全 文 ：书内蒙古草地生态系统近１０年犖犘犘
时空变化及其与气候的关系
穆少杰，李建龙，杨红飞，刚成诚，陈奕兆
（南京大学生命科学学院，江苏 南京２１００９３）
摘要：植被净初级生产力（ｎｅｔｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ＮＰＰ）及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之
一。通过改进的光能利用率模型（ＣＡＳＡ模型），利用 ＭＯＤＩＳＮＤＶＩ数据、土地覆盖分类数据、气象数据等，逐像元
模拟２００１－２０１０年内蒙古草地生态系统ＮＰＰ的时空变化，分析其对气候因子变化的响应关系。结果表明，１）２００１
－２０１０年内蒙古草地多年平均ＮＰＰ为２８１．３ｇＣ／（ｍ２·ａ），空间分布呈由西南向东北递增的趋势，草甸草原、典型
草原和荒漠草原平均ＮＰＰ分别为４３１．８，２８８．７和１２３．５ｇＣ／（ｍ２·ａ）；２）２００１－２０１０年间内蒙古草地ＮＰＰ总体
上呈上升趋势。ＮＰＰ上升趋势最明显的草地主要分布在毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔盟和大
兴安岭南麓地区，而下降趋势最明显的草地主要分布在阴山山脉和锡林郭勒盟中部的典型草原区；３）总体而言，降
水量是内蒙古草地净初级生产力的主要影响因素。草甸草原ＮＰＰ与降水量、温度的关系均很密切，而且与温度的
相关性更强；典型草原和荒漠草原ＮＰＰ则主要受降水量控制，其中荒漠草原ＮＰＰ与降水量的关系更密切。
关键词：内蒙古草地；净初级生产力；ＣＡＳＡ模型；气候因子
中图分类号：Ｓ８１２．２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４５７５９（２０１３）０３０００６１０
犇犗犐：１０．１１６８６／ｃｙｘｂ２０１３０３０２
植被净初级生产力（ｎｅｔｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ＮＰＰ）是指单位时间、单位面积上植被所积累的有机物质的总
量，是光合作用所吸收的碳和呼吸作用所释放的碳之间的差值［１３］。ＮＰＰ不仅可以反映在自然环境条件下植被
对ＣＯ２ 的固定能力，表征生态系统的质量状况和生产能力，也是判定生态系统的碳源／汇功能和评价陆地生态系
统可持续发展的重要因子［４６］。近年来，随着对全球变化以及碳循环方面研究的深入，ＮＰＰ的估算越来越受到各
国学者的重视，国际地圈－生物圈计划（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧｅｏｓｐｈｅｒｅＢｉｏｓｐｈｅｒｅＰｒｏｇｒａｍ，ＩＧＢＰ）、全球变化与陆地生
态系统（ＧｌｏｂａｌＣｈａｎｇｅａｎｄＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＥｃｏｓｙｓｔｅｍ，ＧＣＴＥ）和京都协定书等都把植被净初级生产力的研究确定
为核心内容之一［７］。在区域和全球尺度上，利用模型模拟进行间接估测ＮＰＰ是一种重要而被广泛接受的研究方
法［８，９］。基于遥感数据的 ＣＡＳＡ（ｃａｒｎｅｇｉｅａｍｅｓｓｔａｎｆｏｒｄａｐｐｒｏａｃｈ）模型是建立在植物光合作用过程和
Ｍｏｎｔｅｉｔｈ［１０］提出的光能利用率概念上，因其能够在全球和区域尺度上很好地评估ＮＰＰ的动态变化和时空变异
性而得到广泛的应用［１１，１２］。
草地作为陆地生态系统的重要组成部分，约占地球表面五分之一的面积。草原生态系统的脆弱性及其对气
候变化响应的敏感性使得该区域成为全球变化研究的典型区域之一［８，１３，１４］。植被净初级生产力是草地生态系统
生产能力的直接反映，也是草原生态系统固碳能力的重要表征［１５，１６］，定量地分析草地ＮＰＰ的时空分布特征及其
对气候变化的响应，探讨其在全球变化背景下对陆地碳循环的贡献，对于合理利用草地资源、实现草地生态系统
的可持续发展有重要的指导意义。从该角度出发，本研究以改进的光能利用率模型（ＣＡＳＡ模型）为基础，利用空
间分辨率为５００ｍ的ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ遥感数据（ＭＯＤ１３Ａ１）、土地覆盖分类数据和气象数据，研究了２００１－２０１０
年内蒙古草地净初级生产力的时空变化特征，并在此基础上分析了气候因子对草地ＮＰＰ累积的驱动作用。
６－１５
２０１３年６月
草 业 学 报
ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ
第２２卷 第３期
Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３
收稿日期：２０１２０５０４；改回日期：２０１２１０１１
基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）项目（２０１０ＣＢ９５０７０２），国家８６３计划专题项目（２００７ＡＡ１０Ｚ２３１）和 ＡＰＮ全球变化基金项目
（ＡＲＣＰ２０１１０６ＣＭＹＬｉ）资助。
作者简介：穆少杰（１９８５），男，内蒙古乌兰察布人，在读博士。Ｅｍａｉｌ：ｍｕｓｊｅｇ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
通讯作者。Ｅｍａｉｌ：ｊｉａｎｌｏｎｇｌｉ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
１ 材料与方法
１．１ 研究区概况
图１ 内蒙古草地类型图
犉犻犵．１ 犌狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊犻狀犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪
内蒙古自治区（３７°２４′～５３°２３′Ｎ，９７°１２′～１２６°０４′Ｅ）
地处我国北部边疆，属于内蒙古高原，总面积约１１８万
ｋｍ２。全区东西狭长呈带状，地貌由东向西分别呈现平
原、山地与高平原镶嵌分布。内蒙古是我国温带草原的
主要分布区，草地面积约占全区总面积的６７％，占全国
草地面积的２２％。草原区气候为典型的温带大陆性气
候，年降水量５０～４５０ｍｍ，年平均气温０～８℃。气候自
东向西由湿润、半湿润区逐步过渡到半干旱、干旱区，降
水呈由东北向西南递减的趋势，温度却呈由东北向西南
递增的趋势；相应地，草原类型（图１）也自东向西划分为
内蒙古东部大兴安岭山麓的草甸草原、内蒙古中部的典
型草原及中西部的荒漠草原［１７］。其中，典型草原是内蒙
古面积最大、分布最广的一类草原。
１．２ 数据来源及预处理
遥感数据来源于美国国家航空航天局 ＮＡＳＡ的ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ数据（ｈｔｔｐ：／／ｅｄｃｉｍｓｗｗｗ．ｃｒ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／ｐｕｂ／
ｉｍｓｗｅｌｃｏｍｅ／），选择２００１－２０１０年的 ＭＯＤ１３Ａ１数据产品，时间分辨率为１６ｄ，空间分辨率为５００ｍ×５００ｍ。
使用 ＭＲＴ（ＭＯＤＩＳＲｅｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎＴｏｏｌｓ）将下载的 ＭＯＤＩＳＮＤＶＩ数据进行格式转换和重投影，把 ＨＤＦ格式转
换为Ｔｉｆｆ格式，并将ＳＩＮ地图投影转换为 ＷＧＳ８４／ＡｌｂｅｒｓＥｑｕａｌＡｒｅａＣｏｎｉｃ投影，同时完成图像的空间拼接和
重采样。将１６ｄ的 ＭＯＤＩＳＮＤＶＩ数据，采用最大合成法（ｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ＭＶＣ）得到月 ＮＤＶＩ数
据，并利用内蒙古行政区划图裁剪出内蒙古地区２００１－２０１０年逐月ＮＤＶＩ的栅格图像。
气象数据采用中国气象科学数据共享服务网（ｈｔｔｐ：／／ｃｄｃ．ｃｍａ．ｇｏｖ．ｃｎ）提供的２００１－２０１０年的全国７２２个
标准气象站点的月平均温度和月降水量资料。根据各气象站点的经纬度信息，采用 ＡｒｃＧＩＳ的 Ｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ
Ａｎａｌｙｓｔ模块对气象数据进行Ｋｒｉｇｉｎｇ空间插值，获取与ＮＤＶＩ数据像元大小一致、投影相同的气象数据栅格图
像。通过数据掩膜，裁剪出内蒙古地区月平均温度和月降水量的栅格图像。
土地覆盖数据来源于“地球系统科学数据共享平台”（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｏｄａｔａ．ｃｎ）提供的２００５年中国１：２５万
土地覆盖图，数据内容包括森林、草地、农田、聚落、湿地与水体、荒漠等６个一级类型和２５个二级类型，其中草地
包括６种类型：草甸草原、典型草原、荒漠草原、高寒草甸、高寒草原和灌丛草地。内蒙古草原主要类型为草甸草
原、典型草原和荒漠草原。
１．３ ＮＰＰ估算模型及精度验证
１．３．１ ＣＡＳＡ模型 目前的植被ＮＰＰ估算模型大体分为３类：１）统计模型；２）参数模型；３）过程模型。已被
全球１９００多个实测站点校准的ＣＡＳＡ模型，是基于光能利用率原理的过程模型。ＣＡＳＡ模型所估算的植被净
初级生产力可以由植被吸收的光合有效辐射（ａｂｓｏｒｂｅｄｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｃｔｉｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎ，ＡＰＡＲ）和光能利用率
（ε）两个变量来确定，其估算公式如下：
犖犘犘（狓，狋）＝犃犘犃犚（狓，狋）×ε（狓，狋） （１）
式中，犃犘犃犚（狓，狋）表示像元狓在狋月份吸收的光合有效辐射，ε（狓，狋）表示像元狓在狋月份的实际光能利用率。植
被吸收的光合有效辐射（犃犘犃犚）取决于太阳总辐射和植被对光合有效辐射的吸收比例，用公式 （２）计算：
犃犘犃犚（狓，狋）＝犛犗犔（狓，狋）×犉犘犃犚（狓，狋）×０．５ （２）
式中，犛犗犔（狓，狋）表示像元狓在狋月份的太阳总辐射量（ＭＪ／ｍ２）；常数０．５表示植被所能利用的太阳有效辐射
（４００～７００ｎｍ）占太阳总辐射的比例；ＦＰＡＲ（ｆｒａｃｔｉｏｎａｂｓｏｒｂｅｄｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｃｔｉｖｅｒａｄｉａｔｉｏｎ）表示植被层对入
射的光合有效辐射（ＰＡＲ）的吸收比例，在一定范围内ＦＰＡＲ与ＮＤＶＩ、ＳＲ（ｓｉｍｐｌｅｒａｔｉｏ）存在较好的线性关系，因
７第２２卷第３期 草业学报２０１３年
而可以通过 ＭＯＤ１３Ａ１产品提取归一化植被指数（犖犇犞犐）对犉犘犃犚进行估算。
光能转化率是指植被把所吸收的光合有效辐射 （ＰＡＲ）转化为有机碳的效率，它主要受温度和水分的影响，
用公式（３）计算：
ε（狓，狋）＝犜ε１（狓，狋）×犜ε２（狓，狋）×犠ε（狓，狋）×εｍａｘ （３）
式中，犜ε１（狓，狋）和犜ε２（狓，狋）表示温度对光能转化率的影响，犠ε（狓，狋）表示水分条件对光能转化率的影响，εｍａｘ表示
在理想状态下植被的最大光能利用率，其取值因植被类型不同有较大差别，本研究利用Ｒｕｎｎｉｎｇ等［１８］根据生理
生态过程ＢＩＯＭＥＢＧＣ对不同植被覆盖类型的最大光能利用率的模拟结果作为输入参数，其中草地的模拟结果
０．６０８ｇ／ＭＪ作为草地的最大光能利用率。ＦＰＡＲ、犜ε１（狓，狋）、犜ε２（狓，狋）和犠ε（狓，狋）的计算方法及改进见文献［１９］。
１．３．２ 模型精度验证 本研究利用２００８年７月实测的内蒙古草地３０个样地的生物量数据，换算成草地植被地
上、地下植被生产力，并将实测数据与ＣＡＳＡ模型的模拟结果一一对应，进行模型精度验证。
１．４ ＮＰＰ变化动态分析
１．４．１ ＮＰＰ年际变化率的计算 本研究应用一元线性回归分析法分析２００１－２０１０年内蒙古草地植被ＮＰＰ的
时空变化，单个像元多年回归方程中趋势线斜率即为年际变化率。计算公式为：
θ狊犾狅狆犲＝
狀×∑
狀
犻＝１
犻×犖犘犘犻－∑
狀
犻＝１
犻∑
狀
犻＝１
犖犘犘犻
狀×∑
狀
犻＝１
犻２－（∑
狀
犻＝１
犻）２
（４）
式中，θ狊犾狅狆犲为趋势斜率，狀为监测时间段的年数，犖犘犘犻为第犻年的草地ＮＰＰ。利用ＮＰＰ序列和时间序列（年份）
的相关关系来判断ＮＰＰ年际间变化的显著性，斜率为负表示下降，反之则表示上升。
１．４．２ ＮＰＰ变异性的计算 为揭示草地植被ＮＰＰ的年际变化规律，通过计算变异系数（ＣＶ）分析ＮＰＰ的变异
性，计算公式如下：
犆犞＝
∑
狀
犻＝１
（犖犘犘犻－犖犘犘犻）
狀槡 －１
犖犘犘犻
（５）
式中，犖犘犘犻为第犻年的草地ＮＰＰ，犖犘犘犻为１０年平均ＮＰＰ，狀为年数。
１．４．３ ＮＰＰ与气候因子相关性的计算 采用基于像元的空间分析法分析ＮＰＰ对各气候因子（温度和降水量）
的响应，首先计算简单相关系数，进而得到偏相关系数。ＮＰＰ与温度或降水量的相关系数计算公式如下：
犚狓狔＝
∑
狀
犻＝１
（狓犻－珚狓）（狔犻－珔狔［ ］）
∑
狀
犻＝１
（狓犻－珚狓）２∑
狀
犻＝１
（狔犻－珔狔）槡 ２
（６）
式中，犚狓狔为狓、狔两变量的相关系数，狓犻为第犻年的ＮＰＰ，狔犻为第犻年的温度或降水量，珚狓为多年ＮＰＰ的平均值，珔狔
为多年温度或降水量的平均值，狀为样本数。
基于降水量的ＮＰＰ与温度的偏相关系数、基于温度的ＮＰＰ与降水量的偏相关系数计算公式如下：
狉１２３＝
狉１２－狉１３狉２３
（１－狉１３２）＋（１－狉２３２槡 ）
（７）
式中，狉１２３为将变量３固定后变量１与变量２之间的偏相关系数，狉１２、狉２３、狉１３分别表示变量１与变量２、变量２与变
量３、变量１与变量３的相关系数。偏相关系数是指当２个变量同时与第３个变量相关时，剔除第３个变量的影
响之后的另外２个变量之间的相关系数，更能反映单一气候因子对ＮＰＰ的影响，因此，本研究的相关性分析均采
用偏相关系数。
２ 结果与分析
２．１ 模型验证结果
内蒙古草地ＮＰＰ实测值和ＣＡＳＡ模型模拟值相关性分析的结果（图２）显示，ＮＰＰ实测值与模拟值基本吻
８ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３
合（犚２＝０．５０１，犘＜０．００１）。因此，可以认为ＣＡＳＡ模
图２ 内蒙古草地犖犘犘模拟值与观测值的比较
犉犻犵．２ 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀犫犲狋狑犲犲狀狊犻犿狌犾犪狋犲犱犖犘犘犪狀犱狅犫狊犲狉狏犲犱
犖犘犘狅犳犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犵狉犪狊狊犾犪狀犱
型适于内蒙古草地植被ＮＰＰ的估算。
２．２ 内蒙古草地ＮＰＰ的空间分布
２００１－２０１０年内蒙古草地净初级生产力的平均
值为２８１．３ｇＣ／（ｍ２·ａ），变化范围为２３４．３～３１６．４
ｇＣ／（ｍ２·ａ），且空间分布存在明显的地域性差异，总
体而言呈东高西低（图３Ａ）。从经向变化规律可看出
（图３Ｂ），内蒙古草地ＮＰＰ有明显的经度地带性，由西
向东ＮＰＰ呈“台阶式”上升，平均变化速率为１９２ｇＣ／
（ｍ２·ａ·１０°），其中变化速率较高的区域为１０５°～
１１０°Ｅ，１１５°～１２０°Ｅ和１２２°～１２７°Ｅ，ＮＰＰ变化速率
分别为２９８，３８９和５２８ｇＣ／（ｍ２·ａ·１０°）。
不同草地类型的ＮＰＰ有较大差异（图４Ａ）：草甸
草原１０年平均ＮＰＰ为４３１．８ｇＣ／（ｍ２·ａ），典型草原
为２８８．７ｇＣ／（ｍ２·ａ），荒漠草原为１２３．５ｇＣ／
（ｍ２·ａ）。３种草地类型ＮＰＰ的频度分布表明（图４Ｂ）：草甸草原ＮＰＰ多数分布在４５０～５５０ｇＣ／（ｍ２·ａ）之间；
典型草原面积最广，其ＮＰＰ频度分布的波峰较宽，范围为２００～３５０ｇＣ／（ｍ２·ａ）；荒漠草原ＮＰＰ分布比较集中，
５７％的像元分布在１００～１５０ｇＣ／（ｍ２·ａ）范围内。２００１－２０１０年内蒙古草地平均年ＮＰＰ总量为１２７．６ＴｇＣ／ａ
（１Ｔｇ＝１０１２ｇ），约占内蒙古ＮＰＰ总量的４０％。其中（图４Ａ），草甸草原的年ＮＰＰ总量为３１．８ＴｇＣ／ａ，典型草
原为８１．４ＴｇＣ／ａ，荒漠草原为１４．４ＴｇＣ／ａ，分别占草地年ＮＰＰ总量的２５％，６４％和１１％。
图３ ２００１－２０１０年内蒙古草地平均犖犘犘的空间分布（犃）和经向变化规律（犅）
犉犻犵．３ 犛狆犪狋犻犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犿犲犪狀犖犘犘（犃）犪狀犱狏犪狉犻犪狋犻狅狀狊狅犳犿犲犪狀犖犘犘狑犻狋犺
犾狅狀犵犻狋狌犱犲（犅）犻狀犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犵狉犪狊狊犾犪狀犱犱狌狉犻狀犵２００１－２０１０
２．３ 内蒙古草地ＮＰＰ的时间变化
２００１－２０１０年内蒙古草地ＮＰＰ总量年际变化波动较大（图５），２００３和２００８年达到峰值，ＮＰＰ总量分别为
１４６．３和１４３．２ＴｇＣ／ａ，分别高于多年平均值１９％和１６％；２００１年ＮＰＰ总量为１０４．４ＴｇＣ／ａ，为１０年间最低
值，比多年平均值低２３％；其余各年份ＮＰＰ总量均处于多年平均值上下１０％范围内。
根据２００１－２０１０年ＮＰＰ年累积量变异系数分析其年际波动情况（图６Ａ），鄂尔多斯西部、浑善达克沙地、锡
林郭勒盟北部和呼伦贝尔盟西部草地ＮＰＰ年际波动最大，锡林郭勒盟东部和呼伦贝尔盟中部的草甸草原较湿润
温暖地区的草地ＮＰＰ年际波动小。
９第２２卷第３期 草业学报２０１３年
图４ ２００１－２０１０年内蒙古不同草地类型的犖犘犘和犖犘犘总量（犃）及犖犘犘频度分布（犅）
犉犻犵．４ 犕犲犪狀犪狀犱狋狅狋犪犾犖犘犘犳狅狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊（犃）犪狀犱犿犲犪狀犖犘犘犳狉犲狇狌犲狀犮狔
犫狔狆犻狓犲犾狊（犅）犻狀犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犵狉犪狊狊犾犪狀犱犱狌狉犻狀犵２００１－２０１０
２００１－２０１０年间内蒙古草地ＮＰＰ总体上为０．３３
图５ ２００１－２０１０年内蒙古不同类型草地犖犘犘变化
犉犻犵．５ 犇狔狀犪犿犻犮狊狅犳犪狀狀狌犪犾犖犘犘犳狅狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱
狋狔狆犲狊犻狀犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犱狌狉犻狀犵２００１－２０１０
ｇＣ／（ｍ２·ａ），略大于０，说明１０年间草地ＮＰＰ有增
加趋势，但不明显。其中草甸草原 ＮＰＰ上升速率最
大，θｓｌｏｐｅ为１．１７，荒漠草原 ＮＰＰ略有上升，θｓｌｏｐｅ为
０．６５，典型草原 ＮＰＰ有所下降，θｓｌｏｐｅ为－０．８４。从空
间分布来看（图６Ｂ），ＮＰＰ上升趋势最明显的草地主
要分布在毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼
伦贝尔盟和大兴安岭南麓地区，变化速率为１５～２５ｇ
Ｃ／（ｍ２·ａ）；ＮＰＰ下降趋势最明显的草地主要分布在
阴山山脉和锡林郭勒盟中部的典型草原区，变化速率
为－２５～－１５ｇＣ／（ｍ２·ａ）。
２．４ 内蒙古草地ＮＰＰ对气候因子的响应分析
计算各像元２００１－２０１０年年ＮＰＰ与年降水量和
年均温的偏相关系数。结果表明，内蒙古草地大部分
区域的ＮＰＰ与降水量的相关性较高，但也有部分区域
的ＮＰＰ与降水量呈微弱的负相关。锡林郭勒盟、巴彦
淖尔盟、乌兰察布盟、包头市的大部分地区以及呼伦贝尔盟西部地区的草地 ＮＰＰ与降水量的相关性较高（图
７Ａ），相关系数大都在０．５～０．８之间；鄂尔多斯大部分地区、呼伦贝尔盟中东部和兴安盟西部地区的草地ＮＰＰ
与降水量呈负相关，相关系数多为－０．２～０。草地ＮＰＰ与温度的相关性总体而言没有与降水量的相关性高。内
蒙古东南部赤峰、通辽境内的草地年ＮＰＰ与温度关系密切，相关系数在０．３～０．６范围内；而锡林郭勒盟中西部
地区的草地ＮＰＰ与温度呈较强的负相关，相关系数多在－０．３～－０．６之间（图７Ｂ）。
采用最邻近法将草地ＮＰＰ与降水量、温度的相关性栅格图重采样到分辨率５ｋｍ×５ｋｍ，分别提取每个栅格
与降水量、温度的相关系数（Ｒｐ、Ｒｔ），分析气候因子对不同类型草地ＮＰＰ的影响。总体而言，内蒙古草地ＮＰＰ大
多与降水量呈正相关，而与温度则呈正负相关共存（图８Ａ）。草甸草原ＮＰＰ与降水量、温度的关系均很密切，且
主要受温度影响（图８Ｂ），与降水量、温度均呈正相关的像元占４３．２％，而与温度呈正相关的像元占７０．８％（表
１）；典型草原ＮＰＰ主要受降水量影响（图８Ｃ），与降水量呈正相关的像元数占９７．７％，其中与温度也呈正相关的
占４０．７％，而与温度呈负相关的占５７％（表１）；荒漠草原ＮＰＰ也主要受降水量影响（图８Ｄ），与降水量呈正相关
０１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３
的像元数占９８．５％，与典型草原相比，荒漠草原与降水量、温度均呈正相关的区域下降为２１．４％，而与降水量呈
正相关、与温度呈负相关的区域上升到７７．１％（表１），说明荒漠草原ＮＰＰ比典型草原ＮＰＰ更依赖于降水量。３
种草地类型中，与降水量、温度均呈负相关的区域在草甸草原中最多，占９．２％，这些区域内草地ＮＰＰ可能受人
为因素（如放牧、开垦）干扰较多。
图６ ２００１－２０１０内蒙古草地犖犘犘年际变动（犃）和变化趋势（犅）
犉犻犵．６ 犃狀狀狌犪犾犮犺犪狀犵犲狊（犃）犪狀犱狋狉犲狀犱狊（犅）狅犳犖犘犘狅犳犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犵狉犪狊狊犾犪狀犱犱狌狉犻狀犵２００１－２０１０
图７ ２００１－２０１０年内蒙古草地犖犘犘对年降水量（犃）和年均温（犅）变化的响应
犉犻犵．７ 犖犘犘狅犳犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪犵狉犪狊狊犾犪狀犱狉犲狊狆狅狀狊犲狋狅犪狀狀狌犪犾狆狉犲犮犻狆犻狋犪狋犻狅狀（犃）犪狀犱
犪狏犲狉犪犵犲犪狀狀狌犪犾狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犮犺犪狀犵犲（犅）犻狀２００１－２０１０
３ 讨论
３．１ 内蒙古草地ＮＰＰ模拟结果对比
草地ＮＰＰ是草地生态系统碳收支的重要指示因子，目前对于长时间序列大区域尺度上草地ＮＰＰ的研究主
要基于模型的模拟。因研究对象、研究时段和估算方法的不同，不同研究对内蒙古草地ＮＰＰ的模拟结果也存在
着比较大的差异。本研究利用基于光能利用率原理的ＣＡＳＡ模型模拟内蒙古草地ＮＰＰ，得到２００１－２０１０年内
蒙古草地ＮＰＰ平均值为２８１．３ｇＣ／（ｍ２·ａ），与前人的相关研究比较如表２所示。龙慧灵等［２０］对内蒙古草原区
１９８２－２００６年净初级生产力的估算平均值为２９９．８ｇＣ／（ｍ２·ａ）；张峰等［８］对内蒙古锡林河流域典型草原１９８２
－２００２年ＮＰＰ的估算值为２９０．２ｇＣ／（ｍ２·ａ）；朱文泉等［１９］利用改进的ＣＡＳＡ模型计算得到２００２年内蒙古草
地的ＮＰＰ平均值为２５９．９ｇＣ／（ｍ２·ａ），同时利用３种气候生产力模型Ｃｈｉｋｕｇｏ、Ｍｏｎｔｒｅａｌ和 Ｍｉａｍｉ模型对所
１１第２２卷第３期 草业学报２０１３年
得结果进行验证，估算结果分别为４４２．９，６８７．４和９５８．６ｇＣ／（ｍ２·ａ）；王玉辉和周广胜［２１］利用１９８１－１９９４年
内蒙古锡林河流域羊草草原长期固定围栏样地的植被调查资料计算羊草草原ＮＰＰ为１９９．０ｇＣ／（ｍ２·ａ）。本
研究的模拟结果除与３种气候生产力模型的模拟结果相差较大之外，与上述其他研究的模拟结果相近，说明本研
究模拟结果具有可靠性，可为草地生态系统碳通量和生态环境研究提供参考。
图８ 内蒙古不同草地类型犖犘犘对气候因子的响应
犉犻犵．８ 犕犲犪狀犖犘犘犳狅狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊狉犲狊狆狅狀狊犲狋狅犮犾犻犿犪狋犲犳犪犮狋狅狉狊
Ａ：内蒙古草地ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ；Ｂ：草甸草原 Ｍｅａｄｏｗｓｔｅｐｐｅ；Ｃ：典型草原 Ｔｙｐｉｃａｌｓｔｅｐｐｅ；Ｄ：荒漠草原 Ｄｅｓｅｒｔｓｔｅｐｐｅ．
表１ 不同草地类型犖犘犘与降水量（犚狆）、温度（犚狋）的相关系数在各象限分布比例
犜犪犫犾犲１ 犘狉狅狆狅狉狋犻狅狀狅犳犮狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犮狅犲犳犳犻犮犻犲狀狋犫犲狋狑犲犲狀犿犲犪狀犖犘犘犳狅狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犵狉犪狊狊犾犪狀犱狋狔狆犲狊犪狀犱
犮犾犻犿犪狋犲犳犪犮狋狅狉狊（犚狆，犚狋）犻狀犲犪犮犺狇狌犪犱狉犪狀狋 ％
象限
Ｑｕａｄｒａｎｔ
意义
Ｍｅａｎｉｎｇ
草甸草原
Ｍｅａｄｏｗ
ｇｒａｓｓｌａｎｄ
典型草原
Ｔｙｐｉｃａｌ
ｇｒａｓｓｌａｎｄ
荒漠草原
Ｄｅｓｅｒｔ
ｇｒａｓｓｌａｎｄ
Ⅰ 与降水量、温度均呈正相关Ｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ４３．２ ４０．７ ２１．４
Ⅱ 与降水量呈负相关、与温度呈正相关Ｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｐｏｓｉｔｉｖｅｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ２７．６ １．５ ０．９
Ⅲ 与降水量、温度均呈负相关Ｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ９．２ ０．９ ０．６
Ⅳ 与降水量呈正相关、与温度呈负相关Ｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｏｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ２０．０ ５７．０ ７７．１
３．２ 人类活动对内蒙古草地ＮＰＰ变化的驱动作用
２００１－２０１０年间，内蒙古草地ＮＰＰ总体呈上升趋势，其中上升速率最快的区域主要分布在一些生态脆弱地
区和风沙源地区，如毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地。进入２１世纪以来，国家实施了京津风沙源治
理［２２２４］、退耕还林还草［２５，２６］、退牧还草［２７］、围封转移［２８］等一系列生态恢复工程，对内蒙古生态脆弱地区环境改
善、草地植被恢复起到了积极的作用。２００１－２０１０年间，内蒙古地区平均每年人工种草面积为１１２．９万ｈｍ２，围
２１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３
栏封育面积也从２００１年的１０５０．４万ｈｍ２ 上升到２０１０年２８２６．４万ｈｍ２，这些生态恢复措施有效地遏制了草
地的退化，促进了草地净初级生产力的增加（内蒙古统计年鉴２０１０）。内蒙古阿拉善盟在２００４－２００７年“退牧还
草”项目实施的４年间，全盟退牧还草区植被覆盖度由项目前的１２．８％增加到２３．０％，植物的平均高度由２５．８
ｃｍ增长到３１．７ｃｍ，产草量（干重）由１．６５ｋｇ／ｈｍ２ 增加到２．２４ｋｇ／ｈｍ２［２９］。与此同时，内蒙古年产牲畜总头数
由２００１年的６１３０．１万头上升到２０１０年的９５４８．１万头，增长了约５５．８％（内蒙古统计年鉴２０１０）。大规模生
态恢复措施的实施区域多集中在已退化草地和风沙源地区，而由牲畜数量上升引起的逐年增加的放牧压力则向
原来的未退化草地转移，这也导致２００１－２０１０年间锡林郭勒盟中部的典型草原ＮＰＰ出现明显的下降趋势。
表２ 本研究模拟结果同其他估算结果和实测值的比较
犜犪犫犾犲２ 犐狀狋犲狉犮狅犿狆犪狉犻狊狅狀犪犿狅狀犵犖犘犘犲狊狋犻犿犪狋犲犱犻狀狋犺犻狊狊狋狌犱狔，犲狊狋犻犿犪狋犲犱犳狉狅犿狅狋犺犲狉狉犲狊犲犪狉犮犺犲狊犪狀犱犿犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狊
研究地点
Ｓｔｕｄｙａｒｅａ
研究时段
Ｓｔｕｄｙｐｅｒｉｏｄ（年Ｙｅａｒ）
估算方法
Ｍｅｔｈｏｄ
ＮＰＰ
（ｇＣ／ｍ２·ａ）
研究者
Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ
内蒙古草地ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ １９８２－２００６ ＣＡＳＡ ２９９．８ 龙慧灵ＬｏｎｇＨｕｉｌｉｎｇ
内蒙古典型草原ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｔｙｐｉｃａｌｇｒａｓｓｌａｎｄ １９８２－２００２ ＣＡＳＡ ２９０．２ 张峰ＺｈａｎｇＦｅｎｇ
内蒙古草地ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ ２００２ ＣＡＳＡ ２５９．９ 朱文泉ＺｈｕＷｅｎｑｕａｎ
Ｃｈｉｋｕｇｏ ４４２．９
Ｍｏｎｔｒｅａｌ ６８７．４
Ｍｉａｍｉ ９５８．６
内蒙古羊草草原ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊ｇｒａｓｓｌａｎｄ １９８１－１９９４ 实测Ｏｂｓｅｒｖｅｄ １９９．０ 王玉辉 ＷａｎｇＹｕｈｕｉ
内蒙古草地ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ ２００１－２０１０ ＣＡＳＡ ２８１．３ 本研究Ｏｕｒｓｔｕｄｙ
３．３ 气候因子对内蒙古草地ＮＰＰ的影响
基于像元的内蒙古草地ＮＰＰ与降水量、温度的相关性分析结果表明，内蒙古草地植被的生长主要受降水量
影响，但不同草地类型ＮＰＰ对降水量、温度的依赖性有明显差异。草甸草原主要分布在内蒙古东部的半湿润和
半干旱过渡气候带，降雨充沛，而低温是植被生长的限制因子，因此和温度的相关性较高。草甸草原的部分区域
ＮＰＰ与降水量呈微弱的负相关，原因可能是其与温度的关系更加密切，也可能是由于雨热不同期所致，即在降水
量较高的年份，温度降低的原因。在该区域，降水量的增加意味着温度的降低［３０］，从而抑制植被生长。因此，
ＮＰＰ与降水量之间负相关关系的真正作用机制是温度的变化过程，而并非降水量本身。张学珍等［３１］发现，
１９８２－２００６年我国南方湿润地区森林植被活动与降水变化呈负相关关系，原因在于辐射被认为是该地区植被生
长的限制因子，降水的增加导致辐射减少，从而影响植被生长，这与本研究的结果类似。典型草原和荒漠草原主
要分布于内蒙古中西部的干旱、半干旱气候带，降雨稀少、气温较高，因此草地植被的生长主要受降水量限制，其
中荒漠草地ＮＰＰ与降水量的相关性更强。典型草原和荒漠草原部分区域ＮＰＰ与温度呈明显的负相关，原因可
能是其与降水量的关系更加密切，也可能是由于雨热不同期所致，即在温度较高的年份，降水量较少［３０］。
此外，试验数据处理过程中产生的误差，如利用ＣＡＳＡ模型估算ＮＰＰ时、对气象数据进行Ｋｒｉｇｉｎｇ插值时及
采用最邻近法将草地ＮＰＰ与降水量、温度的相关性栅格图重采样到分辨率５ｋｍ×５ｋｍ时产生的误差，都可能
对试验结果造成影响，从而影响气候因子和草地植被ＮＰＰ的相关性。
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４１ ＡＣＴＡＰＲＡＴＡＣＵＬＴＵＲＡＥＳＩＮＩＣＡ（２０１３） Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．３
犛狆犪狋犻狅狋犲犿狆狅狉犪犾狏犪狉犻犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱狀犲狋狆狉犻犿犪狉狔狆狉狅犱狌犮狋犻狏犻狋狔犪狀犱犻狋狊
狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狑犻狋犺犮犾犻犿犪狋犲狅狏犲狉狋犺犲狆犪狊狋１０狔犲犪狉狊犻狀犐狀狀犲狉犕狅狀犵狅犾犻犪
ＭＵＳｈａｏｊｉｅ，ＬＩＪｉａｎｌｏｎｇ，ＹＡＮＧＨｏｎｇｆｅｉ，ＧＡＮＧＣｈｅｎｇｃｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＹｉｚｈａｏ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９３，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｎｅｔｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（ＮＰＰ）ａｎｄｉｔｓｒｅｓｐｏｎｓｅｔｏｇｌｏｂａｌｃｈａｎｇｅａｒｅｔｗｏｏｆｔｈｅｆｏｃｕｓｅｓｉｎｇｌｏｂａｌ
ｃｈａｎｇｅｒｅｓｅａｒｃｈ．ＢａｓｅｄｏｎＭＯＤＩＳＮＤＶＩｄａｔａ，ｌａｎｄｕｓｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｄａｔａ，ａｎｄｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌｄａｔａ，ｔｈｅｓｐａ
ｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌｃｈａｎｇｅｉｎＮＰＰｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｌｉｇｈｔｕｓｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｍｏｄｅｌ（ＣＡＳＡｍｏｄｅｌ）．ＴｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎＮＰＰａｎｄｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｐａｒｔｉａｌｃｏｒ
ｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｔｈｅｔｗｏｇｒｏｕｐｅｌｅｍｅｎｔｓ．ＴｈｅａｖｅｒａｇｅａｎｎｕａｌＮＰＰｆｒｏｍ２００１ｔｏ２０１０ｗａｓ２８１．３ｇＣ／
（ｍ２·ａ）ｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ，ｗｉｔｈａｎｏｂｖｉｏｕｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｆｒｏｍｓｏｕｔｈｗｅｓｔｔｏｎｏｒｔｈｅａｓｔ．ＴｈｅｍｅａｎＮＰＰｉｎ
ｔｈｅｕｎｉｔａｒｅａｏｆｍｅａｄｏｗｓｔｅｐｐｅｗａｓ４３１．８ｇＣ／（ｍ２·ａ），ｉｎｔｙｐｉｃａｌｓｔｅｐｐｅｉｔｗａｓ２８８．７ｇＣ／（ｍ２·ａ）ａｎｄｉｎ
ｄｅｓｅｒｔｓｔｅｐｐｅｗａｓ１２３．５ｇＣ／（ｍ２·ａ）．ＴｈｅｒｅｗａｓａｒｉｓｉｎｇｔｒｅｎｄｉｎｔｈｅｇｒａｓｓｌａｎｄＮＰＰｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐａｓｔｔｅｎ
ｙｅａｒｓ．ＧｒａｓｓｌａｎｄＮＰＰｉｎＭｕＵｓｓａｎｄｙｌａｎｄ，Ｈｕｎｓｈａｎｄａｋｓａｎｄｙｌａｎｄ，Ｈｏｒｑｉｎｇｓａｎｄｙ，ＨｕｌｕｎＢｕｉｒｌｅａｇｕｅａｎｄ
ｔｈｅｓｏｕｔｈｅｒｎｓｌｏｐｅｏｆｔｈｅＧｒｅａｔｅｒＨｉｎｇｇａｎＭｏｕｎｔａｉｎｅｘｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｍｏｓｔｏｂｖｉｏｕｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄ，ｗｈｉｌｅｉｎｔｈｅ
ＹｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｒｅｇｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｒｅｏｆＸｉｌｉｎｇｏｌｌｅａｇｕｅｉｔｓｈｏｗｅｄｔｈｅｍｏｓｔｏｂｖｉｏｕｓｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄ．Ａｓａ
ｗｈｏｌｅ，ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｗａｓｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆＮＰＰｏｆＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅＮＰＰｏｆ
ｍｅａｄｏｗｓｔｅｐｐｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｂｏｔｈｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｂｕｔｗｉｔｈｍｏｒｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．
Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄＮＰＰｏｆｔｙｐｉｃａｌｓｔｅｐｐｅａｎｄｍｏｒｅｓｅｒｉｏｕｓｌｙ，ｄｅｓｅｒｔｓｔｅｐｐｅ．
犓犲狔狑狅狉犱狊：ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａｇｒａｓｓｌａｎｄ；ｎｅｔｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（ＮＰＰ）；ＣＡＳＡｍｏｄｅｌ；ｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒ
５１第２２卷第３期 草业学报２０１３年