三江源生態系統近10年凈初級生產力估測

張穎　陳懷艷++李建龍

摘 要：為揭示三江源地區近10年來生態系統植被凈初級生產力（NPP）的演變規律，借助研究區域的氣溫、降水等氣象數據及MODIS遙感數據，應用CASA模型估算了三江源生態系統2001—2010年間的NPP，分析了NPP的時空變化格局。結果表明： 2001—2010年間三江源生態系統NPP呈現由西北向東南逐漸遞增的趨勢，10年平均NPP為169.02 g·m-2·a-1，變化范圍為159.53～176.25 g·m-2·a-1；10年來三江源草地NPP呈減少趨勢，減少速度為0.69 g·m-2·a-1，減幅為4.77%。研究結果可以為三江源地區生態資源的有效管理與合理利用提供理論依據。

關鍵詞：三江源生態系統；凈初級生產力；CASA；NPP時空動態

中圖分類號：Q147 文獻標識碼：A DOI 編碼：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

三江源位處我國青藏高原的腹地，是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發源地，素有“中華水塔”之稱[1]。該區對氣候變化敏感，生態環境脆弱，是我國最重要的生態功能區之一。近年來有不少學者借助遙感數據模擬的植被凈初級生產力（NPP）來開展植被退化研究[2-5]。NPP指單位時間內，單位面積上植被所積累的有機干物質的總和，是光合作用所吸收的碳和自養呼吸所消耗的碳之間的差值[6]。植被生產力下降是植被退化的重要表現，而NPP是反應生態系統中植被生產力狀況的一個重要指標[7]。

本研究借助2001—2010年間三江源地區的氣象數據和遙感數據，采用CASA模型對三江源草地凈初級生產力進行估算，并分析其時空分布動態，旨在揭示三江源草地NPP的演變規律，為實現三江源地區生態資源的有效管理與合理利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

三江源地區位于青海省南部，地理位置處于31°39′～36°12′N、89°45′～102°23′E之間。源區總面積為30.25萬km2，平均海拔4 400 m左右。該區為典型的高原大陸性氣候[7]，冷熱兩季交替，干濕兩季分明。全年平均氣溫-5.6～3.8 ℃，年平均降水量為262.2～772.8 mm，植被生長季為5—9月。

1.2 氣象數據

氣象數據采用2001—2010年的三江源及其周邊50個標準氣象站點的月平均溫度和月降水量等資料，數據來自中國氣象科學數據共享服務網（網址：http：//cdc.cma.gov.cn）。根據各氣象站點的經緯度信息，選用Kriging空間插值方法，獲取與NDVI數據統一像元和投影的氣象數據柵格圖層。通過ArcGIS10.0的掩膜剪裁工具，剪取三江源地區月平均溫度、月降水量及太陽總輻射的柵格圖層。

1.3 遙感數據

遙感數據采用MODIS影像，2001—2010年MODIS/Aqua NDVI—Monthly—L3，分辨率250 m，數據來自于https：//wist.echo.nasa.gov/api/。對原始數據投影轉換，空間拼接和重采樣，并采用最大合成法（MVC）得到月NDVI數據，最后剪取三江源地區2001—2010逐月NDVI的柵格圖層。

1.4 方 法

1.4.1 NPP的估算 CASA （Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型是一種光能利用率模型，模型通過衛星遙感數據提供的NDVI來估算太陽輻射中被植被吸收的光合有效輻射 （APAR），并結合植被對太陽光能的利用效率 （ε） 來模擬植被干物質的增加量（NPP）。其公式如下：

式中，APAR （x， t）為單個像元x在t月份的光合有效輻射，ε （x， t）表示單個像元x在t月份的實際光能利用率，兩者的具體計算公式參見文獻[7]。

1.4.2 NPP年季變化率的計算 筆者采用年季變化率來逐像元地分析2001—2010年間的三江源植被NPP的時間變化規律，年際變化率用一元線性回歸方程的趨勢線斜率來表示，應用最小二乘法求得，公式如下：

式中，θslope為NPP年季變化率，n為研究時段的年數，NPPi為第i年的植被NPP，θslope為正數表示NPP上升，為負則表示NPP下降。

2 結果與分析

2.1 結果驗證

不同模型模擬的植被NPP值往往存在較大差異，因此，文本選擇與本研究具有相同或相似研究區域，并同樣應用CASA模型的前人研究結果[9-11]與本文結果進行了比較（表1），對比結果顯示，本研究結果與其它研究結果非常接近，具有較高的可靠性。

2.2 NPP空間分布特征

從三江源整個區域來看（圖2），植被NPP空間分布呈現出較大的差異。2001—2010年間三江源全區植被凈初級生產力的均值為169.02 g·m-2·a-1，呈現由東南向西北遞減的分布特征。在100°E以東的澤庫、河南、瑪沁、同德、久治、班瑪等縣，以及32.5°N以南的玉樹縣、囊謙縣的NPP值較高，大多在250～350 g·m-2·a-1，個別地區如班碼縣和囊謙縣的南端，NPP可達350 g·m-2·a-1以上。

2.3 NPP時間變化特征

2001—2010年三江源區NPP月季變化如圖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月達到最高（37.59 g·m-2·a-1）。

2001—2010年三江源植被NPP總量年際變化如圖3b所示。由圖3可知，10年間NPP年總量具有減少的趨勢，從2001年的168.40 g·m-2·a-1，減少到2010年的g·m-2·a-1，減幅為4.77%，速度為-0.69 g·m-2·a-1，但顯著性水平P=0.282，說明該趨勢并不顯著。NPP最高年份為2006年，達到176.25 g·m-2·a-1，最低的是2008年，為159.53 g·m-2·a-1，波動范圍為4.28%～5.61%。

2001—2010年三江源植被年均NPP變化趨勢（圖4）顯示，三江源NPP年際變化率存在著明顯的地域差異，NPP增長速度較快的地區主要分布在興海、同德、庫澤縣的北緣，及曲麻萊和治多縣的部分地區；NPP快速減少的地區分布在南部的囊謙、玉樹、稱多縣，以及興海、同德、瑪沁三縣交匯處。占全區面積59.03%的區域的NPP呈現出下降的趨勢。

氣候變化尤其是降水量和溫度的變化，對于陸地植被的生長有著重要的影響。三江源地區總體處于濕潤半濕潤氣候區，低溫是植被NPP主要的限制性氣候因子。近數十年來，尤其是進入21世紀后，三江源地區有顯著的變暖趨勢[8]，升溫趨勢有利于三江源植被的恢復[12]。除氣候因子外，人類活動也是影響植被NPP的重要因素，從2001—2010年的三江源NPP的模擬結果看，半數以上地區的植被呈現出退化趨勢，尤其是三江源東部及南部地區NPP下降比較明顯的地區，也是三江源人口密度較大的地區。

近年來，國家在三江源開展的一系列生態保護項目和工程建設，雖然在部分地區植被恢復取得一定的成績[9， 13-16]，但整體來看依然任重而道遠。應該繼續加大草地保護力度，促進當地生態環境盡快恢復。尤其對于三江源東部及南部人口密度較大的地區，如何解決人地矛盾，實現社會經濟與生態環境的可持續性發展是亟需解決的問題。

3 結 論

3.1 三江源植被生態系統NPP空間格局

2001—2010年三江源植被多年平均NPP為169.02 g·m-2·a-1，空間分布呈現由東南向西北遞減的特征。經驗證，模擬結果可靠。

3.2 三江源植被生態系統NPP時間格局

全年的植被NPP集中在5—9月份，占全年NPP的77.75%，在7月達到最高。2001—2010年間，三江源草地NPP呈微弱的減少趨勢， 減幅為4.77%，減少速度為-0.69 g·m-2·a-1，波動范圍為4.28%～-5.61%。占全區面積59.03%的區域的NPP呈現出下降的趨勢，三江源東部及南部地區NPP下降比較顯著的地區。應該繼續加大對三江源的生態保護力度，促進生態環境盡快恢復。

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