陆地生态系统的研究表明，地球表面将近一半的土地由于人类活动发生了改变^[1]。Defries^[2]等研究表明，由于过去两个世纪的土地利用变化，全球生态系统的潜在光合作用能力下降了5%。人们已经开始更多的关注由于城市扩展引起的潜在环境问题^[3]。土地利用变化对生态系统有极大的影响，改变生态系统的组分和结构^[4]，进而影响了自然生态系统的物质和能量循环^{[5, 6, 7]}。在土地利用中，城市土地利用明显降低了森林生态系统的光合作用^[8]。城市用地占据了最肥沃和最多产的土地，直接造成了森林的消失、草地和农田的减少^{[9, 10]}，进而大大减少了生态系统的生产力。因此，合理的土地利用规划对维持陆地生态系统的原始功能具有明显的意义。

植被是陆地生物圈的主体,它不仅在全球物质与能量循环中起着重要作用,而且在调节全球碳平衡、减缓大气中CO₂等温室气体浓度上升以及维护全球气候稳定等方面具有不可替代的作用。植被净第一性生产力(NPP)指绿色植物在单位时间单位面积上所积累的有机干物质总量,它不仅是表征植物活动的重要变量,而且是判定生态系统碳汇和调节生态过程的主要因子^[11]。它是陆地生态系统碳循环的一个重要分量，是全球碳循环的重要组成部分和关键环节，在全球碳平衡中扮演重要角色^[12]。NPP也是估算地球支撑能力和评价陆地生态系统可持续发展的一个重要指标^{[13, 14]}。陆地生态系统NPP的变化直接反映了全球气候变化和人类活动对植被的影响，同时NPP的变化又极大地影响到全球碳循环和全球气候^{[11, 15]}。研究城市化对NPP的影响对理解生态系统结构和功能的变化以及对预测未来全球碳循环的趋势都有重要的意义。

国外研究土地利用变化对NPP的影响主要是立足于城市化角度，进行大尺度的研究。Milesi等^[16]利用MODIS数据、土地覆盖图和夜灯影像估算了美国东南部城市发展及其对NPP的影响；Imhoff等人^[17]利用夜灯影像描述了美国城市化面积的范围和空间分布并将NDVI数据代入CASA模型反演得到NPP数据，最后评估了城市化对NPP的影响。Yu等^[18]以深圳市为例分析了城市土地利用对NPP的影响；刘军会和高吉喜^[19]利用光能利用率模型分析了北方农牧交错带1986—2000年植被净初级生产力(NPP)的时空变化，并分析了气候和土地利用变化对NPP变化的影响。然而国内外大多数研究主要集中在不同土地利用类型与NPP的变化响应，很少有学者分析不同土地利用转化方式对NPP的影响。

沈阳经济区人口密集，经济发展迅速，城市化进程快，土地利用变化明显，适合土地利用变化与NPP变化的研究，但是目前对沈阳经济区不同土地利用转化方式对NPP影响的研究很少。因此，本研究将利用CASA模型估算2000年、2005年、2010年沈阳经济区NPP，从区域和地类尺度分析其时空变化，统计不同地类转换模式下NPP的损益值，从土地利用变化探讨分析沈阳经济区城市扩展带来的NPP变化情况，可望为沈阳经济区低碳城市与可持续发展提供科学依据。

沈阳经济区(39°55′N—43°29′N，121°1′E—125°47′E)位于中国东北地区南部，辽宁省中部(图 1)^[20]。以沈阳为中心，涵盖了沈阳、鞍山、抚顺、本溪、营口、阜新、辽阳、铁岭8个省辖市，区域面积7.5万km²，总人口2359万人。城市化率达到65%，是我国城市化水平最高的地区之一^[20]。研究区属大陆性季风气候，雨热同季、全年日照丰富；地势自北向南，由东向西倾斜；西部为广阔的辽河平原；近年来，在中央“振兴东北老工业基地”政策和地方政府“工业立市”战略的指引下，沈阳经济高增长、工业大发展的同时，沈阳经济区的城市化进程也在加快，土地利用发生显著变化。

图1 研究区位置示意图[20] Fig.1 Location of study area[20]

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气象数据 气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心制作的“中国地面气候资料月值数据集”，数据集为中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站1952—2012年气候资料月值数据集，该数据集内容包括本研究所需要的平均气温、日照时数、日照百分率、蒸发皿蒸散量。本研究从中选取了辽宁区域范围内的27个气象站数据进行模型计算。

土地利用数据 土地利用数据来自辽宁省生态环境十年(2000—2010)课题。同时，选用2000年8月、2005年8月和2010年8月3期的Landsat TM/ETM遥感影像(分辨率为30米)对2000、2005和2010年的沈阳经济区土地利用数据进行人工目视纠错。2013年4月到7月实地采集的368个样点数据，记录空间位置和当时土地利用信息，并向本地居民询问2000、2005和2010年土地利用信息。样点中180个参与土地利用数据纠错，余下的188个对解译和纠错后的土地利用图进行了精度评价。2000年精度为89.50%； 2005年为91.28%；2010年为93.48%。本研究参考全国土地分类的Ⅰ级分类标准，将研究区划分为林地、草地、湿地、农田、城镇用地、裸地共6类(见图 2)。

图2 2000、2005和2010年沈阳经济区土地利用示意图 Fig.2 Land use map of Shenyang Metropolitan Area in 2002，2007 and 2011

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NPP数据 从nasa(http://reverb.echo.nasa.gov/)网站上下载的250 m分辨率的Modis NDVI产品旬数据，共108旬。然后通过casa模型进行NPP估算得到NPP数据。

空间分辨率匹配 研究过程中，为保持空间精度的一致性，将所有栅格数据空间重采样至30m分辨率进行后期的处理与分析。

土地利用变化的过程通过不同土地利用类型间保持与转移来衡量。利用不同时期的土地利用图进行空间叠加，求出土地利用类型的转移矩阵。转移矩阵常被研究者^{[21, 22, 23]}用来描述了土地利用类型之间的转变。

NPP 的估算模型分为统计模型、参数模型和过程模型。Carnegie-Ames-Stanford Approach模型(CASA)是如今应用较广泛、精度较高的基于过程的参数模型^{[24, 25]}，其核心思想是净第一性生产力(NPP)主要由植被所吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(ε)两个变量决定^{[26, 27]}。基本表达式为：

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参数1 PAR：入射光合有效辐射。从资料文档、气象数据中得到太阳总辐射量、及日照时数等信息，然后结合研究区中像元经纬度计算得到PAR。

参数2 FPAR：植被层对入射光合有效辐射的吸收比例。利用MODIS NDVI产品计算得到比值指数SR，然后通过FPAR与比值指数SR之间存在关系，得到FPAR。具体公式如下：

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参数3：ε指植被将吸收的光合有效辐射(APAR)通过光合作用转化为有机碳的效率，其获取方法如下：

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式中，T_opt表示植被生长季内NDVI值达到最高时的月平均气温(℃)，T_mon表示月平均气温(℃)。

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式中，EET表示区域月实际蒸散量(mm)，PET表示区域月潜在蒸散量(mm)。

利用ARCGIS空间分析的区域统计功能，统计三个年份不同土地利用类型对应的NPP。基于ARCGIS的叠加分析功能，将LUCC图和NPP变化图进行叠加，并用LUCC图对NPP变化图进行区域统计，得到不同土地类型转化下的NPP变化情况。

利用三期沈阳经济区土地利用图叠加统计得到2000到2010年间土地利用变化情况，农田、林地和城镇用地为研究区中3种最主要类型(图 3)农田和城镇的面积发生了明显的变化，农田主要是转出到城镇用地，林地面积总体变化很小，湿地既有转出又有转入，裸地和草地也有相对较小的转入(表 1,图 4)：2000—2005年，沈阳经济区土地利用转移的总面积为468.55 km²，占研究区土地利用总面积的0.62%。其中，农田转移面积最多，主要转为城镇，转移面积为337.16 km²，占农田总转移面积的84.54%。城镇总转移面积最少，均转移为裸地；2005—2010年，沈阳经济区土地利用转移的总面积为998.98 km²，占研究区土地利用总面积的0.67%。其中农田转移面积最多，主要转为城镇，转移面积为736.9 km²，占农田总转移面积的84.55%。草地总转移面积最少，为1.64 km²，转移为城镇和林地；2000—2010年，沈阳经济区土地利用转移的总面积为1462.21 km²，占研究区土地利用总面积的1.96%。其中农田转移面积最多，主要转为城镇，转移面积为1073.88 km²，占农田总转移面积的84.69%。草地总转移面积最少，为2.05 km²，转移为城镇和林地。从空间分布上看，沈阳经济区土地利用变化主要发生在经济区中部，主要是由于经济发展驱动下城市扩张对建设用地需求较大，导致土地利用向城镇转换，而且这10年间后5年的城市扩张较前5年要更加迅猛。这一现象尤为体现在城中村的改造过程中，大量的农田用地转换为城镇用地。

图3 2000、2005和2010年土地利用类型面积统计 Fig.3 The area of land use types in 2000，2005和2010

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图4 沈阳经济区2000到2010年土地利用转换图 Fig.4 Land use transition map in Shenyang Metropolitan Area from 2000 to 2010

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基于CASA模型，分别测算出沈阳经济区2000年、2005年和2010年3个不同时相的NPP空间分布(图 5)。2000年沈阳经济区NPP平均为2759.53 g/m²，2005年减至2444.72 g/m²，2010年缩减到2377.31 g/m²，10年间土地净第一性生产力退化比较明显，前5年退化的速度比后5年要迅速。根据经济区内不同城市的NPP(表 3)及3个年份经济区的NPP空间分布(图 5)可以发现：3个年份中，沈阳经济区东部片区的NPP较高，西部较低。2000年，本溪市的NPP均值最高为3462.41g/m²，最小的是阜新市为1844.71 g/m²；2005年，NPP均值最大的为本溪市2944.19 g/m²，较2000年减少了518.22 g/m²，沈阳市最小；2010年，本溪市的NPP仍为经济区内均值最大，为2878.25 g/m²，较2005年相比降幅很小，NPP最小为阜新市1875.4 g/m²。

图5 2000年、2005年、2010年沈阳经济区NPP空间分布格局 Fig.5 Maps of NPP (Net Primary Productivity) in 2002，2007 and 2011

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为了进一步发掘近10年NPP的时空演替，分别用2000年NPP分布图减去2005年分布图、2005年减去2010年、2000年减去2010年。并按不同城市统计NPP变化的平均值(表 2)：2000年至2005年期间除了阜新市，其它城市的NPP均值都在减少。2005年至2010年间，沈阳和铁岭的NPP在增加，其余的都在减少。纵观10年间，沈阳经济区内只有阜新市的NPP均值在增加，其余7座城市都在降少，其中抚顺市减少的最多，为703.49 g/m²。

通过统计的结果(表 4)，2000年沈阳经济区NPP均值最大的用地类型是林地，为3383.58 g/m²；NPP均值最小的用地类型是湿地，为1770.94 g/m²。2005年及2010年，林地的NPP均值仍为最大，湿地的NPP均值仍为最小。在2000年至2010年期间，所有用地类型的平均NPP都在减少。降幅最大的是林地，从3383.5 8 g/m²降到2806.51 g/m²，降低了17.06%；其次是草地，降幅15.29%，第三为城镇用地，降幅11.34%。湿地、农田、裸地的降幅分别为8.43%，9.62%，6.82%。

通过ARCGIS空间分析工具，得到每种转化方式下NPP的年均变化量(表 5)。不同年份之间不同地类转换下的年均NPP损益值如图 6(5年步长损益值大于100 t和10年步长损益值大于200 t的地类转换参与制作)。

图6 不同年份不同地类转换下的年均NPP损益值 Fig.6 Annual NPP loss and gain in different years under different land use conversion types

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2 000年与2005年相比较，农田转城镇带来的NPP损失最大，为21886.68 t/a。林地转为其他地类时NPP均减少，因为森林生物多样性极其丰富，是陆地最主要的碳库之一。其中林地城镇化、林地转农田带来的NPP损益较大。农田转为其他地类时NPP均减少，裸地、草地、城镇转出较少。

2 005年与2010年相比较，年均NPP损失最大的转化方式仍是农田转城镇，为7003.61 t/a，NPP损失速率明显小于前5年。农田转草地的NPP收益最大。林地-城镇、林地-农田、农田-林地、农田转落地这4种转换带来的NPP损失较大。其他规律在结构上与前5年相匹配，但可以看出这5年的年均NPP损益在数量上较前5年低，说明近10年间沈阳经济区在城市扩张带来的NPP变化存在时间差异。具体表现为2000—2005年沈阳经济区城市化带来的NPP损失较多。

2000—2010年，农田转城镇带来的NPP损失明显大于其他转化方式带来的NPP损失。林地-农田、林地-城镇、农田-湿地这3种转换带来的NPP损失相对较大。林地转为其他地类NPP均减少，湿地-草地、湿地-裸地、裸地-草地这3种转换下，NPP增加。转为城镇的NPP总损失最多，说明随着城市化进程加快，以及城市扩展带来的城市下垫面变化，使得城镇建设用地增加成为其碳大量流失的主要驱动力。

本研究利用CASA模型估算2000年、2005年、2010年沈阳经济区NPP，从区域和地类尺度分析其时空变化，统计了不同地类转换模式下年均NPP的损益值，从土地利用变化探讨分析了沈阳经济区城市扩展带来的NPP变化情况。得到结论如下：

(1)2000年—2010年，沈阳经济区土地利用变化最明显的是农田向城镇用地的转化，农田大量减少，用于城镇建设用地扩张。裸地、草地、湿地的开发量不大，地类转化主要集中在农田与城镇，林地与农田的占用和补充。后5年较前5年对城市建设用地的扩张需求更大。

(2)2000年—2010年，沈阳经济区NPP时空变化显著，10年间土地净第一性生产力退化比较明显，前5年退化的幅度比后5年要大。除了阜新市有增加，其他市的NPP均为减少。抚顺减少量最大，阜新市最小，NPP减少量高值区主要分布在沈阳经济区的东部，低值区位于沈阳经济区西北部。

(3)2000年—2010年，沈阳经济区6种土地利用类型的平均NPP都在下降，而且前5年下降的幅度比后5年大。降幅最大的是林地，其次是草地，第三是城镇。农田转城镇带来的年均NPP损失明显大于其他土地利用转化方式。转为城镇的NPP总损益最大。在这10年间，后5年由于城市扩展带来的城镇用地面积大量增加，但是NPP的下降幅度却小于前5年，说明在政策引导下的退耕还林及一系列的生态环境保护措施起到了作用。因此，在大力建设城市的同时适当退耕还林，植树造林，维持生态系统的自然属性是平衡陆地碳储备的重要途经。

综上所述，本文对2000到2010年沈阳经济区土地利用变化情况进行了分析，同时对净初级生产力(NPP)应用CASA模型进行了评价，结合地理信息系统技术及数理统计方法分析了NPP对土地利用变化的响应。NPP的变化最主要因素为土地利用变化，同时太阳总辐射、温度、降水也有一定的影响。此外，NPP估算模型及土地利用转移矩阵的精度都受限于数据的空间分辨率，所以对模型等研究方法的改进、优化及精度验证上有待进一步发展。