卓文浩

(成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059)

引言

根据IPCC第四次报道，全球2013年CO2观测数据表明大气中CO2的浓度已经突破400ppm；与19世纪相比，目前全球平均地面气温上升0.74±0.18℃[1]。21世纪全球平均年降水量会增加，主要介于5%～20%，但在区域尺度上的增加和减少都有可能[2]。全球气候变化对生物圈的影响已从区域尺度扩展到全球尺度，并以空前未有的速度和强度在全球尺度上对陆地生态系统产生着巨大的影响[3]。其中，对陆地生态系统生产力时空格局的影响则尤为显著，具有十分重要的研究价值。

农田净初级生产力(Net Primary Production，NPP)是指在单位面积、单位时间内，农作物在光合作用的过程中所积累的有机质[4,5]。NPP是生态系统中物质与能量运转研究的基础，其不仅可以反映出农田植被群落在自然环境条件下的生产能力，还能从侧面反映农田植被的生长情况和植物品种优劣，也是判定区域生态支持能力和可持续发展的关键参数[6]。气温、降水、太阳辐射和植被覆盖率是农田NPP的积累驱动因子[7,8]。

本文选择长江上游作为研究区，特殊的地理环境和长期不合理的开发利用，导致长江上游严重的水土流失、非点源污染以及生态系统的失稳和退化。本文详细分析长江上游农田生态系统NPP在时空上的变化特征和演变规律，研究结果对把握长江上游农田生态系统健康状况具有重要意义。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

长江上游区域为长江源头至湖北宜昌段，其干流长度为4500km左右，流域面积105.4万km2，地理位置N24°46′～35°91′，E90°47′～113°31′。该区域河段落差大，峡谷深，水流湍急，主要支流有雅砻江、岷江、沱江、嘉陵江、乌江等。流域内具备鲜明的东亚副热带气候特征，地貌类型多样，生态系统复杂，生物多样性丰富。长江上游地段包括青藏高原东缘的高原地区、高原与平原的过渡区域和四川盆地，地形类型多是山地，平原较少，耕地只占总面积的15%，其中55%为坡耕地。

1.2 数据源

本研究遥感数据选择MODIS13Q1(NDVI)，其空间分辨率为250m，时间分辨率为月。气温、降雨和日照时数的气象站点数据获取自中国气象科学数据共享服务网。植被类型数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学数据中心。研究区行政边界来自中国基础地理信息系统。气象站点数据通过薄盘样条函数进行插值，其可以将海拔作为协变量引入模型来提高插值精度。

2 研究方法

CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型属于光能利用率模型，是由NDVI数据、气候数据(温度、降水、太阳辐射)和植被类型共同作用。CASA模型中的计算公式：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，NPP(x，t)表示像元x在t月的实际NPP；APAR(x,t)是像元x在t月吸收的光合有效辐射(MJ/(m2·月))；ε(x,t)是像元x在t月的实际光能利用率(gC·MJ-1)。APAR(x,t)和ε(x,t)公式：

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中，SOL(x,t)表示t月在像元x处的太阳总辐射量(MJ/(m2·月))；FPAR(x,t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例；常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射占太阳总辐射的比例；Tε1(x,t)和Tε2(x,t)则表示不同的温度条件对光能利用率的胁迫作用；Wε(x,t)是水分胁迫影响因子，反映了水分的影响；εmax是理想条件下的最大光能利用率(gC·MJ-1)。

3 长江上游农田生态系统NPP时空格局变化特征

3.1 整体变化分析

由表1可知，近20a来农田NPP平均值变化范围在425.19～425.71gC·m-2，农田NPP在这20a间整体上呈现先减少后增加的趋势，长江上游地区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年5个年份农田平均NPP分别为425.19gC·m-2、393.67gC·m-2、355.93gC·m-2、339.42gC·m-2、425.71gC·m-2。长江上游农田平均NPP在1995—2010年呈现下降趋势，2010年出现最低值339.42gC·m-2，而在2010—2015年呈现增加趋势。

表1 1995—2015农田生态系统平均NPP

随着城镇化的快速推进，耕地资源非农化随之而来，且日趋严重，使农田生态系统发生了巨大的变化，直接导致农田生态的NPP在1995—2010年急速下降；近几年来国家逐渐认识到生态系统对国家发展的重要性，出台实行了一系列的政策和措施，如基本农田政策的落实和水土流失的防治，使长江流域上游农田生态系统的NPP在2010—2015年逐渐增加。

3.2 空间分布

长江上游农田生态系统主要分布在成都平原和川中丘陵，农田年均NPP整体上呈现不均匀的空间分布特征，见图1f，具有空间异质性；NPP<200gC·m-2、200～400gC·m-2、400～600gC·m-2、600～800gC·m-2、>800gC·m-2的面积分别占总面积的0.04%、63.95%、35.70%、0.30%、0.02%，NPP值域范围在200～400gC·m-2内所占比率最大。

a.1995年;b.2000年;c.2005年;d.2010年;e.2015年;f.5a的平均值

具体来看，1995年农田生态系统NPP>600gC·m-2的区域主要分布在四川盆地东部，其面积约占总面积的17.58%；NPP<200gC·m-2的区域所占比率较小，主要分布在贵州省南部，面积约占1.88%；而NPP值域在200～400gC·m-2的面积所占比率最大，为50.03%，其主要分布在四川盆地中东部地区。2000年较1995年NPP整体上开始减弱，其中表现最为明显的为研究区西部和东部地区，>400gC·m-2的NPP面积所占比例由1995年的38.58%减少至2000年的32.42%，而200～400gC·m-2的NPP面积所占比例由1995年的59.03%增长至2000年的65.14%，增长区域主要分布在四川盆地的中部地区。2005年农田生态系统的植被已经发生严重退化，变化最为明显的为400～600gC·m-2的NPP值域范围，其所占面积比例较2000年减少58.56%，而200～400gC·m-2的NPP增长51.64%，变化区域主要分布在四川盆地中部。自2010年开始，农田生态系统的NPP整体上开始增加。到2015年400～600gC·m-2的NPP较2010年的增长面积高达21.81km2，变化区域主要集中在四川盆地西南部和东北部。

3.3 与海拔的关系

长江上游农田生态系统主要分布在四川盆地，该地区地形多为平原、丘陵。根据DEM数据，将高程分为4个区间并统计各个区间的NPP均值，见图2，可以看出不同区间的NPP的变化趋势具有较大的差异性。整体上海拔>700m的区域NPP值最高，从大到小依次为500～700m、300～500m、<300m。由此可以看出，在农田生态系统随着海拔高度的增加NPP也在不断增加。海拔高度>500m的范围内，NPP年际变化趋势为先减少后增加。2000—2005年期间减少幅度最大，2010年开始缓慢增加。海拔高度在300～500m区间范围内的农田生态系统NPP变化不显著，该区域范围内多为固定耕种农田。海拔高度<300m区域的农田生态系统的NPP则呈现出逐渐增加的年际变化趋势，NPP增长的速率也较快，并且在2015年达到最高值。

图2 不同海拔农田生态系统NPP变化趋势

4 结论

本研究基于RS和GIS技术，将NDVI遥感数据和气象因子(温度、降雨、太阳辐射)带入CASA模型，对长江上游1995—2015近20a农田生态系统NPP进行估算，得出研究时段内的NPP时空变化情况以及演变规律。

长江上游农田系统NPP年均值波动范围为425.19～425.71gC·m-2。年际NPP变化规律呈现先减少后增加的趋势，2010年出现最低值339.42gC·m-2。引起农田年际NPP变化的主要原因为全球气候变化和人类活动。

1995年农田生态系统NPP>600gC·m-2的区域主要分布在四川盆地中东部。2000年较1995年NPP整体开始减弱，其中表现最为明显的为研究区西部和东部地区。2005年农田生态系统的植被已经发生严重退化，变化区域主要分布在四川盆地中部。自2010年开始，农田生态系统的NPP整体上开始增加，变化区域主要集中在四川盆地西南部和东北部。

长江上游农田生态系统主要分布在四川盆地，该地区地形多为平原、丘陵。整体上海拔>700m的区域NPP值最高，从大到小依次为500～700m、300～500m、<300m。