2000-2014年呼伦贝尔沙地河流湿地植被NPP时空变化及驱动力分析

郭连发, 来 全,2, 伊博力, 银 山

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特010022;2.内蒙古师范大学 内蒙古自治区遥感与地理信息重点实验室, 呼和浩特 010022)

2000-2014年呼伦贝尔沙地河流湿地植被NPP时空变化及驱动力分析

郭连发1, 来 全1,2, 伊博力1, 银 山1

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特010022;2.内蒙古师范大学 内蒙古自治区遥感与地理信息重点实验室, 呼和浩特 010022)

植被净初级生产力(NPP)可以直接反映植被在自然环境中的生产能力，利用遥感影像、气温降水数据结合简单差值法、趋势分析法以及线性回归分析对呼伦贝尔沙地河流湿地NPP进行了时空变化研究与驱动力分析。结果表明：时间上，呼伦贝尔沙地河流湿地NPP呈现波动式增长，NPP增长面积可达整个湿地面积的92.51%，年增长率为0～2 gC/(m2·a)；空间上，河流湿地NPP值呈现东高西低格局。而15年间NPP增加最快的湿地为处于西部的克鲁伦河湿地，增长面积可达99.5%；气候变化与人类活动是导致NPP变化的两个重要因素，NPP增长与降水量呈显著正相关(R=0.703)，与气温呈显著负相关(R=-0.559)。经济产业结构的变化使得人类活动对生态环境的压力减小，促使湿地NPP的增加。同时，国家政策以及治沙工程同样影响着NPP的变化。

植被净初级生产力; 时空变化; 驱动力分析; 河流湿地

湿地作为陆地表层独特而重要的生态系统类型，在水分和整个物质循环中起到重要作用，它不仅具有调节气候、涵养水源的功能，还具有较高的生产力以及丰富的物种多样性[1-2]。做好湿地保护工作有助于当地生态、经济的可持续发展以及生态文明建设。植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)是指植被在单位面积和单位时间上由光合作用固定的有机质总量中扣除植物自养呼吸的消耗量后的剩余部分，它会随着环境的改变而发生变化，因此它能直接反映绿色植被群落在自然环境条件下的生产能力[3-4]。同时植被净初级生产力与气候变化、土地荒漠化有着密切的关系，为全球性或者区域性的生态环境问题研究提供了重要依据[5]。目前，湿地植被NPP方面的研究主要侧重在利用模型对植被NPP进行估算以及把气候因素作为影响NPP变化的主要驱动因素来进行分析，而对于利用MODIS17A3数据进行NPP时空变化研究则主要以大区域研究为主[6-9]。相反，对小区域的湿地植被NPP时空变化研究匮乏，而且比较容易忽略人类活动对湿地植被NPP变化的影响。一直以来，对呼伦贝尔沙地相关研究较多，但对湿地方面的研究极少。所以，本文选取呼伦贝尔沙地河流湿地为研究对象，对湿地植被NPP进行时空变化研究，同时综合气候变化和人类活动两方面因素对其驱动力进行分析，从而为本地区的湿地保护提供指导依据，以促进地区生态环境的保护与改善。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

呼伦贝尔沙地位于大兴安岭的西侧内蒙古呼伦贝尔草原上(47°20′—49°50′N,117°10′—121°12′E)，平均海拔650～700 m。该地区温带大陆性气候显著，夏季温和，冬季寒冷，降水主要集中在夏季，多年平均降水量325 mm。区域最低气温可达-46.6℃，最高气温达到37.7℃，年平均气温-1.5℃；日照充足，年日照时数平均为2 900 h，日照百分率在61%以上[10]。研究区内水系相对密集，主要有呼伦湖、贝尔湖、伊敏河、辉河、乌尔逊河、克鲁伦河、海拉尔河和额尔古纳河。本文选取河流湿地分布情况见图1。

图1河流湿地分布

1.2 数据来源

1.2.1 遥感数据 本文所用遥感数据为2000—2014年MODIS NPP产品数据MODIS17A3，空间分辨率为1 km×1 km，数据在美国宇航局NASA网站(http:∥ladswed.nascom.nasa.gov/)直接下载。该数据在全球以及区域NPP与碳循环研究中得到广泛的认可[11]。而且已有研究证明MODIS17A3数据在中国东北地区具有一定的精度[12]。为便于计算，利用MRT(Modis Reprojection Tool)软件对NPP影像进行数据转换处理。河流湿地采用分辨率为30 m的TM影像(http:∥glovis.usgs.gov/)选取植被生长季(6—8月)云量较小的影像在ArcGIS软件中进行目视解译获取。

1.2.2 其他数据 本文使用的气象数据为植被生长季(4—9月份)的气温降水数据，由中国气象数据共享服务网提供(http:cdc.cma.gov.cn)2000—2014年呼伦贝尔沙地及其周边气象站点的月平均降水量(mm)以及月平均气温(℃)数据。人口经济数据经内蒙古2000—2014年统计年鉴获取。

2 结果与分析

2.1 河流湿地NPP时间变化及空间分布

由表1可以看出研究区内5个河流湿地NPP随着时间的推移均表现出上升趋势。多年平均NPP表现为伊敏河湿地>辉河湿地>海拉尔河湿地>乌尔逊河湿地>克鲁伦河湿地，伊敏河湿地多年平均NPP值最大[38.2 gC/(m2·a)]，克鲁伦河湿地多年平均NPP值最小[27.6 gC/(m2·a)]。在沙漠化最严重的呼伦湖附近的两条河流湿地(克鲁伦河湿地、乌尔逊河湿地)NPP值低于研究区平均水平。整个研究区内的河流湿地NPP均表现出一定程度的浮动变化，但15 a间本研究区内NPP值是增长的。

2000—2014年呼伦贝尔沙地区河流湿地平均NPP分布见图2，受到地形条件以及气候影响河流湿地NPP值由东向西递减，伊敏河湿地大部分地区NPP值处于30～50 gC/(m2·a)，海拉尔河湿地东部以及辉河湿地南部NPP值较高。NPP值较低的地区主要包括乌尔逊河湿地、克鲁伦河湿地以及海拉尔河湿地西部，NPP值范围为20～40 gC/(m2·a)，这几处河流湿地分布在在沙漠化较严重的核心地带，主要土壤类型为盐土、碱土[13-14]。在呼伦贝尔草原生态评价中，鄂温克自治旗在6个旗县中整体评价最好，而新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗生态安全较差[15]，从NPP平均分布图中可以得到有力的数据支持。

表1 2000-2014年呼伦贝尔沙地年均河流湿地NPP gC/(m2·a)

图22000-2014年河流湿地NPP平均分布

NPP高值区分布在陈巴尔虎旗、海拉尔市、鄂温克族自治旗境内，共同特点为所在地海拔较高，降水多。而NPP低值区分布在呼伦湖周围，该地区海拔较低，降水量少，沙漠化严重。受到气候条件以及荒漠化的影响，东部研究区总体NPP值要比西部研究区NPP值高10 gC/(m2·a)。

2.2 河流湿地NPP的变化特征

本研究采用简单差值法以及一元线性回归趋势分析法对比分析15 a来呼伦贝尔沙地地区河流湿地NPP的变化特征，以了解五条河流湿地15 a的NPP变化规律。

2.2.1 湿地NPP15 a总的变化特征 简单差值法

将2000年和2014年NPP影像利用ArcGIS栅格计算器(Raster Calculator)进行差值计算，生成15 a河流湿地NPP变化特征空间分布图(图3)。通过此方法可以直观的观察15 a的NPP变化情况。由图3可以看出湿地整体NPP值是增加的，增幅10～20 gC/(m2·a)。只有一小部分地区NPP值减小，主要分布在陈巴尔虎旗周围、海拉尔河与额尔古纳河交汇处以及辉河湿地北部。湿地NPP增加最快的为克鲁伦河湿地以及乌尔逊河湿地，这两处湿地大部分地区NPP增幅20～30 gC/(m2·a)。为更加清楚直观地了解湿地NPP的增减情况，对数据做统计得到表2。

图3 2014年与2000年湿地NPP差值分布

由表2可知，研究区内河流湿地NPP值增加的面积占到湿地面积的92.51%，只有伊敏河湿地和辉河湿地低于这个值，而辉河湿地增加面积不足90%，是唯一1个NPP增加面积不足90%的湿地，为5个湿地中最低。克鲁伦河湿地NPP增加面积可达99.5%,在所有湿地中增加面积百分比最高，说明近些年来来克鲁伦河湿地保护较好，治沙工作比较见效。

2.2.2 湿地NPP年际变化率 利用简单差值法进行分析，虽然可以比较直接的反映15 a来NPP值的变化，但是由于其计算利用的是研究时段端点的图像处理获得，比较容易受到研究时段端点年份极端气候的影响，而利用一元线性回归分析可以一定程度上消除这一因素的影响[11]。因此利用此方法可以更好的了解15 a来每年的NPP增长率变化情况。针对时间序列的NPP数据，其年际变化率(θslope)采用基于像元的一元线性回归分析方法，θslope>0说明变化趋势是增加的，反之为减少，当∣θslope∣≈0说明NPP值没有发生变化[16-18]。

图42000-2014年河流湿地NPP变化斜率

由图4可以看出2000—2014年NPP变化斜率比较小，基本每年增幅为0.5～2 gC/(m2·a)，但是整体是呈现增加趋势的。逐渐减小的地区分布在辉河湿地北部、海拉尔河湿地中部以及海拉尔河与额尔古纳河交汇处，这说明这些地方植被状况有所退化。海拉尔河湿地变化斜率比较小，变化斜率处于0～1 gC/(m2·a)；变化斜率最大的为克鲁伦河湿地，可以达到1～2 gC/(m2·a)，这说明克鲁伦河湿地植被状况得到改善。为便于分析，数据整理后得到NPP不同变化斜率所占面积百分比表。

表3 河流湿地NPP不同变化斜率面积百分比

对表3分析可以得出：研究区内河流湿地NPP虽然都在增加，但是增加比较快的(>0.5 gC/(m2·a)是克鲁伦河湿地，可达84%。增加较缓慢的为海拉尔河湿地，仅占湿地面积的47.33%，低于研究区平均水平，但是海拉尔河湿地增幅为0～0.5 gC/(m2·a)的面积占到44.45%，远远高于其他湿地，这说明海拉尔河湿地植被状况也在改善，只不过改善速度相比于其他湿地缓慢，湿地植被保护处于起步阶段。

3 驱动力分析

3.1 气候变化

气候变化是湿地植被NPP变化的主要自然因素，是引起植被NPP发生变化的关键。本文从气温、降水分析了气候变化对河流湿地NPP变化的影响，气温、降水均采用湿地植被生长季(4—9月份)数据，从气温、降水以及NPP变化趋势图(图5)中可以发现，NPP的变化与气温、降水变化有着密切的关系。

近15 a来，研究区湿地植被生长季内总的降水量变化波动比较大，为128.7～406.8 mm，总体呈波动增长趋势。降水年份有3个明显的峰值，分别出现在2002年、2008年、2013年，对应的降水量分别为232.5 mm，228.6 mm，406.8 mm；气温变化为13.1～16℃，总体呈波动下降趋势。而在2002年、2008年、2013年研究区内气温正处于下降阶段，对应的温度分别为15.2℃，14.7℃，13.1℃。不难发现，湿地植被NPP在2002年、2008年、2013年正处于上升期，对应的NPP值分别为34.7 gC/(m2·a)，31.1 gC/(m2·a)，37.6 gC/(m2·a)。NPP变化与气温、降水的变化规律基本吻合，将气温、降水与NPP做相关性分析后发现，NPP与降水量呈显著正相关关系(R=0.703，0.001

图52000-2014年湿地NPP变化与气候变化

3.2 人类活动

人类活动是很多自然灾害的原因之一，由于不合理的利用资源、大规模的开发等诸多因素容易对土地以及生态环境造成巨大压力，导致生态环境遭到破坏。本文主要从研究区内经济结构方面分析人类活动对河流湿地的影响，通过整理内蒙古统计年鉴得到研究区产业结构变化图(图6)。

图62000-2014年各旗县第一产业占GDP百分比变化

2000—2014年内蒙古统计年鉴经济资料显示研究区内各旗县第一产业占国民生产总值比重逐渐减小,这说明以土地资源为主的农牧业不再占据经济增长的主导地位，这种现象势必会减轻人类活动对土地资源以及生态环境的破坏。由于产业调整，农牧业对草地、河流湿地的压力减小，有利于河流湿地生态环境的恢复从而使得植被生产力提高。在产业结构转变中，新巴尔虎右旗第一产业占GDP百分比由2000年的67%降为6.2%，下降60.8个百分点，在6个旗县中变化最为明显。其次为新巴尔虎左旗，下降39.75%。此项数据有力的解释了克鲁伦河湿地与乌尔逊河湿地NPP增长最快的原因。因此，可以认为经济结构的变化与调整是河流湿地NPP增长的重要人类活动要素。

此外，2000年中央制定颁发了退耕还林(草)的明确政策，中央2号文件将“退耕还林(草)”列入西部大开发的重要内容[19]。近些年来呼伦贝尔沙地特有的治沙模式取得明显的效果[20]。部分湿地保护区的建立有利于湿地生态环境的保护以及当地的生态恢复。因此，人类活动也是湿地NPP变化的重要因素。

4 结 论

(1) 从时间角度分析，15 a以来呼伦贝尔沙地地区河流湿地NPP呈现波动式增长。NPP增长面积可以达到整个湿地面积的92.51%，年增长率大部分地区处于0～2 gC/(m2·a)，只有一小部分地区呈现负增长。

(2) 从空间角度分析，湿地NPP值呈现东高西低的格局。伊敏河湿地、辉河湿地以及海拉尔河湿地东部NPP值最高，克鲁伦河湿地与乌尔逊河湿地NPP值最低。2000—2014年，湿地NPP增加最快的为克鲁伦河湿地，增长率处于0.5～2 gC/(m2·a)，增长面积可达99.5%，东部河流湿地NPP增长相对较缓。

(3) 气候变化与人类活动是NPP变动的重要影响因素。NPP与降水量呈现出显著正相关，相关系数为R=0.703，与温度呈现显著负相关，相关系数为R=-0.559。人类活动中，随着经济产业结构的转移，第一产业在国民生产总值的比重减小，表明农牧业对生态环境的压力减小，同样是NPP增长的又一重要因素。此外，国家政策以及出色的治沙工程取得显著效果也使得研究区内河流湿地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

内蒙古师范大学研究生科研创新项目(CXJJS16109);内蒙古自治区研究生教育计划(S20161013509);内蒙古自治区自然基金(2013ZD08)

郭连发(1992—),男,山东无棣人,硕士研究生,研究方向为灾害监测与防治。E-mail:863661823@qq.com

银山(1963—),男,内蒙古通辽市人,教授,主要从事灾害监测与防治。E-mail:yinshan@imnu.edu.cn