泾河流域植被净初级生产力时空变化特征及其驱动力分析

摘要植被净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）是研究陆地生态系统能量物质循环的重要指标。

研究全球或区域植被NPP的变化及其驱动力，将对解决相关生态环境问题提供重要的科学依据。

本文以泾河流域为研究区域，利用MODIS NPP数据开展2000-2010年间泾河流域植被净初级生产力的时空变化特征研究，同时利用相关性分析法和残差分析法分析气候因子和人类活动对泾河流域植被NPP变化的影响，以期为研究区未来生态建设规划提供科学依据及建议。

研究结果表明：（1）2000-2010年间，泾河流域平均植被NPP分布总体呈东南向西北逐渐递减趋势，其年均NPP介于336.49—684.83gC/m2。

其中NPP增加区域面积占泾河流域总面积的91.29%，显著增加的面积占研究区总面积的43.53%。

（2）2000-2010年间，泾河流域大部分地区温度呈增加趋势，增加面积为79.61%，并且55.4%的区域温度变化与NPP变化呈负相关；大部分地区降水呈下降趋势，面积比例为70.57%，同时83.38%的区域降水与NPP变化呈现正相关关系。

总体而言，泾河流域的气候逐渐呈现暖干化趋势，且这种趋势对植被生长起到了一定的抑制作用。

（3）2000-2010年间，有93.87%地区的植被NPP变化受到了人类活动的正向影响，各类生态工程建设可能是泾河流域植被NPP增加的主要原因，正向人类活动对泾河流域植被恢复起显著促进作用。

因此在今后的生态治理过程中，应重视植被恢复工作的作用，采取切实可行的措施巩固生态建设工程成果，为区域生态的可持续发展打好基础。

关键词：泾河流域、植被NPP、时空变化特征、气象因子、人类活动1绪论1.1研究背景及意义植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是指植被所固定有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，它是植物生长繁殖的能量来源，是研究陆地生态系统物质能量循环的基础参数，也是研究碳循环的重要环节，能直接反应出区域碳收支水平的平衡及区域生态环境的变化[1]。

近些年来，随着社会生产水平的日益提高，人们对自然资源的需求不断增加，生态环境问题日益突出。

NPP作为植被及环境变化的指示器，其变化趋势及驱动力分析将为解决相关生态环境问题提供重要科学依据[2]。

因此，有关NPP变化模拟及影响因素的研究逐渐成为国内外学者关注的热点内容之一，学者们对全球或区域NPP的研究也越来越得到重视。

近年来，随着科学技术的不断发展，遥感影像和GIS技术逐渐取代传统测量方式成为了NPP模拟的主要手段。

这样不仅大大减少了研究过程中的工作量，同时实现了区域尺度上的NPP模拟、估算及预测[3]。

许多学者们在遥感技术的基础上利用不同估算模型对植被NPP进行估算。

如，朴世龙等人[4]利用CASA模型估算了中国陆地净初级生产力并分析其分布情况。

Prince等人[5]利用遥感数据，采用GLO-PEM模型估算了植被NPP及其对气象变化的响应。

在研究植被NPP变化及驱动力方面，国内外学者普遍认为气候是植被生长和分布的决定性因素，同时植被也反映出区域气候的变化特征，而近年来人类活动的增强同样成为植被NPP变化不可忽略的驱动因素之一[6]，故学者们对植被NPP的变化多从气候和人为活动两方面进行研究。

如，Tang等人[7]利用生态模型对新英格兰森林NPP进行估算并分析其对气候的敏感性；潘桂行等人[8]分析人为活动和自然因素对海流兔流域生态的影响，通过区分实际NPP和潜在NPP，发现人为因素是该流域的主要推力；颜凤芹[9]研究发现人类活动是三江平原土地利用发生变化的主要原因，且近年来土地利用的变化使该区域NPP大幅下降。

因此，探究植被NPP的变化规律，阐明引起相关变化的驱动因素，将为决策者理解区域环境问题产生的原因，制定解决环境问题的相关对策提供有效的科学依据。

泾河是黄河的二级支流，也是黄土高原的重要河流。

流域内地貌有山区、丘陵、高原、平原4 种类型，其中高原和丘陵区沟壑纵横，沟壑面积占流域总面积50 %以上[10]。

流域内大多地区经济相对落后，居民生活物质需求和生计来源对当地自然生态系统服务依赖性较大，但由于长期处于粗放经营，生产水平较低，造成植被严重沙化退化。

加之泾河以洪水猛烈、输沙量大著称，且区域内地表大多为第四纪黄土覆盖，水土流失愈发严重[11]。

随着以退耕还林为代表的一系列生态工程的实施，区域内的生态问题得到了一定改善[12]。

然而，人口的不断增加，城镇的快速扩张和耕地需求的不断增长等人类活动的持续影响，使得流域内植被破坏、土壤侵蚀等生态问题仍然十分突出[13]。

因此以泾河流域这一典型区域为例，开展NPP变化及驱动力研究，分析自然与人为因素在驱动NPP变化中扮演的角色，无论是在对区域内生态环境变化的探讨，还是在总结改进生态恢复措施、方法方面都有着重要的现实意义。

综上所述，本研究将以气象、遥感数据为基础，以泾河流域为研究区，开展区域内NPP变化规律及驱动力分析研究，以期为研究区内生态环境可持续发展提供意见和建议。

1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外学者对NPP的研究最早可以追溯到19世纪80年代，Ebermary等人[14]对巴伐利亚森林物质生产力的测定。

20世纪60年代之后，在国际生物圈（IBP）计划以及国际地圈与生物圈计划（IGBP）实施的推动之下，对植物NPP研究迅速发展起来，进入快速发展阶段。

在此阶段学者们对植被NPP进行了大量估算，并建立了许多估算模型，迄今为止共有20多种计算模型。

最早建立模型的是德国学者Lieth[15]，他在实测数据的支持之下建立了Miami模型，并对全球NPP分布模拟后发现，植被NPP与年均降水量及年均气温值有关；他随后又建立了Thornthwaite Memorial模型，并发现NPP与植物蒸发量有着密切的联系。

还有其他学者建立了植被NPP与不同因子相关的模型，如，Uhcijmia[16]等人于1985年根据对繁茂植被CO2通量方程和水汽通量方程确定植被的光能利用率，并对所获取的生物量资料和相应的气候因素资料进行一系列相关分析，建立了依据净辐射和辐射干燥度指标计算植被NPP的Chikugo（筑后）模型。

到20世纪90年代后，随着学者们对航天技术和全球范围的气候变化研究逐步深入，植被NPP的时空变化研究也进入了一个全新的阶段。

现如今，3S技术的迅速发展为NPP的计算提供了便利，不仅为植被NPP的研究提供了大量的遥感数据，而且在遥感参数的基础之上建立了许多新的估算模型，主要模型有CASA（生物圈模型）[17]和C-FIX[18]等，并利用这些模型估算各区域植被NPP及其驱动力。

如，Eisfelder 等人[19]利用BASY/DLR模型研究哈萨克斯坦2003-2011间植被NPP变化，发现半干旱地区比干旱地区的NPP变化高，且更易受气象因子的影响；Haber等人[20]研究发现人类土地利用对奥地利植被NPP的变化有着重要的影响。

1.2.2国内研究现状我国对NPP的研究起步相对较晚，从20世纪70年代开始采用传统的实测数据估算植被净初级生产力，之后逐步引进国外的估算模型进行进一步研究。

1986年，贺庆棠和Baumgartner[21]利用Lieth-Box模型，对我国各地的植物气候产量进行定量计算，并绘制了中国植物气候的产量分布图。

1995年，周广胜和张新时等人[22]通过对植物生态学特征和能量、水量平衡方程的联系，建立植被NPP 估算模型，并研究得出气候条件下中国植被NPP的变化图。

进入90年代后，我国学者对NPP的估算及其分析研究工作不断深入，利用气象、MODIS NPP、土地利用变化等相关数据以及各种NPP估算模型，对我国不同区域的植被净初级生产力进行了估算、变化及驱动力分析研究，现已有大量研究成果。

如，孙睿、郝永萍等人[23]利用月均气温、月均降水等气象要素，对我国NPP估算分析，概述了近年来在NPP变化及驱动力分析方面的研究，后又进一步分析其季节变化，发现我国陆地NPP具有明显季节性差异。

朴世龙等人[4]利用CASA模型估算我国97年NPP及其分布，发现我国植被净初级生产力是从东南沿海向西北内陆逐渐变小。

总体而言，我国对植被净初级生产力的研究主要集中于模型建立、时空分布、变化特征、影响因素及生态响应等几个方面。

但到目前为止，国内对植被NPP的驱动力研究还并未清晰，多数停留在气候因子的分析上，对人类活动的区分并不深入。

1.3研究目标和研究内容1.3.1研究目标本文以泾河流域为研究区域，借助遥感技术获取研究区域2000-2010年的MODIS NPP数据，并在此数据的基础之上，分析泾河流域内植被NPP的时空变化趋势。

同时利用相应时段的气象数据并配合残差分析等方法分析区域内植被变化与气候因素及人类活动之间的联系，为未来该区域生态环境治理及规划提供帮助及建议。

1.3.2研究内容本文对泾河流域内植被NPP变化及其驱动力进行分析，主要内容包括以下方面：（1）根据泾河流域MODIS NPP数据，采用回归分析等方法对研究区域内植被NPP的时空变化趋势进行分析；（2）通过获取的气象数据，利用相关系数法，分析研究区植被NPP时空变化与气候要素之间的关联；（3）通过残差分析法分离出人为因素对研究区域植被NPP时空变化的影响。

2 研究区概况泾河干流全长455 .1km，是渭河一级支流、黄河二级支流。

该河流域的区划边界为105o49′~108o58′E,34o14′~38o10′N，流域面积45421km2，包括宁夏东南部、甘肃陇东、陕西关中西北部等35个县市（图1）。

该流域地势西北高东南低，地貌类型包括黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、土石山区、黄土丘陵林区和黄土阶地区5种，其中黄土丘陵区和黄土高原沟壑区是该流域主要地貌类型，且这两区域的水土流失情况最严重。

泾河流域深处大陆，是典型的温带大陆性气候，处于温带半湿润半干旱的过渡地带[24]。

据观测点数据显示，雨量和气温呈东南向西北逐渐递减分布，流域年平均气温10℃左右，年平均降水量为290-560mm，降水主要集中在夏秋两季，多暴雨现象。

因泾河流域南侧是山地，故降雨量高于北侧地区。

该流域土层较厚，一般介于50—80m，部分土层厚达100m以上。

土壤主要是由黄绵土和黑土组成，结构松散，抗蚀性差，故该流域的水土流失面积较大。

植被受土壤和气候的地域差异影响，致使植被格局发生递变，在黄土山地、黄土残塬沟壑和黄土丘陵沟壑区依次出现了森林、灌丛和草地。

但因人类活动较为频繁，泾河流域的植被遭到严重破坏，森林面积大幅减少。

图2 研究区示意图3 数据来源及研究方法3.1数据来源3.1.1 MODIS NPP数据MODIS是NASA于1999年发射TERRA极轨环境卫星搭载的中分辨率成像光谱仪。