第三章 长江上游初级生产力评估

植被既是重要的自然资源，又是自然条件（如地质、地貌、气候、土壤等）和人类开发利用资源状况的综合反映。随着全球变化的加剧及其对全球变化研究的不断深入，植被作为陆地生物圈的主体，在生态系统中的作用也日益受到重视，尤其是在全球物质循环、能量流动、调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升趋势以及维护全球气候稳定等方面具有不容忽视的意义。植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，表现为光合作用固定的有机碳中扣除植物本身呼吸消耗的部分，这一部分用于植被的生长和生殖，也称净第一性生产力。NPP作为地表碳循环的重要组成部分，不仅直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力，表征陆地生态系统的质量状况，而且是判定生态系统中碳源/碳汇和调节生态过程的主要因子，在全球变化及碳平衡中扮演着重要的作用。自20世纪60年代以来，各国学者对NPP的研究倍受重视，国际生物学计划（International Biological Programme，IBP，1965～1974）期间，曾进行了大量的植物NPP的测定，并以测定资料为基础联系气候环境因子建立模型对植被NPP的区域分布进行评估如Miami模型、Thornthwaite纪念模型、Chikugo模型等。建立于1987年的国际地圈——生物圈计划（International Geo-Biosphere Programme，IGBP）、全球变化与陆地生态系统（GCTE）和最近出台的京都协定（Kyoto Protocol）均把植被的NPP研究确定为核心内容之一（IGBP，1998）。

长江上游地区面积广大，地形复杂，气候多样，植被类型丰富，是我国生态屏障关键区，也是重要的生态脆弱区和气候变化敏感区。同时，它还是我国生物多样性和自然保护集中区和我国重要的森林分布区、草地分布区。长江上游陆地生态系统特殊的地理区位、复杂的资源体系决定着它在我国生态系统中不可替代的战略地位。长江上游山地垂直气候多样，孕育了丰富的森林植被，是我国第二大林区，其陆地生态系统生产力在我国陆地生态系统生产力中具有十分重要的作用。目前，长江上游地区正在大力进行封山育林、公益林和人工林基地建设和实施天然林保护工程、退耕还林工程。可以预计，随着森林面积的不

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断增加，长江上游地区陆地生态系统初级生产力在我国陆地生态系统初级生产力中的地位也会发生变化。因此开展长江上游植被NPP及其时空分布的研究，对于掌握该区域的生态系统质量状况和自然生产能力具有重要的意义。

第一节 NPP研究概述

人类研究陆地植被生产力及其地理分布有相当长的历史，有关学者从不同角度及学科对NPP的估算进行了深入细致的研究，取得了丰硕的成果。从空间尺度上来说，可分为NPP定位观测、区域NPP模拟估算和全球NPP模拟估算三种尺度。

对陆地植被初级生产力的研究方法主要有2种：野外收割实测法和利用模式模拟计算法。第一种方法就是在单位面积的土地上收割某种植物，晾干后称重计算该种植物的生产力。Wittaker等利用全球各种植被实测数据估算了全球陆地生态系统的净初级生产力为59 Pg/yr；第二种方法就是通过模式中的参数化方案来模拟各种植被的净初级生产力，该方法现已成为估算陆地生态系统生产力的主要手段。自Lieth发表了首张基于回归模型（Mi-ami模型）用计算机模拟的全球NPP分布图，全球陆地生态系统NPP的研究就成为全球碳循环研究的热点领域之一。Cramer对IGBP支持的17个模型统NPP年平均值为54. 9 Pg，其中最高的NPP出现在水热条件良好的热带地区（>1000gC/m2/yr），温带地区的NPP居中（500~700 gC/m2/yr），NPP最低值出现在寒冷和干旱地区（<20gC/m2/yr）。

基于地面的NPP定位观测，只能收集到数公顷面积的不同生态系统类型的实测数据，然后根据各种生态系统类型，用以点代面的办法外推区域及全球NPP总量。由于这些估算是基于空间实测数据，迄今仍被用作全球NPP估算的参照。在区域或全球尺度上，人们无法直接和全面地测量NPP，因此利用模型估算NPP已成为一种重要而且被打多数学者广泛接受的研究方法。现有的NPP模型大体分为气候生产力模型、生理生态过程模型、光能利用率模型和生态遥感耦合模型四类。

NPP估算模型的优缺点及适用条件如表3.1所示。

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表3.1 不同NPP估算模型优缺点比较表

模型类型 气候生产力模型 模型举例 优点 缺点 (1)生理生态机制不是很Miami Thornthwaite Chichugo (1)模型简单 (2)气候参数易获取 清楚 (2)估算结果以点代面 (3)估算误差较大，是一种潜在的NPP 生理生态过程模型 CENTURY TEM BIOME-BGC (1)生理生态机制清楚 (2)可以模拟、预测全球变化对NPP的影响 (3)估算结果较准确 (1)区域尺度转换容易，适宜于向区域及全球推光能利用率模型 CASA， GLO-PEM SDBM 广 (2)许多植被参数可由遥感获得 (3)可以获得NPP的季节、年际动态 (1)遥感数据在获取NPP空间分布信息时得到了生态遥感耦合模型 有效利用 BEPS，改进(2)具有模拟、预测功节、年际动态(3)植被变化信息能立即反映在NPP估算上 的PEM模型 能，可以获得NPP的季(1)模型复杂 (2)所需参数较多，而且难以获得 (3)区域尺度转换困难 (1)缺乏可靠的生理生态基础 (2)无法实现NPP的模拟及预测(3)光能传递及转换的的过程中还存在许多不确定性 (1)BEPS模型比较复杂，所需参数较多，在参数确定上人为因素影响较大 (2)改进的PEM模型虽然对生理生态过程作了简化，但NPP估算精度受LAI影响较大。 适用于小面积样区、区域及全球尺度上的NPP估算 适用于区域及全球尺度上的NPP估算 适用于空间尺度较小、均质斑块上的NPP估算 适用于区域潜在NPP的估算 适用条件

总体上看，气候生产力模型比较简单，在资料欠缺和技术落后的情况下，它的应用比较广泛。生理生态过程模型仍是当前陆地NPP估算研究的主要手段，而区域尺度转换则是它所面临的关键问题。近年来，随着遥感技术的发展，光能利用率模型已成为NPP估算的一种全新手段，它利用遥感所获得的全覆盖数据，使区域及全球尺度的NPP估算成为可能，但其生态学机理还有待于进一步研究。而生态遥感耦合模型则是综合了生理生态过程模型和光能利用率模型的优点，通过LAI将二者整合起来，可以反映区域及全球尺度的NPP空间分布及动态，增强了陆地NPP估算的可靠性和可操作性，表现出巨大的发展潜力。

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近年来关于中国陆地植被净初级生产力时空特征分布的研究工作也陆续开展开，研究的方法主要采用静态统计模型或改进的光能利用率模型以及过程机理模型来估算我国陆地各种植被的净初级生产力，并且讨论了各种气候要素对于我国陆地植被净初级生产力的影响作用。利用光能利用率模型估算植被NPP有三大优点：1）模型比较简单，可直接利用遥感获得全覆盖数据，在实验和理论基础上适宜于向区域及全球推广；2）冠层绿叶所吸收的光合有效辐射的比例可以通过遥感手段获得；3）可以获得确切的NPP季节、年际动态。因此，近年来，光能利用率模型已成为NPP模型的主要发展方向之一。

本研究选择目前国际和国内上应用较多的CASA模型来评价长江上游地区植被净第一性生产力。

第二节 研究方法与技术路线

1. 研究方法 1.1 模拟模型

光能利用率模型估算植物的NPP主要是基于资源平衡的观点，即假定生态过程趋于调整植物特性以响应环境条件，认为植物的生长是资源可利用性的组合体，物种通过生态过程的排序和生理生化、形态过程的植物驯化，就趋向于所有资源对植物生长有平等的限制作用。在某些极端或者环境因子变化迅速的情况下，如果完全适应不可能，或者植物还来不及适应新的环境，NPP则受最紧缺资源的限制。由此认为，任何对植物生长起限制性的资源(如水、氮、光照等)均可用于NPP的估算，它们之间可以通过一个转换因子联系起来，这一转换因子既可以是一个复杂的调节模型，也可以是一个简单的比率常数。NPP和限制性资源的关系可用公式表示如下：

NPP=Fc×Ru

其中，Fc：转换因子，Ru：限制性资源。

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光合有效辐射（PAR）是植物光合作用的驱动力，对这部分光的截获和利用是生物圈起源、进化和持续存在的必要条件。光合有效辐射是植物NPP的一个决定性因子，而植物吸收的光合有效辐射（APAR）则尤为重要。著名的Monteith方程就是建立在此基础之上。

NPP=APAR×ε

式中ε为植物光能利用率，它受水、温度、营养物质等的影响。

1.2 CASA模型与参数获取

早在20世纪70年代Monteith就发现NPP和植被吸收的光合有效辐射（APAR）之间存在着稳定的关系：当水分和肥料处在最适的条件下，农作物的NPP与APAR具有很强的线性相关。进一步的研究发现，NPP与APAR的时间序列积分有较好的相关性，但是不同的植被类型，或者同一植被类型在不同的生长条件下，所获得的经验模型存在着差异，这就意味着植被的NPP受植物本身及其生长环境的影响。目前，在区域及全球尺度的NPP估算模型当中，以CASA模型为代表的光能利用率模型得到了广泛应用。

本研究所构建的NPP遥感估算模型将植被覆盖分类引入模型，并考虑植被覆盖分类精度对NPP估算的影响，由它们共同决定不同植被覆盖类型的NDVI最大值，由此获得各植被覆盖类型的比值植被指数最大值，最后实现FPAR的估算。根据误差最小的原则，模拟出各植被类型的最大光能利用率，使之更符合长江上游的实际情况。利用气象数据（温度、降水、太阳净辐射），结合已有的区域蒸散模型来实现水分胁迫因子的估算，这样一方面可以保持模型原有的植物生理生态学基础，另一方面则在一定程度上对有关参数实行了简化，使其实际的可操作性得到加强。

NPP估算模型的总体设计如图3.2所示。模型中所估算的NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε)两个因子来表示，其估算公式如下：

NPP(x,t)?APAR(x,t)??(x,t)

式中： APAR(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效辐射（单位：MJ/m2/月）

ε(x,t)表示像元x在t月份的实际光能利用率（单位：gC/MJ）

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1）APAR估算

用遥感数据估算光合有效辐射(PAR)中被植物叶子吸收的部分(APAR)是基于植被对红外和近红外波段的反射特征实现的。植被吸收的光合有效辐射取决于太阳总辐射和植物本身的特征，可用以下公式进行计算：

APAR(x,t)?SOL(x,t)?FPAR(x,t)?0.5

图3.1 NPP估算模型总体框架

式中： SOL(x,t)表示t月份在像元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（无单位）； 常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射（波长为0.38～0.71um）占太阳总辐射的比例。

对于FPAR的计算采用Potter等提出的如下计算公式:

?SR-SRmin?FPAR(x,t) ?min?,0.95?

SR-SRmin?max? 6

式中:SRmin取值为1.08，SRmax的大小与植被类型有关，取值范围在4.14-6.17之间。

SR(x，t)由NDVI(x，t)求得：

?1?NDVI(x,t)? SR(x,t) ????1-NDVI(x,t)?

2）光合利用率估算

光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比。研究表明，不同植被的光能利用率差异很大。引起差异的主要原因是光能利用率受气温、水分、土壤、营养、疾病、个体发育、基因型差异和植被维持与生长的不同能量分配等因素的影响。所以，不同类型的植被以及同一植被在不同的环境条件下，其光能利用率不同。

光能利用率的估算流程如图3.2所示：

图3.2 光能利用率估算流程

Potter等认为在理想条件下植被具有最大光能利用率，而在现实条件下的最大光能利用率主要受温度和水分的影响，其计算公式为：

?(x,t) ? T?1(x,t)?T?2(x,t)?W?(x,t)??max

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式中： Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用（无单位）；

Wε(x,t)为水分胁迫影响系数（无单位），反映水分条件的影响； εmax是理想条件下的最大光能利用率（单位：gC/MJ）。

Tε1(x,t)反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制而降低净第一性生产力用下式计算：

T?1(x,t)?0.8?0.02?Topt(x)-0.0005???Topt(x)??其中：Topt(x)为某一区域一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温。

已有许多研究表明，NDVI的大小及其变化可以反映植物的生长状况，NDVI达到最高时，植物生长最快，此时的气温可以在一定程度上代表植物生长的最适温度。

Tε2(x,t)表示环境温度从最适温度Topt(x)向高温和低温变化时植物光利用率逐渐变小的趋势，这是因为低温和高温时高的呼吸消耗必将会降低光利用率，生长在偏离最适温度的条件下，其光利用率也一定会降低。用下式计算：

T?2(x,t)?1.184/1?exp??0.2?(Topt(x)?10?T(x,t))???????????????????1/1?exp??0.3?(?Topt(x)?10?T(x,t))??2????

当某一月平均温度T(x,t)比最适温度Topt(x)高10℃或低13℃时，该月的Tε2(x,t)值等于月平均温度T(x,t)为最适温度Topt(x)时Tε2(x,t)值的一半。

水分胁迫影响系数Wε(x,t)反映了植物所能利用的有效水分条件对光能利用率的影响，随着环境中有效水分的增加，Wε(x,t)逐渐增大，它的取值范围为0.5（在极端干旱条件下）到1（非常湿润条件下），由以下公式计算：

W?(x,t)?0.5?0.5?E(x,t)/Ep(x,t)

其中：E(x,t)为区域实际蒸散量，可根据周广胜和张新时建立的区域实际蒸散模

E(x,tEp)?(x,Px,t)?Rn(x,t)??(x,t)?P(x,t)?Rn(x,t)?型求取；t)(为区域潜在蒸散量，可根据提出的互补关系?(P(x,t))?(RnBoucher?)求取。

?22???????????????/??P(x,t)?Rn(x,t)??(P(x,t))2?(Rn(x,t))2?

式中：P(x,t)为像元x在t月的降水量，Rn(x,t)为像元x在t月份的太阳净辐射量。

Ep(x,t)???E(x,t)?Epo(x,t)??/2

式中：Ep(x,t)(mm)为局地潜在蒸散量，可以由Thornthwaite的植被—气候关系模型的计算方法求算。

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月最大光利用率εmax的取值因不同的植被类型而有所不同，由于全球最大光转化率的取值对NPP的估算结果影响很大，人们对它的大小一直存在争议，彭少麟等利用GIS和RS估算了广东植被光利用率，认为CASA模型中所使用的全球植被月最大光利用率（0.389gC/MJ）对广东植被来讲偏低。本文利用朱文泉等人根据生态生理过程模型BIOME-BGG对10种植被类型所模拟的结果，它们的取值分别为：常绿针叶林0.389gC/MJ，常绿阔叶林0.985gC/MJ，落叶针叶林0.485gC/MJ，落叶阔叶林0.692gC/MJ，针阔混交林0.475gC/MJ，常绿、落叶阔叶混交林0.768 gC/MJ，灌丛0.429gC/MJ，草地0.542g C/MJ，矮林灌丛0.888g C/MJ，草地0.608gC/MJ，耕作植被0.604gC/MJ。其他如城市、水体等生态系统取CASA模型所估算的全球月平均最大光利用率0.542gC/MJ。

2. 技术路线

技术路线如下图（图3.3）。

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文 献 调 研 NPP计算方法选取 数据收集 模型建立 植被类型 气象数据 MODIS数据 NDVI APAR模块 ε模块 植被 太阳总辐射量 月平均温度 月总降雨量 基于光能利用率的NPP估算模型 长江上游植被净初级生产力估算 长江上游植被净初级生产力评估 图3.3 技术路线

第三节 长江上游初级生产力估算

1．数据准备 1.1遥感数据：

由于NOAA/AVHRR数据具有全球覆盖、重访周期短的特点，在空间和时间上具有连续性，所以在植被、气候及地表长期变化研究中成为非常有效的数据源。本研究所采用的NOAA/AVHRR－NDVI数据，来源于美国地球资源观测系统（Earth resources observation system：EROS）数据中心的探路者数据集（Pathfinder AVHRR Land Data Set:PAL Data Set）。图像空间分辨率为1km，时间分辨率为月，时间序列为2006年1月～2006年12月。

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1.2气象数据：

本研究所用的基础数据来源于中国国家气象局，时间为2006年，数据内容为月降水量、月平均气温、月总太阳辐射，以及各气象站点的经度、纬度和海拔高度，共涉及全国726个气象站点（其中太阳辐射数据为112个站点）（图3.4）。对数据进行精度验证，剔除不可替代的错误数据后，计算植被的净初级生产力需要栅格化的气象数据，并从空间上与遥感数据相匹配。利用GIS的插值工具，根据各气象站点的经纬度信息，通过对气象数据进行Kriging插值，获取像元大小与NDVI数据一致、投影相同的气象要素栅格图。

图3.4 全国气象站点分布图

1.3 植被分类数据：

植被分类图来源于欧盟联合研究中心(The Joint Research Centre:JRC)，原始分类图像由中国科学院遥感应用研究所编译，分类用的遥感数据为2000年的SPOT－VGT 1km数据、以及潘耀忠等人基于NOAA/AVHRR和Holdridge的中国土地覆盖分类图，共分为22类。

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图3.5 长江上游植被分类图

表3.2 长江上游植被分类情况统计表

代码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

落叶针叶林 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶阔叶林

灌丛 疏林 海边湿地 高山、亚高山草甸

坡面草地 平原草地 荒漠草地 草甸 城市 河流 湖泊 沼泽 冰川 裸岩 砾石

植被类型

needleleaved deciduoud forest needleleaved evergreen forest broadleaved evergreen forest broadleaved deciduoud forest

bush sparse woods seaside wet lands

alpine and sub_alpine meadow

slope grassland plain grassland desert grassland

meadow city river lake swamp glacier bare rocks gravels

像元数 0 223936 94208 14080 136512 11328 0 191360 13312 20224 1536 0 512 13568 1984 320 3328 7872 512

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20 21 22 合计

荒漠 耕地

高山、亚高山草地

dersert farmland

alpine and sub-alpine plain grass

0 193216 57088 984896

注：植被类型根据2000年SPOT一VGT lkm的遥感植被分类图确定

2. 结果与分析

2.1长江上游初级生产力估算结果

利用所建立的模型和收集整理后的数据，计算长江上游地区2006年陆地植被总NPP，结果见图6。

图3.6 长江上游地区2006年总NPP

对长江上游地区2006年陆地植被总NPP进行统计，得到2006年长江上游地区不同植被NPP总值和平均值，见表3.3。

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表3.3 2006长江上游不同植被NPP统计表

代码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 合计

植被类型 落叶针叶林 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶阔叶林

灌丛 疏林 海边湿地 高山、亚高山草甸

坡面草地 平原草地 荒漠草地 草甸 城市 河流 湖泊 沼泽 冰川 裸岩 砾石 荒漠 耕地

高山、亚高山草地

像元数 0 223936 94208 14080 136512 11328 0 191360 13312 20224 1536 0 512 13568 1984 320 3328 7872 512 0 193216 57088 984896

平均值 0.00 355.56 949.82 569.18 382.68 456.10 0.00 435.89 608.70 316.19 75.44 0.00 170.49 401.39 353.69 284.94 216.12 211.85 153.12 0.00 388.03 226.70 435.84

总和 0.00 79.62 89.48 8.01 52.24 5.17 0.00 83.41 8.10 6.39 0.12 0.00 0.09 5.45 0.70 0.09 0.72 1.67 0.08 0.00 74.97 12.94 429.26

注：NPP平均值单位为gC/m2/yr，NPP总量单位为1012gC/yr

计算结果表明，2006年长江上游植被净初级生产力为429.26×1012gC/yr，平均值为435.84gC/m2/yr。

2.2 长江上游初级生产力空间分布

通常人们把自然植被分布格局随经纬度和海拔高度的变化称之为“三向地带性”，正是这种“三向地带性”和复杂多变的环境、气候条件共同决定了陆地生态系统NPP的空间格局变化。

长江上游东西部气温差异显著。四川盆地东部以及宜宾至宜昌长江干流沿岸一带，气温较高，年均温18℃以上。成都平原年均温16℃左右，盆周山区年

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均温14~16℃。金沙江下游河谷区海拔1300m以下，年平均气温达到20℃以上，为长江上游气温最高地区。高原大部分年平均气温为0~8℃，其中石渠、色达以北及通天河一带，年平均气温低于0℃。江源区年温在-4℃左右，系长江上游气温最低地区。

长江上游西部高原地区年平均降水较少（200~800mm），由东往西减少，源头地区五道梁仅270mm左右。长江上游东部广大地区在太平洋和印度洋暖湿气流控制下，降水丰富，年平均降水量一般在800~1500mm，地区分布差异较大，具有由东向西较少的特性。但受地形的影响，在四川盆地周围山地及云贵高原东部分布着几个多雨中心。

长江上游幅员辽阔，山地众多，地形复杂，气候多样。上游东部属北亚热带季风和中亚热带湿润季风气候，西北部为山地高原气候，横断山地属于亚热带高原季风气候。不仅具有从南到北热带、亚热带到寒温带的纬向温度变化以及从沿海到内陆的干湿变化，同时亦具有明显的沿海拔高度变化的垂直地带性。

长江上游自然植被NPP的分布受水热条件的限制相当明显，陆地生态系统植被NPP空间分布的基本特点是南高北低、东高西低，从西北向东南呈逐级递增趋势。从整个流域来看，青藏高原东部的山麓植被覆盖率较高，植被类型多样，因此净初级生产力也较高，NPP平均值超过了1000 gC/m2/yr；四川盆地以及重庆等丘陵地区主要为农田，NPP在500 gC/m2/yr左右；西北长江源头地区为草地及荒漠区，植被覆盖率极低，且降雨减少，有些地区甚至寸草不生，NPP最小，平均值在100 gC/m2/yr以下。植被净初级生产力受水分及温度的限制比较厉害，温度升高、降水增加都会减少这两个因素的限制作用，因此，NPP的相对增加幅度比较大。这与国际生物圈计划(IBP)的研究结果基本一致。 2.3长江上游不同植被类型初级生产力

长江上游植被类型复杂多样。按地域水平分异特征，包括不同地带性植被类型，如西部江源草甸草原与草甸、川西暗针叶林、川西南滇北亚热带偏干常绿阔叶林、亚热带偏湿常绿阔叶林、横断山北部温带落叶林以及四川盆地以农业植被为主的植被类型。同时，长江上游许多山地的植被都具有垂直的分带性，在海拔

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1000m以下为常绿阔叶林，1000~2500m为常绿阔叶林与落叶阔叶林混交林，2500~3000m为云杉、冷杉混交林，3000~4000m为冷杉林，4000m以上为灌丛、草甸和高山流石滩植被。

由于不同植被类型对光能的吸收和转化能力存在明显差异，再加上生态环境因子的区域性，所以在不同的植被类型之间，植被的平均NPP也存在一定的差异。

2006年长江上游不同类型植被NPP的差异也是相当明显的。图3.7、图3.8分别显示了2006年长江上游不同类型植被总NPP和平均NPP的情况。

2006年长江上游不同类型植被总NPP100.0090.0080.00总NPP(1012gC/yr)70.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000.00落叶针叶林常绿针叶林常绿阔叶林落灌疏海高叶丛林边山阔湿、叶地亚林高坡面草地平原草地荒草城河湖沼冰裸砾荒耕高漠甸市流泊泽川岩石漠地山草、地亚高图3.7 长江上游不同植被类型2006年总NPP

由图3.7可以看出，在2006年长江上游不同植被类型的全年总的初级生产力中，以常绿阔叶林最高，达到89.48×1012gC/yr；其次分别是高山、亚高山草甸（83.41×1012gC/yr）、常绿针叶林（79.62×1012gC/yr）、耕地（74.97×1012gC/yr）、灌丛（52.24×1012gC/yr）；这几种植被类型其全年总初级生产力均超过了50*1012gC/yr；砾石、城市、沼泽、荒漠草地最低，分别是 0.08×1012gC/yr、0.09×1012gC/yr、0.09×1012gC/yr和0.12×1012gC/yr。

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2006年长江上游不同类型植被平均NPP10009008007006005004003002001000gC/m2/a落叶针叶林常绿针叶林常绿阔叶林落灌疏海高叶丛林边山阔湿、叶地亚林高山草甸坡面草地平原草地荒草城河湖沼冰裸砾荒耕高漠甸市流泊泽川岩石漠地山草、地亚高山草地图3.8 长江上游不同植被类型2006年平均NPP

由图3.8可以看出，在长江上游的各植被类型中，以常绿阔叶林平均年净初级生产力最大，达到949.82gC/m2/yr；其次是坡面草地达608.70 gC/m2/yr、落叶阔叶林（569.18 gC/m2/yr）、疏林（456.10 gC/m2/yr）、高山、亚高山草甸（435.89 gC/m2/yr）；荒漠草地和砾石平均年净初级生产力最小，分别是75.44 gC/m2/yr和153.12 gC/m2/yr。

对于长江上游地区的所有植被类型，模型估算的单位面积年净初级生产力与总净初级生产力的计算结果所表现出来的趋势并不一致（见图3.7、图3.8），这主要是由于不同植被类型的面积不同而造成的。高山、亚高山草甸其平均NPP仅为435.89 gC/m2/yr，排在所有植被类型第2位，但由于其面积较大，共有191360个像元，故其年总NPP值较大，为83.41×1012gC/yr，排在第2位；而坡面草地，以608.70 gC/m2/yr的年平均NPP排在第2位，由于只有13312个像元，其年总生产力为8.10×1012gC/yr，排在所有植被的第7位。

17

2.4 长江上游初级生产力季节变化

植被NPP会受到水热组合的影响，由于气温、降雨、辐射等在一年之内的具有明显季节变化，因此，一年之内各个月份的NPP是不同的。

图3.9显示了2006年长江上游地区各月陆地植被初级生产力情况，表3.4、表3.5分别对不同月份不同植被类型的初级生产力总值与平均值进行了统计。

18

1月 3月

2月

4月

19

5月 6月

7月 8月

20

9月 10月

11月 12月

图3.9 2006年长江上游地区各月陆地植被初级生产力

21

表3.4 长江上游不同植被2006年各月总NPP

代码 2 3 4 5 6 8 9 10 11 13 14 15 16 17 18 19 21 22

植被类型 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶阔叶林

灌丛 疏林

高山、亚高山草甸

坡面草地 平原草地 荒漠草地 城市 河流 湖泊 沼泽 冰川 裸岩 砾石 耕地

高山、亚高山草地 合计

像元数 223936 94208 14080 136512 11328 191360 13312 20224 1536 512 13568 1984 320 3328 7872 512 193216 57088 984896

SUM 79.62 89.48 8.01 52.24 5.17 83.41 8.10 6.39 0.12 0.09 5.45 0.70 0.09 0.72 1.67 0.08 74.97 12.94 429.26

1月 0.88 1.08 0.04 0.60 0.05 0.87 0.11 0.05 0.00 0.00 0.06 0.01 0.00 0.01 0.02 0.00 0.37 0.13 4.28

2月 1.41 1.57 0.05 0.89 0.08 1.18 0.20 0.06 0.00 0.00 0.11 0.01 0.00 0.01 0.02 0.00 0.66 0.14 6.38

3月 2.44 2.68 0.12 1.43 0.14 1.75 0.32 0.09 0.00 0.00 0.19 0.02 0.00 0.02 0.03 0.00 1.86 0.20 11.30

4月 5.22 6.03 0.65 2.94 0.34 3.07 0.63 0.24 0.00 0.01 0.36 0.05 0.01 0.03 0.03 0.00 5.19 0.28 25.07

5月 10.44 13.04 1.53 5.94 0.73 6.66 1.09 0.64 0.01 0.01 0.67 0.10 0.01 0.06 0.08 0.00 11.48 0.69 53.19

6月 12.05 13.79 1.38 7.97 0.76 12.68 1.07 1.06 0.01 0.02 0.85 0.12 0.01 0.08 0.25 0.01 13.49 1.97 67.58

7月 17.05 18.61 1.68 11.60 1.17 21.22 1.48 1.66 0.03 0.02 1.19 0.16 0.02 0.19 0.49 0.02 18.38 3.78 98.77

8月 14.26 15.83 1.28 10.22 0.97 19.04 1.36 1.40 0.03 0.01 0.98 0.12 0.02 0.18 0.43 0.02 12.52 3.29 81.95

9月 8.46 8.43 0.73 6.15 0.46 10.98 0.85 0.78 0.02 0.01 0.52 0.07 0.01 0.09 0.25 0.01 6.08 1.88 45.75

10月 4.46 5.02 0.40 2.70 0.29 3.68 0.60 0.27 0.01 0.00 0.32 0.04 0.01 0.04 0.04 0.00 3.12 0.38 21.39

单位：1012gC/yr

11月 1.93 2.22 0.12 1.18 0.13 1.54 0.24 0.09 0.00 0.00 0.12 0.02 0.00 0.01 0.02 0.00 1.32 0.16 9.14

12月 1.01 1.16 0.04 0.62 0.05 0.74 0.14 0.04 0.00 0.00 0.07 0.01 0.00 0.01 0.00 0.00 0.52 0.04 4.45

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表3.5 长江上游不同植被2006年各月平均NPP

代码 2 3 4 5 6 8 9 10 11 13 14 15 16 17 18 19 21 22

植被类型 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶阔叶林

灌丛 疏林

高山、亚高山草甸

坡面草地 平原草地 荒漠草地 城市 河流 湖泊 沼泽 冰川 裸岩 砾石 耕地

高山、亚高山草地 合计

像元数 223936 94208 14080 136512 11328 191360 13312 20224 1536 512 13568 1984 320 3328 7872 512 193216 57088 984896

SUM_npp 355.56 949.82 569.18 382.68 456.10 435.89 608.70 316.19 75.44 170.49 401.39 353.69 284.94 216.12 211.85 153.12 388.03 226.70 435.84

1月 3.94 11.47 2.79 4.37 4.09 4.57 8.61 2.65 0.60 1.16 4.45 2.83 2.01 2.85 2.09 1.14 1.90 2.22 4.34

2月 6.28 16.64 3.37 6.52 7.00 6.18 14.77 2.94 0.96 1.96 8.34 4.84 2.45 4.31 2.08 1.19 3.39 2.40 6.48

3月 10.91 28.46 8.75 10.49 12.52 9.14 24.28 4.58 1.05 6.45 13.69 9.85 4.19 5.00 3.26 1.27 9.62 3.57 11.47

4月 23.33 64.03 46.02 21.50 29.59 16.05 47.30 12.04 1.32 12.93 26.67 24.67 19.94 8.57 3.84 2.18 26.86 4.87 25.46

5月 46.64 138.46 108.85 43.50 64.64 34.78 82.05 31.71 3.67 23.79 49.47 49.04 44.11 17.26 10.22 6.55 59.40 12.08 54.00

6月 53.81 146.38 97.84 58.38 67.51 66.24 80.66 52.64 8.83 29.96 62.53 58.02 42.57 25.25 32.09 19.97 69.83 34.53 68.62

7月 76.12 197.58 119.40 84.98 102.86 110.89 111.41 82.26 22.52 43.94 87.98 82.28 65.42 56.26 62.70 46.94 95.11 66.22 100.29

8月 63.69 168.06 90.65 74.84 85.58 99.52 101.80 69.10 19.63 26.34 71.92 58.10 49.52 52.67 55.21 43.30 64.79 57.66 83.20

9月 37.77 89.52 51.64 45.06 40.75 57.36 63.50 38.57 11.24 11.67 38.01 33.34 27.17 27.00 31.68 23.43 31.45 32.86 46.45

10月 19.92 53.28 28.35 19.81 25.35 19.25 45.44 13.22 3.88 8.09 23.89 17.84 17.97 11.31 5.70 5.00 16.15 6.74 21.72

单位：gC/m2/yr

11月 8.64 23.60 8.36 8.66 11.43 8.07 18.37 4.67 1.12 3.00 9.12 9.15 6.73 3.57 2.43 2.00 6.85 2.89 9.28

12月 4.51 12.32 3.17 4.55 4.77 3.85 10.51 1.80 0.61 1.21 5.32 3.72 2.84 2.07 0.55 0.15 2.67 0.66 4.52

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图3.10显示了长江上游地区陆地植被NPP在各个月内的变化情况，可以看出，NPP的积累期主要发生在水热搭配较好的4～10月份，这7个月的NPP占了年度NPP总量的91.72%；从季节变化来看，长江上游地区春（3～5月份）、夏（6～8月份）、秋（9～11月份）、冬（12～2月份）2006年NPP总值分别为89.56×1012gC/yr，248.3×1012gC/yr，76.28×1012gC/yr，15.11×1012gC/yr，各自占全年NPP总量的20.86%，57.84%，17.77%，3.52%。

每月NPP总NPP120.00100.002006年长江上游植被初级生产力500.00450.00400.00350.00250.00200.00150.00100.0050.000.001012gC/m280.0060.0040.0020.000.001月2月3月4月5月6月7月8月9月图3.10 长江上游植被初级生产力年内累计情况

长江上游陆地植被净初级生产力随季节的变化（图3.11）显示：全年中冬季(12~2月)的净初级生产力是最低的，仅占全年总净初级生产力的3.52%；而夏季(6~8月)的净初级生产力是最高的，约占全年总净初级生产力的57.84%。从图中也可看出，在春冬两季由于水热条件普遍较差，长江上游地区大部分地区净初级生产力均较低，只有横断山区、四川盆地北部山地以及金沙江下游地区的净初级生产力表现还较高，原因是上述各地区具有较多的常绿阔叶林分布。夏季正好是长江上游所有植被包括高寒草甸和高寒草原的生长季，因此到了夏季长江上游整个区域（除高寒荒漠地区外）的净初级生产力均较高，主要体现在两个方面：一方面，长江上游植物生长的主要限制因了是温度和降水，这些因子在夏季

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10月11月12月10gC/m300.00122

比较优越，适合植物生长；另一方面，夏季也是光合有效辐射最强的季节，植物能够吸收更多的太阳能和CO2转化为有机质。

2006年长江上游平均NPP月际变化1202平均NPP(gC/m/a)1008060402001月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图3.11 长江上游植被平均NPP月际变化

由于不同植被类型生长周期、受气温、降雨的影响各不相同，其年内总NPP及平均NPP亦不相同。图3.12、图3.13显示了长江上游地区不同植被类型2006年的月际变化情况。

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2006年长江上游不同植被类型NPP月际变化25.00落叶针叶林常绿针叶林常绿阔叶林落叶阔叶林灌丛疏林海边湿地高山、亚高山草甸坡面草地平原草地荒漠草地草甸城市河流湖泊沼泽冰川裸岩砾石荒漠耕地高山、亚高山草地20.00总NPP(1012gC)15.0010.005.000.001月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月图3.12 长江上游不同植被类型总NPP月际变化

由图12可以看出，长江上游各种植被类型2006年各月总NPP都集中在4~10月，7月、8月达到最大值，这与整个流域的总NPP的变化趋势是一致的。其中单月NPP最大为7月的高山、亚高山草地（21.22×1012gC/yr）。

2006年长江上游不同植被类型NPP月际变化250平均NPP(gC/m2/a)落叶针叶林常绿针叶林常绿阔叶林落叶阔叶林灌丛疏林海边湿地高山、亚高山草甸坡面草地平原草地荒漠草地草甸城市河流湖泊沼泽冰川裸岩砾石荒漠耕地高山、亚高山草地2001501005001月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月月份图3.13长江上游不同植被类型平均NPP月际变化

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由图3.13可以看出，长江上游各种植被类型2006年各月平均NPP也集中在4~10月，7月、8月达到最大值，这与整个流域的总NPP的变化趋势一致。其中单月平均NPP最大为7月的常绿阔叶林（197.58gC/m2/yr）。

可以看出，长江上游不同植被类型各月总NPP与各月平均NPP的变化趋势并不完全一致，这同样是由于不同植被类型的面积不一致造成的。

第四节 长江上游生态系统初级生产力评价

长江上游地形地貌独特，气候类型复杂，丰富的植被覆盖及多元的人地关系，构成了长江上游复杂的生态系统和社会经济格局。为了宏观理解长江上游生态系统初级生产力，本研究按生态系统类型进行了初级生产力评价。表4.1统计了2006年长江上游地区森林生态系统、草地生态系统、农田生态系统、湿地生态系统、城市生态系统的生产力情况。

表3.6 长江上游地区不同生态类型2006年初级生产力

生态系统类型

森林 农田 草地 湿地 城市 其他 合计

注：NPP平均值单位为gC/m2/yr，NPP总量单位为1012gC/yr

像元数 480064 193216 283520 15872 512 11712 984896

年总NPP 234.52 74.97 110.97 6.24 0.09 2.47 429.26

年平均NPP 488.5275 388.0297 391.3881 393.0775 170.4894 210.494 435.8388

1.森林生态系统

长江上游地区森林总面积为42.033万hm2，约占全国有林地面积的32.53%；森林总蓄积量为60.633亿m3，约占全国林分总蓄积量的60.12%。显然长江上游地区在我国森林资源数量分配与供给上占有重要的地位。其中，以云南面积最大，四川（含重庆）次之，二者合计面积约占长江地区的45.02%；以青海森林面积最小，仅占长江上游的0.54%。长江上游地区9省区（含湖北全境）平均森林覆盖率约为24.05%（以森林面积计算结果）。从各辖区森林覆盖率分

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析（表4.2），以云南最高（33.64%），其次是陕西（28.74%）、四川（23.50%），以青海最小（0.4%）。总体情况看，长江上游地区森林覆盖率略高于全国平均水平。

表3.7 长江上游各省市区森林资源面积及分布 行政辖区 四川（含重庆） 贵州 云南 西藏 陕西 青海 甘肃 湖北 合计 全国 森林面积 119772 30199 118128 40805 49256 3052 19217 39901 420330 1291994 森林蓄积量 14462165 14405018 12836494 12533471 3026574 327036 1720176 1322382 60633316 100856423 森林覆盖率 23.5 20.81 33.64 3.59 28.74 0.43 4.83 25.98 数据来源：《全国森林统计年鉴》（1994~1998） 2006年长江上游森林生态系统总NPP为234.52×1012gC/yr，占整个流域全年总NPP的54.64%；平均NPP为488.53 gC/m2/yr。长江上游森林资源主要分布在川滇藏横断山地、藏东南和秦岭大巴山地等地，由于林木生长受地质、地貌、水文、气候、土壤、植被及其他生物环境因子及其组合格局的影响，长江上游森林初级生产力的分布也具有明显的区域性：较好的区域集中在西南部，生产力高，这些区域最适于林木生产、无明显限制因素、质量好的一等林地约占林地总面积的50%，主要分布西南山区；一般适于林木生产，受地形、土壤、水分、盐分等因素的一定限制、质量中等的二等林地约占林地总面积的37%，主要分布在西南山区的西藏、云南等地；林木生长有一定困难，受到各种因素的较大限制、质量差的三等林地，约占林地总面积的13%。

长江上游地区森林资源从面积总量看较为贫乏，但蓄积量大，占据全国的近一半，是我国森林资源的重要贮备区。长江上游森林植物种类比较丰富，但森林资源分布不均，主要分布在西南区域内的四川、云南、西藏等省区的高山峡谷区，这些森林资源密集省（区）自然条件相对欠优越。同时，森林资源结构不合理。传统的林种结构用材林面积过大，加上竹林面积共占53.5 %；而防护林适中，经济林面积偏少；特用林、薪炭林仅占7.3%和2.6%，这样的林种格局，既不利于稳定木材生产，又不利于保护生物多样性，也不利用发挥森林生态效益和提高森林经营的总体经济效益。天然林保护工程实施后，长江上游地

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区森林资源总的状况是森林面积增加，即森林覆盖率略有提高，但森林蓄积量下降，尤其是用材林的成过熟林蓄积量大幅度下降，可采资源已濒于枯竭，资源状况急剧恶化。 2. 草地生态系统

长江上游地区草地面积共计9059.82万hm2，约占该地区土地面积的24.3%（表4.3）。但近年来，该地区草地资源面积持续减少，质量下降，鼠害严重。退化草地和草地鼠害面积分别占可利用草地面积的29.5%和47%，且持续增长。根据“遥感”调查，20世纪90年代后5年，退化草地有55%转化为耕地，30%沦为未利用土地；草地等级下降，优良牧草种类减少，毒草种类和数量增加。

表3.8 长江上游各省市区土地资源面积及分布 行政辖区 重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 青海 甘肃 合计 土地总面积 8.24 48.52 17.61 39.40 120.40 20.58 72.60 45.44 372.79 耕地面积 252.95 379.59 381.65 293.53 22.67 333.00 203.72 484.88 2351.99 草场面积 40.21 1753.13 428.67 1180.0 400.0 318.1 3153.04 1786.67 9059.82 林地面积 157.80 1172.35 367.31 953.3 1200.0 497.0 303.36 217.41 4868.53 合计 459.2 3353.59 3812.79 2466.23 1743.07 1168.68 3732.72 2534.4 16653.13 数据来源：《中国农村统计年鉴2001》相关资料整理而得。 2006年长江上游草地生态系统总NPP为110.97×1012gC/yr，占整个流域全年总NPP的25.85%；平均NPP为391.39 gC/m2/yr。长江上游地区的高山草地生长低温环境中，由于受到温度的限制，草场生产力不高。而且，古老的高寒草原一经退化，难以恢复与重建。高海拔农业的尝试被反复证明失败。因此，必须立即禁止进行开垦耕犁、过牧或其它人为破坏。 3. 农田生态系统

长江上游地区共有耕地面积2351.99万hm2，约占地区总面积的6.31%。虽然耕地总面积持续扩大，但却主要来自“对林地和草地的破坏”。1986年到1999年，该地区因草地开垦而增加的耕地占新增耕地面积的69.5%，因开垦林地或果园而增加的耕地占新增耕地面积的22.4%。

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2006年长江上游农田生态系统总NPP为74.97×1012gC/yr，占整个流域全年总NPP的17.47%；平均NPP为388.03 gC/m2/yr。目前各地有大量耕地因产量低、成本高等原因弃耕，加剧了土地的水蚀、风蚀。同时，农田与农村生态环境存在严重的退化趋势；土地沙化依然严重；局部地区土壤盐渍化程度加重；石漠化问题突出。这都将成为制约长江上游农田生产力的重要因素。

第五节 结论与建议

1. 结论

本研究在GIS的支持下，利用长江上游地区地面气象数据（降雨、气温、辐射等）和MODIS数据（NDVI），考虑到最大光利用率在不同植被类型中的差异，构建了一个区域陆地植被NPP估算模型，并以2006年的有关数据对长江上游植被的净初级生产力进行了估算，分析了其时空分布，获得以下结论：

1）长江上游地区的净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度，该趋势与水热梯度表现基本一致。2006年整个长江上游地区的净初级生产力为429.26×1012gC/yr，其中森林的净初级生产力最高234.52×1012gC/yr，占整个流域净初级生产力的54.64% ；从单位面积平均净初级生产力情况来看，整个长江上游地区单位面积平均NPP为435.84gC/m2/yr，其中仍以森林单位面积平均NPP最高，为488.53 gC/m2/yr。

2）由于受到水热条件的影响，长江上游地区气温、降雨、辐射等在一年之内具有明显季节变化，从而导致该区域初级生产力也具有明显的季节变化。长江上游地区2006年全年中，夏季（6~8月）净初级生产力最高，为248.3×1012gC/yr，约占全年总净初级生产力的57.84%；而冬季（12~2月）净初级生产力最低，为15.11×1012gC/yr，仅占全年总净初级生产力的3.52%。

2. 建议

影响长江上游陆地植被净初级生产力的因素很多，总体来说可以归结为自然过程和人为过程两个方面。自然过程不仅包括陆地植被本身的光合作用、呼吸作

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用等生理过程，还包括外界的自然环境及其变化过程；人为过程主要包括改变土地利用方式、砍伐森林、收割农作物、人工管理等方面。增加生态系统的生产力功能主要应从增加输入量、减少输出量和增加稳定性去实现。提高长江上游生态系统生产力的具体措施包括5个方面： 1) 合理区划和选择土地利用方式

扩大森林面积，尤其是天然林面积，控制水土流失，恢复退化土地，扩大造林或种植长久作物，保护低承载力草地，实行轮作种植，把低产农田变成草地或森林，集约管理农田，实行农林复合、林草复合经营方式。在区域或地区尺度，不可能采取单一土地利用方式，而是多种土地利用方式并存，并且不同土地利用方式承担不同的人类需要。为了协调好提高生态系统生产力功能和满足其他方面需要之间的关系，需要合理区划和规划不同土地利用方式的分布。在农田、草地与森林几种土地利用方式中，森林生态系统净初级生产力最高，所以扩大长江上游森林生态系统面积，尤其是天然林面积是区划中首先应当考虑的方面。

2) 合理管理森林生态系统

停止毁林，保护天然林生态系统，提高现存森林生态系统生产力，进行人工林的合理经营采伐，造林或采伐活动中归还所有残体，减少对土壤扰动，增施肥料，营造混交林，控制火灾。森林生态系统生产力直接影响土壤有机碳输入，也反映植被碳贮量的高低，提高森林生态系统生产力，可以增加土壤有机碳输和生态系统的碳贮量。 3) 合理管理草地生态系统

保护草地，减少放牧和割草，进行合理施肥、灌溉，选择高产草种，防治病虫害和火灾，对退化草地禁牧，促进其自然演替，控制水土流失。草地生态系统过度放牧或割草是导致生态系统生产力下降的主要原因，通过实施保护措施，减少放牧或割草，能提高其净初级生产力。另外，通过合理的灌溉、施肥、防治病虫害和火灾，也能提高草地生态系统的净初级生产力。对退化草地进行禁牧而促进其自然进展演替和控制水土流失也是增加草地生态系统净初级生产力的重要举措。 4) 合理管理农田生态系统

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建设沿江绿化带和农田林网，因地制宜，优化农业结构，发展多种类型高效复合型生态农业，促进农业生态系统良性循环。合理耕作，部分实行减耕或免耕的耕作方式，实行粮草农作，秸杆还田，种植绿肥，提高地力，增施有机肥，提高肥料效率，调整作物布局，选择高产植物，种植越冬作物，提高作物养分利用和产量，管理水分能够控制水土流失。 5) 开展城市生态系统建设

开展城市生态系统建设，控制污染，增加城市绿化带，建设城镇生态示范区，大力发展旅游业。

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