论文部分内容阅读
摘要[目的]基于MOD17A3数据研究陜北地区植被净初级生产力（NPP）。[方法]基于利用 2000—2010年MOD17A3数据集的年均NPP 数据和GIS技术定量分析了陕北植被NPP的时空变化特征。[结果]榆林市东南部及延安市中北部年平均NPP 大部在151～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部在300 g C/（m2·a）以上。延安、榆林市年NPP增加的面积都在90%以上，分别为92.9%、97.8%。2000与2010年的平均NPP相比，大部分地区是增加的，只有少部分地区是减少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地区为榆林市长城沿线一带，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地区为榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）及>120 g C/（m2·a）以上的主要分布在榆林市东南部及延安市中部；NPP降低的区域主要分布在延安市南部的桥山林区和黄龙林区。[结论]通过实施退耕还林等生态建设工程，陕北地区植被状况得到较好的改善。
关键词植被净初级生产力；MOD17A3；陕北
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2017）36-0055-03
Abstract[Objective]To study variation characteristics of vegetation net primary productivity in north of Shaanxi Province based on MOD17A3. [Method]Based on the annual NPP data and GIS technology from 2000 to 2010， the temporal and spatial variation characteristics of vegetation NPP in Northern Shaanxi were quantitatively analyzed based on MOD17A3. [Result]The results showed that the average NPP of the North and South of Yulin was 151-250 g C/（m2·a）. The average NPP was more than 300 g C/（m2·a） in the southern part of Yan’an. From Yan’an and Yulin， the increase of NPP in the two cities were 92.9%， 97.8% respectively. Compared with NPP in 2010， the majority of the region has increased， and only a few areas have been reduced. Rises in 0-50 g C/（m2·a） areas along the Great Wall area of Yulin， increase in 51-90 g C/（m2·a） in northwest region has the most of Yulin and Yan’an， rises in 91-120 g C/（m2·a） and the presence of > 120 g C/（m2·a） above the main central southeast of Yulin and Yan’an； The decrease of NPP was mainly distributed in the Bridge Mountain Region and Huanglong Region in the south of Yan’an.[Conclusion]The study suggested that through the implementation of a series of ecological construction projects such as closing hill for forestation and restoring farmland into forestland，the vegetation in these parts was improved.
Key wordsNet primary productivity；MOD17A3；Northern of Shaanxi
陆地植被净初级生产力（net primary productivity，NPP）是指植物在单位时间、单位面积上由光合作用产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分[1]。NPP 作为地表碳循环的重要组成部分，不仅直接反映了植被群落在自然环境中的生产能力，还是判定生态系统碳积累及调节生态过程的主要因子，在全球变化及碳平衡中扮演着重要角色[2-3]。开展区域尺度的生态系统 NPP 研究有着重要意义，因为它与目前受到广泛关注的其他重大问题如碳循环与碳扰动、土地利用变化、气候变化和自然资源管理等研究有着密切联系，可以说是这些研究工作中的重要环节之一[4-5]。
随着遥感技术及数据处理能力的迅速发展和基于遥感观测的生理生态理论研究进展，基于遥感观测的NPP已经开始应用于实时、连续的生态系统监测以及年际波动和长期变化趋势的探测[6]。美国国家航空航天局（NASA）于1999年发射了具有中分辨率成像光谱仪（MODIS）的TERRA极轨环境卫星，其传送回来的遥感数据已经广泛应用于地表覆盖变化、生物生产力和生态环境监测、气候预测和自然灾害监测。在MODIS对陆地监测产品中提供了2000年以来分辨率为1 km的年NPP产品（MOD17A3）。李登科等[2]、王娟等[7-8]分别对陕西植被NPP的时空特征进行了分析。 1999年起陕西省相继启动并实施了生态环境建设综合治理工程、天然林资源保护工程、退耕还林工程、重点防护林工程、水土保持工程和天然草场恢复与建设工程等一批重点生态建设工程，使陕西省特别是陕北地区植被状况有了明显好转，使陕北毛乌素沙漠南扩的势头得到抑制。笔者利用NASA的EOS/MODIS（对地观测系统/中分辨率成像光谱仪）遥感数据（MOD17A3），对陕北植被NPP的时空变化特征进行定量分析，旨在为该区域植被生产能力评价、退耕还林等生态建设工程效益评估及管理政策制定提供科学依据。
1材料与方法
1.1研究区概况
陕北地区是我国黄土高原的中心部分，包括陕西省的榆林市和延安市都位于陕西北部。地势西北高，东南低。总面积92 521.4 km2，是在中生代基岩所构成的古地形基础上，覆盖新生代红土和很厚的黄土层，再经过流水切割和土壤侵蚀而形成的。基本地貌类型是黄土塬、梁、峁、沟、塬，是黄土高原经过现代沟壑分割后留存下来的高原面。1999 年起在陕北启动并实施了退耕还林工程重点生态建设工程，使陕北地区植被状况有了明显好转。
1.2数据来源与处理方法
1.2.1数据来源。
遥感数据为来自美国NASA EOS/ MODIS的2000—2010年的MOD17A3数据（http：//edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome），空间分辨率为1 km×1 km。该数据利用参考BIOME-BGC模型与光能利用率模型建立的NPP 估算模型模拟得到陆地生态系统年NPP，该数据已在全球和区域NPP与碳循环研究中得到广泛应用。
此外，为了便于计算，利用MRT（modis reprojection tool）软件将NPP 1 km数据转换成分辨率为0.01°×0.01°经纬度网格数据。
1.2.2NPP 数据处理方法。
采用简单差值法对比分析2000—2010年陕北地区植被NPP 的变化特征。简单差值法是对相同地区不同时相的图像进行相减，利用图像之间的差值来衡量变化的大小。
Dij=NPPt1ij-NPPt2ij
式中，Dij为第i行第j列像素的差值；NPPt1ij为时相t1第i行j列像素的NPP值；t1，t2为时相；i，j为第i行第j列像素的位置。
2结果与分析
2.12000—2010年陕北年平均NPP 变化的基本特征和空间分布
由表1可知，2000—2010年陕北NPP为154～254 g C/（m2·a），平均为215 g C/（m2·a），延安平均值为265 g C/（m2·a），榆林为169 g C/（m2·a）。其中2010年陕北植被的年NPP最大，为254 g C/（m2·a），其次为2004年，为248 g C/（m2·a），2001年植被年均NPP最小，仅154 g C/（m2·a）。陕北年均NPP分布整體呈现逐年递增的趋势（图1），2010年较2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陕北地区增加了82 g C/（m2·a）。
2000—2010年陕北植被平均NPP分布（图2）显示，由于受纬度地带性、经度地带性等植被、气候、地形因素的综合影响，NPP总体呈现从南到北递减的趋势。榆林市位于长城沿线风沙区和风沙区与黄土高原丘陵沟壑区过渡地带，年平均NPP是陕北NPP 最低的地区，西北部长城沿线区大部在101～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市东南部和延安市中北部年平均NPP 在151～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部分在301 g C/（m2·a）以上。
2.22000—2010年陕北植被NPP的变化特征
从图3可以看出，2000与2010年NPP相比，大部分地区是增加的，只有少部分地区是减少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地区有榆林市长城沿线一带，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地区有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）和>120 g C/（m2·a）以上的地区主要分布在榆林市东南部和延安市中部；NPP降低的区域主要分布在延安市南部的桥山林区和黄龙林区。
利用GIS软件统计2000—2010年陕北NPP变化情况，结果见表2。由表2可知，陕北年NPP 增加的面积占总土地面积的95.6%，其中增加0～50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP减少的面积占4.4%。延安、榆林市的年NPP增加面积均在90%以上，分别为92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a），所占比例最大，达48.4%，>120 g C/（m2·a）仅占2.2%，减少的面积仅占2.2%。延安市减少面积占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例达82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别为28.4%、31.3%、22.9%。
3结论与讨论
利用 2000—2010 年 MOD17A3 数据集的年均NPP 数据，通过 GIS 技术定量分析了陕北地区植被NPP 的时空变化特征，结果表明：
（1）2000—2010 年陕北NPP为154～254 g C/（m2·a），平均为215 g C/（m2·a），延安平均值为265 g C/（m2·a），榆林为169 g C/（m2·a）。其中2010年陕北植被的年NPP 最大，为254 g C/（m2·a），其次为2004 年，为248 g C/（m2·a），2001 年植被年均NPP 最小，仅154 g C/（m2·a）。陕北年均NPP 分布整体呈现逐年递增、北低南高的趋势。2010年较2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陕北地区增加了82 g C/（m2·a）。
（2）2000—2010 年植被平均NPP 分布总体呈现从南到北递减的趋势。榆林市位于长城沿线风沙区和风沙区与黄土高原丘陵沟壑区过渡地带，年平均NPP是最低的地区，西北部长城沿线区大部在100～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市东南部及延安市中北部年平均NPP 大部在150～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部在300 g C/（m2·a）以上。
（3）2000 与2010年平均NPP相比，大部分地区是增加的，只有少部分地区是减少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地区有榆林市长城沿线一带，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地区有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）及>120 g C/（m2·a）以上的地区主要分布在榆林市东南部及延安市中部；NPP降低的区域主要分布在延安市南部的桥山林区和黄龙林区，至于退化原因有待进一步研究。
（4）陕北年NPP 增加的面积占总土地面积的95.6%，其中增加0～<50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP减少的面积占4.4%。延安、榆林市年NPP增加的面积都在90%以上，分别为92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a）所占比例最大，达48.4%，>120 g C/（m2·a）仅占2.2%，减少的面积仅占2.2%。延安市减少面积占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例达82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别为28.4%、31.3%、22.9%。
参考文献
[1] 龙慧灵，李晓兵，王宏，等.内蒙古草原区植被净初级生产力及其与气候的关系[J].生态学报，2010，30（5）：1367-1378.
关键词植被净初级生产力；MOD17A3；陕北
中图分类号S181文献标识码A文章编号0517-6611（2017）36-0055-03
Abstract[Objective]To study variation characteristics of vegetation net primary productivity in north of Shaanxi Province based on MOD17A3. [Method]Based on the annual NPP data and GIS technology from 2000 to 2010， the temporal and spatial variation characteristics of vegetation NPP in Northern Shaanxi were quantitatively analyzed based on MOD17A3. [Result]The results showed that the average NPP of the North and South of Yulin was 151-250 g C/（m2·a）. The average NPP was more than 300 g C/（m2·a） in the southern part of Yan’an. From Yan’an and Yulin， the increase of NPP in the two cities were 92.9%， 97.8% respectively. Compared with NPP in 2010， the majority of the region has increased， and only a few areas have been reduced. Rises in 0-50 g C/（m2·a） areas along the Great Wall area of Yulin， increase in 51-90 g C/（m2·a） in northwest region has the most of Yulin and Yan’an， rises in 91-120 g C/（m2·a） and the presence of > 120 g C/（m2·a） above the main central southeast of Yulin and Yan’an； The decrease of NPP was mainly distributed in the Bridge Mountain Region and Huanglong Region in the south of Yan’an.[Conclusion]The study suggested that through the implementation of a series of ecological construction projects such as closing hill for forestation and restoring farmland into forestland，the vegetation in these parts was improved.
Key wordsNet primary productivity；MOD17A3；Northern of Shaanxi
陆地植被净初级生产力（net primary productivity，NPP）是指植物在单位时间、单位面积上由光合作用产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分[1]。NPP 作为地表碳循环的重要组成部分，不仅直接反映了植被群落在自然环境中的生产能力，还是判定生态系统碳积累及调节生态过程的主要因子，在全球变化及碳平衡中扮演着重要角色[2-3]。开展区域尺度的生态系统 NPP 研究有着重要意义，因为它与目前受到广泛关注的其他重大问题如碳循环与碳扰动、土地利用变化、气候变化和自然资源管理等研究有着密切联系，可以说是这些研究工作中的重要环节之一[4-5]。
随着遥感技术及数据处理能力的迅速发展和基于遥感观测的生理生态理论研究进展，基于遥感观测的NPP已经开始应用于实时、连续的生态系统监测以及年际波动和长期变化趋势的探测[6]。美国国家航空航天局（NASA）于1999年发射了具有中分辨率成像光谱仪（MODIS）的TERRA极轨环境卫星，其传送回来的遥感数据已经广泛应用于地表覆盖变化、生物生产力和生态环境监测、气候预测和自然灾害监测。在MODIS对陆地监测产品中提供了2000年以来分辨率为1 km的年NPP产品（MOD17A3）。李登科等[2]、王娟等[7-8]分别对陕西植被NPP的时空特征进行了分析。 1999年起陕西省相继启动并实施了生态环境建设综合治理工程、天然林资源保护工程、退耕还林工程、重点防护林工程、水土保持工程和天然草场恢复与建设工程等一批重点生态建设工程，使陕西省特别是陕北地区植被状况有了明显好转，使陕北毛乌素沙漠南扩的势头得到抑制。笔者利用NASA的EOS/MODIS（对地观测系统/中分辨率成像光谱仪）遥感数据（MOD17A3），对陕北植被NPP的时空变化特征进行定量分析，旨在为该区域植被生产能力评价、退耕还林等生态建设工程效益评估及管理政策制定提供科学依据。
1材料与方法
1.1研究区概况
陕北地区是我国黄土高原的中心部分，包括陕西省的榆林市和延安市都位于陕西北部。地势西北高，东南低。总面积92 521.4 km2，是在中生代基岩所构成的古地形基础上，覆盖新生代红土和很厚的黄土层，再经过流水切割和土壤侵蚀而形成的。基本地貌类型是黄土塬、梁、峁、沟、塬，是黄土高原经过现代沟壑分割后留存下来的高原面。1999 年起在陕北启动并实施了退耕还林工程重点生态建设工程，使陕北地区植被状况有了明显好转。
1.2数据来源与处理方法
1.2.1数据来源。
遥感数据为来自美国NASA EOS/ MODIS的2000—2010年的MOD17A3数据（http：//edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome），空间分辨率为1 km×1 km。该数据利用参考BIOME-BGC模型与光能利用率模型建立的NPP 估算模型模拟得到陆地生态系统年NPP，该数据已在全球和区域NPP与碳循环研究中得到广泛应用。
此外，为了便于计算，利用MRT（modis reprojection tool）软件将NPP 1 km数据转换成分辨率为0.01°×0.01°经纬度网格数据。
1.2.2NPP 数据处理方法。
采用简单差值法对比分析2000—2010年陕北地区植被NPP 的变化特征。简单差值法是对相同地区不同时相的图像进行相减，利用图像之间的差值来衡量变化的大小。
Dij=NPPt1ij-NPPt2ij
式中，Dij为第i行第j列像素的差值；NPPt1ij为时相t1第i行j列像素的NPP值；t1，t2为时相；i，j为第i行第j列像素的位置。
2结果与分析
2.12000—2010年陕北年平均NPP 变化的基本特征和空间分布
由表1可知，2000—2010年陕北NPP为154～254 g C/（m2·a），平均为215 g C/（m2·a），延安平均值为265 g C/（m2·a），榆林为169 g C/（m2·a）。其中2010年陕北植被的年NPP最大，为254 g C/（m2·a），其次为2004年，为248 g C/（m2·a），2001年植被年均NPP最小，仅154 g C/（m2·a）。陕北年均NPP分布整體呈现逐年递增的趋势（图1），2010年较2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陕北地区增加了82 g C/（m2·a）。
2000—2010年陕北植被平均NPP分布（图2）显示，由于受纬度地带性、经度地带性等植被、气候、地形因素的综合影响，NPP总体呈现从南到北递减的趋势。榆林市位于长城沿线风沙区和风沙区与黄土高原丘陵沟壑区过渡地带，年平均NPP是陕北NPP 最低的地区，西北部长城沿线区大部在101～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市东南部和延安市中北部年平均NPP 在151～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部分在301 g C/（m2·a）以上。
2.22000—2010年陕北植被NPP的变化特征
从图3可以看出，2000与2010年NPP相比，大部分地区是增加的，只有少部分地区是减少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地区有榆林市长城沿线一带，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地区有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）和>120 g C/（m2·a）以上的地区主要分布在榆林市东南部和延安市中部；NPP降低的区域主要分布在延安市南部的桥山林区和黄龙林区。
利用GIS软件统计2000—2010年陕北NPP变化情况，结果见表2。由表2可知，陕北年NPP 增加的面积占总土地面积的95.6%，其中增加0～50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP减少的面积占4.4%。延安、榆林市的年NPP增加面积均在90%以上，分别为92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a），所占比例最大，达48.4%，>120 g C/（m2·a）仅占2.2%，减少的面积仅占2.2%。延安市减少面积占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例达82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别为28.4%、31.3%、22.9%。
3结论与讨论
利用 2000—2010 年 MOD17A3 数据集的年均NPP 数据，通过 GIS 技术定量分析了陕北地区植被NPP 的时空变化特征，结果表明：
（1）2000—2010 年陕北NPP为154～254 g C/（m2·a），平均为215 g C/（m2·a），延安平均值为265 g C/（m2·a），榆林为169 g C/（m2·a）。其中2010年陕北植被的年NPP 最大，为254 g C/（m2·a），其次为2004 年，为248 g C/（m2·a），2001 年植被年均NPP 最小，仅154 g C/（m2·a）。陕北年均NPP 分布整体呈现逐年递增、北低南高的趋势。2010年较2000年延安平均增加了87 g C/（m2·a），榆林增加了77 g C/（m2·a），陕北地区增加了82 g C/（m2·a）。
（2）2000—2010 年植被平均NPP 分布总体呈现从南到北递减的趋势。榆林市位于长城沿线风沙区和风沙区与黄土高原丘陵沟壑区过渡地带，年平均NPP是最低的地区，西北部长城沿线区大部在100～150 g C/（m2·a），局部NPP<100 g C/（m2·a）。榆林市东南部及延安市中北部年平均NPP 大部在150～250 g C/（m2·a）；延安市中南部年平均NPP大部在300 g C/（m2·a）以上。
（3）2000 与2010年平均NPP相比，大部分地区是增加的，只有少部分地区是减少的。增加幅度在0～50 g C/（m2·a）的地区有榆林市长城沿线一带，增加幅度在51～90 g C/（m2·a）的地区有榆林市大部及延安市西北部，增加幅度在91～120 g C/（m2·a）及>120 g C/（m2·a）以上的地区主要分布在榆林市东南部及延安市中部；NPP降低的区域主要分布在延安市南部的桥山林区和黄龙林区，至于退化原因有待进一步研究。
（4）陕北年NPP 增加的面积占总土地面积的95.6%，其中增加0～<50、51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别占21.2%、39.3%、23.4%、11.6%；年NPP减少的面积占4.4%。延安、榆林市年NPP增加的面积都在90%以上，分别为92.9%、97.8%。榆林市的NPP在51～90 g C/（m2·a）所占比例最大，达48.4%，>120 g C/（m2·a）仅占2.2%，减少的面积仅占2.2%。延安市减少面积占7.1%，>50 g C/（m2·a）所占比例达82.6%，其中，51～90、91～120 和>120 g C/（m2·a）的面积分别为28.4%、31.3%、22.9%。
参考文献
[1] 龙慧灵，李晓兵，王宏，等.内蒙古草原区植被净初级生产力及其与气候的关系[J].生态学报，2010，30（5）：1367-1378.