尹小君，祝宏輝，Gao Gerry，高 軍，郭麗潔，王嬌嬌

氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的影響

尹小君1，祝宏輝2※，Gao Gerry3，高 軍4，郭麗潔1，王嬌嬌1

（1. 石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，石河子 832000；2. 石河子大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，石河子 832000；3. 圣何塞州立大學(xué)計(jì)算機(jī)工程系，加州 95192；4. 安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230000）

天山北坡是中國(guó)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展基地，也是“一帶一路”開發(fā)重點(diǎn)區(qū)域。氣候變化和人類活動(dòng)是影響天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity, NPP）的2個(gè)重要因素，定量評(píng)估氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡草場(chǎng)可持續(xù)性利用具有重要意義。該研究采用MODIS C6遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析2004—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡NPP變化的影響。結(jié)果表明：2004—2015年天山北坡實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力（Actual Net Primary Productivity, NPPA）介于128.67～170.49 g/(m2·a)之間，總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；西部區(qū)域NPPA年均值最高，天山北坡NPPA的主要供給區(qū)是中西部區(qū)域。天山北坡不同區(qū)域年均溫度及降水量呈現(xiàn)明顯差異，降水對(duì)NPPA的影響大于溫度。同時(shí)，人類活動(dòng)對(duì)NPP的影響（Human Activities on Net Primary Productivity, NPPH），總體上由負(fù)作用逐漸向正作用轉(zhuǎn)變，正作用增強(qiáng)區(qū)域主要分布在奇臺(tái)縣、木壘縣和天山北坡東部部分地區(qū)，負(fù)作用逐漸增強(qiáng)區(qū)域主要分布在奎屯市及烏蘇市部分地區(qū)。

遙感；氣候變化；NPP；人類活動(dòng)；天山北坡；MODIS C6

0 引 言

植被是連接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，在全球變化研究中起到“指示器”的作用[1]，凈初級(jí)生產(chǎn)力是指綠色植物通過光合作用所固定的有機(jī)質(zhì)總量與維持自養(yǎng)呼吸所消耗的差值，它是植被自身的生理特性與外界環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的基礎(chǔ)[2-3]，同時(shí)也是評(píng)判陸地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)[4-6]。任何自然或人為活動(dòng)的改變，都將影響凈初級(jí)生產(chǎn)力的波動(dòng)[7-8]，近年來由于氣候變化和人類活動(dòng)，已造成天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力出現(xiàn)不同程度的改變[9-12]。研究氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，對(duì)于該區(qū)域合理利用自然資源，維持農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響開展了大量的研究，高清竹等[13]依據(jù)道路、居民點(diǎn)來建立不同距離的緩沖區(qū)，離道路、居民點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)，則人類活動(dòng)的強(qiáng)度影響凈初級(jí)生產(chǎn)力的能力越低，得出藏北地區(qū)居民點(diǎn)對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的負(fù)面影響小于道路。Nemani等[14]對(duì)全球陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候因子的關(guān)系做了研究，得出1982—1999年全球氣候變化使陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力總量增加6%。趙鵬等[15]以凈初級(jí)生產(chǎn)力作為指示器，利用實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力和潛在凈初級(jí)生產(chǎn)力定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)新疆草地的影響，得出1982—2000年氣候因素是新疆凈初級(jí)生產(chǎn)力增加的主要因素，氣候因素主導(dǎo)的區(qū)域占草地總面積的79.41%；2000—2015年，相比于上個(gè)時(shí)段，人類活動(dòng)的影響明顯加強(qiáng)，人類活動(dòng)主導(dǎo)區(qū)域占總面積的43.03%。信忠保等[16]利用GIMMS和SPOT VGT兩種歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)對(duì)黃土高原地區(qū)1981—2006年期間植被覆蓋的時(shí)空變化進(jìn)行研究，得出植被覆蓋變化是氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。張珺等[17]利用MOD17A3實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)與氣象資料，分析2001—2010年人類活動(dòng)對(duì)錫林郭勒盟草原實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，得出人類活動(dòng)對(duì)錫林郭勒盟草原實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響主要是由負(fù)作用向正作用轉(zhuǎn)變，且空間分布有明顯的南北界線，南部表現(xiàn)為負(fù)作用增強(qiáng)，北部為正作用增強(qiáng)。天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究，主要是利用模型對(duì)一段時(shí)間內(nèi)凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行模擬，分析氣候因子對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，而人類活動(dòng)影響下凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究比較少。

本文利用2004—2015年遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究氣候變化和人類活動(dòng)影響下天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化，為自然和人為干擾下，凈初級(jí)生產(chǎn)力空間格局—過程—功能研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天山北坡是新疆重要的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展基地，同時(shí)也是中國(guó)實(shí)施西部大開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，多年來由于地處西北干旱區(qū)的主體部分，長(zhǎng)期的干旱少雨導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境比較脆弱。地理位置為79°53′～96°06′E，42°50′～46°12′N，東西綿延1 300 km以上，南北寬為30～260 km，海拔在150～5 500 m，總面積為19.83萬km2，區(qū)域內(nèi)包含19個(gè)縣市級(jí)行政區(qū)，如圖1所示。天山北坡由于其特殊的地理位置及地形特征形成了典型的溫帶大陸性氣候和獨(dú)特的自然景觀，隨著海拔的上升，溫度、降水量、植被類型等呈現(xiàn)出不同程度的變化差異。區(qū)域內(nèi)多年平均溫度為-10～12 ℃，多年平均降水量為30～1 300 mm。研究區(qū)內(nèi)四季氣候變化明顯，夏季炎熱干燥，晝夜溫差較大，冬季寒冷漫長(zhǎng)。

1.五家渠 2.石河子 3.奎屯 4.獨(dú)山子

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

使用2004—2015年的MODIS C6的MOD17A3H的NPPA遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，共12a，空間分辨率為500 m×500 m，該數(shù)據(jù)克服了原MODIS_C5數(shù)據(jù)由于衛(wèi)星傳感器老化而造成的數(shù)據(jù)衰減和失真現(xiàn)象[18]，使用最新的C6產(chǎn)品數(shù)據(jù)可減少數(shù)據(jù)本身所帶來的誤差。文中MOD17A3H遙感數(shù)據(jù)采用MRT軟件進(jìn)行鑲嵌、格式轉(zhuǎn)換和重投影等操作，然后利用ENVI與ArcGIS軟件，結(jié)合研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行裁剪。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

選取2004—2015年天山北坡及其附近地面氣象站的逐月平均氣溫及逐月降水量數(shù)據(jù)資料，該數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）。為了得到研究區(qū)時(shí)間序列為年的氣象數(shù)據(jù)空間分布圖，首先將各氣象站點(diǎn)的月數(shù)據(jù)信息合成年數(shù)據(jù)信息，并利用澳大利亞專業(yè)氣象數(shù)據(jù)插值工具ANUSPLINA以經(jīng)緯度作為自變量[19]，高程作為協(xié)變量，對(duì)研究區(qū)年均溫、年降水量進(jìn)行空間插值，所有氣象柵格數(shù)據(jù)的行列數(shù)、像元大小及投影方式均與遙感數(shù)據(jù)一致。

1.2.3 野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

于2015年7月15日、7月24日、8月10日、8月17日和8月26日，在天山北坡中段農(nóng)牧區(qū)，即在牧場(chǎng)草地生長(zhǎng)期對(duì)草地地上生物量進(jìn)行采集，分別在陽坡和陰坡設(shè)置采樣點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況選取一定數(shù)量的1 m×1 m樣方，在試驗(yàn)區(qū)每隔100 m重復(fù)的點(diǎn)采樣3次，其平均值作為樣本值，共計(jì)78個(gè)樣本。齊地剪取樣方地上生物量，剪取樣本的同時(shí)用手持GPS定位儀，記下單位樣方的經(jīng)緯度，樣本裝袋并編號(hào)統(tǒng)一帶回實(shí)驗(yàn)室稱量。樣本數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息主要包括生物量干質(zhì)量、濕質(zhì)量、樣點(diǎn)坐標(biāo)、高程、覆蓋度、經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等。

2 研究方法

2.1 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算方法

NPPA代表受氣候變化和人類活動(dòng)共同作用后的實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力。NPPP表示受氣候因素影響下的潛在植被凈初級(jí)生產(chǎn)力。NPPH表示人類活動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。

NPPA數(shù)據(jù)來源于MODIS遙感影像的MOD17A3H產(chǎn)品，提供的年度凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。

NPPP以周廣勝等[22-24]建立的自然凈初級(jí)生產(chǎn)力模型為基礎(chǔ)，該模型以植被進(jìn)行光合作用的蒸散量模型為基礎(chǔ)，綜合考慮了諸因子間的相互作用，計(jì)算公式如下

進(jìn)一步化簡(jiǎn)得

式中NPPP為氣候因素驅(qū)動(dòng)下的潛在凈初級(jí)生產(chǎn)力（g/m2·a）；RDI為輻射干燥度；R為年凈輻射（mm）；為年降水量（mm）；PER為年可能蒸散率；PET為年可能蒸散量（mm）；BT為年平均生物溫度（oC）；為0～30oC的月均溫（oC）。

NPPH利用NPPA與NPPP之間的差值來計(jì)算人類活動(dòng)對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響[13,25]，計(jì)算公式如下

NPPH為正值表明人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力具有正作用；反之，則表示具有負(fù)作用。根據(jù)NPPH大小及其斜率變化趨勢(shì)，將人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響分為4類：正作用增強(qiáng)、正作用減弱、負(fù)作用增強(qiáng)、負(fù)作用減弱。

2.2 變化趨勢(shì)分析方法

利用最小二乘法來估算每個(gè)像元NPPA和NPPH隨時(shí)間變化的線性趨勢(shì)[26-28]，這種方法被廣泛應(yīng)用于植被遙感分析中。其計(jì)算公式如下

式中表示年數(shù)，NPP為某一像元點(diǎn)第年的NPPA或NPPH值，slope為像元點(diǎn)的趨勢(shì)線斜率，若slope>0表示變化趨勢(shì)為增加，slope<0表示變化趨勢(shì)為減小，slope=0則表示沒有變化。

2.3 氣候變化對(duì)NPPA影響分析方法

在多因子影響環(huán)境中，常用偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行衡量。偏相關(guān)系數(shù)是指控制一個(gè)變量不變的前提下研究另外兩個(gè)變量之間的相關(guān)性[29-30]。為了計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)，首先計(jì)算相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式如下

式中分別代表自變量個(gè)數(shù)和樣本數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 NPPA數(shù)據(jù)驗(yàn)證

MOD17A3H提供的年度NPPA數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱NPPA模擬值，通過實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)2016年天山北坡采集的78個(gè)草地實(shí)測(cè)生物量樣本，對(duì)MOD17A3H NPPA數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。采用實(shí)測(cè)生物量換算為NPPA數(shù)據(jù)，根據(jù)生物量與NPPA之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.475，進(jìn)而得到采樣點(diǎn)實(shí)測(cè)NPPA數(shù)據(jù)[20]。由于采樣時(shí)間為7、8月，年度植被最為旺盛的時(shí)期，NPPA值可以代表年度NPPA值[21]，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的樣本生物量位置實(shí)測(cè)值與MOD17A3H NPPA對(duì)應(yīng)位置模擬值進(jìn)行擬合，如圖 2所示，結(jié)果表明，NPPA模擬值與NPPA實(shí)測(cè)值基本吻合（2=0.811 7，<0.01）。因此，利用MOD17A3H NPPA數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)NPPA模擬具有可行性。

3.2 2004—2015年NPPA變化分析

2004—2015年天山北坡NPPA總體上呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖3所示，天山北坡NPPA年總量在14.74～19.53 Tg（1 Tg=1012g）之間；NPPA年均值在128.67～170.49 g/(m2·a)之間，多年均值為144.71 g/(m2·a)，NPPA最大值出現(xiàn)在2013年，達(dá)到170.49 g/(m2·a)，最小值則在2008年，為128.67 g/(m2·a)。

圖2 天山北坡草地NPPA模擬值與實(shí)測(cè)值的比較

圖3 天山北坡2004—2015年NPPA總量和均值

不同區(qū)域NPPA空間分布呈現(xiàn)顯著差異，如圖4所示，整體上NPPA呈西高東低的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：天山北坡西部NPPA年均值為179.69 g/(m2·a)，年總量為3.78 Tg，高值區(qū)主要分布在溫泉縣東部及博樂市西部區(qū)域，介于350～510g/（m2·a）之間，其低值區(qū)主要分布在精河縣北部地區(qū)；天山北坡中部區(qū)域NPPA年均值為135.62 g/(m2·a)，年總量為11.74 Tg，NPPA高值區(qū)主要沿天山一帶分布，其值介于330～550 g/(m2·a)之間，低值區(qū)主要分布在奇臺(tái)縣和木壘縣北部區(qū)域；天山北坡東部大部分為荒漠地區(qū)，有植被區(qū)域主要零星分布在巴里坤的東南部及伊吾縣的西南部少量區(qū)域，NPPA年均值為152.00 g/(m2·a)，雖然東部NPPA年均值高于中部，但是東部有植被區(qū)域總面積僅占6.07 %，因此NPPA總量依然很低，僅為1.06 Tg，高值區(qū)主要分布在巴里坤東南部，其值介于300～450 g/(m2·a)之間。

總體上，中西部區(qū)域是天山北坡NPPA的主要供給區(qū)，NPPA總量占天山北坡的94%，中西部區(qū)域也是天山北坡典型的天然草場(chǎng)與農(nóng)作物種植分布區(qū)，獨(dú)特的自然環(huán)境給予植被相對(duì)適宜的生長(zhǎng)條件，促使植被進(jìn)行光合作用轉(zhuǎn)化為更多的有機(jī)質(zhì)。

3.3 2004—2015年氣候因子與NPPA的關(guān)系

根據(jù)天山北坡附近區(qū)域氣象站點(diǎn)的年平均氣溫及年累積降水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析年平均降水量和年平均溫度與NPPA的關(guān)系。如圖5所示：天山北坡2004—2015年平均氣溫在-15.25～11.14 ℃之間，多年均值為4.98 ℃，其中2006年平均氣溫最高，為5.96 ℃，最小值在2014年，為3.92 ℃；年累積降水量在31.20～1214.38 mm之間，多年均值為294.63 mm，年降水量最高值在2015年，為397.57 mm，最低值在2008年，為189.73 mm。整體上，近12年來天山北坡年平均氣溫呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)變化率為-0.10 ℃/a，年降水量呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)變化率為9.17 mm/a。

注：白色區(qū)域?yàn)槲蠢玫?。下同?/p>

圖5 2004—2015天山北坡氣溫和累積降水量變化

由于研究區(qū)地理位置橫跨多個(gè)經(jīng)度，受海拔及其地形地貌特征的影響，天山北坡東西部氣候差異較大，東部區(qū)域年均溫及年降水量最低，分別為1.77 ℃、240.41 mm；中部區(qū)域年均溫最高，為5.51 ℃，年降水量為276.54 mm；西部區(qū)域年降水量最高，為387.10 mm，年均溫為3.89 ℃；天山北坡東部氣溫及降水量趨勢(shì)變化率分別為-0.13 ℃/a、8.89 mm/a；中部區(qū)域氣溫及降水量變化速率最慢，趨勢(shì)變化率分別為-0.09 ℃/a、8.70 mm/a；西部區(qū)域氣溫及降水量變化速率最快，趨勢(shì)變化率分別為-0.15 ℃/a、11.21 mm/a。

在多因子影響環(huán)境中，采用偏相關(guān)系數(shù)來表示兩要素之間的相關(guān)程度，2004—2015年天山北坡NPPA與年均溫、年降水量之間的平均相關(guān)系數(shù)分別為0.05、0.30，如圖6所示，NPPA與年均溫呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別為研究區(qū)總面積的55.49%、44.51%。呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在烏魯木齊市、阜康市、吉木薩爾縣、奇臺(tái)縣、木壘縣南部和溫泉縣西部，呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在伊吾縣、巴里坤縣、烏蘇市、奎屯市、以及昌吉市至沙灣縣以北區(qū)域；由檢驗(yàn)結(jié)果可知，有1.28%的區(qū)域通過了<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在烏魯木齊市和木壘縣境內(nèi)。NPPA與年降水量呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占總面積的86.03%、13.97%，呈正相關(guān)的區(qū)域基本遍布整個(gè)研究區(qū)，呈負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在博樂市及天山北坡南部部分區(qū)域；有3.89%的區(qū)域通過了<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在溫泉縣、伊吾縣及巴里坤縣部分區(qū)域。整體而言，2004—2015年天山北坡NPPA與降水的相關(guān)性大于溫度。

圖6 2004—2015年天山北坡NPPA與溫度、降水偏相關(guān)系數(shù)空間分布

降水對(duì)天山北坡NPPA的影響大于溫度，主要因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)86.03%的區(qū)域與降水量呈正相關(guān)，其中呈顯著相關(guān)的區(qū)域主要集中在東部地區(qū)，因?yàn)闁|部大部分為荒漠地區(qū)，植被對(duì)降水的敏感性較高；研究?jī)?nèi)與溫度呈正相關(guān)的區(qū)域占55.49%，其中呈顯著性相關(guān)的區(qū)域主要集中在烏魯木齊市和木壘縣境內(nèi)。

3.4 2004—2015年人類活動(dòng)與NPPH的關(guān)系

根據(jù)天山北坡2004—2015年均NPPH空間分布，如圖7所示，人類活動(dòng)對(duì)NPP的作用變化范圍為-163.44～543.74 g/(m2·a)，多年均值為13.72 g/(m2·a)。人類活動(dòng)正作用影響的區(qū)域（NPPH>0）占44.15%，主要分布在伊吾縣、巴里坤縣、溫泉縣東部及天山北坡南部沿天山一帶；負(fù)作用影響的區(qū)域占55.85%，主要分布在天山北坡中部以北區(qū)域，其為典型的天然牧場(chǎng)和農(nóng)作物種植分布區(qū)。

圖7 2004—2015年天山北坡平均NPPH的空間格局

由2004—2015年人類活動(dòng)對(duì)天山北坡NPPH影響的年際變化斜率（圖8a），NPPH年際變化值slope介于-33.66～28.44 g/(m2·a)之間，平均變化速率為-1.24 g/（m2·a），其中增加速度最快的區(qū)域是溫泉縣中東部及博樂市中西部，增加速度最慢的區(qū)域是伊吾縣、巴里坤縣和木壘縣南部，減少速度最快的區(qū)域是博樂市東部，減少速度最慢的是天山北坡中段北部區(qū)域。

根據(jù)天山北坡人類活動(dòng)對(duì)NPPH的作用分類空間格局，如圖8b所示，人類活動(dòng)正作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域占17.78%，主要分布在奇臺(tái)縣、木壘縣和天山北坡東部部分區(qū)域；人類活動(dòng)正作用不斷減弱的區(qū)域占26.38%，主要分布在烏魯木齊市、呼圖壁縣和昌吉市南部區(qū)域；人類活動(dòng)負(fù)作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域占5.91%，零星分布在奎屯市及烏蘇市部分區(qū)域；人類活動(dòng)負(fù)作用不斷減弱的區(qū)域占49.94%，主要分布在博樂市、精河縣和天山北坡中段以北區(qū)域。

人類活動(dòng)對(duì)天山北坡NPPH的影響總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中人類活動(dòng)對(duì)植被的負(fù)作用大于正作用，原因主要是隨著天山北坡的不斷發(fā)展，水土資源不合理開發(fā)及過度放牧等行為的嚴(yán)重加劇，導(dǎo)致植被開始退化，NPPH總量降低。人類活動(dòng)正作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域主要分布在中東部區(qū)域，原因主要為中東部區(qū)域荒漠未利用地面積較大，隨著西部大開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，退耕還林還草，退牧還草等生態(tài)恢復(fù)政策的實(shí)施，使得中東部區(qū)域綠洲面積不斷擴(kuò)大，NPPH總量開始出現(xiàn)上升。負(fù)作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域零星分布在奎屯市及烏蘇市部分地區(qū)，該區(qū)域?yàn)槿祟惢顒?dòng)的密集區(qū)，人為要素干擾日益加劇，促使植被不斷退化。人類活動(dòng)負(fù)作用不斷減弱的區(qū)域面積最廣，占49.94%，主要分布在天山北坡中段北部地區(qū)及博樂市和精河縣，說明總體上人為要素對(duì)天山北坡NPPH的負(fù)面影響開始出現(xiàn)改善，得益于近年來農(nóng)作物種植區(qū)膜下滴灌、高壓滲灌等節(jié)水技術(shù)的實(shí)施，為原處于干旱區(qū)的水資源合理利用提供技術(shù)支撐。此外，由于天山北坡區(qū)域自然生態(tài)保護(hù)區(qū)的建立和政府部門出臺(tái)的生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施，也對(duì)天山北坡生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)起到積極作用。

圖8 天山北坡NPPH年際變化及其作用的空間格局

4 結(jié) 論

利用長(zhǎng)時(shí)間序列的MODIS C6 NPP遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定量分析了2004—2015年氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的影響，結(jié)論如下：

1）天山北坡2004—2015年實(shí)際凈初級(jí)生產(chǎn)力NPPA整體上呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，NPPA年均值波動(dòng)范圍在128.67～170.49 g/(m2·a)之間，多年均值為144.71 g/(m2·a)；不同區(qū)域NPPA空間特征差異明顯，西部區(qū)域NPPA年均值最高，中西部區(qū)域是天山北坡NPPA的主要供給區(qū)。

2）天山北坡NPPA與溫度呈正相關(guān)的區(qū)域占55.49%，有1.28%的區(qū)域通過了<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在烏魯木齊市和木壘縣境內(nèi)；與降水呈正相關(guān)的區(qū)域占86.03%，有3.89%的區(qū)域通過了<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在溫泉縣、伊吾縣及巴里坤縣部分地區(qū)。降水對(duì)天山北坡NPPA年際變化的影響大于溫度。

3）天山北坡人類活動(dòng)影響的凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值波動(dòng)范圍為-163.44～543.74 g/(m2·a)，多年均值為13.72 g/(m2·a)，年均變化速率為-1.24 g/(m2·a)，其中人類活動(dòng)正作用影響區(qū)域占44.15%，主要分布在伊吾縣、巴里坤縣、溫泉縣東部及天山北坡南部沿天山一帶；負(fù)作用影響區(qū)域占55.85%，主要分布在天山北坡中部以北區(qū)域。人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響趨勢(shì)逐漸向促進(jìn)作用方向發(fā)展，人類活動(dòng)正作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域主要分布在天山北坡中東部，負(fù)作用不斷增強(qiáng)的區(qū)域零星分布在奎屯市及烏蘇市部分區(qū)域。

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Effects of climate change and human activities on net primary productivity in the Northern Slope of Tianshan, Xinjiang, China

Yin Xiaojun1, Zhu Honghui2※, Gao Jerry3, Gao Jun4, Guo Lijie1, Wang Jiaojiao1

(1.,,832000,; 2.,,832000,; 3.,,95192,4,,230000,)

The northern slope of Tianshan has become an important development base of agriculture and animal husbandry, particularly for the key area of “one belt, one road”. The investigation of Net primary productivity (NPP) in this area is absolutely essential to the sustainable development of agriculture and animal husbandry, due to the NPP can serve as a significant indicator of ecological environment evaluation. However, most previous studies of NPP mainly focused on the simulation of NPP under a model in a specific period. Therefore, this study aims to analyze the change of NPP from 2004 to 2015, and further investigate the impact of climate change and human activities on the NPP change. The remote sensing image data in the long time series was used to quantify the global variation of NPP subjected to the climate change and human activities. The specific procedure was as follows: First, the image data collected from a MODIS C6 remote sensing was used to simulate the actual net primary productivity (NPPA) for 12 years, and the simulated NPPAwas verified by biomass data measured from the field, indicating that the MODIS C6 remote sensing data was feasible to simulate NPPA. Then, the change trends of temperature, precipitation, and NPPAwere analyzed in the past 12 years, to clarify the influence of temperature and precipitation on NPPA.Finally, the net primary productivity (NPPH) was selected to explain the effect of human activities on the Northern Slope of Tianshan. The results show that: the actual NPPAat the Northern Slope of Tianshan ranged from 128.67 to 170.49 g/(m2·a) from the period of 2004 to 2015, with an average annual value of 144.71 g/(m2·a). There were obvious differences in the spatial characteristics of NPPAin different regions, showing a trend of high in the West and low in the East. The annual average of NPPAin the western region was the highest, indicating that the central and western regions were the main supply areas of NPPAon the Northern Slope of Tianshan. Specifically, the change rates of temperature and precipitation in the East were -0.13 ℃/a and 8.89 mm/a, whereas, those in the central region were the smallest, with the change rates of -0.09 ℃/a and 8.70 mm/a, and those in the western region were the largest, with the change rates of-0.15 ℃/a and 11.21 mm/a, respectively. It infers that the effect of precipitation on NPPAwas greater than that of temperature. The average of annual NPPHon the northern slope of Tianshan ranged from -163.44-543.74 g/(m2·a), with an annual average of 13.72 g/(m2·a), while an average annual change rate of-1.24 g/(m2·a). Specifically, 44.15% of them were affected by the positive human activities, mainly distributed in Yiwu, Balikun, Wenquan county, and the south of North Slope of Tianshan along the Tianshan Mountain; 55.85% of negative impact areas were mainly distributed in the north and central part of the north slope of Tianshan. The influence of human activities on NPP change was gradually developing towards the direction of promoting effect in the northern slope of Tianshan. The typical areas triggered by increasing human activities were mainly distributed in the middle and east of the northern slope of Tianshan, while, the areas of increasing negative effects were scattered in Kuitun and Wusu County. The finding can provide a new way to explore the spatial pattern, process, and function of NPP under natural and human disturbance.

remote sensing; climate change; NPP; human activities; the Northern Slope of Tianshan; MODIS C6

尹小君，祝宏輝，Gao Gerry，等. 氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)天山北坡凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：195-202.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.023 http://www.tcsae.org

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2020-06-23

2020-09-28

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB0504203）；石河子大學(xué)國(guó)際合作項(xiàng)目（GJHZ201905）

尹小君，博士，副教授，主要研究方向資源環(huán)境遙感研究。Email：yinxiaojun2018@163.com

祝宏輝，博士，二級(jí)教授，主要研究方向生態(tài)遙感。Email：zhuhonghui1973@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.023

S127

A

1002-6819(2020)-20-0195-08