張掖市典型綠洲農田生態系統生產力時空分布特征

師銀芳, 趙 軍, 李傳華

(1.西北師范大學 地理與環境科學學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省遙感重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

張掖市典型綠洲農田生態系統生產力時空分布特征

師銀芳1,2, 趙 軍1, 李傳華1

(1.西北師范大學 地理與環境科學學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省遙感重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 以甘肅省張掖市甘州區典型綠洲為例，研究綠洲農田生產力的時空格局及其全球變化對農田生產力的影響，為區域農業資源管理決策與規劃提供決策依據。 [方法] 利用MOD17A3 NPP產品、氣象數據及甘州區農業統計等數據，結合GIS空間分析技術開展研究。 [結果] 甘州區不同農田類型凈初級生產力(NPP)均值最小值均出現在2001年，最大值出現在2007年。甘州區農田凈初級生產力年均值變化范圍為109.3～420.5 g/(m2·a)，其分布特征與農田類型的空間分布基本一致；同一農田類型，高海拔區農田生產力小于海拔較低區，即農田生產力的大小是由農田類型及海拔高度共同決定的。NPP變化趨勢存在明顯的空間異質性，農田生產力增加的面積占總面積的40.9%，主要是旱地和高海拔地區的水澆地。海拔1 800 m以上的旱地和水澆地年降水量的增加趨勢遠大于平均氣溫，其NPP呈明顯的增加趨勢。 [結論] 近10 a來甘州區農田生態系統生產力存在明顯的時空差異，整個旱地和水澆地年均NPP呈增加趨勢，水田年均NPP呈下降趨勢。

農田生態系統; NPP; MOD17A3; 時空特征; 典型綠洲

文獻參數： 師銀芳, 趙軍, 李傳華.張掖市典型綠洲農田生態系統生產力時空分布特征[J].水土保持通報，2017,37(2)：120-125.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.017； Shi Yinfang， Zhao Jun， Li Chuanhua. Spatial-temporal Distribution Characteristics of Farmland Ecosystem Productivity of Typical Oasis in Zhangye City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：120-125.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.017

全球氣候變化是人類迄今面臨的最大的環境問題，也是21世紀人類面臨的最復雜的挑戰之一。而中國政府長期以來高度重視的糧食安全及農業生產與全球變化密切相關[1-3]。因此，開展農田生態系統生產力的時空格局及特征研究，不僅有利于對農田承載力進行估算，為農田的合理利用和科學管理提供依據，而且認識農田生態系統生產力變化的主導控制因素對農業可持續發展和糧食安全對策的中長期規劃具有重要的意義。農田生態系統是在人類干預和控制下形成的人工生態系統，受人類干擾最為嚴重，與人類日常生活聯系也最為密切[4]。凈初級生產力(net primary productivity， NPP)是能夠以統一的尺度標準體現生態系統生產力，能夠避免以作物產量衡量農田生產力時由于農業機構調整、作物品種變化等干擾，是衡量農田生態系統生產力的一個很好指標[5]。而農田生態系統凈初級生產力代表著農田生態系統固定大氣CO2的能力，是陸地生態系統碳循環的重要組成部分[6-8]。隨著遙感技術的不斷發展，利用遙感技術進行農田NPP的研究已成為一種趨勢。國內很多學者利用遙感數據對農田生產力進行了研究，主要包括3個方面：一方面利用統計數據來研究農田NPP，如莫宏偉等[9-11]利用農業統計數據對農牧交錯區及區域尺度的農田生產力的時空格局及影響因子進行研究，表明農田存在明顯的區域差異。另一方面利用遙感數據和NPP模型來模擬農田NPP，如閆慧敏等[3]利用NOAA/AVHRR遙感數據分析了中國農田生產力變化的空間格局及地形控制的作用，表明農田生產力降低與地形起伏度密切相關；劉文超等[12]采用GLO-PEM模型和VPM模型模擬了陜北地區農田生產力，并分析了耕地變化對農田生產力的影響。第三，直接利用NPP產品來研究農田NPP的變化及其影響因素，如羅玲等[13]利用MOD17A3 NPP產品對松嫩平原農田生產力時空特征與影響因素進行研究，表明松嫩平原水田與旱田總體均呈微弱的下降趨勢，降水是影響研究區農作物生產的主要因素；朱峰等[14]利用MODIS NPP產品、土地利用數據及氣象數據研究了東北地區農田NPP的時空特征及變化規律。綜上可知，借助遙感手段研究農田生態系統生產力已成為一種趨勢，而利用MODIS NPP數據產品研究農田生產力已得到廣泛應用。因此，為了更全面的了解全球變化背景下農田生態系統生產力狀況，在眾多學者的研究基礎上，以典型綠洲甘州區為例，利用MOD17A3 NPP數據，結合GIS空間分析技術，研究綠洲農田生產力的時空格局及其全球變化對農田生產力的影響，為區域農業資源管理決策與規劃提供決策依據。

1 研究區概況

研究區選擇在甘肅省河西走廊中部的甘州區，位于東經100°6′—100°52′，北緯38°32′—39°24′。南依祁連山，北鄰內蒙古阿拉善右旗，東連金昌，西接酒泉。東西長約65 km，南北寬約98 km，總面積約4 240 km2。年平均降水量約115 mm，蒸發量2 047 mm，日照時數3 085 h左右，平均海拔約1 474 m。甘州區屬溫帶大陸性氣候，地勢平坦，土地肥沃，水源豐富，日照充足，氣候溫和，是典型的綠洲農業和大型灌溉農業區，主要以水澆地為主，因此，合理的水肥配合是提高產量的有效措施[15]。甘州區主要盛產小麥、玉米、豆類及各種蔬菜，是全國重點商品糧基地之一。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源及處理方法

研究數據主要包括：(1) NPP數據 MOD17A3影像數據，空間分辨率為1 km×1 km，利用MRT對數據進行拼接、裁剪、投影等預處理； (2) 土地利用數據 張掖市2007年土地利用/土地覆蓋數據集及土地調查資料，來源于國家自然科學基金委員會寒區旱區科學數據中心，根據其得到甘州區農田類型數據； (3) 氣象數據 張掖市及周邊氣象站的日平均氣溫、降水量數據，來源于中國氣象科學數據共享服務網； (4) DEM數據 ASTER GDEM數據，其空間分辨率為30 m(http:∥www.nasa.gov/)； (5) 農業統計數據 收集2001—2010年甘州區農業統計數據，來源于張掖市統計年鑒資料。

2.2 研究方法

(1) 甘州區農田生產力分級方法。由于各農田類型作物產量的差異，采用像元尺度的距平分析法[16-17]計算不同農田類型NPP的距平百分率，計算公式為：

(1)

(2) 農田生產力年際變化趨勢的計算。以像元為基礎，利用一元線性回歸趨勢線分析法模擬2001—2010年甘州區農田生態系統NPP每個柵格像元的變化趨勢，用來反映不同時期NPP變化趨勢的空間特征。計算公式[18]為：

(2)

式中：θ——甘州區農田NPP的趨勢斜率；n——監測時間段的年數； NPPi——第i年NPP的平均值。θ>0

表示NPP呈增加趨勢，反之則表示NPP是減少的。

3 結果分析

3.1 甘州區農田生態系統NPP驗證

根據甘州區農業統計數據，估算甘州區農田NPP，并對NPP模型模擬結果進行驗證。根據不同農作物收獲部分的含水量、收獲指數、產量及播種面積，得到甘州區農田NPP，其轉換方法[17,19]為：

(3)

式中：Yi——第i種農作物的產量；MCi——第i種農作物的含水率；HIi——第i種農作物的收獲指數； Ai——第i種農作物的播種面積； 0.9——作物收獲指數的調整系數； 0.45——將NPP轉換為植物地上生物量的碳轉換系數。參考國內外相關研究成果，主要農作物收獲指數和含水率[20-21]詳見表1。

表1 主要農作物的收獲指數和含水量

采用上述方法，應用2001—2010年甘州區農業統計數據計算得到的NPP與遙感估算的NPP進行比較，結果如圖1所示。由公式(3)可知，NPP是農作物產量和面積的函數，與作物產量成正比，與農作物播種面積成反比。可以看出，由統計數據估算得到的NPP與由遙感模型估算的農田NPP之間存在較好的擬合關系，R2為0.467。考慮到只用農田NPP驗證，數據較少，為保證驗證的可靠性，分別統計水田及其他農田類型的NPP，R2均達到0.36以上，擬合效果較好。綜上表明MODIS遙感模型估算結果能夠較準確地反映甘州區農田生產力的實際情況。

圖1 MODIS NPP模擬值與由統計數據計算的NPP比較

3.2 甘州區農田生態系統生產力的時間變化

根據2001—2010年甘州區NPP數據及土地利用數據，得到不同類型農田的NPP，結果如圖2所示。甘州區農田由水田、水澆地和旱地組成，其中水澆地面積占農田總面積的97%；2001—2010年水澆地的年均NPP變化范圍為280.9～334.2 g/(m2·a)，10 a平均NPP為311.5 g/(m2·a)；水田和旱地面積遠小于水澆地，近10 a水田的年均NPP為338.6 g/(m2·a)，略高于水澆地，旱田的NPP變化范圍為100.7～201.0 g/(m2·a)，均小于水澆地和水田的多年NPP最小值。從變化趨勢看，2001—2010年甘州區水澆地和水田NPP均值的各年變化步調一致，就時間角度而言，水澆地NPP呈上升趨勢，水田NPP有輕微的下降趨勢。近10 a來水田NPP均值均大于水澆地和旱地NPP，不同農田類型NPP均值最小值均出現在2001年，最大值出現在2007年。

圖2 甘州區2001-2010年不同農田類型NPP均值變化

為了進一步分析各年農田生產力的變化，分別統計2001—2010年農田NPP的最大值、最小值及均值，結果如表2所示。從時間角度看，甘州區農田NPP最大值、最小值及均值變化存在明顯的差異；2001—2010年農田NPP最小值出現在2005年，其值為58.1 g/(m2·a)；農田NPP最大值出現在2004年，其值為504.3 g/(m2·a)。2001—2010年農田NPP極差變化范圍為275.4～423.1 g/(m2·a)，極差最大值出現在2003年，極差最小出現在2010年。2001年農田NPP均值最小，其值為281.34 g/(m2·a)，農田NPP均值2007年達到最大，為335.30 g/(m2·a)，這與各類型農田NPP均值變化一致。

表2 典型綠洲甘州區農田NPP的時間變化 g/(m2·a)

綜上分析可知，甘州區各類型農田，面積最大的為水澆地，其次為旱地；農田NPP總量貢獻最大的為水澆地，水田次之。2001—2010年，甘州區不同農田類型NPP均值的最小值均出現在2001年，最大值出現在2007年；近10 a來甘州區旱地和水澆地年均NPP呈增加趨勢，水田年均NPP呈下降趨勢。農田NPP極差變化范圍較大，極差最大值和最小值分別出現在2003和2010年，其值分別為423.1，275.4 g/(m2·a)。

3.3 甘州區農田生態系統生產力的空間變化

根據甘州區2001—2010年農田NPP數據，得到農田NPP均值空間分布圖(圖3)。從圖3中可知，整體而言，近10 a甘州區農田NPP年均值變化范圍為109.3～420.5 g/(m2·a)，其分布特征與農田類型的空間分布基本一致。就各農田類型而言，水澆地主要分布在海拔1 400～1 700 m，其NPP大于220 g/(m2·a)；少量分布在海拔1 800 m以上，其NPP值也相對較小；旱地集中分布在甘州區南部地區，海拔1 800 m以上，NPP值小于190 g/(m2·a)；水田主要分布在海拔1 400～1 450 m，其NPP值較大，大于300 g/(m2·a)。

為了進一步分析農田NPP的空間分布差異，根據2001—2010年甘州區農田NPP數據，采用距平分析法，得到不同農田類型距平百分率，并根據距平百分率將農田分為5類：低產農田(<-20%)、較低產農田(-20%～-10%)、中產農田(-10%～10%)、較高產農田(10%～20%)、高產農田(>20%)，得到其空間分布圖(圖3)。由圖3可知，中產和較高產農田所占面積最大，分別占農田總面積的25%和30%；較低產農田所占的面積最少，僅占0.6%；高產農田占農田總面積的17%，這與甘州區農田以水澆地為主是相一致的。

圖3 典型綠洲甘州區農田生產力空間分布及分級

綜上可知，2001—2010年甘州區農田NPP年均值變化范圍為109.3～420.5 g/(m2·a)，其分布特征與農田類型的空間分布基本一致。水田和大部分水澆地主要分布在海拔較低地區，NPP值較大；旱地和少量水澆地分布在高海拔地區(>1 800 m)，NPP值較小，這表明農田生產力的大小是由農田類型及海拔高度共同決定的。

3.4 農田生產力與氣候因子變化趨勢分析

利用甘州區2001—2010年農田NPP數據，根據式(2)計算多年NPP變化趨勢，得到農田生產力變化趨勢空間分布圖(圖4)。從圖4中可知，從空間格局整體分布而言，農田NPP呈增加和減少2種趨勢，其變化率的均值為0.31 g/(m2·a)，旱地NPP增加趨勢較為顯著。局部空間變化而言，農田生產力增加的面積占總面積的40.9%，主要是低產和較低產農田，即旱地和高海拔地區的水澆地；NPP呈輕微減少趨勢的農田主要是較高產的水澆地，海拔位于1 500～1 800 m。

圖4 典型綠洲甘州區農田生產力變化趨勢

為了進一步分析其產生的原因，根據2001—2010年甘州區及周邊氣象臺站的平均氣溫和降水量數據，利用IDW+DEM插值，得到各年平均氣溫和年降水量柵格數據，然后計算平均氣溫和年降水量的空間變化趨勢，并分析NPP變化趨勢與年平均氣溫和年降水量變化的關系。近10 a年平均氣溫和年降水量均呈增加趨勢，存在明顯的空間異質性，其平均增加速率分別為0.08 ℃/a，4.85 mm/a；海拔1 800 m以上的旱地和水澆地年降水量的增加趨勢遠大于平均氣溫的，即其NPP增加趨勢顯著；而中低海拔地區的水澆地年降水年平均溫度和年降水量均呈顯著增加趨勢，但其NPP有降低趨勢。本文只考慮這2個氣候因子，要了解農田生產力變化趨勢及其與氣候的關系，應綜合考慮各氣候因子之間的相互作用，以及考慮其他因素如灌溉方式和施肥措施等的影響，這將有待于進一步深入探討和研究。

4 討論與結論

(1) 2001—2010年旱地和水澆地年均NPP呈增加趨勢，水田年均NPP呈下降趨勢；甘州區各類型農田，面積最大的為水澆地，其次為旱地；農田NPP總量貢獻最大的為水澆地，水田次之。

(2) 2001—2010年，不同農田類型NPP均值的最小值均出現在2001年，最大值出現在2007年；農田NPP極差變化范圍較大，極差最大值和最小值分別出現在2003和2010年，其值分別為423.1，275.4 g/(m2·a)。

(3) 2001—2010年甘州區農田NPP年均值變化范圍為109.3～420.5 g/(m2·a)，其分布特征與農田類型的空間分布基本一致，農田生產力的大小是由農田類型及海拔高度共同決定的。就農田NPP變化趨勢的空間格局而言，農田NPP呈增加和減少2種趨勢，其變化率的均值為0.31 g/(m2·a)，旱地NPP增加趨勢較為顯著。

(4) 本研究僅以典型綠洲甘州區為研究區，利用MOD17A3 NPP數據對其農田生產力的時空變化及其與氣候因素的影響進行研究，并未考慮灌溉條件、施肥措施、化肥及農膜使用量等人為能量投入對農田生產力的影響；多年農田生產力變化的主導因素是氣候因素還是人為能量投入在后續研究中仍需深入探討分析，這對綠洲農田種植結構的合理化及可持續性發展具有重要意義。而借助遙感手段，準確估算像元尺度農田生產力的空間分布，對農田生態系統的碳匯、碳循環等的研究具有重要的意義，對農業整體素質和綜合能力的提升具有重要意義。

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Spatial-temporal Distribution Characteristics of Farmland Ecosystem Productivity of Typical Oasis in Zhangye City

SHI Yinfang1,2， ZHAO Jun1， LI Chuanhua1

(1.CollegeofGeographyandEnvironmentScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.KeyLaboratoryofRemoteSensing,Lanzhou,Gansu730070,China)

[Objective] Taking the typical oasis of Ganzhou District of Zhangye City, Gansu Province as an example, the temporal and spatial pattern of farmland productivity in that oasis and the effect of global change on the farmland productivity were researched, to provide decision-making basis for regional agricultural resource management and planning. [Methods] Using the data such as MOD17A3 NPP product, meteorological data and agricultural statistics data, the research was conducted by GIS spatial analysis technology. [Results] The minimum and maximum values of different types of net primary productivity(NPP) in Ganzhou District appeared in 2001 and 2007 respectively. The range of annual average farmland NPP in Ganzhou District was 109.3～420.5 g/(m2·a)， and its spatial distribution was approximately consistent with the farmland. For same type of farmland, its productivity of high elevation area was less than that of low elevation. All of which indicated that the agricultural productivity was determined by both of farmland type and altitude. The NPP trend had an obvious spatial heterogeneity. Area of increased agricultural productivity covered 40.9% of the total area, among which, the mainly increased types were dry land and irrigated cropland in high altitude region. The dry land and irrigated cropland above 1 800 m had a higher increasing trend of annual precipitation than that of average temperature, which made the NPP a significant increasing trend. [Conclusion] The ecosystem productivity of Ganzhou District from 2001 to 2010 had obvious spatial and temporal differences, the annual NPP of dry land and irrigated cropland exhibited an increasing trend, while the paddy NPP showed a decreasing trend.

farmland ecosystem productivity; NPP; MOD17A3; temporal and spatial variation; typical oasis

2016-06-12

2016-09-06

甘肅省遙感重點實驗室基金項目“基于綜合順序分類理論的青藏高原區潛在植被GIS模擬的不確定性研究”； 國家自然科學基金項目“基于GIS的石羊河流域生態系統服務與權衡研究”(41661084)。

師銀芳(1985—),女(漢族),甘肅省靖遠縣人,博士,講師,研究方向為環境遙感與GIS應用。E-mail:amandasyf@126.com。

A

1000-288X(2017)02-0120-06

S181， S157