内蒙古不同类型草地NPP时空动态特征及其气候影响因素分析

黄 露，周 伟,2，李佳慧，文 旺

(1.重庆交通大学 建筑与城市规划学院地理信息与国土资源系,重庆 400074； 2.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101)

地球陆地生态系统碳循环和全球变暖等问题一直受到国内外学者的广泛关注[1-3]，植被净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)是绿色植物在单位时间、单位面积内所累积有机物的总量[4]，能够直观反映生态系统的碳储量状况和植被的生长情况[5-7]。净初级生产力主要受到气候条件和人类活动的共同作用，气候因素和CO2浓度等环境因素能够影响到植被的生长状况，进而对植被生长和区域碳循环造成影响，但人类活动，如围栏、放牧等往往只能进行定性化的研究，难以定量化衡量其驱动影响[9-10]。内蒙古草原位于中国北方，地跨干旱和半干旱区，其草地分布范围广，是欧亚大陆草原的重要组成部分。内蒙古地形复杂，植被地带性分布明显。近年来，随全球气候变暖和人类活动干扰的加剧[11]，内蒙古大面积草地出现退化、沙化等现象，为此，国家出台了一系列退牧还草、退耕还林还草等生态工程，以缓解和控制其草地退化状况、提高草地质量。草地NPP常用于评价草地碳储量和草地生产力状况，而对其驱动因素的研究能使学者更好地掌握草地生态系统的结构，功能及其对气候和社会环境变化的反馈能力[12]。

近年来，学者对草地 NPP 估算及其对气候变化的响应开展了广泛研究[13-16]。刚成诚等[17]利用综合顺序分类法及分段模型模拟了1911～2010年全球草地生态系统NPP，并得出全球草地NPP呈增加趋势，其中草原与高山草地类组、典型草地类组、荒漠草地类组和温带湿润草地类组的NPP均呈减少趋势。降水是驱动草地NPP变化的主要因素，草地生态系统的结构和空间分布受到暖湿化气候变化的不利影响。苑全治等[18]评估了1961～2010年气候变化对中国植被NPP脆弱性的影响，北方温带草原生态系统和青藏高原西部的高寒草原生态系统容易受气候变化的不利影响，青藏高原中部和东部的高寒草原草甸生态系统NPP受气候变化影响较小，其脆弱性较低。周伟等[19]利用BIOME-BGC模型模拟了1999～2013年三峡库区雀梅藤群落、芒草群落和扭黄茅群落3种草地群落植被NPP的时空动态。高志强等[12]采用GLO-PEM模型模拟了1980～2000年中国北方NPP并分析气候变化对NPP的影响，得出降水的明显减少和温度的显著增加使得NPP明显下降。龙惠灵等[20]对内蒙古草原区的NPP研究表明，1982～2006年内蒙古草原区NPP总量呈波动增加趋势，春季和夏季NPP与降水的关系明显，秋季NPP与降水的关系相对较弱。戴尔阜等[21]运用光能利用率模型核算了2001～2012年内蒙古草地生态系统净初级生产力，得出内蒙古大部分地区草地NPP与降水呈正相关关系，与温度相关性不显著。

尽管关于草地NPP及其气候影响因子的研究较多，但针对不同类型草地及其与气候因子的时空异质性关系的研究还相对较少[22]。对内蒙古不同类型草地NPP及其驱动力因素的深入研究，对合理利用草地资源、充分发挥草地的生态屏障功能具有重要的指导作用，为生态恢复工程的合理实施和草地资源的科学管理决策提供重要的理论依据。基于以上因素的考虑，利用MODIS数据、草地分类数据和气象数据，采用CASA模型，估算内蒙古草地NPP，分析不同类型草地NPP的时空变化特征及其与气候因子的相关关系，以期为内蒙古草地退化动态监测及其修复措施提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国北部边疆，地理位置E 97°12′～126°04′， N 37°24′～53°23′，辖9市3盟，由东北向西南方向倾斜延伸，海拔1 000～1 500 m，总面积约118万km2。属于亚洲中部蒙古高原的东南部及其周沿地带，地形以高原为主，占全区面积的51.1%。内蒙古大部分地区属于典型的中温带大陆性季风气候，全区年平均气温3～6℃，但年内温度变化剧烈，气温年较差为30～50℃，日较差为12～16℃，且越靠近荒漠地区的气温年较差和日较差越大。内蒙古自治区年降水量为300～400 mm，年降水量由东北向西南方向递减，年蒸发量自东向西呈上升趋势，由大兴安岭山地的1 200 mm增加到巴彦淖尔高原的3 200 mm。地理位置和气候条件的综合作用使得内蒙古水热分布呈现出明显的地带性特征[23]。土壤类型多样，包括漂灰土、灰色森林土、石质土、黑土、盐碱土和风沙土等。草地资源类型广泛，覆盖草甸草原、干草原、荒漠草原、灌木荒漠、草甸的各个亚类[24]。

1.2 数据与处理

1.2.1 NDVI遥感数据 NDVI遥感数据为美国 MODIS陆地产品(http://www.nasa.gov/)开发的Terra/MODIS NDVI数据集(MOD13A1产品)，空间分辨率为500 m，时间分辨率为16 d，每年23期影像，整个研究区包括八景数据。应用MRT (MODIS Reprojection Tools) 软件对数据进行格式转换、拼接与裁剪等处理。在ArcMap中采用最大值合成法获取月NDVI数据，并对其进行投影转换，统一采用WGS_1984地理坐标系统，Albers Equal-Area Conic投影。

1.2.2 气象数据 气象数据来自中国气象数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，包括整个研究区及其周边地区共计70个气象站点的月平均气温、月总降水量和18个太阳辐射站点的月太阳总辐射数据。利用ArcGIS 10.1结合DEM数据对气象数据进行kriging插值处理，得到与MODIS NDVI数据具有相同投影坐标系和空间分辨率的栅格数据集。

1.2.3 草地类型数据 采用20世纪80年代中国第1个完整草地分类系统的18大类1 km分辨率数据，该数据源于全国首次草地资源调查。研究区包括温性草甸草原、温性草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠、温性荒漠、热性草丛、低地草甸、山地草甸、沼泽、改良草地10个不同的草地类型(图1)。

图1 内蒙古草地类型Fig.1 Grassland type map of Inner Mongolia

1.3 模型与方法

1.3.1 CASA模型简介 光能利用率(Carnegie Ames Stanford Approach,CASA)模型是由遥感数据、气象参数、植被类型、土壤类型等共同驱动的过程模型，其模型模拟结果已被全球1 900多个实测站点校准[25]，模型通过遥感数据中提取的植被指数来估算太阳辐射中被植被吸收的光合有效辐射(APAR)，结合植被对到达地表的光合有效辐射的利用效率(ε)来估算植被干物质的增加量(NPP)[26]，作者采用朱文泉等[27]改进的光能利用率模型进行NPP核算并计算：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中： APAR(x,t)代表像元x在t月吸收的光合有效辐射(MJ/m2)，ε(x,t)代表像元x在t月的实际光能利用率(单位：gC/MJ)。

植被吸收的光能有效辐射由太阳总辐射和植被本身的特性决定，公式：

在一般情况下，基于有限元计算结果，车轮和钢轨之间接触的接触斑纵轴半径在5～10 mm；基于现场测量和动力学仿真，车辆直线上进行蛇形运动的波长通常在5 m左右；由直线进入曲线段的运动波长通常小于5 m。经计算，在大多数情况下，k值基本保持在300以上，可以说车辆是处于稳态的，可以应用稳态滚动接触理论对其进行分析和处理。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中：SOL(x,t)为像元x在t月的太阳总辐射[MJ/(m2·月)；常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射占太阳总辐射的比例，FPAR(x,t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例，主要受地表植被覆盖类型和覆盖程度的影响，在一定范围内与归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(SR)存在较好的线性关系，可由NDVI和SR对FPAR进行估算，计算过程参考文献[28]。

光能利用率是指在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比[27]。光能利用率(ε)要受温度和降水的影响，计算公式如下：

ε(x,t)=Tε(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中：εmax是理想条件下的最大光能利用率，其取值因植被类型的不同而有所差别。研究参照文献[27]的方法，εmax值采用0.542，Tε(x,t)代表温度对光能利用率的胁迫影响系数，Wε(x,t)表示水分胁迫影响系数，有关光能利用率的计算及误差分析参照文献[29]进行。

1.3.2 草地NPP与气候因子相关系数的计算 年尺度的植被NPP与年均气温或年总降水量的相关系数计算公式：

(4)

(5)

式中：θslope为趋势线斜率，n为监测时段的年数，NPPi为第i年的草地NPP，斜率为正表示上升，反之表示下降。

变化趋势的显著性检验采用F检验：

(6)

1.4 模型精度验证

由于实测大范围NPP难度较大，采用由实地采样并进行生物量换算的NPP数据代替NPP实测数据进行模型精度检验。采用2008 年7、8 月在内蒙古草地实测的30 个样地的生物量数据，调查样方面积为1 m×1 m，每个样地有5个重复。齐地收割植物地上部分，在70℃的恒温烘箱内烘干至恒重后称取干物质量。按照地上、地下部分的碳分配近似比(1∶5.73)和碳转化率(0.475)，得到实测的NPP。按照实测数据的空间位置与CASA模型的模拟结果进行空间匹配，获取同一地理位置的模型模拟值。相关性分析如图2，模型模拟值与NPP实测值拟合效果较好(R2=0.811 8，P<0.001)，模型模拟结果用于分析内蒙古草地NPP。

图2 内蒙古草地NPP模拟值与实测值一致性检验Fig.2 Conformity test between simulated and measured NPP values of grassland in Inner Mongolia

2 结果与分析

2.1 草地NPP空间分布格局

2001～2016年内蒙古草地NPP平均值为163.9 gC/(m2·a)，空间呈现东北高西南低的特征(图3)。其中NPP平均为400～526 gC/(m2·a)的区域主要分布在乌兰察布市和赤峰市的南部；NPP为300～400 gC/(m2·a)的区域位于呼伦贝尔市东部、兴安盟西部和赤峰市部分区域；NPP为200～300 gC/(m2·a)的区域包括呼伦贝尔市西部部分区域、兴安盟东部、通辽市、赤峰市、锡林郭勒盟东部和乌兰察布市部分区域；NPP为100～200 gC/(m2·a)的区域位于呼伦贝尔市西部、锡林郭勒盟、鄂尔多斯市、包头市南部、呼和浩特市南部、乌兰察布市南部；NPP为0～100 gC/(m2·a)的区域位于阿拉善盟、巴彦淖尔市和锡林郭勒盟东北部。

图3 2001～2016年内蒙古草地NPP空间分布Fig.3 Grassland annual mean NPP spatial distribution map of Inner Mongolia from 2001 to 2016

2.2 草地NPP时间动态分析

2001～2016年内蒙古草地NPP的年际变化波动较大。16年中的年均NPP低值期为2001年(492.6 gC/m2)、2011年(506.24 gC/m2)和2013年(506.58 gC/m2)(图4)。2001年与2011年的年均降水量分别是470.16 、478.64 mm，低于多年的年平均降水量(514.13 mm)，年平均温度没有明显的波动，降水量的减少对内蒙古草地生物量的积累产生不利影响；2013年内蒙古降水量为703.70 mm，降水不均匀，地区差异大，中西部地区出现大范围干旱，呼伦贝尔市和赤峰市出现洪涝，导致2013年草地NPP减少。

内蒙古草地NPP的年际变化速率2001～2016年整体呈现增加趋势，增加速率为2.06 gC/(m2·a)。其中呈极显著增加、显著增加、不显著增加、不显著减少、显著减少、极显著减少趋势的面积分别占研究区总面积的17.96%、25.11%、23.83%、18.54%、10.7%、3.86%。空间分布上，极显著增加地区主要分布于呼伦贝尔市、兴安盟、通江市、鄂尔多斯市、阿拉善盟中部和锡林郭勒盟的少部分地区；显著增加的地区分布较为零散，主要在呼伦贝尔市、鄂尔多斯市、赤峰市、阿拉善盟和锡林郭勒盟；显著减少的地区分布在锡林郭勒盟、乌兰察布市和鄂尔多斯市；极显著减少的地区位于阿拉善盟的西部和东南部、赤峰市的中部和锡林郭勒盟，而位于西北荒漠地带的阿拉善盟部分区域的草地NPP呈增加的趋势(图5)。

图4 2001～2016年内蒙古草地NPP时间分布Fig.4 Trend of grassland annual mean NPPchange in Inner Mongolia from 2001 to 2016

图5 2001～2016年NPP变化速率(a)及年际变化的显著性检验(b)Fig.5 Significance Test of NPP Change Rate (a) and Interannual Change (b) from 2001 to 2016

原因是阿拉善盟在2003～2008年重点实施的退牧还草工程，导致该地区草地面积增加，草地质量提高，草地NPP随之增加[32]。

10个草地类型中，山地草甸年均NPP最大，317.22 gC/(m2·a)，但面积占比较小，仅为0.88%，年平均NPP总量较小，为0.54 TgC/a；温性荒漠年均NPP最小，48.72 gC/(m2·a)，但由于大面积分布(20.89%)，其年均NPP总量为1.98 TgC/a；而温性草原的NPP 仅为193.29 gC/(m2·a)，但其面积分布最多，占整个研究区的29.9%，其NPP总量最大(11.26 TgC/a)，占研究区年均NPP总量的35.24%。内蒙古的沼泽和改良草地生产力状况最为相似，面积占比相近，NPP仅相差3.43 gC/(m2·a)，NPP总量分别为0.22 TgC/a和0.05 TgC/a。低地草甸面积比例为14.69%，NPP为248.77 gC/(m2·a)，NPP总量为7.02 TgC/a(图6)。

图6 2001～2016年内蒙古不同类型草地年均NPP、年均NPP总量(a)及所占面积比例(b)Fig.6 Annual average NPP,total annual NPP (a) and area proportion (b) of different grasslands in Inner Mongolia from 2001 to 2016

温性草甸草原、热性草丛、低地草甸、山地草甸和沼泽年均NPP呈显著增加趋势，其他5个类型呈显著减少趋势。其中热性草丛NPP呈增加趋势的比例最高，达93.1%，极显著增加的比例达到55.4%；山地草甸的NPP呈增加趋势的比例次之，为 87.2%；温性草甸草原和低地草甸NPP呈增加趋势的比例也比较大，分别为79.2%、79.0%；温性荒漠草原、温性草原化荒漠、温性荒漠和温性草原的NPP呈减少趋势的比例较大，分别为47.6%、36.2%、35.5%和34.6%。总体上，温性荒漠草原、温性草原化荒漠、温性荒漠3个类型的草地年均NPP减少(图1)。

2.3 NPP与气候因子的相关性分析

16年间内蒙古年总降水量为63.6～553.7 mm，年平均气温为-4～10℃(图7)。整个内蒙古草地NPP与年总降水量的相关系数为0.4，与年均温的相关系数为-0.01。草地NPP与降水量呈正相关关系的面积占研究区草地总面积的99.68%(图8a)，其中呈极显著正相关的比例达83.56%，主要分布于阿拉善盟东部、锡林郭勒盟、兴安盟东部、巴彦淖尔市中部、乌兰察布市和呼伦贝尔市西部部分区域；NPP与降水量呈负相关关系的面积比例为0.32%，主要位于呼伦贝尔市西部和锡林郭勒盟东北部分区域。呼伦贝尔市西部分布着温性草原沙地植被，蒸发量远大于降水量，水分亏缺成为限制其生物量积累的主要原因[33]，而过度放牧是锡林郭勒盟东北部草地NPP增长的主要限制因素。

内蒙古NPP与年均气温之间的相关性，除巴彦淖尔市、鄂尔多斯市的部分区域和锡林郭勒盟的西南部呈正相关关系，其他地区的NPP与年均气温之间均呈负相关关系，占研究区草地面积的76.13%；其中阿拉善盟的西部、锡林郭勒盟的北部部分区域、呼伦贝尔市西部、兴安盟和通江市的NPP与年均温之间呈显著负相关，占研究区草地面积的17.88%(图8b)。温度的增加则意味着蒸散量的增加和可利用水分的减少，使环境更加干旱，不利于草地植被生长[34]。

图7 2001～2016年内蒙古年平均气温(a)和年总降水量(b)的空间分布特征Fig.7 Spatial distribution characteristics of annual total Precipitation (a) and annual mean temperature (b) in Inner mongolia from 2001 to 2016

不同草地类型NPP与水热因子相关关系统计表明，热性草丛NPP与降水量的相关系数最大(R=0.51)，温性草原化荒漠和改良草地的NPP与降水量的相关系数次之(R=0.43)，山地草甸NPP与降水量的相关系数最小(R=0.25)。这是由于热性草丛、温性草原化荒漠和改良草地多数位于干旱地区，降水量补给有利于干旱地区植被生长。10类草地中只有温性荒漠草原和温性草原化荒漠的NPP与温度呈正相关关系，但相关性并不显著；其他8类草地类型NPP均与气温呈负相关关系，其中沼泽NPP与温度的负相关系数最大(R=-0.13)(表1)。所有类型草地NPP与降水呈正相关的面积比例均大于呈负相关的比例。不同类型草地NPP与温度相关系数面积统计结果显示，温性草甸草原、温性草原、热性草丛、低地草甸、沼泽和改良草地NPP与温度呈负相关的比例较呈正相关的比例大，因此，这几类草地植被NPP的增长主要是受降水量的影响；而温性荒漠草原、温性草原化荒漠和山地草甸NPP与温度呈正相关的面积比呈负相关的面积大，3类草地植被NPP的增长是水热共同作用的结果。

表1 2001～2016年不同类型草地NPP与气温、降水量的相关性

3 讨论

近年来，内蒙古大力实施了生态修复工程，其草地状况不断得到改善，2001～2016年内蒙古草地NPP整体上有所增加，增长率为2.06 gC/(m2·a)，其中，中部和东北部地区NPP增加较为明显，多数面积呈极显著增加趋势，该区域降水丰富，且呈增加趋势，气温相比于其他地区较低，更加使得其NPP增加。

内蒙古地理位置独特，横跨纬度较大，草地类型多样，其中温性草原、温性荒漠和低地草甸面积占比最多，多分布于阿拉善盟和呼伦贝尔市，年均草地NPP总量也较大，3种类型草地NPP与降水的正相关性较强，但均与气温呈负相关关系。有研究报道，气温的适当降低和降水的增加有利于植被的生长，能够促进草地NPP的积累[35-37]。研究结果显示，3个类型的草地年均NPP都不是最高，进一步说明其单位面积的碳储量不高，但是由于面积大、范围广，以及较好的气候条件，使得此类型草地NPP达到最高。而热性草丛，沼泽和改良草地这3类草地在内蒙古面积极少，多分布于降水少、温度高的西部地区，这里气候和环境条件恶劣，植被顽强生长，其单位面积的草地NPP处于较低范围，草地年均NPP总量相对较低，且16年来NPP几乎没有发生变化，虽然他们与降水的相关系数较大，但多分布于全区降水量最低、温度最高的地方，严重缺水和高温加快了植被的蒸散发，限制了其植被的生长，部分沼泽草地和改良草地还可能在严酷的环境中无法生存，进而使得生产力降低。

众多研究表明，植被净初级生产力主要受到两大类影响因素的制约，分别为气候条件和人类活动。气候因素影响草地生长的环境状况，人类活动同样会在草地生长的各个环节起到促进生长或制约作用。近年来，国家出台了一系列生态修复措施，以提高内蒙古草原质量。退牧还草等生态工程的开展在一定程度上促进了草地净初级生产力的增加，围栏、休牧、控制草药挖掘等措施使得草地生长条件得到了提高。未来研究中，不同类型草地生产力的精细化、定位化的核算和驱动因子探寻将备受关注，气候条件变化影响结合定量化的人类活动作用研究显得尤为紧迫。

4 结论

利用MODIS NDVI数据、20世纪80年代中国草地分类数据和同时段的气象数据，运用CASA模型核算了2001～2016年内蒙古不同类型草地NPP；并分析16年草地NPP的时空动态特征及其与气候因子的相关关系。结果表明，2001～2016年内蒙古草地年均NPP呈现东北部高西南部低的特征，不同类型草地年均NPP总量差异较大，温性草原年均NPP总量最大(11.26 TgC/a)，低山草甸次之(6.14 TgC/a)；热性草丛最小(0.01 TgC/a)；内蒙古草地年均NPP总体呈增加趋势，年增长率为2.06 gC/(m2·a)；草地NPP与年均温、年总降水量的相关系数分别为-0.01，0.4；不同类型草地NPP与温度、降水的相关性有差异，其中热性草丛与降水的相关性最强，山地草甸与降水的相关性最弱，热性草丛和沼泽与气温的相关性最强，但气温的增加致使其NPP减少，总体上，降水量是影响内蒙古草地NPP增长的主要因素，温度对草地NPP的增长也有一定的影响，但相关性不大。