橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子

王 強(qiáng),張廷斌,2,3,*,易桂花,,陳田田,別小娟,何奕萱

1 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,成都 610059 2 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059 3 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,樂山 614000 4 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041

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橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子

王 強(qiáng)1,張廷斌1,2,3,*,易桂花1,4,陳田田4,別小娟1,何奕萱1

1 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,成都 610059 2 地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059 3 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,樂山 614000 4 中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041

橫斷山區(qū)是我國長江上游重要的生態(tài)屏障區(qū),對周邊區(qū)域乃至我國中西部地區(qū)氣候和生態(tài)環(huán)境有著深刻的影響。NPP作為碳收支和氣候變化研究的核心內(nèi)容,是判定生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和可持續(xù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)?；贛ODIS C6的NPP數(shù)據(jù)、1∶100萬植被類型圖、氣象數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù),采用趨勢線分析法和相關(guān)分析法對橫斷地區(qū)2004—2014年植被NPP時(shí)空格局、變化規(guī)律以及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①2004—2014年橫斷山區(qū)植被年NPP總量的介于183.768—223.239 TgC之間,多年平均為208.498 TgC,單位面積下的植被年NPP均值為463 gC m-2a-1。整體上,植被NPP呈增加趨勢,但局部差異明顯。②植被NPP平均值的年際變化率在-53—97 gC m-2a-1之間,NPP呈增加趨勢的區(qū)域分布在北部與中部的東側(cè)以及南部的東、西兩側(cè)地區(qū),而減少趨勢的區(qū)域主要集中在西北部、中部的汶川—映秀一帶以及南部攀枝花地區(qū)。③橫斷山區(qū)植被NPP變化受氣候因子驅(qū)動(dòng)影響的區(qū)域占比8.42%,主要集中在中部的大雪山-沙魯里山地區(qū),而非氣候因子占比91.58%,分布在北部的阿壩地區(qū)以及南部的低海拔廣大地區(qū)。該研究將對橫斷山區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展起到指導(dǎo)作用。

NPP；氣候變化；驅(qū)動(dòng)因子；MODIS C6；橫斷山區(qū)

陸地植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積上所累積的有機(jī)物數(shù)量,是由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量(GPP)中扣除自養(yǎng)呼吸(RA)后的剩余部分[1]。NPP作為碳收支和氣候變化研究的核心內(nèi)容,是判定生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和可持續(xù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[2-4]。Lieth等建立了第一個(gè)全球NPP回歸模型(Miami模型),認(rèn)為NPP是年平均氣溫和年降雨的函數(shù)[5]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,利用遙感模型估算地表植被凈初級生產(chǎn)力成為可能(如CASA模型[6]、GLO-PEM模型[7])。近年來,國內(nèi)研究表明我國陸地植被NPP由東南到西北遞減,其變化受氣候、人類活動(dòng)等因素影響,全國總量在3.38—4.35 PgC/a之間[8-11]。在區(qū)域尺度上,學(xué)者分別對東北亞地區(qū)[12]、內(nèi)蒙古草原[13]、三江源區(qū)[14]、青藏高原[15]、西南地區(qū)[16-17]等地區(qū)進(jìn)行了綜合研究,包括區(qū)內(nèi)植被NPP的時(shí)空格局、變化規(guī)律以及其與氣候的相關(guān)性等內(nèi)容。

橫斷山區(qū)位于青藏高原東南緣,橫跨我國西南一、二、三級地形階梯,擁有世界唯一滿足4個(gè)條件的“三江并流”自然遺產(chǎn),不僅是我國長江上游重要的生態(tài)屏障區(qū)(青藏高原生態(tài)屏障和黃土高原—川滇生態(tài)屏障),還是我國珍惜瀕危動(dòng)植物的避難所和世界生物物種最豐富的地區(qū)之一,對周邊區(qū)域乃至我國中西部地區(qū)氣候和生態(tài)環(huán)境有著深刻的影響[18-21]。目前針對橫斷山區(qū)植被NPP的相關(guān)研究還相對較少,作為表征氣候變化和植被活動(dòng)、判定生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和可持續(xù)發(fā)展水平的關(guān)鍵因子之一,植被NPP時(shí)空分布、變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子的研究,對該區(qū)生態(tài)環(huán)境評價(jià)和保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

本文選取了橫斷山區(qū)核心區(qū)內(nèi)98個(gè)區(qū)縣為研究區(qū),包括四川西部、云南西北大部以及西藏東南部小部分地區(qū)(圖1),總面積約450000 km2,海拔在294—7049 m之間。根據(jù)前人的分區(qū)研究將研究區(qū)劃分為橫斷山區(qū)北部、中部和南部[19- 27]。整體上,研究區(qū)地勢由西北向東南傾斜,以高山峽谷為主,山脈與河流南北縱貫,相間并列,地形起伏較大。橫斷山區(qū)北部和中部地形急劇上升,大部分海拔超過4000 m,而南部地區(qū)多在3000 m以下。區(qū)內(nèi)植被種類繁多[21-25],植被類型包括針葉林、針闊葉混交林、闊葉林、灌叢、草原、草叢、草甸、沼澤、高山植被和栽培植被等,其中,灌叢、針葉林、草甸占大部分(面積占比達(dá)76%)。該地區(qū)主要受西風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)系統(tǒng)(印度洋的西南季風(fēng)和西太平洋的東南季風(fēng))控制,氣候垂向分帶明顯,從山腳到山頂往往具有熱帶、亞熱帶、溫帶與高山寒帶等氣候類型[25-29],且由于縱向嶺-谷形成的南北通道-東西阻隔的作用,在同一緯度垂直帶譜上,該地區(qū)的山體東、西坡又具有不同的基帶和帶譜結(jié)構(gòu)特征[26-28]。另外加上局部山地效應(yīng)[28-30],使得對該區(qū)氣候、生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究變得異常復(fù)雜。

圖1 橫斷山區(qū)地形及氣象站點(diǎn)分布圖 Fig.1 The terrain and meteorological stations of Hengduan mountain area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 NPP數(shù)據(jù)

本文NPP數(shù)據(jù)來源于美國陸地過程分布式數(shù)據(jù)檔案中心(Land Processes Distributed Active Archive Center, LPDAAC)最新的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) C6的MOD17A3數(shù)據(jù)產(chǎn)品(https://lpdaac.usgs.gov/)。該數(shù)據(jù)相對于MODIS C5數(shù)據(jù),不僅將空間分辨率提高到了500 m,還在一定程度上消除了因衛(wèi)星傳感器老化而造成的數(shù)據(jù)衰減和失真的問題[31]。有關(guān)研究表明,由Terra MODIS數(shù)據(jù)衰減而引起的NDVI負(fù)趨勢率達(dá)到了-0.004 a-1。面對某些大范圍、長時(shí)間、連續(xù)變化的科學(xué)研究工作,使用Terra MODIS藍(lán)波段(Band3)及其衍生產(chǎn)品時(shí)應(yīng)值得特別注意[32]。本文數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2004—2014年,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為年。該數(shù)據(jù)產(chǎn)品包含一個(gè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制文件(NPP_QC),其表示了不同地區(qū)NPP產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性[33-34]。本文根據(jù)2004—2014年的NPP_QC數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明,2004—2014年橫斷山區(qū)NPP數(shù)據(jù)質(zhì)量中、高等級多年平均可信度達(dá)到了98.63%(反演失敗的地區(qū)主要集中在貢嘎山、洱海等冰川和水域等非陸地生態(tài)區(qū))。這對于地勢橫跨三級階梯、地形復(fù)雜、起伏大的橫斷山區(qū)來說,數(shù)據(jù)整體上質(zhì)量較好。本文舍棄了那些可信度低及反演失敗的像元點(diǎn),以突出該地區(qū)11a來植被NPP變化特征與規(guī)律,最后利用MODIS重投影工具(MODIS Reprojection Tool, MRT)對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、格式轉(zhuǎn)換和重投影等預(yù)處理。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

本文選取了研究區(qū)及附近73個(gè)地面氣象站的2004—2014 年逐月平均氣溫和降水量資料(圖1)。該氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://ede.ema.gov.cn).參考季節(jié)劃分相關(guān)研究[26- 29],將5—10月劃分為雨季(季風(fēng)期),11月—翌年4月為干季(非季風(fēng)期)。由于橫斷山區(qū)雨季降水量占全年降水的絕大多數(shù)[25-26],本文選取雨季的平均氣溫和降水量作為氣候因子,采用樣條函數(shù)法對該區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理[26]。

2.1.3 植被類型數(shù)據(jù)

植被類型數(shù)據(jù)采用全國1∶100萬植被類型圖,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)。以植被大類為分類基準(zhǔn)進(jìn)行歸并處理,然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行投影、矢柵轉(zhuǎn)換等處理,最后重采樣為空間分辨率為500m柵格數(shù)據(jù)。

2.1.4 地形數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)采用SRTM90m DEM產(chǎn)品,數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心的“地理空間數(shù)據(jù)云平臺”(http://www.gscloud.cn)。同樣,對高程數(shù)據(jù)進(jìn)行了投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理,最后統(tǒng)一為500m空間分辨率。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析

基于像元對多年NPP數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值,得到研究區(qū)多年平均NPP的空間分布圖,其計(jì)算公式(1)如下:

(1)

針對時(shí)間序列的NPP數(shù)據(jù),其絕對年際變化率采用基于像元的一元線性回歸分析方法,其計(jì)算公式(2)：

(2)

式中,n為年數(shù)(時(shí)間序列為2004—2014,即n=11)；nppi為某一像元點(diǎn)第i年的NPP值；θslope則為該像元在該時(shí)間段內(nèi)NPP年際變化的一元線性回歸方程的斜率,反映的是某一時(shí)間段內(nèi)總的變化趨勢。θslope>0表明變化趨勢是增加,反之則是減少,當(dāng)|θslope|≈0時(shí)說明NPP沒有變化。該公式已廣泛用于植被指數(shù)和NPP的時(shí)間序列分析,具有很好的穩(wěn)定性和置信度[35-36]。

2.2.2 相關(guān)性分析

偏相關(guān)分析是在消除其他變量影響的前提下計(jì)算某兩個(gè)變量之間的相關(guān)性[37]。本文利用基于像元的偏相關(guān)分析法分別研究了氣溫和降水量對植被NPP變化的影響,線性相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式(3)：

(3)

(4)

式中,Rxy,z為自變量z固定后因變量x與自變量y的偏相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)法完成。其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式(5)：

(5)

式中,n為樣本數(shù)(時(shí)間序列為2004—2014,即n=11)；m為自變量個(gè)數(shù)。

實(shí)際上,一個(gè)要素的變化往往受多個(gè)因子的綜合作用影響,而要素間又是相互影響、相互聯(lián)系的,上述的單相關(guān)分析和偏相關(guān)分析都不能反映各要素的綜合影響,所謂的某個(gè)變量固定條件是不成立的,這就需要采用復(fù)相關(guān)分析方法來解決。復(fù)相關(guān)的計(jì)算公式(6)如下：

(6)

式中,Rx,yz表示因變量x和自變量y、z的復(fù)相關(guān)系數(shù)；Rxy表示x與y的線性相關(guān)系數(shù),Rxz,y表示固定自變量y之后因變量x與自變量z的偏相關(guān)系數(shù)。

本文采用F檢驗(yàn)法對復(fù)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),其統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式(7)如下：

(7)

式中,n為樣本數(shù)(時(shí)間序列為2004—2014,即n=11)；k為自變量個(gè)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 橫斷山區(qū)植被NPP基本情況

橫斷山區(qū)2004—2014年的植被NPP在整體上呈波動(dòng)增加趨勢(圖2)。植被年NPP總量在183.768—223.239 TgC之間,多年平均為208.498 TgC；全區(qū)年NPP均值在408—496 gC m-2a-1之間,多年平均為463 gC m-2a-1。從2004年183.768 TgC到2014年的202.834 TgC,平均增速達(dá)2.0 TgC/a。有關(guān)研究表明[11],1961—2008期間我國年NPP總量的均值為3.8 PgC/a,本研究區(qū)面積占大陸面積4.7%,而NPP總量卻占到了全國的5.5%,這反映了同時(shí)期橫斷山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被NPP高于全國平均水平。

圖2 橫斷山區(qū)2004—2014年NPP總量和均值統(tǒng)計(jì)Fig.2 The statistics of annual NPP total and mean value from 2004—2014 in Hengduan mountain area 1TgC= 1012gC, 1PgC=1015gC

由橫斷山區(qū)2004—2014植被NPP的多年平均空間分布(圖3)可知,整體上植被NPP呈北西向的減少趨勢,具體表現(xiàn)為：①橫斷山區(qū)北部地區(qū),植被NPP由東向西逐漸減小(在250—400 gC m-2a-1之間),其低值區(qū)在江達(dá)、松潘等地；而高值分布在九寨溝縣,介于400—950 gC m-2a-1之間。②橫斷山區(qū)中部地區(qū),NPP平均值由東南向西北逐漸減小,低值區(qū)在藏東察雅縣、貢覺縣,川西的爐霍縣、稻城縣以及沙魯里山4000 m以上高海拔地區(qū),其NPP值在250—400 gC m-2a-1之間；高值在川西石棉縣、冕寧縣等地,其NPP值在400—950 gC m-2a-1之間。③橫斷山區(qū)南部地區(qū),植被NPP平均值整體上相對較高,NPP平均值在700 gC m-2a-1以上,但局部差異明顯,高值在西南部,其NPP值大部分在800 gC m-2a-1以上,云南漾濞、大理等地區(qū)超過950 gC m-2a-1；低值在貢山等高海拔地區(qū),介于250—550 gC m-2a-1之間；而在西昌、攀枝花和云南東川、會澤、永仁、元謀等地區(qū),其NPP值在400—700 gC m-2a-1之間。此外,在橫斷山區(qū)南部的高山峽谷地區(qū),NPP明顯呈南北向帶狀分布,同時(shí)分布帶之間又有差異。在西面獨(dú)龍江、怒江、瀾滄江峽谷及山脈地區(qū),峽谷地區(qū)高于山脈頂部,且在由東向西、由南向北方向上呈現(xiàn)明顯減少趨勢；局部上從谷底到山嶺呈現(xiàn)先增加后減少趨勢,在中部金沙江流域河流谷底的NPP比較低,向河岸山脈先增加后減小,而在東部大渡河峽谷、雅礱江峽谷地區(qū)則河流谷底高,逐漸向山嶺減小。

3.2 橫斷山區(qū)植被NPP動(dòng)態(tài)變化

圖4 橫斷山區(qū)2004—2014年不同植被類型NPP平均值動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic Change of different vegetation types mean NPP in Hengduan mountain area during 2004—2014

橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP平均值年際變化值θslope介于-53—97 gC m-2a-1之間(圖3),NPP增加趨勢(即θslope>0)區(qū)域集中在北部、中部的東側(cè)地區(qū)以及南部的東西兩側(cè)地區(qū),其中在云南西北部的怒江峽谷-福貢-瀘水一帶,香格里拉縣以及紹覺-巧家-會澤等地區(qū)增加幅度最大,其增速在9—40 gC m-2a-1之間。另外,金沙江峽谷、雅礱江峽谷地區(qū)的NPP增速介于3—9 gC m-2a-1之間。而NPP呈減少趨勢(即θslope>0)的區(qū)域主要集中在汶川-映秀等地區(qū),其變化在-3—-9 gC m-2a-1之間,攀枝花等局部區(qū)域的NPP變化在-9—-53 gC m-2a-1之間。

研究區(qū)涉及針葉林、針闊葉混交林、闊葉林、灌叢等10個(gè)植被大類。不同植被類型的NPP年總量差異明顯：針葉林>灌叢>草甸>栽培植被>闊葉林>草叢>高山植被>其他類型,其占比分別為30%、29%、12%、10%、9%、8%、1%和1%。另外,不同植被類型的NPP均值表現(xiàn)為：草叢(703 gC m-2a-1)>栽培植被(694 gC m-2a-1)>針闊葉混交林(590 gC m-2a-1)>闊葉林(569 gC m-2a-1)>針葉林(564 gC m-2a-1)>灌叢(419 gC m-2a-1)>沼澤(347 gC m-2a-1)>草原(331 gC m-2a-1)>草甸(301 gC m-2a-1)>高山植被(111 gC m-2a-1)。由此可見,在單位時(shí)間、單位面積下,該地區(qū)的草叢和栽培植被的固碳能力是最強(qiáng)的,其次是闊葉林類,最弱的為高山植被,這與谷小平[17]和周長海[38]對該地區(qū)的研究結(jié)論基本一致。

通過橫斷山區(qū)2004—2014年不同植被類型NPP平均值變化曲線(圖4)進(jìn)一步分析可知：①整體上,區(qū)域內(nèi)絕大多數(shù)植被類型NPP變化相近,呈波動(dòng)增加趨勢,平均上升率為4.07 gC m-2a-1；但草原植被類型呈略微下降趨勢,平均下降率為-0.46 gC m-2a-1。②不同植被生態(tài)系統(tǒng)的年NPP平均值梯度分異明顯,大致分為5個(gè)區(qū)間：最高是草叢和栽培植被生態(tài)系統(tǒng)(>640 gC m-2a-1),其次是喬木生態(tài)系統(tǒng)(490—630 gC m-2a-1),再次是灌木生態(tài)系統(tǒng)(360 —460 gC m-2a-1),再次是草原草甸類生態(tài)系統(tǒng)(250—390 gC m-2a-1),最低是高山植被生態(tài)系統(tǒng)(80—130 gC m-2a-1)。③該地區(qū)不同植被類型NPP年際變化幅度不同,其中闊葉林、針闊混交林和草原變化幅度相對較大。

3.3 NPP與氣溫、降水量相關(guān)分析

圖5 橫斷山區(qū)北部、中部、南部2004—2014年的雨季平均氣溫和累積降水量動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of the rainy season′s mean temperatures and accumulated precipitation in Hengduan mountain area′s different part during 2004—2014 (ⅰ):橫斷山區(qū)南部 south part of Hengduan mountain area ; (ⅱ):橫斷山區(qū)中部 middle part of Hengduan mountain area; (ⅲ):橫斷山區(qū)北部 north part of Hengduan mountain area

橫斷山區(qū)降水量存在明顯的季節(jié)性分配,雨季(5—10月)降水量占絕大部分(80%—90%以上)[21,23,26]。近50a來,氣溫呈上升趨勢,2000—2008時(shí)段年均氣溫比多年均值(1960—2008)高0.46℃,雨季(5—10月)氣溫和降水量的變化傾向率分別為0.117 ℃/(10a)和6.01 mm/(10a),而最明顯的是雨季降水在2000年以后明顯降低[26]。橫斷山區(qū)(北部、中部、南部)及附近73個(gè)地面氣象站雨季的平均氣溫和累積降水量統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明：①橫斷山區(qū)2004—2014年平均氣溫在15.03—16.21 ℃之間,多年平均為15.87 ℃；累積降水量在580.13—744.22 mm之間,多年平均為691.31 mm。整體上,研究區(qū)中部、南部氣溫呈上升趨勢,北部氣溫呈下降趨勢,而整區(qū)降水量變化不明顯。②該地區(qū)因緯度跨度、海拔等因素,南北氣候變化差異大。由橫斷山區(qū)雨季的氣溫和降水量變化趨勢曲線 (圖5)所示,南部氣溫逐漸上升,但降水量有所減少,趨勢變化率分別為0.051 ℃/a、-4.344 mm/a；中部氣溫變化不明顯,降水量增加明顯,趨勢變化率分別為0.018 ℃/a、5.593 mm/a；而橫斷山區(qū)北部的氣溫下降明顯,但降水量在逐漸增加,趨勢變化率分別為-0.059 ℃/a與5.280 mm/a。

由植被NPP與氣溫偏相關(guān)性的空間分布特征(圖6)可知,植被NPP年均值與雨季氣溫的相關(guān)系數(shù)介于-0.91—0.98之間,正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的78.39%、21.61%。呈正相關(guān)區(qū)域主要集中在北部的紅原縣、中部的沙魯里山周圍以及南部瀾滄江德欽—迪慶、貢山—維西一帶；負(fù)相關(guān)主要分布在北部的松潘地區(qū)、中南部的沙魯里山和貢嘎山附近以及南部的攀枝花地區(qū)。由t檢驗(yàn)可知,有2.98%的區(qū)域通過了P<0.01水平的顯著性檢驗(yàn)(在中部的沙魯里山和大雪山地區(qū))。

植被NPP與降水量的偏相關(guān)性分析(圖6)顯示,植被年NPP均值與雨季降水量在-0.98—0.93之間,正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的27.06%、72.94%,正相關(guān)區(qū)域主要集中在北部的阿壩縣、中部東緣茂縣至瀘定一帶)以及南部的東西兩側(cè)；而負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在中部的沙魯里山和大雪山等地。研究區(qū)有4.68%的區(qū)域通過了P<0.01水平的t顯著性檢驗(yàn),分布在中部的爐霍-道孚至沙魯里山地區(qū)。另外, NPP與氣溫、降水的偏關(guān)系數(shù)在東北部(特別是阿壩、紅原地區(qū))存在正負(fù)相關(guān)性互補(bǔ)現(xiàn)象,而中部的云嶺-沙魯里山以及南部大部分地區(qū)的NPP分別與氣溫、降水的偏關(guān)系數(shù)一致。整體而言,橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)的平均值分別為0.230、-0.225,植被NPP與氣溫呈正相關(guān)性、與降水量呈負(fù)相關(guān)性的特征明顯。

圖6 橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.6 Spatial distribution of partial correlations between annual NPP and temperature,as well as precipitation in Hengduan mountain area during 2004—2014

由植被年NPP均值與平均氣溫和降水量的復(fù)相關(guān)分析可知(圖7),NPP與雨季氣候因子(平均氣溫、累積降水)的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0—0.98之間。整體而言,植被NPP與氣候因子的復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)的區(qū)域主要集中在橫斷山區(qū)中部,特別是中部的云嶺—沙魯里山—大雪山一帶。復(fù)相關(guān)性較弱的區(qū)域分布在北部的阿壩縣、黑水縣,中部東緣的得榮縣、瀘定縣、石棉縣以及東南部廣大地區(qū)。通過分析,植被NPP與氣候因子復(fù)相關(guān)性的地區(qū)差異很可能與海拔、植被類型有關(guān)。橫斷山區(qū)南北海拔差異大,中部、北部處于高海拔地區(qū)(>4000 m),南部大部分地區(qū)海拔在3000 m以下,根據(jù)有關(guān)研究,同緯度不同海拔氣溫變化敏感性有差異,高海拔地區(qū)對氣溫變化敏感度高于同緯度的低海拔地區(qū)[26]。另外,橫斷山區(qū)中部、北部植被類型以草甸和高山植被,南部地區(qū)植被以針葉林、灌叢以及栽培植被為主,草甸和高山植被對氣溫、降水的敏感性要高于其他森林植被[39]。

圖7 橫斷山區(qū)2004—2014年NPP與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)分布和NPP變化驅(qū)動(dòng)力分區(qū)Fig.7 Spatial distribution of multiple correlation between annual NPP and temperature-precipitation and NPP change regions driven by different factors from 2004—2014 in Hengduan mountain area[T+P]+: 氣溫、降水強(qiáng)驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature and precipitation strongly; T: 氣溫為主驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature mainly; P: 降水為主驅(qū)動(dòng) Change driven by precipitation mainly; [T+P]-: 氣溫降水弱驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature and precipitation weakly; NC: 非氣候驅(qū)動(dòng) Change driven by non-climate

3.4 NPP變化驅(qū)動(dòng)分區(qū)

植被NPP的動(dòng)態(tài)變化主要受氣候和人類活動(dòng)影響[40-41]。其中,氣候變化特別是降水和溫度的變化,對陸地植被的生長具有重要的影響[42-43]。本文參考國內(nèi)外眾多學(xué)者研究[44-46],參照植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)分區(qū)的原則[47]并進(jìn)行適當(dāng)修正(表2),對橫斷山區(qū)植被NPP變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分區(qū)研究。

表2 NPP變化驅(qū)動(dòng)力分區(qū)準(zhǔn)則

R1: NPP與氣溫偏相關(guān)的t顯著性檢驗(yàn) T-Test significance of the partial correlations between NPP and temperature;R2: NPP與降水偏相關(guān)的t顯著性檢驗(yàn) T-Test significance of the partial correlations between NPP and precipitation;R3:NPP與氣溫、降水復(fù)相關(guān)的F顯著性檢驗(yàn) F-Test significance of the multiple correlations between NPP and temperature-precipitation;[T+P]+: 氣溫、降水強(qiáng)驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature and precipitation strongly; T: 氣溫為主驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature mainly; P: 降水為主驅(qū)動(dòng) Change driven by precipitation mainly; [T+P]-: 氣溫降水弱驅(qū)動(dòng) Change driven by temperature and precipitation weakly; NC: 非氣候驅(qū)動(dòng) Change driven by non-climate

圖8 橫斷山區(qū)2004—2014年不同數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)集年NPP總量曲線對比Fig.8 The curve′ compairation of total annual NPP with different data source and collection in Hengduan mountain area during 2004—2014Terra-C5-NTSG: Terra衛(wèi)星的MODIS C5數(shù)據(jù),經(jīng)過美國蒙大拿大學(xué)NTSG矯正后發(fā)布 MODIS C5 data of the Terra satellite, it was recalibrated and distributed by NTSG; Terra-C5-LPDAAC:Terra衛(wèi)星的MODIS C5數(shù)據(jù),由LPDAAC發(fā)布 MODIS C5 data of the Terra satellite, it was calibrated and distributed by LPDAAC; Terra-C6-LPDAAC: Terra衛(wèi)星的MODIS C6數(shù)據(jù),由LPDAAC發(fā)布 MODIS C6 data of the Terra satellite, it was calibrated and distributed by LPDAAC

由橫斷山區(qū)NPP變化驅(qū)動(dòng)分區(qū)圖(圖7)可得出：①2004—2014年植被NPP變化受氣溫、降雨強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的區(qū)域主要集中在橫斷山區(qū)中部的爐霍縣、道孚縣,面積約占研究區(qū)面積的0.82%；②以氣溫為主要驅(qū)動(dòng)因素的區(qū)域約占研究區(qū)面積的2.29%,分布在中部的爐霍—道孚—雅江—康定一帶；③有3.20%區(qū)域以降雨為主要驅(qū)動(dòng)因素,主要集中在中部的沙魯里山地區(qū)；④以氣溫、降雨為弱驅(qū)動(dòng)因素的區(qū)域面積占研究區(qū)面積的2.11%,大致分布在中部的巴塘、丹巴、金川以及南部的瀘水—云龍地區(qū)；⑤剩余地區(qū)(除去冰川/積雪、湖泊)屬于非氣候因素驅(qū)動(dòng)的區(qū)域,包括北部的阿壩縣以及東緣、南部地勢較平緩的地區(qū)。整體上,橫斷山區(qū)植被NPP大部分地區(qū)受非氣候因素的影響。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

劉思瑤[48]等利用CASA模型對四川地區(qū)2000—2011年植被NPP進(jìn)行了模擬估算,得到多年平均為303.27 gC m-2a-1,變化范圍在285—340 gC m-2a-1之間,與本文所得四川地區(qū)部分的NPP整體接近。董丹[49]等對西南喀斯特地區(qū)植被NPP進(jìn)行了模擬,結(jié)果與本文相同地區(qū)的NPP空間分布基本一致。

2003年Terra衛(wèi)星因設(shè)備故障問題引成了MODIS藍(lán)波段(Band3)數(shù)據(jù)較大失真,這給直接采用這一波段數(shù)據(jù)及其衍生產(chǎn)品的相關(guān)研究帶來一定程度的影響,而LPDAAC于2014年4月陸續(xù)發(fā)布了一套經(jīng)過系列糾正處理的MODIS C6數(shù)據(jù)產(chǎn)品,在質(zhì)量上得到了提高[31-32,34]。本文分別對橫斷山區(qū)2004—2014年不同來源MODDIS C5與C6產(chǎn)品的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較(圖8)。結(jié)果表明,C5與C6數(shù)據(jù)之間存在明顯差異,主要表現(xiàn)在：①數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在差異,C6數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量中、高等級(NPP_QC<64)累積百分比高于C5數(shù)據(jù)；②兩種數(shù)據(jù)同一研究區(qū)內(nèi)NPP年總量存在著差異,整體上,相比C6數(shù)據(jù)產(chǎn)品,C5結(jié)果偏大,但空間格局基本一致。

4.2 結(jié)論

本文基于MODIS C6 的NPP數(shù)據(jù)、植被類型數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及地形數(shù)據(jù),對2004—2014年橫斷山區(qū)植被NPP的時(shí)空格局、變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了分析研究,得到如下結(jié)論：

(1)橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP在整體上呈波動(dòng)增加趨勢,全區(qū)年NPP總量在183.768—223.239 TgC之間,多年均值為208.498 TgC；年NPP均值介于408—496 gC m-2a-1之間,多年均值為463 gC m-2a-1；北部、中部、南部植被NPP總量(均值)的多年平均值分別為27.562 TgC (306 gC m-2a-1),64.448 TgC (353 gC m-2a-1),116.486 TgC (671 gC m-2a-1)。

(2)不同植被生態(tài)系統(tǒng)的年NPP均值梯度明顯：最高梯度為草叢和栽培植被生態(tài)系統(tǒng)(>640 gC m-2a-1),其次是喬木生態(tài)系統(tǒng)(490—630 gC m-2a-1),再次是灌木生態(tài)系統(tǒng)(360—460 gC m-2a-1),再次為草原草甸生態(tài)系統(tǒng)(250—390 gC m-2a-1),最低為高山植被生態(tài)系統(tǒng)(80 —130 gC m-2a-1)。

(3)橫斷山區(qū)植被NPP年際變化值θslope在-53—97 gC m-2a-1之間,局部差異明顯。NPP增加趨勢(即θslope>0)的區(qū)域集中在北部、中部的東側(cè)以及南部的東西兩側(cè)地區(qū)。而NPP呈減少趨勢(即θslope<0)的區(qū)域主要集中在北部的西北部,中部的汶川-映秀以及南部的攀枝花等地。

(4)橫斷山區(qū)植被NPP變化受氣候因子影響的區(qū)域占比8.42%(氣溫和降水疊加影響0.82%、氣溫為主2.29%、降水為主3.20%、氣溫和降水共同影響2.11%),主要分布在中部大雪山-沙魯里山地區(qū)；非氣候因子(包括人類活動(dòng)、自然災(zāi)害等)占比91.58%,主要位于北部的阿壩地區(qū)以及南部低海拔的廣大地區(qū)。

致謝： 成都理工大學(xué)彭培好教授幫助寫作,特此致謝。

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Tempo-spatial variations and driving factors analysis of net primary productivity in the Hengduan mountain area from 2004 to 2014

WANG Qiang1, ZHANG Tingbin1,2,3, *, YI Guihua1,4, CHEN Tiantian4, BIE Xiaojuan1, HE Yixuan1

1ChengduUniversityofTechnology,CollegeofEarthSciences,Chengdu610059,China2KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesoftheP.R.China,Chengdu610059,China3TheEngineering&TechnicalCollegeofChengduUniversityofTechnology,Leshan614000,China4InstitudeofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China

The Hengduan mountain area is acting as the essential ecological barrier for the upper reaches of the Yangtze River, which exerts profound influences to the climate and ecological environment of its surrounding areas as well as the Middle West part of our country. As the core of carbon budget climate changes, NPP functions as the crucial indicator in measuring the health status and sustainable development of the ecological system. Therefore, based on the NPP statistics of MODIS C6, vegetation map (1∶1000000), meteorological data as well as topographic data, this paper is intended to utilize trend line analytical method and other related analysis methods to perform study on the spatial pattern, variation rules and the driving factors to NPP in Hengduan mountain area during year 2004—2014. Detailed research results indicate that: ①total NPP for Hengduan mountain area during 2004—2014 falls between 183.768—223.239 TgC with average of annual NPP total value as 208.498 TgC and annual NPP mean value per unit area as 463 gC m-2a-1. On the whole, overall NPP is showing an increasing trend with distinct local disparity. ②average annual NPP change rate is within -53—97 gC m-2a-1. And regions with a rising NPP tendency are mainly distributed at the north part, east of middle part as well as east and west of the south part; whereas regions with a decreasing tendency mainly concentrates on Wenchuan-Yingxiu areas which belong to the northwest and middle part. ③The regions with NPP changes resulted from climate factors take up 8.42% of the total coverage of the Hengduan mountain area. These regions mainly sit at the mountainous areas at Daxue Mountain-Shaluli Mountain. By contrast, those subject to non-climate factors occupy 91.58% of the Hengduan mountain area. And they are mainly located at Aba areas in the north and broad regions in the south part with lower altitude. As far as the significance of this paper is concerned, it will provide instructions to the ecological environment construction and the sustainable growth for Hengduan mountain area.

NPP; climate change; driving factors; MODIS C6; Hengduan mountain area

國家科技支撐項(xiàng)目(2012BAC19B05):重點(diǎn)領(lǐng)域氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

2016- 02- 03; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201602030248

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangtb@cdut.edu.cn

王強(qiáng),張廷斌,易桂花,陳田田,別小娟,何奕萱.橫斷山區(qū)2004—2014年植被NPP時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)因子.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):3084- 3095.

Wang Q, Zhang T B, Yi G H, Chen T T, Bie X J, He Y X.Tempo-spatial variations and driving factors analysis of net primary productivity in the Hengduan mountain area from 2004 to 2014.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):3084- 3095.