河北省2005-2014年植被NPP時(shí)空演變及其與氣候因子的關(guān)系

李 肖, 袁金國(guó), 孟 丹

(1.首都師范大學(xué) 地球空間信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)際化示范學(xué)院, 北京 100048; 2.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,石家莊 050024; 3.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, 石家莊 050024)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，簡(jiǎn)稱NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積上所積累的有機(jī)干物質(zhì)總量，是光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后剩余的部分[1-2]。NPP是表征植被活動(dòng)的重要指標(biāo)，也是判定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳匯的重要指示因子[3]，主要受氣候與土地利用變化因子的影響[4-5]。研究NPP的時(shí)空演變規(guī)律及其與氣候因子之間的關(guān)系為調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能狀況、提高固碳能力等工作提供了理論依據(jù)。

植被NPP的估算研究自20世紀(jì)60年代以來受到學(xué)者重視，最初的方法是實(shí)地測(cè)量[6]，這種方法不僅耗時(shí)耗力且不適用于大范圍尺度的應(yīng)用；后又發(fā)展為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪鉡7]，如Chikugo模型等，其以實(shí)測(cè)NPP資料為基礎(chǔ)，建立其與氣候環(huán)境因子的函數(shù)關(guān)系，并利用此函數(shù)關(guān)系估算生產(chǎn)力；隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，以遙感影像為基礎(chǔ)的估算模型逐步發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用，如BIOME-BGC模型[8]、CASA模型[9]，這些模型考慮了植被與生態(tài)環(huán)境相互作用的生態(tài)、物理過程，使NPP的估算更為精確[10]。由于遙感范圍廣、速度快的特點(diǎn)，使得大面積、長(zhǎng)周期的NPP研究成為可能，王亞林等[11]對(duì)2001—2013年中國(guó)灌木生態(tài)系統(tǒng)NPP進(jìn)行研究，認(rèn)為其受降水影響更多；陳福軍等[4]利用CASA模型分析了近30年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的時(shí)空變化，認(rèn)為不同地形、氣候特征的區(qū)域其NPP對(duì)氣候因子的響應(yīng)有顯著差異，而針對(duì)河北地區(qū)的NPP相關(guān)研究較少。本文利用MODIS遙感數(shù)據(jù)集，對(duì)河北省植被NPP的時(shí)空變化特征及其與氣候因子的關(guān)系進(jìn)行分析，從多個(gè)方面充實(shí)河北省植被NPP的相關(guān)信息，為河北省生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和相應(yīng)政策的制定提供依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省(36°01′—42°42′N，113°22′—119°58′E)地處華北平原，東臨渤海，西為太行山，北為燕山，屬溫帶大陸性氣候。年降水量在300～800 mm，主要集中在7月、8月份，降水在全省空間分布差異顯著，在燕山南側(cè)，太行山東側(cè)，渤海西側(cè)地區(qū)降水量充沛，可達(dá)到600～800 mm，而地處內(nèi)陸的張北高原降水量不足400 mm。河北省西北部地區(qū)植被覆蓋主要為草地，東南部主要為農(nóng)用地，太行山、燕山地區(qū)主要為闊葉林，針葉林分布極少。在所有的植被地分布中，農(nóng)用地面積約占50.3%，草地約占37.7%，闊葉林約占7%，灌叢約占4.9%，針葉林約占0.1%。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文中所涉及的數(shù)據(jù)均投影到同一坐標(biāo)系統(tǒng)下，投影方式為雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等面積圓錐投影(Albers投影)，采用的橢球體為WGS84橢球體，主要投影參數(shù)為：第一標(biāo)準(zhǔn)緯線STDPR1=25°，第二標(biāo)準(zhǔn)緯線STDPR2=47°，中央經(jīng)線105°。

1.2.1 NPP數(shù)據(jù)與處理 NPP遙感數(shù)據(jù)為NASA的EOS/MODIS提供的2005—2014年共10 a的MOD17A3H數(shù)據(jù)集，下載網(wǎng)址為：https:∥lpdaac.usgs.gov/，空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為1 a，是Terra衛(wèi)星上搭載的MODIS傳感器生成的凈初級(jí)生產(chǎn)力影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

利用從LPDAAC下載的MRT工具，對(duì)MOD17A3H數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換，并在ArcGIS中將鑲嵌結(jié)果裁剪出河北省范圍內(nèi)影像。根據(jù)MOD17A3H數(shù)據(jù)的產(chǎn)品說明，MOD17A3H的有效值為-3 000～32 700，該范圍以外的都為無效值，利用ArcGIS屬性提取工具對(duì)裁剪結(jié)果進(jìn)行有效值提取。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)與處理 氣象數(shù)據(jù)為2005—2012年河北省142個(gè)氣象站點(diǎn)的逐旬或逐月的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)求年平均，對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)求年總和。在ArcGIS中對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)采用克里金法(Ordinary普通克里金)[12]，對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)采用樣條函數(shù)法(Regularized規(guī)則樣條函數(shù))[13]進(jìn)行空間插值，插值結(jié)果數(shù)據(jù)空間分辨率設(shè)置為500 m。

1.2.3 土地覆蓋數(shù)據(jù)與處理 土地覆蓋遙感數(shù)據(jù)為NASA的EOS/MODIS提供的2005—2013年的MCD12Q1數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為1 a，該產(chǎn)品有5種土地覆蓋分類方案，本文采用IGBP分類方案，包含了17種主要類型。利用MRT工具，對(duì)MCD12Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌和投影轉(zhuǎn)換并裁剪出河北省范圍內(nèi)影像。根據(jù)MCD12Q1數(shù)據(jù)的產(chǎn)品說明，將植被覆蓋劃分為5種類型，分別是針葉林、闊葉林、灌叢、草地、農(nóng)用地，其他類型去除為null值(表1)。

以2010年的植被覆蓋圖為例(圖1)，河北省植被覆蓋主要為農(nóng)用地、草地，其次為闊葉林、灌叢，針葉林分布最少。

1.3 研究方法

1.3.1 一元線性回歸法 采用一元線性回歸方法對(duì)NPP、氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間變化趨勢(shì)分析，以NPP為例，分析每個(gè)像元的NPP隨時(shí)間變化的線性傾向，可以減小極端年份出現(xiàn)NPP極端值的干擾，得到長(zhǎng)時(shí)間序列的NPP的變化趨勢(shì)[14]：

(1)

式中：θslope為單個(gè)像元的多年回歸的斜率，即線性傾向值；n為年份數(shù)；NPPi為某一點(diǎn)像元第i年的NPP值。當(dāng)θslope>0時(shí)，隨時(shí)間i的增加，NPP呈上升趨勢(shì)；當(dāng)θslope<0時(shí)，隨時(shí)間i的增加，NPP呈下降趨勢(shì)；θslope值的大小反映了NPP上升或下降的速率。

利用NPP變化率[10]表征10年間NPP的變化程度。

(2)

式中：NPP變化率以百分率來表示；NPPAvr為10 a平均NPP；n為年份數(shù)。

表1 MCD12Q1的IGBP分類描述及重分類方案

1.3.2 相關(guān)系數(shù)的計(jì)算 為研究NPP與氣溫、降水因子的相關(guān)關(guān)系，對(duì)每一個(gè)像元均建立其NPP與氣溫、降水因子的線性關(guān)系，計(jì)算出每個(gè)像元NPP與氣溫、降水因子間的相關(guān)系數(shù)[15]：

(3)

圖12010年河北省植被覆蓋類型

根據(jù)計(jì)算出的R的結(jié)果值，對(duì)其進(jìn)行如下劃分：-1

2 結(jié)果與分析

2.1 2005-2014年河北省植被NPP空間分布格局

2005—2014年河北省及各地市植被年NPP見表2，河北省年NPP的變化范圍為271～338 g/(m2·a)，10年平均值為314 g/(m2·a)，年NPP最大值出現(xiàn)在2012年，為338 g/(m2·a)，最小值出現(xiàn)在2007年為271 g/(m2·a)。10年平均NPP分布(圖2)在全省呈現(xiàn)北高南低的趨勢(shì)，其中不低于河北省10年NPP均值[314 g/(m2·a)]的地市有張家口市、承德市、秦皇島市、唐山市，最低值出現(xiàn)在衡水市為235 g/(m2·a)。

由圖2可知，河北省的東北部地區(qū)形成了一個(gè)NPP高值區(qū)，其中承德市北部、秦皇島市東部年均NPP在400 g/(m2·a)以上；在河北省西南邊界(太行山東側(cè))形成了一個(gè)NPP高值帶，年均NPP在300 g/(m2·a)以上。由該高值帶向東的平原地區(qū)主要為人工作物，其年均NPP為200～300 g/(m2·a)，其中在廊坊市南部—滄州市西部、邢臺(tái)市東部、邯鄲市中部形成了3個(gè)NPP低值區(qū)，年均NPP在200 g/(m2·a)以下。

2.2 2005-2014年河北省植被NPP年際變化

由圖3可知，河北省2005—2014年的NPP最大值和均值呈現(xiàn)在波動(dòng)中微弱上升的趨勢(shì)。NPP均值年際間變化波動(dòng)性較小，在2012年出現(xiàn)最大值，為337.63 g/(m2·a)，其次是2008年為337.40 g/(m2·a)，在2007年出現(xiàn)最低值，為270.72 g/(m2·a)。NPP最大值的波動(dòng)趨勢(shì)與NPP均值的波動(dòng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出密切的相關(guān)性，并在2012年出現(xiàn)最大值為846.50 g/(m2·a)。

通過對(duì)氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在2005—2012年中，河北省平均氣溫在2007年最高，為10.68℃，平均降水較少，為471.45 mm；2008年河北省平均氣溫為10.07℃，平均降水較多，為522.46 mm；2012年河北省平均氣溫為9.25℃，平均降水最多，為624.20 mm，大致反映了一定范圍內(nèi)氣溫的降低、降水的增多與植被NPP增長(zhǎng)有密切關(guān)系。

表2 2005-2014年河北省植被年NPP g/(m2·a)

圖22005-2014年河北省年平均植被NPP分布

2.3 河北省植被NPP年際變化率分析

對(duì)NPP年際變化率結(jié)果(圖4A)統(tǒng)計(jì)分析得到表3，2005—2014年間NPP的變化率在-10%～10%的像元面積占42.47%，變化率大于10%的像元面積占43.03%。表明這10年間河北省42.47%的區(qū)域NPP比較穩(wěn)定，43.03%的區(qū)域NPP呈明顯的上升趨勢(shì)。

由圖4A可以看出，河北省的西北部區(qū)域和東南邊界一帶的NPP呈明顯的上升趨勢(shì)，變化率主要為10%～30%，部分地區(qū)大于30%；NPP變化率小于-30%的地區(qū)主要分布在滄州市西部、石家莊市西南部、邢臺(tái)市西部、邯鄲市南部，這些區(qū)域占研究區(qū)總面積的2.69%。

為了探究2005—2014年10年間NPP變化率呈現(xiàn)如此空間分布的原因，對(duì)與植被生長(zhǎng)息息相關(guān)的兩個(gè)氣候因子——?dú)鉁?、降水作線性回歸分析。利用2005—2012年氣溫、降水插值柵格圖像逐像元進(jìn)行一元線性回歸分析，計(jì)算每個(gè)像元在8年間的變化率，由圖4B可以看出，河北省絕大部分地區(qū)氣溫呈下降趨勢(shì)，其中河北省西北部地區(qū)氣溫下降趨勢(shì)最為顯著；由圖4C可以看出，河北省大部分地區(qū)降水呈上升趨勢(shì)，其中在張家口市西北部、滄州市南部、衡水市南部、邢臺(tái)市東部區(qū)域降水呈顯著上升趨勢(shì)，這些區(qū)域與NPP變化率大于10%的區(qū)域?qū)?yīng)。降水量的增加為植被生長(zhǎng)提供了更加充足的水分，氣溫降低則會(huì)減少植被的水分蒸發(fā)量，這兩個(gè)因素共同影響著植被NPP的變化。

圖3 2005-2014年河北省年均NPP值變化表3 2005-2014年河北省植被NPP變化百分率所占比例 %

2.4 不同植被類型NPP變化分析

利用2005—2013年MCD12Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)對(duì)2005—2014年NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，由于缺失2014年的MCD12Q1數(shù)據(jù)，考慮到相鄰年間土地覆蓋的差別不大，故用2013年的MCD12Q1數(shù)據(jù)對(duì)2014年的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5，不同植被類型的NPP差異較大，其中闊葉林、灌叢的年NPP的較高，約為400 g/(m2·a)，其次是草地約為325 g/(m2·a)，農(nóng)用地的年NPP最低，約為275 g/(m2·a)。所有植被類型的NPP都在2007年形成一個(gè)低谷，在2008年急劇上升達(dá)到峰值，又在2010年形成一個(gè)低谷，然后上升在2012年達(dá)到峰值。與河北省全省范圍內(nèi)NPP均值的年際波動(dòng)情況完全符合。

圖42005-2014年河北省植被NPP變化百分率、氣溫與降水年際變化率分布

根據(jù)MCD12Q1數(shù)據(jù)集可知，針葉林、灌叢在河北省植被覆蓋中占比極少，且大多分布在闊葉林的周圍，由于混合像元的存在，在統(tǒng)計(jì)其NPP時(shí)可能混入了闊葉林的NPP，導(dǎo)致其NPP貢獻(xiàn)率上升。

圖5不同植被類型NPP年際變化

2.5 NPP與氣候因子相關(guān)性分析

由圖6A可知，NPP與氣溫呈中度負(fù)相關(guān)和高度負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在冀西北地區(qū)，面積約占整個(gè)研究區(qū)總面積的63.33%，下墊面主要為草地。NPP與氣溫呈低度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.3 ～0.3)的區(qū)域主要分布冀東南地區(qū)，面積約占研究區(qū)總面積的33.65%，下墊面主要為農(nóng)用地。NPP與氣溫呈中度正相關(guān)及高度正相關(guān)的區(qū)域主要分布在河北省東南邊界，面積約占3.02%，下墊面主要為農(nóng)用地。

由圖6B可知，NPP與年降水呈中度負(fù)相關(guān)和高度負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在河北省西南邊界與東南邊界處，面積約占整個(gè)研究區(qū)總面積的11.50%，下墊面主要為農(nóng)用地、林地。NPP與年降水呈低度相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為-0.3～0.3)的區(qū)域面積約占研究區(qū)總面積的42.57%，下墊面主要為農(nóng)田和草地。NPP與年降水呈中度正相關(guān)和高度正相關(guān)的區(qū)域分布廣泛，面積占45.94%，下墊面主要為草地、農(nóng)田。

整體來看NPP與氣溫主要呈負(fù)相關(guān)(面積占87.05%)，與降水主要呈正相關(guān)(面積占73.37%)，這種現(xiàn)象在張家口市、承德市表現(xiàn)最為明顯。這兩個(gè)區(qū)域植被覆蓋多為自然狀態(tài)下的草地與林地，氣溫、降水成為限制植被生長(zhǎng)的最重要的兩個(gè)因素。一定范圍內(nèi)的溫度的降低，降水量的增多為植被生長(zhǎng)提供了更為充足的水分，進(jìn)而增加植被NPP的積累速度[16]。

表4 NPP與兩種氣候因子相關(guān)性所占面積的比例 %

圖6多年NPP與氣溫、降水的相關(guān)性分布

3 結(jié) 論

(1) 2005—2014年河北省及各地市年NPP主要集中在200～400 g/(m2·a)。河北省NPP年均值與最大值均在波動(dòng)中微弱上升，年均值在2012年最大為337.63 g/(m2·a)，在2007年最低為270.72 g/(m2·a)。河北省10 a平均NPP大于300 g/(m2·a)的區(qū)域分布在燕山北部和太行山東側(cè)；廊坊市、滄州市、邢臺(tái)市的部分地區(qū)NPP小于200 g/(m2·a)；其他地區(qū)NPP主要在200～300 g/(m2·a)。

(2) NPP呈增加趨勢(shì)的區(qū)域分布在河北省西北部和東南邊界，NPP增長(zhǎng)率大于10%的面積占研究區(qū)總面積的43.03%。5種植被類型的NPP隨年際變化的波動(dòng)情況相同，其中闊葉林年均NPP最高，農(nóng)用地年均NPP最低。

(3) 河北省植被NPP與氣溫呈中度負(fù)相關(guān)和高度負(fù)相關(guān)的面積占63.33%，下墊面主要為草地，與降水主要呈中度正相關(guān)和高度正相關(guān)的面積占45.94%，下墊面主要為草地和農(nóng)田。