三江源生态系统近10年净初级生产力估测

张颖　陈怀艳++李建龙

摘 要：为揭示三江源地区近10年来生态系统植被净初级生产力（NPP）的演变规律，借助研究区域的气温、降水等气象数据及MODIS遥感数据，应用CASA模型估算了三江源生态系统2001—2010年间的NPP，分析了NPP的时空变化格局。结果表明： 2001—2010年间三江源生态系统NPP呈现由西北向东南逐渐递增的趋势，10年平均NPP为169.02 g·m-2·a-1，变化范围为159.53～176.25 g·m-2·a-1；10年来三江源草地NPP呈减少趋势，减少速度为0.69 g·m-2·a-1，减幅为4.77%。研究结果可以为三江源地区生态资源的有效管理与合理利用提供理论依据。

关键词：三江源生态系统；净初级生产力；CASA；NPP时空动态

中图分类号：Q147 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.10.006

Quantitative Estimation for Net Primary Productivity of Three-Rivers Source Ecosystem in Recently 10 Years

ZHANG Ying， CHEN Huai-yan， LI Jian-long

（School of Life Science， Nanjing University， Nanjing， Jiangsu 210093， China）

Abstract：To reveal Spatio-temporal dynamic of net primary productivity in Three-River source during recently 10 years， based on MODIS-NDVI data， and meteorological data， spatiotemporal changes of the NPP of Three-River source was simulated using CASA model. The results showed that average annual NPP from 2001 to 2010 was 169.02 g·m-2·a-1 in the study area， exhibiting decrease trend from southeast to northwest. During 2001 to 2010， temporal NPP showed a no significant increase of 0.69 g·m-2·a-1 ， ranging from 159.53 to 176.25 g·m-2·a-1. This study could provide a theoretical basis for the management and rational utilization of ecological resources in Three-Rivers source region.

Key words： ecosystem of Three-Rivers source； net primary productivity； CASA； spatiotemporal dynamics of NPP

三江源位处我国青藏高原的腹地，是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，素有“中华水塔”之称[1]。该区对气候变化敏感，生态环境脆弱，是我国最重要的生态功能区之一。近年来有不少学者借助遥感数据模拟的植被净初级生产力（NPP）来开展植被退化研究[2-5]。NPP指单位时间内，单位面积上植被所积累的有机干物质的总和，是光合作用所吸收的碳和自养呼吸所消耗的碳之间的差值[6]。植被生产力下降是植被退化的重要表现，而NPP是反应生态系统中植被生产力状况的一个重要指标[7]。

本研究借助2001—2010年间三江源地区的气象数据和遥感数据，采用CASA模型对三江源草地净初级生产力进行估算，并分析其时空分布动态，旨在揭示三江源草地NPP的演变规律，为实现三江源地区生态资源的有效管理与合理利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

三江源地区位于青海省南部，地理位置处于31°39′～36°12′N、89°45′～102°23′E之间。源区总面积为30.25万km2，平均海拔4 400 m左右。该区为典型的高原大陆性气候[7]，冷热两季交替，干湿两季分明。全年平均气温-5.6～3.8 ℃，年平均降水量为262.2～772.8 mm，植被生长季为5—9月。

1.2 气象数据

气象数据采用2001—2010年的三江源及其周边50个标准气象站点的月平均温度和月降水量等资料，数据来自中国气象科学数据共享服务网（网址：http：//cdc.cma.gov.cn）。根据各气象站点的经纬度信息，选用Kriging空间插值方法，获取与NDVI数据统一像元和投影的气象数据栅格图层。通过ArcGIS10.0的掩膜剪裁工具，剪取三江源地区月平均温度、月降水量及太阳总辐射的栅格图层。

1.3 遥感数据

遥感数据采用MODIS影像，2001—2010年MODIS/Aqua NDVI—Monthly—L3，分辨率250 m，数据来自于https：//wist.echo.nasa.gov/api/。对原始数据投影转换，空间拼接和重采样，并采用最大合成法（MVC）得到月NDVI数据，最后剪取三江源地区2001—2010逐月NDVI的栅格图层。

1.4 方 法

1.4.1 NPP的估算 CASA （Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型是一种光能利用率模型，模型通过卫星遥感数据提供的NDVI来估算太阳辐射中被植被吸收的光合有效辐射 （APAR），并结合植被对太阳光能的利用效率 （ε） 来模拟植被干物质的增加量（NPP）。其公式如下：

式中，APAR （x， t）为单个像元x在t月份的光合有效辐射，ε （x， t）表示单个像元x在t月份的实际光能利用率，两者的具体计算公式参见文献[7]。

1.4.2 NPP年季变化率的计算 笔者采用年季变化率来逐像元地分析2001—2010年间的三江源植被NPP的时间变化规律，年际变化率用一元线性回归方程的趋势线斜率来表示，应用最小二乘法求得，公式如下：

式中，θslope为NPP年季变化率，n为研究时段的年数，NPPi为第i年的植被NPP，θslope为正数表示NPP上升，为负则表示NPP下降。

2 结果与分析

2.1 结果验证

不同模型模拟的植被NPP值往往存在较大差异，因此，文本选择与本研究具有相同或相似研究区域，并同样应用CASA模型的前人研究结果[9-11]与本文结果进行了比较（表1），对比结果显示，本研究结果与其它研究结果非常接近，具有较高的可靠性。

2.2 NPP空间分布特征

从三江源整个区域来看（图2），植被NPP空间分布呈现出较大的差异。2001—2010年间三江源全区植被净初级生产力的均值为169.02 g·m-2·a-1，呈现由东南向西北递减的分布特征。在100°E以东的泽库、河南、玛沁、同德、久治、班玛等县，以及32.5°N以南的玉树县、囊谦县的NPP值较高，大多在250～350 g·m-2·a-1，个别地区如班码县和囊谦县的南端，NPP可达350 g·m-2·a-1以上。

2.3 NPP时间变化特征

2001—2010年三江源区NPP月季变化如图3a所示，全年的植被NPP集中在5—9月份，占全年NPP的77.75%，在7月达到最高（37.59 g·m-2·a-1）。

2001—2010年三江源植被NPP总量年际变化如图3b所示。由图3可知，10年间NPP年总量具有减少的趋势，从2001年的168.40 g·m-2·a-1，减少到2010年的g·m-2·a-1，减幅为4.77%，速度为-0.69 g·m-2·a-1，但显著性水平P=0.282，说明该趋势并不显著。NPP最高年份为2006年，达到176.25 g·m-2·a-1，最低的是2008年，为159.53 g·m-2·a-1，波动范围为4.28%～5.61%。

2001—2010年三江源植被年均NPP变化趋势（图4）显示，三江源NPP年际变化率存在着明显的地域差异，NPP增长速度较快的地区主要分布在兴海、同德、库泽县的北缘，及曲麻莱和治多县的部分地区；NPP快速减少的地区分布在南部的囊谦、玉树、称多县，以及兴海、同德、玛沁三县交汇处。占全区面积59.03%的区域的NPP呈现出下降的趋势。

气候变化尤其是降水量和温度的变化，对于陆地植被的生长有着重要的影响。三江源地区总体处于湿润半湿润气候区，低温是植被NPP主要的限制性气候因子。近数十年来，尤其是进入21世纪后，三江源地区有显著的变暖趋势[8]，升温趋势有利于三江源植被的恢复[12]。除气候因子外，人类活动也是影响植被NPP的重要因素，从2001—2010年的三江源NPP的模拟结果看，半数以上地区的植被呈现出退化趋势，尤其是三江源东部及南部地区NPP下降比较明显的地区，也是三江源人口密度较大的地区。

近年来，国家在三江源开展的一系列生态保护项目和工程建设，虽然在部分地区植被恢复取得一定的成绩[9， 13-16]，但整体来看依然任重而道远。应该继续加大草地保护力度，促进当地生态环境尽快恢复。尤其对于三江源东部及南部人口密度较大的地区，如何解决人地矛盾，实现社会经济与生态环境的可持续性发展是亟需解决的问题。

3 结 论

3.1 三江源植被生态系统NPP空间格局

2001—2010年三江源植被多年平均NPP为169.02 g·m-2·a-1，空间分布呈现由东南向西北递减的特征。经验证，模拟结果可靠。

3.2 三江源植被生态系统NPP时间格局

全年的植被NPP集中在5—9月份，占全年NPP的77.75%，在7月达到最高。2001—2010年间，三江源草地NPP呈微弱的减少趋势， 减幅为4.77%，减少速度为-0.69 g·m-2·a-1，波动范围为4.28%～-5.61%。占全区面积59.03%的区域的NPP呈现出下降的趋势，三江源东部及南部地区NPP下降比较显著的地区。应该继续加大对三江源的生态保护力度，促进生态环境尽快恢复。

参考文献：

[1] 任继周， 林慧龙. 江河源区草地生态建设构想[J]. 草业学报，2005，14（2）：1-8.

[2] 姜立鹏，覃志豪， 谢雯. 基于单时相MODIS数据的草地退化遥感监测研究[J].中国草地学报，2007，29（1）：39-43.

[3] 李云鹏，娜日苏，刘朋涛，等.呼伦贝尔草原退化遥感监测与气候成因[J].华北农学报，2006（S3）：56-61.

[4] ZHANG Cai-xia，WANG Xun-ming，LI Jin-chang，et al. Roles of climate changes and human interventions in land degradation： A case study by net primary productivity analysis in China's Shiyanghe Basin[J]. Environmental Earth Sciences，2011，64（8）：2 183-2 193.

[5] 穆少杰，李建龙，周伟，等. 2001—2010年内蒙古植被净初级生产力的时空格局及其与气候的关系[J].生态学报，2013，33（12）：3 752-3 764.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 张锦水. 中国陆地植被净初级生产力遥感估算[J].植物生态学报，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李国胜，等. 青海三江源地区近50年来的气温变化[J].地理学报，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 张镱锂，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地净初级生产力 （NPP） 时空分异[J].地理学报，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，Fang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨恋，郑有飞，王云龙，等. 利用改进的CASA模型分析三江源区净植被生产力[J].南京信息工程大学学报：自然科学版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，杨东，王慧，等. 1960—2011年三江源地区气候变化及其对气候生产力的影响[J].生态学杂志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝发， 容旭翔. 青海省退牧还草工程与思考[J].青海草业，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，刘纪远， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保护区植被生产力变化模拟[J].地球信息科学学报，2009，11（5）：557-565.

[15] 刘纪远，邵全琴， 樊江文. 三江源生态工程的生态成效评估与启示[J].自然杂志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，刘纪远，黄麟，等. 2005—2009年三江源自然保护区生态保护和建设工程生态成效综合评估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 张锦水. 中国陆地植被净初级生产力遥感估算[J].植物生态学报，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李国胜，等. 青海三江源地区近50年来的气温变化[J].地理学报，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 张镱锂，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地净初级生产力 （NPP） 时空分异[J].地理学报，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，Fang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨恋，郑有飞，王云龙，等. 利用改进的CASA模型分析三江源区净植被生产力[J].南京信息工程大学学报：自然科学版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，杨东，王慧，等. 1960—2011年三江源地区气候变化及其对气候生产力的影响[J].生态学杂志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝发， 容旭翔. 青海省退牧还草工程与思考[J].青海草业，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，刘纪远， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保护区植被生产力变化模拟[J].地球信息科学学报，2009，11（5）：557-565.

[15] 刘纪远，邵全琴， 樊江文. 三江源生态工程的生态成效评估与启示[J].自然杂志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，刘纪远，黄麟，等. 2005—2009年三江源自然保护区生态保护和建设工程生态成效综合评估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.

[6] Cramer Wolfgang，Kicklighter D W，Bondeau A，et al. Comparing global models of terrestrial net primary productivity （NPP）： Overview and key results[J]. Global Change Biology，1999，5（S1）：1-15.

[7] 朱文泉，潘耀忠， 张锦水. 中国陆地植被净初级生产力遥感估算[J].植物生态学报，2007，31（3）：413-424.

[8] 易湘生，尹衍雨，李国胜，等. 青海三江源地区近50年来的气温变化[J].地理学报，2011，66（11）：1 451-1 465.

[9] 张镱锂，祁威，周才平，等. 青藏高原高寒草地净初级生产力 （NPP） 时空分异[J].地理学报，2013，68（9）：1 197-1 211.

[10] Piao Shilong，Fang Jingyun， He Jinsheng. Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang Plateau， China， from 1982 to 1999[J]. Climatic Change，2006，74（1-3）：253-267.

[11] 蔡雨恋，郑有飞，王云龙，等. 利用改进的CASA模型分析三江源区净植被生产力[J].南京信息工程大学学报：自然科学版，2013（1）：34-42.

[12] 郭佩佩，杨东，王慧，等. 1960—2011年三江源地区气候变化及其对气候生产力的影响[J].生态学杂志，2013，32（10）：2 806-2 814.

[13] 王孝发， 容旭翔. 青海省退牧还草工程与思考[J].青海草业，2012，21（2）：32-36.

[14] 肖桐，刘纪远， 邵全琴. 近20年青海三江源自然保护区植被生产力变化模拟[J].地球信息科学学报，2009，11（5）：557-565.

[15] 刘纪远，邵全琴， 樊江文. 三江源生态工程的生态成效评估与启示[J].自然杂志，2013，35（1）：40-46.

[16] 邵全琴，刘纪远，黄麟，等. 2005—2009年三江源自然保护区生态保护和建设工程生态成效综合评估[J].地理研究，2013，32（9）：1 645-1 656.