Spatiotemporal changes in vegetation net primary productivity in the arid region of Northwest China, 2001 to 2012

Zhen LI , Jinghu PAN

Front. Earth Sci. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 108 -124.

PDF (1631KB)
Front. Earth Sci. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) :108 -124. DOI: 10.1007/s11707-017-0621-8
RESEARCH ARTICLE
RESEARCH ARTICLE
Spatiotemporal changes in vegetation net primary productivity in the arid region of Northwest China, 2001 to 2012
Author information +
History +
PDF (1631KB)

Abstract

Net primary productivity (NPP) is recognized as an important index of ecosystem conditions and a key variable of the terrestrial carbon cycle. It also represents the comprehensive effects of climate change and anthropogenic activity on terrestrial vegetation. In this study, the temporal-spatial pattern of NPP for the period 2001–2012 was analyzed using a remote sensing-based carbon model (i.e., the Carnegie-Ames-Stanford Approach, CASA) in addition to other methods, such as linear trend analysis, standard deviation, and the Hurst index. Temporally, NPP showed a significant increasing trend for the arid region of Northwest China (ARNC), with an annual increase of 2.327 g C. Maximum and minimum productivity values appeared in July and December, respectively. Spatially, the NPP was relatively stable in the temperate and warm-temperate desert regions of Northwest China, while temporally, it showed an increasing trend. However, some attention should be given to the northwestern warm-temperate desert region, where there is severe continuous degradation and only a slight improvement trend.

Keywords

NPP / CASA model / remote sensing / arid region of Northwest China (ARNC)

Cite this article

Download citation ▾
Zhen LI, Jinghu PAN. Spatiotemporal changes in vegetation net primary productivity in the arid region of Northwest China, 2001 to 2012. Front. Earth Sci., 2018, 12 (1) : 108-124 DOI:10.1007/s11707-017-0621-8

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Almorox J, Hontoria  C (2004). Global solar estimation using sunshine duration in Spain. Energy Convers Manage, 45(9–10): 1529–1535 

[2]

Angström A (1924). Solar and terrestrial radiation. Report to the international commission for solar research on actinometric investigations of solar and atmospheric radiation. Quart J Roy Met Soc, 50(210): 121–126

[3]

Calvão T, Palmeirim  J M (2004). Mapping mediterranean scrub with satellite imagery: biomass estimation and spectral behaviour. Int J Remote Sens, 25(16): 3113–3126

[4]

Cao M, Prince  S D, Small  J, Goetz S J (2004). Remotely sensed interannual variations and trends in terrestrial net primary productivity 1981–2000. Ecosyst, 7(3): 233–242

[5]

Chen F J, Shen  Y J, Li  Q, Guo Y,  Xu L M (2011). Spatio-temporal variation analysis of ecological systems NPP in China in past 30 years. Sci Geogr Sin, 31(11): 1409–1414 (in Chinese)

[6]

Esser R, Fineschi  S, Dobrzycka D,  Habbal S R,  Edgar R J,  Raymond J C,  Kohl J L,  Guhathakurta M (1999). Plasma properties in coronal holes derived from measurements of minor ion spectral lines and polarized white light intensity. Astrophys J, 510(1): 63–67

[7]

Eswaran H, Lal  R, Reich P F (2001). Land degradation: an overview. In: Bridges E M, Hannam I D, Oldeman L R, Pening de Vries F W T, Scherr S J , Sompatpanit S, eds. Responses to Land Degradation. Proceedings of the 2nd International Conference on Land Degradation and Desertification, Khon Kaen, Thailand. New Delhi: Oxford Press, 20–35

[8]

Fang J Y, Piao  S L, Field  C B, Pan  Y D, Guo  Q H, Zhou  L M, Peng  C H, Tao  S (2003). Increasing net primary production in China from 1982 to 1999. Front Ecol Environ, 1(6): 293–297

[9]

Field C B, Randerson  J T, Malmström  C M (1995). Global net primary production: combining ecology and remote sensing. Remote Sens Environ, 51(1): 74–88

[10]

Guo Z X, Wang  Z M, Zhang  B, Liu D W,  Yang G, Song  K S, Li  F (2008). Analysis of temporal-spatial characteristics and factors influencing vegetation NPP in northeast China from 2000 to 2006. Resources Science, 30(8): 1226–1235 (in Chinese)

[11]

Haxeltine A, Prentice  I C (1996). BIOME3: an equilibrium terrestrial biosphere model based on ecophysiological constraints, resource availability and competition among plant functional types. Global Biogeochem Cycles, 10(4): 693–709

[12]

He Y, Dong  W J, Guo  X Y, Cao  L J, Feng  D (2006). Terrestrial NPP variation in the region of the South-North Water Diversion Project (East Route). Adv Clim Change Res, 2(5): 246–249 (in Chinese)

[13]

Hicke J A, Asner  G P, Randerson J T,  Tucker C,  Los S, Birdsey  R, Jenkins J C,  Field C,  Holland E (2002b). Setellite-derived increases in net primary productivity across North America, 1982–1998. Geophys Res Lett, 29(10): 69-1–69-4

[14]

Hicke J A, Asner  G P, Randerson J T,  Tuker C,  Los S, Birdsey  R, Jenkins J C,  Field C (2002a). Trends in North American net primary productivity derived from satellite observations, 1982–1998. Glob Biogeochem Cy, 16(2): 2-1–2-14

[15]

Holben B N (1986). Characteristics of maximum-value composite images from temporal AVHRR data. Int J Remote Sens, 7(11): 1417–1434

[16]

Hurst H E (1951). Long term storage capacity of reservoirs. Trans Am Soc Civ Eng, 116(12): 776–808

[17]

Jiang R Z, Li  X Q, Zhu  Y G, Zhang  G Z (2011). Spatial-temporal variation of NPP and NDVI correlation in wetland of Yellow River Delta based on MODIS data. Acta Ecol Sin, 31(22): 6708–6716 (in Chinese)

[18]

Knorr W, Heimann  M (1995). Impact of drought stress and other factors on seasonal land biosphere CO2 exchange studied through an atmospheric tracer transport model. Tellus B Chem Phys Meterol, 47(4): 471–489

[19]

Li E Z, Tan  K, Du P J,  Jiang D E (2013a). Net primary productivity of vegetation estimation and correlation analysis based on multi-temporal remote sensing data in Xuzhou. Remote Sensing Technology and Application, 28(4): 689–696 (in Chinese)

[20]

Li J, Cui  Y P, Liu  J Y, Shi  W J, Qin  Y C (2013b). Estimation and analysis of net primary productivity by integrating MODIS remote sensing data with a light use efficiency model. Ecol Modell, 252(1): 3–10

[21]

Li J, You  S C, Huang  J F (2006). Spatial interpolation method and spatial distribution characteristics of monthly mean temperature in China during 1961–2000. Ecol Environ, 15(1): 109–114 (in Chinese)

[22]

Lin H L (2009). A new model of grassland net primary productivity (NPP) based on the integrated orderly classification system of grassland. The sixth international conference on fuzzy systems and knowledge discovery. Tianjin, China, 52–56

[23]

Liu C M, Chen  Y N, Xu  Z X (2010). Eco-hydrology and sustainable development in the arid regions of China. Hydrol Processes, 24(2): 127–128

[24]

Liu C Y, Dong  X F, Liu  Y Y (2015). Changes of NPP and their relationship to climate factors based on the transformation of different scales in Gansu, China. Catena, 125: 190–199

[25]

Liu J Y, Liu  M L, Zhuang  D F, Zhang  Z X, Deng  X Z (2003). Study on spatial pattern of land-use change in China during 1995–2000. Sci China Ser D, 46(4): 373–384

[26]

Liu Y A, Huang  B, Yi C G,  Cheng T,  Yu J, Qu  L A (2013). Simulation by remote sensing and analysis of net primary productivity of vegetation based on topographical correction. Trans Chin Soc of Agric Eng, 29: 130–141 (in Chinese)

[27]

Malmström C M,  Thompson M V,  Juday G P,  Los S O,  Randerson J T,  Field C B (1997). Interannual variation in global-scale net primary production: testing model estimates. Global Biogeochem Cycles, 11(3): 367–392

[28]

Mao D H, Luo  L, Wang Z M,  Zhang C H,  Ren C Y (2015). Variations in net primary productivity and its relationships with warming climate in the permafrost zone of the Tibetan Plateau. J Geogr Sci, 25(8): 967–977

[29]

Matsushita B, Tamura  M (2002). Integrating remotely sensed data with an ecosystem model to estimate net primary productivity in East Asia. Remote Sens Environ, 81(1): 58–66

[30]

Moleele N, Ringrose  S, Arnberg W,  Lunden B,  Vanderpost C (2001). Assessment of vegetation indexes useful for browse (forage) prediction in semi-arid rangelands. Int J Remote Sens, 22(5): 741–756

[31]

Mu S J, Chen  Y Z, Li  J L, Ju  W M, Odeh  I O A, Zou  X L (2013a). Grassland dynamics in response to climate change and human activities in Inner Mongolia, China between 1985 and 2009. Rangeland J, 35(3): 315–329

[32]

Mu S J, Li  J L, Zhou  W, Yang H F,  Zhang C B,  Ju W M (2013c). Spatial-temporal distribution of net primary productivity and its relationship with climate factors in Inner Mongolia from 2001 to 2010. Acta Ecol Sin, 33(12): 3752–3764 (in Chinese) 

[33]

Mu S J, Zhou  S X, Chen  Y Z, Li  J L, Ju  W M, Odeh  I O A (2013b). Assessing the impact of restoration-induced land conversion and management alternatives on net primary productivity in Inner Mongolian grassland, China. Global Planet Change, 108(3): 29–41

[34]

Nemani R R, Keeling  C D, Hashimoto  H, Jolly W M,  Piper S C,  Tucker C J,  Myneni R B,  Running S W (2003). Climate-driven increases in global terrestrial net primary production from 1982 to 1999. Science, 300(5625): 1560–1563

[35]

Niklaus M, Eisfelder  C, Tum M,  Günther K P (2012). A remote sensing model based land degradation index for the arid and semi-arid regions of southern Africa. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS 2012. 22e27 July 2012, Munich, Germany

[36]

Parton W J, Scurlock  J M O, Ojıma  D S, Gilmanov  T G, Scholes  R J, Schimel  D S, Kirchner  T, Menaut J C,  Seastedt T,  Garcia Moya E,  Kamnalrut A,  Kinyamario J I (1993). Observations and modeling of biomass and soil organic matter dynamics for the grassland biome worldwide. Global Biogeochem Cycles, 7(4): 785–809

[37]

Pei F S, Li  X, Liu X P,  Lao C H (2013). Assessing the impacts of droughts on net primary productivity in China. J Environ Manage, 114(2): 362–371

[38]

Piao S L, Ciais  P, Huang Y,  Shen Z H,  Peng S S,  Li J S,  Zhou L P,  Liu H Y,  Ma Y C,  Ding Y H,  Friedlingstein P,  Liu C Z,  Tan K, Yu  Y Q, Zhang  T Y, Fang  J Y (2010). The impacts of climate change on water resources and agricultural in China. Nature, 467(7311): 43–51

[39]

Piao S L, Fang  J Y, Ciais  P, Peylin P,  Huang Y,  Sitch S,  Wang T (2009). The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature, 458(7241): 1009–1013 

[40]

Piao S L, Fang  J Y, He  J S (2006). Variations in vegetation net primary production in the Qinghai-Xizang plateau, China, from 1982 to 1999. Clim Change, 74(1–3): 253–267

[41]

Piao S L, Fang  J Y, Zhou  L M, Zhu  B, Tan K,  Tao S (2005). Changes in vegetation net primary productivity from 1982 to 1999 in China. Global Biogeochem Cycles, 19(2): 1605–1622

[42]

Potter C, Klooster  S, Myneni R,  Genovese V,  Tan P N,  Kumar V (2003). Continental-scale comparisons of terrestrial carbon sinks estimated from satellitedata and ecosystem modeling 1982–1998. Global Planet Change, 39(3–4): 201–213

[43]

Potter C, Klooster  S, Steinbach M,  Tan P N,  Kumar V,  Shekhar S,  Carvalho C R D (2004). Understanding global teleconnections of climate to regional model estimates of Amazon ecosystem carbon fluxes. Glob Change Biol, 10(5): 693–703

[44]

Potter C S, Randerson  J T, Field  C B, Matson  P A, Vitousek  P A, Mooney  H A, Klooster  S A (1993). Terrestrial ecosystem production: a process model based on global satellite and surface data. Global Biogeochem Cycles, 7(4): 811–841

[45]

Prescott J A (1940). Evaporation from a water surface in relation to solar radiation. Trans R Soc S Aust, 64: 114–125

[46]

Prince S D (1991). A model of regional primary production for use with coarse  resolution  satellite  data.  Int  J  Remote  Sens,  12(6):  1313–1330

[47]

Prince S D, Goward  S N (1995). Global primary production: a remote sensing approach. J Biogeogr, 22(4/5): 815–835

[48]

Rayner P J, Scholze  M, Knorr W,  Kaminski T,  Giering R,  Widmann H (2005). Two decades of terrestrial carbon fluxes from a carbon cycle data assimilation system (CCDAS). Global Biogeochem Cycles, 19(2): 202–214

[49]

Reeves M C, Moreno  A L, Bagne  K E, Running  S W (2014). Estimating climate change effects on net primary production of rangelands in the United States. Clim Change, 126(3–4): 429–442

[50]

Ren Z Y, Liu  Y X (2013). Contrast in vegetation net primary productivity estimation models and ecological effect value evaluation in  Northwest  China.  Chin.  J  Eco-Agric,  21(4):  494–502  (in Chinese)

[51]

Ruimy A, Dedieu  G, Saugier B (1996). TURC: a diagnostic model of continental gross primary productivity and net primary productivity. Global Biogeochem Cycles, 10(2): 269–285 

[52]

Running S W, Nemani  R R, Heinsch  F A, Zhao  M S, Reeves  M, Hashimoto H (2004). A continuous satellite-derived measure of global terrestrial primary production. Bioscience, 54(6): 547–560

[53]

Running S W, Thornton  P E, Nemani  R, Glassy J M (2000). Global terrestrial gross and net primary productivity from the earth observing system. In: Sala O E, Jackson R B, Mooney H A, Howarth R W, eds. Methods in Ecosystem Science. New York: Springer, 44–57

[54]

Sellers P J, Randall  D A, Collatz  G J, Berry  J A, Field  C B, Dazlich  D A, Zhang  C, Collelo G D,  Bounoua L (1996). A revised land surface parameterization (SiB2) for atmospheric GCMs. Part 1: model formulation. J Clim, 9(4): 676–705

[55]

Silvestri S, Marani  M, Settle J,  Benvenuto F,  Marani A (2002). Salt marsh vegetation radiometry: data analysis and scaling. Remote Sens Environ, 80(3): 473–482 

[56]

Stow D A V,  Petersen A,  Hope A, Engstrom  R, Coulter L L (2007). Greenness trends of Arctic tundra vegetation in the 1990s: Comparison of two NDVI datasets from NOAA AVHRR system. Int J Remote Sens, 28(21): 4807–4822

[57]

Sun Q L, Feng  X F, Liu  M X, Xiao  X (2015). Estimation and analysis of net primary productivity in Wuling mountainous area based on remote sensing. Journal of Natural Resources, 347: 83–95 (in Chinese)

[58]

Tang C J, Fu  X Y, Jiang  D, Fu J Y,  Zhang X Y,  Zhou S (2014). Simulating spatiotemporal dynamics of Sichuan grassland net primary productivity using the CASA model and in situ observations. Sci World J, 2014: 956963 

[59]

UN (1994). Elaboration of an International Convention to Combat Desertification in Countries Experiencing Serious Drought and/or Desertification, Particularly in Africa. UN General Assembly. A/AC.241/27. Available online at: 160;(accessed 17.03.10)

[60]

Verstraete M M (1986). Defining desertification: a review. Clim Change, 9(1–2): 5–18

[61]

Wang H, Li  X B, Long  H L, Gai  Y Q, Wei  D D (2009). Monitoring the effects of land use and cover changes on net primary production: a case study in China’s Yongding River basin. For Ecol Manage, 258(12): 2654–2665

[62]

Wang P J, Xie  D H, Zhou  Y Y, E Y H, Zhu Q J (2014). Estimation of net primary productivity using a process-based model in Gansu Province, Northwest China. Environ Earth Sci, 71(2): 647–658

[63]

Wang X C, Wang  S D, Zhang  H B (2013). Spatiotemporal pattern of vegetation net primary productivity in Henan Province of China based on MOD17A3. Chinese J Ecol, 32(10): 2797–2805 (in Chinese)

[64]

Woodward F I, Smith  T M, Emanuel  W R (1995). A global land primary productivity and phytogeography model. Global Biogeochem Cycles, 9(4): 471–490

[65]

Xie B N, Qin  Z F, Wang  Y, Chang Q R (2014). Spatial and temporal variation in terrestrial net primary productivity on Chinese Loess Plateau and its influential factors. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 30(11): 244–253 (in Chinese)

[66]

Xu J H (2010). Geographic Modeling Method. Beijing: Science Press (in Chinese)

[67]

Yu D Y, Shao  H B, Shi  P J, Zhu  W Q, Pan  Y Z (2009). How does the conversion of land cover to urban use affect net primary productivity? A case study in Shenzhen city, China. Agric Meteorol, 149(11): 2054–2060

[68]

Yu D Y, Shi  P J, Han  G Y, Zhu  W Q, Du  S Q, Xun  B (2011). Forest ecosystem restoration due to a national conservation plan in China. Ecol Eng, 37(9): 1387–1397

[69]

Zhao G S, Wang  J B, Fan  W Y, Ying  T Y (2011). Vegetation net primary productivity in Northeast China in 2000–2008: simulation and seasonal change. Chinese J Appl Ecol, 22(3): 621–630 (in Chinese)

[70]

Zhao S Q (1983). A new scheme for comprehensive physical regionalization in China. Acta Geogr Sin, 38(1): 1–10 (in Chinese)

[71]

Zheng S H, Zhao  M L, Shan  D, Pan L R,  Han G D (2005). Range condition and its evaluation. Grassland of China, 27(2): 72–76 (in Chinese)

[72]

Zhou W, Gang  C C, Zhou  L, Chen Y Z,  Li J L,  Ju W M,  Odeh I (2014). Dynamic of grassland vegetation degradation and its quantitative assessment in the northwest China. Acta Oecol, 55(2): 86–96

[73]

Zhu W Q, Pan  Y Z, Long  Z H, Chen  Y H, Li  J, Hu H B (2005). Estimating net primary productivity of terrestrial vegetation based on GIS and RS: a case study in Inner Mongolia, China. J Remote Sens, 9(3): 300–307 (in Chinese)

Rights & permissions

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

PDF (1631KB)

2676

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

/

〈 〉