARmax=0.95，F(xiàn)APARmin=0.001，這些參數(shù)無區(qū)域限制性，系通用參數(shù)[21]。

光能轉(zhuǎn)化率是植物通過光合作用固定太陽能，將所截獲/吸收的能量轉(zhuǎn)化為碳（C）/有機(jī)物干物質(zhì)的效率，用g/MJ（以C計，下同）表示。在此，CASA模型ε取值0.389 g/MJ[22-23]。

T1反映了在低溫和高溫時植物內(nèi)在的生化作用對光合的限制，計算如下

T1=0.8+0.02T–0.00052（8）

式中T為某區(qū)域一年內(nèi)NDVI值達(dá)到最高時月份的平均氣溫，℃。

T2表示環(huán)境溫度從最適宜溫度T向高溫和低溫變化時植物光能轉(zhuǎn)化率變小的趨勢，計算如下：

T2=1.1814({1+e[0.2 (T–10–T)]}/{1+e[0.3 (–T–10+T)]}) （9）

式中為影像數(shù)據(jù)獲取月份的平均氣溫，℃。

W反映植物所能利用的有效水分條件對光能轉(zhuǎn)化率的影響。隨著環(huán)境有效水分的增加，W逐漸增大，取值為0.5（在極端干旱條件下）～1（非常濕潤條件下）[20]。

W=0.5+0.5(EET/PET) （10）

式中PET為可能蒸散量，mm；EET為實際蒸散量，mm。

PET=58.93BT （11）

式中BT為生物溫度，℃。BT是0～30℃月均溫之和除以12[24]。

EET={·R·[P+R2+·R]}/{(+R)·(2+R2)} （12）

式中為當(dāng)月降水量，mm；R為當(dāng)月太陽凈輻射，MJ/m2。

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)[25]。

經(jīng)過多年田間走訪調(diào)查，研究區(qū)為灌溉農(nóng)業(yè)，灌溉過程由生產(chǎn)者根據(jù)經(jīng)驗和土壤墑情決定。傳統(tǒng)長期采用大水漫灌方式，造成水資源大量浪費，2008年后開始逐步推廣節(jié)水工程，科學(xué)測算各類作物需水量，保障作物充足水分供給。因此，研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本不受降水狀況限制和脅迫，因而農(nóng)田與沼澤的水分脅迫W取值為1。

1.4 影像分類

目前，研究區(qū)主要的地物類型包括農(nóng)田、草地、裸堿地和灌叢（圖1），樹木主要在部分田邊或路邊以防護(hù)林形式成線狀分布，未形成寬度超過1個像元（30 m）的成面積的可提取信息，因此林地未進(jìn)行單獨分類。農(nóng)田種植面積最大的作物類型主要有小麥、玉米、甜菜、打瓜等；草地主要指低矮草本植物為主如叉毛蓬、駱駝蓬等；灌叢指有株形較大的灌木或半灌木與草本的混合群落，如檉柳+芨芨草+苦豆子等。研究區(qū)土壤為堿性土壤，土壤pH值大于9.5的地方植物難以生長，有些就是光板地，因此劃分為裸堿地[26]。

圖1 研究區(qū)典型地物景觀照片

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)40 a新人工綠洲擴(kuò)張

研究區(qū)地勢東南高，西北低，西北處角地勢低洼處建有一平原水庫，泉水溢出帶沿800 m等高線由西南向東北方向呈弧形分布[27]。根據(jù)研究區(qū)多年實地定位觀測及訪查資料，采用監(jiān)督分類法對各期影像進(jìn)行分類（圖2），5期影像分類精度分別為96.38%、95.65%、92.75%、98.60%、98.45%。從圖2可以看出，1976年時，以泉水溢出帶為水源區(qū)形成沼澤、坑塘和向北流淌的泉水河，經(jīng)實地訪查，沼澤及其周圍生長植物以蘆葦和芨芨草混合灌叢為主，在泉水河兩側(cè)，灌叢沿河線狀分布；干旱氣候與地表水分條件的共同作用使鹽堿土廣泛發(fā)育；農(nóng)田稀疏，呈小斑塊狀零星散布，人類的活動強(qiáng)度較弱。1989年，農(nóng)田在原有田塊周圍迅速增加，沼澤特征減弱，水體水面略有縮小，灌叢大量減少。1996年，農(nóng)田繼續(xù)擴(kuò)張，分散田塊連接成片，泉水溢出帶消失被開墾為農(nóng)田，水庫干涸僅留下大壩。2007年，地表覆蓋主要為3種地物類型：農(nóng)田、草地和裸堿地，農(nóng)田繼續(xù)在原有基礎(chǔ)上向外圍拓展，向沙漠逼近，許多鹽堿地也墾為農(nóng)田。到2016年，研究區(qū)原來的天然綠洲景觀完全被新人工綠洲替代，大面積條田相互連接，成為適合大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)綠洲。

圖2 研究區(qū)不同時期土地覆蓋圖

表1為根據(jù)分類結(jié)果提取的各類別覆蓋面積。1976年研究區(qū)農(nóng)田僅有5 150 hm2，占研究區(qū)面積3.25%，1989年，農(nóng)田面積增加到20 376 hm2，年均增加1 171 hm2；之后的1989－1996、1996－2007、2007－2016的3個時間段里，年均增加量分別為2 016、1 355和1 698 hm2。20世紀(jì)80年代中期之前，受交通、農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度、灌溉條件等限制，墾荒速度相對較低；20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代中期墾荒強(qiáng)度最大，這一階段，隨著聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制落實到戶，全縣打井總眼數(shù)超過了4 000眼[28]；之后在國家退耕還草等政策調(diào)整下，墾荒速度有所放緩，近10 a來墾荒強(qiáng)度又有所增加，2016年耕地面積占比已經(jīng)超過了研究區(qū)面積的40%。

表1 地物類型的面積變化

1976年－2016年裸堿地面積減少約41 056 hm2，縮小近70%，這主要是由于開墾導(dǎo)致研究區(qū)水文條件發(fā)生改變引起的：研究區(qū)地處干旱區(qū)沖洪積扇下緣，1976年地表水有水庫、坑塘、泉水河、沼澤等（圖2），說明當(dāng)時地下水位高，極易造成土壤強(qiáng)烈鹽堿化；由于大量開墾農(nóng)田，打井灌溉，到1996年地下水位迅速下降超過10 m[29]，沼澤消失，水庫干涸，地表水體僅剩幾個小澇壩。地下水位下降超過一定深度，土壤表層積鹽進(jìn)程停止，活性鹽堿土變?yōu)闅堄帑}堿土，在研究區(qū)近180 mm的年降水量的淋洗作用下，土壤表層的鹽堿化的程度逐漸減弱，有植被開始生長，鹽堿地向新生草地演替或被開墾改良成農(nóng)田。灌叢原來多生長在水分條件較好的地方，40 a來，灌叢從17 871 hm2減少到5 202 hm2，已經(jīng)很少能成片分布。草地面積在40 a里變化不大，但其分布位置明顯變化，原有草地被墾為農(nóng)田，新生草地在鹽堿地上形成，可知，人類的新綠洲擴(kuò)張活動使農(nóng)田大量增加的同時也改變了整個區(qū)域的水資源消耗方式和時空分布，進(jìn)而改變不同植被類型的空間分布格局。

2.2 人工綠洲擴(kuò)張過程中NPP動態(tài)變化

依據(jù)分類結(jié)果計算各類別中每個像元的NPP值，其中裸堿地和水體由于基本無植物信息不參與統(tǒng)計（表2）。2016年，研究區(qū)NPP總量為90 602 t，是1976年同期的2.2倍，其中，僅農(nóng)田擴(kuò)張就增加NPP 55 561 t，占增量的93%以上。2016年與1976年相比，灌叢則凈損失的NPP總量為8 265 t，沼澤凈損失3 319 t。1976年農(nóng)田對NPP的貢獻(xiàn)率僅為8.62%，40 a后，其貢獻(xiàn)率達(dá)65.23%。1996年以前，草地面積占比在42.72%～57.18%之間波動，但其NPP總量維持在一個相對平穩(wěn)水平，近20 a則有明顯增加。1989年與1976年相比，草地總NPP略降，這可能是由于20世紀(jì)80年代中后期質(zhì)量及時相對應(yīng)最好的Landsat數(shù)據(jù)為1989年5月23日，與其他4期影像存在約半個月的時間差造成的。

表2 1976－2016 年的植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）變化

若不考慮在時間上受到一定影響的1989年數(shù)據(jù)，1976年6月農(nóng)田單位面積NPP為68.6 g /m2。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作、化肥農(nóng)藥的施用、鹽堿化土壤改良等耕作模式與管理手段的不斷提高，農(nóng)田單位面積NPP逐步提高，2007年6月和2016年6月均已超過90g/m2。6月份的農(nóng)田NPP一定程度上受到作物類型的影響，例如研究區(qū)主要農(nóng)作物為小麥、玉米，2000年后受市場需求驅(qū)動，也開始一定規(guī)模的種植甜菜、油葵、打瓜等，這使得農(nóng)田中不同作物的生長旺盛期不同步。40 a里，6月份的草地單位面積NPP在30～40g/m2范圍之內(nèi)波動，相對比較穩(wěn)定，其影響因素主要是降水和春季氣溫回升情況，特別是春季融雪給土壤提供的水量在4－5月可以明顯地影響短生植物的萌發(fā)和生長，例如1989年草地面積明顯增大（表1），但單位面積NPP卻較小，就與一定量的短生植物尚處于幼苗期有關(guān)。灌叢多為多年生深根植物，其NPP除在一定程度上受到氣象因素影響外，也受到人類較大的干擾，例如1976年地面水量大，灌叢多生長于沼澤和泉水河周圍，形成比較長期穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，隨著新綠洲墾荒強(qiáng)度的增加，灌叢被大量開墾，地下水位下降，新的灌叢多出現(xiàn)于田間空地，株齡短，冠幅小，密度低，NPP也較低。沼澤只在1976年和1989年2期圖像上出現(xiàn)，到1996年時已完全消失，但是1989年沼澤單位面積NPP卻比1976年大42%，這可能是因為1989年沼澤已經(jīng)開始明顯退化，淹水深度降低，更利于淺水植物生長。

2.3 人工綠洲擴(kuò)張中地表NPP格局的變化

奇臺綠洲40 a的新人工綠洲擴(kuò)張活動改變了原來天然綠洲的植被構(gòu)成和NPP空間分布格局（圖3）。1976年6月單位面積NPP>120 g/m2的區(qū)域主要零星分布著農(nóng)田和高大檉柳+芨芨草等灌叢，介于70～120 g/m2之間的的主要是沼澤和芨芨草+苦豆子+鹽爪爪等混生灌叢群落，≤70 g/m2的多為荒漠草原，1976年6月研究區(qū)的NPP主要由天然草地（56.68%）和天然灌叢（26.61%）構(gòu)成，農(nóng)田的NPP貢獻(xiàn)率僅占8.62%，沼澤為8.10%（表2），大面積的鹽堿地幾乎無植被生長。經(jīng)過40a的新人工綠洲大開發(fā)過程，2016年6月研究區(qū)的NPP主要由農(nóng)田（65.23%）和新生草地（31.85%）構(gòu)成，灌叢的NPP貢獻(xiàn)率下降到2.92%，天然綠洲的植被構(gòu)成和荒漠草原景觀已被完全改變。

圖3 研究區(qū)不同時期單位面積植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）分布

定量分析40a來研究區(qū)NPP分布格局的變化（表3），1976年灌叢中的66.93%、沼澤中的75.58%、草地中的41.43%、鹽堿地中的23.86%和水體中的77.96%構(gòu)成了現(xiàn)在的農(nóng)田；1976年的草地中有43.62%在40a后依然是草地，只是基本都被新墾農(nóng)田分割成碎片散布，然后與由59.38%的裸堿地演替而來的新生草地連接成片，另外1976年灌叢中的21.44%和沼澤中的16.57%退化成為2016年草地中的一部分。1976年的裸堿地中僅剩15.01%在2016年依然存在，其余的裸堿地則來自草地、灌叢、沼澤等的退化。

表3 2016年相較于1976年的地物類別轉(zhuǎn)移

3 討 論

氣候變化對研究區(qū)NPP變化的影響。在無人為干擾條件下，NPP的變化與溫度、水和太陽輻射等因素的變化密切相關(guān)。有研究表明，近年來的全球氣候變化緩解了對植物生長的限制，使得北半球中高緯度地區(qū)的NPP有所增加[30]。研究區(qū)40 a來的氣溫也呈暖化趨勢，但是研究區(qū)植物生長季節(jié)的溫度變化表現(xiàn)為春季上升0.14 ℃/10 a、夏季氣溫呈反向變化，為-0.14 ℃/10a[31]。通過對研究區(qū)40 a來NPP變化研究來看，研究區(qū)5個研究年份的生物溫度基本在9.52 ℃上下波動，變化幅度不超過0.25 ℃，可知，溫度對研究區(qū)NPP的影響很小。研究區(qū)年均降水量約180 mm，近40a的年降水量升率為15.8mm/10a[31]。由于研究區(qū)地處干旱區(qū)，蒸發(fā)強(qiáng)度大，地下水位已普遍降于10 m以下，這樣的降水升率在一定程度上雖然可能有助于草地和短生淺根植物的生物量增加，但受降水增加的影響，研究區(qū)近年來的日照時數(shù)呈下降趨勢，這對光合作用又會起到一定的削弱，因此，對本研究區(qū)而言，自然氣候因子對NPP的影響是比較有限的，這也與前人研究一致，有研究認(rèn)為天山以北潛在植被NPP受氣候變化影響的脆弱性較低[32]。

人類活動是影響研究區(qū)NPP分布格局的決定性因素。1976－2016年是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷加速的階段，也是人口持續(xù)增加，人民生活水平不斷提高的階段，墾荒活動在干旱區(qū)綠洲普遍展開，特別是老綠洲外圍的荒漠交錯帶區(qū)域，大面積的天然綠洲被開墾，農(nóng)田延伸直至沙漠，新人工綠洲的劇烈擴(kuò)張，強(qiáng)烈改變了水資源的消耗方式和時空分配，引起生態(tài)環(huán)境顯著變化[17]。由于新墾農(nóng)田快速增加，奇臺縣農(nóng)業(yè)灌溉用水超過全縣用水量的95%，年超采地下水近1.5億m3，形成的地下水漏斗近800 km2 [33]，地下水超采導(dǎo)致泉水溢出帶消失，水庫干涸，給研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來負(fù)面效應(yīng)，因此，水資源的可持續(xù)性利用與新人工綠洲擴(kuò)張過程中生態(tài)系統(tǒng)碳庫反饋效應(yīng)的未來發(fā)展趨勢應(yīng)引起重視和進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié) 論

40 a里，研究區(qū)農(nóng)田面積從5 150 hm2增加到64 675 hm2，增加了11倍以上，裸堿地從58 859 hm2減少到17 803 hm2，減少約70%；地表覆被類型發(fā)生了劇烈變化，泉水溢出帶消失，水庫干涸，灌叢大幅減少，土壤鹽堿化發(fā)育進(jìn)程中斷，新生草地在裸堿地上形成，1976年的草地中有41.43%在40 a后轉(zhuǎn)變成農(nóng)田，而裸堿地則有23.86%轉(zhuǎn)變成農(nóng)田，另外有59.38%轉(zhuǎn)變成草地。

研究區(qū)人工綠洲擴(kuò)張使地表NPP總量大幅增加，2016年6月地表NPP總量是1976年6月的2.2倍，增量中超過93%的NPP來自于農(nóng)作物。NPP分布格局也發(fā)生了顯著變化，1976年6月的NPP由天然草地、灌叢、農(nóng)田和沼澤構(gòu)成，分別占56.68%、26.61%、8.62%和8.10%，到了2016年6月，NPP主要由農(nóng)田（65.23%）和新生草地（31.85%）構(gòu)成。

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Dynamic change of net primary productivity during process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on remote sensing

Zhang Fang1,2, Xiong Heigang2,3, Feng Juan1,2, Xu Zhonglin1,2

(1.830046,; 2.,830046,; 3.100083)

The impact of human activities on the global carbon cycle is one of the main concerns in the global climate change research. However, the mechanisms of the carbon cycle for the different regions, natural and human factors are very complex and different. Exploring the impact of human reclamation activities on the distribution pattern of net primary productivity (NPP) in arid oasis ecosystem will help to increase the understanding of human activities on terrestrial ecosystems and carbon cycle impacts in arid regions. This study aimed to investigate the change of NPP during the process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on the remote sensing data. June was selected as the optimal time for extracting vegetation cover types change information. Based on the long-term Landsat remote sensing data, the Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA) model was used to estimate the change of NPP during the expansion of Xinjiang Qitai artificial oasis from June 1976 to June 2016. The results showed that: 1) In 1976, the study area mainly was dominated by desert steppe, and the farmland was only 5 150 hm2, accounting for 3.25% of the area. By 2016, the amount of farmland expanded to 64 675hm2, which increased by more than 11 times; 2) While the artificial oasis was expanding, spring overflow zone disappeared, the swampland and the reservoir dried up, which resulted in the decrease of shrub area from 17 871 hm2to 5 202 hm2; 3) Reclamation resulted in a significant decline in groundwater level, soil salinity development process was interrupted, and bare alkaline area was reduced from 58 859 hm2in 1976 to 17 803 hm2in 2016, which was reduced by nearly 70% and began to succession to the new grassland; 4) In June 1976, the unit area NPP of farmland was 68.6 g/m2, and the unit area NPP of farmland in June 2007 and June 2016 was over 90 g/m2. In the recent 40 years, the unit area NPP of grassland was fluctuated within the range of 30-40 g/m2, which was relatively stable; 5) In June 1976, the total NPP in the study area was 41 018 t, of which the contribution rate of farmland was only 8.62%. In June 2016, the total NPP of the study area reached to 90 602 t, which was 2.2 times higher than that in June 1976. The contribution rate of farmland to total NPP was 65.23%. In the same period, the net loss of shrub and swamp NPP was 8 265 t and 3 319 t, respectively; 6) Human activities were the decisive factors that influenced the distribution pattern of NPP in the study area. And NPP in 1976 were mainly composed of natural grassland and shrub, accounting for 56.68% and 26.61% respectively, NPP in 2016 was mainly composed of farmland and fresh grassland, accounting for 65.23% and 31.85%, respectively. In 1976, 66.93% of the shrubs, 75.58% of the swamps, 41.43% of the grassland, 23.86 % of the bare alkali land and 77.96% of the water bodies were evolved into farmland in 2016. The 43.62% of the grassland in 1976 was still grassland after 40 years, but was divided into fragments by the newly reclaimed farmland. Only 15.01% of the bare alkaline area in 1976 remained in 2016, while the rest came from degradation of grasslands, shrubs and swamps. In the recent 40 years, the original natural oasis landscape in the study area had been completely changed, and large areas of farmlands connected to each other become modern agriculture oasis that was suitable for large-scale agricultural machinery operations.

remote sensing; grassland; farmland; new artificial oasis expansion; net primary productivity (NPP); Carnegie- Ames-Stan-ford Approach (CASA); Xinjiang Qitai oasis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025

X171;TP 79

A

1002-6819(2017)-12-0194-07

2016-12-13

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金（41261049、41671198、41361098）；中國博士后基金面上資助（2013M532100）

張 芳，女，山東嘉祥人，博士，副教授，研究方向：干旱區(qū)環(huán)境演變與人地關(guān)系。烏魯木齊 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830046。 Email：zhangf602@163.com

張 芳，熊黑鋼，馮 娟，許仲林. 基于遙感的新疆人工綠洲擴(kuò)張中植被凈初級生產(chǎn)力動態(tài)變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：194－200. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025 http://www.tcsae.org

Zhang Fang, Xiong Heigang, Feng Juan, Xu Zhonglin. Dynamic change of net primary productivity during process of new artificial oasis expansion in Xinjiang based on remote sensing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 194－200. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.025 http://www.tcsae.org