甘肃省草地NPP时空变化及对气候因子的响应

何国兴， 柳小妮， 张德罡， 杜月红， 李强， 刘志刚， 关文昊， 杨军银， 韩天虎， 孙 斌， 潘冬荣

(1. 甘肃农业大学草业学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 草业生态系统教育部重点实验室(甘肃农业大学)， 甘肃 兰州 730070；3. 甘肃农业大学财经学院， 甘肃 兰州730070； 4.甘肃省草原技术推广总站， 甘肃 兰州 730000)

植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)是植被在单位面积单位时间内光合作用产生的有机物质总量扣除呼吸作用消耗的有机物量后剩余部分，也称净第一性生产力[1]。NPP不仅是陆地生态系统中物质与能量运转研究的基础，而且能直接反映植物群落在自然环境条件下的生产能力[2]。草地作为陆地生态系统的重要组成部分，因其巨大的生态服务功能，在涵养水源、防风固沙、固碳服务以及生物多样性保护等方面有不可替代的作用[3]。从上世纪开始，受过度放牧和气候变化的影响，草地退化日趋严重，已严重威胁地区生态安全，并阻碍生态文明建设[4]。草地生产力动态监测是评价草地健康状况的必要手段，已成为研究的热点。NPP作为碳收支和气候变化研究的核心内容，是判定草地生态系统健康状况和生产性能水平的重要指标[5]。准确监测草地NPP时空变化及驱动因子对于评估草地资源总量，预测未来草地生产力的变化，对碳循环的影响以及应对气候变化等方面具有重要的科学意义和实际应用价值。

自上世纪60年代以来，遥感技术的迅速发展为宏观尺度草地监测提供了技术支撑，Running等[6]利用BIOME—BGC模型(biome biogeochemical model)与光能利用率模型(Carnegie—ames—stanford approach，CASA)模拟获得MOD17A3 NPP产品数据。该产品已广泛应用于不同区域尺度植被生长状况评价[7]，生物量时空变化[8]，环境监测[9]等研究。对于中国区域植被NPP变化的研究报道较多，都取得了较好的结果。李登科等[10]基于MOD17A3对中国陆地植被NPP变化特征进行了分析，对中国各区域生态资源管理具有指导意义；王新闯等[11]在MOD17A3 NPP数据的基础上结合GIS技术，定量分析了2000—2010年黄河下游地区河南省植被NPP的时空变化以及与气象因子的响应关系；刘旻霞等[12]在青海省植被净初级生产力时空变化的研究中也应用了MOD17A3 NPP数据，并与气象数据相结合分析NPP格局的影响因素。以上研究均表明MOD17A3数据在研究植被变化以及对气候因子的响应中表现出良好的效果，能够较好的反映植被的变化格局。在众多的研究中使用2010年以前较低版本的MOD17A3数据较多，而且集中在2015年以前的植被变化研究，对于2000年至今区域草地植被NPP的研究有助于了解21世纪以后甘肃省草地状况。

甘肃省草原是西北地区重要的生态屏障，研究甘肃省草地NPP在宏观尺度下的时间变化规律，以及NPP与水热条件的响应关系对于合理规划利用草地资源、修复退化草地、维持西北地区生态系统稳定具有重大意义。本研究基于2000—2019年MOD17A3 NPP数据，分析甘肃省不同草地类型NPP年际变化、空间分布和稳定性，并利用气象数据通过偏相关分析探索草地NPP对水热供给的响应，为甘肃省天然草地科学管理和生态保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃省(92°13′～108°46′ E，32°11′～42°57′ N)地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原的交汇处，东西长，南北窄，海拔自西南向东北降低；年均气温0～15℃，年均降水量36.6～734.9 mm，均自东南向西北降低，温差较大，降水四季分配不匀，主要集中在6—9月；光能资源丰富，年日照时数1 700～3 300 h，全省无霜期48～228 d[13]。甘肃省草地面积1.79×105km2，占土地资源总面积的42.04%，是全国重点牧区之一。草地资源主要分布在甘南高原、祁连山地、北部河西走廊和陇中黄土高原[14]，分别为温性草原、高寒草原、温性荒漠、暖性灌草丛、低地草甸、山地草甸和高寒草甸(图1a)。

1.2 数据来源及预处理

将中国草业与生态网络(http://www.ecograss.com.cn)提供的《中国1∶100万草地资源图》校正并根据草地分类标准(NY/T2997-2016)[15]融合后得到草地类型数据(图1a)。行政区划图来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/data)。数字高程模型(digital elevation model,DEM)来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)的SRTM产品数据，分辨率为30 m，重采样为500 m(图1b)。

遥感数据来源于美国国家航空航天局(https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/explore)提供的MOD17A3 NPP产品，空间分辨率500 m，时间分辨率1a，时间范围2000—2019年。使用MRT (modis re-projection tool)软件读取并转换数据格式，重投影为WGS-1984-Albers。利用Arc GIS栅格计算器工具将MOD17A3像元值乘以0.0001，得到真实的NPP值。NPP实测数据来源于甘肃省草原总站2014年草原调查数据，共696个样点，包括经纬度、海拔高度、草地类型、生物量。

气象(气温、降水)数据由中国气象数据网站(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供。选取甘肃省境内及周边44个气象站点2000—2019年气温、降水月数据(图1b)。采用基于样条函数插值理论的专业气象插值软件ANUSPLINE[16]，以DEM数据为协变量，对气温和降水数据进行空间插值，得到500 m年均气温和年总降水栅格数据。经过ANUSPLINE进行插值后，选用计算中未使用的气象站点对插值结果进行精度检验，结果表明气温和降水插值结果均满足研究的需求。

图1 甘肃省草地类型(a)及DEM、气象站点空间分布(b)

1.3 研究方法

1.3.1MOD17A3 NPP数据验证 选取甘肃省草原总站2014年草原调查数据(均匀分布于各草地类型)，用实测产量数据对2014年MOD17A3 NPP值进行验证。实测产量数据，在转换成以碳为单位重量的NPP时乘以系数0.45[17]。

1.3.2趋势分析 利用Theil-Sen mediam趋势分析与Manne-Kendall检验来判断NPP时间序列的变化趋势，并对其变化速率进行量化[18]。Theil-Sen mediam趋势分析用于对时间序列变化进行量化，表示单位时间内的变化量，其计算公式为：

式中，SNPP为NPP变化趋势；i，j(2 000≤i0，NPP呈增长趋势；SNPP<0，NPP呈下降趋势。

Manne-Kendall检验的计算公式为：

式中，S为检验统计量；ZS为标准化后的检验统计量；n为NPP的总序列数；Var(S)为方差。给定的显著性水平下，|ZS|>Z(1—α)/2时，表示变化趋势显著。结合SNPP值和|ZS|值，将草地NPP趋势变化的显著性分为3个等级[19]，显著增加(SNPP>3，|ZS|>1.96)、无显著变化(—31.96)。

1.3.3变异系数 变异系数(coefficient of variation,Cv)能够在像元尺度上反映草地NPP多年的波动情况。Cv<0.15说明草地NPP变化较小，草地生长状况相对稳定；Cv>0.15说明NPP变化较大，草地生长状况波动[20]。计算公式如下：

1.3.4偏相关分析 偏相关分析是研究两个特定变量之间的相互作用关系，即当两个变量均与第三个变量存在相关关系时，剔除其影响，而只分析另外两个变量之间的相关程度[20]。利用偏相关系数分别计算年均气温和年总降水量对年NPP变化的影响。计算公式如下：

式中，x表示NPP，y代表降水量、z为气温，rxy表示NPP与降水的相关系数，rxz表示生长季NPP与气温的相关系数，ryz表示降水与气温的相关系数。rxy,z为变量降水固定后NPP与气温之间的偏相关系。NPP与降水的偏相关系数同上。

2 结果与分析

2.1 草地NPP验证

通过NPP实测值与NPP模拟值的相关分析表明，实测值与模拟值之间的相关性达到显著水平(P<0.05,n=696)(图2)。可以认为，MOD17A3 NPP数据能达到估算的精度要求，可用于甘肃省NPP时空变化的研究。

图2 甘肃省NPP实测值与模拟值线性回归分析

2.2 草地NPP时间变化

利用均值法得到2000—2019年甘肃省草地NPP时间特征变化(图3)。20年间草地NPP年均值呈上升趋势，草地NPP增加量为4.72 gC·m-2·a-1·(10a)-1。2019年草地NPP年均值最高，达到了347.8 gC·m-2·a-1，2000年草地NPP年均值最低为231.1 gC·m-2·a-1，多年平均值为289.9 gC·m-2·a-1，增速为4.72 gC·m-2·a-1。说明甘肃省草地NPP呈现缓慢波动上升趋势，分别在2002年和2013年出现拐点，NPP值为284.4 gC·m-2·a-1和323.0 gC·m-2·a-1。

分析不同草地类型NPP值变化发现，草地类型间NPP值存在较为明显的差异。NPP值多年趋势表现为：暖性灌草丛>山地草甸>高寒草甸>温性草原>低地草甸>温性荒漠>高寒草原，其增速分别为11.21 gC·m-2·a-1，3.25 gC·m-2·a-1，2.18 gC·m-2·a-1，6.79 gC·m-2·a-1，2.92 gC·m-2·a-1，3.08 gC·m-2·a-1和1.99 gC·m-2·a-1。暖性灌草丛NPP最大值和最小值分别出现在2013年和2000年，差值247.1 gC·m-2·a-1，说明暖性灌草丛NPP波动较大；而高寒草原NPP最大和最小值分别出现在2018年和2001年，差值61.1 gC·m-2·a-1，高寒草原NPP是所有草地类型中最稳定的。另外，各草地类型NPP均呈现波动上升趋势。

图3 2000—2019年甘肃省各类草地NPP均值年际变化

2.3 草地NPP空间变化

2000—2019年甘肃省天然草地NPP在空间上呈现由西北向东南逐渐递增分布规律(图4a)，年均NPP为289.9 gC·m-2·a-1。其中，祁连山地西北部草地年均NPP在100 gC·m-2·a-1以下；陇中黄土高原和河西走廊草地年均NPP在100～200 gC·m-2·a-1的面积占草地总面积的29.05%；甘南高原和祁连山地东南部草地年均NPP在300～400 gC·m-2·a-1的面积占草地总面积的24.80%；陇南山地年均NPP高于400 gC·m-2·a-1的面积占草地面积的21.23%；北山山地一带无NPP值。

在草地类型上，暖性灌草丛年均NPP最高，高寒草原年均NPP最低(图4b)。统计不同草地类型各NPP范围所占比例后发现，近20年草地NPP均值在0～300 gC·m-2·a-1范围内，温性荒漠、高寒草原、低地草甸和温性草原的面积占比分别为99.44%，99.32%，72.03%和71.53%；在300～600 gC·m-2·a-1范围内，山地草甸和高寒草甸的面积占比分别为87.25%和69.44%；高于600 gC·m-2·a-1范围内，暖性灌草丛面积占比40.43%。温性草原和温性荒漠的面积约占甘肃省草地面积的63.05%，二者年均NPP较低，直接影响甘肃省草地整体NPP高低。

图4 2000—2019年甘肃省草地NPP均值分级(a)和各草地类型NPP均值分级面积比例(b)

2.4 草地NPP稳定性分析

2000—2019年甘肃省草地NPP整体呈现高波动性(图5a)。草地NPP高稳定区(Cv<0.15)的面积占40.31%，主要位于甘南高原和祁连山地局部，其中Cv<0.10的面积为36 839 km2，占25.26%，0.10≤Cv<0.15的面积为21 961 km2，占15.06%；中波动区(0.15≤Cv<0.30)的面积占51.20%，主要分布在陇中黄土高原，河西走廊，祁连山地局部和陇南山地；高波动区(Cv>0.30)的面积占8.49%，分布于陇中黄土高原和河西走廊地区。

不同草地类型中，山地草甸、高寒草甸和低地草甸年均NPP稳定性较高(图5b)，Cv<0.15的面积分别占各自草地类型的82.26%，78.90%和52.72%；温性草原、温性荒漠和高寒草原年均NPP波动性较高Cv>0.15的面积占各自草地类型71.51%，55.19%和44.45%。

2.5 草地NPP趋势分析

2000—2019年，甘肃省草地NPP增加的面积明显大于NPP降低的面积(图6a)。其中草地SNPP>3的草地面积为87 480 km2，占总草地面积的45.34%，主要分布在陇中黄土高原、河西走廊和陇南山地；SNPP<-3草地面积为290.25 km2，占总草地面积的0.15%；-3< SNPP<3的草地面积为60 941 km2，占总草地面积的31.58%，主要分布在甘南高原和祁连山地。

由图6b和表1可知，2000—2019年甘肃省草地NPP显著增加的面积占总草地面积的75.70%，分布在陇中黄土高原、河西走廊、祁连山地大部以及陇南山地；无显著变化的面积占总草地面积的24.18%，分布在甘南高原和祁连山地的局部；显著降低的面积占总面积的0.12%。

图5 2000—2019年甘肃省草地NPP变异系数分级(a)和各草地类型NPP变异系数分级面积比例(b)

图6 2000—2019年甘肃省草地NPP变化趋势分级

表1 甘肃省草地NPP变化趋势模式

2.6 草地NPP的变化与气象因子偏相关分析

通过偏相关分析得出，甘肃省草地NPP与年降水量呈正相关性的面积明显高于负相关的面积，数值集中在0～0.3，占总草地面积的63.60%；主要分布在陇中黄土高原、甘南高原和河西走廊。NPP与年均气温的相关系数明显低于年降水量，且以负相关为主，数值集中在—0.3～0，占总草地面积的58.41%，主要分布陇中黄土高原、河西走廊和陇南山地(图7)。

图7 2000—2019年甘肃省草地NPP与降水量(a)、气温(b)偏相关关系

统计甘肃省草地NPP与降水偏相关性在不同草地类型的分布面积比例后发现(表2)：20年来甘肃省温性草原NPP与降水量的相关性最高，显著相关(P<0.05)的面积占77.94%；温性荒漠草原次之，显著相关的面积达75.52%；高寒草原与降水的相关性最小，仅为26.22%。

表2 甘肃省各草地类型NPP与降水量相关性面积比例

甘肃省2000—2019年降水量呈波动上升趋势，其中有些年份草地NPP与降水量的对应性较强，如2010年，2017年，2018年和2019年NPP与降水量均较高(图8a)。2000—2019年平均气温呈现显著下降趋势，2002年年均气温最高为4.33℃，2017年年均气温最低为0.66℃。其中2013—2019年对应的NPP与气温呈相反关系，表现为负相关性(图8b)。

图8 2000—2019年甘肃省草地年均NPP与降水量(a)和气温(b)的年际变化

3 讨论

植被NPP对于反映植被生长状况，评价生态系统的稳定性具有重要意义，众多学者将其用于植被变化的研究中，被喻为植被生态研究的“黄金指标”[21]。本研究基于MOD17A3 NPP数据通过草地NPP实测数据验证发现二者线性相关性达到显著水平(P<0.05)。20年间甘肃省草地NPP呈上升趋势，均值289.9 gC·m-2·a-1，呈现西北低，东南高的格局。魏靖琼[22]利用CASA模型估算2015年甘肃省草地NPP也有类似结论。陇中黄土高原和河西走廊草地年均NPP较低，陇南山地和甘南高原草地年均NPP较高，其中甘南高原草地NPP多年均值无显著变化。这与刘洁等[23]2000—2016年甘南草地NPP的研究结果相一致。甘南高原降水充沛，适合草地植物的生长，草地NPP较稳定[24]。同样，巩杰等[25]在甘肃省白龙江流域的研究中也发现，陇南山地植被NPP较高且呈现上升趋势，平均值为450.27 gC·m-2·a-1。结合趋势分析和稳定性分析发现，甘肃省草地NPP显著增加的面积占75.07%，且稳定性较高，主要位于陇中黄土高原、河西走廊、祁连山地大部以及陇南山地。魏靖琼[26]在甘肃省草地NPP模拟估算及影响因素的研究中也有类似的发现。

在全球气候变化背景下，中国草地NPP在时间序列上表现倒U型，在空间呈现从东向西递减的阶梯式变化，与气象因子和人为因素有着密切关系[27]。气候变化对草地的影响较复杂，气温和降水决定草地的空间分布，过高或过低的温度都会破坏植物正常生长环境，从而减低草地NPP的值[28]。河西走廊以北地区日照较好，但降水较少，NPP相对较低；甘南高原、陇南山地降水充沛，草地NPP相对较高。因此，甘肃草地NPP应该呈现东南高于西北的格局。甘肃省草地的生长主要受降水因素的制约，草地NPP与降水量呈正相关的面积远高于气温，这是由于温性草原和温性荒漠占甘肃省草地的面积最大，在不同草地类型中，温性草原和温性荒漠与降水量的相关性最高，所以直接影响降水量与草地NPP的相关性。20年间降水量呈现逐年上升趋势，而草地NPP均值也表现为逐年上升，这更加说明降水量与草地NPP之间具有直接相关性。杨晗等[29]在内蒙古草地NPP时空变化影响因素的研究中也有类似结论，这说明干旱少雨是限制该温性草原NPP较低的直接因素。另外，甘肃省温性草原位于陇中黄土高原地区，属于中纬度地带的东部季风区，又在高空盛行西风带的南部，造成黄土高原夏秋季多雨，而冬春季干旱少雨[30-31]。而陇中黄土高原年降水量不足300 mm，蒸发量又远远高于降水量，草地植物的生长受到严重抑制，水分对草地NPP的大小起决定性作用。

气温对草地NPP的高低也存在着影响，2000—2019年，甘肃省草地NPP与气温呈正相关的区域主要位于甘南高原和祁连山地，这与韩炳宏等[32]在青藏高原地区甘南和祁连山部分的研究结果相一致。甘南高原属于高原性大陆气候，大部分地区海拔3 000 m以上，阴湿寒冷是其主要气候特点。该地光照充足，但是热量较低，光能利用率低，气温成为制约草地植物生长的主要因素[33]，所以甘南高原形成了以高寒草原、高寒草甸和山地草甸为主的草地类型，气温的变化将直接影响甘南高原草地NPP的高低。

伴随着经济的发展，人类活动对草地NPP也存在着一定的影响。面对日趋严峻的生态问题，1990年以来，我国开始实施一系列退耕还林还草生态恢复工程，而黄土高原则是重点实施区域之一。2003年甘肃、四川等8个省区开始推行退牧还草计划，2005年甘肃省政府进一步加强了退牧还草工程管理[34]。修丽娜等[35]的研究表明，2000—2015年黄土高原区草地植被情况显著改善，尤其是甘肃省境内的区域人类活动促使植被不断恢复。本研究也发现从2000年开始甘肃省草地NPP逐年增加，除气象因素外，人类活动也影响着草地NPP的增加。另外，2011—2015年，中央财政每年在内蒙、宁夏、甘肃等8个主要草原省区拨款134亿元实施草原生态保护补助奖励政策[36]；2016年开始，甘肃省再次成为实施第二轮(2016—2020)草原生态保护补助奖励政策的省份之一[37]。甘肃省草地NPP分别在2010年、2015年以后呈现上升趋势，说明该政策在草地生态保护中起到了推动作用。杨清等[38]的研究也证明牧民对草原生态补助奖励政策的满意度较高，这与该政策实施效果有着直接相关性。同时，三江源国家自然公园和祁连山国家级自然保护区的建立，保护了甘南高原和祁连山地草地生态系统，对草地NPP起到了促进作用。综合近年来甘肃省降水量不断增加、生态工程和国家公园的持续完善，对草地NPP的增加均产生了较为明显的影响。

4 结论

本研究基于MOD17A3 NPP数据在像元尺度上分析了2000—2019年甘肃草地NPP时空变化及与气象因子的响应关系，得出如下结论：2000—2019年，甘肃省草地NPP呈波动上升的趋势，空间上呈现由东南向西北递减格局；不同草地类型中，高寒草原NPP变化最小，暖性灌草丛变化最大；草地NPP整体呈现高波动性，显著增加的面积占总草地面积的75.70%；草地NPP与年降水量的相关性明显高于气温的相关性，其中，温性草原NPP与降水量的相关性最高，温性荒漠草原次之，高寒草原最小；生态工程对草地NPP具有促进作用，需长期实施。另外，甘肃省草地类型较多，对于不同的草地类型在实施草原生态补助奖励政策时应更加精准，做到因地制宜、因时制宜和因草地类型制宜。