陳 杰, 仙 巍, 陳春容

(成都信息工程大學, 成都 610041)

植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)在地表碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，反映區(qū)域植被生產能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況。在過去的幾十年中，利用遙感數(shù)據及模型模擬區(qū)域植被凈初級生產力并分析其對生態(tài)系統(tǒng)影響一直是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要內容之一[1]。

對于大區(qū)域地帶無法通過野外觀測對植被凈初級生產力進行實時測量，通過建立模型對區(qū)域植被凈初級生產力進行間接估算成為重要的研究手段[2]。基于遙感數(shù)據的光能利用率原理模型在近幾年被廣泛應用于植被凈初級生產力的估算[3-7]，同時在碳循環(huán)及農作物的評估中有著廣泛應用。CASA模型以歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)為基礎，是一種比較普遍的植被凈初級生產力的估算方法，在區(qū)域NPP時空動態(tài)分析上有著較高的精度。對于NPP時空變異的驅動機制還在進一步研究中，氣候變化[8]及不同植被類型、土地利用類型、地形地貌、人類活動等驅動因子對NPP時空變異及空間格局存在至關重要的影響。

研究區(qū)位于四川省西部，地處青藏高原向川西南高山峽谷和四川盆地過渡的青藏高原東南邊緣；植被作為四川生態(tài)屏障重要的組成部分，對研究區(qū)植被NPP進行長時間序列模擬研究是十分重要的內容；該研究以NDVI遙感數(shù)據源為基礎，進行區(qū)域長時間序列月尺度NPP模擬，結合氣象因素、地形地貌、人類活動正負干擾全面探討2000—2015年川西植被NPP時空變化特征及驅動因素，對研究區(qū)植被碳儲量變化有著重要意義，同時為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理及評估提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(圖1)包括四川省的甘孜藏族自治州、阿壩藏族羌族自治州及涼山彝族自治州木里藏族自治縣，包括32個縣，711個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積為238 100 km2，是四川省重點扶貧開發(fā)的特困地區(qū)，其地貌以山地、高原為主，地形構造復雜；阿壩、甘孜主要是高原地貌，涼山為云貴高原向北延伸的部分，中心地區(qū)的山原地貌特征明顯，但在邊緣地區(qū)呈破碎狀態(tài)[9]；研究區(qū)受海陸分布及高原等因素存在明顯的季風氣候，是全球25個生物多樣性地區(qū)之一、多種珍稀和瀕危生物物種存留地，其沼澤、草地等自然資源豐富，且生態(tài)地位極其重要[10]。

2 數(shù)據處理與研究方法

2.1 數(shù)據來源

遙感數(shù)據選用美國國家航空航天局的MODIS數(shù)據，數(shù)據集為MODIS13Q1，其時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m×250 m,高時間分辨率的MODIS數(shù)據能夠滿足研究區(qū)NPP模擬精度的要求，利用MRT工具進行格式轉換、投影轉換和拼接；氣象數(shù)據來源于中國氣象科學數(shù)據共享服務網，研究區(qū)17個氣象站點分布均勻、覆蓋全區(qū)，可以代表研究區(qū)氣候變化特征，利用ArcGIS插值工具，對研究區(qū)平均氣溫、降水、太陽輻射進行插值，得到氣象要素空間分布圖；土地利用數(shù)據及植被類型數(shù)據來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心，通過人工目視解譯獲得，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型；90 m高程數(shù)據來源于地理空間數(shù)據云，其研究區(qū)坡度、坡向數(shù)據利用ArcGIS軟件計算而來。

圖1 研究區(qū)域圖

2.2 研究方法

2.2.1 CASA模型 CASA模型是基于植被所吸收的光合有效輻射(APAR)和光合利用率ε基礎估算研究區(qū)植被凈初級生產力；該模型利用遙感數(shù)據覆蓋范圍廣、時間分辨率高的特點，能夠實現(xiàn)對研究區(qū)NPP進行動態(tài)監(jiān)測。模型如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

ε(x,t)=Tε1×Tε2×Wε(x,t)×εmax

Wε(x,t)=0.5+0.5×E(x,t)/Ep(x,t)

式中：植被光合有效輻射(APAR)是由太陽總輻射(SOL)和植被層對入射光合有效輻射的比例共同決定；0.5表示的是植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例；ε為光能轉化率，植被把所吸收的光合有效輻射轉化為碳的幾率，主要與溫度和水分有關；Tε1，Tε2表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用；Wε為水分脅迫影響系數(shù)，是經過土壤水分模型計算得到，該研究對水分脅迫影響系數(shù)進行改進，采用區(qū)域實際蒸散量E(x,t)與區(qū)域潛在蒸散量Ep(x,t)得到研究區(qū)水分脅迫影響系數(shù)[11]；εmax為理想條件下最大光能利用率，在參考朱文泉等[12]研究成果，εmax取值為0.389 gC/MJ。

2.2.2 趨勢分析 NPP變化趨勢由各個像元16 a(2000—2015年)的時間系列數(shù)據與年份進行線性回歸，得到各個像元的線性斜率；NPP=a(year)+b，其中a，b為回歸系數(shù)，a為斜率。

2.2.3 相關性分析 相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。計算公式如下：

-1≤r≤1，r絕對值越大，表明兩個變量的相關程度越強。0≤r≤1，表明兩個變量之間存在正相關，r=1表明兩個變量之間存在完全正相關。-1≤r≤0，表明兩個變量之間存在負相關，r=-1表明兩個變量之間存在完全負相關。r=0,表明兩個變量之間無線性關系。

基于逐像元對2000—2015年研究區(qū)NPP與氣象因子(降水、氣溫、太陽輻射)進行相關性分析，通過相關系數(shù)反映植被凈初級生產力(NPP)與氣象因子的相關程度，分別對其相關系數(shù)的空間分布情況進行研究，綜合分析NPP對氣象因子的響應[13]。

2.2.4 殘差分析法 殘差分析法可以將自然因素與人類活動對NPP的影響程度分離開，除去自然因素對NPP的影響，判斷人類活動在NPP時空變化中起的作用，通過對每個柵格像元的NPP與自然因素做多元回歸分析，得到每個像元NPP的預測值，該預測值為自然因素對NPP的影響，然后利用NPP實際值減去NPP預測值，得到人類活動對NPP的影響。β=NPP實際值-NPP預測值，β為人類活動對研究區(qū)NPP的影響，β>0表示人類活動對研究區(qū)NPP是正干擾，β<0表示人類活動對研究區(qū)NPP是負干擾[14]。

3 結果與分析

3.1 川西植被NPP年際變化特征

對川西年植被NPP的平均值進行統(tǒng)計分析，圖2所示，2000—2015年川西省年NPP呈現(xiàn)波動增加趨勢，變化趨勢線斜率為1.189 5 gC/(m2·a)。川西年NPP平均值為198.87 gC/(m2·a),變化范圍在177.44～213.83 gC/(m2·a)，其中2004年植被NPP值最大，2000年最??；這一結論與劉思瑤在基于CASA模型的四川植被凈初級生產力及其時空格局分析中研究成果一致[15]。

圖2 川西2000-2015年平均植被NPP時間變化

3.2 植被NPP空間分布特征及其變化趨勢

3.2.1 2000—2015年川西年均NPP空間變化 受經緯度和土地利用類型、氣候、植被類型、地形因素、人類活動等的綜合影響，川西2000—2015年植被NPP空間分布差異十分顯著，研究區(qū)植被凈初級生產力從東南方向往西北方向呈遞減的趨勢(圖3)。以九寨溝—松潘—黑水—馬爾康—金川—丹巴—康定—瀘定—九龍—雅江—稻城為明顯的分界線，石渠縣植被NPP在研究區(qū)中非常具有代表性，其位于川、青、藏三省區(qū)結合部，以丘狀高原山區(qū)為主，境內平均海拔為4 000 m，西北部與青海玉樹州接壤，其中石渠縣西北部植被NPP最低為0～100 gC/(m2·a)，局部植被NPP在100～200 gC/(m2·a)；德格縣、甘孜縣、色達縣境內地形復雜，NPP多在100～200 gC/(m2·a)，色達縣整個地勢由西北向東南傾斜，西北高東南低，色達東南區(qū)域局部植被NPP的范圍為200～300 gC/(m2·a)；若爾蓋、紅原、松潘、阿壩其植被以草原為主，草地牧草資源豐富，草原類型多樣，NPP相對較高，為200～300 gC/(m2·a)；川西植被NPP的高值區(qū)位于九寨溝、黑水、茂縣、理縣、小金、丹巴、雅江、九龍、木里藏族自治州，NPP的范圍為300～382 gC/(m2·a)；黑水縣、理縣、小金部分區(qū)域NPP值較低，區(qū)域性差異顯著。

3.2.2 2000—2015年川西NPP年際變化分析 NPP年際空間變化由相鄰年度NPP差值比較得到。根據圖4結果顯示2000—2003年期間，NPP增長面積占研究區(qū)的59%，主要集中在川西的西北地區(qū)及西南地區(qū)；川西東北區(qū)域NPP面積減少占研究區(qū)的41%；2003—2006年期間，研究區(qū)東南部呈現(xiàn)增加趨勢；2006—2009年期間，整個研究區(qū)NPP均出現(xiàn)大幅度增長；而在2009年基礎上，2012年研究區(qū)域NPP出現(xiàn)大幅度的降低，2015年在2012年的基礎上又有所回升；其中2008年、2011年、2012年、2014年這四年是川西NPP下降較明顯的年份，下降范圍在6～13 gC/(m2·a)。

圖3 川西2000-2015年平均植被NPP空間變化

3.2.3 2000-2015年川西NPP變化趨勢空間分布根據川西植被NPP區(qū)域總量與年份回歸分析結果顯示(圖5)，川西大部分區(qū)域植被NPP在2000—2015年期間總體呈顯著上升趨勢，NPP呈下降趨勢的區(qū)域主要分布在汶川、瀘定、金川、康定，汶川位于四川盆地西北部邊緣，地勢由東南向西北上升，在2000—2015年期間其植被NPP呈下降趨勢，2008年汶川地震自然災害是造成其NPP變化的主要原因之一[16]，在2008—2015年期間，汶川余震頻繁發(fā)生，具有極大的破壞力，同時災后道路修建及房屋建設，河谷地區(qū)及靠近河岸的緩坡區(qū)域被充分利用，人類活動加劇，是該區(qū)域植被恢復緩慢及NPP下降的另一因素，對于高程較高的區(qū)域，陽坡光照時間較長，光合作用充足，降水充沛，有利于植被的生長與恢復，其NPP增加。瀘定縣屬于典型的高山峽谷地形地貌，由于峽谷相對高差較大，氣候垂直明顯，巖石裸露[17]，不利于植被生長，且道路修建、第二產業(yè)迅速發(fā)展等人類活動[18]的加劇都是造成瀘定植被NPP減少的原因。在若爾蓋、紅原NPP為上升趨勢，草地保護、合理放牧等政策[19]為該區(qū)域植被生長提供有利的生長條件。

圖4 植被NPP的年際變化

圖5 川西植被NPP變化趨勢空間分布

3.3 植被NPP變化的驅動因素

3.3.1 氣候變化對NPP的影響 2000—2015年川西平均年降雨量、氣溫與植被NPP在空間格局分布較為一致，從研究區(qū)東南方向往西北方向來看，降雨量逐漸減少，其中在川西的西北方向降雨量達到最低在480 mm左右，與年均NPP最低值空間分布一致；研究區(qū)氣溫空間變化與降水一致。根據NPP和氣溫、降雨量和太陽輻射總量3個氣候因子相關分析結果得出(圖6)，在甘孜州的石渠、德格、甘孜、色達區(qū)域，NPP與降水呈顯著正相關(p<0.001)，同時在阿壩州的阿壩、若爾蓋、紅原、壤塘降雨量增加促進植被的生長，表現(xiàn)為NPP與降水呈顯著正相關，在若爾蓋、紅原和阿壩一帶的高原沼澤是我國南方地區(qū)最大的沼澤帶，在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占有重要地位，并且受氣候的影響，蒸發(fā)量小，地表經常處于過濕的狀態(tài)，有利于沼澤的發(fā)育；根據研究分析可得，在甘孜州、涼山州木里縣大范圍區(qū)域呈現(xiàn)NPP與氣溫為顯著正相關，同時阿壩州的若爾蓋、紅原局部區(qū)域NPP與氣溫負相關明顯，氣溫升高，蒸發(fā)量大，不利于該地區(qū)植被的生長；而阿壩州植被NPP與太陽輻射正相關性明顯，隨著太陽輻射增加，其植被接收日照的時間延長，進而植被光合作用產出增加，氣溫升高延長植被的生長周期，其NPP隨著太陽輻射的增加而增加，甘孜州的西北地區(qū)NPP與太陽輻射相關性不顯著，在理塘、雅江、九龍、道孚4個縣其NPP與太陽輻射正相關性明顯；研究區(qū)氣溫相對較低，降水導致部分區(qū)域植被接收日照時間減少，太陽輻射減少影響植被的光合作用，都是造成NPP空間分布差異的原因。

圖6 2000-2015年川西年NPP與氣象因子的相關關系

3.3.2 不同土地利用類型對NPP的影響 結合川西土地利用類型空間分布圖，不同土地利用類型植被NPP差異明顯(表1)，2000—2015年期間，川西耕地、水體、其他3種地物植被NPP均呈增加趨勢，在2010年的基礎上，2015年的林地、草地植被NPP均呈小幅度下降，下降范圍為0～3 gC/(m2·a)；各土地利用類型植被NPP平均值大小依次為林地>耕地>草地>其他>水體，這一結論與王釗在2000—2015年陜西植被凈初級生產力時空分布特征及其驅動因素研究成果中一致[20]；根據2000—2015年川西土地利用類型NPP變化速率結果顯示，草地植被NPP增加速率大于林地和耕地，依次速率依次為19.8%，18.6%，17.2%，對各土地利用類型進行面積統(tǒng)計，耕地面積減少，建設用地面積增加，其土地利用類型分布影響研究區(qū)植被NPP空間格局變化。

表1 不同土地利用的NPP變化gC/(m2·a)

3.3.3 不同植被類型對NPP的影響 利用川西植被空間覆蓋類型圖，分析不同類型植被NPP變化情況(表2)，研究區(qū)植被類型分為：針葉林、針闊葉混交林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、沼澤、高山植被、栽培植被、其他11類植被，植被類型NPP平均值依次為針闊葉混交林>闊葉林>針葉林>草叢>沼澤>灌叢>栽培植被>草原>草甸>高山植被>其他，針闊葉混交林的植被NPP最高為296.54 gC/(m2·a)，川西地區(qū)針闊葉混交林面積較少；根據各植被面積統(tǒng)計分析結果，川西地區(qū)以草甸、灌叢、針葉林、闊葉林、高山植被為主，草甸、灌叢、針葉林分別占川西總面積的37%，35%，17%，植被NPP依次為168.39 gC/(m2·a)，204.99 gC/(m2·a)，255.95 gC/(m2·a)。

表2 不同植被類型的NPP變化gC/(m2·a)

3.3.4 地形因素對NPP的影響 地形因素在不同過程中控制其降水、溫度、土壤等因子，影響其他環(huán)節(jié)變量，對區(qū)域植被空間格局產生重要影響[21]，川西地形復雜，海拔為798～6 692 m，其西部海拔多達4 000 m以上，同時以若爾蓋、紅原、松潘、阿壩為典型的川西東北區(qū)域，海拔高度為3 000～4 000 m；根據不同海拔等級的植被NPP分析結果顯示，NPP隨著海拔變化差異明顯，相關性非常顯著(R2=0.896,p<0.001),將海拔劃分為6段：在798～2 142 m，植被NPP較高，其NPP均值為250.94 gC/(m2·a)，NPP隨海拔的增加而增加；在2 142～3 112 m，海拔為2 520 m時NPP達到峰值；川西區(qū)域海拔主要在3 112～4 082 m和4 082～5 052 m這兩個范圍，其對應面積分別占川西總面積的51%和42%，對應NPP值為242.95 gC/(m2·a)，152.84 gC/(m2·a)，海拔范圍為3 760～4 424 m NPP隨海拔的升高急速下降，在4 424～4 907 m存在一個峰值，NPP隨海拔有上升的趨勢；海拔范圍為5 052～6 022 m和6 022～6 992 m，植被NPP非常低，其均值為17.01 gC/(m2·a)和1 gC/(m2·a)；在3 000～6 992 m，NPP隨著海拔的增加而減少。坡度為0°～20°，20°～40°的區(qū)域，植被NPP隨坡度呈增加趨勢，紅原、若爾蓋、石渠其坡度在20°～40°；結合坡向分析植被NPP變化情況，以平、北、東、北、東、東南、南、西南、西、西北、北10個坡向進行NPP面積統(tǒng)計，數(shù)據表明NPP隨坡向變化不明顯，其各坡向對應的NPP均值為177～203 gC/(m2·a)，NPP值差異不大(圖7)。

圖7 NPP與海拔的相關關系

3.3.5 人類活動對NPP的影響 川西植被凈初級生產力變化主要影響因素為自然因素，包括地形地貌、氣候變化等，人類活動也是研究區(qū)NPP變化的重要驅動因素[22-23]。用殘差分析法計算人類活動對NPP的影響，本文考慮氣溫、太陽輻射、海拔、坡度4個自然因素與NPP建立多元線性回歸模型來計算。人類活動對川西植被凈初級生產力的影響分為兩個方面：人類活動對植被凈初級生產力起到促進作用為人類活動正干擾，正干擾影響下其面積占研究區(qū)的51.2%，馬爾康、金川、小金、丹巴、道孚、雅江、九龍、木里、鄉(xiāng)城人類活動對其正干擾明顯；另一方面為人類負干擾，即人類活動對研究區(qū)植被凈初級生產力起抑制作用，在九寨溝、松潘、黑水、茂縣、理縣、汶川、瀘定、九龍、康定人類活動對其負干擾明顯，負干擾明顯的區(qū)域面積占研究區(qū)15.3%，景區(qū)建設、道路修建、城市擴展等第二產業(yè)增加導致其植被減少或退化，結合川西植被NPP變化趨勢空間分布來看，汶川、瀘定、康定其NPP呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，人類活動加劇是其NPP下降主要原因。對于植被NPP減少的區(qū)域應提出合理的保護措施，盡可能降低因人類活動對植被生長的干擾程度，同時認識到草原荒漠化的不利后果，合理放牧，為草地植被提供有利生長條件，對于土地沙漠化地區(qū)應及時治理，防止沙漠化繼續(xù)惡化，平衡好人類與生態(tài)環(huán)境之間的關系(圖8)。

4 結 論

通過改進過的CASA模型對川西2000—2015年植被凈初級生產力(NPP)進行估算，分析研究區(qū)NPP在時間序列及空間格局變化得出：川西地區(qū)平均植被NPP總量為199 gC/(m2·a)，范圍為177.44～213.83 gC/(m2·a)，NPP在時間序列呈小幅上升趨勢；川西地域差異明顯，植被NPP空間分布差異顯著，NPP空間差異與地形地貌關系密切，汶川、瀘定其植被NPP下降較明顯，地震、泥石流等自然災害是汶川植被NPP下降的主要因素之一，同時災后重建、社會經濟活動等一系列人類干擾造成該地區(qū)植被恢復緩慢。

圖8 NPP與人類活動的關系

研究期間內，氣象因子對川西植被NPP空間格局變化產生一定影響，降水、氣溫、太陽輻射的空間布局是影響植被NPP分布的重要控制因素；同時各土地利用類型其植被NPP依次為林地>耕地>草地>其他>水體，其中草地NPP增長速率最快；對于不同植被類型，針闊葉混交林NPP值最高為296.54 gC/(m2·a)，研究區(qū)主要以草甸、灌叢、針葉林3種植被類型為主，針葉林NPP高于灌叢和草甸，土地利用變化通過改變植被類型對NPP時空格局存在重要影響；研究區(qū)海拔與其植被NPP的相關性非常顯著(R2=0.896,p<0.001)，NPP空間分布格局與海拔變化一致，地形地貌對研究區(qū)植被NPP空間分布格局起決定性因素。