康振山，張 莎，白 雲(yún), Malak Henchiri，張佳華*

(1.青島大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究中心, 山東 青島 266071； 2. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094)

植被凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity，NPP)指綠色植物在單位時間和單位面積上所能累積的有機干物質(zhì)，包括植物的枝、葉和根等生產(chǎn)量及植物枯落部分的數(shù)量，也稱凈第一生產(chǎn)力[1]。NPP反映的是植物固定和轉(zhuǎn)化光能為化合物的效率，數(shù)值上與植物生長、發(fā)育、繁殖等自身生命活動相關(guān)，而其自身的生命活動與外界的氣候條件密不可分[2]。草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，約占全球陸地面積的30%，主要分布于干旱及半干旱地區(qū)[3]，且內(nèi)蒙古自治區(qū)是受全球氣候變化影響最敏感的地區(qū)之一[4]。草地所具有的生態(tài)功能主要依賴于草地的生產(chǎn)能力，因此，分析和研究草地的凈初級生產(chǎn)力的時空變化具有重要意義。

內(nèi)蒙古草原在歐亞草原中占有重要的地位，是中國北部重要的生態(tài)安全屏障[5]。內(nèi)蒙古草原分布廣泛，在地理位置、氣候條件方面存在較大的空間差異[6]。近年來，由于干旱的原因，內(nèi)蒙古草原出現(xiàn)了土壤水分不足、植物水分平衡遭到破壞而減產(chǎn)、草地凈初級生產(chǎn)力下降等問題，草地退化成為我國自然資源利用中存在的一個十分嚴重的問題[7]。因此，分析和研究干旱狀況對草地凈初級生產(chǎn)力的影響具有現(xiàn)實意義。

準確評估氣候變化對草地動力學(xué)的影響，對于了解草地退化的機理和控制退化的草地至關(guān)重要[8]。NPP是研究草地生產(chǎn)能力的重要參考，NPP不僅為生態(tài)系統(tǒng)的二次生產(chǎn)提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，而且是生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)平衡的重要指標(biāo)，也是判斷碳匯和生態(tài)調(diào)控行為的關(guān)鍵因素[9]。NPP通過全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)與氣候系統(tǒng)和生物圈緊密相連，在一定程度上可以反映生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)[10]。另外，NPP還可用于探討陸地生態(tài)系統(tǒng)對干旱的響應(yīng)[11]。許多研究都集中在確定氣候變化對當(dāng)?shù)鼗蛉蚍秶鷥?nèi)陸地NPP的影響，只有少數(shù)研究集中于評估氣候變化對特定草原生態(tài)系統(tǒng)的影響[12]。因此研究內(nèi)蒙古草地NPP對于干旱的響應(yīng)具有重要的現(xiàn)實意義，對于制定內(nèi)蒙古地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有一定的參考價值。

在對NPP的模擬研究方法中，學(xué)者們采用的研究模型一般包括氣候相關(guān)統(tǒng)計模型(如：Miami模型、Thornthwaite Memoria模型和Chikugo模型等)、光能利用率模型(GLO-PEM模型和CASA模型等)、生態(tài)系統(tǒng)過程模型(BIOME-BGC模型和BEPS模型等)及生態(tài)遙感耦合模型4大類[1]，利用模型模擬NPP實現(xiàn)對草地NPP的動態(tài)監(jiān)測，對草地生態(tài)的恢復(fù)與改善提供了技術(shù)和理論支持[13]。其中北部生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模擬模型(Boreal ecosystem productivity simulator，BEPS)是Liu和Chen等在FOREAT-BGC模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的遙感-過程耦合生態(tài)系統(tǒng)模型，該模型最初用于模擬加拿大北方森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，先后用于東亞地區(qū)以及中國部分地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的模擬，都取得很好的模擬精度和效果[1]。該模型由能量傳輸子模型、碳循環(huán)子模型、水循環(huán)子模型和生理調(diào)節(jié)子模型4部分組成，包括能量平衡、光合作用、自養(yǎng)呼吸、土壤有機質(zhì)分解、土壤水分平衡等過程。驅(qū)動模型的數(shù)據(jù)主要有植被生長數(shù)據(jù)和逐日的氣象數(shù)據(jù)以及植被生物物理參數(shù)和土壤水文參數(shù)等。模擬輸出數(shù)據(jù)有逐日蒸散量、總初級生產(chǎn)力(Gross primary productivity，GPP)及NPP等。

在以往對于干旱的研究方法中，被廣泛應(yīng)用的監(jiān)測指數(shù)有標(biāo)準化降水指數(shù)(Standardized precipitation index，SPI)、標(biāo)準化降水蒸發(fā)指數(shù)(Standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)、Palmer干旱嚴重程度指數(shù)(Palmer drought severity index，PDSI)、土壤相對濕度(Relative soil moisture，RSM)等，對中國大部分地區(qū)的干旱監(jiān)測有良好的指示作用[14]。其中SPEI具有SPI多時間尺度的優(yōu)勢，且同時考慮了降水和潛在蒸散發(fā)的影響作用，已有研究對SPEI指數(shù)在中國地區(qū)的適用性分析[14]。因此，本文以BEPS模型和SPEI指數(shù)為基礎(chǔ)，對2001-2015年期間內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)的NPP時空動態(tài)變化及其干旱狀況進行定量分析，從而探索近15年間內(nèi)蒙古草地生長季的NPP變化趨勢及其對干旱變化的響應(yīng)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)(簡稱內(nèi)蒙古)地處中國北部(37°24′～53°23′ N,97°12′～126°04′ E)，全區(qū)總面積共118.30×104km2，占全國總面積的12.3%，是中國第3大省區(qū)[15]。內(nèi)蒙古地勢由東北向西南斜伸，呈狹長型，基本屬于高原型的地貌區(qū)，涵蓋高原、山地、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊等地貌。內(nèi)蒙古草地總面積約為86.67×104km2，約占全區(qū)土地總面積的60%，占全國草地總面積的1/4以上，其中可利用草場面積68.18×104km2[16]。內(nèi)蒙古氣候以溫帶大陸性氣候為主，年降水量約為50～450 mm，且大部分降水發(fā)生在5-8月，年平均氣溫約為0～8℃。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

1.2.1葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI) LAI數(shù)據(jù)是驅(qū)動BEPS模型的植被指數(shù)，本研究中使用的LAI數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航空局(NASA/EOS LPDAAC)2000-2015年MODIS產(chǎn)品MOD 15A2H數(shù)據(jù)集，時間分辨率為8 d，空間分辨率為500 m×500 m。使用MODIS網(wǎng)站提供的專業(yè)處理軟件MRT(MODIS Reprojection Tools)對覆蓋研究區(qū)的h25v03，h25v04，h25v05，h26v04，h26v05，h27v04影像進行投影轉(zhuǎn)換、拼接處理。

1.2.2氣象數(shù)據(jù) 用于驅(qū)動BEPS模型的氣溫、降水、太陽總輻射、凈太陽輻射、飽和水汽壓差和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，由ERA-Interim氣象再分析資料網(wǎng)站獲取，分辨率為0.125 °×0.125 °。ERA-Interim是歐洲中期數(shù)值預(yù)報中心提供的全球最新的大氣再分析產(chǎn)品，較之前的產(chǎn)品精度更高，數(shù)據(jù)采用nc格式存儲，本研究利用IDL代碼將其讀取為img格式[17]。

1.2.3土地利用數(shù)據(jù) 用于驅(qū)動BEPS模型的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)使用了2001-2015年MCD12Q1產(chǎn)品，時間分辨率為1年，空間分辨率為500 m×500 m。該土地覆蓋數(shù)據(jù)集包含了17個主要土地覆蓋類型，根據(jù)國際地圈生物圈計劃(International geosphere-biosphere programme，IGBP)分類方案，其中包括11個自然植被類型，3個非草木土地類型定義類。

雖然MCD12Q1產(chǎn)品具有2001至2015年分辨率較好的完整的時序圖，可用于BEPS模型的驅(qū)動，但在草地類型的進一步細化上卻仍有不足。因此，本文還使用了空間分辨率較差但對草地類型進一步細化的土地利用類型數(shù)據(jù)。圖2為根據(jù)朱文泉等[18]制作的中國植被分類圖中提取的內(nèi)蒙古植被分類圖，其空間分別率為8 km×8 km；為了對突出草地分布，將16個植被類型合并為8個植被類型。其中，將針葉落葉林、針葉常綠林、落葉闊葉林合并為林地；將沼澤、湖、河流合并為水體；將斜坡草原和平原草原合并為典型草原；將裸石、砂礫、荒漠合并為荒漠。

圖2 內(nèi)蒙古土地利用類型圖Fig.2 Map of land use type in Inner Mongolia

1.3 研究方法

1.3.1BEPS模型草地NPP的計算 BEPS模型由4部分組成，包括傳輸模擬模塊、碳循環(huán)模擬模塊、水循環(huán)模擬模塊以及生理調(diào)節(jié)模擬模塊。模型通過模擬葉片尺度的瞬時光合作用，計算日光合作用，然后通過日積分實現(xiàn)不同時間尺度的擴展，獲取植被總初級生產(chǎn)力GPP，扣除了其自養(yǎng)呼吸后，最終得到植被NPP[19]。

(1)LAIsun(陽葉葉面積指數(shù))及LAIshade(蔭葉的葉面積指數(shù))的計算:

LAIsun=2cosθ(1-exp(-0.5ΩLAI/cosθ))

(1)

LAIshade=LAI-LAIsun

(2)

式中：θ代表太陽天頂角，Ω代表葉片集聚指數(shù)。

(2)Ssun(陽葉太陽輻射)及Sshade(蔭葉接受的太陽輻射)的計算:

Ssun=Sdircosα/cosθ+Sshade

(3)

Sshade=(Sdif-Sdif,under)/LAI+C

(4)

C=0.07ΩSdir(1.1-0.1LAI)exp(-cosθ)

(5)

Sdif,under=Sdifexp(-0.5ΩLAI/cosθmean)

(6)

cosθmean=0.537+0.0251LAI

(7)

式中：Sdir代表冠層上接收的直射輻射，Sdif代表冠層上接收的散射輻射，Sdir,under代表冠層下的散射輻射，α代表平均葉片太陽分布角度，C代表直射輻射的多次散射輻射，θmean代表散射輻射傳輸?shù)奶柼祉斀恰?/p>

(3)Acanopy(植被冠層總光合作用)的計算

Acanopy=AsunLAIsun+AshadeLAIshade

(8)

式中：Asun代表陽葉的光合作用，Ashade代表蔭葉的光合作用。

(4)NPP的計算

GPP=AcanopyLdayFGPP

(9)

Ra=Rm+Rg=∑(Rm,i+Rg,i)

(10)

NPP=GPP-Ra

(11)

式中：Lday代表日長，F(xiàn)GPP代表光合作用轉(zhuǎn)換為GPP的比例系數(shù)，Ra代表自養(yǎng)呼吸，Rm代表維持呼吸，Rg代表生長呼吸，i代表植被的不同部分(1，2，3分別代表葉、莖、根)。

1.3.2干旱監(jiān)測指標(biāo)-SPEI計算 SPEI指數(shù)方法如下：

(1) 逐月的降水量與潛在蒸發(fā)量的差值的計算：

Di=Pi-PETi

(12)

式中：i代表月份。

(2) 不同時間尺度的水分盈虧累積序列的建立：

(13)

式中：k代表時間尺度，在本次研究中，k分別取 1，3，6，9，12;n代表某個月。

(3) SPEI數(shù)值的計算:

(14)

式中：α代表尺度參數(shù)，β代表形狀參數(shù)，γ代表起始參數(shù)。擬合參數(shù)的估計方法采用線性矩法。分別由以下公式計算：

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：ωs代表概率權(quán)重矩，s= 0，1，2。l是累積水分虧缺量序列X按升序排列(X1≤X2,…,≤Xn)的序數(shù)。Γ(β)代表Gamma函數(shù)。可計算給定時間尺度的累積概率如下：

(19)

令P=1-F(x)：

(20)

(21)

式中：c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

1.3.3NPP年際變化趨勢計算 采用一元線性回歸分析內(nèi)蒙古2001-2015年草地NPP和SPEI的年際變化趨勢，其計算公式為：

(22)

式中：θslope為NPP或SPEI年際變化趨勢，n為模擬的年數(shù)(n=15)，Ni為第i年的NPP或SPEI。當(dāng)θslope>0時，表示此處NPP呈增加趨勢或此處越來越濕潤，當(dāng)θslope<0時，表示此處NPP呈減少趨勢或此處越來越干旱。

使用F檢驗對草地NPP的年際變化趨勢值進行顯著性檢驗，并根據(jù)F檢驗臨界表將其結(jié)果至多劃分為6個變化等級，計算公式為：

(23)

1.3.4NPP與SPEI的相關(guān)性的計算 NPP與SPEI相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(24)

1.3.5模型精度驗證 由于在當(dāng)前研究中實測NPP的難度大，本文采用產(chǎn)草量換算的NPP數(shù)據(jù)代替NPP實測數(shù)據(jù)進行模型驗證。本文基于2013，2014，2015年鄂爾多斯市8月份實測的36個樣地的產(chǎn)草量，換算成NPP數(shù)據(jù)與BEPS模型的模擬結(jié)果一一對應(yīng)，進行模型精度驗證。

產(chǎn)草量換算的NPP數(shù)據(jù)可通過下面的公式得到[20]：

NPP=BgSbn(1+Sug)

(25)

式中：Bg為單位面積干草產(chǎn)量，單位為g·m-2；Sbn為草地生物量到到NPP轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為g·(gC)-1，數(shù)值為0.45；Sug為草地地下部分和地上部分生物量比例系數(shù)[21]，不同草地植被類型地下部分與地上部分生物量比例系數(shù)：溫性草原類、高寒草原類為4.25；熱性草叢類、熱性灌草叢類、暖性草叢類、暖性灌草叢類為4.42；溫性草甸草原類為5.26；山地草甸類為6.23；低地草甸類為6.31；溫性荒漠草原類、高寒荒漠草原類、高寒草甸草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類、高寒荒漠類為7.89；高寒草甸類為7.92；沼澤類為15.68。

相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示，NPP實測值與模擬值基本吻合(R2=0.605，P<0.001)，因此可以認為BEPS模型適用于內(nèi)蒙古草地NPP的估算。

圖3 內(nèi)蒙古草地NPP模擬值與觀測值的比較Fig.3 Comparison between simulated NPP and observed NPP of Inner Mongolia grassland

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)蒙古草地生長季NPP變化特征

2.1.1草地NPP時間變化特征 圖4為2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)NPP年際變化趨勢。全區(qū)草地NPP年際變化趨勢總體呈現(xiàn)出“西南地區(qū)減少，中部、東北地區(qū)增加”的分布格局，這是由于西南地區(qū)靠近荒漠，降水量較少，而中部和東北地區(qū)降水量相對較多，適合草地的生長。根據(jù)統(tǒng)計可知，15年全區(qū)草地NPP平均值最小為24.68 gC·m-2·a-1，最大為503.28 gC·m-2·a-1，大部分地區(qū)的草地NPP呈增長趨勢，14年的平均增長率約為2.20 gC·m-2·a-1。

對草甸草原、典型草原、荒漠草原分別進行統(tǒng)計可知，在2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)期間，草甸草原NPP的平均增長率為3.73 gC·m-2·a-1，增長速度最快；典型草原NPP的平均增長率為1.69 gC·m-2·a-1，增長速度次之；荒漠草原NPP的平均增長率為0.30 gC·m-2·a-1，增長速度最慢。

圖4 內(nèi)蒙古草地生長季NPP年際變化趨勢Fig.4 Interannual variation trend of grassland NPP during growing season in Inner Mongolia

圖5顯示2001-2015年內(nèi)蒙古生長季的草地NPP變化趨勢的顯著性檢驗結(jié)果。顯著性檢驗結(jié)果表明：內(nèi)蒙古生長季草地NPP呈增長趨勢的面積為51.57×104km2，占內(nèi)蒙古草地總面積的59.50%，其中呈不顯著增加、顯著增加和極顯著增加的比例分別為69.51%，10.03%，20.46%；生長季草地NPP呈減少趨勢的面積為35.10×104km2，占內(nèi)蒙古草地總面積的40.50%，其中呈不顯著減少、顯著減少和極顯著減少的比例分別為86.79%，6.80%，6.41%。

對草甸草原、典型草原、荒漠草原分別進行統(tǒng)計可知，在極顯著增加的占比中，草甸草原占68.10%、典型草原占17.46%、荒漠草原占14.44%；在顯著增加的占比中，草甸草原占48.98%、典型草原占31.38%、荒漠草原占19.64%；在不顯著增加的占比中，草甸草原占48.35%、典型草原占29.42%、荒漠草原占22.23%；在極顯著減少的占比中，草甸草原占78.26%、典型草原占9.32%、荒漠草原占12.42%；在顯著減少的占比中，草甸草原占65.52%、典型草原占14.48%、荒漠草原占20.00%；在不顯著減少的占比中，草甸草原占37.29%、典型草原占26.61、荒漠草原占36.10%。

圖5 NPP變化趨勢的顯著性檢驗結(jié)果Fig.5 Significance test results of NPP change trend

2.1.2草地NPP空間分布特征 2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季年均NPP空間分布分別如圖6所示，草地NPP總體呈現(xiàn)由西南向東北遞增的空間分布格局，具有明顯的空間異質(zhì)性，這與內(nèi)蒙古的地理氣候特征有關(guān)。

圖6 內(nèi)蒙古草地生長季年均NPP空間分布Fig.6 Spatial distribution of annual NPP in grassland growing season in Inner Mongolia

圖7顯示2001-2015年平均降水量空間分布，由圖6，7可知，NPP平均為450～504 gC·m-2·a-1的區(qū)域較少，零星分布于赤峰市西南部，此區(qū)域年降水量在400～500 mm之間，屬于半濕潤地區(qū)；NPP平均為350～450 gC·m-2·a-1的區(qū)域主要分布于呼倫貝爾市東部部分地區(qū)、興安盟西部、錫林郭勒盟西北部以及赤峰市西部地區(qū)，此區(qū)域年降水量大部分在300～400 mm之間，較少部分在400～500 mm之間，即此區(qū)域主要分布于半干旱地區(qū)，較少部分分布于濕潤地區(qū)；NPP平均為250～350 gC·m-2·a-1的區(qū)域主要分布于呼倫貝爾市東部部分地區(qū)、錫林郭勒盟中部、興安盟東部、通遼市、赤峰市東部、烏蘭察布盟南部、呼和浩特市，此區(qū)域年降水量大部分在200～300 mm之間，較少部分位于300～400 mm之間，此區(qū)域主要分布于半干旱地區(qū)；NPP平均為150～250 gC·m-2·a-1的區(qū)域主要分布于錫林郭勒盟西部、烏蘭察布盟北部、包頭市、鄂爾多斯市、呼和浩特市南部，此區(qū)域年降水量大部分在100～200 mm之間，較少部分在200～300 mm之間，極少部分在300～400 mm之間，即此區(qū)域主要分布在干旱區(qū)；NPP平均值低于150 gC·m-2·a-1的區(qū)域主要分布在錫林郭勒盟西部、烏蘭察布盟北部、包頭北部、巴彥淖爾盟中部以及鄂爾多斯市北部地區(qū)，此區(qū)域降水量大部分低于100 mm，少部分位于100～200 mm，此區(qū)域主要分布于干旱區(qū)。由此可見，2001-2015年草地生長季年均NPP空間分布與內(nèi)蒙古年均降水分布具有明顯的空間一致性，呈現(xiàn)出年均降水量越高，草地NPP越高；反之，年均降水量越低，草地NPP越低。

圖7 內(nèi)蒙古2001-2015年平均降水量空間分布Fig.7 Spatial distribution of average precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2015

對草甸草原、典型草原、荒漠草原分別進行統(tǒng)計可知，2001-2015年內(nèi)蒙古生長季不同草地類型的年均單位面積NPP有所差異。其中，草甸草原最高，年均NPP為387.90 gC·m-2·a-1；其次為典型草原，年均NPP為291.26 gC·m-2·a-1；荒漠草原最低，年均NPP為133.70 gC·m-2·a-1。

2.2 內(nèi)蒙古草地對干旱的響應(yīng)

2.2.1內(nèi)蒙古草地生長季NPP對不同尺度SPEI的響應(yīng) SPEI指數(shù)具有多時間尺度的優(yōu)勢，本文通過計算1，3，6，9，12個月尺度的SPEI站點數(shù)據(jù)，分別插值得到各個尺度的內(nèi)蒙古空間SPEI數(shù)據(jù)，然后用草地生長季(5-9月)SPEI平均值來表示研究區(qū)的干旱情況，并以此研究內(nèi)蒙古草地生長季NPP對不同尺度SPEI的響應(yīng)情況。

圖8展示了2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季不同時間尺度的SPEI的年際變化，盡管不同時間尺度的SPEI對草地生長季的干旱情況的捕捉能力存在差異，但不同時間尺度的SPEI指示的年際干旱具有幾乎相同的變化趨勢。由5種尺度的SPEI的年際變化表明，2001-2015年期間的比較干旱年份為2001，2007，2009年，比較濕潤的年份為2003，2008，2012年，其中，2005至2007年、2009至2011年基本處于干旱狀態(tài)。

圖8 2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季不同時間尺度的SPEI的年際變化Fig.8 Interannual changes of SPEI at different time scales in grassland growing season of Inner Mongolia from 2001 to 2015

分別統(tǒng)計2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季全區(qū)草地以及各類草地的年均NPP及各個尺度SPEI的平均值，做線性回歸分析得出2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季5種不同時間尺度SPEI與全區(qū)草地、典型草原、草甸草原、荒漠草原的NPP的決定系數(shù)R2及其顯著性水平(表1)。從全區(qū)草地來看，其NPP分別與1，3，6，9，12個月尺度的SPEI的決定系數(shù)R2呈現(xiàn)遞減趨勢，即隨SPEI時間尺度的增大，NPP與SPEI的相關(guān)性越來越低，這表明內(nèi)蒙古草地凈初級生產(chǎn)力對于短期地表水分異常以及季尺度的干旱變化具有較好的響應(yīng)，而對于中長期，尤其是年尺度的干旱變化的響應(yīng)相對較差。

比較3類草地可以看出，除SPEI-12以外，在其他4種時間尺度的SPEI上，荒漠草原NPP與SPEI的相關(guān)性最大，典型草原次之，草甸草原最小。這表明干旱對荒漠草原的影響最大，對典型草原的影響次之，對草甸草原的影響最小。

由表1可知，內(nèi)蒙古全區(qū)草地NPP與SPEI-1相關(guān)性最好，決定系數(shù)R2=0.64(P<0.001)；典型草原NPP與SPEI-3相關(guān)性最好，決定系數(shù)R2=0.76(P<0.001)；草甸草原NPP與SPEI-1相關(guān)性最好，決定系數(shù)R2=0.58(P<0.001)；荒漠草原NPP與SPEI-3相關(guān)性最好，決定系數(shù)R2=0.85(P<0.001)。從各類草地NPP與各尺度SPEI的最大相關(guān)性的數(shù)值排序也可以看出，干旱對荒漠草原的影響最大，對草甸草原的影響最小，與上述結(jié)論一致。

表1 不同草地類型NPP與不同尺度SPEI的決定系數(shù)Table 1 Determination coefficients of NPP and SPEI of different grassland types

2.2.2內(nèi)蒙古草地生長季NPP對干旱響應(yīng)的空間格局 由于在內(nèi)蒙古全區(qū)草地NPP與SPEI1，3，6，9，12個月的相關(guān)系數(shù)中，NPP與SPEI-1的決定系數(shù)值最大，因此使用草地生長季(5-9月)SPEI-1的平均值來表示研究區(qū)的干旱情況。本文利用趨勢分析法對2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季干旱年際變化趨勢進行分析(圖9(a))，并對其進行顯著性檢驗(圖9(b))。由圖9可知，草地生長季的干旱年際變化具有明顯的空間異質(zhì)性，大體上以錫林郭勒盟中部和赤峰市中部為界線，在界線東北部，干濕變化斜率大于0，即2001-2015年東北部越來越來濕潤，根據(jù)顯著性檢驗，其中大部分地區(qū)變化不顯著，只在呼倫貝爾盟東南部附近變化顯著；在界線西南部，干濕變化斜率小于0，即2001-2015年西南部越來越干旱，根據(jù)顯著性檢驗，其中大部分地區(qū)變化不顯著，只在呼和浩特市地區(qū)附近變化顯著。

2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)期間，草甸草原SPEI-1的平均增長率為0.014，即草甸草原總體上越來越濕潤；典型草原SPEI-1的平均增長率為-0.007，即典型草原總體上越來越干旱；荒漠草原SPEI-1的平均增長率為-0.024，即荒漠草原總體上越來越干旱，且干旱速度大于典型草原。

圖10展示了2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)NPP與SPEI-1的相關(guān)性，總體呈現(xiàn)“西南高，東北低”的空間分布格局，這與內(nèi)蒙古地區(qū)年均降水的空間分布格局幾乎相反。NPP與SPEI-1的相關(guān)性中絕大部分表現(xiàn)為正相關(guān)，且呈正相關(guān)部分的相關(guān)系數(shù)大多在0.6～1.0之間，約占全區(qū)草地面積的86.75%，主要分布于中部和西南部，其中包括了呼倫貝爾盟西部、錫林郭勒盟大部分、烏蘭察布盟以及鄂爾多斯市。這些地區(qū)SPEI-1的值越大，NPP的值越大。此地區(qū)年均降水基本在350 mm以下，干旱的變化對這些地區(qū)的草地生產(chǎn)力有著明顯的影響。表現(xiàn)為負相關(guān)的部分約占全區(qū)草地面積的13.25%，且呈負相關(guān)部分的相關(guān)系數(shù)大多在-0.3～0.0之間，主要分布于內(nèi)蒙古赤峰市、通遼市、興安盟以及呼倫貝爾盟少部分。這些地區(qū)年均降水大部分在350 mm以上，干旱的變化對這些地區(qū)的草地生產(chǎn)力影響不大。

2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季(5-9月)期間，從全區(qū)草地來看，內(nèi)蒙古西南部越來越干旱，NPP呈不顯著減少趨勢，NPP與干旱狀況相關(guān)性較強；中部地區(qū)越來越濕潤，但趨于濕潤的程度較弱，NPP呈顯著增加趨勢，NPP與干旱狀況相關(guān)性比西南部弱；東北地區(qū)越來越濕潤，趨于濕潤的程度較強，NPP整體呈極顯著增加趨勢，NPP與干旱狀況相關(guān)性最弱。從不同類型的草地來看，草甸草原越來越濕潤，NPP以3.37 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP與干旱狀況相關(guān)性較弱；典型草原越來越干旱，但趨于干旱的程度較弱，NPP以1.69 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP與干旱狀況相關(guān)性較強；荒漠草原越來越干旱，趨于干旱的程度比典型草原強，NPP以0.30 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP與干旱狀況相關(guān)性最強。

圖9 內(nèi)蒙古草地生長季干旱年際變化趨勢(a)及草地生長季干旱年際變化趨勢顯著性檢驗(b)Fig.9 Inter annual change trend of drought during grassland growth season in Inner Mongolia(a) Significance test of inter annual change trend of drought during grassland growth season (b)

3 討論

3.1 BEPS模型模擬NPP結(jié)果及與其他模型的比較

本文采用與其他模型的研究成果的比較來探討該模型的模擬能力。利用不同模型對內(nèi)蒙古草地NPP的模擬結(jié)果存在差異，主要是因為研究對象、時段以及模型使用的估算方法不同。本文利用BEPS模型模擬內(nèi)蒙古草地NPP，得出2001-2015年內(nèi)蒙古草地NPP平均值為298.63 gC·m-2·a-1，草甸草原年均NPP為387.90 gC·m-2·a-1，典型草原年均NPP為291.26 gC·m-2·a-1；荒漠草原年均NPP為133.70 gC·m-2·a-1，與前人研究結(jié)果比較如表2所示。楊晗等[16]使用CASA模型估算的2001-2016年內(nèi)蒙古草地NPP模擬的平均值為343.46 gC·m-2·a-1；穆少杰等[22]利用CASA模型估算的2001-2010年內(nèi)蒙古草地NPP模擬的平均值為281.30 gC·m-2·a-1；戴爾阜等[23]采用朱文泉等改進的CASA模型估算2001-2012年內(nèi)蒙古草地NPP模擬結(jié)果的均值278.83 gC·m-2·a-1；張峰等[24]利用CASA模型估算1982-2002年內(nèi)蒙古錫林河流域典型草原NPP模擬的平均值為290.20 gC·m-2·a-1；朱文泉等[25]分別使用3種氣候生產(chǎn)力模型Chikugo，Montreal和Miami模型估算的內(nèi)蒙古草地NPP模擬的平均值分別為442.90，687.40和958.60 gC·m-2·a-1。

由上述模型模擬NPP的結(jié)果比較可以看出，由于不同模型之間的估算方法的不同，其模擬結(jié)果會有或大或小的差異。例如，使用CASA模型模擬的NPP與使用BEPS模型模擬的NPP結(jié)果相差較小，而兩者都與Chikugo，Montreal，Miami相差較大，Chikugo，Montreal，Miami之間的差異也比CASA模型與BEPS模型之間差異大。另外，不同研究之間的研究時段的不同或者研究的對象不同也是導(dǎo)致模型模擬結(jié)果出現(xiàn)差異的原因。

圖10 內(nèi)蒙古草地生長季NPP與SPEI-1的相關(guān)性Fig.10 Correlation between NPP and SPEI-1 during grassland growing season in Inner Mongolia

本文使用BEPS模型的模擬結(jié)果除與3種氣候生產(chǎn)力模型相差較大之外，與其他研究的模擬結(jié)果相差不大，說明BEPS模型的模擬結(jié)果可靠，可以用于本研究。

表2 本研究模擬結(jié)果與其他模擬結(jié)果的比較Table 2 Comparison between the simulation results of this study and other reported simulation results

3.2 內(nèi)蒙古干旱狀態(tài)分析

本文研究中，2001-2015年期間的比較干旱年份為2001，2007，2009年，從2005到2011年基本處于干旱狀態(tài)，這與周揚等[26]利用SPI指數(shù)研究的內(nèi)蒙古全域性干旱結(jié)果相近。畢力格[27]基于MODIS數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古監(jiān)測中，2008年的旱情總體上比2007年輕，與本文對干旱的研究一致。道日娜等[28]利用年尺度SPI對內(nèi)蒙古草原生態(tài)區(qū)干旱研究中，發(fā)生干旱的年份分別在1980年、2000-2001年、2005-2007年、2009年、2011年，與本文的研究吻合。這說明了使用SPEI能夠較為準確的反應(yīng)內(nèi)蒙古的干旱狀況。

4 結(jié)論

2001-2015年內(nèi)蒙古草地生長季NPP整體上呈自西南向東北逐漸增加的趨勢，其中草甸草原年均NPP最高，其值為387.90 gC·m-2·a-1，其次為典型草原，其值為291.26 gC·m-2·a-1，荒漠草原年均NPP最低，其值為133.70 gC·m-2·a-1；內(nèi)蒙古草地生長季NPP的平均增長率為2.20 gC·m-2·a-1，其中草甸草原增長速度最快，其值為3.73 gC·m-2·a-1，典型草原次之，其值為1.69 gC·m-2·a-1，荒漠草原最慢，其值為0.30 gC·m-2·a-1；內(nèi)蒙古草地NPP整體上與SPEI-1相關(guān)性最強，其中草甸草原與SPEI-1相關(guān)性最強，典型草原、荒漠草原與SPEI-3相關(guān)性最強；干旱對荒漠草原的影響最大，對典型草原的影響次之，對草甸草原的影響最小。