黑龍江省植被凈第一性生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)分析1)

王維芳 呂世穎 李國(guó)春 臧運(yùn)寶

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院) (東北林業(yè)大學(xué))

生態(tài)系統(tǒng)的凈第一性生產(chǎn)力(Net Primary Production，NP，P)研究是評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的基礎(chǔ)。在NP，P研究的初步階段，多數(shù)學(xué)者普遍選擇了較為簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)氣候因子(如降水、氣溫、光照等)與NP，P建立相關(guān)性分析模型來(lái)估計(jì)植被的NP，P。20世紀(jì)80年代中后期，人們通過(guò)建立植物生理過(guò)程模型來(lái)模擬地表植被凈第一性生產(chǎn)力，并利用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表植被凈第一性生產(chǎn)力的估算［1］。目前關(guān)于氣候變化的預(yù)測(cè)還存在很多的不確定性，但溫室效應(yīng)的存在以及全球氣候變暖的趨勢(shì)較為確定。NP，P受氣候因素的影響非常敏感，尤其是地表溫度、降水量等對(duì)NP，P值的影響極大，而這些氣象數(shù)據(jù)又比較容易獲得，模型計(jì)算的結(jié)果能夠真實(shí)地反映植物NP，P的地帶性分布規(guī)律，因此氣候模型是估算植被 NP，P的一個(gè)非常重要的手段［2－4］。黑龍江省地區(qū)東西降水梯度及南北溫度變化明顯，本文利用Thornthwaite氣候模型來(lái)估算黑龍江省1972、1988、2004年3個(gè)時(shí)期的植被NP，P值，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的空間信息處理分析工具——空間插值功能快速生成NP，P的空間分布圖，進(jìn)一步分析NP，P動(dòng)態(tài)變化情況及其與氣象因子之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)域概況

黑龍江省位于中國(guó)的東北部，是中國(guó)位置最北、緯度最高的省份。它介于東經(jīng) 121°11＇～135°5＇，北緯43°26＇～53°33＇之間，北部和東部隔黑龍江、烏蘇里江與俄羅斯相望，西部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，南部與吉林省接壤。面積為46萬(wàn)多km2。黑龍江屬中溫帶到寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫在4℃左右，氣溫由東南向西北逐漸降低，南北差近10℃。夏季氣溫高，降水多，光照時(shí)間長(zhǎng)，適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)。太陽(yáng)輻射資源豐富，年日照時(shí)數(shù)一般為2300～2 800 h。黑龍江省冬季寒冷干燥，夏季盛行東南風(fēng)，高溫多雨。春季大風(fēng)日最多，多在松嫩平原和三江平原，風(fēng)能資源豐富。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)搜集

黑龍江省29個(gè)氣象站點(diǎn)1972、1988、2004年的氣象數(shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。其中包括站點(diǎn)的地理坐標(biāo)、年平均氣溫、年降水量等數(shù)據(jù)。中國(guó)1∶100萬(wàn)植被分布圖，是《1∶1 000 000中國(guó)植被圖集》［5］的數(shù)字化成果。利用黑龍江省邊界地圖裁切得到黑龍江省植被分布圖。

2.2 研究方法

采用Thornthwaite模型(公式(1))計(jì)算黑龍江省各氣象站點(diǎn) 1972、1988、2004 年的NP，P值，根據(jù)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)生成點(diǎn)狀矢量地圖，對(duì)NP，P值進(jìn)行空間插值，利用黑龍江省邊界地圖進(jìn)行裁切，得到黑龍江省NP，P值分布圖。進(jìn)一步分析黑龍江省30多年來(lái)NP，P值動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及空間分布變化情況。參照黑龍江省植被分布圖，提取植被分布區(qū)域，見(jiàn)圖1。由于比例尺較小，植被分布圖上地物面積較小的斑塊難以體現(xiàn)，無(wú)法詳細(xì)顯示。

式中:E為年實(shí)際蒸散量;L為年平均蒸散量;t為年平均氣溫(℃);R為年降水量(mm);e為自然對(duì)數(shù)的底。

地理信息系統(tǒng)中常用的空間插值方法有反距離空間插值、樣條函數(shù)插值、普通克里金插值等。反距離加權(quán)法簡(jiǎn)單易行，在已知點(diǎn)分布均勻的情況下插值效果好，但易受極值的影響。樣條插值法適用于逐漸變化的曲面，易操作，計(jì)算量不大，但難以對(duì)誤差進(jìn)行估計(jì)，采樣點(diǎn)稀少時(shí)效果不好?？死锝鸱椒紤]了觀測(cè)的點(diǎn)和被估計(jì)點(diǎn)的位置關(guān)系，在點(diǎn)稀少時(shí)插值效果較好。本文采用克里金方法進(jìn)行插值，得到黑龍江省NP，P的空間分布圖。

圖1 黑龍江省植被分布區(qū)域圖

2.3 NP，P 計(jì)算

對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，獲得各氣象站點(diǎn)的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)，代入Thornthwaite模型中，先根據(jù)溫度數(shù)據(jù)計(jì)算年平均蒸散量L，再根據(jù)年降水量參數(shù)和計(jì)算出的年平均蒸散量計(jì)算年實(shí)際蒸散量E，最后根據(jù)E計(jì)算出每個(gè)站點(diǎn)每一年的NP，P值。利用GIS空間插值功能生成各年度的NP，P值空間分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 1972 年 NP，P 分布圖

圖3 1988 年 NP，P 分布圖

圖4 2004 年 NP，P 分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 黑龍江省植被NP，P空間分布規(guī)律

由圖2至圖4可以看出，黑龍江省自然植被NP，P及其變化趨勢(shì)存在明顯的空間差異:中、東部濕潤(rùn)且熱量較好地區(qū)，自然植被NP，P值較高;西部干旱地區(qū)和北部大興安嶺寒溫帶熱量資源匱乏地區(qū)，如克山、塔河、漠河，自然植被NP，P值較低。氣候要素及其變化趨勢(shì)的空間差異對(duì)自然植被NP，P及其變化趨勢(shì)的空間差異具有重要影響，自然植被NP，P的時(shí)間分布特征與黑龍江省年平均氣溫、年降水量的時(shí)間分布特征基本一致。降水不足是限制黑龍江省自然植被NP，P的主要原因，在黑龍江省西部地區(qū)表現(xiàn)特別明顯。

3.2 NP，P 與氣象因子的關(guān)系

溫度和降水量都是影響土壤呼吸和植被光合作用的最主要因子，由圖5和圖6可以看出，二者與自然植被的生產(chǎn)力之間都存在著較明顯的規(guī)律性。降水量影響植物光合作用的水分需求、水分平衡以及碳固定量，從而影響植被凈第一性生產(chǎn)力及其碳收支。由圖5可見(jiàn)，隨著年降水量的增加，NP，P值呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。由圖6可見(jiàn)，隨著年平均氣溫的升高，NP，P值并不是不斷地升高，而是在3～4℃之間均存在一個(gè)反彈的趨勢(shì)。氣溫升高對(duì)植被生產(chǎn)力的影響存在正負(fù)兩方面的效應(yīng):正面作用是氣溫的增加可以延長(zhǎng)生長(zhǎng)季節(jié)，提高光合作用效率，提高植物的生產(chǎn)力;而增溫的負(fù)面效應(yīng)主要在于增加水分消耗而引起干旱。

圖5 NP，P值與年降水量的關(guān)系

圖6 NP，P值與年平均氣溫的關(guān)系

3.3 黑龍江省植被NP，P的動(dòng)態(tài)變化

從上世紀(jì)70年代到現(xiàn)在的30多年間，黑龍江省的NP，P值發(fā)生了較大的變化，總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1972年與1988年雖然持平，約為880 gC/(m2·a)，但到2004年降低到742 gC/(m2·a)。這與近年來(lái)黑龍江省的年降水量減小和年平均氣溫的升高等氣候變化有直接關(guān)系。

20世紀(jì)70年代中期，黑龍江省大部分地區(qū)的NP，P平均值維持在 880.99 gC/(m2·a)的較高水平，NP，P較低的西南部大部分地區(qū)的平均值也在600 gC/(m2·a)上下，東部地區(qū)為850～1 100 gC/(m2·a)。到了上世紀(jì)80年代，中部與南部地區(qū)的 NP，P均值大部分在1 100 gC/(m2·a)以上的水平，與70年代相比NP，P值出現(xiàn)升高現(xiàn)象，但是西北部與東部大部分地區(qū)出現(xiàn)了干旱天氣，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)NP，P值普遍很低，基本維持在600 gC/(m2·a)以下，全省NP，P之總和也降低。黑龍江省東部地區(qū)NP，P值在600 gC/(m2·a)以下的地區(qū)面積擴(kuò)大明顯。2004年，北部地區(qū)NP，P值有所增加，西南部地區(qū)明顯下降到100～350 gC/(m2·a)，中部與東部地區(qū)相對(duì)于80年代也明顯下降，導(dǎo)致全省NP，P值明顯低于80年代。黑龍江省的NP，P動(dòng)態(tài)變化較明顯，呈現(xiàn)在波動(dòng)中下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

采用Thornthwaite模型估算了黑龍江省1972、1988、2004 年的 NP，P值，分析了黑龍江省 NP，P的空間分布及動(dòng)態(tài)變化情況，以及其與氣象因子之間的關(guān)系。黑龍江省植被NP，P的分布特點(diǎn)呈現(xiàn)從南到北減少的趨勢(shì)，中西部與北部地區(qū)NP，P值較低，尤其是2004年西部地區(qū)、1988年北部地區(qū)的植被生產(chǎn)力較低。30多年來(lái)，黑龍江省各地區(qū)的NP，P值隨時(shí)間變化明顯，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，部分地區(qū)近年有小幅回升。NP，P隨著年平均氣溫和年降水量的變化表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，隨著年平均氣溫的不斷升高，NP，P值呈現(xiàn)出先上升后又有所減少的趨勢(shì)。隨年降水量的不斷增加，NP，P值呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，二者呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。

［1］孫睿，朱啟疆.陸地植被凈第一性生產(chǎn)力的研究［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，10(6):757－760.

［2］侯光良，游松才.用筑后模型估算中國(guó)植物氣候生產(chǎn)力［J］.自然資源學(xué)報(bào)，1990，5(1):60－65.

［3］張憲洲.我國(guó)自然植被凈第一性生產(chǎn)力的估算與分布［J］.自然資源，1993(1):15－21.

［4］陳國(guó)南.用邁爾密模型測(cè)算我國(guó)生物生產(chǎn)量的初步嘗試［J］.自然資源學(xué)報(bào)，1987，2(3):270－278.

［5］中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì).中國(guó)植被圖集［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.