汉江流域农田生产力的时空变化及成因分析

张 静，付恒阳，秦公伟

(1.陕西理工大学历史文化与旅游学院，陕西汉中 723001； 2.陕西理工大学陕西省资源生物重点实验室，陕西汉中 723001)

净初级生产力(Net primary production，PNP)实际上是单位面积和单位时间上绿色植物积累的有机干物质总量，具体有植物的根、叶和枝等的生产量及其枯落物部分.PNP能较好地体现统一尺度标准下的生态系统生产力，也可以衡量不同尺度的农田生产力[1-3].农田植被净初级生产力反映农田生态系统的固碳释氧能力，其数值的大小及变化对区域粮食安全和碳平衡具有一定的指示意义[4].高质量的遥感数据能较好地记录大面积作物生长的光谱曲线，为农业估产及农田生产潜力奠定基础[5].基于遥感数据估算的PNP成为衡量农田生产力的重要指标.20世纪80年代到90年代，国内有学者运用GLO-PEM模型估算的PNP研究了中国各农业区农田生产力[3]，也有学者结合GLO-PEM模型和VPM模型估算的PNP研究陕北近20年生态退耕对农田生产力的影响[6].21世纪以来，MODIS遥感数据因时间分辨率高且成本低，被广泛应用于农情遥感监测[7-9].大部分学者运用遥感估算的PNP研究区域农田生产力的时空格局，分析自然气候因素对农田生产力的影响，证实了降水在一定程度上是影响农田净初级生产力的最显著因素[8-10].有学者以河南省为例，证实了大部分农田的生产力与气温呈正相关关系[11].也有学者从人文因素考虑，证实人口密度过大和生态退耕均对农田生产力产生负效应[12-13].可见，运用MODISPNP数据研究区域农田生产力已取得较好的研究成果.汉江流域虽是中国主要粮食产区之一，但已有研究主要集中在气候变化与水资源问题[14-15]，鲜少对其农田生产力进行研究.文中运用MOD17A3-PNP数据，对汉江流域农田生产力进行时空格局研究，并分析其影响因素，以期为流域农业可持续发展和农业区划提供理论依据.

1 研究区概况

汉江全长1 532 km，是长江第一大支流，流域面积15.1万km2，流进陕、甘、川、渝、鄂、豫6省市的20个地市.流域地处中国30°N附近，北以秦岭、外方山、伏牛山和桐柏山以及淮河流域为界，南以大巴山、荆山及嘉陵江为界，地势西北高，东南低，地势起伏大，高程差约3 700 m.海拔500 m以上的山地约占流域总面积的50.67%.其中，海拔1 000 m以上的中高山占其总面积的28.60%，以淅川—丹江口—南漳为界，以西为皱褶隆起中低山区，以东为丘陵平原区(图1).流域内属于亚热带季风区，气候温和湿润，年降水量约为873 mm，水量较丰沛，无霜期时间长，流域内农业气候资源较好.但年内分配不均衡，下半年降水占全年的70%以上，年际变化较大.上游山地区，耕地资源有限；中下游为丘陵平原，耕地资源丰富，熟制基本为一年两熟制.汉江流域农业发展较早，其中，江汉平原区和汉中盆地区为我国主要的粮食产区，2016年汉江中游的襄阳是全国百亿斤粮食大市，跻身国家现代农业示范区行列.

图1 汉江流域DEM和气象站点分布

2 数据来源与方法

2.1 数据来源及处理

文中遥感数据源于美国LAADS Web，气象数据中气温和降水数据均来自中国气象科学数据共享服务网，年较差为最热月7月和最冷月1月的均温差，生长季均温为汉江流域植物生长季4—10月月均温的均值.采用了反距离加权插值法对气温、降水量、年较差、生长季均温进行了空间插值[15]，其结果的空间分辨率和投影坐标系统与遥感数据相同.MOD17A3-PNP(2001—2013年)产品空间分辨率1 km，MCD12Q1-LUCC(2001—2013年)经重投影后空间分辨率1 km×1 km，采用第二种分类方法(美国马里兰方案).MOD16-ET(2001—2013年)包括地表实际蒸散发(Actual evapotranspiration，Ea)和潜在蒸散发(Potential evapotranspiration，Ep)，空间分辨率1 km×1 km.2005年和2010年的土地利用数据，源自中国科学院资源环境科学数据中心，空间分辨率1 km×1 km，该数据将耕地划分为旱地和水田，短时间尺度旱地和水田变化不大.因此，文中用2005年土地利用数据统计了2001—2008年水田和旱地的农田生产力，用2010年土地利用数据统计了2009—2013年水田和旱地的农田生产力.

采用MODIS Reprojection Tool(简写MRT)工具对MODIS原数据进行拼接、格式与投影转换等预处理，重采样为等积的tif数据，像元大小1 km×1 km.通过掩膜提取汉江流域MOD17A3-PNP,MCD12Q1-LUCC,MOD16-Ea和MOD16-Ep数据，同时均运用了系数转换和剔除无效值，最后主要运用ArcGIS的重分类和分区统计等方法.

2.2 研究方法

2.2.1 距平分析法 距平分析法计算公式为[9]250

(1)

2.2.2 线性趋势法 线性趋势法计算公式为[16]49

(2)

其中，K为斜率，代表每个像元逐年变化量，K>0表示每个像元代表的农田生产力研究期内增加；K<0，则下降;n=13；PNP,i为第i年流域PNP值.

2.2.3 湿润指数 湿润指数计算公式为[17]441

IH=P/Ea,

(3)

其中，IH为湿润指数;P为降水量(mm)；Ea为参考作物蒸散量(mm)，为MOD16数据源.

2.2.4 相关系数法 相关系数法计算公式为[16]37

(4)

此外，文中采用主成分分析法进行成因分析，利用降维思想，将复杂的多因素归纳为少数几个综合因素的主成分，使问题简单化[13].

3 结果与分析

3.1 农田生产力的年际变化

2001—2013 年间汉江流域农田生产力的变化范围为406～509 g·m-2C，其中最高值出现在2008年，最低值出现在2001年，二者相差104 g·m-2C，多年平均值为461 g·m-2C(图2).2001—2008年经历了缓慢上升阶段，2008年以后急速下降，2006—2010年高于多年平均值，2010年以后略低于多年平均值.近13年来农田生产力呈现微增现象，年平均增加率约0.77 g·m-2·a-1C.汉江流域水田面积约占全流域面积的7.7%，农田生产力变化范围为430～535 g·m-2C，多年平均值为486 g·m-2C，数据离散程度为6.3%.旱地面积约占全流域的15.1%，农田生产力变化范围为405～511 g·m-2C，多年平均值为471 g·m-2C，数据离散度为6.0%.旱地和水田的年际变化具有同步性，水田的农田生产力高于旱地，二者之差为15 g·m-2C.此外，水田的数据离散度大于旱地，表明水田具有较高的生产力，但受自然环境及农业生产类型的影响，年际变化比较大.

汉江流域主要城市农田生产力的年际变化比较明显.文中主要统计了流域内城市面积大于1 km2的城市农田生产力，整体上，2001—2008年经历了缓慢上升阶段，2008年以后出现下降趋势.黔江、汉中、商洛、十堰、南阳和驻马店农田生产力最大值和最小值分别出现在2008年和2001年，与全流域最高值和最低值出现时间吻合，其他城市最大值和最小值出现时间存在差异.从多年平均值来看，黔江最高580.4 g·m-2C，驻马店最低426.6 g·m-2C，随州、商洛、孝感、南阳、武汉和驻马店农田生产力多年平均值均低于全流域多年平均值461.0 g·m-2C，它们基本位于汉江流域中下游北部.黔江、汉中和安康3个城市农田生产力最高，均位于汉江流域上游.从数据离散度看，黔江、商洛、南阳和驻马店数据离散度大，汉中、安康和十堰数据离散度小，其他城市农田生产力数据离散度均大于全流域平均水平的6.5.可见，汉江上游城市农田生产力高，中游河南段农田生产力低，流域内各城市农田生产力的年际差异性比较明显，尤其是中下游城市.

图2 汉江流域农田生产力年际变化

表1 汉江流域主要城市农田年均生产力(g·m-2 C)

3.2 农田生产力的空间变化

汉江流域农田生产力空间上多年平均值取值范围为85.9～1 037.2 g·m-2C(图3).流域经度差8°2′，纬度差4°3′，穿越了陕西、四川、河南、湖北等省份，是长江流域长度最大的支流，自然环境的差异性明显，从而使农田生产力有高值聚集区，也有低值聚集区.高值区主要集中在上游河谷盆地中，低值区集中在中下游汉江主河道以北区域，以河南区域内最明显.其中低产水田面积为6.5×104hm2，占流域总面积的0.4%，中产水田和高产水田面积分别为68.3×104hm2和45.7×104hm2，占流域总面积的比例依次为4.4%和2.9%，高产旱地、中产旱地和低产旱地面积分别为55.6×104hm2，160.1×104hm2和20.1×104hm2，占流域总面积的比例依次为3.6%,10.2%和1.3%(图4).高产水田主要集中在汉江盆地区，高产旱地集中在汉江下游河道以南地区，中产旱地主要集中在南阳盆地区，中产水田集中分布在中下游区.可见，汉江流域跨经纬度大，自然环境差异显著，使流域农田生产力高值区和高产水田均分布在汉江上游地区，农田生产力低值区和中产旱地均分布在南阳盆地区，高产旱地和中产水田集中分布在中下游汉江河道附近，这与汉江流域主要粮食产区的空间分布基本一致.

图3 汉江流域平均农田生产力空间分布

图4 汉江流域农田生产力等级分布

3.3 农田生产力的空间趋势特征

进一步分析流域内农田生产力的空间变化趋势.运用线性拟合法，通过显著性P检验，将结果划分为显著变化(P<0.05)、弱显著变化 (P<0.1) 和无显著变化3个等级.结果表明,汉江流域农田生产力整体呈微上升趋势，其中农田生产力呈下降趋势的面积为183.3×104hm2，占流域内农田总面积的35.7%，农田生产力呈上升趋势的面积为329.73×104hm2，占流域内农田总面积的64.3%(图5).其中，弱显著上升面积为32.0×104hm2，占流域农田总面积的6.2%；弱显著下降面积为9.0×104hm2，占流域内农田总面积的1.8%；显著性上升和显著性下降的面积分别为63.7×104hm2和9.5×104hm2，面积比例分别为12.4%和1.9%；无显著上升和无显著下降的面积分别为234.0×104hm2和164.7×104hm2，面积比例分别为45.6%和32.1%.表明了流域内农田生产力多年变化趋势不明显，只有少数区域显著增加，集中分布在汉江上游盆地区，可能在于水热条件的变化对农田生产力的高低产生了影响[15]；南阳盆地区整体上升不明显，下游地区下降不显著，可能在于中下游地区农田面积大，农业经济比较发达，虽受经济发展的威胁，但农田生产力变化趋势不显著.

3.4 原因分析

影响农田生产力的因素有很多，既有人为因素，也有自然因素.文中主要考虑气象要素，综合已有研究,主要因子有生长季均温、年较差、湿润指数、潜在蒸散发、年降水量和年均气温[9-17].选取了流域内外40个站点进行了空间插值，并选择内部18个站点，统计了缓冲区3 km的各气象指标均值，基于主成分分析法对影响农田生产力进行了因子分析，前2个主成分的累积贡献率为90.7%，超过85%(表2).第一主成分中湿润指数、潜在蒸散发、年均气温、年较差和生长季均温具有较大的载荷，5个因子贡献率为69.6%，特征值分别为0.830,0.763,0.944,0.848和0.972，各气象因子与农田生产力的相关系数分别为-0.423,-0.682,-0.335,-0.795和-0.450(表3).表明年较差和潜在蒸散发与农田生产力显著负相关，在于温度的升高会限制农田生产力的积累.湿润指数、年均温和生长季均温对农田生产力值的高低起重要作用，但由于相互之间必然的内在联系，相关性反而表现不明显.第二主成分中年降水量具有较大的正载荷，单因子贡献率为21.1%，特征值为0.776，短时间内降水量的变化对农田生产力的影响不明显，主要在于灌溉技术的发展.以上分析表明，年际变化上农田生产力主要受年较差的影响较大，降水量的作用不明显.湿润指数、年均温和生长季均温虽能较好地解释农田生产力的高低，但相关性较弱.可能在于汉江流域雨量充沛，灌溉条件较好，尤其是灌溉技术的发展在一定程度上可以缓解旱情，而年较差的变化受年平均最高气温和年平均最低气温的共同影响，夏季气温过高或冬季气温过低均会对农作物的生长产生较大影响，因此，年较差是影响农田生产力的年际波动的主要因素.

图5 2001—2013年汉江流域农田生产力变化趋势及显著性

表2 主成分特征值

表3 主成分因子负荷矩阵和因子与农田生产力的 相关系数

为了更进一步说明气象因子与农田生产力空间上的相关性，文中选取降水量和年较差两个指标，进行了空间相关性分析(图6).降水量与农田生产力呈正相关关系，主要集中分布在中下游地区，约占农田总面积的88.2%，其中显著性正相关占农田总面积的12.1%；呈负相关主要集中分布在商洛和十堰地区，约占农田总面积的11.8%.年较差与农田生产力呈负相关关系，主要集中在汉江流域中下游的湖北省境内，约占农田总面积的75.6%，其中显著性负相关约占农田总面积的3.6%；呈正相关主要集中分布在汉江上游和南阳盆地区，约占农田总面积24.4%，基本上都为不显著的正相关关系.可见，汉江中下游湖北省境内以水田为主，与降水量呈显著正相关关系，与年较差呈显著负相关关系.南阳盆地区旱地区和汉江上游水田区，与年较差和降水量均呈一定的正相关关系.在于流域地处我国南北分界线，是亚热带的最北部，受季风的影响和纬度位置的影响，水热组合较好，水田分布面积广，旱地主要集中在流域东北部.因此，降水量对农田生产力的增加具有促进作

图6 汉江流域农田生产力与年降水量和 年均温差的相关系数

用，降水量的空间分布决定了流域内水旱地的空间布局，验证了已有结论[18]，而年较差大不利于农田生产力的增加.

4 结论与讨论

文中运用MOD17A3和MCD12Q1产品，分析了汉江流域农田生产力的时空变化特征，并结合气象因子探讨了影响农田生产力的主导因子，具体结论如下：

1)从年际变化来看，2001—2013 年汉江流域农田生产力多年平均值为461 g·m-2C,变化范围为406～509 g·m-2C.其中，水田多年平均值为486 g·m-2C；旱地多年平均值为471 g·m-2C.总体来看，近13年来农田生产力呈现微增现象，年平均增加率约0.77 g·m-2·a-1C，只有少数区域呈显著性增加，集中分布在汉江上游盆地区.

2)从多尺度空间来看，流域农田生产力高值区和高产水田均分布在汉江上游地区的城市，多年平均值黔江最高，为580.4 g·m-2C，农田生产力低值区和中产旱地均分布在南阳盆地城市，多年平均值驻马店最低，为426.6 g·m-2C.高产旱地和中产水田集中分布在中下游汉江河道附近，这与汉江流域主要粮食产区的空间分布基本一致.

3)从成因分析来看，降水量是影响农田生产力高低的主要因子之一.其中，年际变化上农田生产力主要受年较差的影响较大，降水量的影响反而不明显.湿润指数、年均温和生长季均温虽能较好地解释农田生产力的高低，但相关性较弱.空间相关性上降水量对农田生产力的增加具有促进作用，而年较差大不利于农田生产力的增加.

整个研究中数据源是遥感数据，由于遥感数据本身的精度、解译的误差以及数据处理过程存在的误差，不可避免地存在一些数据统计误差.汉江流域上中下游自然环境差异显著，上游主要是水源涵养区和生态保护区，虽耕地资源数量有限，但盆地区耕地质量和农业生态潜力较大，农业生产力较高，随着国家生态保护功能的突出，生态环境质量改善，农业生产力提高.中下游区地处江汉平原区，耕地数量大，但由于经济发展速度快，部分地区农业生产力有所下降.运用遥感数据进行农情监测，比运用统计数据进行农情监测，具有较好的实用性，省钱省力且能较好地呈现连续变化态势.PNP是反映地表植被用于生长、发育的能量值，一定程度上能够真实地反映农田生产力的现状及发展变化趋势，因此，基于农田生产力，能整体反映流域内农田生产力的现状和趋势.