植被NPP時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因子分析
——以延安地區(qū)為例

馬 蘇，崔國(guó)屹，趙 玉，趙 瑩，劉雪珍，張承棟

（1渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，西安 710054）

0 引言

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)是指綠色植物在自然環(huán)境下，通過(guò)光合作用在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)積累的有機(jī)物的量，是綠色植物所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量除去自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[1]。NPP為生態(tài)系統(tǒng)提供最基本的供給服務(wù)和支持服務(wù)。NPP研究關(guān)系到全球變化的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[2-4]，如碳循環(huán)[5]、氣候變化[6-7]、水循環(huán)[8]與糧食安全[9]等。因此，研究植被NPP時(shí)空變化狀況為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)測(cè)提供一定的理論依據(jù)。從20世紀(jì)60年代起，各國(guó)對(duì)植被NPP開展了大量研究，中國(guó)關(guān)于NPP的研究則起步較晚。目前，學(xué)者主要從3個(gè)方面開展研究。（1）基于遙感影像數(shù)據(jù)的NPP估算模型的研究，例如，開發(fā)及利用GLO-PEM模型[10]、CASA模型[11-12]、Biome-BGC模型[13]等模型進(jìn)行較大尺度區(qū)域的模擬計(jì)算。（2）基于各種尺度的植被NPP的動(dòng)態(tài)變化研究，其中，關(guān)于全球[14]和較大區(qū)域[15-16]的尺度研究較多。（3）植被NPP的空間分異驅(qū)動(dòng)因子的研究[17-19]?；谝陨涎芯堪l(fā)現(xiàn)，大尺度的NPP時(shí)空變化研究較多，而關(guān)于較小的市級(jí)區(qū)域的研究較為少見，多數(shù)研究考慮了NPP的時(shí)空變化與其他環(huán)境因子的相關(guān)性，但是對(duì)影響因子的重要程度和交互影響作用的研究較少。

筆者以生態(tài)環(huán)境較脆弱的黃土高原的主要城市——延安地區(qū)為研究區(qū)，利用一元線性回歸分析和GIS空間分析方法以及地理探測(cè)器模型，對(duì)2000—2009年的延安地區(qū)NPP的時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行研究，以期為黃土高原的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安地區(qū)位于陜西省北部的黃土高原，地理坐標(biāo)35°21′—37°31′N、107°41′—110°31′E，總面積37037km2。地形起伏明顯，溝壑眾多，形成了典型的塬、梁、峁特殊地形，地貌特征復(fù)雜多樣，平均海拔1200 m左右，地勢(shì)呈現(xiàn)“南高北低、西高東低”的特點(diǎn)（圖1）。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)氣候，年均溫7.7～10.6℃，年降水量約500 mm，主要集中在夏季。植被類型主要為溫帶落葉闊葉林、溫帶針葉林、灌叢等，是國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)境較脆弱的地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)地形及植被類型概況

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究使用的2000—2009年連續(xù)時(shí)間序列的NPP數(shù)據(jù)由GLO_PEM模型計(jì)算得到。氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)，由ANUSPLIN軟件插值得到，植被數(shù)據(jù)由《1:1000000中國(guó)植被圖集》柵格化而成，上述空間數(shù)據(jù)分辨率皆為1000 m×1000 m，且均下載于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)，分辨率為90 m×90 m。土壤數(shù)據(jù)下載于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.tpdc.ac.cn/)的世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database version 1.2)[20]。

1.3 研究方法

1.3.1 一元線性回歸分析 利用一元線性回歸方法分析2000—2009年延安地區(qū)植被NPP的時(shí)間變化趨勢(shì)，計(jì)算如式(1)。

式中，Slope為植被NPP的變化趨勢(shì)，單位為g/(m2·a)；Yi表示第i年的NPP值，單位為g/(m2·a)；i為年變量；n為年數(shù)(n=10)。Slope＞0表示NPP呈上升趨勢(shì)，Slope=0表示不變，Slope＜0表示NPP呈下降趨勢(shì)[1]。

1.3.2 地理探測(cè)器 地理探測(cè)器是分析地理事物空間分異性的方法，地理探測(cè)器分為4種，包括因子探測(cè)器、生態(tài)探測(cè)器、交互探測(cè)器和風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器[21]。廣泛應(yīng)用于探測(cè)地理事物的驅(qū)動(dòng)因素[22-27]。本研究主要使用因子探測(cè)器和交互探測(cè)器，對(duì)導(dǎo)致研究區(qū)植被NPP空間分異的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。其中，因子探測(cè)器主要用于分析各種影響因子對(duì)NPP的解釋力大小，計(jì)算如式(2)。

式中，PD,H表示影響因子D對(duì)NPPH的解釋力；n為整個(gè)研究區(qū)域樣本量；σ2H為整個(gè)區(qū)域NPP的離散方差；nD,i為子區(qū)域內(nèi)樣本個(gè)數(shù)(i=1,2,3,…,n)；為子區(qū)域內(nèi)i植被NPP的離散方差。PD,H的取值范圍為[0，1]，P值越大說(shuō)明影響因子D對(duì)植被NPP的解釋力越強(qiáng)[1]。

交互探測(cè)器用于分析影響因子X1和X2交互作用對(duì)植被NPP影響[1]，主要的交互類型見表1。

表1 交互因子探測(cè)類型

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)NPP時(shí)空變化特征

2.1.1 NPP空間分布特征 延安地區(qū)NPP多年平均值（圖2）整體上呈現(xiàn)“南高北低”的分布特征，NPP高值區(qū)主要分布在延安地區(qū)東南部和西南部縣區(qū)，NPP低值區(qū)主要分布在延安地區(qū)北部和中南部縣區(qū)。由表2可知，NPP均值0～200 g C/(m2·a)的面積所占最大，約為63%；NPP均值1000 g C/(m2·a)以上的面積的所占比例最小，約為5%。

圖2 2000—2009年延安地區(qū)NPP均值空間分布

表2 延安地區(qū)NPP多年均值面積占比統(tǒng)計(jì)

2.1.2 NPP年際變化 2000—2009年延安地區(qū)NPP呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)（圖3），年均增長(zhǎng)量為13.18 g C/(m2·a)，在2002—2005年間變化幅度較大。峰值出現(xiàn)于2003、2007、2009年，最大值為350.48 g C/(m2·a)（2009年），谷值出現(xiàn)在2000、2005、2008年，最低值為2000年[198.81 g C/(m2·a)]，10年間NPP平均值為285.26 g C/(m2·a)。

圖3 2000—2009年NPP年均變化趨勢(shì)

通過(guò)一元線性回歸分析得到研究區(qū)的年均植被NPP變化率（圖4），NPP增長(zhǎng)率為0%～30%的面積約占總面積的94%，NPP增長(zhǎng)率為30%～60%的面積約占總面積的5%，NPP呈正增長(zhǎng)的面積占比高達(dá)99%，而NPP負(fù)增長(zhǎng)區(qū)域的面積之和僅為1%，主要是延安地區(qū)市區(qū)和縣區(qū)城鎮(zhèn)用地。說(shuō)明研究區(qū)NPP在絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中延安地區(qū)南部NPP增長(zhǎng)率較高，可能與南部地區(qū)生態(tài)恢復(fù)植樹造林工程的開展、當(dāng)?shù)厣值臉潺g增長(zhǎng)以及林分質(zhì)量的提升有關(guān)。

圖4 2000—2009年延安地區(qū)植被NPP變化率

2.2 延安地區(qū)植被NPP影響因子分析

降水、氣溫的變化以及土壤類型的質(zhì)地、有機(jī)碳含量、水分、酸堿度等指標(biāo)，直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而植被生產(chǎn)力狀況[28]。選取氣候、植被類型、高程和土壤因子（包括有效貯水量、表層土壤有機(jī)碳、底土有機(jī)碳、土壤質(zhì)地、pH等）作為自變量，植被NPP均值為因變量，進(jìn)行交互作用探測(cè)器和因子探測(cè)器分析。結(jié)果表明，土壤因子大于0.05水平顯著性，說(shuō)明該因子對(duì)植被NPP的單因子驅(qū)動(dòng)力可忽略不計(jì)，原因可能與研究區(qū)的尺度較小、土壤屬性的空間分異性較不顯著有關(guān)。其余因子均通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)，對(duì)植被NPP存在顯著的解釋力（表3）。影響作用最強(qiáng)的是降水因子，解釋力達(dá)0.7，而氣溫對(duì)延安地區(qū)植被NPP的影響較低，解釋力為0.09，延安地區(qū)氣溫空間分異性相較于降水較低，是造成氣溫對(duì)延安地區(qū)植被NPP影響不太顯著的原因。植被類型對(duì)NPP的影響也較為顯著，解釋力為0.42，高程因子的解釋力為0.07，延安地區(qū)南部分布有較大面積的溫帶落葉闊葉林，植被的生產(chǎn)力較高，延安地區(qū)北部的植被類型主要是灌叢、草原和草叢，植被的生物量較低，從而導(dǎo)致NPP較低。

表3 各因素因子探測(cè)結(jié)果

植被NPP變化與多種地理要素的影響有關(guān)，利用交互探測(cè)器分析多種因子的交互作用。探測(cè)結(jié)果（表4）表明，延安地區(qū)植被NPP空間分異的影響因素主要是非線性增強(qiáng)和雙因子增強(qiáng)，任意2個(gè)因素交互后對(duì)植被NPP變化的解釋力更為顯著，研究區(qū)植被NPP的變化受到降水、氣溫、植被、高程、土壤類型等因子交互作用。雙因子增強(qiáng)作用較顯著的交互因子有DEM和降水(0.71)、降水和植被類型(0.75)、降水和氣溫(0.72)、降水和pH(0.70)；非線性增強(qiáng)較顯著的交互因子有降水和底土有機(jī)碳(0.70)、DEM和植被類型(0.51)、植被類型和表層有機(jī)碳(0.46)、植被類型和底土有機(jī)碳(0.46)、植被類型和pH(0.46)、植被類型和土壤質(zhì)地(0.44)、植被類型和有效貯水量(0.43)。

3 結(jié)論

（1）2000—2009年研究區(qū)的NPP呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，在2002—2005年間變化幅度較大。峰值出現(xiàn)于2003、2007、2009年。研究區(qū)94%的地區(qū)NPP的增長(zhǎng)率為0%～30%，當(dāng)?shù)貙?shí)施的造林工程和氣候波動(dòng)變化是主要成因。

（2）研究區(qū)的植被NPP的空間分布呈“南高北低”的分布特征，NPP高值區(qū)主要集中在延安地區(qū)西南部的和東南部，NPP低值區(qū)主要分布在延安地區(qū)北部和延安地區(qū)中南部地區(qū)。植被分布是形成該格局的主要原因。

（3）地理探測(cè)器的結(jié)果表明，降水、植被類型、高程和氣溫為延安地區(qū)植被NPP的空間分布格局的主要驅(qū)動(dòng)因子，任意2種自然因子的交互作用較單因子更顯著，說(shuō)明研究區(qū)NPP的空間分異格局與多種自然因子的交互作用有關(guān)，是降水、氣溫、植被類型、高程和土壤因子綜合作用的結(jié)果。

4 討論

2000—2009年研究區(qū)NPP呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其一方面與20世紀(jì)90年代末起實(shí)施的退耕還林工程[29]有關(guān)，造林面積增加，植被覆蓋度增加，而森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的植被NPP[30]，使得延安地區(qū)的整體NPP水平上升；另一方面，根據(jù)交互探測(cè)器的結(jié)果，降水和氣溫的交互作用對(duì)延安地區(qū)植被NPP的影響較大，從而影響延安地區(qū)植被NPP。從因子探測(cè)器的結(jié)果來(lái)看，降水、植被類型、高程和氣溫是影響延安地區(qū)植被NPP的空間分布呈“南高北低”格局的主要影響因子，尤其是降水和植被因子較為顯著，氣溫和高程對(duì)研究區(qū)NPP也有較低的解釋力，延安地區(qū)地處季風(fēng)氣候區(qū)與半干旱氣候的過(guò)渡區(qū)，降水的空間分異性較強(qiáng)，降水對(duì)植被生長(zhǎng)的干物質(zhì)積累的影響更顯著，但是氣溫的空間分布較均勻，因此對(duì)研究區(qū)的NPP影響較小。不同的植被類型具有不同的生物量，決定了生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力也不盡相同。地形高程因素也是影響植被NPP空間分異的因素之一，通過(guò)控制其水熱條件和土壤條件，進(jìn)而對(duì)區(qū)域植被NPP空間格局產(chǎn)生影響[31-32]。研究區(qū)高程呈“南高北低、西高東低”的格局，南部的山區(qū)氣候較溫暖濕潤(rùn)，主要植被為溫帶落葉闊葉林，植被覆蓋度較高，生物種類繁多，故NPP值較高；而北部和西部以及中南部主要是草地和農(nóng)田，農(nóng)田作物多以草本作物為主，NPP值相對(duì)較低。另外，因子間的交互作用也會(huì)對(duì)研究區(qū)的植被NPP分布產(chǎn)生影響，特別是雖然土壤因子的單獨(dú)因子作用對(duì)植被NPP的影響不顯著，但是土壤因子與降水、植被類型、氣溫、高程等因子交互作用時(shí)的解釋力高于單因子的解釋力，說(shuō)明對(duì)研究區(qū)的植被NPP產(chǎn)生較顯著的影響，這體現(xiàn)了地理事物的影響因子往往具有復(fù)雜的綜合性，延安地區(qū)的植被NPP受多種因子的共同作用。

本文研究了延安地區(qū)植被NPP的年際變化趨勢(shì)和空間分布格局，探討了影響植被NPP的驅(qū)動(dòng)力因子，關(guān)于延安地區(qū)的氣溫日較差、人工林與天然林的植被類型對(duì)NPP的影響力尚未論證，有待下一步的研究。