長江流域不同氣候分區(qū)生長季植被總初級生產(chǎn)力對極端氣候變化的時空響應(yīng)研究

賈怡童，林愛文，朱弘紀

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430000）

引言

植被總初級生產(chǎn)力（GPP）表示光合作用過程中，單位時間和單位面積轉(zhuǎn)化為有機碳的CO2總量[1]。GPP反映了自然條件下陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，在評價生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性和生物圈承載力時有著重要的參考價值[2，3]。因此，量化GPP的時空變化有助于理解地表碳循環(huán)、儲存和變化[4，5]。

溫度、降水、太陽輻射、大氣濃度和空氣濕度作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的外部驅(qū)動力，通過影響植被生長直接影響GPP，同時也通過影響土壤而間接影響GPP[6，7]。因此，陸地植被GPP可作為研究陸地生態(tài)系統(tǒng)功能對氣候變化響應(yīng)的指標。

植被對極端氣候變化很敏感[8]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳、水和能量物質(zhì)循環(huán)會因為極端氣候變化事件而受到破壞[9]，極端氣候事件也會通過影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和功能來改變系統(tǒng)的碳匯/碳源特性。

MODIS初級生產(chǎn)力是目前使用最廣泛的GPP數(shù)據(jù)集[10，11]。但在2000年以前，還沒有關(guān)于植被生產(chǎn)力信息的數(shù)據(jù)，此外，MOD17A2H-GPP低估了通量導(dǎo)出的GPP，用全球陸地表面衛(wèi)星（GLASS）的光合有效輻射（FPAR）部分代替MODIS-FPAR，用優(yōu)化的εmax代替MODIS算法中使用的εmax（BPLUT），可以提高區(qū)域GPP模擬精度[12]。

長江流域是中國最大的流域，總面積占國土面積的18.8%，本研究通過使用改進的MOD17A2H-GPP算法重建長江流域1982～2016植被GPP，并在不同氣候分區(qū)內(nèi)探索GPP對極端氣候事件的時空響應(yīng)特征，有利于預(yù)估未來流域內(nèi)系統(tǒng)發(fā)展趨勢，為人們采取適宜措施保護植被生長，建立流域生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展模式提供參考。

1 研究區(qū)概況

長江流域（圖 1）（90°E～122°E，24°N～35°N），全長6300多公里，總面積180萬平方公里。長江流域地形復(fù)雜，西北部海拔3500～5000米，東南部海拔低于500米。氣候類型復(fù)雜，青藏高原高寒氣候帶、西南熱帶季風(fēng)氣候帶、華中亞熱帶季風(fēng)氣候帶等遍布研究區(qū)。研究區(qū)1月平均氣溫在-4°C至10°C之間，7月平均氣溫在14°C至32°C之間，降水總體上呈由東南向西北遞減的趨勢，降水豐沛分布不均，年均降水量（MAP）為1100mm。汛期與雨季一致，一般發(fā)生在6～10月，7、8月為主要汛期。流域內(nèi)的降雨多以雨季暴雨的形式出現(xiàn)。流域植被類型豐富多樣，植被區(qū)域可分為青藏高原高寒草甸草原植被區(qū)、亞熱帶山地寒溫性針葉林區(qū)、西部半濕潤常綠闊葉林區(qū)及東部濕潤常綠闊葉林區(qū)。

圖1 長江流域位置

表1 極端氣候指標一覽表

2 實驗數(shù)據(jù)和處理過程

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 氣象和衛(wèi)星數(shù)據(jù)。根據(jù)改進的MOD17A2H算法[12]，本研究選取美國國家航空航天局（NASA）的全球建模與同化辦公室（GMAO）發(fā)布的在分析資料中的溫度（Tair,℃）、比溫度（SH,kg·kg-1）、地表氣壓（Pres,Pa）和太陽短波輻射（SWRad,W·m-2）數(shù)據(jù)集進行分析。同時選擇流域內(nèi)的146個氣象站（圖1）數(shù)據(jù)分析1982～2016年期間研究地區(qū)的氣候變化。站點氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象局提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）。考慮植被本身的物候?qū)傩裕?～10月被定義為一年的生長季。

利用氣象站氣候數(shù)據(jù)，根據(jù)世界氣候變化檢測和指標專家組（ETCCDMI）對極端氣溫、極端降水事件的定義，本文選取了10個與生長季GPP有明顯相關(guān)性的極端氣候指標，包括極端溫度指標8個，極端降水指標2個（表1）。

利用RClimDex軟件計算了10個極端氣候指標?？臻g氣象數(shù)據(jù)的插值采用普通克里金與協(xié)同克里金方法。插值處理在ArcGIS 10.0平臺的地統(tǒng)計學(xué)分析模塊進行。

1982～2016研究區(qū)全球陸表特征參量產(chǎn)品的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)（GLASSLAI）來自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)比爾定律（公式1）將葉面積指數(shù)（LAI）轉(zhuǎn)換為光合有效輻射吸收比例（FPAR）：

式中，K式植被冠層的光消減系數(shù)，通常設(shè)定為0.5。

2.1.2 站點通量數(shù)據(jù)。為提高MODISGPP[12]的模擬精度，選擇利用站點GPP實測值與植被可吸收的光合有效輻射（APAR）、最低溫衰減系數(shù)（Tmin_scalar）以及水汽壓差衰減系數(shù)（VPD_scalar）之間的線性關(guān)系回歸擬合得到 εmax的優(yōu)化值 （FLUX_TOWERεmax） 代替MOD17A2H算法使用的BPLUTεmax重建長江流域生長季 GPP（表 2）。

2.1.3 氣候分區(qū)。根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）提供的中國生態(tài)地理分區(qū)方案，基于研究區(qū)溫度和干濕狀況分布特征，本文將長江流域分為五大氣候區(qū)，分別為：高原亞寒帶半干旱地區(qū)、高原亞寒帶半濕潤地區(qū)、高原溫帶濕潤半濕潤地區(qū)、北亞熱帶濕潤地區(qū)以及中亞熱帶濕潤地區(qū)（圖2）。

表2 FLUX_TOWERεmax值

2.2 計算過程

2.2.1 相關(guān)分析法。為了研究GPP對極端氣候變化的響應(yīng)，用皮爾森相關(guān)系數(shù)計算長江流域生長季GPP與極端氣候指標之間的相關(guān)性。公式如下：

其中，x和y是變量，x和y是它們的平均值，n是樣本數(shù)，r是相關(guān)系數(shù)，范圍從-1到1。當(dāng)r大于0時，表示兩個變量正相關(guān)；當(dāng)r小于0時，兩個變量負相關(guān)。r的絕對值越大，兩個變量之間的相關(guān)性越強。選擇顯著性水平α=0.05和α=0.01作為r的顯著性檢驗。

2.2.2 改進MOD17A2HGPP算法。本文采用改進的MOD17A2HGPP算法[12]重建長江流域不同氣候分區(qū)生長季GPP。計算公式如下：

其中，SWRad,Tmin,以及VPD數(shù)據(jù)來自GMAO數(shù)據(jù)集，F(xiàn)PAR數(shù)據(jù)使用GLASSLAI數(shù)據(jù)計算得到，公式如下，εmax采用FLUX_TOWERεmax計算。

K通常設(shè)置為0.5，表示植被冠層的光消減系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 長江流域不同氣候分區(qū)生長季GPP對極端氣候變化的時間響應(yīng)特征

表3為各氣候分區(qū)生長季GPP與極端氣候指標的相關(guān)性。暖夜日數(shù)（TN90p）、日最低氣溫的極高值（TNx）、日最低氣溫的極低值（TNn）、單日最大降水量（RX1day）、連續(xù) 5日最大降水量（RX5day）在高原亞寒帶半干旱地區(qū)（氣候Ⅰ）與生長季GPP呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（p＜0.01），TNx相關(guān)性最高（r=0.90）；生長季 GPP與冷夜日數(shù)（TN10p）、氣溫日較差（DTR）呈負相關(guān)關(guān)系（p＜0.01）。在高原亞寒帶半濕潤地區(qū)（氣候Ⅱ），除冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）、冷夜日數(shù)（TN10p）與生長季GPP為顯著的負相關(guān)（p＜0.01）外，其他極端氣候指標與生長季GPP呈顯著正相關(guān)（p＜0.01），其中TN90p正相關(guān)系數(shù)最高（r=0.88）。在高原溫帶濕潤、半濕潤地區(qū)（氣候Ⅲ），暖晝?nèi)諗?shù)（TX90p）、暖夜日數(shù)（TN90p）、日最高氣溫的極高值（TXx）、日最高氣溫的極低值（TXn）、日最低氣溫的極高值（TNx）與生長季GPP的相關(guān)系數(shù)均通過了0.01的顯著性檢驗且呈正相關(guān)；只有冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）與生長季GPP呈顯著負相關(guān)（r=-0.67）。暖晝?nèi)諗?shù)（TX90p）、暖夜日數(shù)（TN90p）、日最高氣溫的極高值（TXx）、日最低氣溫的極低值（TNn）在北亞熱帶濕潤地區(qū)（氣候Ⅳ）與生長季GPP顯著正相關(guān)（p＜0.01），只有冷夜日數(shù)（TN10p）與生長季GPP顯著負相關(guān)。冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）、冷夜日數(shù)（TN10p）在中亞熱帶濕潤地區(qū)（氣候Ⅴ）與生長季GPP顯著負相關(guān)（p＜0.01），其他極端氣候指標與生長季GPP均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。

3.2 長江流域不同氣候分區(qū)生長季GPP對極端氣候變化的空間響應(yīng)特征

本文定量化研究了長江流域全域生長季GPP變化與極端氣溫指標的空間相關(guān)性（圖3～5及表4）。

在所有146個氣象站點，TX10p與生長季GPP的相關(guān)系數(shù)在-0.88和0.63之間（圖3a），這兩個指數(shù)在77.2%的站點呈負相關(guān)，其中58.6%的站點呈顯著負相關(guān)（p＜0.05）。77.2%的站點中，TX90P與生長季GPP呈正相關(guān)（圖3b），其中29.7%的站點相關(guān)性通過了0.01的顯著性檢驗。TN10p與生長季GPP的相關(guān)系數(shù)范圍是-0.91～0.82（圖3c），有67.6%的站點具有顯著的負相關(guān)特征（p＜0.05）。在59.3%的站點，TN90p與生長季GPP呈顯著正相關(guān)（圖 3d）（p＜0.05）。總的來說，生長季GPP與相對指標中的冷指標呈顯著負相關(guān)，而與暖指標呈顯著正相關(guān)的區(qū)域具有高度的一致性和重疊性，這些區(qū)域主要分布在青藏高原（屬氣候區(qū)Ⅰ）、長江中下游地區(qū)（屬氣候區(qū)Ⅳ）、江南丘陵區(qū)（屬氣候區(qū)Ⅴ）。這表明，氣溫升高對作為我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)的長江中下游地區(qū)（屬氣候區(qū)Ⅳ）及江南丘陵山地（氣候區(qū)Ⅴ）的植被生長有積極影響。

表3 不同氣候分區(qū)生長季GPP與極端氣候指標相關(guān)系數(shù)表

表4 長江流域生長季GPP與極端氣候指標空間相關(guān)性統(tǒng)計

圖3 長江流域生長季GPP與極端氣溫相對指標的相關(guān)系數(shù)空間分布圖

圖4 長江流域生長季GPP與極端氣溫極值指標的相關(guān)系數(shù)空間分布圖

圖5 長江流域生長季GPP與極端降水指標的相關(guān)系數(shù)空間分布圖

TXx與生長季GPP的相關(guān)系數(shù)（圖4a）在70.3%的點為正相關(guān)，其中11%的站點達到顯著水平0.01。TXn和生長季GPP呈正相關(guān)的面積覆蓋了74.5%的流域（圖4b），其中4.1%通過了0.01的顯著性檢驗。生長季GPP與TNx的相關(guān)系數(shù)在-0.82和0.85之間（圖4c），而19.3%的站點達到了0.01的顯著性水平。TNn與生長季GPP在80.7%的站點呈正相關(guān)（圖4d），其中12.4%達到顯著水平0.01。四個極端氣溫指標與生長季平均氣溫呈顯著正相關(guān)的區(qū)域集中在果洛那曲高原（屬氣候區(qū)Ⅰ）、川西—青藏高原東部（屬氣候區(qū)Ⅲ）、江南丘陵山地（屬氣候區(qū)Ⅴ）以及長江中下游廣大地區(qū)（屬氣候區(qū)Ⅳ）。這表明極端溫度對這些地帶的植被生長有積極的影響。

RX1day與生長季GPP的相關(guān)系數(shù)范圍在-0.37和0.53之間（圖5a），正相關(guān)面積占66.9%，只有0.7%的位點達到了0.01的顯著正相關(guān)水平。生長季GPP與RX5day在長江流域主要呈正相關(guān)（圖5b），覆蓋了60.7%的面積，其中38.6%的站點顯著正相關(guān)（P＜0.05）。極端降水指標生長季GPP呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在氣候區(qū)Ⅰ、Ⅱ、江南丘陵山地（氣候區(qū)Ⅴ）、長江中下游地區(qū)（氣候區(qū)Ⅳ）。負相關(guān)顯著的地區(qū)主要集中在川西—青藏高原東部（氣候區(qū)Ⅲ）、四川盆地（氣候區(qū)Ⅴ）和云南高原（氣候區(qū)Ⅴ）。

4 結(jié)束語

綜合來看，1982～2016，無論是在整個流域還是在各氣候區(qū)，極端氣溫指標對生長季GPP的影響都大于極端降水指數(shù)，而極端降水變化僅對高原亞寒帶半干旱地區(qū)（氣候區(qū)Ⅰ）與高原亞寒帶半濕潤地區(qū)（氣候區(qū)Ⅱ）的生長季GPP變化產(chǎn)生了較為顯著的作用與影響。高原亞寒帶半干旱區(qū)（氣候區(qū)Ⅰ）和亞熱帶地區(qū)（氣候區(qū)Ⅳ、Ⅴ）對極端氣溫變化的敏感性較低。除高原亞寒帶（氣候區(qū)Ⅰ、Ⅱ）外，極端降水對生長季GPP的時間變化沒有顯著貢獻。長江源區(qū)生長季GPP對水分及溫度條件高度敏感。長江中下游（氣候區(qū)Ⅳ）的氣候與東亞季風(fēng)密切相關(guān)，受季風(fēng)的影響，該區(qū)域極端氣溫變化對生長季GPP的影響大于極端降水。這對指導(dǎo)流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境保護有著重要的指導(dǎo)意義。