劉亞榮，賈文雄＊，黃 玫，李悅悅，武正麗，張禹舜，李燕飛

（1 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070；2 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；3 湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，武漢430062）

植被凈初級生產(chǎn)力作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅可以直接反映植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，而且也是生態(tài)系統(tǒng)功能對氣候變化響應(yīng)的重要指標(biāo)［1］。凈初級生產(chǎn)力（NPP）是指綠色植被在單位面積、單位時間內(nèi)所累積的有機物數(shù)量，是由光合作用所產(chǎn)生的有機質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分。目前，在不同尺度上估算植被凈初級生產(chǎn)力主要以模型研究為主，如陶波等［2］基于CEVSA 模型、樸世龍等［3］基于CASA 模型、何勇等［4－6］基于AVIM 模型、朱文泉等［7］基于遙感模型分別在不同時段模擬估算了中國陸地植被凈初級生產(chǎn)力。孫睿等［8］利用改進(jìn)的光能利用模型、黃玨等［9］利用CENTURY 模型對不同時段中國區(qū)域植被凈初級生產(chǎn)力進(jìn)行模擬，并就氣候變化對中國陸地植被凈初級生產(chǎn)力影響作了研究。以上相關(guān)研究都是在宏觀大尺度上進(jìn)行的，也有學(xué)者在一些區(qū)域尺度上對植被NPP 變化與氣候變化的關(guān)系做了相關(guān)研究。發(fā)現(xiàn)在全球氣候變暖的背景下，區(qū)域植被NPP變化對氣候變化的響應(yīng)存在區(qū)域差異。袁博等［10］、德吉央宗等［11］、趙魯青［12］在植被變化對氣候變化響應(yīng)的研究中表明：秦嶺山地、青藏高原、雅魯藏布江中下游植被變化對氣溫響應(yīng)敏感，而王國成等［13］、李建新［14］、張藝等［15］在植被凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的研究中指出：內(nèi)蒙古草地、普寧市、北京山區(qū)刺槐林植被變化對降水響應(yīng)敏感。由于區(qū)域生態(tài)環(huán)境和氣候條件的差異，植被凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的敏感性有所不同。因此，開展祁連山地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力對氣候變化響應(yīng)的研究是十分必要的。

祁連山是中國西北干旱區(qū)著名的大山系，孕育了河西走廊疏勒河、黑河、石羊河等三大水系56條內(nèi)陸河，其植被具有涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能，對遏止荒漠化發(fā)展和維護(hù)河西走廊綠洲生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要作用，由于受大氣環(huán)流和地勢格局的共同作用，其植被分布呈現(xiàn)獨特的垂直地帶性特征［16］。程瑛等［17］利用8km 分辨率的NDVI數(shù)據(jù)分析了1982～2003年祁連山地區(qū)植被的變化特征，鄧少福［18］用MODIS NDVI數(shù)據(jù)對2000～2011祁連山氣候變化對植被的影響作了研究，但利用模型在較長時間序列上對祁連山地區(qū)植被NPP 對氣候變化的響應(yīng)的研究尚未開展。本研究利用大氣－植被相互作用模型（AVIM2）模擬了祁連山1958～2008年植被凈初級生產(chǎn)力的空間分布格局和年際動態(tài)變化特征，并在此基礎(chǔ)上分析了祁連山植被NPP 變化對氣候變化的響應(yīng)。

1 研究區(qū)域和方法

1．1 研究區(qū)域

祁連山（圖1）位于青藏高原東北邊緣（94°～104°E，36°～40°N），地處黃土、蒙新、青藏三大高原交匯地帶，東西長約1 000km，南北最寬處約300 km，東起烏鞘嶺，西至當(dāng)金山口，北鄰河西走廊，南接柴達(dá)木盆地，由一系列西北－東南走向的平行山脈和谷地組成［19］。祁連山地區(qū)海拔大部分在4 000m以上，自然條件復(fù)雜，水熱條件差異較大，年均溫0．6℃，年降水400～700mm，具有典型的高原大陸性氣候特征［20］。植被類型主要有農(nóng)田、草原、荒漠化草原、針葉林、闊葉林、亞高山灌叢草甸、高山草甸、灌叢等。

1．2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

1．2．1 氣候數(shù)據(jù) 研究所用的氣候資料是1958～2008年的全球氣候數(shù)據(jù)，來自美國普林斯頓大學(xué)，空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為3h，即51年溫度、降水、相對濕度、風(fēng)速及太陽長短波輻射數(shù)據(jù)。在對其格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換（NC 格式轉(zhuǎn)換為DAT 格式）后，利用Fortran語言編寫程序提取出研究區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，然后把提取的氣象數(shù)據(jù)插值程序鑲嵌到AVIM2模型中，用反距離插值法得到模式運行所需的分辨率為0．1°×0．1°的氣候數(shù)據(jù)。

圖1 祁連山概況示意圖Fig．1 The sketch map of Qilian Mountains

1．2．2 植被分類數(shù)據(jù) 研究所用植被分類數(shù)據(jù)是從GLC2000（Global Land Cover 2000）的全球土地覆被數(shù)據(jù)中提取的，GLC2000 數(shù)據(jù)是根據(jù)SPOT4的植被儀器采集的數(shù)據(jù)制作而成，植被共分為22類，分別為常綠闊葉林、封閉闊葉落葉林、開放闊葉落葉林、常綠針葉林、落葉針葉林、混交林、淡水澆灌林、林和非林自然植被、過火森林、郁閉／開放常綠灌木、郁閉／開放落葉灌木、郁閉／開放草地、稀疏草地或灌木、合理澆灌灌木或草地、管理的農(nóng)田、農(nóng)田／森林／其它自然植被混合、農(nóng)田／灌木／草地混合、裸地、水體、冰雪及人工區(qū)。在用ArcGIS 對植被分類數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣后，提取獲得模式運行所需的0．1°×0．1°經(jīng)緯度網(wǎng)格的植被分類數(shù)據(jù)。根據(jù)GLC2000的植被類型標(biāo)準(zhǔn)，將祁連山地區(qū)植被分為常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木和農(nóng)田，分別用常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木和農(nóng)田的區(qū)域平均值來代表該類植被NPP的變化，以此來研究不同類型植被NPP對氣候變化的響應(yīng)。

1．2．3 土壤質(zhì)地數(shù)據(jù) 研究所用土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)是從空間分辨率為0．5°×0．5°的全球土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)（http：／／www．isric．org／data／data－download wise soil 0．5×0．5（v3．0））中提取的，并用ArcGIS進(jìn)行重采樣處理，得到空間分辨率為0．1°×0．1°的研究區(qū)域土壤質(zhì)地分類數(shù)據(jù)。

1．3 模型簡介

大氣－植被相互作用模型AVIM2（Atmosphere－Vegetation Interaction Model 2）是在AVIM 模型基礎(chǔ)上經(jīng)發(fā)展和改進(jìn)而形成的動態(tài)陸地生態(tài)系統(tǒng)模型，主要由三個模塊組成：描述植被－大氣－土壤之間輻射、水、熱交換過程的陸面物理過程模塊、基于植被生態(tài)生理過程（如光合、呼吸、光合同化物的分配、物候等）的植被生理生長模塊和土壤有機碳轉(zhuǎn)化和分解子模塊［21］。陸面物理模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和過程參數(shù)化在Cassardo等［22］和Ji等［23］的文章中已有詳細(xì)描述，植物生長過程子模塊詳見文獻(xiàn)［24－25］，土壤有機碳轉(zhuǎn)化和分解模塊的詳述見文獻(xiàn)［26］。在站點尺度上，AVIM 模型對草地、農(nóng)作物、森林等生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)有較好的一致性［27－30］。在區(qū)域尺度上，對全球生態(tài)系統(tǒng)、中國區(qū)域、青藏高原、西南地區(qū)的凈初級生產(chǎn)力做了模擬，取得了很好的模擬結(jié)果［21，31－32］，可見AVIM 模型在區(qū)域尺度的研究上有較好的適用性。因此，本研究的NPP數(shù)據(jù)也是可信的。

2 結(jié)果與分析

2．1 祁連山植被凈初級生產(chǎn)力空間分布格局

圖2為祁連山1958～2008年平均凈初級生產(chǎn)力（NPP）的空間分布格局。圖中顯示祁連山植被NPP從西北向東南呈遞增趨勢，區(qū)域內(nèi)植被NPP最高值是650g·m－2·a－1，平均值為127g·m－2·a－1。祁連山植被NPP 空間分布存在一定空間差異，大致以黑河干流為界，中東部地區(qū)植被NPP 值較高，中西部地區(qū)植被NPP 值較低，這與賈文雄［19］、陳志昆［33］對祁連山降水的空間分布格局的研究結(jié)果是一致的。祁連山中東部地區(qū)東南部水熱條件較好，植被NPP 較大，大多在300g·m－2·a－1以上，中東部地區(qū)西北部廣泛分布著草地和稀疏灌木，這些地區(qū)植被NPP大致在200～300g·m－2·a－1左右；中西部地區(qū)西南部多為裸地、冰雪，也有一些稀疏灌叢，植被NPP 在100～200g·m－2·a－1之間；中西部地區(qū)西北部為冰雪和少量稀疏灌叢，植被NPP在50～100g·m－2·a－1之間；中西部地區(qū)西部大面積為裸地，植被稀少，植被NPP多在50g·m－2·a－1以下，一些荒漠地區(qū)接近0。

圖2 祁連山多年平均的植被NPP空間分布Fig．2 The spatial distribution of the annual average vegetation NPP in Qilian Mountains

2．2 祁連山植被凈初級生產(chǎn)力的年際變化

2．2．1 祁連山植被年凈初級生產(chǎn)力的年際變化 圖3，A～C 分別為1958～2008年祁連山地區(qū)年平均氣溫、降水量和NPP 總量的年際變化趨勢。近51年來，祁連山區(qū)域平均氣溫為2．932℃，年平均氣溫在1958～1967年10年間呈小幅降低趨勢，1967年降至最低，年均溫僅為1．55℃；1968～2008年41年間呈持續(xù)增加趨勢，其中1968～1982年和1983～1994年2個時段增溫幅度較小，上升速率分別為0．025℃·a－1和0．081℃·a－1，1995～2008年增溫幅度較大，上升速率為0．132℃·a－1。在社會科學(xué)統(tǒng)計軟件（statistical program for social sciences，SPSS）中統(tǒng)計計算得知，上升速率均通過信度為0．01的置信度檢驗。

近51年來，祁連山地區(qū)年平均降水量為207 mm，年平均降水量最低年份是1962年，僅為139 mm，最高年份是1989年，降水量為297mm。1958～2008年平均降水量呈緩慢波動增加趨勢，增加速率為1．355mm·a－1，通過信度為0．01的置信度檢驗。其中1958～1962年呈減少趨勢，到1962年減至最低，1962～1989年呈增加趨勢，在1989年達(dá)到最高，1989～2001年又呈減少趨勢，2001～2008再次呈增加趨勢。

圖3 祁連山氣候及植被凈初級生產(chǎn)力的多年變化趨勢Fig．3 The trend of climate and vegetation NPP change in Qilian Mountains for many years

近51年祁連山地區(qū)NPP 總量的平均值為127 g·m－2·a－1，其中1998年的NPP 總量最高，為155g·m－2·a－1，1960年為NPP 總量最低年，NPP僅為90g·m－2·a－1。在氣溫明顯增加和降水量緩慢波動增加的氣候背景下，祁連山地區(qū)近51年植被NPP也呈現(xiàn)波狀增加趨勢，年際變化速率為0．718g·m－2·a－1，通過信度為0．01的置信度檢驗。其中1958～1960年大幅度降低，1961～2008年呈波狀增加趨勢，期間經(jīng)歷了1961～1970年、1971～1976年、1977～1984年、1985～1993年、1994～2008年五次小的波狀起伏。

2．2．2 祁連山不同植被類型凈初級生產(chǎn)力的年際變化 圖4分別為常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木及農(nóng)田NPP 總量多年變化情況。隨氣溫上升和降水量的增加，常綠針葉林NPP呈明顯上升趨勢（圖4，A），其上升速率為2．138g·m－2·a－1，NPP總量每年增加0．38%，其中2003年常綠針葉林NPP最高，為707．93g·m－2·a－1。落葉針葉林區(qū)域NPP也呈明顯地上升趨勢（圖4，B），其上升速率為1．377g·m－2·a－1，NPP總量每年增加0．42%，落葉針葉林NPP最高年為2003年，NPP達(dá)416．50 g·m－2·a－1。草地NPP也呈明顯的上升趨勢（圖4，C），其上升速率為1．241g·m－2·a－1，每年NPP的增加量為0．69%，其中NPP 最高年份為1998年，NPP 達(dá)260．33g·m－2·a－1。灌木區(qū)NPP也呈明顯的上升趨勢（圖4，D），其上升速率為0．855g·m－2·a－1，每年NPP的增加量為0．71%，其中2005年灌木的NPP最高，為181．16g·m－2·a－1。農(nóng)田NPP 總量也呈明顯的上升趨勢（圖4，E），其上升速率為2．275g·m－2·a－1，NPP 總量每年增加0．43%，2003年為農(nóng)田NPP最高年，NPP達(dá)683．25g·m－2·a－1。在SPSS中統(tǒng)計計算知，上升速率均通過信度為0．01 的置信度檢驗。從NPP的增長速率來看，農(nóng)田的增長速率是最快的，其次是常綠針葉林，再次是落葉針葉林和草地，灌木的增長速度最小。從NPP每年的增加量來看，灌木增加量的比例是最大的，其次是草地，再次是落葉針葉林和農(nóng)田，而針葉林增加量的比例是最小的。

2．3 祁連山植被凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)

通過在SPSS中統(tǒng)計計算，表1列出了近51年祁連山植被凈初級生產(chǎn)力與氣溫和降水量的相關(guān)系數(shù)。表中顯示，常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木及農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力的變化與區(qū)域年平均氣溫和降水量的變化均呈正相關(guān)關(guān)系，也就是說隨著氣溫和降水量的增加，祁連山植被凈初級生產(chǎn)力也隨之增加。其中，常綠針葉林NPP 與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0．616，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．485；落葉針葉林NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0．669，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．545；草地NPP 與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0．720，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．534；灌木NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0．783，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．422；農(nóng)田NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)為0．660，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0．535。從相關(guān)系數(shù)的大小可以看出，常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木和農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力與氣溫的相關(guān)性均大于與降水量的相關(guān)性。由此可見，氣溫變化對祁連山地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的影響大于降水量變化，也表明祁連山地區(qū)植被生長對氣溫變化的響應(yīng)比降水量變化更為敏感。從單因子來考慮，氣溫變化對草地和灌木凈初級生產(chǎn)力的影響大于對常綠針葉林、落葉針葉林和農(nóng)田的影響，而降水量的變化對落葉針葉林、草地和農(nóng)田凈初級生產(chǎn)力的影響大于對常綠針葉林和灌木的影響。

圖4 祁連山不同植被類型NPP總量的年際變化Fig．4 The total NPP annual variation of different vegetation types in Qilian Mountains

表1 祁連山不同植被NPP與氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficient of different vegetation NPPs with temperature and precipitation in Qilian Mountains

戴聲佩等［20］基于GIS的祁連山植被NDVI對氣候變化的分析結(jié)果表明：祁連山植被NDVI對氣溫變化的響應(yīng)大于降水，與本研究結(jié)果一致；鄧少福［18］利用MODIS NDVI做的祁連山氣候變化對植被的影響研究發(fā)現(xiàn)：2000～2011年間祁連山植被改善區(qū)植被生長受控于5～8月降水量和4～8月平均氣溫，退化區(qū)植被生長受控于4～9月平均氣溫，與本研究結(jié)果也基本一致。這說明AVIM2模型在小區(qū)域尺度上也有較好的適用性。

3 結(jié) 論

本研究利用AVIM2模型模擬了祁連山1958～2008年植被NPP 的空間分布和年際變化情況，對祁連山地區(qū)植被NPP 的空間分布和不同植被類型NPP進(jìn)行統(tǒng)計，并分析了NPP 變化對氣溫和降水量變化的響應(yīng)特征，得到如下初步結(jié)論：

（1）1958～2008年祁連山地區(qū)年NPP 平均為127g·m－2·a－1，變化范圍是90～155g·m－2·a－1，其中NPP 最高年份是1998年，最低年份為1960年。近51年來祁連山地區(qū)的NPP 呈現(xiàn)波動增加趨勢，年際增加率為0．718g·m－2·a－1。

（2）5種典型植被常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木及農(nóng)田的年NPP 總量均值分別為615、362、211、143、585g·m－2·a－1，其變化范圍分別在517～708、294～417、160～254、119～177、487～683 g·m－2·a－1之間。

（3）在區(qū)域溫度和降水量逐年增加的氣候背景下，5種典型植被常綠針葉林、落葉針葉林、草地、灌木及農(nóng)田年NPP均呈增加趨勢，且增加速率依次為農(nóng)田＞常綠針葉林＞落葉針葉林＞草地＞灌木，年增加量的比例依次為灌木＞草地＞落葉針葉林＞農(nóng)田＞針葉林。

（4）近51年來，祁連山地區(qū)植被NPP的變化與年平均氣溫和降水量的變化均呈正相關(guān)關(guān)系，且與氣溫的相關(guān)性大于降水量，表明NPP變化對氣溫變化的響應(yīng)比降水量變化更為敏感。

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