贵州植被NPP时空格局及其对气候变化的响应

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　　（1新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐  830054;2新疆师范大学丝绸之路经济带城市发展中心，新疆乌鲁木齐  830054;
　　3黔南民族师范学院旅游与资源环境学院，贵州都匀  558000）
　　摘 要：贵州高原位于我国西南地区、云贵高原的中部，是长江中上游和珠江上游地区的生态关键地，对我国南部地区生态保护具有重要的理论意义和实践意义。NPP（植被净初级生产力）能有效反映植物群落在自然环境中的生产能力，也是评价生态环境的重要指标[1]。利用2001—2013年的遥感影像及气温、降水数据对贵州省各种植被NPP年际变化趋势进行研究。结果表明：贵州高原的NPP总体呈现微弱的下降趋势;植被类型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久湿地、作物/自然植被镶嵌体、农作物、灌丛;NPP与年平均气温和降水的相关性分析显示，气温对NPP的影响高于降水。
　　关键词：贵州高原;NPP;植被群落;遥感;气候因子
　　中图分类号 Q948;X171.1   文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）18-0162-05
　　Spatial and Temporal Pattern of Vegetation NPP Variations in Guizhou and Its Response to Climate Change
　　LAN Xiaoli1 et al.
　　（1College of Geography Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）
　　Abstract：Guizhou Province is located in the southwestern region of China，it is the central part of the Yunnan-Guizhou Plateau，and which is the upper reaches of the Yangtze River and the Pearl River. It is an important geographical location for the ecological protection of the southern part of China. NPP（net primary productivity of vegetation） can effectively reflect the plant community in the natural environment of production capacity，and is an important indicator of the assessment of ecological and environmental services. The annual trend of NPP was analyzed by remote sensing image and the correlation analysis of temperature，precipitation from 2001 to 2013. Overall，the NPP in Guizhou Plateau shows a slight downward trend. Among the vegetation types，the average NPP of forest land is the largest，followed by grassland，permanent wetland，crops / natural vegetation inlays，crops and shrubs. The correlation between NPP and annual mean temperature，NPP and precipitation were analyzed，the effect of temperature on NPP is higher than that of precipitation.
　　Key words：Guizhou plateau;NPP;Vegetation community;Remote sense;Climatic factors
　　陆地植被净初级生产量，或称植被净初级生产力（NPP），是指单位时间、单位面积绿色植物通过光合作用所固定的全部能量或制造的有机物质，即总初级生产量减去植物呼吸消耗量，剩余部分才用于积累形成植物的各种组织和器官，净初级生产量才是整个生态系统中其他生物真正可以利用的有机物质[2]。NPP是评价生态系统结构与功能协调性及其与环境相互作用的重要指标，而且直接与全球变化的关键科学问题——碳循环、水循环及食物安全密切相关[3]。植被净初级生产力是植物活动的重要变量，主要受气温、降水、土地类型等环境因子的影响。
　　针对NPP的研究最早开始于19世纪80年代，直到20世纪60年代由于人们追求经济的快速发展造成环境的破坏，关于NPP的相关研究才引起了广泛重视。获得植被NPP的传统方法有进行大规模实地调查、建立环境因子回归模型等。自20世纪60年代以来，各国学者广泛开展NPP的研究，发展了许多NPP估算模型，大致归纳为统计模型、过程模型和参数模型3类。统计模型是通过建立气候数据与NPP之间的统计关系来估算NPP，有代表性的是Thornthwaite Memorial模型、Uchijima的Chikugo模型等。过程模型侧重于植物生命过程和能量转换机制，利用光合作用、蒸散发等参数来估算NPP，又称机理模型，以Parton的CENTURY模型、Melillo的TEM模型为代表[4]。提取的NPP数据参考了BIOME-BGC模型与光能利用率模型建立的NPP估算模型模拟得到的NPP数据更加精确[5]。梁妙玲等[6]利用1961—2000年的降水和气温资料模拟研究中国近40年的植被动态变化，结果表明中国植被NPP的主要影响气候因子是降水，温度的影响在不同地区差别很大。董丹等[7]利用CASA模型对西南喀斯特植被NPP进行了估算，发现西南8省市区1999—2000年喀斯特和非喀斯特植被NPP有轻度增加，但空间变化不显著。谷晓平等[8]利用大气—植被相互作用模型（AVM2）模拟了西南地区植被净初级生产力的空间分布格局和多年变化，发现植被净初级生产力有上升趋势。目前，有关贵州高原植被净初级生产力的研究较少。为此，笔者采用遥感数据分析了贵州高原地区2001—2013年的NPP时空格局及其对气候变化的响应，旨在为贵州高原生态环境保護和可持续发展提供科学依据。 　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况 贵州省位于中国西南地区（103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N），东西相距约为595km，南北距离约509km，总面积为176167km2，占全国国土面积的1.8%左右。全省森林覆盖率达30.8%，人均森林面积0.14hm2，活立木总蓄积量达2.1m3。植被类型主要是林地、灌丛、草地、永久湿地、农作物、作物/自然植被镶嵌体等。全省地貌可概括分为高原山地、丘陵和盆地3种主要类型，其中92.5%的面积为山地和丘陵[9]。境内山脉绵延不绝，地形崎岖，山高谷深，故又称为贵州高原。贵州高原是云贵高原地形区的一部分，地势西部较东部高，平均海拔1100m左右，属亚热带季风湿润气候区，大部分地区年平均气温为15℃左右，年降水量1300mm左右。适宜的温度和降水为贵州高原的植被生长提供了优越的气候条件。贵州高原境内的乌江、北盘江分别处在长江和珠江2大水系中上游地带，因此贵州高原内的生态环境的优劣可直接影响到长江和珠江沿岸的生境，因此研究该区域的植被NPP对保护中国南部地区和东部沿海地区的生态环境具有重要意义。
　　1.2 数据来源 2001—2013年植被NPP数据来源于MODIS遥感数据的MOD17A3;植被类型的数据来源于MODIS的MCD12Q1;气象数据取自于中国气象科学数据共享服务网，为1981—2013年贵州省27个气象台站的年平均气温和年降水量数据（见图1）。
　　1.3 研究方法 利用MOD17A3数据研究植被NPP变化情况。对MOD17A3数据的拼接、投影、数据格式转换、重采样等前期处理在MRT V4.1（MODIS Reprojection Tool）专用软件下完成，利用常规统计方法和ArcGIS的图层叠加、分析运算、制图等功能完成NPP的分析和制图[10]，再利用相关系数算法得出温度与降水对贵州高原NPP的相关性并分析对气候要素的响应程度。
　　2 结果与分析
　　2.1 NPP时空分布特征
　　2.1.1 NPP年变化 2001—2013年贵州高原的植被NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均值为612.5g C/m2·a，最大值为2002年的673.8g C/m2·a，最小值为2011年的530.2g C/m2·a。2001年、2005年、2010年、2011年、2012年为负距平，其余年份都为正距平（图2）。
　　2001—2013年的年平均NPP值为612.5g C/m2·a，2001—2009年间NPP值呈现微弱的增加趋势，期间有些年份NPP值减少低至年平均值，如2001年、2005年。2010—2012年的NPP值均有明显的下降趋势，2013年又有所好转。总体而言，研究期间植被NPP呈减小趋势（见图3）。
　　2.1.2 年平均NPP的空间分布及变化趋势 贵州高原的年平均NPP值在400～600g C/m2·a，部分地区大于600g C/m2·a，其中黔西南州、黔南州、毕节西南部、遵义西部的年平均NPP值较贵州高原其他地区大，铜仁市西部、贵阳南部、毕节、安顺、六盘水相邻地区的年平均NPP值都较低，在0～300g C/m2·a。NPP总体呈现由南向北递减趋势。贵州高原植被多为森林、灌丛、草地、湿地、农作地等，其NPP平均值均较高。部分地区由于喀斯特地貌显著，岩石裸露加上小气候因素和人为过度开发林地、草地，造成石漠化现象，石漠化现象严重区域NPP平均值最低（见图4）。
　　为确定贵州高原NPP的变化状况，制作了植被NPP变化趋势如图5所示。由图5可知，2001—2013年贵州高原NPP的变化总体上较复杂。显著增加的NPP面积占26%，主要增加区域在贵州高原的西南部地区，主要是毕节市、六盘水市、黔西南布依族苗族自治州;显著减少的NPP变化面积占29%，主要分布在铜仁市、黔东南苗族侗族自治州、遵义市南部;基本不变的区域占45%，主要分布在遵义市北部、安顺市、黔西南州南部、黔南州东南部。
　　贵州高原各地区气温、降水、海拔等自然因素差异较大，植被NPP也由于所处區域的不同而有着相应的区别和空间差异（见表1）。由表1可知，NPP平均值较高的区域在贵阳市、六盘水市、遵义市，其次是安顺市、黔西南州、黔东南州、黔南州、铜仁市、毕节市。
　　2.1.3 地表植被的NPP年变化 将2001—2013年分辨率为500m的MCD12Q1地表覆盖类型图像，重采样成1km数据后提取与MOD17A3数据相对应的不同植被类型的NPP见表2。由表2可知，林地的年NPP值在贵州高原地区最大，为522～721g C/m2·a，13年的平均值为634.92g C/m2·a;其次是草地，年NPP值在545～703g C/m2·a，13年的年平均值为631.54g C/m2·a;NPP年平均值减少的是永久湿地（599g C/m2·a）、作物/自然植被镶嵌体（597.92g C/m2·a）、农作物（554.69g C/m2·a）、灌丛（524.62g C/m2·a）。
　　贵州高原处于我国西南林区，森林资源丰富，植被类型主要为亚热带常绿阔叶林，其NPP高于其他植被类型，对贵州高原的碳密度贡献最大。其次是草地，贵州高原主要有6大类草地：山地丘陵灌木草丛类草地、山地丘陵草丛类草地、山地丘陵疏林草丛类草地、山地草甸类草地、平原沼泽类草地、低地草甸类草地[11]，因此贵州高原的草地资源对全区的NPP贡献较大。农作物方面，由于贵州高原的夏季水热充足，自然条件优越，精耕细作，因此夏季也是主要的碳来源季节。贵州高原的灌丛大部分是后退化而生成的另一种生态群落，分布范围较广、生命力较强，主要分布在土壤贫瘠的石山区域[12]，对喀斯特生态环境具有一定的保护作用，但其年平均NPP值低于其他植被类型。
　　2.2 气候要素变化趋势与NPP的相关性 生物的生长受气候要素的制约，气候要素的变化会引起NPP的变化。国内外的部分学者利用长时间卫星遥感影像，对植被NPP变化规律及其对气候变化的响应进行了研究[13]。通过对陆地植物生理特征的研究发现，外部因子对NPP的影响十分复杂。降水、温度是生物生长必不可少的要素，任何一个发生变化都会引起植被区域类型发生不同尺度的变化[14]。朱文泉等[15]研究认为，影响NPP变化的因素很多，植树造林、气候变化、人为影响等等，这些协迫因子具有区域性差异。笔者利用了1981—2013年的贵州省年平均气温和年降水量分析气候要素变化趋势与NPP的相关性。 　　2.2.1 年平均气温 在全球气温普遍升高的大背景下，贵州高原的气温亦呈现逐年升高的趋势见图6。由图6可知，贵州省在1996年年平均气温最低，为15.18℃;2013年最高，达到17.86℃。全省1981～2013年的年平均气温为15.90℃。
　　2.2.2 年降水量 由图7可知，全省27个站台1981—2013年的历年降水量呈下降趋势，年降水量最低的为2011年的840.22mm，最高值为1997年的1317.62mm，1981—2013年的年降水量平均值为1137.89mm。总体而言，贵州高原的降水比较丰富，对满足植被生长具有重要意义，也是影响植被NPP值变化的重要因子。
　　2.2.3 气温、降水与NPP的相关性 通过对2001—2013年平均NPP与对应年平均气温、降水分别进行相关分析，结果表明：NPP与年平均气温和降水呈正相关，与年平均气温的相关系数为0.466，与降水的相关系数为0.344。由此可知，贵州高原地区NPP与年平均气温的相关性高于年降水量。
　　陈福军等[16]认为NPP对气候因子的响应具有空间分异规律，在青藏高原、新疆天山地区、东北大小兴安岭，长白山等常年冷湿地区，NPP年总累积量和年平均气温呈正相关，和年降水量呈显著负相关。这说明在广袤的高寒地区温度对植被的生长起到关键性的限制作用。杨元合等[17]认为在年平均气温较低、气候寒冷地区生长的植被对气候变化具有滞后性，因此今后应进一步研究贵州高原的植被对气候变化的响应是否具有滞后性。
　　3 结论
　　本研究结果表明：（1）2001—2013年贵州高原NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均NPP值为612.5g C/m2·a，2002—2004年、2006—2008年、2013年的NPP为正距平，贵州高原的NPP总体呈现微弱的下降趋势。由于受气温、降水和不同地表类型的影响，贵州高原的NPP呈现出由南向北递减的趋势。部分水热充足地区的NPP高于其他地区。（2）植被类型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久湿地、作物/自然植被镶嵌体、农作物、灌丛;2001—2013年贵州高原NPP总体保持不变趋势的面积占45%，显著增加的面积占26%，显著减少的面积占29%。（3）通过分析NPP与年平均气温和降水的相关性发现，NPP与年平均气温和降水均呈正相关关系，且年平均气温的相关性大于降水。
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　　（责编：徐世红）
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