貴州植被NPP時(shí)空格局及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)

蘭小麗 孫慧蘭 許玉鳳

（1新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊? 830054;2新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城市發(fā)展中心，新疆烏魯木齊? 830054;

3黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州都勻? 558000）

摘 要：貴州高原位于我國西南地區(qū)、云貴高原的中部，是長江中上游和珠江上游地區(qū)的生態(tài)關(guān)鍵地，對(duì)我國南部地區(qū)生態(tài)保護(hù)具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）能有效反映植物群落在自然環(huán)境中的生產(chǎn)能力，也是評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[1]。利用2001—2013年的遙感影像及氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)貴州省各種植被NPP年際變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：貴州高原的NPP總體呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì);植被類型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久濕地、作物/自然植被鑲嵌體、農(nóng)作物、灌叢;NPP與年平均氣溫和降水的相關(guān)性分析顯示，氣溫對(duì)NPP的影響高于降水。

關(guān)鍵詞：貴州高原;NPP;植被群落;遙感;氣候因子

中圖分類號(hào) Q948;X171.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 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

陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)量，或稱植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），是指單位時(shí)間、單位面積綠色植物通過光合作用所固定的全部能量或制造的有機(jī)物質(zhì)，即總初級(jí)生產(chǎn)量減去植物呼吸消耗量，剩余部分才用于積累形成植物的各種組織和器官，凈初級(jí)生產(chǎn)量才是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中其他生物真正可以利用的有機(jī)物質(zhì)[2]。NPP是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)性及其與環(huán)境相互作用的重要指標(biāo)，而且直接與全球變化的關(guān)鍵科學(xué)問題——碳循環(huán)、水循環(huán)及食物安全密切相關(guān)[3]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是植物活動(dòng)的重要變量，主要受氣溫、降水、土地類型等環(huán)境因子的影響。

針對(duì)NPP的研究最早開始于19世紀(jì)80年代，直到20世紀(jì)60年代由于人們追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展造成環(huán)境的破壞，關(guān)于NPP的相關(guān)研究才引起了廣泛重視。獲得植被NPP的傳統(tǒng)方法有進(jìn)行大規(guī)模實(shí)地調(diào)查、建立環(huán)境因子回歸模型等。自20世紀(jì)60年代以來，各國學(xué)者廣泛開展NPP的研究，發(fā)展了許多NPP估算模型，大致歸納為統(tǒng)計(jì)模型、過程模型和參數(shù)模型3類。統(tǒng)計(jì)模型是通過建立氣候數(shù)據(jù)與NPP之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來估算NPP，有代表性的是Thornthwaite Memorial模型、Uchijima的Chikugo模型等。過程模型側(cè)重于植物生命過程和能量轉(zhuǎn)換機(jī)制，利用光合作用、蒸散發(fā)等參數(shù)來估算NPP，又稱機(jī)理模型，以Parton的CENTURY模型、Melillo的TEM模型為代表[4]。提取的NPP數(shù)據(jù)參考了BIOME-BGC模型與光能利用率模型建立的NPP估算模型模擬得到的NPP數(shù)據(jù)更加精確[5]。梁妙玲等[6]利用1961—2000年的降水和氣溫資料模擬研究中國近40年的植被動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果表明中國植被NPP的主要影響氣候因子是降水，溫度的影響在不同地區(qū)差別很大。董丹等[7]利用CASA模型對(duì)西南喀斯特植被NPP進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)西南8省市區(qū)1999—2000年喀斯特和非喀斯特植被NPP有輕度增加，但空間變化不顯著。谷曉平等[8]利用大氣—植被相互作用模型（AVM2）模擬了西南地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的空間分布格局和多年變化，發(fā)現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力有上升趨勢(shì)。目前，有關(guān)貴州高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究較少。為此，筆者采用遙感數(shù)據(jù)分析了貴州高原地區(qū)2001—2013年的NPP時(shí)空格局及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)，旨在為貴州高原生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 貴州省位于中國西南地區(qū)（103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N），東西相距約為595km，南北距離約509km，總面積為176167km2，占全國國土面積的1.8%左右。全省森林覆蓋率達(dá)30.8%，人均森林面積0.14hm2，活立木總蓄積量達(dá)2.1m3。植被類型主要是林地、灌叢、草地、永久濕地、農(nóng)作物、作物/自然植被鑲嵌體等。全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地3種主要類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵[9]。境內(nèi)山脈綿延不絕，地形崎嶇，山高谷深，故又稱為貴州高原。貴州高原是云貴高原地形區(qū)的一部分，地勢(shì)西部較東部高，平均海拔1100m左右，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，大部分地區(qū)年平均氣溫為15℃左右，年降水量1300mm左右。適宜的溫度和降水為貴州高原的植被生長提供了優(yōu)越的氣候條件。貴州高原境內(nèi)的烏江、北盤江分別處在長江和珠江2大水系中上游地帶，因此貴州高原內(nèi)的生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣可直接影響到長江和珠江沿岸的生境，因此研究該區(qū)域的植被NPP對(duì)保護(hù)中國南部地區(qū)和東部沿海地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源 2001—2013年植被NPP數(shù)據(jù)來源于MODIS遙感數(shù)據(jù)的MOD17A3;植被類型的數(shù)據(jù)來源于MODIS的MCD12Q1;氣象數(shù)據(jù)取自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，為1981—2013年貴州省27個(gè)氣象臺(tái)站的年平均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)（見圖1）。

1.3 研究方法 利用MOD17A3數(shù)據(jù)研究植被NPP變化情況。對(duì)MOD17A3數(shù)據(jù)的拼接、投影、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、重采樣等前期處理在MRT V4.1（MODIS Reprojection Tool）專用軟件下完成，利用常規(guī)統(tǒng)計(jì)方法和ArcGIS的圖層疊加、分析運(yùn)算、制圖等功能完成NPP的分析和制圖[10]，再利用相關(guān)系數(shù)算法得出溫度與降水對(duì)貴州高原NPP的相關(guān)性并分析對(duì)氣候要素的響應(yīng)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 NPP時(shí)空分布特征

2.1.1 NPP年變化 2001—2013年貴州高原的植被NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均值為612.5g C/m2·a，最大值為2002年的673.8g C/m2·a，最小值為2011年的530.2g C/m2·a。2001年、2005年、2010年、2011年、2012年為負(fù)距平，其余年份都為正距平（圖2）。

2001—2013年的年平均NPP值為612.5g C/m2·a，2001—2009年間NPP值呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，期間有些年份NPP值減少低至年平均值，如2001年、2005年。2010—2012年的NPP值均有明顯的下降趨勢(shì)，2013年又有所好轉(zhuǎn)。總體而言，研究期間植被NPP呈減小趨勢(shì)（見圖3）。

2.1.2 年平均NPP的空間分布及變化趨勢(shì) 貴州高原的年平均NPP值在400～600g C/m2·a，部分地區(qū)大于600g C/m2·a，其中黔西南州、黔南州、畢節(jié)西南部、遵義西部的年平均NPP值較貴州高原其他地區(qū)大，銅仁市西部、貴陽南部、畢節(jié)、安順、六盤水相鄰地區(qū)的年平均NPP值都較低，在0～300g C/m2·a。NPP總體呈現(xiàn)由南向北遞減趨勢(shì)。貴州高原植被多為森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)作地等，其NPP平均值均較高。部分地區(qū)由于喀斯特地貌顯著，巖石裸露加上小氣候因素和人為過度開發(fā)林地、草地，造成石漠化現(xiàn)象，石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重區(qū)域NPP平均值最低（見圖4）。

為確定貴州高原NPP的變化狀況，制作了植被NPP變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知，2001—2013年貴州高原NPP的變化總體上較復(fù)雜。顯著增加的NPP面積占26%，主要增加區(qū)域在貴州高原的西南部地區(qū)，主要是畢節(jié)市、六盤水市、黔西南布依族苗族自治州;顯著減少的NPP變化面積占29%，主要分布在銅仁市、黔東南苗族侗族自治州、遵義市南部;基本不變的區(qū)域占45%，主要分布在遵義市北部、安順市、黔西南州南部、黔南州東南部。

貴州高原各地區(qū)氣溫、降水、海拔等自然因素差異較大，植被NPP也由于所處區(qū)域的不同而有著相應(yīng)的區(qū)別和空間差異（見表1）。由表1可知，NPP平均值較高的區(qū)域在貴陽市、六盤水市、遵義市，其次是安順市、黔西南州、黔東南州、黔南州、銅仁市、畢節(jié)市。

2.1.3 地表植被的NPP年變化 將2001—2013年分辨率為500m的MCD12Q1地表覆蓋類型圖像，重采樣成1km數(shù)據(jù)后提取與MOD17A3數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的不同植被類型的NPP見表2。由表2可知，林地的年NPP值在貴州高原地區(qū)最大，為522～721g C/m2·a，13年的平均值為634.92g C/m2·a;其次是草地，年NPP值在545～703g C/m2·a，13年的年平均值為631.54g C/m2·a;NPP年平均值減少的是永久濕地（599g C/m2·a）、作物/自然植被鑲嵌體（597.92g C/m2·a）、農(nóng)作物（554.69g C/m2·a）、灌叢（524.62g C/m2·a）。

貴州高原處于我國西南林區(qū)，森林資源豐富，植被類型主要為亞熱帶常綠闊葉林，其NPP高于其他植被類型，對(duì)貴州高原的碳密度貢獻(xiàn)最大。其次是草地，貴州高原主要有6大類草地：山地丘陵灌木草叢類草地、山地丘陵草叢類草地、山地丘陵疏林草叢類草地、山地草甸類草地、平原沼澤類草地、低地草甸類草地[11]，因此貴州高原的草地資源對(duì)全區(qū)的NPP貢獻(xiàn)較大。農(nóng)作物方面，由于貴州高原的夏季水熱充足，自然條件優(yōu)越，精耕細(xì)作，因此夏季也是主要的碳來源季節(jié)。貴州高原的灌叢大部分是后退化而生成的另一種生態(tài)群落，分布范圍較廣、生命力較強(qiáng)，主要分布在土壤貧瘠的石山區(qū)域[12]，對(duì)喀斯特生態(tài)環(huán)境具有一定的保護(hù)作用，但其年平均NPP值低于其他植被類型。

2.2 氣候要素變化趨勢(shì)與NPP的相關(guān)性 生物的生長受氣候要素的制約，氣候要素的變化會(huì)引起NPP的變化。國內(nèi)外的部分學(xué)者利用長時(shí)間衛(wèi)星遙感影像，對(duì)植被NPP變化規(guī)律及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了研究[13]。通過對(duì)陸地植物生理特征的研究發(fā)現(xiàn)，外部因子對(duì)NPP的影響十分復(fù)雜。降水、溫度是生物生長必不可少的要素，任何一個(gè)發(fā)生變化都會(huì)引起植被區(qū)域類型發(fā)生不同尺度的變化[14]。朱文泉等[15]研究認(rèn)為，影響NPP變化的因素很多，植樹造林、氣候變化、人為影響等等，這些協(xié)迫因子具有區(qū)域性差異。筆者利用了1981—2013年的貴州省年平均氣溫和年降水量分析氣候要素變化趨勢(shì)與NPP的相關(guān)性。

2.2.1 年平均氣溫 在全球氣溫普遍升高的大背景下，貴州高原的氣溫亦呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)見圖6。由圖6可知，貴州省在1996年年平均氣溫最低，為15.18℃;2013年最高，達(dá)到17.86℃。全省1981～2013年的年平均氣溫為15.90℃。

2.2.2 年降水量 由圖7可知，全省27個(gè)站臺(tái)1981—2013年的歷年降水量呈下降趨勢(shì)，年降水量最低的為2011年的840.22mm，最高值為1997年的1317.62mm，1981—2013年的年降水量平均值為1137.89mm。總體而言，貴州高原的降水比較豐富，對(duì)滿足植被生長具有重要意義，也是影響植被NPP值變化的重要因子。

2.2.3 氣溫、降水與NPP的相關(guān)性 通過對(duì)2001—2013年平均NPP與對(duì)應(yīng)年平均氣溫、降水分別進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明：NPP與年平均氣溫和降水呈正相關(guān)，與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.466，與降水的相關(guān)系數(shù)為0.344。由此可知，貴州高原地區(qū)NPP與年平均氣溫的相關(guān)性高于年降水量。

陳福軍等[16]認(rèn)為NPP對(duì)氣候因子的響應(yīng)具有空間分異規(guī)律，在青藏高原、新疆天山地區(qū)、東北大小興安嶺，長白山等常年冷濕地區(qū)，NPP年總累積量和年平均氣溫呈正相關(guān)，和年降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。這說明在廣袤的高寒地區(qū)溫度對(duì)植被的生長起到關(guān)鍵性的限制作用。楊元合等[17]認(rèn)為在年平均氣溫較低、氣候寒冷地區(qū)生長的植被對(duì)氣候變化具有滯后性，因此今后應(yīng)進(jìn)一步研究貴州高原的植被對(duì)氣候變化的響應(yīng)是否具有滯后性。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：（1）2001—2013年貴州高原NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均NPP值為612.5g C/m2·a，2002—2004年、2006—2008年、2013年的NPP為正距平，貴州高原的NPP總體呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)。由于受氣溫、降水和不同地表類型的影響，貴州高原的NPP呈現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢(shì)。部分水熱充足地區(qū)的NPP高于其他地區(qū)。（2）植被類型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久濕地、作物/自然植被鑲嵌體、農(nóng)作物、灌叢;2001—2013年貴州高原NPP總體保持不變趨勢(shì)的面積占45%，顯著增加的面積占26%，顯著減少的面積占29%。（3）通過分析NPP與年平均氣溫和降水的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，NPP與年平均氣溫和降水均呈正相關(guān)關(guān)系，且年平均氣溫的相關(guān)性大于降水。

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（責(zé)編：徐世紅）