閩江贛江上游流域長時間序列NPP變化分析

陳 珂, 楊勝天, 候 鵬, 吳琳娜,3, 管亞兵, 劉曉林

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院 遙感科學國家重點實驗室 北京市環境遙感與數字城市重點實驗室,北京 100875; 2.環境保護部 衛星環境應用中心, 北京 100094; 3.貴州大學 資源與環境工程學院, 貴陽 550025)

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閩江贛江上游流域長時間序列NPP變化分析

陳 珂1, 楊勝天1, 候 鵬2, 吳琳娜1,3, 管亞兵1, 劉曉林1

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院 遙感科學國家重點實驗室 北京市環境遙感與數字城市重點實驗室,北京 100875; 2.環境保護部 衛星環境應用中心, 北京 100094; 3.貴州大學 資源與環境工程學院, 貴陽 550025)

閩江和贛江上游流域是閩贛水系的主要水源涵養區，其生態環境好壞直接關系到區域水資源可持續利用；而植被凈初級生產力(NPP)對生態變化具有重要指示作用，因此有必要分析流域長時間序列NPP變化趨勢及原因。通過對閩江和贛江上游流域NPP自1990年以來6期數據的模擬計算，結合DEM和實地考察，發現：(1) 兩流域NPP總體上都經歷了一個快速增長期，且增長最快階段均為1995—2000年，既得益于當地良好的水熱條件，也與政策驅動有關；(2) NPP增長較快地帶主要位于對自然破壞相對較少的高海拔山區和欠發達偏遠地區；(3) 閩江上游流域各期NPP值均高于贛江上游流域，且全流域普遍增長趨勢較贛江上游流域明顯，得益于其更豐沛的降水和更少的植被破壞；(4) 閩江上游流域NPP增長相對持續穩定，贛江上游流域則經歷了兩次波動，應與城鎮化等經濟開發有關。

閩江; 贛江; NPP; 生態; 遙感

植被作為區域生態環境的重要組成部分[1]，其變化能夠直觀地反映生態環境質量的好壞[2]，植被變化的長時間序列監測對于及時掌握研究區生態變化情況[3]、評價生態環境功能[4]、分析生態演變趨勢[5]，進而制定合理的生態發展政策都具有十分重要的意義。鑒于閩江和贛江上游流域植被變化對于兩江水源涵養的重要性[6]，并考慮到兩流域相似的自然地理條件，有必要在長時間尺度下對流域植被變化主要指標進行監測與對比分析，揭示兩流域植被變化及其差異的原因。通常對植被變化的監測和評價指標有葉面積指數、植被覆蓋度、植被凈初級生產力等[7]。以往受數據獲取的制約或囿于模型構建不足，對閩江和贛江流域植被變化的研究并不多，李慧[8]采用CASA模型基于2005年MODIS數據對福建省森林生態系統NPP進行了模擬計算；謝曉華等[9]對閩江流域植被覆蓋度變化進行了專門研究，但研究僅基于1986年和2003年兩期TM數據；丁慶福等[10]以氣候響應作為切入點，對江西省植被NPP進行了研究，但所用數據的時間跨度也僅為2000—2006年，不能反映NPP長期變化趨勢。近年來，隨著遙感技術的發展，使得大空間范圍多指標綜合反演植被變化成為可能[11]，大大促進了對流域生態環境變化的研究[12]。考慮到對植被長勢的變化分析，需要相對長時間觀測數據的支撐[13]，而植被凈初級生產力(NPP)是表征植被活動的關鍵變量[14]，對植被長勢和生態系統質量具有重要的指示作用[15]，以及主要衛星產品數據獲取的時效限制與原始數據質量制約，本文選用了1990—2013年共6期TM遙感影像數據，基于EcoHAT生態水文模型系統對閩江和贛江上游流域植被NPP進行了流域尺度的計算分析。

1　研究區概況

研究區包括閩江上游流域和贛江上游流域。

閩江上游流域地處福建省西北部，地理位置為116°23′—119°35′E，25°23′—28°16′N，面積約4.3萬km2，地形大致呈扇形展開，海拔最高處超過1 600 m，為全省地勢最高地帶，除河谷外，幾乎全為山地、丘陵。流域內溪流眾多，主要包括沙溪、富屯溪和建溪3大支流，水量豐富。上游山區因距海岸較遠，屬大陸性氣候，年平均氣溫為16～19℃，無霜期達8～9個月，全年雨日超過180 d，多年平均降水量為1710 mm，降雨主要集中在3—9月，水熱條件較好。土壤以紅壤、灰棕壤為主，土層深厚，腐殖質含量高，極利于林木生長；主要植被類型為常綠闊葉林、針葉闊葉混交林、針葉林、竹林等。

贛江上游流域位于江西省南部，地理位置為113°54′—116°38°E，24°29′—27°09′N，為我國東南沿海地區向中部內陸延伸的過渡地帶。贛江上游流域研究區域面積約3.57萬km2，境內河網密布，主要支流有湘水、章水、琴江、梅江、平江、桃江和上猶江等；該區地形復雜多樣，地貌以丘陵、山地為主，地勢四周高，中間低；四周山地多黃壤和黃棕壤，其余丘陵崗地均以第四紀紅壤為主，兼有少量紫色土，紅黃壤土層深厚；區內屬亞熱帶氣候，年平均氣溫18.9℃，多年平均降水量1 626.8 mm，降水主要集中在5—10月。區內水力、森林、生物和礦產資源豐富；植被以常綠闊葉林為主，邊緣山區植被良好，中部丘陵較差，為水土流失的主要地區。

2　數據獲取

(1) 遙感數據。通過USGS(http:∥glovis.usgs.gov/)獲取Landsat5 TM數據(1990年、1995年、2000年、2005年、2010年)、Landsat8 OLI_TIRS數據(2013年)，經校正、裁剪和拼接后，用于葉面積指數和植被蓋度計算。

通過中國資源衛星應用中心(http:∥www.cresda.com/n16/index.html)，獲取2010年30 m影像數據，用作幾何校正基準影像。

(2) DEM數據。通過地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn/)，獲取研究區30 m DEM數據，用于植被凈初級生產力計算。

(3) 氣象數據。通過中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，獲取日照百分率、平均水汽壓、降水量、溫度等屬性數據，用于植被凈初級生產力計算。

3　研究方法

采用EcoHAT生態水文模型系統結合TM遙感影像數據，對研究區植被信息進行提取和計算，并對計算結果在野外實地考察和模型驗證基礎上進行修正分析。

3.1EcoHAT模型簡介

EcoHAT模型是由北京師范大學遙感科學國家重點實驗室開發的一個完全分布式的生態水文過程綜合模擬模型，其構建主要基于國內外具有物理化學機制的生態水文過程模型，通過對模型調整，采用適合中國自然條件的參數，建立本地化的數據庫。EcoHAT模型通過區域空間網格參數的輸入，實現基于象元的模擬運算。

EcoHAT模型由水分循環、營養元素循環和植物生長3大部分組成，其中植物生長過程包括對植被營養元素吸收、歸一化植被指數(NDVI)、葉面積指數(LAI)、植被覆蓋度、植被凈初級生產力(NPP)、生產力分配和凋落物等的模擬計算。EcoHAT模型集成了參數管理工具、遙感參數反演工具、模型定制工具、GIS分析工具，通過耦合遙感空間信息反演和參數管理的生態水文過程模型，構建生態水文分析系統。

3.2遙感參數反演

EcoHAT模型系統所采用的CASA模型是目前國內使用較多的光能利用率模型，綜合考慮了氣溫、降水、土壤蒸發等因素。模型中NPP的估算由植物光合有效輻射(APAR)和實際光能利用率(ε，單位：g/MJ，以C計算g)兩個因子來實現，具體估算公式為：

NPP=ε×APAR

(1)

APAR的值由植被吸收的太陽有效輻射和植被對入射光合有效輻射的吸收比例來確定：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)式中：APAR(x,t)——像元x在t月吸收的光合有效輻射[MJ/(m2·月)]；SOL(x,t)——t月在像元x處的太陽總輻射量[MJ/(m2·月)]；FPAR(x,t)——植被層對入射光合有效輻射的吸收比例，常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例。

太陽總輻射可通過最大晴天總輻射量和日照百分率的經驗公式估算[16]：

Q=Q0[a0+b0(n/N)]

(3)式中：Q——太陽總輻射量(MJ/m2)；Q0——最大晴天總輻射量(MJ/m2)；n/N——日照百分率(可登陸中國氣象數據共享網下載)；n——實照時數；N——可照時數；a0=0.207，b0=0.725，為常數系數，隨地區不同而有所變化，依據侯光良等[17]的研究成果進行選取。

侯光良等通過對最大晴天總輻射量進行分析，發現其與地理緯度、海拔高度和地面絕對濕度(反映大氣透明狀況的影響)有著緊密關系，推算得出計算逐月最大晴天總輻射量Q0i(MJ/m2)的多元一次線性回歸方程：

Q0i=C0i+C1i×Lat+C2iH+C3ied

(4)

式中：Lat——地理緯度(度)；H——海拔高度(m)；ed——平均絕對濕度(hPa)；C0i，C1i，C2i，C3i——隨季節變化的系數。

3.3模型驗證

首先，結合2013年TM影像解譯圖對研究區進行了實地考察，兩流域共選擇主觀測樣本點43個，輔助觀測樣本點64個，除了5個主觀測樣本點因土地利用變化需要調整外，其他樣本點與解譯結果一致，解譯精度達到95%以上，有效支撐其他年份影像解譯精度。

鑒于模型模擬值時間跨度較長，對計算結果采用與相關學者的已有研究成果進行參考驗證的方式。驗證值中1990年參考朱文泉等[15]的研究成果，1995—2005年閩江上游流域參考李慧[8]對福建省森林生態系統NPP的研究成果，1995年贛江上游流域參考孫睿等[14]的研究成果，2000年和2005年贛江上游流域參考丁慶福等[10]研究成果，2010年和2013年暫缺驗證參考值，具體數值參見表1。

表1研究區NPP模擬值與驗證參考值對照表g C/m2

項目1990年1995年2000年2005年2010年2013年閩江上游NPP模擬值712.54820.021050.631185.711354.051464.27閩江上游NPP驗證參考值550～850790.22887.33818.59——贛江上游NPP模擬值596.99576.50878.671003.89946.611214.63贛江上游NPP驗證參考值550～700500～750701～1100701～1100——

由表1可見，2000—2005年閩江上游流域模擬值高于驗證參考值100～200 g C/m2，主要是因為參考值代表的是全省森林的平均值，而閩江上游流域為福建省NPP最高的區域；其他有值年份模擬值基本均在驗證參考值取值范圍內且接近于參考值域區間均值。將模型模擬值與驗證參考值(對值域區間的數值取平均值)進行相關性擬合發現，模擬值與驗證參考值之間具有很好的線性相關度(圖1)，模型計算結果可以接受。

4　結果與分析

4.1NPP隨時間變化趨勢

如圖2所示，閩江和贛江上游流域1990—2013年植被凈初級生產力(NPP)總體均呈上升趨勢。1990—2013年贛江上游流域各期NPP均低于閩江上游流域，而且兩流域NPP變化趨勢線斜率相差不大，反映出兩者1990—2013年總體保持了大致相同的增長幅度和趨勢，但閩江上游流域NPP增速略快于贛江上游流域。

圖1　模型模擬值與驗證參考值相關性

圖2　閩江贛江上游流域NPP變化趨勢

贛江上游流域NPP在計算期間出現兩次下降，分別是1995年比1990年降低20.49 g C/m2，2010年比2005年降低57.28 g C /m2；其他年份數據增幅為125.22～302.17 g C /m2，1995—2000年增幅最大；閩江上游流域NPP增長趨勢則相對平穩和持續。

4.2NPP空間變化情況

4.2.1閩江上游流域NPP空間變化情況通過對比閩江上游流域1990—2013年6期TM影像，結合DEM數據與實地考察分析，發現期間流域NPP變化(附圖10)在空間上呈現以下特點：

(1) 1990—2013年研究區植被NPP在空間分布上逐漸擴展，1995—2000年增加面積較大，整個流域呈現出整體普遍增加趨勢，并且1995—2000年也是各期NPP增幅最大的區間。NPP增加較快的區域主要分布在流域海拔大于800 m的北部，海拔大于500 m的西北部及中部。

(2) 各期流域范圍內各縣市NPP均有增加，在流域西北部相對偏遠的地區如光澤縣、邵武市、建寧縣、泰寧縣和將樂縣北部多分布海拔高于800 m以上的高山陡坡，增長尤為明顯。

(3) 主要城鎮如三明、沙縣、永安、清流、寧化、建寧、明溪、泰寧、邵武、光澤、順昌等的周邊地區NPP也呈逐年增長的趨勢。

4.2.2贛江上游流域NPP空間變化情況通過對比贛江上游流域1990—2013年6期TM影像，結合DEM數據與實地考察分析，發現期間流域植被NPP變化(附圖11)在空間分布上逐漸擴展。主要表現為：

(1) 1990—2013年流域中部至南部從于都、贛州到信豐一線植被NPP承載面積增加較為明顯；而流域周邊各縣則主要表現為在原有承載區基礎上NPP數值增加明顯。

(2) 1995—2000年NPP增幅在各期中最快，表現為全流域普遍增長；2000—2005年NPP增加的區域主要分布在流域西部、南部和東部的山區；而2010年相對于2005年NPP略有降低，主要分布于流域中部贛州市、南康市和偏南部的信豐縣城鎮周邊地區。

(3) 在西部靠近井岡山及湖南的地區，NPP增長相對持續穩定。

(4) 中部以贛州為核心的相對平緩區域，2000年以后到2010年期間，NPP顯著減少，而在2010年后，得到較快恢復。

4.3閩江和贛江上游流域NPP變化比較分析

4.3.1閩江和贛江上游流域NPP變化比較1990—2013年兩流域植被NPP變化相似之處主要有以下幾方面：(1) 1990—2013年閩江上游流域和贛江上游流域植被NPP總體上都經歷了一個快速增長的時期，各自從1990年的712.54，596.99 g/m2增長到2013年的1 464.27，1 214.63 g/m2；(2) 總體而言，兩流域具有大致相同的增長幅度和趨勢，且增長幅度最快的區間均在1995—2000年；(3) NPP增長較快的地帶均主要位于海拔較高的山區和經濟相對落后的地區(如閩江上游流域的西北地區和贛江上游流域西部靠近井岡山及湖南的地區)。

1990—2013年兩流域植被NPP變化不同之處主要有以下幾方面：(1) 閩江上游流域NPP值每期均高于贛江上游流域；(2) 閩江上游流域NPP增長總體略快于贛江上游流域；(3) 閩江上游流域NPP增長趨勢較平穩，沒有明顯的波動。贛江上游流域則于1995年和2010年各出現過一次下降，幅度為3.43%和5.7%；(4) 閩江上游流域NPP全流域普遍增長的趨勢較贛江上游流域更為明顯，其覆蓋了中心城鎮的周邊。

4.3.2閩江和贛江上游流域NPP變化共同點分析

(1) 從空間變化來看，閩江上游流域NPP總量自1990年以來呈現持續增長的特點，而且NPP高值區主要分布于閩西高山偏遠地區，與李慧[8]的計算和調研結果一致。1989年整個流域開始實施防治水土流失工程，20世紀90年代福建省成為全國第二個消滅荒山的省份[18]，2003年又成為第一批推行集體林權制度改革的試點省[19]，直到2010年全省開展有效增加植被覆蓋面積的“四綠”工程和“大造林”活動[20]，這一系列政策對植被增長發揮了極為重要的驅動作用。

(2) 自20世紀80年代以來，江西省實施的“山江湖庫工程”對流域生態健康的回饋效應[21]是推動贛江流域植被NPP增長的長期有利因素。

(3) 兩流域在1995—2000年期間NPP增幅均為各期最大，應與1998年國家倡導的退耕還林政策影響有關[22]。

(4) 贛江流域西部靠近井岡山及湖南的地區，屬于傳統的農業耕作地帶，生態受破壞較少，NPP一直處于良好的穩定增長狀態，與李鑫等[23]的研究結論相吻合。

4.3.3閩江和贛江上游流域NPP變化不同點分析

(1) 閩江上游流域靠近沿海，高程從接近海平面急遽抬升到500～1 600 m，降水相對于武夷山分水嶺另一側同屬亞熱帶的贛江上游流域更為頻繁豐富，閩江流域多年平均降水量為1 710 mm，且上游流域降水量最小值高達1 686 mm[24]，而贛江流域多年平均降水量僅為1 626.8 mm[25]，在土壤質地相似的條件下[26]，閩江上游流域更有利于林木生長，NPP增長也更快、范圍更廣、總量更大。

(2) 贛江上游流域1995年相對于1990年經歷了一個小幅的NPP減少過程，從空間上看，主要分布于興國、贛州、南康等城鎮周邊，應與當地經濟結構調整和城鎮擴展有關，1995年之前幾年，為“呼應大京九、建設新贛州”，規劃建設了12 km2章江新城區，僅新增道路就達7萬m2[27]；而流域中部以贛州為核心的新興工商業城市在2000年以后，尤其是2005—2010年期間經歷了一個快速的城市擴張過程[28]，恰好與模擬的植被NPP空間變化情況相一致。

(3) 在2010年后，隨著江西全省推動大規模植樹造林的“一大四小”工程，全流域植被得到較快恢復[29]，NPP也相應增長較快。

(4) 兩流域自然條件及相關政策的差異，是導致閩江上游流域與贛江上游流域植被NPP增長速度、范圍和總量不同的重要因素。

5　結 論

(1) 閩江上游流域和贛江上游流域植被NPP總體上都經歷了一個快速增長的時期，且增長最快時期均為1995—2000年；主要原因一方面歸結于當地良好的水熱條件，另一方面也與政策驅動有關。

(2) 從空間變化上看，兩流域NPP增長較快的地帶主要位于生態破壞相對較少的高海拔山區和欠發達偏遠地區(如閩江上游流域的西北地區和贛江上游流域西部靠近井岡山及湖南的地區)。

(3) 閩江上游流域NPP各期值均高于贛江上游流域，且呈現全流域普遍增長的特點，得益于閩江流域降水更為豐沛、也更注重對植被的保護與恢復。

(4) 閩江上游流域NPP增長相對持續穩定，而贛江上游流域則經歷了兩次下降；主要原因在于閩江上游流域地勢多高山陡坡，加上政策的因素，有利于生態保護和恢復，贛江上游流域地形相對平緩，城鎮擴張等經濟開發力度較大。

閩江及贛江上游流域是我國境內植被覆蓋較高、增長較快的地區，通過對1990—2013年6期TM影像的模擬分析，結合DEM數據和實地考察，發現兩大流域植被NPP在過去20多年盡管由于各自自然條件及政策原因，表現出不同的變化特點，但總體都得到較快較大增長，綜合反映了閩江及贛江上游流域生態環境質量總體變好的趨勢。然而要更深入揭示兩流域NPP變化不同特點的機理，還需要更全面數據的支持，以及更多角度的分析。

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Long Series Analysis on NPP Variation in the Upper Minjiang River Basin and the Upper Ganjiang River Basin

CHEN Ke1, YANG Shengtian1, HOU Peng2, WU Linna1,3, GUAN Yabing1, LIU Xiaolin1

(1.StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,BeijingKeyLaboratoryforRemoteSensingofEnvironmentandDigitalCities,Beijing100875,China;2.SatelliteEnvironmentCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100094,China;3.CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

The upper Minjiang River basin and the upper Ganjiang River basin are the important source water conservation districts of the Minjiang River and the Ganjiang River. The qualities of their ecological environments are directly related to the sustainable utilization of local water resources. The vegetation net primary productivity (NPP) has an important indicative function for ecological change. Thus, it′s necessary to analyze NPP′s long series change trends and reasons. It′s found through 6 phases of simulated NPP in the two basins since 1990 and by comparative analysis combined with DEM and fieldwork that: (1) in general, NPP in the two basins had experienced a period of rapid growth and the period from 1995 to 2000 was the fastest growth phase, which benefited from local good hydrothermal conditions and the driving force from policy as well; (2) the zones that NPP grows quickly are mainly located at higher elevations in the mountains and the underdeveloped wild areas, which is mainly due to the relatively little anthropogenic interference; (3) the NPP value for each phase in the upper Minjiang River basin was higher than that in the upper Ganjiang River basin and the former′s general growth trend was also more obvious than the latter, which was mainly due to more abundant rainfall and less damage to vegetation in the upper Minjiang River basin; (4) the NPP growth in the upper Minjiang River basin is relatively steady, while it experienced two swings in the upper Ganjiang River basin, which should be attributed to local urbanization and other economic development.

Minjiang River; Ganjiang River; NPP; ecology; remote sensing

2014-03-03

2015-03-17

水利部公益性項目(200901022-01,201101037);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(HKY-JBYW-2013-22)

陳珂(1975—),男,貴州織金人,博士研究生,研究方向為水資源與水環境遙感。E-mail:chenkebj2000@sina.com

楊勝天(1965—),男,貴州貴陽人,教授,博士生導師,主要從事水資源與水環境遙感研究。E-mail:yangshengtian@bnu.edu.cn

X87; X171

A

1005-3409(2016)01-0155-05