2000～2013年商洛植被NPP變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

張善紅,宋令勇

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.山東省濟(jì)寧市汶上縣第一實(shí)驗(yàn)中學(xué),山東 濟(jì)寧 272500)

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2000～2013年商洛植被NPP變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

張善紅1,宋令勇2

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.山東省濟(jì)寧市汶上縣第一實(shí)驗(yàn)中學(xué),山東 濟(jì)寧 272500)

基于2000～2013年的NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),利用CASA模型對(duì)商洛地區(qū)植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)進(jìn)行了模擬估算。研究結(jié)果表明：2000～2013年商洛地區(qū)的NPP呈顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)(P<0.01)，年均NPP為841.64 gC/m2;春季、秋季、冬季的NPP在波動(dòng)中增長(zhǎng),其中春季增長(zhǎng)最快,而夏季的NPP呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)。商洛地區(qū)的月均NPP與當(dāng)月、提前1個(gè)月、提前2個(gè)月、提前3個(gè)月的月均氣溫均呈顯著的正相關(guān),但其受當(dāng)月氣溫的影響最大。

植被；NPP;氣溫;商洛地區(qū)；響應(yīng)

植被凈第一生產(chǎn)力(Net Primary Production,簡(jiǎn)稱NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量[1],它反映植被生產(chǎn)力狀況,是表征生態(tài)系統(tǒng)功能和碳循環(huán)狀況的1個(gè)重要參數(shù)[2-6]。NPP代表植物將光能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的能力,反映了植物群落在自然條件下的生產(chǎn)能力,是估算地球支持能力和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的1個(gè)重要生態(tài)指標(biāo)。自20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著RS和GIS技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)NPP的研究取得了重大突破[7-8], NPP估算模型朝著2個(gè)方向發(fā)展:一是通過對(duì)植物生理過程的研究建立模型;二是充分利用時(shí)效性較強(qiáng)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。雖然我國(guó)學(xué)者對(duì)NPP的研究起步較晚，但是近年來(lái)也取得了較多的成果[9]，例如：馮險(xiǎn)峰等利用BEPS模型估算了我國(guó)2001年陸地生態(tài)系統(tǒng)的NPP,并預(yù)測(cè)了未來(lái)我國(guó)不同植被類型的NPP分布[10];柯金虎等根據(jù)遙感數(shù)據(jù)、氣象資料、植被類型及土壤數(shù)據(jù),利用CASA模型對(duì)長(zhǎng)江流域植被NPP進(jìn)行了模擬[11];張莎等利用MODIS數(shù)據(jù)集及氣象數(shù)據(jù),對(duì)河北省2001～2010年NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其與氣候因子的相關(guān)性進(jìn)行了分析[12]。

商洛地處秦嶺山地,區(qū)域內(nèi)植被類型繁多。在全球變暖的大背景下,對(duì)商洛地區(qū)NPP的變化及其對(duì)氣溫變化的響應(yīng)進(jìn)行研究,可以揭示全球變暖大趨勢(shì)下商洛地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)程度,從而為該區(qū)域的生物多樣性保護(hù)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與植被保護(hù)提供依據(jù)。本文采用2000～2013年14年的商洛地區(qū)氣溫、降水、太陽(yáng)輻射、NDVI等數(shù)據(jù),利用CASA模型研究了商洛地區(qū)植被的NPP變化規(guī)律,分析了商洛地區(qū)植被NPP對(duì)氣溫變化的響應(yīng)。

1　資料與方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

MODIS NDVI遙感數(shù)據(jù)集下載于http://modis.gsfc.nasa.gov/網(wǎng)站。2000～2013年逐月氣溫和逐月降水量數(shù)據(jù)來(lái)自商洛市7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)。太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

1.2研究方法

1.2.1NPP估算模型本文采用的NPP估算模型為Potter等[13]提出的光能利用率模型(CASA模型),其估算公式為:

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)=PAR(x,t)×FPAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式(1)中:APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射;ε(x,t)為實(shí)際光能利用率;FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收分量,其計(jì)算公式[16]如下:

(2)

(3)

(4)

FPAR(x,t)=0.5FPARNDVI(x,t)+0.5FPARSR(x,t)

(5)

式(2)～式(5)中：NDVI(i,max)和NDVI(i,min)分別表示第i種植被類型的NDVI最大值和最小值;SR(i,max)和SR(i,min)分別表示第i種植被類型NDVI的95%和5%下側(cè)百分位數(shù);FPARmax和FPARmin的取值與植被類型無(wú)關(guān),分別為0. 95和0.01。

實(shí)際光能利用率ε(x,t)由溫度、水分及最大光能利用率決定,其計(jì)算公式為:

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(6)

式(6)中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)為溫度脅迫系數(shù),均可采用Potter等[13]提出的方法估算;εmax為最大光能利用率,因植被類型不同而不同,本文利用朱文泉等研究確定的中國(guó)典型植被類型最大光能利用率模擬結(jié)果[14]；Wε(x,t)為水分脅迫系數(shù),由公式(7)計(jì)算:

Wε=0.5+0.5×E/Ep

(7)

式(7)中：E為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量,可根據(jù)周廣勝和張新時(shí)的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型求得；Ep為潛在蒸散量,可根據(jù)Boucher提出的互補(bǔ)關(guān)系[15-16]求取。

1.2.2SPSS偏相關(guān)分析法偏相關(guān)分析法是在排除了其他因素的影響后,考察2個(gè)因素間的關(guān)聯(lián)程度,目的在于消除其他變量關(guān)聯(lián)性的傳遞效應(yīng)。這樣分析得出的偏相關(guān)系數(shù)能夠準(zhǔn)確地反映2個(gè)變量之間的真實(shí)相關(guān)程度。本文中NPP與氣候因子的相關(guān)系數(shù)計(jì)算采用如下公式[17]:

(8)

利用下式計(jì)算以降水為控制變量的NPP與氣溫間的偏相關(guān)系數(shù)[18]:

(9)

式(9)中：r12、r13、r23分別表示變量V1與V2、V1與V3、V2與V3間的相關(guān)系數(shù)； r12.3是固定變量V3后變量V1與V2間的偏相關(guān)系數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1商洛地區(qū)NPP的變化規(guī)律

2.1.1在年際上的變化規(guī)律圖1是商洛地區(qū)NPP年際變化趨勢(shì)圖,由圖1可知,14年間商洛地區(qū)NPP波動(dòng)范圍為790～870gC/m2,平均值為842.6187gC/m2。其中峰值出現(xiàn)在2004年和2008年,分別為854.87和878.54gC/m2,且2008年的NPP為14年中的最高值;谷值出現(xiàn)在2001年和2007年,分別為795.09和810.33gC/m2,且2001年的為14年中的最低值。線性模擬結(jié)果表明，2000～2013年商洛地區(qū)植被NPP呈上升趨勢(shì),趨勢(shì)方程為y=2.8962x+820.90,說明2000～2013年商洛地區(qū)NPP增長(zhǎng)速度為2.8962gC/m2?？梢娚搪宓貐^(qū)NPP有明顯的年際增加趨勢(shì),說明研究區(qū)近14年植被生長(zhǎng)狀況良好,NPP積累較多。

圖1　商洛地區(qū)NPP的年際變化

2.1.2在季節(jié)上的變化規(guī)律受水、熱組合的影響,植被在不同的月份有不同的生長(zhǎng)狀況,相應(yīng)的NPP值也會(huì)存在一定差異。圖2顯示了商洛地區(qū)各月份NPP的變化趨勢(shì)。該地區(qū)植被生長(zhǎng)季為4～9月,植被NPP的年內(nèi)變化為單峰曲線,4～7月NPP積累較快,這段時(shí)期氣溫高，降水量豐富，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，有利于植被的生長(zhǎng)和能量的累積；其中最大值出現(xiàn)在7月份。8月份植被NPP開始下降。10月至次年3月氣溫降低,植被生長(zhǎng)緩慢,植被NPP減緩累積。這與朱文泉等研究?jī)?nèi)蒙古植被初級(jí)生產(chǎn)力的結(jié)論[20]一致。

圖2　商洛地區(qū)各月份NPP的變化

不同季節(jié)NPP的變化趨勢(shì)如圖3～圖6所示,商洛地區(qū)各季節(jié)NPP的線性變化趨勢(shì)均不顯著,但可以從圖中看出NPP的大體趨勢(shì)。春、秋、冬3個(gè)季節(jié)的NPP在波動(dòng)中增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速度比較小且各不相同,其中春季增長(zhǎng)最快，增長(zhǎng)速度為3.0786gC/m2,秋季和冬季的分別為0.1937、0.3028gC/m2。夏季NPP呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì),下降的速度為0.9344gC/m2。

圖3　商洛地區(qū)春季NPP的變化

圖4　商洛地區(qū)夏季NPP的變化

2.2植被NPP與氣溫的相關(guān)性

2.2.1氣溫的變化圖7是商洛地區(qū)2000～2013年年均氣溫變化圖。從圖7中可見,2000～2013年商洛地區(qū)年均氣溫總體上呈上升趨勢(shì),趨勢(shì)方程為y=0.0177x+13.237,式中y為年均氣溫, x為年份。由趨勢(shì)方程可以看出2000～2013年商洛地區(qū)氣溫的增長(zhǎng)速度為0.0177 ℃/年,可見商洛地區(qū)氣溫有明顯的年際增加趨勢(shì)。

圖5　商洛地區(qū)秋季NPP的變化

圖6　商洛地區(qū)冬季NPP的變化

圖7商洛地區(qū)2000～2013年年均氣溫的變化

2.2.2植被NPP對(duì)氣溫變化的響應(yīng)圖8反映了商洛地區(qū)逐月NPP與月平均氣溫時(shí)間序列的變化趨勢(shì),從中可以看出商洛地區(qū)2000～2013年植被月均NPP與月平均氣溫呈現(xiàn)出比較明顯的一致性。

對(duì)月均NPP與月均氣溫的關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果(見表1)顯示兩者間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.932,在0.01水平下顯著相關(guān)。但植被NPP的變化不僅受氣溫的影響,還受降水等因素的影響,因此采用偏相關(guān)分析法進(jìn)行進(jìn)一步的分析，因?yàn)檫@種方法在研究月平均NPP與同期氣溫的關(guān)系時(shí),可以控制降水對(duì)NPP的影響,所得出的偏相關(guān)系數(shù)能夠較好地反映兩者之間的關(guān)系。偏相關(guān)分析(除去了降水的影響)結(jié)果表明,NPP與氣溫間的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.873 (P<0.01),同樣表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,這說明NPP與氣溫在月時(shí)間序列上具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。

同時(shí)對(duì)當(dāng)月NPP與提前1個(gè)月、提前2個(gè)月和提前3個(gè)月的平均氣溫進(jìn)行相關(guān)分析,研究可能存在的氣溫對(duì)NPP的滯后影響。結(jié)果表明：滯后期為1個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.853 (P<0.01)和0.787 (P<0.01);滯后期為2個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.551 (P<0.01)和0.559 (P<0.01);滯后期為3個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.096 (P<0.05)和0.228 (P<0.01)。說明當(dāng)月NPP與提前1個(gè)月、提前2個(gè)月和提前3個(gè)月的月均氣溫均在0.01或0.05顯著性水平下具有正相關(guān)性。相比較而言,提前1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月的相關(guān)系數(shù)并沒有當(dāng)月的相關(guān)系數(shù)高,因此認(rèn)為月均NPP受當(dāng)月氣溫及前1月、前2月、前3月氣溫的綜合影響,但當(dāng)月氣溫對(duì)商洛地區(qū)植被NPP的影響是最大的。

圖8　商洛地區(qū)月均NPP與月均氣溫在時(shí)間序列上的變化

滯后月份數(shù)相關(guān)性相關(guān)系數(shù)顯著性(P值)偏相關(guān)性相關(guān)系數(shù)顯著性(P值)00．932<0．010．873<0．0110．853<0．010．787<0．0120．551<0．010．559<0．0130．096<0．050．288<0．01

3　結(jié)論

在NPP的年際變化方面,2000～2013年商洛地區(qū)NPP的波動(dòng)范圍為790～870 gC/m2,平均值為842.62 gC/m2。線性模擬結(jié)果表明2000～2013年商洛地區(qū)植被NPP呈上升趨勢(shì),其增長(zhǎng)速度為2.90 gC/m2。

在NPP的季節(jié)變化方面,商洛地區(qū)2000～2013年各季節(jié)NPP的線性變化趨勢(shì)均不顯著。春、秋、冬3個(gè)季節(jié)的NPP在波動(dòng)中增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速度比較小且各不相同,其中春季增長(zhǎng)最快。

在NPP對(duì)氣溫變化的響應(yīng)方面,商洛地區(qū)的月均NPP與同月、提前1個(gè)月、提前2個(gè)月、提前3個(gè)月的月均氣溫均呈顯著正相關(guān),偏相關(guān)系數(shù)分別為0.873、0.787、0.559、0.228 (P<0.01),表明商洛地區(qū)NPP受當(dāng)月氣溫及前1月、前2月、前3月氣溫的綜合影響,但當(dāng)月氣溫的影響最大。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Vegetation NPP Change and Its Response to Temperature Change in Shangluo from 2000 to 2013

ZHANG Shan-hong1, SONG Ling-yong2

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China;2. Wenshang No. 1 Experimental Middle School of Ji’ning City in Shandong Province, Ji’ning 272500, China)

Based on the NDVI data and meteorological data during 2000～2013, the author applied CASA model to stimulate and assess the Net Primary Productivity (NPP) of vegetation in Shangluo area. From 2000 to 2013, the NPP of vegetation in Shangluo area showed a significant (P<0.01) increasing trend, and the average annual NPP was 841.64 gC/m2. The NPP revealed a fluctuating growth trend in spring, autumn and winter, and it increased fastest in spring. On the contrary, the NPP in summer showed a wavelike decreasing change. The average monthly NPP in Shangluo area had a significantly positive correlation with the average monthly air temperature of the same month, one month ahead, two month ahead, and three month ahead, but it was most greatly influenced by the average air temperature of the same month.

Vegetation; NPP; Air temperature; Shangluo area; Response

2016-04-11

商洛學(xué)院科研基金項(xiàng)目(14SKY017)。

張善紅(1983─),女,山東日照人,講師,碩士,主要從事全球變化生態(tài)學(xué)研究。

Q948.156

A

1001-8581(2016)10-0067-04