趙唯茜, 杜華明, 董廷旭, 胡利利

(綿陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院, 四川 綿陽(yáng) 621000)

農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)一條重要的生態(tài)安全屏障帶，也是對(duì)氣候環(huán)境變化和人類活動(dòng)影響反應(yīng)最為敏感的區(qū)域[1]。其日益惡化的生態(tài)環(huán)境受到了政府和理論界的重視[2]。南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶是我國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分[2]，地處青藏高原與四川盆地、云貴高原的過(guò)渡地帶，區(qū)域內(nèi)不同植被生態(tài)系統(tǒng)在水平空間和垂直空間交錯(cuò)分布[3]。既是我國(guó)重要的生物多樣性保護(hù)和水源涵養(yǎng)區(qū)[4]，又是長(zhǎng)江中下游地區(qū)的重要生態(tài)安全屏障。因此區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的改變，會(huì)對(duì)周邊區(qū)域產(chǎn)生較大影響，從而對(duì)區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)變化的了解顯得極為重要。凈初級(jí)生產(chǎn)力可直接反映出生態(tài)系統(tǒng)的變化情況。

凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被通過(guò)光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去植被自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，是生態(tài)系統(tǒng)中其他生物成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。凈初級(jí)生產(chǎn)力反映了植物群在自然條件下的生長(zhǎng)狀況和生產(chǎn)能力，是一個(gè)估算地球支持能力和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要生態(tài)指標(biāo)[6]。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)不同區(qū)域、不同尺度下植被NPP的研究工作相繼展開(kāi)[7-9]，但多數(shù)集中于某一行政區(qū)域內(nèi)或單一自然地理單元內(nèi)[10-14]。對(duì)于像農(nóng)牧交錯(cuò)帶這樣的地理單元過(guò)渡帶內(nèi)的NPP研究較少。因此，借助遙感和地理信息技術(shù)，利用MODIS的遙感數(shù)據(jù)，對(duì)南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)整體和不同植被生態(tài)系統(tǒng)NPP的空間分布和時(shí)間變化進(jìn)行分析，進(jìn)而掌握南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)變化情況。以期望為南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)和植被資源的有效管理與合理利用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶位于25.55°—34.31°N，98.14°—104.42°E，處于我國(guó)第一階梯和第二階梯交界處，是青藏高原與四川盆地和云貴高原的過(guò)渡地帶(圖1)。交錯(cuò)帶內(nèi)整體地勢(shì)高，地勢(shì)起伏較大，地勢(shì)高差較大。整體趨勢(shì)東南低，西北高，平均海拔大于3 000 m。主要地貌表現(xiàn)為高山地貌和高原地貌。氣候類型以高原山地溫帶、寒溫帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，夏季受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)影響，降水豐沛，冬季受西北季風(fēng)影響氣候寒冷。區(qū)內(nèi)河流水系分布較多，大體上呈“川”字形排列，多數(shù)江河自西北流向東南方向，主要江河有怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河、岷江等。植被主要有云杉、冷杉、紅杉等林地，以及高山灌叢和高山草甸等。行政區(qū)劃上包括四川省的阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州和云南省迪慶藏族自治州。交錯(cuò)帶內(nèi)地廣人稀，少數(shù)民族較多。由于自然、社會(huì)等客觀因素的限制影響，致使經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源以及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文中所涉及到的遙感數(shù)據(jù)均來(lái)自美國(guó)宇航局(NASA)的MODIS產(chǎn)品(https:∥lpdaac.usgs.gov/)。植被NPP數(shù)據(jù)為MODIS版本6的MOD17A3H數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)利用BIOME-BGC模型和光能利用率模型所建立的NPP估算模型，模擬得到全球生態(tài)系統(tǒng)的年NPP值。版本6的MOD17A3H與版本5.5的MOD17A3相比，使用了新的生物屬性調(diào)查表(BPLUT)和新版的全球模型與融合室(GMAO)的日氣象數(shù)據(jù)對(duì)NPP數(shù)值進(jìn)行模擬，提高了NPP的估算精度，而且數(shù)據(jù)的空間分辨率提高到500 m×500 m。目前該數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于不同空間尺度下的NPP和碳循環(huán)研究中。本文中選取了2005—2014年共10 a的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土地覆蓋分類所使用的數(shù)據(jù)為MCD12Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m×500 m。該數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星1 a的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，根據(jù)國(guó)際生物圈計(jì)劃分類標(biāo)準(zhǔn)，確定了17個(gè)土地覆蓋類別。MCD12Q1數(shù)據(jù)集包含了5種不同的土地覆蓋分類方案，分別為國(guó)際生物圈計(jì)劃分類方案、美國(guó)馬里蘭大學(xué)分類方案、基于MODIS數(shù)據(jù)葉面積指數(shù)/光合有效輻射的分類方案、基于MODIS數(shù)據(jù)凈初級(jí)生產(chǎn)力分類方案、植物功能型方案。本文土地覆蓋類型分類方案選用國(guó)際生物圈計(jì)劃的分類方案，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)土地覆蓋分類進(jìn)行提取。

圖1南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域分布

2.2 研究方法

研究區(qū)域跨度較大，涉及MODIS三景影像。因此在對(duì)數(shù)據(jù)提取和分析之前，使用MODIS重投影工具(MRT)對(duì)HDF格式的MOD17A3H數(shù)據(jù)集和MCD12Q1數(shù)據(jù)集進(jìn)行波段提取、影像拼接，將影像投影坐標(biāo)重新定義為WGS_1984_Albers投影，文件格式轉(zhuǎn)換為TIF格式。應(yīng)用ArcGIS對(duì)重投影后的影像進(jìn)行研究區(qū)域的裁切，并對(duì)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析。

本文所涉及的植被NPP年際變化趨勢(shì)分析處理方法主要有簡(jiǎn)單差值法和一元線性回歸分析法，在像元的基礎(chǔ)上，模擬研究區(qū)域內(nèi)2005—2014年每個(gè)柵格像元植被NPP值的變化趨勢(shì)。

簡(jiǎn)單差值法是對(duì)同一研究區(qū)域內(nèi)，不同年份的影像進(jìn)行相減，利用差值的大小來(lái)衡量在研究時(shí)間段內(nèi)植被NPP值的變化程度和變化量。其計(jì)算公式為：

NPPminus=NPPt1-NPPt2

(1)

式中:NPPminus為兩個(gè)不同年份帶的NPP的差值；t1,t2為不同的年份。

一元線性回歸分析法是在柵格數(shù)據(jù)的每個(gè)像元基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)2005—2014年10年間每個(gè)像元NPP值的變化趨勢(shì)進(jìn)行模擬，從而揭示不同時(shí)期內(nèi)NPP變化趨勢(shì)的空間特征。其計(jì)算公式如下:

(2)

式中：θslope為研究區(qū)內(nèi)NPP值的趨勢(shì)線的斜率即線性傾向值；n為研究時(shí)間段內(nèi)總年數(shù)，本文中n=10；i為年數(shù)變量，即i=1～n；NPPi為第i年的NPP的平均值。隨時(shí)間i的增加θslope>0時(shí)，NPP處于上升趨勢(shì)；反之，隨時(shí)間i的增加θslope<0時(shí)，NPP值則處于下降趨勢(shì)。θslope的大小反映了NPP上升或下降的速率，也就是其趨勢(shì)線的傾斜程度。

10年間NPP的變化程度用百分比表示，其公式為：

(3)

式中:NPPchange為NPP值的變化百分比；θslope為由公式(2)計(jì)算得出的NPP斜率；NPPmean為10 a的平均NPP值；n為研究時(shí)間段內(nèi)總年數(shù)，文中n=10。

3 結(jié)果與分析

3.1 年均植被NPP值空間分布特征

2005—2014年均植被NPP分布圖(圖2)可以看出，由于受到經(jīng)緯度地帶性、植被覆蓋、氣候、地形等因素的綜合影響，2005—2014年植被NPP分布差異較大，整體呈自西北部向南、向東增多的趨勢(shì)。大約在31°N線以北地區(qū)植被NPP自西向東逐漸增加，介于240～503 gC/(m2·a)之間。大約在29°～31°N，呈西北向東南逐漸增加的趨勢(shì)，植被NPP值介于274～405 gC/(m2·a)之間。在29°N以南的地區(qū)，植被NPP自北向南大幅度增加，介于289～749 gC/(m2·a)之間。從行政區(qū)域劃分來(lái)看，云南省瀘水縣、玉龍縣、寧蒗縣植被NPP最大，分別為748.72，712.13，671.84 gC/(m2·a)，3縣均處于低緯高原季風(fēng)區(qū)，受高原和高山峽谷地形的影響較大，降水量豐富，日照時(shí)間充足，擁有良好的植被生長(zhǎng)條件。四川省德格縣、甘孜縣、理塘縣NPP均值最小，分別為240.40，243.34，245.98 gC/(m2·a)，由于3個(gè)縣處于青藏高原東部，受高原氣候影響較大，境內(nèi)氣溫低，冬長(zhǎng)夏短，降水量較少，全年無(wú)霜期短，氣候不利于植被生長(zhǎng)。區(qū)域內(nèi)河谷地帶植被NPP值較高，沿河流呈帶狀分布。位于南部橫斷山脈的怒江、瀾滄江、金沙江流域內(nèi)河谷植被NPP高于位于北部大渡河、岷江河谷內(nèi)植被NPP。

圖2 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶年均植被NPP分布

3.2 植被NPP年際變化特征

2005—2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶年植被NPP變化范圍為344～426 gC/(m2·a)，年均植被NPP為389 gC/(m2·a)。平均變化幅度為-0.48 gC/(m2·a)。植被NPP在2012年時(shí)最低，在2006年時(shí)植被NPP值最高。通過(guò)對(duì)2005—2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)植被NPP的分級(jí)構(gòu)成比例(圖3)分析發(fā)現(xiàn)，南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶年植被NPP主要分布在200～300 gC/(m2·a)，300～400 gC/(m2·a)范圍內(nèi)，分別占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的18.87%～26.21%和18.43%～26.83%。其次為100～200 gC/(m2·a)，400～500 gC/(m2·a)范圍內(nèi)，分別占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的7.12%～15.66%和9.67%～13.69%。再其次為500～600 gC/(m2·a)和>700 gC/(m2·a)區(qū)間，分別占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的7.83%～10.78%和4.91%～13.01%。植被NPP在600～700 gC/(m2·a)范圍內(nèi)所占土地面積最少，占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的5.7%～9.73%。

圖3 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶平均植被

利用一元線性回歸法分析得出南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶平均植被NPP變化率(圖4)。分析發(fā)現(xiàn)，南方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)10年間植被NPP減少的面積大于增加面積，植被NPP呈減少的面積占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的57.41%，呈增加趨勢(shì)的面積占總面積的42.59%。其中減少0～15%的面積占總面積的47.88%，占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地面積最大，且在交錯(cuò)帶內(nèi)廣泛分布。減少15%～30%的面積占總面積的8.56%，主要分布于南部貢山縣、德欽縣、得榮縣、中甸縣、木里縣、稻城縣的河谷地帶和西部高原地區(qū)的白玉縣、德格縣、甘孜縣、色達(dá)縣和爐霍縣；減少大于30%的面積占總面積的0.97%，主要在南部的河谷地帶分和汶川縣集中分布。增加0～15%的面積占總面積的34.41%，除西部高原的德格縣、色達(dá)縣、甘孜縣、爐霍縣、白玉縣分布相對(duì)較少，在其他縣域廣泛分布；增加15%～30%的面積占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的6.98%，分布較多的區(qū)域主要在東部，主要包括九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、理縣、小金縣、金川縣、丹巴縣、道孚縣、雅江縣、康定縣、九龍縣、鹽源縣、寧蒗縣、福貢縣、瀘水縣；增加大于30%的面積占總面積的1.21%，在東部分布較多，主要包括松潘縣、茂縣、理縣、汶川縣、小金縣、丹巴縣、康定縣、九龍縣。

圖4 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被NPP變化百分率

將本文研究時(shí)間段端點(diǎn)時(shí)間，即2005年和2014年的年植被NPP影像進(jìn)行簡(jiǎn)單差值計(jì)算，得出10 a的植被NPP變化特征分布圖(圖5)，2014年與2005年相比平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。通過(guò)對(duì)圖5分析發(fā)現(xiàn)，2014年與2005年相比，南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)植物NPP呈減少的面積占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的42.05%，植物NPP呈增長(zhǎng)的面積占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的57.95%。其中，增幅大于80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的8.38%，主要分布在東北部的九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、茂縣、汶川縣、馬爾康縣、丹巴縣，中部的雅江縣以及南部的鹽源縣、寧蒗縣、貢山縣、維西縣、福貢縣、蘭坪縣、瀘水縣。增幅在40～80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的15.02%，在九寨溝縣、松潘縣、黑水縣、茂縣、理縣、汶川縣、馬爾康縣、小金縣、金川縣、丹巴縣、道孚縣、雅江縣分布較多；增加在0～40 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的34.56%，廣泛分布于除福貢縣和瀘水縣以外其他區(qū)域。減少0～40 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的29.18%，在除九寨溝縣、茂縣、汶川縣、馬爾康縣、金川縣、丹巴縣、雅江縣、維西縣、福貢縣、瀘水縣之外的地區(qū)分布較多。減少40～80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的9.67%，在色達(dá)縣、爐霍縣、甘孜縣、德格縣、白玉縣、巴塘縣、鄉(xiāng)城縣、得榮縣、德欽縣、中甸縣、木里縣、鹽源縣、寧蒗縣、麗江縣分布廣泛。減少大于80 gC/(m2·a)的地區(qū)占總面積的3.2%，主要分布在汶川縣、色達(dá)縣、康定縣、德欽縣、中甸縣、木里縣、麗江縣、寧蒗縣、鹽源縣。

圖5 南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2014與2005年植被NPP差值

簡(jiǎn)單差值法雖然能夠直接反映10年間南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)植被NPP的變化趨勢(shì)，由于計(jì)算所涉及的數(shù)據(jù)是研究時(shí)間段端點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的差異，因此得到的結(jié)果可能會(huì)受到極端天氣影響[10]。因此本文選用一元線性回歸和簡(jiǎn)單差值法對(duì)南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)植被NPP的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

3.3 南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同生態(tài)系統(tǒng)類型植被NPP化趨勢(shì)

南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)分為森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。其中森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在南部橫斷山脈和河谷谷底。草地生態(tài)系統(tǒng)主要分布在西部高原地區(qū)，灌叢生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等在區(qū)域內(nèi)零星分布(圖6)。

圖6 南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用類型

南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同生態(tài)系統(tǒng)類型NPP變化趨勢(shì)和變化幅度差異明顯(表1)。森林生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為558 gC/(m2·a),其中2011年森林生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為608 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低為492 gC/(m2·a)。草地生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為275 gC/(m2·a)，其中2006年草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，為305 gC/(m2·a)，2012年草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低為244 gC/(m2·a)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為500 gC/(m2·a),其中2006年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為536 gC/(m2·a)，在2012年植被NPP最低為459 gC/(m2·a)。灌叢生態(tài)系統(tǒng)年均植被NPP為359 gC/(m2·a)，其中2009年灌叢生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，為395 gC/(m2·a)，在2012年、2014年灌叢生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低為325 gC/(m2·a)。濕地年均植被NPP為326 gC/(m2·a)，其中2006年濕地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高為357 gC/(m2·a)，在2010年濕地植被NPP最低為298 gC/(m2·a)。不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP均值表現(xiàn)為：森林生態(tài)系統(tǒng)>農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)>灌叢生態(tài)系統(tǒng)>濕地生態(tài)系統(tǒng)>草地生態(tài)系統(tǒng)。

從圖7中可以看出，南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP變化相似，呈波動(dòng)減少變化。其中灌叢植被的NPP下降趨勢(shì)最大，平均變化幅度為-3.34 gC/(m2·a)。森林植被NPP下降趨勢(shì)為-0.86 gC/(m2·a)，農(nóng)田植被NPP下降趨勢(shì)為-0.52 gC/(m2·a)，濕地植被NPP下降趨勢(shì)為-0.32 gC/(m2·a)，草地植被NPP下降趨勢(shì)最小，為-0.23 gC/(m2·a)。該地區(qū)不同植被類型NPP在2009年之后NPP波動(dòng)變化幅度較大，可能與2009—2012年開(kāi)始的川滇旱災(zāi)有關(guān)。

表1 2005-2014年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同生態(tài)系統(tǒng)植被NPP特征 gC/(m2·a)

圖7 2004-2015年南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)

4 結(jié) 論

(1) 南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶NPP總體上呈南部高北部底，東北部高，西部低的分布趨勢(shì)。河谷地帶分布較高。南部橫斷山脈是南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶NPP最高的地區(qū)，植被NPP大于600 gC/(m2·a)。東北部有部分區(qū)域年均植被NPP也超過(guò)600 gC/(m2·a)。西北部高原地區(qū)年均植被NPP小于300 gC/(m2·a)，是該區(qū)域年均NPP最低的區(qū)域。而西北部是區(qū)域的高海拔分布區(qū)，東北部和南部是低海拔區(qū)域。

(2) 2005—2014年，南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被NPP年變化范圍為344～426 gC/(m2·a)，年平均植被NPP為470 gC/(m2·a)。南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶年NPP在200～300 gC/(m2·a)區(qū)間分布最多，占南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶總面積的26%。其次為300～400 gC/(m2·a)占23%。

(3) 2014年與2005年相比57.95%的區(qū)域?yàn)樵鲩L(zhǎng)，平均植被NPP增加了106 gC/(m2·a)。但是，2005—2014年，南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶57%的區(qū)域植被NPP趨勢(shì)呈略微減少。在10年間，48%的植被覆蓋區(qū)域植被NPP減少了0～15%，為植被NPP變化分布最多的區(qū)間。34%植被覆蓋區(qū)域植被NPP增加了0～15%。

(4) 南方農(nóng)牧交錯(cuò)帶不同生態(tài)系統(tǒng)平均植被NPP差異明顯，森林生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最高，變化范圍為492～608 gC/(m2·a)；其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，變化范圍為459～536 gC/(m2·a)；灌叢生態(tài)系統(tǒng)變化范圍為325～395 gC/(m2·a)；濕地生態(tài)系統(tǒng)變化范圍為298～357 gC/(m2·a)；草地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP最低，變化范圍為275～305 gC/(m2·a)。