河北省2001—2010年植被NPP時(shí)空變化及與氣候因子相關(guān)性分析

張莎，袁金國(guó)，張宇佳，吳喜芳

（1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北石家莊 050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050024）

河北省2001—2010年植被NPP時(shí)空變化及與氣候因子相關(guān)性分析

張莎1，2，袁金國(guó)1，2，張宇佳1，2，吳喜芳1，2

（1.河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北石家莊 050024；2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050024）

利用中分辨率成像光譜儀MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）的MOD17A3數(shù)據(jù)集及氣象數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸法及相關(guān)系數(shù)法對(duì)河北省2001－2010年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及與氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：河北省植被NPP多集中在200～400g／（m2·a）.從時(shí)間上看，10年間NPP年均值和最大值呈現(xiàn)一定的波動(dòng)性變化，并呈下降趨勢(shì).2004年NPP均值最大，為356.42g／（m2·a），其次是2008年，為314.87g／（m2·a），2001年最小，為225.13g／（m2·a）.從空間上看，河北省北部年均NPP值呈現(xiàn)從東向西遞減、西部從南向北遞減的趨勢(shì)，中部太行山東部分布有1個(gè)NPP高值帶.2001—2010年10年間河北省植被NPP在0.01檢驗(yàn)水平下呈減少趨勢(shì)的區(qū)域占全區(qū)植被面積的48.79%，增加的區(qū)域占45.54%，大部分地區(qū)呈減少趨勢(shì).NPP與氣溫和地溫主要為負(fù)相關(guān)，與降水主要為正相關(guān).總體上看，NPP與地溫的相關(guān)性最高，與氣溫的相關(guān)性最低，但在局部地區(qū)并非如此.

凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）；MODIS數(shù)據(jù)；河北省；時(shí)空變化；氣候因子

凈初級(jí)生產(chǎn)力，又稱(chēng)凈第一性生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）.植被NPP是指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)經(jīng)過(guò)光合作用所累積的有機(jī)物數(shù)量，扣除植物自養(yǎng)呼吸后的剩余部分［1］.NPP除了可以反映植被本身生產(chǎn)力及對(duì)自然環(huán)境的利用能力［23］，也具有固定大氣中CO2的能力，所以NPP既是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)［4］，也是估算陸地碳源和碳匯的重要因子［5］.進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以來(lái)，包括CO2在內(nèi)的大量溫室氣體的排放量穩(wěn)步增加，使世界大部分地區(qū)氣溫上升［6］.可以利用NPP來(lái)衡量植被通過(guò)光合作用固定CO2轉(zhuǎn)化生物能的這種本領(lǐng)，因此，對(duì)植被NPP的遙感估算具有比較重要的意義.

植被NPP研究可追溯到19世紀(jì)80年代，直到20世紀(jì)60年代相關(guān)研究才被引起重視.研究陸地植被NPP的先驅(qū)是德國(guó)學(xué)者Lieth，他率先對(duì)全球NPP做了初步估算［7］.Hubert Hasenauer等［8］應(yīng)用MODIS的MOD17數(shù)據(jù)對(duì)奧地利的植被NPP做了估算，并與其他估算結(jié)果做了對(duì)比.Daniel Epron等［9］采用C質(zhì)量守恒的方法估算植被NPP，研究混合種植方式對(duì)植物地上部分和地下部分固定C的能力的影響.國(guó)內(nèi)對(duì)NPP的研究起步較晚，但也取得了一定的成果.樸世龍等［10］采用CASA（carnegie-ames-stanford approach）模型估算了1982—1999年（除1994年）間中國(guó)植被的凈第一性生產(chǎn)力.Yuan等［11］利用MODIS數(shù)據(jù)和CASA模型對(duì)2001年河北省北部地區(qū)植被NPP做了估算.劉勇洪等［12］利用NOAA／AVHRR 1B衛(wèi)星資料及氣象數(shù)據(jù)和CASA模型對(duì)2007年華北地區(qū)的植被NPP進(jìn)行了模擬估算.鄭穎娟［13］利用MODIS數(shù)據(jù)和CASA模型估算了河北省2009年植被NPP，并初步探討了NPP與氣候因子及人為活動(dòng)之間的關(guān)系.

以河北省陸域?yàn)檠芯繀^(qū)，對(duì)河北省植被NPP進(jìn)行了分布范圍分析、年際變化分析、空間格局分析、時(shí)空變化分析及與氣候因子相關(guān)性分析，以其對(duì)河北省植被性質(zhì)和生產(chǎn)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 NPP數(shù)據(jù)

利用LP DAAC（land processes distributed active archive center）提供的MRT（MODIS reprojection tool）將MOD17A3數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換，輸出為1km分辨率的tif格式影像，轉(zhuǎn)換為適合河北省的阿爾伯斯投影.利用ENVI4.6和ArcGIS 10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理.將鑲嵌結(jié)果裁剪出河北省的NPP影像，并提取有效值.根據(jù)https：／／lpdaac.usgs.gov／products／modis＿products＿table／mod17a3的說(shuō)明，MOD17A3的有效值為0～65 500，該范圍以外的都為無(wú)效值.利用ArcGIS10.0的屬性提取功能進(jìn)行有效值的提取.

1.1.2 氣候數(shù)據(jù)

氣候因子數(shù)據(jù)為河北省142個(gè)氣象站點(diǎn)的逐旬氣溫、降水、地溫?cái)?shù)據(jù).其中，氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)為2001—2010年數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)缺失，地溫?cái)?shù)據(jù)為2001—2009年數(shù)據(jù).將各站點(diǎn)數(shù)據(jù)按年求和平均得到每個(gè)氣象站點(diǎn)的年均氣溫、年均降水和年均地溫.采用插值方法得到河北省的年均氣溫、年均降水和年均地溫.本文對(duì)每一年的3種氣候因子均采用多種插值方法，選取誤差最小的作為當(dāng)年該氣候因子的插值結(jié)果，以提高準(zhǔn)確度.利用ArcGIS 10.0進(jìn)行插值，每年的3種氣候因子均采取反距離權(quán)重法IDW（inverse distance weighting，權(quán)重分別賦為0.5，1，1.5，2，2.5，3）、克里金法Kriging（克里金方法為普通Ordinary，半變異模型分別為環(huán)形Circular、指數(shù)Exponential、高斯Gaussian、線性Linear和球面Spherical）、樣條函數(shù)法Spline（樣條函數(shù)類(lèi)型分別為規(guī)則樣條函數(shù)Regularized和張力樣條函數(shù)Tension）、趨勢(shì)面法Trend（回歸類(lèi)型為線性趨勢(shì)面Linear，多項(xiàng)式的階分別為1～12）共25次插值.將142個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分為2部分，根據(jù)空間分布均勻原則并考慮區(qū)域站點(diǎn)疏密程度，隨機(jī)選取97個(gè)站點(diǎn)為插值站點(diǎn)，其余45個(gè)站點(diǎn)作為檢驗(yàn)站點(diǎn)，保證了檢驗(yàn)站點(diǎn)至少占全部站點(diǎn)的30%.采用平均絕對(duì)誤差（MAE）、平均相對(duì)誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［16-17］.

對(duì)于某年中的1種氣候因子，如果3個(gè)參數(shù)同時(shí)達(dá)到最小值，則選取該方法的插值結(jié)果作為該年這種氣候因子的插值結(jié)果.如果1年中這種氣候因子的3個(gè)參數(shù)沒(méi)有同時(shí)達(dá)到最小值，本文選擇RMSE最小的方法的插值結(jié)果作為該年該氣候因子的插值結(jié)果.

1.2 方法

1.2.1 年際變化率計(jì)算

以吸光度為縱坐標(biāo)(y)，以蘆丁質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x)，根據(jù)不同濃度蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品溶液的吸光度，擬合得到線性回歸方程為y=12.685x+0.004 99(圖1)，R2 =0.999 23，說(shuō)明相關(guān)性較好。

采用一元線性回歸法［18］分析河北省2001—2010年植被NPP的時(shí)空變化，計(jì)算公式如下：

其中，θslope為單個(gè)像元多年回歸的趨勢(shì)斜率，即年際變化率；n為年份數(shù)，NPPi為第i年的NPP.θslope＞0，表示該像元多年之間呈增加趨勢(shì)，反之，為減小趨勢(shì).

采用F檢驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)變化趨勢(shì)的顯著性.P＜0.01為極顯著變化，0.01＜P＜0.05為顯著變化，P＞0.05為不顯著變化.

結(jié)合θslope和F檢驗(yàn)結(jié)果，將NPP變化趨勢(shì)分為5個(gè)等級(jí)：θslope＜0，P＜0.01為極顯著減少；θslope＜0，0.01＜P＜0.05為顯著減少；P＞0.05為變化不顯著；θslope＞0，0.01＜P＜0.05為顯著增加；θslope＞0，P＜0.01為極顯著增加.

1.2.2 NPP與氣候因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算

計(jì)算NPP與氣溫、降水和地溫的相關(guān)系數(shù).計(jì)算公式如下：

式中，R為相關(guān)系數(shù)，Ni為第i年的NPP為多年平均NPP值，Mi為第i年的某種氣候因子值，M為多年平均的某種氣候因子值.

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)相關(guān)系數(shù)劃分如下：｜R｜＞0.8為高度相關(guān)，｜R｜＜0.3為低度相關(guān)，其他為中度相關(guān).

2 結(jié)果與討論

2.1 NPP值分布范圍所占比例分析

河北省2001—2010年NPP值分布范圍所占比例見(jiàn)表1.由表1可以看出，河北省2001—2010年均NPP絕大部分集中在200～400g／（m2·a），除2004年以外，200～400g／（m2·a）所占比例全部為70%以上.400～500g／（m2·a）的比例2004年明顯較其他年份高，為33.47%.

表1 河北省2001—2010年NPP值分布范圍所占比例Tab.1 Proportion of NPP values'distribution in Hebei Province from 2001to 2010

2.2 NPP年際變化分析

圖1 2001—2010年河北省年均NPP值變化Fig.1 Interannual variability of annual average NPP values in Hebei Province from 2001to 2010

2001—2010年河北省NPP年均值和最大值見(jiàn)圖1.由圖1可以看出，河北省2001—2010年10年間NPP年均值和最大值呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性變化，并呈下降趨勢(shì).10年間NPP年均值在2004年最大，為356.42g／（m2·a），其次是2008年，為314.87g／（m2·a），2001年最小，為225.13g／（m2·a）.2001—2004年呈上升趨勢(shì)，2005年有所下降，2006年有小幅度增加，為301.03g／（m2·a），2007年下降，2008年上升，達(dá)到一個(gè)小高峰，為314.87g／（m2·a），2008年到2010年呈下降趨勢(shì).2004年和2008年的NPP最大值分別達(dá)到731.40g／（m2·a）和704.20g／（m2·a）.

2.3 NPP空間分布格局

2001—2010年間河北省植被NPP均值的空間分布見(jiàn)圖2a.可以看出，河北省植被NPP分布符合地理分異規(guī)律.河北省北部（包括張家口、承德、秦皇島及唐山）年均NPP值呈現(xiàn)從東向西遞減的趨勢(shì)，符合經(jīng)向地帶性分異規(guī)律.該地區(qū)的東部形成一個(gè)NPP的高值區(qū)，主要在秦皇島市.高值區(qū)的年均NPP大多數(shù)年份在500g／（m2·a）以上.由該地區(qū)向西，NPP值逐漸降低，到河北省的西北部形成一個(gè)NPP的低值區(qū)，包括張家口的大部分地區(qū).低值區(qū)的年均NPP大多數(shù)年份在300g／（m2·a）以下.河北省西部（包括邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定及張家口各市的部分縣市）年均NPP值呈現(xiàn)從南向北遞減的趨勢(shì)，符合緯向地帶性分異規(guī)律.以保定和張家口的市界為界線，以南地區(qū)NPP值較高，大部分地區(qū)在300～400g／（m2·a），以北地區(qū)NPP值較低，低于300g／（m2·a）.該趨勢(shì)在年均NPP值較高的年份如2004年表現(xiàn)得比較明顯（圖2b）.河北省中部太行山東部分布有一個(gè)NPP高值帶，該高值帶上的NPP值大多在300g／（m2·a）以上，因?yàn)樵摰貐^(qū)位于太行山的夏季東南季風(fēng)迎風(fēng)坡，在植被生長(zhǎng)旺盛的季節(jié)降水較多，利于植被生長(zhǎng).

圖2 河北省10aNPP均值和2004年NPP空間分布Fig.2 Spatial distribution of average values of NPP in 10years and NPP of 2004in Hebei Province

2.4 10a間NPP變化率

通過(guò)公式（1）計(jì)算得到河北省2001—2010年10年間NPP逐個(gè)像元的年際變化率θslope，并對(duì)θslope進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（F檢驗(yàn)），得到檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.根據(jù)圖3，統(tǒng)計(jì)不同檢驗(yàn)水平的像元數(shù)，可得：2001—2010年10年間河北省植被NPP變化趨勢(shì)中，發(fā)生極顯著增加的植被面積占全區(qū)植被面積的1.68%，顯著增加的占43.86%，無(wú)顯著變化的占5.67%，顯著減少的占48.79%，沒(méi)有出現(xiàn)極顯著減少的地區(qū).NPP減少的區(qū)域（48.79%）大于增加的區(qū)域（45.54%），可見(jiàn)10年間河北省植被NPP在0.01檢驗(yàn)水平下大部分地區(qū)呈減少趨勢(shì).從空間分布來(lái)看，植被NPP極顯著增加和無(wú)顯著變化的地區(qū)在全省零星分布；顯著增加的地區(qū)主要分布在秦皇島、張家口中南部、滄州東部、衡水中北部及邢臺(tái)、邯鄲西部；顯著減少的地區(qū)主要分布在張家口北部、承德、唐山、廊坊、保定、石家莊中北部、滄州西部和廊坊等地.

圖3 2001—2010年10年間河北省NPP變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)Fig.3 Significant test of annual NPP change trends in Hebei Province from 2001to 2010

2.5 NPP與氣候因子的相關(guān)性分析

圖4 多年平均NPP與氣溫、降水、地溫的相關(guān)系數(shù)分布Fig.4 Spatial distribution of correlation coefficients of multi-year average NPP to air temperature，precipitation and ground temperature

多年平均NPP與氣溫、降水、地溫的相關(guān)系數(shù)的空間分布見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)，在張家口、保定、石家莊、邢臺(tái)、邯鄲、衡水大部分及滄州西部，NPP與氣溫主要為負(fù)相關(guān)而與降水為正相關(guān)（圖4a，4b）.在邢臺(tái)、邯鄲、秦皇島、唐山、廊坊及滄州中東部，NPP與氣溫主要為正相關(guān)而與地溫為負(fù)相關(guān)（圖4a，4c）.在石家莊、衡水中北部、滄州、廊坊、保定以及張家口大部分地區(qū)，NPP與降水主要為正相關(guān)而與地溫為負(fù)相關(guān)（圖4b，4c）.根據(jù)圖4，統(tǒng)計(jì)NPP與3種氣候因子不同相關(guān)性水平的像元數(shù)，計(jì)算其所占研究區(qū)面積的比例，可得：NPP與氣溫和地溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的區(qū)域分別占植被總面積的76.17%和82.33%，NPP與降水呈正相關(guān)關(guān)系的區(qū)域占植被總面積的81.63%.可見(jiàn)，NPP與氣溫和地溫主要為負(fù)相關(guān)，與降水主要為正相關(guān).NPP與氣溫為低度相關(guān)的區(qū)域占植被總面積的74.00%，NPP與降水和地溫為中度相關(guān)的區(qū)域分別占植被總面積的54.40%和61.48%.可見(jiàn)，總體上看NPP與地溫的相關(guān)性最高，與氣溫的相關(guān)性最低，但在局部地區(qū)并非如此.比如，在石家莊和邢臺(tái)交界處，NPP與降水的相關(guān)性是最高的，而不是與地溫相關(guān)性最高.NPP與氣溫主要表現(xiàn)為中低度負(fù)相關(guān)（面積比例為76.17%），與降水主要為中低度正相關(guān)（面積比例為80.48%），與地溫主要為中低度負(fù)相關(guān)（面積比例為81.44%）.

3 結(jié)論

本文基于MODIS數(shù)據(jù)和氣候數(shù)據(jù)，應(yīng)用遙感圖像處理軟件ENVI和GIS軟件ArcGIS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如下結(jié)論：

1）河北省2001—2010年均NPP絕大部分集中在200～400g／（m2·a）.

2）河北省2001—2010年10年間NPP年均值和最大值呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性變化，并有小幅下降趨勢(shì).10年間NPP年均值在2004年最大，為356.42g／（m2·a），其次是2008年，為314.87g／（m2·a），2001年最小，為225.13g／（m2·a）.

3）河北省植被NPP分布符合地域分異規(guī)律.河北省北部年均NPP值呈現(xiàn)從東向西遞減的趨勢(shì)，符合經(jīng)向地帶性分異規(guī)律.河北省西部年均NPP值呈現(xiàn)從南向北遞減的趨勢(shì)，符合緯向地帶性分異規(guī)律.河北省中部太行山的夏季東南季風(fēng)迎風(fēng)坡，在植被生長(zhǎng)旺盛的季節(jié)降水較多，分布有NPP高值帶.

4）2001—2010年10年間河北省植被NPP變化趨勢(shì)中，發(fā)生極顯著增加的植被面積占全區(qū)植被面積的1.68%，顯著增加的占43.86%，無(wú)顯著變化的占5.67%，顯著減少的占48.79%，沒(méi)有出現(xiàn)極顯著減少的地區(qū).NPP減少的區(qū)域（48.79%）大于增加的區(qū)域（45.54%），10年間河北省植被NPP在0.01檢驗(yàn)水平下大部分地區(qū)呈減少趨勢(shì).

5）NPP與氣溫和地溫主要為負(fù)相關(guān)，與降水主要為正相關(guān).總體上看NPP與地溫的相關(guān)性最高，與氣溫的相關(guān)性最低，但在局部地區(qū)會(huì)不同.NPP與氣溫主要表現(xiàn)為中低度負(fù)相關(guān)（76.17%），與降水主要為中低度正相關(guān)（80.48%），與地溫主要為中低度負(fù)相關(guān)（81.44%）.

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（責(zé)任編輯：趙藏賞）

Analysis of spatiotemporal changes of vegetation net primary productivity and correlation between NPP and climate factors in Hebei province from 2001to 2010

ZHANG Sha1，2，YUAN Jinguo1，2，ZHANG Yujia1，2，WU Xifang1，2
（1.College of Resource and Environmental Sciences，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China；2.Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，Shijiazhuang 050024，China）

MOD17A3products of MODIS data and meteorological data were used in this paper to make analysis on spatial and temporal change of vegetation net primary productivity（NPP）and the correlation between NPP and climate factors by the methods of linear regression and correlation coefficient in Hebei province from 2001to 2010.The results showed that the values of vegetation NPP in Hebei province were mostly 200—400g／（m2·a）.The change of annual average NPP and maximum NPP values showed some volatility change and slightly downward trend from 2001to 2010.The maximum annual average NPP of vegetation in Hebei province was 356.42g／（m2·a）in 2004，the next was 314.87g／（m2·a）in 2008，and the minimum NPP was 225.13g／（m2·a）in 2001.From the point of spatial distribution，the average annual NPP values in northern Hebei province presented a decrease trend from east to west.The average annual NPP values in western Hebei province presented a decrease trend from south to north.A high NPP values zone distributed in the east of Taihang mountain located in the middle of Hebei province.The vegetation NPP in most areas in Hebei province tended to decrease under 0.01test level from 2001to 2010.The area of NPP decrease accounted for 48.79%of the whole vegetation area，while that of NPP increase accounted for 45.54%.Correlations of NPP to air temperature and ground temperature were mainly negative，while correlation of NPP to precipitation was mainly positive.In general，the correlation of NPP to ground temperature was the highest，while the correlation of NPP to air temperature was the lowest，it was not completely like this in some local areas.

net primary productivity（NPP）；MODIS data；Hebei province；spatiotemproal changes；climate factors

TP79

A

1000 -1565（2014）05 -0516 -08

10.3969／j.issn.1000 -1565.2014.05.013

2013 -11 -20

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（D2012205084）；河北師范大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目（L2008B15）；河北師范大學(xué)重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（L2009Z08）；河北省自然地理學(xué)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目

張莎（1988-），女，河北安平人，河北師范大學(xué)在讀碩士研究生.Email：hebzhangsha＠126.com

袁金國(guó)（1972 ），女，河北故城人，河北師范大學(xué)副教授，博士，主要從事遙感圖像處理及遙感應(yīng)用研究.Email：yuanjinguo8＠163.com