近55 a新疆植被凈初級生產(chǎn)力的時空變化

黃秉光，楊 靜*，黃 玫

（1. 新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101）

新疆生態(tài)系統(tǒng)屬于高度脆弱狀態(tài)，對新疆絲綢之路沿線經(jīng)濟的開發(fā)面臨著嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境考驗。關(guān)于新疆氣候變化下植被凈初級生產(chǎn)力的分布有不少學(xué)者進行過研究[1-4]，而利用大氣植被相互作用模型AVIM2（Atmosphere-Vegetation Interaction Model 2）來研究新疆植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）的時空變化較為少見。

在新疆開展氣候變化對植被凈初級生產(chǎn)力的影響研究，不但可以促進關(guān)鍵區(qū)域氣候與生態(tài)相互作用研究的發(fā)展，而且可為區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供根本保障。本研究通過選取新疆近55 a的105個站點氣象要素，通過氣象要素插值獲得0.05°×0.05°分辨率的柵格數(shù)據(jù)，采用模型AVIM2對新疆植被凈初級生產(chǎn)力的時空演變特征進行了重點分析，其成果為新疆合理開發(fā)和利用自然資源、保護脆弱的生態(tài)環(huán)境可提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 資料來源

選取新疆105個氣象站點1961—2015年7要素（平均氣溫、降水量、風(fēng)速、相對濕度、云量、氣壓、土壤溫度）逐日平均數(shù)據(jù)，采用澳大利亞Anusplin 4.2軟件對各氣象要素進行插值，獲得分辨率為0.05°×0.05°的柵格數(shù)據(jù)作為模型氣象輸入數(shù)據(jù)，模型中的土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)來源于張時煌[5]，植被分類數(shù)據(jù)取自ARCVIEW平臺，其融合了2010年衛(wèi)星遙感土地覆蓋數(shù)據(jù)和中國科學(xué)院植物研究所編制的1：100萬中國植被圖[6]。而模式運行所需的0.05°×0.05°經(jīng)緯度網(wǎng)格則是應(yīng)用了GIS進行重采樣的結(jié)果[7]。

2 分析方法

采用線性趨勢傾向率法來分析新疆NPP總量的時間趨勢變化，用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法進行氣候突變檢測[8]；通過計算每個格點NPP與時間序列之間的趨勢系數(shù)來得到空間趨勢變化[8]。

3 AVIM2模型驗證

AVIM2模型主要由3個模塊組成[9]：描述植被—大氣—土壤之間輻射、水、熱交換過程的陸面物理過程模塊；基于植被生態(tài)生理過程（如光合、呼吸、光合同化物的分配、物候等）的植被生理生長模塊；土壤有機碳轉(zhuǎn)化和分解子模塊。目前，AVIM2已被廣泛應(yīng)用到植被凈初級生產(chǎn)力的模擬[10-13]。利用中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在新疆北部阿爾泰山區(qū)的森林實測NPP數(shù)據(jù)，對AVIM2模擬效果進行驗證效果令人滿意[7]。

4 結(jié)果與分析

4.1 新疆NPP的時間動態(tài)變化特征

有研究表明，新疆年均氣溫明顯升高、年降水量大部地區(qū)明顯增加[14-20]，在此氣候背景下，近55 a新疆NPP總量的時間動態(tài)變化總體呈緩慢增大趨勢（P＜0.01）。平均每10 a遞增速率約為1.8 gC·m-2，近55 a NPP平均值為92.4 gC·m-2，其中1993年最高為107.1 gC·m-2，2014年最小為79.0 gC·m-2（圖1a）。

對1961—2015年NPP總量進行M-K檢驗（圖1b）。UF線在進入20世紀(jì)70年代后均大于0，說明NPP總量一直呈緩慢上升，到2003年UF線突破了0.05水平的顯著性檢驗，2005年突破了0.01水平的顯著性檢驗，表明2005年到2015年間NPP總量升高趨勢異常顯著。UF和UB線在0.05水平的置信區(qū)間內(nèi)有一個交點于1980年，說明1980年是NPP總量的一個升高突變點。

圖1 NPP時間動態(tài)變化（a）及M-K檢驗結(jié)果（b）

4.2 凈初級生產(chǎn)力的空間動態(tài)變化特征

4.2.1 年分布特征

圖2反映的是近55 a新疆植被年凈初級生產(chǎn)力的空間平均分布狀況，其中天山山脈、阿爾泰山脈和塔城山區(qū)多分布著常綠針葉林、落葉針葉和闊葉林、高山草地等，NPP值較高，為300～750 gC·m-2，大致占新疆總面積的8% ；而伊犁河谷、北疆沿天山一帶、塔城和阿勒泰的平原地區(qū)、塔里木盆地周邊綠洲平原地帶是自然植被與農(nóng)作物混雜區(qū)，NPP值也相對較高，為150～300 gC·m-2，該區(qū)占新疆總面積的16% ；而其他區(qū)域多以沙漠和戈壁地帶為主，NPP值相對較低，值在150 gC·m-2以下，占新疆總面積的76% 。

圖2 多年平均NPP空間分布特征

圖3給出了1961—2015年新疆NPP變化趨勢的空間分布特征。新疆NPP呈下降趨勢的地區(qū)占23% 。其中呈顯著（P<0.05）下降的地區(qū)占11% ，主要分布在伊犁河谷、博州、塔城、吐魯番盆地、阿克蘇、克州以及巴州的西部地區(qū)。一般下降的地區(qū)主要有石河子、昌吉州的大部地區(qū)以及烏魯木齊、南疆盆地的沙漠腹地的部分地區(qū)。綜合來看，NPP的下降分布區(qū)域多是在人類生活動聚集的區(qū)域，這很可能與人類對自然植被的不合理利用有關(guān)，有待進一步的研究考證。新疆NPP呈上升趨勢的地區(qū)占新疆總面積的77% ，其中55% 的區(qū)域呈現(xiàn)顯著（P<0.05）上升趨勢，NPP上升區(qū)域多分布在人煙稀少的山區(qū)。

圖3 NPP變化趨勢的空間分布特征

4.2.2 四季分布特征

凈初級生產(chǎn)力的季節(jié)變化最能反映一個地區(qū)氣候的季節(jié)變化對凈初級生產(chǎn)力影響的一般規(guī)律。選取1、4、7、10月分別代表冬、春、夏、秋季來看凈初級生產(chǎn)力季節(jié)變化。圖4為春、夏、秋、冬四季凈初級生產(chǎn)力季節(jié)變化。從NPP的季節(jié)變化來看，秋季和春季變化較為一致，夏季則是NPP最大的季節(jié)，冬季NPP值接近于零。

春季（4月）平原植被進入積極生長期，山區(qū)部分植被開始生長，NPP逐漸增大。NPP值在51～75 gC·m-2的比例占整個面積的1% ；NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，主要位于伊犁河谷、北疆沿天山一帶和博州、塔城、阿克蘇的部分地區(qū)（圖4a）。

夏季（7月）由于氣溫最高，降雨明顯增多，NPP達到最大值。特別是位于西天山和中天山山脈、阿勒泰山脈和塔城山區(qū)的NPP值的最大值增至126～175 gC·m-2，NPP在101～175 gC·m-2的比例占整個面積的2% ；NPP在51～100 gC·m-2的占15% ；NPP在25～50 gC·m-2的比例占7% ；NPP低于25 gC·m-2的比例占76% ，多為沙漠戈壁地帶（圖4b）。

秋季（10月）和春季（4月）的NPP的分布特征較為相似，NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，NPP值在51～75 gC·m-2之間的比例占整個面積的3% ，高于春季的1% 。秋季南疆的NPP值在26～50 gC·m-2之間的比例比春季大（圖4c）。

冬季（1月）是新疆隆冬時節(jié)，植被少、氣溫低、太陽輻射量少，NPP值接近于零（圖4d）。

4.3 NPP與氣溫、降水的關(guān)系

4.3.1 相關(guān)性分析

有研究表明，中國北方地區(qū)NPP基本受降水量變化的控制，與氣溫的相關(guān)性不明顯，而在南方很多地方，NPP受氣溫的影響更大一些[21]。對近55 a NPP與氣溫、降水的時間變化分別做相關(guān)對比分析，得到新疆NPP的時間變化與氣溫相關(guān)不顯著（P＞0.05）（圖5a），而與降水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達到0.78（P＜0.05）（圖5b）,說明新疆NPP對降水量的變化較敏感，而對氣溫的變化影響不大。

4.3.2 空間分布分析

圖4 多年平均NPP四季空間分布特征

圖5 NPP與氣溫（a）、降水量（b）的相關(guān)性分析

氣溫和降水對NPP的影響具有區(qū)域性差異。新疆NPP與年平均氣溫相關(guān)性的空間分布情況來看（圖6a），各地區(qū)分布不一致，正相關(guān)的地區(qū)占到新疆總面積的75% ，其中23% 的地區(qū)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，主要分布在天山、阿爾泰山和昆侖山區(qū)地帶；負(fù)相關(guān)的地區(qū)為25% ，僅6% 的地區(qū)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，主要分布在海拔較低、氣溫較高的人口聚集的城市周邊和準(zhǔn)葛爾各盆地及谷地，究其原因主要是由于氣溫越高，HR釋放碳量就高于植被固定的碳量。新疆NPP與降水的空間變化（圖6b）顯示絕大多數(shù)（98% ）地區(qū)呈正相關(guān)，其中51% 的地區(qū)呈現(xiàn)顯著正相關(guān),說明降水量是影響新疆NPP的主導(dǎo)氣候因子，降水量增多對新疆NPP的變化具有積極的影響意義。

圖6 NPP與氣溫（a）和降水量（b）的空間相關(guān)性分析

5 結(jié)論

（1）近55 a新疆NPP平均值為92.4 gC·m-2，其中1993年最高為107.1 gC·m-2；2014年最小為79.0 gC·m-2。NPP總量的時間動態(tài)變化總體以1.8 gC·m-2/10 a的速率呈顯著（P＜0.01）遞增的趨勢，并于1980年發(fā)生突變。

（2）夏季是NPP最大的季節(jié)，其次是秋季，春季列第三位。山區(qū)NPP值較平原高。

（3）NPP的時間變化與氣溫相關(guān)性不顯著，與降水量呈顯著正相關(guān);而空間變化與氣溫相關(guān)性不顯著，但與降水相關(guān)性極好。說明降水的增加對NPP的變化有著積極的影響。

（4）新疆NPP對降水量變化呈較為顯著的正相關(guān)，氣溫的變化對NPP的影響呈不顯著的正相關(guān)，說明降水的增加相對氣溫的升高，對新疆植被凈初級生產(chǎn)力的變化有著更加積極的影響。