内蒙古草地净初级生产力时空变化及其对干旱的响应

康振山，张 莎，白 雲, Malak Henchiri，张佳华*

(1.青岛大学计算机科学技术学院遥感与数字地球研究中心, 山东 青岛 266071； 2. 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094)

植被净初级生产力(Net primary productivity，NPP)指绿色植物在单位时间和单位面积上所能累积的有机干物质，包括植物的枝、叶和根等生产量及植物枯落部分的数量，也称净第一生产力[1]。NPP反映的是植物固定和转化光能为化合物的效率，数值上与植物生长、发育、繁殖等自身生命活动相关，而其自身的生命活动与外界的气候条件密不可分[2]。草地是陆地生态系统的重要组成部分，约占全球陆地面积的30%，主要分布于干旱及半干旱地区[3]，且内蒙古自治区是受全球气候变化影响最敏感的地区之一[4]。草地所具有的生态功能主要依赖于草地的生产能力，因此，分析和研究草地的净初级生产力的时空变化具有重要意义。

内蒙古草原在欧亚草原中占有重要的地位，是中国北部重要的生态安全屏障[5]。内蒙古草原分布广泛，在地理位置、气候条件方面存在较大的空间差异[6]。近年来，由于干旱的原因，内蒙古草原出现了土壤水分不足、植物水分平衡遭到破坏而减产、草地净初级生产力下降等问题，草地退化成为我国自然资源利用中存在的一个十分严重的问题[7]。因此，分析和研究干旱状况对草地净初级生产力的影响具有现实意义。

准确评估气候变化对草地动力学的影响，对于了解草地退化的机理和控制退化的草地至关重要[8]。NPP是研究草地生产能力的重要参考，NPP不仅为生态系统的二次生产提供能量和物质基础，而且是生态系统健康和生态平衡的重要指标，也是判断碳汇和生态调控行为的关键因素[9]。NPP通过全球陆地生态系统的碳水循环与气候系统和生物圈紧密相连，在一定程度上可以反映生态系统对气候变化的响应[10]。另外，NPP还可用于探讨陆地生态系统对干旱的响应[11]。许多研究都集中在确定气候变化对当地或全球范围内陆地NPP的影响，只有少数研究集中于评估气候变化对特定草原生态系统的影响[12]。因此研究内蒙古草地NPP对于干旱的响应具有重要的现实意义，对于制定内蒙古地区的可持续发展战略具有一定的参考价值。

在对NPP的模拟研究方法中，学者们采用的研究模型一般包括气候相关统计模型(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)、生态系统过程模型(BIOME-BGC模型和BEPS模型等)及生态遥感耦合模型4大类[1]，利用模型模拟NPP实现对草地NPP的动态监测，对草地生态的恢复与改善提供了技术和理论支持[13]。其中北部生态系统生产力模拟模型(Boreal ecosystem productivity simulator，BEPS)是Liu和Chen等在FOREAT-BGC模型的基础上发展起来的遥感-过程耦合生态系统模型，该模型最初用于模拟加拿大北方森林生态系统的生产力，先后用于东亚地区以及中国部分地区的陆地生态系统生产力的模拟，都取得很好的模拟精度和效果[1]。该模型由能量传输子模型、碳循环子模型、水循环子模型和生理调节子模型4部分组成，包括能量平衡、光合作用、自养呼吸、土壤有机质分解、土壤水分平衡等过程。驱动模型的数据主要有植被生长数据和逐日的气象数据以及植被生物物理参数和土壤水文参数等。模拟输出数据有逐日蒸散量、总初级生产力(Gross primary productivity，GPP)及NPP等。

在以往对于干旱的研究方法中，被广泛应用的监测指数有标准化降水指数(Standardized precipitation index，SPI)、标准化降水蒸发指数(Standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)、Palmer干旱严重程度指数(Palmer drought severity index，PDSI)、土壤相对湿度(Relative soil moisture，RSM)等，对中国大部分地区的干旱监测有良好的指示作用[14]。其中SPEI具有SPI多时间尺度的优势，且同时考虑了降水和潜在蒸散发的影响作用，已有研究对SPEI指数在中国地区的适用性分析[14]。因此，本文以BEPS模型和SPEI指数为基础，对2001-2015年期间内蒙古草地生长季(5-9月)的NPP时空动态变化及其干旱状况进行定量分析，从而探索近15年间内蒙古草地生长季的NPP变化趋势及其对干旱变化的响应。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区(简称内蒙古)地处中国北部(37°24′～53°23′ N,97°12′～126°04′ E)，全区总面积共118.30×104km2，占全国总面积的12.3%，是中国第3大省区[15]。内蒙古地势由东北向西南斜伸，呈狭长型，基本属于高原型的地貌区，涵盖高原、山地、丘陵、平原、沙漠、河流、湖泊等地貌。内蒙古草地总面积约为86.67×104km2，约占全区土地总面积的60%，占全国草地总面积的1/4以上，其中可利用草场面积68.18×104km2[16]。内蒙古气候以温带大陆性气候为主，年降水量约为50～450 mm，且大部分降水发生在5-8月，年平均气温约为0～8℃。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

1.2 研究数据及预处理

1.2.1叶面积指数(Leaf area index，LAI) LAI数据是驱动BEPS模型的植被指数，本研究中使用的LAI数据来源于美国国家航空航空局(NASA/EOS LPDAAC)2000-2015年MODIS产品MOD 15A2H数据集，时间分辨率为8 d，空间分辨率为500 m×500 m。使用MODIS网站提供的专业处理软件MRT(MODIS Reprojection Tools)对覆盖研究区的h25v03，h25v04，h25v05，h26v04，h26v05，h27v04影像进行投影转换、拼接处理。

1.2.2气象数据 用于驱动BEPS模型的气温、降水、太阳总辐射、净太阳辐射、饱和水汽压差和风速等气象数据，由ERA-Interim气象再分析资料网站获取，分辨率为0.125 °×0.125 °。ERA-Interim是欧洲中期数值预报中心提供的全球最新的大气再分析产品，较之前的产品精度更高，数据采用nc格式存储，本研究利用IDL代码将其读取为img格式[17]。

1.2.3土地利用数据 用于驱动BEPS模型的土地利用覆盖数据使用了2001-2015年MCD12Q1产品，时间分辨率为1年，空间分辨率为500 m×500 m。该土地覆盖数据集包含了17个主要土地覆盖类型，根据国际地圈生物圈计划(International geosphere-biosphere programme，IGBP)分类方案，其中包括11个自然植被类型，3个非草木土地类型定义类。

虽然MCD12Q1产品具有2001至2015年分辨率较好的完整的时序图，可用于BEPS模型的驱动，但在草地类型的进一步细化上却仍有不足。因此，本文还使用了空间分辨率较差但对草地类型进一步细化的土地利用类型数据。图2为根据朱文泉等[18]制作的中国植被分类图中提取的内蒙古植被分类图，其空间分别率为8 km×8 km；为了对突出草地分布，将16个植被类型合并为8个植被类型。其中，将针叶落叶林、针叶常绿林、落叶阔叶林合并为林地；将沼泽、湖、河流合并为水体；将斜坡草原和平原草原合并为典型草原；将裸石、砂砾、荒漠合并为荒漠。

图2 内蒙古土地利用类型图Fig.2 Map of land use type in Inner Mongolia

1.3 研究方法

1.3.1BEPS模型草地NPP的计算 BEPS模型由4部分组成，包括传输模拟模块、碳循环模拟模块、水循环模拟模块以及生理调节模拟模块。模型通过模拟叶片尺度的瞬时光合作用，计算日光合作用，然后通过日积分实现不同时间尺度的扩展，获取植被总初级生产力GPP，扣除了其自养呼吸后，最终得到植被NPP[19]。

(1)LAIsun(阳叶叶面积指数)及LAIshade(荫叶的叶面积指数)的计算:

LAIsun=2cosθ(1-exp(-0.5ΩLAI/cosθ))

(1)

LAIshade=LAI-LAIsun

(2)

式中：θ代表太阳天顶角，Ω代表叶片集聚指数。

(2)Ssun(阳叶太阳辐射)及Sshade(荫叶接受的太阳辐射)的计算:

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代表冠层上接收的直射辐射，Sdif代表冠层上接收的散射辐射，Sdir,under代表冠层下的散射辐射，α代表平均叶片太阳分布角度，C代表直射辐射的多次散射辐射，θmean代表散射辐射传输的太阳天顶角。

(3)Acanopy(植被冠层总光合作用)的计算

Acanopy=AsunLAIsun+AshadeLAIshade

(8)

式中：Asun代表阳叶的光合作用，Ashade代表荫叶的光合作用。

(4)NPP的计算

GPP=AcanopyLdayFGPP

(9)

Ra=Rm+Rg=∑(Rm,i+Rg,i)

(10)

NPP=GPP-Ra

(11)

式中：Lday代表日长，FGPP代表光合作用转换为GPP的比例系数，Ra代表自养呼吸，Rm代表维持呼吸，Rg代表生长呼吸，i代表植被的不同部分(1，2，3分别代表叶、茎、根)。

1.3.2干旱监测指标-SPEI计算 SPEI指数方法如下：

(1) 逐月的降水量与潜在蒸发量的差值的计算：

Di=Pi-PETi

(12)

式中：i代表月份。

(2) 不同时间尺度的水分盈亏累积序列的建立：

(13)

式中：k代表时间尺度，在本次研究中，k分别取 1，3，6，9，12;n代表某个月。

(3) SPEI数值的计算:

(14)

式中：α代表尺度参数，β代表形状参数，γ代表起始参数。拟合参数的估计方法采用线性矩法。分别由以下公式计算：

(15)

(16)

(17)

(18)

式中：ωs代表概率权重矩，s= 0，1，2。l是累积水分亏缺量序列X按升序排列(X1≤X2,…,≤Xn)的序数。Γ(β)代表Gamma函数。可计算给定时间尺度的累积概率如下：

(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年际变化趋势计算 采用一元线性回归分析内蒙古2001-2015年草地NPP和SPEI的年际变化趋势，其计算公式为：

(22)

式中：θslope为NPP或SPEI年际变化趋势，n为模拟的年数(n=15)，Ni为第i年的NPP或SPEI。当θslope>0时，表示此处NPP呈增加趋势或此处越来越湿润，当θslope<0时，表示此处NPP呈减少趋势或此处越来越干旱。

使用F检验对草地NPP的年际变化趋势值进行显著性检验，并根据F检验临界表将其结果至多划分为6个变化等级，计算公式为：

(23)

1.3.4NPP与SPEI的相关性的计算 NPP与SPEI相关系数计算公式如下：

(24)

1.3.5模型精度验证 由于在当前研究中实测NPP的难度大，本文采用产草量换算的NPP数据代替NPP实测数据进行模型验证。本文基于2013，2014，2015年鄂尔多斯市8月份实测的36个样地的产草量，换算成NPP数据与BEPS模型的模拟结果一一对应，进行模型精度验证。

产草量换算的NPP数据可通过下面的公式得到[20]：

NPP=BgSbn(1+Sug)

(25)

式中：Bg为单位面积干草产量，单位为g·m-2；Sbn为草地生物量到到NPP转换系数，单位为g·(gC)-1，数值为0.45；Sug为草地地下部分和地上部分生物量比例系数[21]，不同草地植被类型地下部分与地上部分生物量比例系数：温性草原类、高寒草原类为4.25；热性草丛类、热性灌草丛类、暖性草丛类、暖性灌草丛类为4.42；温性草甸草原类为5.26；山地草甸类为6.23；低地草甸类为6.31；温性荒漠草原类、高寒荒漠草原类、高寒草甸草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类、高寒荒漠类为7.89；高寒草甸类为7.92；沼泽类为15.68。

相关性分析结果如图3所示，NPP实测值与模拟值基本吻合(R2=0.605，P<0.001)，因此可以认为BEPS模型适用于内蒙古草地NPP的估算。

图3 内蒙古草地NPP模拟值与观测值的比较Fig.3 Comparison between simulated NPP and observed NPP of Inner Mongolia grassland

2 结果与分析

2.1 内蒙古草地生长季NPP变化特征

2.1.1草地NPP时间变化特征 图4为2001-2015年内蒙古草地生长季(5-9月)NPP年际变化趋势。全区草地NPP年际变化趋势总体呈现出“西南地区减少，中部、东北地区增加”的分布格局，这是由于西南地区靠近荒漠，降水量较少，而中部和东北地区降水量相对较多，适合草地的生长。根据统计可知，15年全区草地NPP平均值最小为24.68 gC·m-2·a-1，最大为503.28 gC·m-2·a-1，大部分地区的草地NPP呈增长趋势，14年的平均增长率约为2.20 gC·m-2·a-1。

对草甸草原、典型草原、荒漠草原分别进行统计可知，在2001-2015年内蒙古草地生长季(5-9月)期间，草甸草原NPP的平均增长率为3.73 gC·m-2·a-1，增长速度最快；典型草原NPP的平均增长率为1.69 gC·m-2·a-1，增长速度次之；荒漠草原NPP的平均增长率为0.30 gC·m-2·a-1，增长速度最慢。

图4 内蒙古草地生长季NPP年际变化趋势Fig.4 Interannual variation trend of grassland NPP during growing season in Inner Mongolia

图5显示2001-2015年内蒙古生长季的草地NPP变化趋势的显著性检验结果。显著性检验结果表明：内蒙古生长季草地NPP呈增长趋势的面积为51.57×104km2，占内蒙古草地总面积的59.50%，其中呈不显著增加、显著增加和极显著增加的比例分别为69.51%，10.03%，20.46%；生长季草地NPP呈减少趋势的面积为35.10×104km2，占内蒙古草地总面积的40.50%，其中呈不显著减少、显著减少和极显著减少的比例分别为86.79%，6.80%，6.41%。

对草甸草原、典型草原、荒漠草原分别进行统计可知，在极显著增加的占比中，草甸草原占68.10%、典型草原占17.46%、荒漠草原占14.44%；在显著增加的占比中，草甸草原占48.98%、典型草原占31.38%、荒漠草原占19.64%；在不显著增加的占比中，草甸草原占48.35%、典型草原占29.42%、荒漠草原占22.23%；在极显著减少的占比中，草甸草原占78.26%、典型草原占9.32%、荒漠草原占12.42%；在显著减少的占比中，草甸草原占65.52%、典型草原占14.48%、荒漠草原占20.00%；在不显著减少的占比中，草甸草原占37.29%、典型草原占26.61、荒漠草原占36.10%。

图5 NPP变化趋势的显著性检验结果Fig.5 Significance test results of NPP change trend

2.1.2草地NPP空间分布特征 2001-2015年内蒙古草地生长季年均NPP空间分布分别如图6所示，草地NPP总体呈现由西南向东北递增的空间分布格局，具有明显的空间异质性，这与内蒙古的地理气候特征有关。

图6 内蒙古草地生长季年均NPP空间分布Fig.6 Spatial distribution of annual NPP in grassland growing season in Inner Mongolia

图7显示2001-2015年平均降水量空间分布，由图6，7可知，NPP平均为450～504 gC·m-2·a-1的区域较少，零星分布于赤峰市西南部，此区域年降水量在400～500 mm之间，属于半湿润地区；NPP平均为350～450 gC·m-2·a-1的区域主要分布于呼伦贝尔市东部部分地区、兴安盟西部、锡林郭勒盟西北部以及赤峰市西部地区，此区域年降水量大部分在300～400 mm之间，较少部分在400～500 mm之间，即此区域主要分布于半干旱地区，较少部分分布于湿润地区；NPP平均为250～350 gC·m-2·a-1的区域主要分布于呼伦贝尔市东部部分地区、锡林郭勒盟中部、兴安盟东部、通辽市、赤峰市东部、乌兰察布盟南部、呼和浩特市，此区域年降水量大部分在200～300 mm之间，较少部分位于300～400 mm之间，此区域主要分布于半干旱地区；NPP平均为150～250 gC·m-2·a-1的区域主要分布于锡林郭勒盟西部、乌兰察布盟北部、包头市、鄂尔多斯市、呼和浩特市南部，此区域年降水量大部分在100～200 mm之间，较少部分在200～300 mm之间，极少部分在300～400 mm之间，即此区域主要分布在干旱区；NPP平均值低于150 gC·m-2·a-1的区域主要分布在锡林郭勒盟西部、乌兰察布盟北部、包头北部、巴彦淖尔盟中部以及鄂尔多斯市北部地区，此区域降水量大部分低于100 mm，少部分位于100～200 mm，此区域主要分布于干旱区。由此可见，2001-2015年草地生长季年均NPP空间分布与内蒙古年均降水分布具有明显的空间一致性，呈现出年均降水量越高，草地NPP越高；反之，年均降水量越低，草地NPP越低。

图7 内蒙古2001-2015年平均降水量空间分布Fig.7 Spatial distribution of average precipitation in Inner Mongolia from 2001 to 2015

对草甸草原、典型草原、荒漠草原分别进行统计可知，2001-2015年内蒙古生长季不同草地类型的年均单位面积NPP有所差异。其中，草甸草原最高，年均NPP为387.90 gC·m-2·a-1；其次为典型草原，年均NPP为291.26 gC·m-2·a-1；荒漠草原最低，年均NPP为133.70 gC·m-2·a-1。

2.2 内蒙古草地对干旱的响应

2.2.1内蒙古草地生长季NPP对不同尺度SPEI的响应 SPEI指数具有多时间尺度的优势，本文通过计算1，3，6，9，12个月尺度的SPEI站点数据，分别插值得到各个尺度的内蒙古空间SPEI数据，然后用草地生长季(5-9月)SPEI平均值来表示研究区的干旱情况，并以此研究内蒙古草地生长季NPP对不同尺度SPEI的响应情况。

图8展示了2001-2015年内蒙古草地生长季不同时间尺度的SPEI的年际变化，尽管不同时间尺度的SPEI对草地生长季的干旱情况的捕捉能力存在差异，但不同时间尺度的SPEI指示的年际干旱具有几乎相同的变化趋势。由5种尺度的SPEI的年际变化表明，2001-2015年期间的比较干旱年份为2001，2007，2009年，比较湿润的年份为2003，2008，2012年，其中，2005至2007年、2009至2011年基本处于干旱状态。

图8 2001-2015年内蒙古草地生长季不同时间尺度的SPEI的年际变化Fig.8 Interannual changes of SPEI at different time scales in grassland growing season of Inner Mongolia from 2001 to 2015

分别统计2001-2015年内蒙古草地生长季全区草地以及各类草地的年均NPP及各个尺度SPEI的平均值，做线性回归分析得出2001-2015年内蒙古草地生长季5种不同时间尺度SPEI与全区草地、典型草原、草甸草原、荒漠草原的NPP的决定系数R2及其显著性水平(表1)。从全区草地来看，其NPP分别与1，3，6，9，12个月尺度的SPEI的决定系数R2呈现递减趋势，即随SPEI时间尺度的增大，NPP与SPEI的相关性越来越低，这表明内蒙古草地净初级生产力对于短期地表水分异常以及季尺度的干旱变化具有较好的响应，而对于中长期，尤其是年尺度的干旱变化的响应相对较差。

比较3类草地可以看出，除SPEI-12以外，在其他4种时间尺度的SPEI上，荒漠草原NPP与SPEI的相关性最大，典型草原次之，草甸草原最小。这表明干旱对荒漠草原的影响最大，对典型草原的影响次之，对草甸草原的影响最小。

由表1可知，内蒙古全区草地NPP与SPEI-1相关性最好，决定系数R2=0.64(P<0.001)；典型草原NPP与SPEI-3相关性最好，决定系数R2=0.76(P<0.001)；草甸草原NPP与SPEI-1相关性最好，决定系数R2=0.58(P<0.001)；荒漠草原NPP与SPEI-3相关性最好，决定系数R2=0.85(P<0.001)。从各类草地NPP与各尺度SPEI的最大相关性的数值排序也可以看出，干旱对荒漠草原的影响最大，对草甸草原的影响最小，与上述结论一致。

表1 不同草地类型NPP与不同尺度SPEI的决定系数Table 1 Determination coefficients of NPP and SPEI of different grassland types

2.2.2内蒙古草地生长季NPP对干旱响应的空间格局 由于在内蒙古全区草地NPP与SPEI1，3，6，9，12个月的相关系数中，NPP与SPEI-1的决定系数值最大，因此使用草地生长季(5-9月)SPEI-1的平均值来表示研究区的干旱情况。本文利用趋势分析法对2001-2015年内蒙古草地生长季干旱年际变化趋势进行分析(图9(a))，并对其进行显著性检验(图9(b))。由图9可知，草地生长季的干旱年际变化具有明显的空间异质性，大体上以锡林郭勒盟中部和赤峰市中部为界线，在界线东北部，干湿变化斜率大于0，即2001-2015年东北部越来越来湿润，根据显著性检验，其中大部分地区变化不显著，只在呼伦贝尔盟东南部附近变化显著；在界线西南部，干湿变化斜率小于0，即2001-2015年西南部越来越干旱，根据显著性检验，其中大部分地区变化不显著，只在呼和浩特市地区附近变化显著。

2001-2015年内蒙古草地生长季(5-9月)期间，草甸草原SPEI-1的平均增长率为0.014，即草甸草原总体上越来越湿润；典型草原SPEI-1的平均增长率为-0.007，即典型草原总体上越来越干旱；荒漠草原SPEI-1的平均增长率为-0.024，即荒漠草原总体上越来越干旱，且干旱速度大于典型草原。

图10展示了2001-2015年内蒙古草地生长季(5-9月)NPP与SPEI-1的相关性，总体呈现“西南高，东北低”的空间分布格局，这与内蒙古地区年均降水的空间分布格局几乎相反。NPP与SPEI-1的相关性中绝大部分表现为正相关，且呈正相关部分的相关系数大多在0.6～1.0之间，约占全区草地面积的86.75%，主要分布于中部和西南部，其中包括了呼伦贝尔盟西部、锡林郭勒盟大部分、乌兰察布盟以及鄂尔多斯市。这些地区SPEI-1的值越大，NPP的值越大。此地区年均降水基本在350 mm以下，干旱的变化对这些地区的草地生产力有着明显的影响。表现为负相关的部分约占全区草地面积的13.25%，且呈负相关部分的相关系数大多在-0.3～0.0之间，主要分布于内蒙古赤峰市、通辽市、兴安盟以及呼伦贝尔盟少部分。这些地区年均降水大部分在350 mm以上，干旱的变化对这些地区的草地生产力影响不大。

2001-2015年内蒙古草地生长季(5-9月)期间，从全区草地来看，内蒙古西南部越来越干旱，NPP呈不显著减少趋势，NPP与干旱状况相关性较强；中部地区越来越湿润，但趋于湿润的程度较弱，NPP呈显著增加趋势，NPP与干旱状况相关性比西南部弱；东北地区越来越湿润，趋于湿润的程度较强，NPP整体呈极显著增加趋势，NPP与干旱状况相关性最弱。从不同类型的草地来看，草甸草原越来越湿润，NPP以3.37 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP与干旱状况相关性较弱；典型草原越来越干旱，但趋于干旱的程度较弱，NPP以1.69 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP与干旱状况相关性较强；荒漠草原越来越干旱，趋于干旱的程度比典型草原强，NPP以0.30 gC·m-2·a-1的速度增加，NPP与干旱状况相关性最强。

图9 内蒙古草地生长季干旱年际变化趋势(a)及草地生长季干旱年际变化趋势显著性检验(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 讨论

3.1 BEPS模型模拟NPP结果及与其他模型的比较

本文采用与其他模型的研究成果的比较来探讨该模型的模拟能力。利用不同模型对内蒙古草地NPP的模拟结果存在差异，主要是因为研究对象、时段以及模型使用的估算方法不同。本文利用BEPS模型模拟内蒙古草地NPP，得出2001-2015年内蒙古草地NPP平均值为298.63 gC·m-2·a-1，草甸草原年均NPP为387.90 gC·m-2·a-1，典型草原年均NPP为291.26 gC·m-2·a-1；荒漠草原年均NPP为133.70 gC·m-2·a-1，与前人研究结果比较如表2所示。杨晗等[16]使用CASA模型估算的2001-2016年内蒙古草地NPP模拟的平均值为343.46 gC·m-2·a-1；穆少杰等[22]利用CASA模型估算的2001-2010年内蒙古草地NPP模拟的平均值为281.30 gC·m-2·a-1；戴尔阜等[23]采用朱文泉等改进的CASA模型估算2001-2012年内蒙古草地NPP模拟结果的均值278.83 gC·m-2·a-1；张峰等[24]利用CASA模型估算1982-2002年内蒙古锡林河流域典型草原NPP模拟的平均值为290.20 gC·m-2·a-1；朱文泉等[25]分别使用3种气候生产力模型Chikugo，Montreal和Miami模型估算的内蒙古草地NPP模拟的平均值分别为442.90，687.40和958.60 gC·m-2·a-1。

由上述模型模拟NPP的结果比较可以看出，由于不同模型之间的估算方法的不同，其模拟结果会有或大或小的差异。例如，使用CASA模型模拟的NPP与使用BEPS模型模拟的NPP结果相差较小，而两者都与Chikugo，Montreal，Miami相差较大，Chikugo，Montreal，Miami之间的差异也比CASA模型与BEPS模型之间差异大。另外，不同研究之间的研究时段的不同或者研究的对象不同也是导致模型模拟结果出现差异的原因。

图10 内蒙古草地生长季NPP与SPEI-1的相关性Fig.10 Correlation between NPP and SPEI-1 during grassland growing season in Inner Mongolia

本文使用BEPS模型的模拟结果除与3种气候生产力模型相差较大之外，与其他研究的模拟结果相差不大，说明BEPS模型的模拟结果可靠，可以用于本研究。

表2 本研究模拟结果与其他模拟结果的比较Table 2 Comparison between the simulation results of this study and other reported simulation results

3.2 内蒙古干旱状态分析

本文研究中，2001-2015年期间的比较干旱年份为2001，2007，2009年，从2005到2011年基本处于干旱状态，这与周扬等[26]利用SPI指数研究的内蒙古全域性干旱结果相近。毕力格[27]基于MODIS数据的内蒙古监测中，2008年的旱情总体上比2007年轻，与本文对干旱的研究一致。道日娜等[28]利用年尺度SPI对内蒙古草原生态区干旱研究中，发生干旱的年份分别在1980年、2000-2001年、2005-2007年、2009年、2011年，与本文的研究吻合。这说明了使用SPEI能够较为准确的反应内蒙古的干旱状况。

4 结论

2001-2015年内蒙古草地生长季NPP整体上呈自西南向东北逐渐增加的趋势，其中草甸草原年均NPP最高，其值为387.90 gC·m-2·a-1，其次为典型草原，其值为291.26 gC·m-2·a-1，荒漠草原年均NPP最低，其值为133.70 gC·m-2·a-1；内蒙古草地生长季NPP的平均增长率为2.20 gC·m-2·a-1，其中草甸草原增长速度最快，其值为3.73 gC·m-2·a-1，典型草原次之，其值为1.69 gC·m-2·a-1，荒漠草原最慢，其值为0.30 gC·m-2·a-1；内蒙古草地NPP整体上与SPEI-1相关性最强，其中草甸草原与SPEI-1相关性最强，典型草原、荒漠草原与SPEI-3相关性最强；干旱对荒漠草原的影响最大，对典型草原的影响次之，对草甸草原的影响最小。