青藏高原高寒草地净初级生产力_NPP_时空分异_张镱锂
地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第68卷第9期
2013年9月V ol.68,No.9Sept.,2013
收稿日期：2012-10-08;修订日期：2013-05-18
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2010CB951704);中国科学院战略性先导科技专项(XDA05060704;
XDB03030501)资助[Foundation:National Basic Research Program of China,No.2010CB951704;Strategic
Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences,No.XDA05060704;No.XDB03030501]
作者简介：张镱锂,研究员,中国地理学会会员(S110001007M)。从事综合自然地理、生物地理和土地变化研究。
E-mail:zhangyl@https://www.wendangku.net/doc/9c704586.html,
1197-1211页
青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异
张镱锂1,祁威1,2,周才平1,丁明军1,3,刘林山1,高俊刚1,摆万奇1,王兆锋1,郑度1
(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;
2.中国科学院大学,北京100049;
3.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,南昌330028)
摘要：基于1982-2009年间的遥感数据和野外台站生态实测数据，利用遥感生产力模型(CASA
模型)估算青藏高原高寒草地植被净初级生产力(NPP)，分别从地带属性(自然地带、海拔高
程、经纬度)、流域、行政区域(县级)等方面对其时空变化过程进行分析，阐述了1982年以来
青藏高原高寒草地植被NPP 的时空格局与变化特征。结果表明：①青藏高原高寒草地NPP 多
年均值的空间分布表现为由东南向西北逐渐递减；1982-2009年间，青藏高原高寒草地的年均
总NPP 为177.2×1012gC ·
yr -1，单位面积年均植被NPP 为120.8gC ·m -2yr -1；②研究时段内，青藏高原高寒草地年均NPP 在112.6~129.9gC ·m -2yr -1间，呈波动上升的趋势，增幅为13.3%；NPP 增加的草地占草地总面积的32.56%、减少的占5.55%；③青藏高原多数自然地带内的
NPP 呈增加趋势，仅阿里山地半荒漠、荒漠地带NPP 呈轻微减低趋势，其中高寒灌丛草甸地
带和草原地带的NPP 增长幅度明显大于高寒荒漠地带；年均NPP 增加面积比随着海拔升高呈
现“升高—稳定—降低”的特点，而降低面积比则呈现“降低—稳定—升高”的特征；④各
主要流域草地年均植被NPP 均呈现增长趋势，其中黄河流域增长趋势显著且增幅最大。植被
NPP 和盖度及生长季时空变化显示，青藏高原高寒草地生态系统健康状况总体改善局部恶化。
关键词：青藏高原；植被净初级生产力(NPP)；CASA 模型；变化格局；变化趋势
DOI:10.11821/dlxb201309004
1引言
草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，是人类生存的重要资源和环境基础要素之一。植被净初级生产力(Net Primary Production ，简写NPP)指植物在单位时间和单位面积上所产生的有机干物质总量，是生物地球化学碳循环的关键环节。植被净初级生产力是生态系统功能状况的重要指标[1-4]和碳循环中的关键要素[4-6]，反映气候变化和人类活动对陆地植被综合作用的结果。生态系统NPP 研究，尤其是区域水平的NPP 研究备受学者关注[7-8]，并取得重要进展。许多研究结果表明，由于气候变暖、氮沉降和CO 2施肥的作用，大部分地区的植被NPP 都呈上升趋势[5,9]；也有部分研究表明，由于气候干旱、超载放牧等原因，导致部分地区的植被NPP 下降而发生退化[6,10]。但这种植被NPP 上升或下降的空间格局，以及长时间尺度上的变化趋势目前仍探讨较少。
青藏高原高寒草地约1.525×106km 2，占青藏高原总面积[11]的59.28%，是中国乃至亚洲的重要牧区之一；青藏高原高寒草地(以下称简称“草地”)生态系统的变化，关系着当地和周邻地区的生态与环境状况、社会经济发展以及国家生态安全屏障的功能[12]和效
地理学报
1198
68卷应。近年来，青藏高原草地NPP的研究相继展开[13-15]，但多聚焦在局部地区[10,16-17]，仅少数研究涉及整个高原[13-14,18]，时间尺度在几年[13,18-19]至20年的时段内[14,17,20]，采用的NPP估算模型主要有3类：传统经验模型，如Chikugo模型[17]；生态机理过程模型，如TEM[13]、BIOME-BGC模型[16]；遥感光能利用率模型，如3-PGS[18]、NPP-EMSC[19]、GLOPEM[20]、CASA模型[10,14-15,21-22]等。部分研究对相关模型与方法进行了修订和改进[10,13,17]，这些研究为阐明高原草地生态系统净初级生产力的变化特点及其成因奠定了基础，并在数据分析、模型参数调整和地面验证等方面做出了有益的探索和贡献。然而，从区域分异视角系统分析过去30年青藏高原草地NPP变化特征的研究尚未见报道。
为了准确地反映近30年来青藏高原草地NPP的时空态势，本文利用该区域1982-2009年的A VHRR-NDVI数据和SPOT-NDVI数据，结合遥感生产力模型(CASA模型)和实际观测数据估算青藏高原草地植被的NPP，并分析其时空变化特征。该研究对把握青藏高原草地生态系统功能的健康状况乃至青藏高原国家生态安全屏障功能状况具有重要意义，结果可为高原草地可持续利用与生态建设及相关的政策制订提供科学依据。
2数据来源与处理
2.1NDVI数据与数据处理
本研究中使用了GIMMS和SPOT VGT两种数据集的NDVI数据[23-25]。GIMMS数据源自美国NASA全球监测与模型研究组发布的10日最大值合成(Maximum Value Composite, MVC)数据，空间分辨率为8km，时间是1982-2000年；VGT数据源自比利时佛莱芒技术研究所发布的10日最大合成数据，空间分辨率为1km，时间是1998-2009年。这两种数据集的NDVI数据都经过了几何纠正、辐射校正和大气校正等预处理[26]。鉴于卫星的几何视场角和大气中霾及数据合成过程等对NDVI数据的影响，这种合成的NDVI数据仍然存在着系统偏差，为了进一步降低这种影响，研究中采用了三点平滑的方法[26]修正NDVI数值。
GIMMS和SPOT VGT两种数据源于不同的传感器，其波段范围略有差异。为降低两种数据源可能带来的误差对研究结果的影响，对GIMMS和SPOT两种数据的重复部分进行了相关分析，构建二者的线性回归方程并利用SPOT VGT数据对2001-2009年的GIMMS数据进行了插补[34]。
2.2高原高寒草地植被范围的界定和制图
高原矢量范围引自文献[11]数据，高寒草地(草甸、草原、草本湿地、荒漠草地和高山稀疏植被)范围矢量数据引自文献[27]数据①。将草地类型数据与NDVI数据转成大地坐标系(WGS84)，为减少不确定性和分析误差，本文基于草地分布区域，提取大于1个NDVI数据像元(8km′8km)的全部草地(草甸(709675km2)、草原(579375km2)、草本湿地(39575km2)、荒漠草地(54400km2)和高山稀疏植被(83550km2)，累计1466575km2，为高原全部高寒草地面积的96.17%)作为本研究的基础数据。
3研究方法
3.1NPP估算与结果验证
(1)NPP估算。本研究采用CASA模型[28]计算植被净初级生产力(NPP)。该模型的
①文献[27]中矢量数据的成图比例尺为1:100万，实际制图比例尺为1:10万，类型属性确定主要基于部分
调查资料、1:100万中国植被图、1:50万青海省植被图、1:25万西藏自治区草场图和植被分布环境要素综合分析确定；青藏高原高寒草地各类型面积分别为草甸739971km2、草原601002km2、草本湿地39896km2、荒漠草地57268km2和高山稀疏植被86880km2
9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异NPP 估算主要由植被所吸收的光合有效辐射(APAR )与光能转化率(ε)两个变量确定[28]。
NPP (x ,t )=APAR (x ,t )×ε(x ,t )(1)
式中：NPP (x ,t )为空间位置x 上的植被在t 时间内的净初级生产力；APAR (x ,t )为空间位置x 上的植被在t 时间内所吸收的光合有效辐射；ε(x ,t )为空间位置x 上的植被在t 时间内的光能转化率。光能转化率的计算公式如下：
ε(x ,t )=εmax ×T (x ,t )×W (x ,t )(2)
式中：εmax 为最大光能转化率；T(x ,t )为空间位置x 上的植被在t 时间内的温度影响因子；W(x ,t )为空间位置x 上的植被在t 时间内的湿度影响因子。
模型参数计算方法参考文献[14-15,28-29]，其中高寒草地植被的月最大光能转化率(εmax )为0.56g C/MJ [10]。
(2)模型参数调整与NPP 模拟计算。模拟计算过程如下：①对于NDVI 数据，利用ENVI 4.8遥感图像处理软件将青藏高原区域1982-2009年全年半月A VHRR NDVI 数据转换为GRID 格式，提取每月最大NDVI 数据，从而减少云的影响，接着采用Sellers 方法[30]计算每月的FPAR ；对于气象数据，在ArcGIS 9.3地理信息系统软件支持下，对逐月气象(月降水量、月均气温、月太阳辐射)数据采用ANUSPLINE 软件进行空间插值[31]，获得气象要素栅格图；所有空间数据投影均采用大地坐标系(WGS84)，空间分辨率统一重采样为0.05°×0.05°。②采用ArcGIS 9.3地理信息系统软件下的AML 语言编写CASA 模型的相关运算程序，通过计算获得1982-2009年青藏高原草地区域逐月的NPP ；③利用ArcGIS 空间分析模块进行研究区草地NPP 格局及其时空变化的定量分析。
(3)模拟结果修订与精度检验。模型模拟结果的精度检验是当今区域NPP 模型研究的难点之一。模拟结果检验方法主要采用实测数据与模型模拟结果进行对比分析。鉴于NPP 实测的难度大，通常用生物量转换成NPP 数据代替NPP 实测数据[15-16,21-32]。把2004年8月和2006年8月野外实测(图1a)的草地地上生物量数据，用常规方法[10,32]换算成草地植被净初级生产力，并将实测数据(换算值)与CASA 模型模拟结果一一对应，进行模拟值的精度检验(图1b)，模拟值与实测换算值基本吻合(n =52,P <0.01)。上述结果表明该模型适用于青藏高原草地植被NPP 的估算。但由于青藏高原草地NPP 的实测值是由生物量数据换算出来的，并不能完全代表真实的NPP 值；同时本研究尚无荒漠草地和草本湿地等类型的实测数据，进一步开展各草地类型生物量实测来验证与修订模拟结果，将更好地降低模拟结果的偏差。
本文提取了与已有报道相同区域的草地NPP 的模拟结果，与已有研究结果比较(表1)
图1高寒草地生物量野外实测点与CASA 模型模拟结果精度检验
Fig.1Spatial distribution of phytomass sampling plot in field (a)and accuracy test of CASA model on annual NPP
in alpine
grassland 1199
68卷
地理学报可见，本研究结果与以往采用CASA 模型模拟的结果[14-15]相近，这也从另一个方面验证本模拟结果的可靠性；但与其它模型模拟的结果差异较大，如BIOME-BGC [16]和TEM 模型[13]，这可能与数据源和植被类型的空间分布有关，如周才平等和郭晓寅等使用的数据源是MODIS 数据，同时以上两种研究中，草地分布范围内未剔除水域和永久性冰雪等类型，从而导致他们的模拟结果低于本研究的结果。3.2NPP 变化自然地带与区域分异分析
利用以上估算的NPP 像元数据，从自然地带角度(自然地带、海拔高程、经纬度)、流域、(县级)行政区域等方面进行NPP 的空间变化统计，分析其时空变化特点。简要步骤如下：①青藏高原自然地带的划分是基于青藏高原综合自然区划图[33]中各带的界线与范围；②海拔高程的划分是基于SRTM DEM 数据，按海拔500m 间隔分成8个高程带(小于3000m 、3000~6000m 间分6个带及大于6000m)；③根据青藏高原经纬度范围，按照纬度1度、经度2度划分成带，具体为：纬度划分为12个带(29oN 以南、29o~39o间分10个带及39oN 以北)，经度划分为13个带(80oE 以西、80o~102oE 间分11个带和102oE 以东)。④流域范围是基于SRTM DEM 数据(90m 精度)，用青藏高原边界提取青藏高原范围的DEM 数据，然后采用流域边界提取方法[34]确定各流域的边界；⑤行政区域中县市界等依据《中华人民共和国政区图》(1:400万，2000年版)，国界以《中华人民共和国地形图》(1:400万，中国地图出版社1989年版)为准，并通过青藏高原边界切取高原内包含的各县市行政区范围。在像元尺度上，计算各自然地带、海拔带、经纬度带、流域、县级行政区范围内NPP 变化在不同显著水平上的面积比(不同显著水平上的变化面积与该范围内总面积的比值)，分析其区域差异。
4结果分析与讨论
4.1NPP 分布格局与变化趋势
(1)分布特点1982-2009年间，青藏高原高寒草地年均净初级生产力(NPP)空间分布显示(图2)，年均NPP 分布表现为由东南向西北呈逐渐递减趋势，该分布特征与高原水热梯度变化保持了较好的一致性。模型估算的高寒草地年均单位面积植被NPP 为120.8gC ·m -2yr -1，其中草原的年均单位面积植被NPP 为55.9gC ·m -2yr -1、草甸为188.7gC ·m -2yr -1、草本湿地为147.2gC ·m -2yr -1、荒漠草地为41.1gC ·m -2yr -1、高山稀疏植被为34.5gC ·m -2yr -1。研究时段内，草地的年均总植被NPP 为177.2×1012gC ·yr -1，其中草甸、草原和草本湿地分别为133.9×1012gC ·yr -1、32.4×1012gC ·yr -1和5.8×1012gC ·yr -1。虽然草原的总面积比草甸略小，但由于其单位面积植被NPP 较小，其总植被NPP 仅占草地总植被NPP 的18.3%，草甸则占75.6%。
表1青藏高原草地植被NPP 相关研究结果比较
Tab.1Comparative results in this paper with other ones in related research
on average annual NPP of alpine grassland on Tibetan Plateau
区域青藏高原青藏高原藏北三江源黄南州已有报道
NPP 均值/gC ·m -2yr -1103.8127.547.782.0471.51数据MODIS A VHRR A VHRR MODIS A VHRR 时段2002-20041982-19991981-20042000-20041981-2000方法(模型)TEM CASA CASA BIOME-BGC GLOPEM 作者与文献编号周才平等，2004[13]Piao 等，2006[14]高清竹等，2007[15]郭晓寅等，2006[16]杜加强等，2010[20]本文模拟结果
NPP 均值/gC ·m -2yr -1*
126.84
125.21
43.22
127.57363.02
*注：本文模拟结果的数据时段：藏北为1982-2004年，黄南州为1982-2000年，其余区域均与已有报道相同1200
9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异从已有研究结果来看，青藏高原高寒草地
植被年均NPP 介于47.7gC ·m -2yr -1~127.5gC ·
m -2yr -1，本研究的NPP 模拟结果为120.8gC ·
m -2yr -1。这些结果差异如此之大，主要与研究
的区域和时段不同有密切关系。不同的区域，
虽然在类型上同属高寒草地，但生境与群落类
型及其生长状况等的差异却可以导致净初级生
产力存在较大的差别；不同的研究时段，即使
是同一地区，由于气候要素的变化，也会导致
多年NPP 均值存在差异。
(2)变化趋势、幅度与时空特征
1982-2009年间，青藏高原高寒草地植被年均
NPP 呈波动上升趋势(图3)，从20世纪80年代
初的114.7gC ·m -2yr -1左右上升到现在的129.9
gC ·m -2yr -1，增加幅度达13.3%，年均增长率为
0.46%。近30年来草地植被年均NPP 的最高值
为129.9gC ·m -2yr -1，最低值为112.6gC ·m -2
yr -1。此外，30年中草地植被NPP 出现了3次比
较大的波动，1987、1995和2003年的NPP 分别
降到了波谷，其年均NPP 分别为112.6gC ·m -2
yr -1、113.7gC ·m -2yr -1和118.2gC ·m -2yr -1。与青
藏高原年平均气温和年平均降水的比较可以看
出，草地NPP 整体上升的趋势与高原年平均气
温的上升趋势基本一致。而3个NPP 波谷阶段
均与此前一年的高原降水明显减少相对应
(1986、1994和2002年等是降水短缺年份)。说
明高原NPP 变化可能是大气降水和温度两个因
素的综合影响所致。图21982-2009年青藏高原高寒草地年均植被NPP 分布
Fig.2Distribution of average annual alpine grassland NPP on Tibetan Plateau from 1982to
2009
图31982-2009年青藏高原高寒草地NPP 与气温和降水变化Fig.3Fluctuation of annual alpine grassland NPP,temperature and precipitation on Tibetan Plateau
from 1982to 20091201
68卷
地理学报从变化的空间格局上看(图4)，研究时段内青藏高原高寒草地NPP 减少和增加的区域相间分布，东部NPP 变幅较大，NPP 增加区域的面积是NPP 减少的5倍以上。其中高原东部增加和降低的幅度均较大，而中、西部增加和降低的幅度相对较少，这与草地群落类型及其生产力水平的空间分布有关，高原东部生产力较大其NPP 变化的幅度相对较大；而中、西部生产力较小，变化的幅度相对较小。从变化的显著水平来看，也是高原东部变化的显著水平较高，而中、西部变化的显著水平较低。空间统计分析显示：在P <0.1水平上，NPP 增加的草地面积占草地总面积的39.11%(NPP 共增加20.3×1012gC)，降低的占
7.62%(NPP 共减少3.9×1012gC)，而占草地面积53.27%的区域NPP 无变化；在P <0.05水平上，NPP 增加的草地面积占草地总面积的32.56%(NPP 共增加18.0×1012gC)，降低的占
5.55%(NPP 共减少3.3×1012gC)，无显著性变化的占61.89%。同时段草地盖度变化分析表明：高原草地总体上盖度呈增加态势；植被盖度增加的草地占草地总面积的4
6.85%，降低的占14.29%，无显著性变化的占38.86%[35]。1999-2009年间草地生长季呈延长态势，增幅约8d/10a ；生长季延长草地占草地总面积的45.56%，生长季缩短草地约占14.59%，无显著性变化的占39.85%，呈增长趋势的区域主要分布在高原的东部，而生长季缩短的区域主要分布在西部地区[36]。仅就草地NPP 、盖度和生长季的时空变化特点而言，1982-2009年间，青藏高原高寒草地生态系统质量总体上呈现出向良性发展的态势且其区域差异明显，但局部地区草地持续退化。
从行政区域(县、市)统计结果来看，青藏高原绝大部分(约92%)县(市)高寒草地NPP 增加的面积比要高于降低的面积比(通过P <0.1水平显著性检验，下同)(图5)；从NPP 稳定少变区域所占的面积比来看，约79%县(市)域草地的NPP 处于稳定少变的状态(面积比高达40%以上，图6)，可见高原主体草地NPP 还是处于相对稳定的状态。高原东部和南部增加与降低的面积比差值最大(大部分县(市)的面积比差值大于20%)，而在中部和西部地区的面积比差值最小。NPP 降低面积大于增加的面积的主要分布在新疆南部的策勒和民丰、西藏阿里地区的札达和噶尔、云南德钦和四川的理塘；近期关于西藏植被净初级生产力研究指出：1971-2005年间，阿里地区的西南部NPP 减幅最大，而拉萨、林芝、昌都北部和那曲地区NPP 呈明显增加趋势[37]，本研究结果与该研究结论有较好的一致性。作为高原重要牧区之一的藏北地区，有研究结果表明：在1981-2004年间，藏北地区草地植被NPP 年际变化较大，出现了两次较大波动，1987年和1994年分别下降到波谷，藏北草地具有进一步下降趋势[21]。本研究显示，1982-2009年间藏北草地NPP 整体上呈上升趋势(增幅为13.41%)，其中1987、1989、1995和2006年草地NPP 分别降低到波谷(图7)
。形成这图41982-2009年青藏高原高寒草地NPP 变化趋势及显著性检验
(注:图中的自然地带界线基于青藏高原综合自然区划图[33]，各自然地带名称如下：IB1果洛那曲高寒灌丛草甸地带；IC1青南高寒草甸草原地带；IC2羌塘高寒草原地带；ID1昆仑高寒荒漠
地带；IIAB1川西藏东山地针叶林地带；IIC1藏南山地灌丛草原地带；IIC2青东祁连山地草原地带；IID1阿里山地半荒漠、荒漠地带；IID2柴达木山地荒漠地带；IID3昆仑北翼山地荒漠地带；
0A1东喜马拉雅南翼山地常绿阔叶林地带)
Fig.4Significance testing and trend in alpine grassland NPP on Tibetan Plateau from 1982to 20091202
9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异种NPP 变化趋势和幅度差异主要与研究者选
用的数据时段及土地覆被类型有关，在数据
时段上，已有报道数据仅到2004年[21]，而藏
北草地NPP 从2000-2006年呈下降趋势，但
2006-2009年又显著上升；在覆被类型上，
该报道[21]在分析中没有剔除冰川、裸地和水
域等无植被区域，而本研究剔除了这些无植
被区域。4.2NPP 变化的自然地带性分异特征
(1)各自然地带的NPP 变化特点1982-2009年间，青藏高原高寒草地年
均图5青藏高原各县(市)高寒草地NPP 降低面积与增加面积的百分比差值
Fig.5Spatial distribution in difference between area percentages increasing and decreasing in counties
of alpine grassland NPP on Tibetan
Plateau
图6青藏高原各县(市)高寒草地NPP 稳定少变的面积百分比
Fig.6Spatial distribution in area percentage of counties of alpine grassland NPP
without significant change on Tibetan
Plateau
图71982-2009年藏北地区高寒草地NPP 变化趋势Fig.7Trend in annual alpine grassland NPP on northern
Tibet from 1982to 20091203
68卷
地理学报NPP 的变化特征在各自然地带上分异明显(图8)。除阿里山地半荒漠、荒漠地带的年均NPP 呈轻微减低趋势(-0.02gC ·m -2yr -1)外，其它自然地带内的NPP 均呈增加趋势。其中，果洛那曲高寒灌丛草甸地带增长趋势最大，约为0.58gC ·m -2yr -1，增加趋势较小的自然地带分别为羌塘高寒草原地带、昆仑高寒荒漠地带、柴达木山地荒漠地带、昆仑北翼山地荒漠地带。上述结果表明，在高原东、南部分布的草甸、灌丛等植被的年均NPP 变化趋势较大，而广泛分布于西、北部的高寒草原的NPP 变化趋势较小。
图81982-2009年青藏高原各自然地带内
高寒草地年均NPP 变化特点
Fig.8Annual alpine grassland NPP in each natural
zone on Tibetan Plateau from 1982to 20091204
9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异从各自然地带高寒草地年均NPP 在1982-2009年间的变化过程看(图8)，绝大多数同属同一温度带(如I 高原亚寒带、II 高原温带)或同一地域类型(如IIA 湿润区、IIB 半湿润区和IIC 半干旱区等)的自然地带变化趋势基本相同，变化趋势可分为：“平稳—上升—平稳”、“平稳—降低—上升”、“平稳—缓升”、“平稳—陡升”和“持续缓升”等5种类型。具体为：果洛那曲高寒灌丛草甸地带(IB1)和青南高寒草甸草原地带(IC1)呈现“平稳(1982-1994)—上升(1995-2002)—平稳(2003-2009)”的趋势，羌塘高寒草原地带(IC2)、昆仑高寒荒漠地带(ID1)、藏南山地灌丛草原地带(IIC1)和阿里山地半荒漠、荒漠地带(IID1)呈现“平稳(1982-1999)—降低(2000-2005)—上升(2006-2009)”的趋势，青东祁连山地草原地带(IIC2)和柴达木山地荒漠地带(IID2)呈现“平稳(1982-1994)—缓升(1995-2009)”的趋势，昆仑北翼山地荒漠地带(IID3)呈现持续缓慢上升的趋势。由于上述自然地带基本属于半干旱或干旱区，故其趋势拐点基本处在高原降水明显减少年份的前后(1994、2002和2006年等是降水短缺年份)。相比较而言，处于湿润和半湿润的川西藏东山地针叶林地带(IIAB1)和东喜马拉雅南翼山地常绿阔叶林地带(0A1)则与上述自然地带的变化趋势截然不同，在2002年以前波动变化，趋势较平稳，之后经历一个小波谷之后急剧上升。
从各变化趋势类型在各自然地带内所占面积比来看(图9)，除阿里山地荒漠、半荒漠地区增加和降低面积持平外，其余自然地带增加的面积均高于降低的面积。但在不同自然地带，NPP 增加和降低(P <0.1)的面积比例存在明显差异。其中阿里山地荒漠、半荒漠地带NPP 降低的面积比最大，
为19.18%，藏南山地灌丛草原
地带面积比最小，为4.81%；
NPP 增加的面积正好相反，藏
南山地灌丛草原地带最大，为
51.54%，阿里山地半荒漠、荒
漠地带最小，为19.54%。藏南
山地灌丛草原地带NPP 增加的
原因可能与该区气候变化与人
类活动密切相关，近些年该区
河谷开始进行保护环境的多种生态建设，同时该区气候变化
也是向着有利于植被生长的暖
图9青藏高原各自然地带内不同显著检验水平上高寒草地NPP 变化的面积百分比
Fig.9Area percentage of changes in alpine grassland NPP at different significant levels
in each natural zone on Tibetan Plateau
图10青藏高原不同海拔高度带内高寒草地NPP 增加和降低的面积比特点
Fig.10Changes in area percentages of alpine grassland NPP increase and decrease at altitudes on Tibetan Plateau 1205
68卷
地理学报湿化发展；而阿里山地荒漠、半荒漠地带NPP 变化可能与气候变化密切相关，1970-2010年间藏西北地区气候向暖干化发展(气温显著增高、降水减少和蒸发量增大)[38]。
(2)NPP 变化的垂直与水平分异特点青藏高原高寒草地NPP 变化垂直差异明显。增加(P <0.1)面积比随海拔升高呈现“升高—稳定—降低”的态势(图10)，海拔3.5km 以下，增加面积比随海拔升高而增大，在3.5~6km 范围内，变化较小，海拔大于6km 区
域，面积比又呈下降趋势；降低面积比随海拔升高呈现“降低—稳定—升高”的态势，海
图11青藏高原高寒草地区域NPP 增加与降低沿经向(a)和纬向(b)变化特点
Fig.11Changes in area percentage of alpine grassland NPP increase and decrease along longitude (a)
and latitude (b)on Tibetan Plateau
图121982-2009年青藏高原主要流域内
高寒草地年均NPP 变化特征
Fig.12Changes in annual alpine grassland NPP
in main river basins on Tibetan Plateau
from 1982to 20091206
9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异拔3.5km 以下，随着海拔升高，降低面积比呈下降趋势，3.5~5.5km 之间，变化很小，
5.5km 以上，随着海拔升高，面积比又呈升高态势。除了海拔6km 以上的地区，青藏高原不同海拔梯度上草地NPP 增加面积要高于降低面积比，可见草地生产力水平总体上趋于改善。
青藏高原高寒草地NPP 变化存在东西向和南北向差异。从经向上来看(图11a)，由于降低的面积比在10%上下波动，使得增加与降低面积比(P <0.1)的差值主要受增加面积百分比影响，两者面积比的比值在2~10.4倍间变化。在92oE 以西地区，增加和降低面积比的差值波动较大，由西向东，增加的面积比呈“降低-增加-降低”的态势，降低的面积比呈“降低-增加”的态势，在86~88oE 区域内两者的差值达到最大，比值超过了10倍；而在92oE 以东的地区，两者面积比的差值和比值变化均不明显。从纬向上来看(图11b)，增加与降低面积比的差值也主要受增加面积百分比影响，两者面积比的比值在1.5~6.4倍间变化。在38oN 以南，由南向北，增加的面积比呈波动下降趋势，且降低的面积比变化较小。在38oN 以北的地区，增加的面积比呈明显下降，而降低的面积比呈明显升高。这种空间格局特征与植被分布类型和环境状况具有一定的关系。青藏高原西、北部地区环境恶劣，植被长势较差，抗干扰能力较弱，NPP 变化在空间上差异显著。而在东、南部植被状况较好，抗干扰能力在空间上分布相对均匀，因此NPP 变化在空间上差异较小。4.3青藏高原主要流域NPP 变化的分异特点
青藏高原作为中国乃至亚洲主要河流的发源地，其源头地区分布着大量的高寒草地，在水源涵养和高原牧业生产中发挥着重要作用。对青藏高原1982-2009年各流域草地植被年均NPP 的分析表明，该时段内各主要流域草地植被年均NPP 均呈现增长趋势(图12)，其中黄河流域增长趋势最为显著，约为0.74gC ·m -2yr -1，长江流域增长趋势最小，约为0.33gC ·m -2yr -1。与此同时，黄河流域的NPP 年均值也是最高的，为257.84gC ·m -2yr -1，年均值最低的流域为雅鲁藏布江，其值仅有103.48gC ·m -2yr -1；该结果与已有研究结果(黄河源区的植被生长状况要好于长江源区，在黄河源东南部植被的年均NPP 为250gC ·m -2yr -1)[16]基本吻合。
以高原降水较少年份(1995年及2002年)将各流域NPP 变化过程划分成1982-1994年、1995-2002年、2003-2009年等3个阶段(图12)。第一个阶段雅鲁藏布江流域明显上升，澜沧江流域小幅下降，其余流域波动较平稳，呈现小幅上升的趋势，第二、三个阶段中，除雅鲁藏布江流域第二阶段和黄河流域第三阶段上升较缓和外，由于各阶段初期各流域年均NPP 均处于波谷，故各流域均呈现出显著的上升趋势。
图13青藏高原各流域内不同显著检验水平上高寒草地NPP 变化的面积百分比
Fig.13Area percentage of changes in alpine grassland NPP at different significant levels
in main river basins on Tibetan
Plateau 1207
地理学报
1208
68卷青藏高原各主要流域范围内草地NPP增加面积明显高于降低面积(P<0.1)，但在不同的流域间，各种变化的比重也存在一定差异(图13)。其中，NPP增加的面积比由大到小依次为雅鲁藏布江流域(46.89%)>黄河流域(43.97%)>澜沧江流域(36.80%)>怒江流域(36.71%)>长江流域(33.66%)；NPP减少的面积比由大到小依次为：澜沧江流域(10.75%)>长江流域(9.63%)>怒江流域(9.06%)>雅鲁藏布江流域(6.32%)>黄河流域(5.15%)，从草地生产力的改善状况来看，雅鲁藏布江和黄河流域趋于改善最为明显，而长江流域表现的相对较弱。高原NPP的变化可能受大气降水和温度变化影响的同时，人类活动也产生了重要的作用。近些年来，国家在三江源区和雅鲁藏布江流域开展的一系列生态保护项目和工程建设[39-42]，总体上改善了这些区域的生态与环境状况，一定程度上提高了项目实施区域的草地生产力[43]。
5结论
(1)1982-2009年间，青藏高原高寒草地的年均植被总NPP为177.2×1012gC·yr-1，年均植被NPP为120.8gC·m-2yr-1。青藏高原高寒草地年均NPP分布表现为由东南向西北逐渐递减。
(2)1982-2009年间，青藏高原高寒草地植被年均NPP呈波动上升趋势(波动范围为112.6~129.9gC·m-2yr-1)，从1982年的114.7gC·m-2yr-1上升至2009年的129.9gC·m-2yr-1，上升幅度达到13.3%。植被NPP增加的高寒草地约占高寒草地总面积的32.56%~39.11% (NPP增加18.0×1012~20.3×1012gC)，NPP减少的约占5.55%~7.62%(NPP减少3.3×1012~3.9×1012gC)，NPP无显著性变化的约占53.27%~61.89%。县域分析表明：高原92%县(市)域的高寒草地NPP增加的区域要高于降低的区域，其中约79%以上县域的高寒草地NPP处于无显著性变化的状态。植被盖度[35]、生长季[36]和NPP时空变化显示，青藏高原高寒草地生态系统质量总体上呈现出向良性发展的态势且其区域差异明显，但局部地区草地仍持续退化。
(3)研究时段内，青藏高原高寒草地植被年均NPP变化的空间分异特征表现为：
第一，青藏高原多数自然地带内的NPP呈增加趋势，仅阿里山地半荒漠、荒漠地带年均NPP呈轻微减低趋势，高寒草甸地带和草原地带的年均NPP增长趋势明显高于高寒荒漠地带；在垂直变化上，年均NPP增加面积比随海拔升高呈现“升高—稳定—降低”特点，而年均NPP降低面积比随海拔升高则表现为“降低—稳定—升高”；在水平(经、纬向)变化上，年均NPP变化的差异主要受植被分布类型和环境状况的影响。
第二，黄河、长江、澜沧江、雅鲁藏布江和怒江等流域的年均植被NPP均呈现增长趋势，其中黄河流域增长趋势最为显著，这主要与该流域的气候变化和国家近年来的生态保护与建设项目的实施密切相关。
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9期张镱锂等：青藏高原高寒草地净初级生产力(NPP)时空分异
1211 Spatial and temporal variability in the net primary production (NPP)of alpine grassland on Tibetan Plateau from1982to2009 ZHANG Yili1,QI Wei1,2,ZHOU Caiping1,DING Mingjun1,3,LIU Linshan1,
GAO Jungang1,BAI Wanqi1,WANG Zhaofeng1,ZHENG Du1
(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing100101,China;
2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;
3.Key Lab of Poyang Lake Wetland and Watershed Research,Jiangxi Normal University,Nanchang330028,China) Abstract:Using NOAA A VHRR NDVI data(8km spatial resolution)from1982-2000,as well as SPOT VGT data(1km spatial resolution)and observation data from1998-2009,the CASA model was applied to analyze the spatial-temporal characteristics of alpine grassland NPP change on the Tibetan Plateau(TP).This study will help to evaluate the health status of the alpine grassland ecosystem and is of great importance to studies on sustainable development of pasture on the plateau,as well as to research on the national ecological security shelter function of the Tibetan Plateau.Spatial statistical analysis is carried out based on physio-geographical zonality(natural zone,altitude,latitude and longitude),river basin, and administrative areas at a county level.Data processing was completed on an ENVI
4.8 platform while spatial analysis and mapping were completed on an ArcGIS9.3and ANUSPLINE platform.The analysis of the spatial-temporal pattern and change in characteristics of alpine grassland NPP showed that:(1)the alpine grassland NPP gradually decreased from southeast to northwest on the TP,which corresponded with the gradients of precipitation and temperature.The average annual total NPP in alpine grassland on the TP is 177.2×1012gC·yr-1,and the average annual NPP is120.8gC·m-2yr-1,from1982to2009.(2) The annual alpine grassland NPP on the TP has a fluctuating and increasing tendency,ranging from114.7gC·m-2yr-1in1982,to129.9gC·m-2yr-1in2009,with a13.3%increase;the alpine grassland showing a significantly increasing tendency of NPP is above32%of the total, while the alpine grassland that shows a remarkably decreased tendency of NPP is
5.55%.(3) A notable change of annual NPP existed in alpine grassland:(a)NPP increased in most of the natural zones on the TP,and showed a slightly decreasing trend,except for the Ngari montane desert-steppe and desert zone,where the increasing tendency of NPP was stronger in a high-cold shrub-meadow zone,high-cold meadow steppe zone and high-cold steppe zone, than that in the high-cold desert zone;(b)The vertical variations in annual NPP are significantly different,including an"increasing-steady-decreasing"trend in area percentage with a significant increase and a"decreasing-steady-increasing"trend with a significant decrease,as altitude rises;(c)The variations of annual NPP in latitude and longitude have a relationship with the vegetation distribution.The variations in annual NPP in basins present a growing tendency,with the Yellow River Basin being the most remarkable.The relationship between NPP and vegetation coverage suggests that there was a benign trend in the quality of alpine meadow ecosystem and significant regional differences on the TP.
Key words:Tibetan Plateau;net primary production(NPP);CASA model;spatial-temporal pattern;trend in NPP change