寧夏羅山地區2004-2015年NPP時空變化及氣候響應

王夏冰, 馬 超,2, 陳登魁, 劉 暢

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作 454000;2.河南理工大學 礦山空間信息國家測繪與地理信息局重點實驗室, 河南 焦作 454000)

干旱區覆蓋約40%的地球陸地表面積，其凈初級生產力約占全球植被凈初級生產力總量的40%，對全球氣候變化和生態系統具有重要的調節作用[1]。中國西北干旱區地處中緯度地帶的歐亞大陸腹地，包括內蒙古西部、甘肅西北部以及黃河寧夏段以西的寧夏回族自治區等地區，是對全球氣候變化響應最敏感的地區之一[2-3]。寧夏回族自治區羅山國家級自然保護區位于毛烏素沙漠南緣，地處寧夏中部干旱帶和經濟貧困帶，鄂爾多斯高原西部與黃土高原北部的銜接地帶，是當地唯一的水源涵養林，是維系著周邊近20多萬回漢人民生產生活及十幾萬只家畜的生命水源區[4-7]。由于其獨特的地理位置、自然條件和地形地貌，作為干旱帶上的森林生態系統和動植物群落，具有脆弱性、孑遺性和稀有性[8]。羅山保護區脆弱的生態環境在某種程度上增強了對氣候變化的敏感性，是全球氣候變化的“指示器”。植被作為干旱區敏感的環境因素，植被覆蓋變化的研究已成為揭示干旱區自然環境變化及其規律的重要手段[9-10]。植被凈初級生產力(net primary productivity, NPP)是指綠色植物在單位時間單位面積上所積累的有機物數量，是由光合作用所產生的有機物總量(gross primary productivity, GPP)扣除自養呼吸(autotrophic respiration, RA)后的剩余部分[11]。NPP表示植物光合作用產物固定和轉化的效率，直接反映植物在自然環境條件下的生產能力，是評價生態系統結構與功能協調及生物圈人口承載力狀況指標[12]。隨著全球變化研究的不斷深入，植被凈初級生產力在研究全球變化對生態系統的影響、響應和對策中，成為一項不可缺少的指標及核心內容[13]。研究區文獻調研發現，過去的研究大多關注保護區內動植物資源的搶救性保護、水資源利用現狀分析等，而沒有將保護區的植被生物量變化同氣候變化、人類活動等因素相結合，獲得區域生態演化規律。本文擬采用MODIS NPP數據集，利用研究區內NPP總量變化，核心區、非核心區NPP總量變化，研究區生態剖面的結構變化，分析12 a植被生物量變化趨勢與人口增長、氣候變化的響應關系。旨在揭示羅山保護區植被演變規律及其與氣候變化的相關性，以期為寧夏回族自治區及其周邊生態環境的保護提供科學依據。

1 研究區與研究數據

1.1 研究區

羅山是寧夏回族自治區中部干旱帶中一片自然孑遺的天然次生林區，位于寧夏回族集中的國家貧困縣同心縣和全國最大的生態移民開發區紅寺堡交界區域[14]。由于地理位置的特殊性和生態系統的脆弱性[15]，早在1950年便將羅山確立為自然保護區，1980年被確定為國家水源涵養林區，1982年7月1日建立省級羅山自然保護區，2002年經國務院審批升級為國家級自然保護區(編號：寧05)[16-17]。地理坐標為37°11′—37°25′N,東經106°04′—106°24′E，南北長36 km，東西寬18 km，海拔為1 560～2 624.5 m，研究區總面積337.10 km2(其中核心區96.45 km2，占總面積的28.61%，緩沖區87.87 km2，占總面積的26.07%，試驗區152.78 km2，占總面積的45.32%)[18]。羅山介于賀蘭山和六盤山中間地帶，山頂渾圓，山坡陡峭，地表受流水切割十分破碎，黃土巖石大部分裸露。山間溪流多干涸，沖刷溝壑縱橫，森林植被具有典型的過渡性、稀有性和自然性[19-20]。四周被荒漠所圍,有“荒漠翡翠”的美譽,是研究荒漠地帶森林生態系統的天然實驗室。研究區年平均氣溫8.8 ℃，無霜期130～150 d，年平均降水量261.8 mm，年平均蒸發量2 467.3 mm，是降水量的9.4倍，年平均相對濕度49%[21]。羅山自然保護區處于干旱、半干旱荒漠過渡地帶，屬荒漠區域內森林生態系統類型的自然保護區。主要保護對象為以青海云杉、油松為代表的荒漠區域典型森林生態系統[21-23]。

1.2 研究數據

本研究所選用數據和資料包括：2004—2015年MOD17 A3 H NPP數據(http:∥www.usgs.gov)，分辨率為500 m；數字高程模型數據：90 m水平分辨率，1 m垂直分辨率航天飛機雷達地形測繪使命數字高程模型(SRTM3 DEM，v4.0：ftp:∥e0 mss21 u.ecs.nasa.gov/srtm/)；此外還有1999年1∶25萬居民地、行政區劃等基礎地理信息；2004—2015年的中國氣象科學數據庫中的全國氣象資料(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)。

MOD17A3H NPP是基于MODIS/TERRA衛星遙感參數，通過BIOME-BGC模型計算出全球陸地植被凈初級生產力年際變化數據集，目前已在不同區域的植被生長狀況、生物量估算、環境監測和全球變化等研究中得到驗證和廣泛應用[24]。

2 結果分析

2.1 植被NPP分類提取

針對獲取的NPP數據，進行MRT轉換、研究區裁剪、掩膜、密度分割等操作，獲得該區域時間跨度為12 a(2004—2015年)NPP圖像12期(圖1)。依據羅山自然保護區主要植被類型[23]，對數據進行密度分割，森林、灌叢或耕地、荒漠草原、荒漠，分別對應NPP g/(m2·a)閾值(350,500]，(250,350]，(150,250]，[50,150]。

2.2 NPP時間變化特征

2004—2015年寧夏自治區羅山自然保護區植被凈初級生產力(NPP)統計值(表1)。研究區設置了以封山育林邊界圍欄為界限的核心區和非核心區。由表1可知，NPP值呈波動增加趨勢，非核心區面積是核心區面積的2.6倍，非核心區NPP之和約是核心區的2倍。

研究區內NPP在[50,150)內的荒漠面積占比呈現波動性減少趨勢，由2004年面積占比78.94%減少到2015年的58.65%，在12 a間最大變幅達61.72%；荒漠草原由17.95%增加至36.25%，12 a最大變幅為45.24%；耕地或灌叢面積增加1.99%，而森林面積除2012年以外，所占面積不足1%。可見，羅山典型森林生態系統的保護與改善仍任重道遠。

表1 羅山自然保護區植被凈初級生產力(NPP)統計

植被NPP隨時間變化趨勢(圖2)。2004—2015年受“天保”工程Ⅰ，Ⅱ期、封山育林、人工造林等措施的影響，研究區年植被NPP呈明顯的波動性增長趨勢。核心區、非核心區以及研究區內的NPP之和的波動趨勢一致，2004，2007，2010，2012年以及2014年NPP值較高，2005，2009年以及2015年NPP值較低，最高值出現在2012年，最低值出現在2005年。2004年9月—2005年11月，寧夏發生了歷史罕見的旱災，溫度持續升高，大部分區域降水只有199.9 mm，成為歷史上僅次于1982年(192.4 mm)的第二低值年，此次旱災可能是導致2005年的NPP成為研究期內最小值的原因之一。而2012年寧夏地區中部降雨量創氣象記錄新高，各地溫度平均偏高，溫度和降水的雙重作用使得2012年NPP值最高[25-27]。

3個區域NPP增加速率有較大差別，即，研究區>非核心區>核心區(圖2)，易見研究區的增長率有64.7%是非核心區的貢獻，而非核心區的增長率主要來源于紅寺堡移民區開墾的耕地。

圖1 研究區時間序列NPP密度分割結果

注：y1=0.026 9x+0.356 7，R2=0.633 6；y1=0.049 1x+0.745 9，R2=0.609 9；y3=0.076 0x+1.102 6，R2=0.622 5。

圖2研究區、核心區、非核心區NPP之和變化趨勢

2.3 NPP空間變化特征

為清晰地顯示植被的位置及其林線變化情況，以研究區內大羅山山頂一點(東經106°14′48.81″，北緯37°18′25.47″)為原點，進行剖面分析(即W-E剖面、N-S剖面)(附圖9)。 ①在2004—2009年W-E剖面上基帶植被為荒漠，面積為276.32 km2，占研究區總面積的81.97%，2010—2015年荒漠逐漸減少，出現荒漠草原與荒漠并重的局面，兩者分別占總面積的42.57%和47.83%，且研究區東部耕地徒然增加，西部由于人工造林的原因植被NPP值增加明顯，其中2012年反差最為強烈；2015年由于氣候原因，圖2中2015年NPP分布狀況再次出現與2011年相似的情形；森林的NPP值在2004—2011年持續低迷，2012—2015年迅速增加，2012—2015年森林總面積是2004—2011年的9.3倍，大羅山區域的森林生產力有所改善，但2015年大羅山區域荒漠草原的面積再度出現退縮趨勢。 ②2004—2015年N-S剖面上的基帶植被由以荒漠為主逐步演替為荒漠草原、耕地、荒漠三者并重的局面。2009—2015年剖面線上大羅山南部(小羅山方向)幾乎由荒漠草原所覆蓋，荒漠草原的邊際線相較于2004—2009年擴張了近40個像素(約20 km)，在剖面線以外，2009—2011年小羅山方向荒漠草原的擴張并不明顯，2011—2014年大羅山南部(W-E剖面以南)區域幾乎由荒漠草原所覆蓋，2015年其面積急劇縮減。結合表1可知，2012—2015年紅寺堡方向(大羅山北部)由于人口的遷入，耕地增加明顯，其中2012年耕地面積是2011年的近4.9倍；荒漠草原所占面積有所減少；大羅山山頂森林的林線〔NPP>350 g/(m2·a)〕繼2004年開始顯現之后，在2012—2015年逐漸擴大，森林的面積和質量相較于2004—2012年均有所改善。

2.4 NPP與氣候變化的關系

分析和研究植被與氣候因子間的相互關系，是植被生態學的主要任務之一。國內外學者大量研究了不同空間尺度上植被覆蓋季節變化與氣候因子的特征，研究表明，氣溫和降雨量是影響植被覆蓋的最根本的因素[28]。通過對研究區周邊中寧縣、同心縣2個站點12 a(2004—2015年)的氣象信息進行分析、提取，獲得以大、小羅山為中心的年均氣溫和降水的氣候數據及其變化趨勢。有研究表明，2000—2010年寧夏整體溫度呈波動上升趨勢，增溫速率為0.2 ℃/10 a，相比于20世紀以前，增溫速率有所下降；降水量呈波動下降趨勢，且波動較大，下降速率為34.0 mm/10 a，空間分布呈現“南多北少”的格局，雨量帶明顯向南移動[27]。

2.4.1 核心區NPP與氣候變化之間的關系

①如圖3所示，核心區NPP之和與年均溫度在研究期間保持波動上升趨勢，利用SPSS相關性分析得到兩者之間的相關性系數R=0.275，置信度p=0.396。核心區NPP之和在2004，2010，2012年以及2014年較高，2005，2011，2015年較低，這與研究區NPP之和的整體趨勢相符；最高值出現在2012年，是7.3×107Pg/a；最低值出現在2005年，是3.4×107Pg/a。在2004—2015年期間，2006，2009，2010年以及2013年年均溫度較高，最高值出現在2013年，是11.25 ℃；2008，2012年溫度較低，最低值出現在2008年，是9.4 ℃。

②如圖3所示，核心區NPP之和與年均降水在2004—2015年保持波動上升趨勢，兩者之間保持高度的相關性(R=0.609，p=0.036)。在2004—2015年期間，2007，2012，2014年降水量較高，最高值出現在2014年，是347.55 mm；2005，2008，2009，2013年以及2015年降水量相對較低，最低值出現在2005年，是98.95 mm。

③核心區NPP之和與降水保持較高的相關性；與溫度不相關，在研究區內降水對植被NPP的影響占據主導地位。

2.4.2 非核心區NPP與氣候變化之間的關系 如圖4所示，非核心區NPP之和與年均溫度、降水在2004—2015年保持波動上升趨勢，其與年均溫度的相關性系數及置信度與核心區相同，與年均降水的相關性系數R=0.647，置信度p=0.023。

非核心區NPP之和的高值區和低值區的變化趨勢與核心區基本相同，但總體值域高于核心區，最高值出現在2014年，其值為1.42×108Pg/a，最低值出現在2005年，其值為7.20×107Pg/a，略低于核心區最高值。

核心區NPP—氣溫變化趨勢 核心區NPP—降水變化趨勢

圖3核心區氣溫、降水(2004-2015年)變化趨勢

非核心區NPP—氣溫變化趨勢 非核心區NPP—降水變化趨勢

圖4非核心區氣溫、降水(2000-2015年)變化趨勢

3 結 論

(1) 氣候變化與研究區植被NPP具有高度相關性。相對于溫度而言，降水對研究區內NPP的影響占據主導地位；核心區內NPP值與降水的相關系數、置信度分別為R=0.609，p=0.036；非核心區為R=0.647，p=0.023。

(2) 植被NPP時間變化趨勢。研究區內NPP以0.076 Pg/a的速率波動性增長，高于全國植被NPP增長率0.008 Pg/a；研究區內荒漠區面積占比由2004年的78.94%下降到2015年的58.65%；荒漠草原由17.95%上升至36.25%；耕地或灌叢由2.89%增加到4.88%；除2012年以外，森林占比不超過1%。羅山國家級自然保護區的主要保護對像是以青海云杉、油松為代表的荒漠區域典型森林生態系統，其森林生態狀況不容樂觀。

(3) 植被NPP空間變化趨勢。非核心區面積是核心區面積的2.6倍，NPP之和約是核心區的2倍；由于當地政府生態和環保政策的深入人心，大羅山整體植被NPP值呈增加趨勢，小羅山由荒漠向荒漠草原過渡，2011—2015年大羅山東部及北部耕地增加迅速，生態工程效果顯著，人類活動因素對生態環境影響巨大。