2005—2015年廣東省森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力時空變化特征

李國洋 徐啟恒 陳寬文 曹永超

（1 廣東省東莞市測繪院，東莞523129；2 廣東省東莞市不動產(chǎn)登記中心，東莞 523129）

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對于全球碳平衡、CO2等溫室氣體上升，全球氣候變化等具有重要的作用。植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）是指植被在單位時間、單位面積上累積的有機(jī)干物質(zhì)總量，是進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去呼吸消耗的能量剩余的部分[1-2]。森林植被NPP是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程重要指標(biāo)和關(guān)鍵參數(shù)，可以評估植被的生產(chǎn)能力，同時可以衡量陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在全球氣候變化中具有重要的作用[3-4]。

MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有高時間分辨率的優(yōu)勢，在森林植被監(jiān)測中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。基于遙感估算的NPP已經(jīng)成為森林植被監(jiān)測的一個重要指標(biāo)[5-6]。王培娟等[7]對長白山地區(qū)森林植被NPP的影響因子進(jìn)行了敏感性研究，結(jié)果表明長白山森林植被NPP與溫度呈負(fù)相關(guān)與降水量無明顯關(guān)系。江洪等[8]基于MODIS遙感影像結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對福建省2004 年森林生態(tài)系統(tǒng)植被凈初級生產(chǎn)力進(jìn)行了模擬與分析，結(jié)果表明福建省森林生態(tài)系統(tǒng)NPP空間分布具有地域特征。趙鑫等[9]基于MODIS數(shù)據(jù)估算了內(nèi)蒙古地區(qū)的森林植被NPP，結(jié)果表明內(nèi)蒙古森林植被NPP具有空間異質(zhì)性，由東向西、由北向南依次減小，不同植被類型也存在差異。李登秋等[10]研究了江西省森林植被NPP的動態(tài)變化特征和驅(qū)動因子，結(jié)果表明氣候變化等因素對森林植被NPP的動態(tài)變化有一定的影響。趙穎慧等[11]對黑龍江落葉松NPP與氣象因素關(guān)系研究，結(jié)果表明生長季NPP與月均氣溫、月均降水呈極顯著相關(guān)性。

廣東省地處我國華南地區(qū)，森林植被資源豐富?；贛ODIS估算的NPP，對2005—2015 年廣東省森林植被NPP的時空變化特征進(jìn)行定量分析，研究成果對于森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評估、氣候變化以及生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境建設(shè)具有重要參考意義。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處低緯度地區(qū)（圖1），橫跨熱帶和亞熱帶。全省的森林植被覆蓋率達(dá)57%，南部地區(qū)為熱帶常綠雨林季節(jié)，中部為南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林，北部南嶺地區(qū)主要為亞熱帶常綠闊葉林[12]。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所使用的2005—2015年NPP數(shù)據(jù)來源于MODIS產(chǎn)品MOD17A3H（https://search.earthdata.nasa.gov/），該產(chǎn)品運用生物地球化學(xué)模型BIOME-BGC估算出全球陸地植被年NPP，已經(jīng)在全球和區(qū)域NPP以及碳循環(huán)研究中得到廣泛應(yīng)用。MOD17A3H產(chǎn)品中的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息文件（Npp_QC_500m）是8 bits位的二進(jìn)制格式壓縮成整型數(shù)據(jù)的一個波段，使用MODIS陸地數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化產(chǎn)品質(zhì)量評估工具（LDOPE Tools）把壓縮的二進(jìn)制恢復(fù)為通常的十進(jìn)制波段，即解碼[13]。8 bits位的第一位（MODLAND_QC bits）代表數(shù)據(jù)質(zhì)量，第1 bit位數(shù)據(jù)解壓為十進(jìn)制數(shù)據(jù)后，“0”代表Good Quality，“1”代表Other Quality。利用MRT軟件對MOD17A3H數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)化以及重采樣處理，處理后的數(shù)據(jù)為TIF格式，投影為Albers等積圓錐投影，空間分辨率為500 m。最后利用質(zhì)量信息文件，選擇質(zhì)量好的像元參與分析。

土地利用數(shù)據(jù)（2005、2010和2015 年）來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/），本研究中的森林植被就是土地利用分類體系中的林地。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://data.cma.cn/），主要包括氣溫和降水，為保證數(shù)據(jù)的一致性，選擇2005年建站以來的氣象站，利用廣東省以及周邊的氣象站點數(shù)據(jù)采用Anuspline 4.3氣象專用插值軟件進(jìn)行插值，得到與NPP數(shù)據(jù)具有一致的空間分辨率和投影的溫度和降水柵格數(shù)據(jù)集。利用廣東省矢量邊界數(shù)據(jù)對NPP數(shù)據(jù)、氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)內(nèi)森林植被NPP、氣溫和降水的空間分布數(shù)據(jù)。

2.2 方法

NPP的變化趨勢采用Sen趨勢分析方法[14]，并用Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法對NPP的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗。為了定量研究森林植被NPP與區(qū)域氣候因子的關(guān)系，使用Pearson相關(guān)系數(shù)方法[15]分析森林植被NPP與降水、氣溫之間的關(guān)系。

3 時空格局

3.1 廣東省2005—2015 年森林植被NPP 時間變化特征

2005—2015年，廣東省森林植被年NPP均值以及年NPP總量總體上均呈現(xiàn)波動上升的趨勢（圖2）。森林植被年NPP均值變化范圍是748.32～865.41 gC·m-2·a-1，平均值為816.46 gC·m-2·a-1，最大值是2013年，最小值是2 0 0 5 年；森林植被年N P P總量變化范圍是7.79×1013～-9.0 4×1013g C·a-1，平均值為8.61×1013gC·a-1，最大值是2013 年，最小值是2005 年。

3.2 廣東省2005-2015 年森林植被NPP 空間分布格局

圖2 2005—2015年廣東省森林植被年NPP均值變化趨勢Fig. 2 The mean change trend of forest vegetation NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015

圖3 2005—2015年廣東省森林植被年NPP均值空間分布（單位：gC·m-2·a-1）Fig. 3 The spatial distribution of forest mean NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015 (Unit:gC·m-2·a-1)

2005—2015年廣東省各市年NPP均值（多年的NPP均值）如圖3所示。2005—2015年，廣東省森林植被年NPP均值，高值主要分布在廣東省的中部與東部地區(qū)，潮州市、梅州市、河源市和肇慶市等，低值區(qū)主要分布在廣東省的北部地區(qū)和南部地區(qū)，韶關(guān)市、清遠(yuǎn)市和湛江市等。潮州市年NPP均值最大（1009.53 gC·m-2·a-1）；其次為汕尾市（952.44 gC·m-2·a-1）；中山市和湛江市的年NPP均值最小，分別為589.65、572.87 gC·m-2·a-1。

3.3 廣東省2005—2015 年森林植被NPP 空間趨勢特征

為監(jiān)測廣東省森林植被NPP變化趨勢，計算了2005—2015 年森林植被NPP的Sen趨勢，并進(jìn)行Mann-Kendall檢驗，將結(jié)果劃分為無顯著變化和顯著變化（P＜0.05）兩個等級（圖4）。結(jié)果表明，廣東省森林植被NPP 有15.93%為無顯著變化區(qū)域，顯著上升和顯著下降區(qū)域分別為63.45%和20.62%；2005—2015年廣東省森林植被NPP呈顯著下降的區(qū)域主要分布廣東省北部地區(qū)的清遠(yuǎn)市、韶關(guān)市、河源市、梅州市以及零星分布在南部的湛江市，NPP呈顯著上升的區(qū)域主要分布在廣東省的中南部地區(qū)茂名市、陽江市、云浮市等。

圖4 2005—2015年廣東省森林植被NPP變化趨勢與顯著性Fig. 4 The change trend and significance of forest vegetation NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015

4 影響因素分析

4.1 廣東省年均氣溫及降水空間分布

分析2005—2015 年廣東省溫度和降水柵格數(shù)據(jù)可知：近11年來，廣東省年平均氣溫呈現(xiàn)南高北低的趨勢，尤其是湛江市年均溫度最高，清遠(yuǎn)市和韶關(guān)市的林區(qū)溫度較低；年均降雨量最高的地區(qū)位于陽江市和江門市，年均降雨量最低的地區(qū)主要位于西部的云浮市和肇慶市、北部的韶關(guān)市以及東北部的梅州市和潮州市（圖5）。

4.2 氣候因素對NPP 的影響

對廣東省2005—2015 年氣象柵格數(shù)據(jù)和森林植被NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到氣溫和降水量與森林植被NPP相關(guān)系數(shù)的空間分布圖（圖6）。由圖可知，氣溫和降水對森林植被NPP均值的影響呈現(xiàn)明顯的空間分布特征。其中森林植被NPP與氣溫呈正相關(guān)的面積占總面積的14.36%，主要分布在北部地區(qū)的韶關(guān)市；呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積的17.56%，主要零星分布廣東省的西南部地區(qū)的肇慶市、云浮市、佛山市、江門市、陽江市和茂名市等。森林植被NPP與降雨量呈正相關(guān)的面積占總面積的11.65%，主要零星分布在分布肇慶市、云浮市和茂名市；森林植被NPP與降雨量呈負(fù)相關(guān)的面積占總面積為39.24%。

廣東南部地區(qū)氣溫較高，能充分滿足植被生長，因此溫度與NPP相關(guān)不明顯；而北部地區(qū)為山區(qū)，氣溫較低，一旦溫度升高將有利于植被NPP的增加。降水與NPP相關(guān)圖中，西部降水量低值區(qū)隨著雨量增加，NPP也將增大；而中北部地區(qū)或雨量充沛可以滿足植被生長需求，或因山區(qū)多云雨日照少，因此過多的雨量反而不利于植被生長。

圖5 廣東省2005—2015 年年均氣溫（a）和年降水（b）空間分布Fig. 5 Spatial distribution of annual temperature (a) and precipitation (b) in Guangdong Province from 2005 to 2015

5 結(jié)論

1）時間趨勢上，2005—2015 年，廣東省森林植被年NPP均值以及年NPP總量總體上均呈現(xiàn)波動上升的趨勢。

2）空間分布上，2005—2015 年，廣東省森林植被NPP存在空間異質(zhì)性。NPP年均最大值為潮州市，最低的地區(qū)是中山市和湛江市。

3）空間趨勢性上，2005—2015 年，廣東省森林植被NPP 有15.93%為無顯著變化區(qū)域，顯著上升和顯著下降區(qū)域分別為63.45%和20.62%；2005—2015年廣東省森林植被NPP呈顯著下降的區(qū)域主要分布廣東省北部地區(qū)，NPP呈顯著上升的區(qū)域主要分布在廣東省的中南部地區(qū)。

4）氣溫和降水對森林植被NPP的影響呈現(xiàn)明顯的空間分異特征。