漢江流域植被凈初級生產(chǎn)力時(shí)空格局及成因

張 靜, 任志遠(yuǎn)

1 陜西師范大學(xué), 旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安 710062 2 陜西理工大學(xué), 歷史文化與旅游學(xué)院, 漢中 723001

漢江流域植被凈初級生產(chǎn)力時(shí)空格局及成因

張 靜1,2, 任志遠(yuǎn)1,*

1 陜西師范大學(xué), 旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安 710062 2 陜西理工大學(xué), 歷史文化與旅游學(xué)院, 漢中 723001

運(yùn)用MOD17A3-NPP等數(shù)據(jù),分析漢江流域植被NPP的時(shí)空格局及其形成演變機(jī)理,為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管治提供科學(xué)理論依據(jù)。運(yùn)用GIS空間分析法、線性擬合法研究流域NPP的時(shí)空格局,結(jié)合相關(guān)系數(shù)法、土地利用程度指數(shù)等方法探析成因。結(jié)果顯示：(1)漢江流域植被NPP多年平均值為439 gC m-2a-1,整體呈微小的波動上升趨勢,年增長幅度為3.11 gC m-2a-1。植被NPP集中分布在300—600 gC m-2a-1,占全域面積的83.65%。(2)從流域空間上看,多年平均NPP呈上游<中游<下游,各子流域內(nèi)部差異呈上游>中游>下游。高值區(qū)集中分布在漢中,十堰、襄樊和荊門平均NPP呈下降趨勢的所占面積最大。(3)垂直景觀上植被NPP的空間分布往往受水熱綜合作用的影響,漢江流域降水是植被NPP累積的主要制約因素。(4)垂直方向上NPP呈規(guī)律性變化：高程上表現(xiàn)為“陡升-下降-緩升-陡降,坡向上為陽坡>半陽坡>半陰坡>陰坡。(5)淺山丘陵區(qū)NPP變化主要受土地利用方式的影響,高山區(qū)NPP變化受氣候變化的影響。漢江流域植被NPP穩(wěn)定,中下游平原區(qū)植被NPP略有下降;氣候和地形特征決定了植被NPP的空間分布特征,氣候變化和人類活動對植被NPP的變化有重要影響。

凈初級生產(chǎn)力;時(shí)空格局;漢江流域

植被作為陸地主要生態(tài)系統(tǒng),通過光合作用對全球或區(qū)域起著固碳釋氧的重要作用,并調(diào)節(jié)著大氣環(huán)境。植被凈初級生產(chǎn)力(Net primary production,即NPP)指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上積累的有機(jī)干物質(zhì)總量,不僅是表征植物活動的重要變量,而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子,反映的是植物群落在自然環(huán)境狀態(tài)下的生產(chǎn)能力[1-2]。目前,國內(nèi)外關(guān)于NPP研究已取得長足進(jìn)展,運(yùn)用不同模型進(jìn)行NPP估算的成果豐富,主要集中在全球、中國大陸、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)或脆弱區(qū)[3- 4],其中CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach,簡稱CASA模型)或改進(jìn)的CASA模型應(yīng)用最為廣泛。MOD17A3是基于MODIS遙感參數(shù),參考Biome-BGC模型與光能利用率模型建立的全球陸地植被凈初級生產(chǎn)力[5],該數(shù)據(jù)產(chǎn)品已被證明對模擬植被NPP數(shù)據(jù)精度效果較好[6-7]。國內(nèi)運(yùn)用該數(shù)據(jù)已取得部分研究成果,均不同程度地驗(yàn)證了氣候變化對植被NPP的影響,但影響植被NPP變化的主要?dú)夂蛞蜃哟嬖趨^(qū)域差異性。如氣溫是影響南水北調(diào)東線地區(qū)植被NPP變化的主因[8];氣溫和降水的空間差異使河南省植被NPP呈現(xiàn)南高北低[9];PDSI上升是黃土高原區(qū)植被NPP增加的主因[10]。然而植被生長除了受氣候變化的影響外,還受人類活動、地形、土壤等自然因子的作用。地形控制下地表光、熱、水、土等的組合,使植被群落呈現(xiàn)垂直景觀格局,且多方面多尺度地影響其多樣性格局,還制約著人類對景觀格局改造和利用的難易程度[11-12]。目前關(guān)于地形控制下植被NPP的空間分布規(guī)律及人類通過改造地表進(jìn)而影響植被NPP變化等方面的研究成果較少。漢江流域,北以秦嶺、外方山為界,西南以大巴山、荊山為界,東北以伏牛山和桐柏山為界,東南為江漢平原,地形呈簸箕狀。已初步開展了漢江流域局部地區(qū)的植被NPP研究,反映了區(qū)域植被NPP時(shí)空動態(tài)及對氣候的響應(yīng)[13-14]。本文旨在利用MOD17A3數(shù)據(jù)研究流域NPP的時(shí)空動態(tài)特征及其成因,探析氣候、地形及人類活動影響下的植被NPP時(shí)空演變機(jī)理,以便為流域氣候變化、水土保持、水源涵養(yǎng)和生態(tài)環(huán)境管治起到一定的理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

圖1 漢江流域氣象站點(diǎn)和DEMFig.1 Meteorological station and DEM of Hanjing river basin

漢江發(fā)源于陜西漢中寧強(qiáng)縣嶓冢山,與長江、黃河、淮河合稱為“江河淮漢”,全長約1577 km,為長江第一大支流,集水面積約15.47 萬km2,約占長江流域面積的9.2%。屬于典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候,氣候溫和濕潤,年均溫在15—17 ℃,年均降水量在600—1300 mm,夏半年降水占全年的70%以上[15]。地勢西北高,東南低,海拔在500 m以上的山地約占50.67%,其中1000 m以上的中高山占28.60%。地勢起伏大,高程差約3700 m,秦嶺西部個(gè)別山峰在3500 m以上,下游平原泛濫區(qū)海拔最低。全流域分為3段：丹江口以上為上游,長約925 km,盆地峽谷相間;丹江口至鐘祥碾盤山之間為中游,長約270 km,丘陵盆地段;碾盤山以下為下游平原區(qū)(圖1)。上游高差大,用地類型以林地為主;中下游地形起伏小,以耕地為主,其中下游耕地占絕對優(yōu)勢(表1)。在全國生態(tài)功能區(qū)劃中囊括了秦巴山地生態(tài)多樣性功能區(qū)、丹江口水源涵養(yǎng)區(qū)和部分江漢平原區(qū)。上游秦巴山地區(qū),具有秦嶺-淮河地理分界線的重要意義,既是全國重要生物多樣性地區(qū),又是全國重要的水源涵養(yǎng)地;中下游地區(qū)為土壤侵蝕敏感區(qū)和水土流失區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),遙感數(shù)據(jù)來自美國LAADS Web。MOD17A3(2000—2012年)產(chǎn)品空間分辨率1 km,MCD12Q1(2006和2012年)是MODIS Terra+Aqua的3級土地覆蓋類型產(chǎn)品,經(jīng)過重投影后空間分辨率1 km。其他相關(guān)數(shù)據(jù)有1∶400萬全國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)(來自地理空間數(shù)據(jù)云),空間分辨率30 m,以及2000年的中國土地利用覆被數(shù)據(jù)(來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心),空間分辨率1 km。文中MCD12Q1采用的是馬里蘭大學(xué)植被分類,準(zhǔn)確性在65%—80%[16]。

表1 漢江流域及子流域的高程特征和用地類型

土地利用數(shù)據(jù)為MCD12Q1-LUCC數(shù)據(jù)的2006年

MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理運(yùn)用MODIS Reprojection Tool(簡稱MRT)工具進(jìn)行拼接、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和重采樣,轉(zhuǎn)換為等面積1 km×1 km的tif數(shù)據(jù)。運(yùn)用ArcGIS軟件的水文分析模型,確定漢江流域和各河段范圍。然后通過掩膜提取漢江流域MOD17A3-NPP和MCD12Q1-LUCC數(shù)據(jù)。MOD17A3-NPP換算系數(shù)為0.1,單位gC m-2a-1。為了提高研究的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、可靠性,根據(jù)MOD17A3和MCD12Q1數(shù)據(jù)說明,剔除了無效值。最后主要運(yùn)用了ArcGIS的重分類和分區(qū)統(tǒng)計(jì)等方法。此外,氣象數(shù)據(jù)運(yùn)用了反距離加權(quán)插值法[10],獲得與植被NPP相同分辨率和投影的氣象因子空間分布圖。

1.3 研究方法

1.3.1 線性擬合法

(1)

反映區(qū)域NPP每一個(gè)像元隨時(shí)間變化的年際狀況。式中,Bslope為斜率,t為年份,n=13。當(dāng)Bslope>0時(shí),表明隨著時(shí)間的推移,NPP呈上升趨勢;反之,NPP呈下降趨勢。顯著性運(yùn)用t檢驗(yàn),當(dāng)P<0.05時(shí),認(rèn)為趨勢顯著。

1.3.2 變異系數(shù)

C·V=( STDNPPi/MeanNPPi)×100%

(2)

用來比較離散程度的指標(biāo)。式中,STDNPPi是第i年植被NPP的標(biāo)準(zhǔn)差,MeanNPPi是第i年植被NPP的平均值。C·V值越大,數(shù)據(jù)離散的程度也越大;反之越小。

1.3.3 土地利用程度綜合指數(shù)

(3)

式中,L為土地利用程度綜合指數(shù);Ai為i類土地利用分級指數(shù),Ci為研究區(qū)內(nèi)第i類土地的用地比重。n為土地利用分級數(shù)[17]：城鎮(zhèn)用地為4,耕地為3,林地、草地、水域?yàn)?,未利用地為1。

1.3.4 土地利用程度變化率

R=100%×(Lj-Li)/Li

(4)

式中,Li、Lj分別為初期和末期土地利用程度綜合指數(shù)。R>0表示人類活動增強(qiáng);反之,則減弱。

1.3.5 土地利用動態(tài)度

(5)

式中,Si為初期第i類土地面積,ΔSi-j為監(jiān)測期內(nèi)第i類用地類型轉(zhuǎn)為其他用地類型的面積之和,t為時(shí)間段,土地利用動態(tài)度S反映了與t時(shí)段對應(yīng)的研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移速率[17]。

此外,文中還應(yīng)用了相關(guān)系數(shù)法研究NPP與降水和氣溫的關(guān)系,用等差分級法研究NPP隨高程和坡度變化的連續(xù)態(tài)勢[18],分別以25 m和2.5°為間隔,用標(biāo)準(zhǔn)差反映平均NPP的變化幅度。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NPP時(shí)空動態(tài)

2.1.1 植被NPP年際變化特征

漢江流域植被NPP多年平均值為438.9 gC m-2a-1,介于344.6—488.1 gC m-2a-1之間,最小值出現(xiàn)在2001年,最大值在2010年,2002—2010年間平緩上升,整體呈微小的波動上升趨勢,年增幅為3.11 gC m-2a-1(圖2)。植被NPP多年平均變異系數(shù)為26.7%,最大值出現(xiàn)在2001年,最小值在2010年。從子河段來看,植被NPP的平均值從大到小依次為下游>中游>上游,其變異系數(shù)從大到小依次是上游>中游>下游。表明上游植被NPP數(shù)據(jù)離散程度大,下游離散程度小,主要在于流域上游以山地為主,植被垂直地帶性明顯且類型復(fù)雜多樣,植被NPP空間差異性大;下游平原區(qū)為農(nóng)耕區(qū),單位面積植被NPP大,但空間差異不顯著。從年際變化來看,上游植被NPP呈微小的波動上升趨勢,年增幅為4.16 gC m-2a-1;中游植被NPP年增幅較小,為2.22 gC m-2a-1;下游植被NPP多年平均值456 gC m-2a-1,最大值在2002年,年變幅為-0.703 gC m-2a-1,呈下降趨勢。運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)法計(jì)算了各段植被NPP年均值與全流域植被NPP年均值的相關(guān)性,在0.01水平(雙側(cè))上游和中游植被NPP年均值與全流域植被NPP年均值的相關(guān)系數(shù)分別為0.948和0.867,呈顯著強(qiáng)相關(guān)。表明上游植被NPP與全流域植被NPP的變化特征趨勢一致,二者植被變化對流域生態(tài)環(huán)境的影響及對氣候環(huán)境的調(diào)節(jié)作用具有同步性?？傊?流域植被NPP呈弱增加趨勢,固碳能力提高;上游植被NPP數(shù)據(jù)離散度比下游大,即上游植被NPP的空間異質(zhì)性較強(qiáng),下游較弱,反映了流域內(nèi)上游植被群落復(fù)雜多樣。

圖2 漢江流域及其子流域2000—2012年平均NPP和變異系數(shù)Fig.2 The trends of annual average NPP and its coefficient of variation in Hanjiang River Basin and its sections in 2000—2012

2.1.2 植被NPP空間變化特征

流域2000—2012年植被平均NPP的空間狀態(tài),大體呈現(xiàn)圍椅狀,向東南開口,西北高,東北低,南高北低,中間略高的狀態(tài)(圖3),這一結(jié)果與已有研究成果相似[13]。全流域NPP小于300 gC m-2a-1占總面積9.92%,介于400—500 gC m-2a-1占總面積的45.04%,大于600 gC m-2a-1占總面積6.43%,只有0.96%的面積植被NPP大于700 gC m-2a-1,且0.90%集中在上游大巴山區(qū)和米倉山部分,漢江谷地NPP也較高,與他人研究結(jié)果相似[17]。中下游植被NPP集中分布在400—500 gC m-2a-1,數(shù)據(jù)離散度小,植被類型較單一。

圖3 漢江流域2000—2012年平均NPP空間分布 Fig.3 Distribution of average NPP in Hanjiang river basin durig 2000—2012

流域植被NPP年際變化量介于-31.93—25.10 gC m-2a-1,其中植被NPP下降所占的面積為21.93%,78.07%的植被NPP逐年增加(圖4)。在0.05的水平上顯著減少的只有0.38%,下游占0.19%(圖5)。減少但不顯著所占面積為21.55%,上游、中游、下游各段所占面積分別為7.67%、8.1%和5.6%,上游集中在漢中河谷盆地區(qū),中游主要集中在南河上游和伏牛山一帶。顯著增加占14.0%,上游占9.64%,中游占4.2%,下游占0.12%,主要集中在漢江主河道附近及白河上游。64.07%的面積增加但不顯著。總體反映了全流域植被NPP的變化量穩(wěn)定少動,植被NPP變化上游顯著增加,固碳能力增加;下游植被NPP顯著減少,固碳能力減弱。

從行政空間的NPP特征值來看,最大NPP和平均NPP最大值均出現(xiàn)在漢中,在漢江上游區(qū)域該市NPP數(shù)值與其他各市相比,數(shù)值高且變化幅度小(表2)。安康、十堰、商洛、南陽、黔江、神農(nóng)架5市NPP變異系數(shù)較大。商洛和南陽平均NPP值最小。從各市NPP呈下降趨勢所占的面積來看,十堰、襄樊、荊門呈下降趨勢的NPP所占面積最多,其次是南陽、孝感和漢中,其他各市NPP呈下降趨勢的所占面積較小。整體表現(xiàn)：(1)山地區(qū)NPP的變異系數(shù)較大,平原區(qū)NPP的變異系數(shù)較小;(2)商洛和南陽平均NPP較小,漢中平均NPP較大,呈現(xiàn)北低南高。(3)漢江中游城市NPP呈下降趨勢的所占面積最大。

圖4 2000—2012年漢江流域NPP線性擬合斜率 Fig.4 Linear regression slope of NPP in Hanjiang river basin during 2000—2012

圖5 2000—2012年漢江流域NPP變化趨勢顯著性 Fig.5 Significance of NPP trend in Hanjiang river basin during 2000—2012

Table 2 The average NPP and the percentage of declining trend of NPP /(gC m-2a-1) in main city of Hanjiang River Basin

值Value安康十堰南陽漢中商洛襄樊荊門寶雞孝感天門仙桃黔江神農(nóng)架武漢面積Area/km223347232182312019410166001649292162721270726042455242620231556NPP最小值NPPmin2024492497939292581292261152855482NPP最大值NPPmax871.1752.2605.71112678.810211049731.2789.4588902.7763.4712.7786.3NPP平均值NPPmean437.1434.8404.2512.8380.1464.9467.9448.6433.6481.3453.1455.8411.3418.9標(biāo)準(zhǔn)差STD107.5119.795.7788.59110.891.9381.1860.3947.0347.6257.8911291.7774.95變異系數(shù)C·V/%24.5927.5223.717.2829.1619.7817.3513.4610.859.8912.7824.5722.3117.89面積比Arearatio/%0.943.751.781.160.934.353.340.011.060.850.970.350.910.64

2.2 原因分析

2.2.1 氣候因子

區(qū)域氣候條件的變化必然影響植被生長。植被NPP與降水量呈正相關(guān)性的面積占總面積的77.1%,在0.05顯著性水平上只有6.6%的面積呈顯著性正相關(guān),主要在秦嶺南麓的桐柏山、伏牛山一帶最典型(圖6)。2010年NPP高值正好是降水量增加時(shí),NPP與氣溫呈正相關(guān)性面積占總面積的56.68%,在0.05顯著性水平上4.2%的面積呈顯著性正相關(guān),主要集中在下游地區(qū),0.97%的面積呈顯著性負(fù)相關(guān),集中分布在西秦嶺南坡(圖7)?？梢?NPP與氣溫的相關(guān)性不是呈單一的正相關(guān)或負(fù)相關(guān),且不及降水量明顯。由于氣候垂直變化是非線性的[12],植被NPP的空間分布往往受二者綜合作用的影響?？傮w上流域降水量對植被NPP的作用要強(qiáng)于氣溫對植被NPP的影響,這一結(jié)論與已有結(jié)論相吻合[14],即植被NPP與降水呈正相關(guān),水分是植被NPP累積的主要制約因素。該流域多山地,在一定高度下地形引起降水的空間再分配[19],使植被NPP的空間變化復(fù)雜性增強(qiáng)。

2.2.2 高程因子

全流域上200 m以下為垂直地帶性基帶,受人類活動干擾強(qiáng),固不予考慮;200—600 m間植被NPP緩慢上升,標(biāo)準(zhǔn)差由小變大;海拔600—1500 m間植被NPP緩慢下降,標(biāo)準(zhǔn)差變化不明顯;海拔1500—2600 m時(shí)植被NPP又小幅緩慢上升,標(biāo)準(zhǔn)差趨于減小;海拔>2600 m時(shí),植被NPP又波動下降,標(biāo)準(zhǔn)差較小且?guī)缀鹾愣?圖8)。上游在600 m以下,隨著海拔上升,NPP逐漸上升;600 m以上NPP變化趨勢與全流域NPP變化趨勢及轉(zhuǎn)折點(diǎn)相同(圖8)。中游淺山丘陵區(qū)200 m以下波動變化,200—600 m間,平緩上升;600—1500 m間呈

圖6 2000—2012年植被NPP與降水量之間的相關(guān)性 Fig.6 Correlation coefficients of NPP and precipitation during 2000—2012

圖7 2000—2012年植被NPP與氣溫之間的相關(guān)性 Fig.7 Correlation coefficients of NPP and temperature during 2000—2012

圖8 漢江流域及其子流域植被NPP與高程間的關(guān)系Fig.8 Relationship of NPP and DEM in Hanjiang River Basin and its sub-catchments

緩慢下降;大于1500 m呈波動變化(圖8)。下游平原區(qū)NPP變化不明顯,整體趨勢是200 m以下波動上升,超過200 m又波動下降(圖8)。根據(jù)植被垂直地帶性特點(diǎn),高海拔地區(qū)為裸地或植被稀少,且像元點(diǎn)數(shù)少,未進(jìn)行NPP統(tǒng)計(jì)。為了更好地反映NPP的垂直分帶性,文中對流域NPP采用分段函數(shù)式進(jìn)行研究。根據(jù)流域NPP的垂直變化特征,海拔小于200 m為平原區(qū),高差小,易受人類活動干擾,本文分三段：第一段(200—600 m)：高程和平均NPP的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.820(P<0.01),呈極強(qiáng)相關(guān)。常數(shù)C=398.23,海拔每升高100 m,NPP升高15.1 gC m-2a-1。第二段(600—1500 m)：高程和平均NPP的Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.879(P<0.01),呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)。常數(shù)C=548.359,每升高100 m,NPP減少12.3 gC m-2a-1。第三段(>1500 m)：高程和平均NPP的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.465(P<0.01),呈中等相關(guān)。常數(shù)C=311.850 gC m-2a-1,每升高100 m,NPP增加5.2 gC m-2a-1,此高程以上,NPP變化受多種因素的作用。已有研究表明,當(dāng)?shù)匦未笥?000 m時(shí),降水受地形影響的再分配非常明顯[19]。根據(jù)秦嶺山地植被垂直分帶性,500 m以下農(nóng)耕帶,500 m以上垂直景觀帶依次為常綠落葉林帶(<1000 m)—典型的落葉闊葉林帶(1000—1400 m)—針闊混交林(1400—2600 m)—山地針葉林帶(>2600 m)—灌叢草甸帶[20-21]。植被垂直演替規(guī)律與植被NPP的變化規(guī)律近似吻合?？傊?植被NPP的垂直變化與高程之間存在非線性變化,證實(shí)了垂直方向上物種多樣性的一致性難易形成[12]。植被NPP隨高程的變化呈復(fù)合型升降趨勢,整體表現(xiàn)為“陡升-下降-緩升-陡降”,近似倒“S”曲線,說明地形起伏差異使植被NPP空間差異明顯。

2.2.3 坡度因子

在既定的氣候條件下,坡度是控制植被格局(點(diǎn)狀,寬的或典型的帶狀)類型的重要因子[22],帶狀格局下的生物量往往高于點(diǎn)狀或單一散亂分布格局[23]。坡度上坡度0°—5°,NPP微增,標(biāo)準(zhǔn)差隨之增加;5°—35°間隨著坡度增加,NPP由458 gC m-2a-1降到419 gC m-2a-1,有減小趨勢(圖9)。5°→20°→35°間標(biāo)準(zhǔn)差由增變減;坡度35°為重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),35°—40°間微升,之后NPP開始減小,標(biāo)準(zhǔn)差持續(xù)減小至平穩(wěn)。NPP隨坡度增加呈現(xiàn)“急增-緩減-緩增-陡減”趨勢,坡度較小時(shí)NPP較大。平均標(biāo)準(zhǔn)差為108 gC m-2a-1,變異系數(shù)為24.9%,數(shù)據(jù)離散程度略大。但當(dāng)坡度極陡時(shí),植被NPP會產(chǎn)生突變。主要在于植被覆蓋及人類活動在一定程度上要受到坡度制約與影響[24]。

此外,植被NPP隨坡向的改變空間差異性也很明顯。根據(jù)ArcGIS坡向提取,以北為始點(diǎn)(0°)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),劃分為南坡(157.5°—202.5°)和東南坡(112.5°—157.5°)為陽坡,東坡(67.5°—112.5°)和西南坡(202.5°—247.5°)為半陽坡,西北坡(292.5°—337.5°)和北坡(0°—22.5°)為陰坡,西坡(247.5°—292.5°)和東北坡(22.5°—67.5°)為半陰坡,表現(xiàn)為植被生物量的多寡隨坡向呈規(guī)律性變化,東南坡和南坡NPP值最高,北坡、西北坡和平地NPP值最低,且漢江下游多平原,植被NPP變化不明顯(圖10)。由于高山對年降水量的影響主要是通過地形抬升和凝集高度的變化而產(chǎn)生,在海拔4000—4500 m以下,水汽抬升速度決定于山體坡度、山體走向及高程等因素[25],因此垂直地帶中坡向代表了水熱組合的空間規(guī)律,陽坡、半陽坡水熱組合比陰坡、半陰坡要好,坡向上NPP空間分布規(guī)律為陽坡>半陽坡>半陰坡>陰坡,上游山區(qū)這種規(guī)律性最明顯。

圖9 漢江流域植被NPP與坡度間的關(guān)系Fig.9 Relationship of NPP and Slope in Hanjiang River Basin

圖10 漢江流域及其子流域不同坡向植被NPPFig.10 NPP of slpoe aspect in Hanjiang River Basin and its sections

2.2.4 人類活動

圖11 2000—2012年漢江流域土地利用強(qiáng)度變化率空間分布 Fig.11 Distribution of the change rate in land use intensity from 2000 to 2012

圖12 2000—2012年漢江流域土地利用轉(zhuǎn)移動態(tài)空間分布 Fig.12 Distribution of dynamic index of land transfer from 2000 to 2012

微觀地貌景觀反映植被NPP的連續(xù)變化態(tài)勢,而宏觀地貌景觀對區(qū)域生態(tài)資源管理更具有現(xiàn)實(shí)意義[18]。按照大地貌單元和中國水利部水土保持標(biāo)準(zhǔn)劃分了6種地貌單元和7種坡度,統(tǒng)計(jì)了不同地貌單元和坡度下,植被NPP呈下降趨勢的面積比例。全流域植被NPP呈下降趨勢的主要集中在平原區(qū),隨后依次是低山、丘陵、低中山;上游段植被NPP呈下降趨勢的主要集中在低山和低中山;中游段平原和低山區(qū)最明顯,下游段平原區(qū)最典型(表3)。全域坡度在0°—5°時(shí),植被NPP下降幅度最大,其后由大到小依次是15°—25°、8°—15°、35°—45°。主要在于平原區(qū)受人類活動干擾程度較大,尤其是近河道平原區(qū)[26]。地形也會影響森林分布,平坦低地區(qū)人類作用往往很少受到限制[27],而低山區(qū)景觀斑塊兩極分化顯著,以林地為主,其他景觀要素斑塊以鑲嵌體的形式鑲嵌于林地景觀要素本底,其生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定[28]。根據(jù)土壤侵蝕標(biāo)準(zhǔn)坡度越大,土壤侵蝕越嚴(yán)重,植被退化越劇烈,植被NPP下降趨勢越明顯。但本研究低山區(qū)植被NPP下降所占比例較大,可能是人類活動增強(qiáng)引起的,人類活動強(qiáng)度主要是通過用地方式的改變來反映的。

關(guān)于土地方式對植被NPP的影響已取得一定研究成果[29]。2000—2012年間漢江流域土地利用程度指數(shù)由235.8微增到236.6,43.7%的面積人類活動對土地利用干擾程度在降低,上游處于土地利用調(diào)整期,人類活動對土地利用的強(qiáng)度逐漸減弱;中下游處于土地利用發(fā)展期,變化較大的均處于平原丘陵區(qū)(圖11)。土地利用動態(tài)度反映了土地利用變化速率的空間差異[17]。全流域63.2%的面積用地類型未發(fā)生變化,草地轉(zhuǎn)出約占總面積的19.7%,轉(zhuǎn)入約3.2%;耕地轉(zhuǎn)出約占7.3%,轉(zhuǎn)入約占6.8%;林地轉(zhuǎn)出約占6.9%,轉(zhuǎn)入約23.8%(圖12)。上游地區(qū)為草地轉(zhuǎn)為林地,耕地轉(zhuǎn)為林地,二者轉(zhuǎn)移速率較快;中下游區(qū)是林地或草地轉(zhuǎn)為耕地轉(zhuǎn)移速率較快,水域面積不斷萎縮,城市用地?cái)U(kuò)張,均反映了人類活動對土地利用干擾程度的增強(qiáng)。不同宏觀地貌單元下人類活動和自然因素對植被NPP的影響存在空間差異性。平原緩坡區(qū)土壤侵蝕弱,人類活動影響較強(qiáng),主要表現(xiàn)為城市擴(kuò)張、水域萎縮和耕地增加;15°—25°間,受土壤侵蝕和人類活動綜合作用的結(jié)果,主要表現(xiàn)為草地轉(zhuǎn)為林地或耕地轉(zhuǎn)為林地;當(dāng)坡度>35°和高程>1500 m時(shí),自然因素占主導(dǎo),坡度越陡,海拔越高,植被覆蓋少。

3 討論

自然地帶性決定了植被帶的地域分異規(guī)律,使其呈緯向、經(jīng)向、垂向的變化規(guī)律,一定流域范圍內(nèi),植被類型呈地帶段性和區(qū)域性,植被NPP隨之呈規(guī)律性變化,結(jié)果表明植被NPP變化趨勢的空間特征是人類活動(用地方式)與自然因素綜合作用的結(jié)果。自南水北調(diào)中線工程實(shí)施以來,國家加強(qiáng)了對水源地生態(tài)環(huán)境的治理,發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè),上游段退耕還林,植被NPP較高,尤其是漢中市。漢水流域中下游屬于湖北省,轄部分武漢經(jīng)濟(jì)圈,經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快、強(qiáng)度大,人口密度高,城市擴(kuò)張,河道萎縮,水土流失嚴(yán)重,植被NPP下降趨勢明顯,尤其是平原區(qū)人類活動對植被NPP的作用更明顯。低山丘陵區(qū)人類不合理的用地方式,加劇了水土流失,導(dǎo)致地表裸露,使植被NPP降低。此外也受植被類型的影響,不同植被的凈初級生產(chǎn)力也存在差異,如混交林比落葉闊葉林植被NPP高。本文植被NPP數(shù)據(jù)運(yùn)用了生態(tài)-遙感耦合模型,一定程度上彌補(bǔ)了非均質(zhì)區(qū)域植被生態(tài)生理模型的不足。運(yùn)用該數(shù)據(jù)分析植被NPP時(shí)空變化,具有一定的可靠性、科學(xué)性,能反映區(qū)域植被生產(chǎn)力和碳匯能力以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,為生態(tài)環(huán)境治理與規(guī)劃提供一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

漢江流域地貌類型多樣,植被NPP的空間分布在垂直方向上受地形起伏高低的控制,水平方向上受水熱空間組合和人類活動的影響較。

表3 統(tǒng)計(jì)山地地貌形態(tài)和不同坡度中下降NPP所占面積比例/%

(1)漢江流域植被NPP多年平均值為439 gC m-2a-1,整體呈微小的波動上升趨勢,年增長幅度為3.11 gC m-2a-1。從子流域河段來看,多年平均NPP上游<中游<下游,與流域水熱空間組合規(guī)律相吻合;多年平均NPP的空間差異是上游>中游>下游,主要是由地形因素控制的。

(2)漢江流域2000—2012年植被平均NPP的空間分布狀態(tài),呈圍椅狀,向東南開口。西北高,東北低,南高北低,中間略高的狀態(tài)。全流域植被NPP集中分布在300—600 gC m-2a-1,占全域面積的83.65%,大于600 gC m-2a-1主要分布在上游地段。從行政空間來看,漢中平均NPP值比較高,南陽和商洛平均NPP比較低。十堰、襄樊和荊門平均NPP呈下降趨勢的所占面積最大。

(3)隨著高度增加,植被NPP呈現(xiàn)規(guī)律性變化,整體上為“增加-遞減-增加-遞減”的過程。不同坡度控制下的景觀格局使植被NPP也呈規(guī)律性變化。植被NPP的坡向空間差異呈現(xiàn)：陽坡>半陽坡>半陰坡>陰坡。綜合體現(xiàn)了地形因素對植被NPP的空間分布起著決定性因素。

(4)人類活動和氣候因素對植被NPP的變化起著決定性的作用,但氣溫對植被NPP的影響沒有降水顯著。當(dāng)高程>1500 m,坡度大于35°,降水量在垂直方向上重新得到分配,進(jìn)而影響植被NPP的梯度變化,海拔200 m以下和500—1000 m時(shí)受人類活動影響比較大。

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Spatiotemporal pattern of net primary productivity in the Hanjiang River Basin

ZHANG Jing1,2, REN Zhiyuan1,*

1CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China2SchoolofHistoryandTourism,ShaanxiSCI-TECHUniversity,Hanzhong723001,China

For the Hanjiang River Basin, we studied the spatiotemporal pattern of net primary productivity (NPP) based on MOD17A3-NPP (Modis NPP is part of the NASA Earth Observation System project) data, and the factors affecting the pattern, in order to provide a scientific basis for eco-environmental improvements and management of land. The GIS spatial analysis method, linear fitting method, and variation coefficient method were used to study the spatiotemporal pattern of NPP; the correlation coefficient method, land use degree index, and dynamic degree index of land use were used to analyze the factors affecting the spatiotemporal pattern. The results showed: (1) The multi-year average NPP in Hanjiang River Basin was 439 gC m-2a-1. NPP was high in the northwest and low in the northeast, higher in the south than in the north, and slightly higher in the middle region like a armchair, opening to the southeast. In general, annual growth increased at a rate of 3.11gC m-2a-1, NPP ranged from 300 to 600 gC m-2a-1, and 83.65% of the total area accounted for the NPP. High NPP was recorded for Hanzhong city. (2) The multi-year average NPP was the lowest in the upstream region, followed by the middle region, and then the downstream region, whereas the reverse trend was noted for the diversity of NPP. Because the upper reaches of the basin is mainly mountainous, there were obvious vegetation differences between the different vertical zones and therefore there were more complex and diverse vegetation type, and considerable spatial differentiation of vegetation NPP for this region. Maximum NPP was noted in Hanzhong. The largest area (Shiyan, Xiangfan, and Jingmen) had a decreasing trend for average NPP. (3) Due to the nonlinear change in climatic conditions of vertical landscapes, the spatial distribution of NPP is usually affected by the reallocation of hydro-thermal combination in vertical landscapes. In the Hanjiang River Basin, precipitation is the main factor of affecting NPP. (4) Vertical variation in NPP was also observed: from the perspective of elevation, NPP is steeply rising first and then falling, then slightly rising and steeply dropping again; from the perspective of slope, NPP is sharply increasing first and then slowly decreasing, then slowly increasing and steeply decreasing again; according to the slope aspects, NPP in sunny slope is highest, NPP in shady slope is lowest and NPP in semi sunny slope is higher than semi shady slope. Topography is the main factor affecting the vertical variation in NPP. (5) NPP was evidently decreased in hilly regions and in region with slopes less than 5°,which was mainly because of land use patterns and human activity. Soil and water loss areas also had decreased NPP, which was mainly related to the terrain and the heavy precipitation in the mountainous region. In conclusion, NPP in Hanjiang River Basin is stable, NPP in the middle and lower reaches of the basin are slightly decreasing in the flat and hilly regions and NPP is decreasing in low and mid-low mountains. Climate and topographic features determines the spatial distribution of NPP, and climate changes and human activities have an important role in affecting vegetation NPP.

net primary productivity; spatiotemporal pattern; Hanjiang River Basin

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371523);教育部人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地項(xiàng)目(14JJD840004)

2015- 12- 01;

2016- 05- 09

10.5846/stxb201512012402

*通訊作者Corresponding author.E-mail: renzhy@snnu.edu.cn

張靜, 任志遠(yuǎn).漢江流域植被凈初級生產(chǎn)力時(shí)空格局及成因.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(23):7667- 7677.

Zhang J, Ren Z Y.Spatiotemporal pattern of net primary productivity in the Hanjiang River Basin.Acta Ecologica Sinica,2016,36(23):7667- 7677.