2000-2014年呼倫貝爾沙地河流濕地植被NPP時空變化及驅動力分析

郭連發, 來 全,2, 伊博力, 銀 山

(1.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特010022;2.內蒙古師范大學 內蒙古自治區遙感與地理信息重點實驗室, 呼和浩特 010022)

2000-2014年呼倫貝爾沙地河流濕地植被NPP時空變化及驅動力分析

郭連發1, 來 全1,2, 伊博力1, 銀 山1

(1.內蒙古師范大學 地理科學學院, 呼和浩特010022;2.內蒙古師范大學 內蒙古自治區遙感與地理信息重點實驗室, 呼和浩特 010022)

植被凈初級生產力(NPP)可以直接反映植被在自然環境中的生產能力，利用遙感影像、氣溫降水數據結合簡單差值法、趨勢分析法以及線性回歸分析對呼倫貝爾沙地河流濕地NPP進行了時空變化研究與驅動力分析。結果表明：時間上，呼倫貝爾沙地河流濕地NPP呈現波動式增長，NPP增長面積可達整個濕地面積的92.51%，年增長率為0～2 gC/(m2·a)；空間上，河流濕地NPP值呈現東高西低格局。而15年間NPP增加最快的濕地為處于西部的克魯倫河濕地，增長面積可達99.5%；氣候變化與人類活動是導致NPP變化的兩個重要因素，NPP增長與降水量呈顯著正相關(R=0.703)，與氣溫呈顯著負相關(R=-0.559)。經濟產業結構的變化使得人類活動對生態環境的壓力減小，促使濕地NPP的增加。同時，國家政策以及治沙工程同樣影響著NPP的變化。

植被凈初級生產力; 時空變化; 驅動力分析; 河流濕地

濕地作為陸地表層獨特而重要的生態系統類型，在水分和整個物質循環中起到重要作用，它不僅具有調節氣候、涵養水源的功能，還具有較高的生產力以及豐富的物種多樣性[1-2]。做好濕地保護工作有助于當地生態、經濟的可持續發展以及生態文明建設。植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被在單位面積和單位時間上由光合作用固定的有機質總量中扣除植物自養呼吸的消耗量后的剩余部分，它會隨著環境的改變而發生變化，因此它能直接反映綠色植被群落在自然環境條件下的生產能力[3-4]。同時植被凈初級生產力與氣候變化、土地荒漠化有著密切的關系，為全球性或者區域性的生態環境問題研究提供了重要依據[5]。目前，濕地植被NPP方面的研究主要側重在利用模型對植被NPP進行估算以及把氣候因素作為影響NPP變化的主要驅動因素來進行分析，而對于利用MODIS17A3數據進行NPP時空變化研究則主要以大區域研究為主[6-9]。相反，對小區域的濕地植被NPP時空變化研究匱乏，而且比較容易忽略人類活動對濕地植被NPP變化的影響。一直以來，對呼倫貝爾沙地相關研究較多，但對濕地方面的研究極少。所以，本文選取呼倫貝爾沙地河流濕地為研究對象，對濕地植被NPP進行時空變化研究，同時綜合氣候變化和人類活動兩方面因素對其驅動力進行分析，從而為本地區的濕地保護提供指導依據，以促進地區生態環境的保護與改善。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

呼倫貝爾沙地位于大興安嶺的西側內蒙古呼倫貝爾草原上(47°20′—49°50′N,117°10′—121°12′E)，平均海拔650～700 m。該地區溫帶大陸性氣候顯著，夏季溫和，冬季寒冷，降水主要集中在夏季，多年平均降水量325 mm。區域最低氣溫可達-46.6℃，最高氣溫達到37.7℃，年平均氣溫-1.5℃；日照充足，年日照時數平均為2 900 h，日照百分率在61%以上[10]。研究區內水系相對密集，主要有呼倫湖、貝爾湖、伊敏河、輝河、烏爾遜河、克魯倫河、海拉爾河和額爾古納河。本文選取河流濕地分布情況見圖1。

圖1河流濕地分布

1.2 數據來源

1.2.1 遙感數據 本文所用遙感數據為2000—2014年MODIS NPP產品數據MODIS17A3，空間分辨率為1 km×1 km，數據在美國宇航局NASA網站(http:∥ladswed.nascom.nasa.gov/)直接下載。該數據在全球以及區域NPP與碳循環研究中得到廣泛的認可[11]。而且已有研究證明MODIS17A3數據在中國東北地區具有一定的精度[12]。為便于計算，利用MRT(Modis Reprojection Tool)軟件對NPP影像進行數據轉換處理。河流濕地采用分辨率為30 m的TM影像(http:∥glovis.usgs.gov/)選取植被生長季(6—8月)云量較小的影像在ArcGIS軟件中進行目視解譯獲取。

1.2.2 其他數據 本文使用的氣象數據為植被生長季(4—9月份)的氣溫降水數據，由中國氣象數據共享服務網提供(http:cdc.cma.gov.cn)2000—2014年呼倫貝爾沙地及其周邊氣象站點的月平均降水量(mm)以及月平均氣溫(℃)數據。人口經濟數據經內蒙古2000—2014年統計年鑒獲取。

2 結果與分析

2.1 河流濕地NPP時間變化及空間分布

由表1可以看出研究區內5個河流濕地NPP隨著時間的推移均表現出上升趨勢。多年平均NPP表現為伊敏河濕地>輝河濕地>海拉爾河濕地>烏爾遜河濕地>克魯倫河濕地，伊敏河濕地多年平均NPP值最大[38.2 gC/(m2·a)]，克魯倫河濕地多年平均NPP值最小[27.6 gC/(m2·a)]。在沙漠化最嚴重的呼倫湖附近的兩條河流濕地(克魯倫河濕地、烏爾遜河濕地)NPP值低于研究區平均水平。整個研究區內的河流濕地NPP均表現出一定程度的浮動變化，但15 a間本研究區內NPP值是增長的。

2000—2014年呼倫貝爾沙地區河流濕地平均NPP分布見圖2，受到地形條件以及氣候影響河流濕地NPP值由東向西遞減，伊敏河濕地大部分地區NPP值處于30～50 gC/(m2·a)，海拉爾河濕地東部以及輝河濕地南部NPP值較高。NPP值較低的地區主要包括烏爾遜河濕地、克魯倫河濕地以及海拉爾河濕地西部，NPP值范圍為20～40 gC/(m2·a)，這幾處河流濕地分布在在沙漠化較嚴重的核心地帶，主要土壤類型為鹽土、堿土[13-14]。在呼倫貝爾草原生態評價中，鄂溫克自治旗在6個旗縣中整體評價最好，而新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗生態安全較差[15]，從NPP平均分布圖中可以得到有力的數據支持。

表1 2000-2014年呼倫貝爾沙地年均河流濕地NPP gC/(m2·a)

圖22000-2014年河流濕地NPP平均分布

NPP高值區分布在陳巴爾虎旗、海拉爾市、鄂溫克族自治旗境內，共同特點為所在地海拔較高，降水多。而NPP低值區分布在呼倫湖周圍，該地區海拔較低，降水量少，沙漠化嚴重。受到氣候條件以及荒漠化的影響，東部研究區總體NPP值要比西部研究區NPP值高10 gC/(m2·a)。

2.2 河流濕地NPP的變化特征

本研究采用簡單差值法以及一元線性回歸趨勢分析法對比分析15 a來呼倫貝爾沙地地區河流濕地NPP的變化特征，以了解五條河流濕地15 a的NPP變化規律。

2.2.1 濕地NPP15 a總的變化特征 簡單差值法

將2000年和2014年NPP影像利用ArcGIS柵格計算器(Raster Calculator)進行差值計算，生成15 a河流濕地NPP變化特征空間分布圖(圖3)。通過此方法可以直觀的觀察15 a的NPP變化情況。由圖3可以看出濕地整體NPP值是增加的，增幅10～20 gC/(m2·a)。只有一小部分地區NPP值減小，主要分布在陳巴爾虎旗周圍、海拉爾河與額爾古納河交匯處以及輝河濕地北部。濕地NPP增加最快的為克魯倫河濕地以及烏爾遜河濕地，這兩處濕地大部分地區NPP增幅20～30 gC/(m2·a)。為更加清楚直觀地了解濕地NPP的增減情況，對數據做統計得到表2。

圖3 2014年與2000年濕地NPP差值分布

由表2可知，研究區內河流濕地NPP值增加的面積占到濕地面積的92.51%，只有伊敏河濕地和輝河濕地低于這個值，而輝河濕地增加面積不足90%，是唯一1個NPP增加面積不足90%的濕地，為5個濕地中最低。克魯倫河濕地NPP增加面積可達99.5%,在所有濕地中增加面積百分比最高，說明近些年來來克魯倫河濕地保護較好，治沙工作比較見效。

2.2.2 濕地NPP年際變化率 利用簡單差值法進行分析，雖然可以比較直接的反映15 a來NPP值的變化，但是由于其計算利用的是研究時段端點的圖像處理獲得，比較容易受到研究時段端點年份極端氣候的影響，而利用一元線性回歸分析可以一定程度上消除這一因素的影響[11]。因此利用此方法可以更好的了解15 a來每年的NPP增長率變化情況。針對時間序列的NPP數據，其年際變化率(θslope)采用基于像元的一元線性回歸分析方法，θslope>0說明變化趨勢是增加的，反之為減少，當∣θslope∣≈0說明NPP值沒有發生變化[16-18]。

圖42000-2014年河流濕地NPP變化斜率

由圖4可以看出2000—2014年NPP變化斜率比較小，基本每年增幅為0.5～2 gC/(m2·a)，但是整體是呈現增加趨勢的。逐漸減小的地區分布在輝河濕地北部、海拉爾河濕地中部以及海拉爾河與額爾古納河交匯處，這說明這些地方植被狀況有所退化。海拉爾河濕地變化斜率比較小，變化斜率處于0～1 gC/(m2·a)；變化斜率最大的為克魯倫河濕地，可以達到1～2 gC/(m2·a)，這說明克魯倫河濕地植被狀況得到改善。為便于分析，數據整理后得到NPP不同變化斜率所占面積百分比表。

表3 河流濕地NPP不同變化斜率面積百分比

對表3分析可以得出：研究區內河流濕地NPP雖然都在增加，但是增加比較快的(>0.5 gC/(m2·a)是克魯倫河濕地，可達84%。增加較緩慢的為海拉爾河濕地，僅占濕地面積的47.33%，低于研究區平均水平，但是海拉爾河濕地增幅為0～0.5 gC/(m2·a)的面積占到44.45%，遠遠高于其他濕地，這說明海拉爾河濕地植被狀況也在改善，只不過改善速度相比于其他濕地緩慢，濕地植被保護處于起步階段。

3 驅動力分析

3.1 氣候變化

氣候變化是濕地植被NPP變化的主要自然因素，是引起植被NPP發生變化的關鍵。本文從氣溫、降水分析了氣候變化對河流濕地NPP變化的影響，氣溫、降水均采用濕地植被生長季(4—9月份)數據，從氣溫、降水以及NPP變化趨勢圖(圖5)中可以發現，NPP的變化與氣溫、降水變化有著密切的關系。

近15 a來，研究區濕地植被生長季內總的降水量變化波動比較大，為128.7～406.8 mm，總體呈波動增長趨勢。降水年份有3個明顯的峰值，分別出現在2002年、2008年、2013年，對應的降水量分別為232.5 mm，228.6 mm，406.8 mm；氣溫變化為13.1～16℃，總體呈波動下降趨勢。而在2002年、2008年、2013年研究區內氣溫正處于下降階段，對應的溫度分別為15.2℃，14.7℃，13.1℃。不難發現，濕地植被NPP在2002年、2008年、2013年正處于上升期，對應的NPP值分別為34.7 gC/(m2·a)，31.1 gC/(m2·a)，37.6 gC/(m2·a)。NPP變化與氣溫、降水的變化規律基本吻合，將氣溫、降水與NPP做相關性分析后發現，NPP與降水量呈顯著正相關關系(R=0.703，0.001

圖52000-2014年濕地NPP變化與氣候變化

3.2 人類活動

人類活動是很多自然災害的原因之一，由于不合理的利用資源、大規模的開發等諸多因素容易對土地以及生態環境造成巨大壓力，導致生態環境遭到破壞。本文主要從研究區內經濟結構方面分析人類活動對河流濕地的影響，通過整理內蒙古統計年鑒得到研究區產業結構變化圖(圖6)。

圖62000-2014年各旗縣第一產業占GDP百分比變化

2000—2014年內蒙古統計年鑒經濟資料顯示研究區內各旗縣第一產業占國民生產總值比重逐漸減小,這說明以土地資源為主的農牧業不再占據經濟增長的主導地位，這種現象勢必會減輕人類活動對土地資源以及生態環境的破壞。由于產業調整，農牧業對草地、河流濕地的壓力減小，有利于河流濕地生態環境的恢復從而使得植被生產力提高。在產業結構轉變中，新巴爾虎右旗第一產業占GDP百分比由2000年的67%降為6.2%，下降60.8個百分點，在6個旗縣中變化最為明顯。其次為新巴爾虎左旗，下降39.75%。此項數據有力的解釋了克魯倫河濕地與烏爾遜河濕地NPP增長最快的原因。因此，可以認為經濟結構的變化與調整是河流濕地NPP增長的重要人類活動要素。

此外，2000年中央制定頒發了退耕還林(草)的明確政策，中央2號文件將“退耕還林(草)”列入西部大開發的重要內容[19]。近些年來呼倫貝爾沙地特有的治沙模式取得明顯的效果[20]。部分濕地保護區的建立有利于濕地生態環境的保護以及當地的生態恢復。因此，人類活動也是濕地NPP變化的重要因素。

4 結 論

(1) 從時間角度分析，15 a以來呼倫貝爾沙地地區河流濕地NPP呈現波動式增長。NPP增長面積可以達到整個濕地面積的92.51%，年增長率大部分地區處于0～2 gC/(m2·a)，只有一小部分地區呈現負增長。

(2) 從空間角度分析，濕地NPP值呈現東高西低的格局。伊敏河濕地、輝河濕地以及海拉爾河濕地東部NPP值最高，克魯倫河濕地與烏爾遜河濕地NPP值最低。2000—2014年，濕地NPP增加最快的為克魯倫河濕地，增長率處于0.5～2 gC/(m2·a)，增長面積可達99.5%，東部河流濕地NPP增長相對較緩。

(3) 氣候變化與人類活動是NPP變動的重要影響因素。NPP與降水量呈現出顯著正相關，相關系數為R=0.703，與溫度呈現顯著負相關，相關系數為R=-0.559。人類活動中，隨著經濟產業結構的轉移，第一產業在國民生產總值的比重減小，表明農牧業對生態環境的壓力減小，同樣是NPP增長的又一重要因素。此外，國家政策以及出色的治沙工程取得顯著效果也使得研究區內河流濕地NPP增加。

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SpatiotemporalChangesofNetPrimaryProductivityofRiverWetlandandItsDrivingFactorsinHulunBuirSandyLandin2000-2014

GUO Lianfa1, LAI Quan1,2, YI Boli1, YIN Shan1

(1.SchoolofGeographicalSciences,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China; 2.KeyLaboratoryofRemoteSensingandGeographicInformation,InnerMongoliaNormalUniversity,Hohhot010022,China)

Net primary productivity ( NPP) can directly reflect the production capacity of the vegetation in the natural environment. the NPP of River Wetland in Hulun Buir sandy land on air changes and driving force were analyzed using the data of temperature and precipitation and combining with remote sensing images, simple difference method and trend analysis and linear regression. The results showed that: considering the time, the sandy land in Hulun Buir River Wetland NPP presented the fluctuant growth, NPP growth in the area of wetland accounted for up to 92.51% of area, the annual growth rate was between 0～2 gC/(m2·a); with respect to the space, NPP presented the distribution of the east high west low; during the 15 years, the wetland with fastest growing NPP is in Western Herlen wetland with growth area of up to 99.5%; climate change and human activities are two important factors that lead to the changes of NPP, NPP is significantly correlated with the increase of precipitation (R=0.703), negatively correlated with temperature(R=-0.559). The change of the economic industrial structure makes the pressure of human activities on the ecological environment decrease, which leads to the increase of NPP. At the same time, the national policy and the sand control project also affect the change of NPP.

net primary productivity; temporal and spatial variation; driving force analysis; river wetland

TP79

A

1005-3409(2017)06-0267-06

2017-03-20

2017-03-31

內蒙古師范大學研究生科研創新項目(CXJJS16109);內蒙古自治區研究生教育計劃(S20161013509);內蒙古自治區自然基金(2013ZD08)

郭連發(1992—),男,山東無棣人,碩士研究生,研究方向為災害監測與防治。E-mail:863661823@qq.com

銀山(1963—),男,內蒙古通遼市人,教授,主要從事災害監測與防治。E-mail:yinshan@imnu.edu.cn