甘肅省草地NPP時空變化及對氣候因子的響應

何國興， 柳小妮， 張德罡， 杜月紅， 李強， 劉志剛， 關文昊， 楊軍銀， 韓天虎， 孫 斌， 潘冬榮

(1. 甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 草業生態系統教育部重點實驗室(甘肅農業大學)， 甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農業大學財經學院， 甘肅 蘭州730070； 4.甘肅省草原技術推廣總站， 甘肅 蘭州 730000)

植被凈初級生產力(net primary productivity,NPP)是植被在單位面積單位時間內光合作用產生的有機物質總量扣除呼吸作用消耗的有機物量后剩余部分，也稱凈第一性生產力[1]。NPP不僅是陸地生態系統中物質與能量運轉研究的基礎，而且能直接反映植物群落在自然環境條件下的生產能力[2]。草地作為陸地生態系統的重要組成部分，因其巨大的生態服務功能，在涵養水源、防風固沙、固碳服務以及生物多樣性保護等方面有不可替代的作用[3]。從上世紀開始，受過度放牧和氣候變化的影響，草地退化日趨嚴重，已嚴重威脅地區生態安全，并阻礙生態文明建設[4]。草地生產力動態監測是評價草地健康狀況的必要手段，已成為研究的熱點。NPP作為碳收支和氣候變化研究的核心內容，是判定草地生態系統健康狀況和生產性能水平的重要指標[5]。準確監測草地NPP時空變化及驅動因子對于評估草地資源總量，預測未來草地生產力的變化，對碳循環的影響以及應對氣候變化等方面具有重要的科學意義和實際應用價值。

自上世紀60年代以來，遙感技術的迅速發展為宏觀尺度草地監測提供了技術支撐，Running等[6]利用BIOME—BGC模型(biome biogeochemical model)與光能利用率模型(Carnegie—ames—stanford approach，CASA)模擬獲得MOD17A3 NPP產品數據。該產品已廣泛應用于不同區域尺度植被生長狀況評價[7]，生物量時空變化[8]，環境監測[9]等研究。對于中國區域植被NPP變化的研究報道較多，都取得了較好的結果。李登科等[10]基于MOD17A3對中國陸地植被NPP變化特征進行了分析，對中國各區域生態資源管理具有指導意義；王新闖等[11]在MOD17A3 NPP數據的基礎上結合GIS技術，定量分析了2000—2010年黃河下游地區河南省植被NPP的時空變化以及與氣象因子的響應關系；劉旻霞等[12]在青海省植被凈初級生產力時空變化的研究中也應用了MOD17A3 NPP數據，并與氣象數據相結合分析NPP格局的影響因素。以上研究均表明MOD17A3數據在研究植被變化以及對氣候因子的響應中表現出良好的效果，能夠較好的反映植被的變化格局。在眾多的研究中使用2010年以前較低版本的MOD17A3數據較多，而且集中在2015年以前的植被變化研究，對于2000年至今區域草地植被NPP的研究有助于了解21世紀以后甘肅省草地狀況。

甘肅省草原是西北地區重要的生態屏障，研究甘肅省草地NPP在宏觀尺度下的時間變化規律，以及NPP與水熱條件的響應關系對于合理規劃利用草地資源、修復退化草地、維持西北地區生態系統穩定具有重大意義。本研究基于2000—2019年MOD17A3 NPP數據，分析甘肅省不同草地類型NPP年際變化、空間分布和穩定性，并利用氣象數據通過偏相關分析探索草地NPP對水熱供給的響應，為甘肅省天然草地科學管理和生態保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

甘肅省(92°13′～108°46′ E，32°11′～42°57′ N)地處黃土高原、青藏高原和內蒙古高原的交匯處，東西長，南北窄，海拔自西南向東北降低；年均氣溫0～15℃，年均降水量36.6～734.9 mm，均自東南向西北降低，溫差較大，降水四季分配不勻，主要集中在6—9月；光能資源豐富，年日照時數1 700～3 300 h，全省無霜期48～228 d[13]。甘肅省草地面積1.79×105km2，占土地資源總面積的42.04%，是全國重點牧區之一。草地資源主要分布在甘南高原、祁連山地、北部河西走廊和隴中黃土高原[14]，分別為溫性草原、高寒草原、溫性荒漠、暖性灌草叢、低地草甸、山地草甸和高寒草甸(圖1a)。

1.2 數據來源及預處理

將中國草業與生態網絡(http://www.ecograss.com.cn)提供的《中國1∶100萬草地資源圖》校正并根據草地分類標準(NY/T2997-2016)[15]融合后得到草地類型數據(圖1a)。行政區劃圖來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/data)。數字高程模型(digital elevation model,DEM)來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)的SRTM產品數據，分辨率為30 m，重采樣為500 m(圖1b)。

遙感數據來源于美國國家航空航天局(https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/explore)提供的MOD17A3 NPP產品，空間分辨率500 m，時間分辨率1a，時間范圍2000—2019年。使用MRT (modis re-projection tool)軟件讀取并轉換數據格式，重投影為WGS-1984-Albers。利用Arc GIS柵格計算器工具將MOD17A3像元值乘以0.0001，得到真實的NPP值。NPP實測數據來源于甘肅省草原總站2014年草原調查數據，共696個樣點，包括經緯度、海拔高度、草地類型、生物量。

氣象(氣溫、降水)數據由中國氣象數據網站(http://data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode)提供。選取甘肅省境內及周邊44個氣象站點2000—2019年氣溫、降水月數據(圖1b)。采用基于樣條函數插值理論的專業氣象插值軟件ANUSPLINE[16]，以DEM數據為協變量，對氣溫和降水數據進行空間插值，得到500 m年均氣溫和年總降水柵格數據。經過ANUSPLINE進行插值后，選用計算中未使用的氣象站點對插值結果進行精度檢驗，結果表明氣溫和降水插值結果均滿足研究的需求。

圖1 甘肅省草地類型(a)及DEM、氣象站點空間分布(b)

1.3 研究方法

1.3.1MOD17A3 NPP數據驗證 選取甘肅省草原總站2014年草原調查數據(均勻分布于各草地類型)，用實測產量數據對2014年MOD17A3 NPP值進行驗證。實測產量數據，在轉換成以碳為單位重量的NPP時乘以系數0.45[17]。

1.3.2趨勢分析 利用Theil-Sen mediam趨勢分析與Manne-Kendall檢驗來判斷NPP時間序列的變化趨勢，并對其變化速率進行量化[18]。Theil-Sen mediam趨勢分析用于對時間序列變化進行量化，表示單位時間內的變化量，其計算公式為：

式中，SNPP為NPP變化趨勢；i，j(2 000≤i0，NPP呈增長趨勢；SNPP<0，NPP呈下降趨勢。

Manne-Kendall檢驗的計算公式為：

式中，S為檢驗統計量；ZS為標準化后的檢驗統計量；n為NPP的總序列數；Var(S)為方差。給定的顯著性水平下，|ZS|>Z(1—α)/2時，表示變化趨勢顯著。結合SNPP值和|ZS|值，將草地NPP趨勢變化的顯著性分為3個等級[19]，顯著增加(SNPP>3，|ZS|>1.96)、無顯著變化(—31.96)。

1.3.3變異系數 變異系數(coefficient of variation,Cv)能夠在像元尺度上反映草地NPP多年的波動情況。Cv<0.15說明草地NPP變化較小，草地生長狀況相對穩定；Cv>0.15說明NPP變化較大，草地生長狀況波動[20]。計算公式如下：

1.3.4偏相關分析 偏相關分析是研究兩個特定變量之間的相互作用關系，即當兩個變量均與第三個變量存在相關關系時，剔除其影響，而只分析另外兩個變量之間的相關程度[20]。利用偏相關系數分別計算年均氣溫和年總降水量對年NPP變化的影響。計算公式如下：

式中，x表示NPP，y代表降水量、z為氣溫，rxy表示NPP與降水的相關系數，rxz表示生長季NPP與氣溫的相關系數，ryz表示降水與氣溫的相關系數。rxy,z為變量降水固定后NPP與氣溫之間的偏相關系。NPP與降水的偏相關系數同上。

2 結果與分析

2.1 草地NPP驗證

通過NPP實測值與NPP模擬值的相關分析表明，實測值與模擬值之間的相關性達到顯著水平(P<0.05,n=696)(圖2)。可以認為，MOD17A3 NPP數據能達到估算的精度要求，可用于甘肅省NPP時空變化的研究。

圖2 甘肅省NPP實測值與模擬值線性回歸分析

2.2 草地NPP時間變化

利用均值法得到2000—2019年甘肅省草地NPP時間特征變化(圖3)。20年間草地NPP年均值呈上升趨勢，草地NPP增加量為4.72 gC·m-2·a-1·(10a)-1。2019年草地NPP年均值最高，達到了347.8 gC·m-2·a-1，2000年草地NPP年均值最低為231.1 gC·m-2·a-1，多年平均值為289.9 gC·m-2·a-1，增速為4.72 gC·m-2·a-1。說明甘肅省草地NPP呈現緩慢波動上升趨勢，分別在2002年和2013年出現拐點，NPP值為284.4 gC·m-2·a-1和323.0 gC·m-2·a-1。

分析不同草地類型NPP值變化發現，草地類型間NPP值存在較為明顯的差異。NPP值多年趨勢表現為：暖性灌草叢>山地草甸>高寒草甸>溫性草原>低地草甸>溫性荒漠>高寒草原，其增速分別為11.21 gC·m-2·a-1，3.25 gC·m-2·a-1，2.18 gC·m-2·a-1，6.79 gC·m-2·a-1，2.92 gC·m-2·a-1，3.08 gC·m-2·a-1和1.99 gC·m-2·a-1。暖性灌草叢NPP最大值和最小值分別出現在2013年和2000年，差值247.1 gC·m-2·a-1，說明暖性灌草叢NPP波動較大；而高寒草原NPP最大和最小值分別出現在2018年和2001年，差值61.1 gC·m-2·a-1，高寒草原NPP是所有草地類型中最穩定的。另外，各草地類型NPP均呈現波動上升趨勢。

圖3 2000—2019年甘肅省各類草地NPP均值年際變化

2.3 草地NPP空間變化

2000—2019年甘肅省天然草地NPP在空間上呈現由西北向東南逐漸遞增分布規律(圖4a)，年均NPP為289.9 gC·m-2·a-1。其中，祁連山地西北部草地年均NPP在100 gC·m-2·a-1以下；隴中黃土高原和河西走廊草地年均NPP在100～200 gC·m-2·a-1的面積占草地總面積的29.05%；甘南高原和祁連山地東南部草地年均NPP在300～400 gC·m-2·a-1的面積占草地總面積的24.80%；隴南山地年均NPP高于400 gC·m-2·a-1的面積占草地面積的21.23%；北山山地一帶無NPP值。

在草地類型上，暖性灌草叢年均NPP最高，高寒草原年均NPP最低(圖4b)。統計不同草地類型各NPP范圍所占比例后發現，近20年草地NPP均值在0～300 gC·m-2·a-1范圍內，溫性荒漠、高寒草原、低地草甸和溫性草原的面積占比分別為99.44%，99.32%，72.03%和71.53%；在300～600 gC·m-2·a-1范圍內，山地草甸和高寒草甸的面積占比分別為87.25%和69.44%；高于600 gC·m-2·a-1范圍內，暖性灌草叢面積占比40.43%。溫性草原和溫性荒漠的面積約占甘肅省草地面積的63.05%，二者年均NPP較低，直接影響甘肅省草地整體NPP高低。

圖4 2000—2019年甘肅省草地NPP均值分級(a)和各草地類型NPP均值分級面積比例(b)

2.4 草地NPP穩定性分析

2000—2019年甘肅省草地NPP整體呈現高波動性(圖5a)。草地NPP高穩定區(Cv<0.15)的面積占40.31%，主要位于甘南高原和祁連山地局部，其中Cv<0.10的面積為36 839 km2，占25.26%，0.10≤Cv<0.15的面積為21 961 km2，占15.06%；中波動區(0.15≤Cv<0.30)的面積占51.20%，主要分布在隴中黃土高原，河西走廊，祁連山地局部和隴南山地；高波動區(Cv>0.30)的面積占8.49%，分布于隴中黃土高原和河西走廊地區。

不同草地類型中，山地草甸、高寒草甸和低地草甸年均NPP穩定性較高(圖5b)，Cv<0.15的面積分別占各自草地類型的82.26%，78.90%和52.72%；溫性草原、溫性荒漠和高寒草原年均NPP波動性較高Cv>0.15的面積占各自草地類型71.51%，55.19%和44.45%。

2.5 草地NPP趨勢分析

2000—2019年，甘肅省草地NPP增加的面積明顯大于NPP降低的面積(圖6a)。其中草地SNPP>3的草地面積為87 480 km2，占總草地面積的45.34%，主要分布在隴中黃土高原、河西走廊和隴南山地；SNPP<-3草地面積為290.25 km2，占總草地面積的0.15%；-3< SNPP<3的草地面積為60 941 km2，占總草地面積的31.58%，主要分布在甘南高原和祁連山地。

由圖6b和表1可知，2000—2019年甘肅省草地NPP顯著增加的面積占總草地面積的75.70%，分布在隴中黃土高原、河西走廊、祁連山地大部以及隴南山地；無顯著變化的面積占總草地面積的24.18%，分布在甘南高原和祁連山地的局部；顯著降低的面積占總面積的0.12%。

圖5 2000—2019年甘肅省草地NPP變異系數分級(a)和各草地類型NPP變異系數分級面積比例(b)

圖6 2000—2019年甘肅省草地NPP變化趨勢分級

表1 甘肅省草地NPP變化趨勢模式

2.6 草地NPP的變化與氣象因子偏相關分析

通過偏相關分析得出，甘肅省草地NPP與年降水量呈正相關性的面積明顯高于負相關的面積，數值集中在0～0.3，占總草地面積的63.60%；主要分布在隴中黃土高原、甘南高原和河西走廊。NPP與年均氣溫的相關系數明顯低于年降水量，且以負相關為主，數值集中在—0.3～0，占總草地面積的58.41%，主要分布隴中黃土高原、河西走廊和隴南山地(圖7)。

圖7 2000—2019年甘肅省草地NPP與降水量(a)、氣溫(b)偏相關關系

統計甘肅省草地NPP與降水偏相關性在不同草地類型的分布面積比例后發現(表2)：20年來甘肅省溫性草原NPP與降水量的相關性最高，顯著相關(P<0.05)的面積占77.94%；溫性荒漠草原次之，顯著相關的面積達75.52%；高寒草原與降水的相關性最小，僅為26.22%。

表2 甘肅省各草地類型NPP與降水量相關性面積比例

甘肅省2000—2019年降水量呈波動上升趨勢，其中有些年份草地NPP與降水量的對應性較強，如2010年，2017年，2018年和2019年NPP與降水量均較高(圖8a)。2000—2019年平均氣溫呈現顯著下降趨勢，2002年年均氣溫最高為4.33℃，2017年年均氣溫最低為0.66℃。其中2013—2019年對應的NPP與氣溫呈相反關系，表現為負相關性(圖8b)。

圖8 2000—2019年甘肅省草地年均NPP與降水量(a)和氣溫(b)的年際變化

3 討論

植被NPP對于反映植被生長狀況，評價生態系統的穩定性具有重要意義，眾多學者將其用于植被變化的研究中，被喻為植被生態研究的“黃金指標”[21]。本研究基于MOD17A3 NPP數據通過草地NPP實測數據驗證發現二者線性相關性達到顯著水平(P<0.05)。20年間甘肅省草地NPP呈上升趨勢，均值289.9 gC·m-2·a-1，呈現西北低，東南高的格局。魏靖瓊[22]利用CASA模型估算2015年甘肅省草地NPP也有類似結論。隴中黃土高原和河西走廊草地年均NPP較低，隴南山地和甘南高原草地年均NPP較高，其中甘南高原草地NPP多年均值無顯著變化。這與劉潔等[23]2000—2016年甘南草地NPP的研究結果相一致。甘南高原降水充沛，適合草地植物的生長，草地NPP較穩定[24]。同樣，鞏杰等[25]在甘肅省白龍江流域的研究中也發現，隴南山地植被NPP較高且呈現上升趨勢，平均值為450.27 gC·m-2·a-1。結合趨勢分析和穩定性分析發現，甘肅省草地NPP顯著增加的面積占75.07%，且穩定性較高，主要位于隴中黃土高原、河西走廊、祁連山地大部以及隴南山地。魏靖瓊[26]在甘肅省草地NPP模擬估算及影響因素的研究中也有類似的發現。

在全球氣候變化背景下，中國草地NPP在時間序列上表現倒U型，在空間呈現從東向西遞減的階梯式變化，與氣象因子和人為因素有著密切關系[27]。氣候變化對草地的影響較復雜，氣溫和降水決定草地的空間分布，過高或過低的溫度都會破壞植物正常生長環境，從而減低草地NPP的值[28]。河西走廊以北地區日照較好，但降水較少，NPP相對較低；甘南高原、隴南山地降水充沛，草地NPP相對較高。因此，甘肅草地NPP應該呈現東南高于西北的格局。甘肅省草地的生長主要受降水因素的制約，草地NPP與降水量呈正相關的面積遠高于氣溫，這是由于溫性草原和溫性荒漠占甘肅省草地的面積最大，在不同草地類型中，溫性草原和溫性荒漠與降水量的相關性最高，所以直接影響降水量與草地NPP的相關性。20年間降水量呈現逐年上升趨勢，而草地NPP均值也表現為逐年上升，這更加說明降水量與草地NPP之間具有直接相關性。楊晗等[29]在內蒙古草地NPP時空變化影響因素的研究中也有類似結論，這說明干旱少雨是限制該溫性草原NPP較低的直接因素。另外，甘肅省溫性草原位于隴中黃土高原地區，屬于中緯度地帶的東部季風區，又在高空盛行西風帶的南部，造成黃土高原夏秋季多雨，而冬春季干旱少雨[30-31]。而隴中黃土高原年降水量不足300 mm，蒸發量又遠遠高于降水量，草地植物的生長受到嚴重抑制，水分對草地NPP的大小起決定性作用。

氣溫對草地NPP的高低也存在著影響，2000—2019年，甘肅省草地NPP與氣溫呈正相關的區域主要位于甘南高原和祁連山地，這與韓炳宏等[32]在青藏高原地區甘南和祁連山部分的研究結果相一致。甘南高原屬于高原性大陸氣候，大部分地區海拔3 000 m以上，陰濕寒冷是其主要氣候特點。該地光照充足，但是熱量較低，光能利用率低，氣溫成為制約草地植物生長的主要因素[33]，所以甘南高原形成了以高寒草原、高寒草甸和山地草甸為主的草地類型，氣溫的變化將直接影響甘南高原草地NPP的高低。

伴隨著經濟的發展，人類活動對草地NPP也存在著一定的影響。面對日趨嚴峻的生態問題，1990年以來，我國開始實施一系列退耕還林還草生態恢復工程，而黃土高原則是重點實施區域之一。2003年甘肅、四川等8個省區開始推行退牧還草計劃，2005年甘肅省政府進一步加強了退牧還草工程管理[34]。修麗娜等[35]的研究表明，2000—2015年黃土高原區草地植被情況顯著改善，尤其是甘肅省境內的區域人類活動促使植被不斷恢復。本研究也發現從2000年開始甘肅省草地NPP逐年增加，除氣象因素外，人類活動也影響著草地NPP的增加。另外，2011—2015年，中央財政每年在內蒙、寧夏、甘肅等8個主要草原省區撥款134億元實施草原生態保護補助獎勵政策[36]；2016年開始，甘肅省再次成為實施第二輪(2016—2020)草原生態保護補助獎勵政策的省份之一[37]。甘肅省草地NPP分別在2010年、2015年以后呈現上升趨勢，說明該政策在草地生態保護中起到了推動作用。楊清等[38]的研究也證明牧民對草原生態補助獎勵政策的滿意度較高，這與該政策實施效果有著直接相關性。同時，三江源國家自然公園和祁連山國家級自然保護區的建立，保護了甘南高原和祁連山地草地生態系統，對草地NPP起到了促進作用。綜合近年來甘肅省降水量不斷增加、生態工程和國家公園的持續完善，對草地NPP的增加均產生了較為明顯的影響。

4 結論

本研究基于MOD17A3 NPP數據在像元尺度上分析了2000—2019年甘肅草地NPP時空變化及與氣象因子的響應關系，得出如下結論：2000—2019年，甘肅省草地NPP呈波動上升的趨勢，空間上呈現由東南向西北遞減格局；不同草地類型中，高寒草原NPP變化最小，暖性灌草叢變化最大；草地NPP整體呈現高波動性，顯著增加的面積占總草地面積的75.70%；草地NPP與年降水量的相關性明顯高于氣溫的相關性，其中，溫性草原NPP與降水量的相關性最高，溫性荒漠草原次之，高寒草原最小；生態工程對草地NPP具有促進作用，需長期實施。另外，甘肅省草地類型較多，對于不同的草地類型在實施草原生態補助獎勵政策時應更加精準，做到因地制宜、因時制宜和因草地類型制宜。