張仁平,郭 靖,張?jiān)屏?/p>

1 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046 2 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830046 3 新疆林業(yè)科學(xué)院, 烏魯木齊 830000 4 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站,烏魯木齊 830049

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,草地植被是陸地上面積最大的一種可更新資源,對(duì)于調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)和氣候具有重要的作用,同時(shí)草地也是畜牧業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力作為陸地表面碳循環(huán)的重要部分,不僅反映自然環(huán)境下植被的生產(chǎn)能力,也是衡量生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯轉(zhuǎn)換的主要因子,因而在分析碳循環(huán)以及全球變化中有著重要的意義[4]。

隨著全球變化研究的不斷深入,植被NPP已成為氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究熱點(diǎn)[5-7]。地面測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法描述NPP在區(qū)域及全球尺度上的變化特征,因此利用遙感數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型模擬NPP就成為一種被廣泛接受的重要研究方法[8]。近年來(lái),許多學(xué)者基于遙感數(shù)據(jù)建立了許多模型對(duì)植被NPP進(jìn)行估算[9-10]。然而,估算凈初級(jí)生產(chǎn)力應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬CASA模型[9,11]。CASA模型主要用于模擬區(qū)域或全球植被實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力,但對(duì)于點(diǎn)上的驗(yàn)證還較為匱乏。

近年來(lái),在全球氣候變暖的背景下,區(qū)域植被NPP變化對(duì)氣候變化存在著區(qū)域差異。一些研究表明,隨著降水和溫度的增加,草地NPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[12-14],相反,有一些區(qū)域隨著溫度的增加,草地NPP呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[6,15]。不同區(qū)域植被NPP對(duì)不同季節(jié)的降水和溫度的變化的響應(yīng)也明顯不同[16]。目前,新疆地區(qū)植被NPP研究較為薄弱,主要集中NPP空間分布格局、變化趨勢(shì)以及對(duì)氣候的響應(yīng)上[7,17-19],但不同草地類型對(duì)不同季節(jié)的氣象因子的響應(yīng)研究尚有待進(jìn)一步研究。

新疆草地生態(tài)系統(tǒng)是當(dāng)?shù)刈钪匾⒎植甲顝V泛的生態(tài)系統(tǒng)之一。由于地處新疆干旱和半干旱地區(qū),草地生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱,對(duì)氣候和環(huán)境變化的影響十分敏感。因此,在新疆地區(qū)開展草地NPP及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)有著獨(dú)特的地位。綜上所述,在氣候變化日趨頻繁的影響下,掌握新疆草地NPP的空間格局及其對(duì)氣候的響應(yīng)關(guān)系,不僅是新疆草地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的需要,而且是實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于我國(guó)西北部,地理位置介于34°22′—49°33′N,73°22′—96°21′E,總面積為166×104km,約占國(guó)土總面積的1/6(圖1)。新疆地處歐亞大陸腹地,四面高山環(huán)抱,北有阿爾泰山,南有昆侖山系,中有橫亙?nèi)车奶焐?三山環(huán)抱中為廣袤的準(zhǔn)噶爾和塔里木盆地,“三山夾兩盆”構(gòu)成了新疆獨(dú)特的地理環(huán)境特征。新疆氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懜珊敌詺夂?光熱資源充足,年日照時(shí)數(shù)達(dá)2550—3500 h,年平均氣溫9—12 ℃,無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)180—220 d,降水量稀少,北疆年降水為100—200 mm,南疆在100 mm以下。而蒸發(fā)量則相反,北疆為1500—2300 mm,南疆為2100—3400 mm。由于特殊的地理位置、地形條件和干旱氣候的影響,新疆生態(tài)環(huán)境極為脆弱,植物種類稀少,覆蓋度低,類型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。新疆草地總面積居我國(guó)第三位,毛面積約57.26萬(wàn)km2,可利用草地面積約48萬(wàn)km2,占新疆國(guó)土面積的34.4%,新疆草地面積是耕地面積的15倍,是森林面積的22倍,占全區(qū)綠色植被面積的86%[20]。圖1草地類型來(lái)源于1∶1000000中國(guó)草地資源圖[21]。

圖1 研究區(qū)草地類型及生物量采樣點(diǎn)空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用MODIS NDVI數(shù)據(jù)源自美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA/EOS LPDAAC數(shù)據(jù)中心(https://lpdaac.usgs.gov/),為2001—2014年MODIS產(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù)集,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為16 d。利用MRT(MODIS Re-projection Tools)進(jìn)行拼接處理、投影轉(zhuǎn)換,得到TIFF格式文件。同時(shí),對(duì)16 d的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)采用最大化合成法(maximum value composite,MVC)得到每月NDVI數(shù)據(jù),并利用Savitzky-Golay方法對(duì)MODIS-NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,以便減少由云和薄霧造成的噪音。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心(http://data.cma.cn/site/index.html),一共有67個(gè)氣象臺(tái)站。利用ANUSPLIN軟件,對(duì)研究區(qū)域的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)以及日照時(shí)數(shù)進(jìn)行插值處理[22]。

生物量數(shù)據(jù)選用2010—2014年草原監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)(http://202.127.42.194/jiance/login.aspx).。依據(jù)不同的氣候及草地類型空間分布特點(diǎn),在每年的7月末或者8月初監(jiān)測(cè)新疆地區(qū)草地的最大生物量,收集的數(shù)據(jù)包括791個(gè)樣地,樣地大小為(500 m×500 m),每個(gè)樣地在四角及中心位置各設(shè)置1個(gè)小樣方(1 m×1 m),記錄每個(gè)小樣方內(nèi)采集的樣本在65℃烘箱烘干48 h后測(cè)量的干物質(zhì)產(chǎn)量。收集的791樣地?cái)?shù)據(jù)分布如下：溫性草甸草原類分布有48個(gè)、溫性草原類分布有109個(gè)、溫性荒漠草原類分布有137個(gè)、高寒草原類分布有53個(gè)、溫性草原化荒漠類分布有59個(gè)、溫性荒漠類分布有135個(gè)、高寒荒漠類分布有16個(gè)、低地草甸類分布有71個(gè)、山地草甸類分布有96個(gè)、高寒草甸類分布有67個(gè)。根據(jù)不同草地類型地上生物量和地下生物量的比值算出單位面積內(nèi)植物的生物量[23],按每1.0 g干重約等于0.475 g碳換算,得到每個(gè)樣地的草地NPP,統(tǒng)一以碳(gC/m2)的形式表示[24]。

1.3 草地植被NPP遙感估算方法

基于遙感和氣候數(shù)據(jù)的CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型可以用來(lái)評(píng)估大尺度上的草地NPP[4,25]。CASA模型是Potter等建立的光能利用率模型的典型代表,NPP的估算可以由植物的光合有效輻射APAR(MJ/m2)和實(shí)際光能利用率ε(gC/MJ)兩個(gè)因子來(lái)表示,其估算公式如下:

NPP=APAR×ε

(1)

植被吸收的光合有效輻射取決于植物本身的特征以及太陽(yáng)總輻射。其計(jì)算公式為：

APAR=SOL×FPAR×0.5

(2)

式中,SOL是太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2),FPAR為植被冠層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例,通過(guò)NDVI影像數(shù)據(jù)集來(lái)計(jì)算[26]。

實(shí)際光能利用率ε是植物固定太陽(yáng)能,并通過(guò)光合作用將所截獲/吸收的能量轉(zhuǎn)化為碳(C)/有機(jī)質(zhì)干物質(zhì)的效率,一般用gC/MJ表示。Potter等認(rèn)為在理想條件下植被具有最大光能利用率,而在現(xiàn)實(shí)條件下的最大光能利用率主要受溫度和水分的影響[4,26],其計(jì)算公式是：

ε=Tε1×Tε2×Wε×εmax

(3)

式中,Tε1和Tε2表示低溫和高溫對(duì)光能利用率的脅迫作用,可采用Potter等[25]提出的方法進(jìn)行估算。εmax表示在理想狀態(tài)下植被的最大光能利用率,是指植被在沒(méi)有任何限制的理想條件下對(duì)光合有效輻射的利用率。由于全球相同植被也難免與中國(guó)存在較大差別[27],因此本文中的最大光能利用率取值采用了朱文泉等關(guān)于中國(guó)草地類型的最大光能利用率模擬結(jié)果[9],即草地的最大光能利用率為0.542 gC/MJ。Wε為水分脅迫系數(shù),其計(jì)算方式及改進(jìn)見文獻(xiàn)[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地NPP估算結(jié)果驗(yàn)證

驗(yàn)證模型模擬結(jié)果是模型在實(shí)際中應(yīng)用的前提條件。由于缺乏大尺度生物量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),所以進(jìn)行模型驗(yàn)證較為困難。但本研究采用的生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣方數(shù)量較多,也比較典型,監(jiān)測(cè)時(shí)間也較為一致,可以較好地代表新疆地區(qū)草地地上凈初級(jí)生產(chǎn)力。本文利用2010—2014年地面實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)對(duì)CASA模型模擬的草地NPP進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)和CASA模型模擬NPP決定系數(shù)(R2)是0.78(P<0.001)(圖2),表明CASA模型是適合于估算當(dāng)?shù)夭莸豊PP。

圖2 凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)模擬值與觀測(cè)值的比較

2.2 草地植被NPP時(shí)空格局分析

為了探討新疆地區(qū)草地NPP的空間分布格局,基于CASA模型模擬了新疆地區(qū)2001—2014年草地NPP,結(jié)果表明,全疆平均草地NPP值為102.49 gC m-2a-1(圖3)。在新疆各個(gè)區(qū)域中,伊犁河谷及阿爾泰山海拔較高區(qū)域的草地NPP相對(duì)較高,其次是天山和阿爾泰山的中山帶區(qū)域,而準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地的一些區(qū)域草地NPP最低。

圖3 新疆草地2001—2014年平均NPP空間分布圖

在2001—2014年,新疆不同草地類型的NPP存在明顯差異,見表1。山地草甸NPP最高,達(dá)到252.57 gC m-2a-1,其次為溫性草甸草原,其NPP達(dá)到204.93 gC m-2a-1；高寒荒漠和溫性草原化荒漠的NPP兩者最低,其NPP分別為43.94 gC m-2a-1和53.11 gC m-2a-1。

表1 2001—2014年新疆不同草地類型平均NPP

2.3 草地NPP對(duì)氣候因子的時(shí)間響應(yīng)特征

對(duì)新疆地區(qū)草地NPP與年(季節(jié))均溫、年(季節(jié))降水的相關(guān)分析表明(表2)。就整個(gè)新疆草地來(lái)說(shuō),除冬季降水與草地NPP呈負(fù)相關(guān)之外,年降水和其他3季的降水與草地NPP呈正相關(guān)關(guān)系,其中年降水、夏季的降水對(duì)草地NPP有較明顯的影響,相關(guān)系數(shù)R分別達(dá)到0.48(P<0.1)和0.50(P<0.1)。溫度對(duì)草地NPP沒(méi)有明顯的影響(R=0.07)。對(duì)于降水較少,但是溫度較高的草地,比如溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠、低地草甸,年降水、夏秋兩季降水對(duì)草地NPP有較明顯的影響。冬季降水與大多數(shù)草地NPP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但是相關(guān)關(guān)系不顯著。年(季節(jié))平均溫度對(duì)新疆地區(qū)所有類型的草地影響不大。

表2 新疆地區(qū)草地NPP和氣候因子的相關(guān)性分析

總體而言,新疆地區(qū)草地NPP主要受夏秋兩季降水的影響,溫度與草地NPP的相關(guān)性較低,說(shuō)明溫度不是新疆草地NPP的制約因素。

2.4 草地NPP對(duì)氣候因子的空間響應(yīng)特征

新疆地區(qū)的溫度和降水空間分布明顯不同,因此草地NPP對(duì)溫度和降水變化響應(yīng)也不同。根據(jù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)表和F檢驗(yàn)結(jié)果,樣本數(shù)為14(2001—2014年),當(dāng)|r|> 0.53時(shí),表明NPP與氣候因子呈顯著相關(guān)關(guān)系,當(dāng)0.46<|r|<0.53時(shí),NPP與氣候因子存在著較顯著的相關(guān)關(guān)系。分析新疆地區(qū)草地NPP與溫度、降水的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)(圖4),不同區(qū)域草地NPP對(duì)溫度和降水的空間響應(yīng)特征明顯不同。位于新疆地區(qū)準(zhǔn)噶盆地東部以及天山高海拔區(qū)域的草地NPP與年均溫呈顯著的正向相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r> 0.53的地區(qū)占新疆草地的7.5%；相關(guān)系數(shù)0.46 0.53和0.46

圖4 新疆草地NPP與年均溫度和降水相關(guān)系數(shù)空間分布格局

分析新疆草地NPP與四季平均溫度和降水的相關(guān)系數(shù)空間分布格局表明(圖5),新疆草地NPP與四季溫度的正向和負(fù)向相關(guān)的面積比例變化不大,占新疆地區(qū)約80%面積的草地NPP與四季平均溫度相關(guān)性達(dá)不到較顯著水平,新疆草地NPP與四季平均溫度相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平的區(qū)域有一定的變化。春季溫度對(duì)草地NPP有顯著正相關(guān)的草地主要分布在伊犁河谷及塔城附近的山區(qū),而負(fù)相關(guān)達(dá)到顯著水平的區(qū)域主要位于準(zhǔn)噶爾盆地的中心地帶以及塔里木北緣。位于伊犁河谷高山帶的草地NPP與夏季溫度的正向相關(guān)系數(shù)達(dá)到顯著水平,塔里木盆地邊緣地帶以及準(zhǔn)噶爾盆地南緣的一些區(qū)域草地NPP與夏季溫度呈現(xiàn)顯著的負(fù)向相關(guān)。夏季溫度與草地NPP呈現(xiàn)顯著正向相關(guān)的區(qū)域主要位于塔里木盆地南緣以及準(zhǔn)噶爾盆地中心地帶,伊犁河谷部分區(qū)域顯著呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。位于準(zhǔn)噶爾盆地中心地帶的草地NPP與冬季溫度表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。

圖5 NPP與四季平均溫度和降水相關(guān)系數(shù)空間分布格局

新疆大部分區(qū)域的草地NPP與夏季溫度和秋季溫度呈正向相關(guān),其面積比例分別為80.9%和75.9%,其中夏季溫度與草地NPP呈現(xiàn)較顯著和顯著相關(guān)的面積比例分別為9.1%和17.6%,主要分布于伊犁河谷、塔里木盆地以及準(zhǔn)噶爾盆地中心地帶。秋季溫度與草地NPP呈現(xiàn)較顯著和顯著的相關(guān)的面積比例分別為7.6%和14.9%,主要位于新疆東部、伊犁河谷地帶以及塔城附近的山區(qū)。冬季降水與大部分區(qū)域草地NPP呈負(fù)向相關(guān)關(guān)系,面積比例達(dá)68.5%,其中達(dá)到較顯著和顯著水平的區(qū)域主要位于準(zhǔn)噶爾盆地北部以及天山高山區(qū)。

3 討論

利用CASA模型模擬植被凈初級(jí)生產(chǎn)力主要取決于植被吸收的APAR與光能利用率ε兩個(gè)變量。一般來(lái)說(shuō),植被吸收的FPAR通過(guò)植被指數(shù)(比如NDVI和EVI)和植被類型表示。光能利用率表示植被把吸收的APAR轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)碳的效率,其主要受到土壤水分和溫度的影響。雖然CASA模型考慮了植被所在的環(huán)境條件與植被本身的特征,但在確定參數(shù)和計(jì)算過(guò)程方面有一定的不足之處。本文草地的最大光能利用率選擇朱文泉等人的研究結(jié)果,即草地的最大光能利用率為0.542 gC/MJ[28],通過(guò)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn),改進(jìn)的CASA模型基本可以反映新疆地區(qū)草地NPP。通過(guò)CASA模型模擬的草地NPP整體水平較低,平均值僅為102.49 gC m-2a-1,表現(xiàn)為草甸>草原>荒漠,這與楊紅飛等[7]的研究結(jié)果類似。新疆地區(qū)植被主要受降水因素的制約,當(dāng)山區(qū)降水較為充沛,新疆草地NPP相對(duì)來(lái)說(shuō)較高,南疆區(qū)域光照雖然較好,但是降水極少。因此,新疆草地NPP空間分布格局應(yīng)該是山區(qū)區(qū)域高于盆地區(qū)域,新疆北部>新疆南部,本項(xiàng)研究證明確實(shí)如此。

新疆地區(qū)草地NPP與夏秋兩季降水具有明顯的正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明新疆地區(qū)草地植被生長(zhǎng)在夏秋兩季主要受降水的影響,這與普宗朝等[75〗和陳奕兆等[7]的研究結(jié)果類似,如：普宗朝和張山清[7]研究發(fā)現(xiàn)降水增加對(duì)新疆地區(qū)植被NPP產(chǎn)生正面影響；陳奕兆等[5]發(fā)現(xiàn)蒙古草原的植被對(duì)降水有正面響應(yīng)。然而,本研究結(jié)果與張戈麗等人在青藏高原植被的有所不同,張戈麗等[29]研究認(rèn)為青藏高原植被主要受氣溫的影響。新疆地區(qū)屬于典型干旱半干旱氣候,區(qū)域內(nèi)年均溫較高,降水較少,因此水分是制約草地生長(zhǎng)的決定因素,由于降水通常會(huì)改善土壤水分對(duì)植被的供給,有利于光合速率增強(qiáng),從而提高植被生產(chǎn)力。而青藏高原由于氣溫較低,熱量是影響植被生產(chǎn)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

本文植被NPP與氣候因素的相關(guān)關(guān)系均是在線性基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的,而氣候變化是十分復(fù)雜,如何更合理的分析氣候變化與NPP之間的關(guān)系,是進(jìn)行植被NPP對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究基礎(chǔ)。本文只是分析了溫度和降水對(duì)植被NPP的影響,然而,各種氣候指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)均有一定的影響,但是各種氣候指標(biāo)對(duì)植被NPP產(chǎn)生的影響有多大？這種影響到底與區(qū)域有關(guān)還是植被類型有關(guān),這些仍需要長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究。

4 小結(jié)

基于CASA模型模擬了新疆草地植被NPP,進(jìn)而探討了草地植被NPP的空間分布格局,并分析了草地NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)。主要結(jié)論如下：

基于CASA模型估算的NPP基本可以反映新疆草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的基本情況。在2001—2014年間,新疆草地NPP平均值為102.49 gC m-2a-1。不同草地類型的NPP存在明顯差異。其中,山地草甸平均NPP最高,達(dá)到252.37 gC m-2a-1；高寒草地的平均NPP最低,為43.94 gC m-2a-1。新疆草地植被NPP分布呈現(xiàn)為山區(qū)草地NPP高于盆地區(qū)草地NPP,新疆北部草地NPP高于新疆南部草地NPP。

降水能促進(jìn)新疆地區(qū)草地NPP增加,其中夏季和秋季的降水對(duì)草地NPP的影響最為明顯。對(duì)于降水較少,但是溫度較高的草地,比如溫性荒漠草原、溫性草原化荒漠、溫性荒漠、低地草甸,年降水、夏秋兩季降水對(duì)草地NPP有較明顯的影響。冬季降水與大多數(shù)草地NPP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。年(季節(jié))溫度對(duì)新疆地區(qū)所有類型的草地影響不大。