中國陸地植被生態(tài)系統(tǒng)NPP空間格局變遷分析

孫金珂 牛海鵬 袁 鳴

(1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院, 焦作 454000; 2.河南省測繪工程院， 鄭州 450003)

0 引言

在全球氣候變化響應(yīng)研究中，監(jiān)測長時間序列綠色植被活動的年際變化特征是理解和模擬生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化特征的重要手段[1-5]。目前，全球變暖給全球資源配置和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了不可忽視的影響，綠色植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，對全球變化具有極其重要的反饋作用，環(huán)境變化會導(dǎo)致森林減少[6]、土壤沙化、草地退化[7]等。我國陸地面積遼闊、生態(tài)系統(tǒng)多樣，在全球氣候變化的大背景下，研究我國陸地植被生態(tài)系統(tǒng)長時間序列的變化趨勢，對我國合理配置資源、提高生產(chǎn)力水平、采取趨利避害的生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施，以及促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

陸地植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是研究生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，NPP是指植物在初級生產(chǎn)過程中，單位時間和單位面積積累的有機物質(zhì)總量，受多方面因素的影響，如氣候、土壤類型、養(yǎng)分含量、CO2濃度等[8-10]。假設(shè)在其他因子處于最佳狀態(tài)，充分利用光、熱、水氣候資源時，將單位面積土地上可能獲得的最高生物學(xué)產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)產(chǎn)量稱為氣候生產(chǎn)潛力[11-13]。氣候生產(chǎn)潛力計算模型有多種，在眾多研究中認(rèn)為Thornthwaite Memorial(TW)模型[14-17]屬于統(tǒng)計經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑢⑵渥鳛闈撛跉夂蛏a(chǎn)力模型模擬潛在NPP；周廣勝-張新時(ZGS)模型[18-21]將植被生產(chǎn)力與氣溫、降水等聯(lián)系起來，有利于研究氣候變化與植被的相互作用關(guān)系，模擬生產(chǎn)力模型與實際較為接近[22-24]，因此通常將其模擬結(jié)果作為實際值。本研究運用TW模型和ZGS模型分析全國以及各陸地植被(農(nóng)田、森林和草地)潛在生產(chǎn)力、實際生產(chǎn)力時空分布及其變化規(guī)律，研究近16年全國氣候生產(chǎn)力的時空演變特征，并分析實際生產(chǎn)力與潛在生產(chǎn)力之間的相關(guān)關(guān)系，為指導(dǎo)全國充分利用氣候資源、提高生產(chǎn)力水平及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源

采用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，該平臺提供中國1980年以來逐年年平均氣溫、年降水量空間插值數(shù)據(jù)集，是基于全國2 400多個氣象站點的日觀測數(shù)據(jù)，通過整理、計算和空間插值處理生成，本研究采用2000—2015年的溫度、降水量數(shù)據(jù)，年平均氣溫單位為℃，年降水量單位為mm，空間分辨率為1 km。

采用2000、2005、2010、2015年的中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于Landsat遙感影像解譯得到的1 km柵格數(shù)據(jù)，是目前我國精度較高的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于植被的年變化量不大，通過2000年代表2000、2001、2002、2003年的土地利用，2005年代表2004、2005、2006、2007年的數(shù)據(jù)，2010年代表2008、2009、2010、2011年的數(shù)據(jù)，2015年代表2012、2013、2014、2015年的數(shù)據(jù)。此產(chǎn)品將土地利用覆蓋類型劃分為6類，分別為耕地、林地、草地、水體、居民地和未利用土地。利用其分類標(biāo)準(zhǔn)將土地利用數(shù)據(jù)劃分為森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等，為后續(xù)研究各陸地植被生態(tài)系統(tǒng)NPP年際變化提供數(shù)據(jù)支撐。

2 研究方法

2.1 氣候生產(chǎn)力模型

2.1.1Thornthwaite Memorial 模型

Thornthwaite模型基于蒸騰蒸發(fā)量(ET)與氣溫、降水和植被之間的關(guān)系，建立了NPP與ET之間的統(tǒng)計關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，LEITH等[25]根據(jù)世界5個大洲50個不同地點的植被凈初級生產(chǎn)力資料，在1975年提出了TW模型。此模型考慮的氣候要素較為簡單，且能夠較好地反映氣溫、降水量和蒸散量等影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子，擬合度較高，其計算式為

NPPT=3 000[1-e-0.000 969 5(v-20)]

(1)

(2)

L=300+25y+0.05y3

(3)

式中NPPT——由蒸散量決定的植被氣候生產(chǎn)潛力，g/m2

v——年均實際蒸散量，mm

r——年均降水量，mmy——年均溫度，℃

L——年均最大蒸散量，mm

2.1.2周廣勝-張新時模型

周廣勝、張新時根據(jù)植物生理生態(tài)學(xué)特點，基于能量平衡方程和水量平衡方程的區(qū)域蒸散模式，建立了結(jié)合植物生理生態(tài)學(xué)特點和水熱平衡關(guān)系的自然植被凈第一性生產(chǎn)力模型，計算式為

(4)

其中Rn=rRrdiLi

(5)

(6)

(7)

(8)

Li=597-0.6T

(9)

式中t——日均溫，℃T——月均溫，℃

BT——生物溫度,℃

Rn——年凈輻射，mm

Rrdi——輻射干燥度

Li——蒸發(fā)潛熱，kJ/g

Ppet——可能蒸散量，mm

Pper——可能蒸散率

2.2 變化斜率法

為研究2000—2015年全國NPP的時間序列變化趨勢，在采用上述兩種方法計算NPP結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用變化斜率法對其結(jié)果的年際變化進(jìn)行模擬，計算式為

(10)

式中k——變化斜率n——時間年數(shù)

Ai——第i年每一個柵格像元內(nèi)的NPP值

k為正，表明NPP呈增加趨勢；k為負(fù)，表明NPP呈降低趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 TW模型模擬潛在NPP

3.1.1全國潛在NPP空間分布

TW模型對中國氣候生產(chǎn)潛力計算值如圖1所示。由圖1可知，2000—2015年全國氣候生產(chǎn)潛力年際變化較大，整體呈輕微下降趨勢，近16年平均值為899.40 g/m2，其中2012年達(dá)到最大，為945.54 g/m2，2015年最小，為794.49 g/m2。在整體呈減少的趨勢下，全國潛在NPP反復(fù)波動，2009—2010年增加明顯，增加了80.78 g/m2；2012—2015年減小明顯，減小了151.05 g/m2。

圖1 2000—2015年全國NPP年均值Fig.1 Annual average of NPP in China from 2000 to 2015

圖2為基于TW模型的NPP均值空間分布，由于不同年份氣候因子、地形因子、物候特征以及植被種類的不同，使得全國潛在生產(chǎn)力的空間分布也有所不同。全國范圍內(nèi)，潛在NPP出現(xiàn)明顯的區(qū)域差異，呈“南高北低”的分布差異，由東南向西北呈逐漸遞減趨勢，分布狀況始終保持不變。西北干旱區(qū)域潛在NPP低于全國平均水平，基本處于600 g/m2以下；而秦嶺-淮河以南地區(qū)潛在NPP較高，基本分布在1 200 g/m2以上。從氣候生產(chǎn)潛力年際的區(qū)域分異特征來看，由大到小依次為華南區(qū)域、西南地區(qū)、華中地區(qū)、華東大部分地區(qū)、東北地區(qū)、華北地區(qū)、青藏高原地區(qū)、西北干旱區(qū)。

圖2 基于TW模型模擬的全國2000—2015年NPP空間分布Fig.2 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on TW model

根據(jù)近16年歷年潛在NPP的變化可知，2000—2002年華南地區(qū)氣候潛在生產(chǎn)力明顯增加，高值區(qū)域擴(kuò)張顯著，以廣西壯族自治州為中心，迅速向四周擴(kuò)張，蔓延至湖南、廣東、江西等省，這也致使氣候潛在生產(chǎn)力增加；而北部區(qū)域變化較不明顯，只有東北地區(qū)呈輕微增加趨勢。自2003年開始，南方地區(qū)氣候潛在生產(chǎn)力高值區(qū)域出現(xiàn)縮減，該縮減態(tài)勢持續(xù)到2009年，期間北方地區(qū)仍然呈小范圍波動，其中2008年南方出現(xiàn)特大暴雪災(zāi)害，致使2009年全國平均氣候生產(chǎn)潛力持續(xù)較少。隨著災(zāi)后恢復(fù)，2009—2010年南方高值區(qū)域又迅速擴(kuò)張，致使年均值出現(xiàn)回升；2010年初，我國云南、廣西等省份發(fā)生特大旱災(zāi)，6月末，湖南、江西等地發(fā)生洪災(zāi)、湖南湘江遭遇新世紀(jì)最大洪峰，這些災(zāi)害的發(fā)生，必然會對綠色植被的生長造成巨大影響，因此2010—2011年南方氣候生產(chǎn)潛力高值區(qū)域較少，也必然會影響全國平均值的降低。2011年之后秦嶺-淮河以南區(qū)域，氣候潛在生產(chǎn)力開始出現(xiàn)增長，高值區(qū)域開始向東部地區(qū)擴(kuò)張，由西南地區(qū)逐漸擴(kuò)張到華南、華東地區(qū)。

綜上所述，近16年全國氣候生產(chǎn)潛力整體呈南高北低、由南向北逐漸遞減、南部變化大、北部變化緩慢等特點。且從近16年全國氣候生產(chǎn)潛力空間分布來看，藏南地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力相對于周邊地區(qū)偏高，原因是西藏東南部地區(qū)森林覆蓋率達(dá)90%以上，有資料顯示該區(qū)域溫暖而多雨，年平均降水量在9 000 mm以上，是世界上降水量最大的地區(qū)之一。由此可見在其他氣候條件一定的情況下，降水量對氣候生產(chǎn)力的影響較大。

3.1.2陸地植被生態(tài)系統(tǒng)潛在NPP空間分布

為了解陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP空間變化動態(tài)，利用2000、2005、2010、2015年土地利用數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)(耕地、林地、草地)將全國NPP分為農(nóng)田、森林、草地生態(tài)系統(tǒng)潛在NPP，并分別從數(shù)值和空間分布上分析各陸地生態(tài)系統(tǒng)近16年年際變化、波動趨勢及空間變化特征。基于TW模型和ZGS模型，2000—2015年草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)的NPP如表1所示。

表1 基于TW模型和ZGS模型的各生態(tài)系統(tǒng)NPPTab.1 NPP of each ecosystem based on TW model and ZGS model g/m2

由表1可知，潛在年均NPP由小到大為草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)，且2000—2015年各生態(tài)系統(tǒng)NPP都存在一定范圍內(nèi)的波動，多年變化斜率依次為-0.69、-2.19、-0.03，說明各陸地植被生態(tài)系統(tǒng)NPP總體均呈輕微下降趨勢，其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NPP下降速度較其他兩類生態(tài)系統(tǒng)下降速度較快。在空間分布上，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)潛在NPP均呈“南高北低”狀態(tài)。農(nóng)田NPP高值區(qū)域主要分布在我國南部中部地區(qū)，2000—2005年河南、山東、山西NPP增加較快，2005—2015年華北平原NPP又出現(xiàn)減少趨勢，特別是作為我國主要作物生長區(qū)的河南、山東地區(qū)較為明顯。森林生態(tài)系統(tǒng)同樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，從南到北逐漸遞減，西藏南部區(qū)域一直處于高值區(qū)域，近16年空間分布幾乎不變，但就數(shù)值上看，有輕微下降趨勢，并保持該趨勢繼續(xù)減少。草地生態(tài)系統(tǒng)從東南地區(qū)向西北地區(qū)逐漸降低，直至新疆西北部，NPP又出現(xiàn)回升，該區(qū)域的雪山融水以及氣候條件更有利于草地的生長。

3.2 ZGS模型計算NPP空間分布

3.2.1全國實際NPP空間分布

根據(jù)ZGS模型對我國氣候生產(chǎn)潛力計算得出，從數(shù)值上來看(圖1實際NPP)，2000—2015年全國氣候?qū)嶋H生產(chǎn)力年際變化趨勢與潛在生產(chǎn)力變化趨勢一致，整體處于下降趨勢。近16年平均值為550.52 g/m2，最大值出現(xiàn)在2007年，為583.75 g/m2，超出多年平均值33.23 g/m2；2011年達(dá)到最小，為513.94 g/m2。2002—2003年、2007—2008年呈下降趨勢，該階段變化趨勢與TW模型模擬結(jié)果相反，其余年份波動情況則完全一致。2000—2015年氣候?qū)嶋H生產(chǎn)力的變化斜率為-1.516 8，表明近16年氣候?qū)嶋H生產(chǎn)力有不明顯的下降趨勢，其中2002年和2010年達(dá)到波峰期，2015年達(dá)到波谷期。

圖3為基于ZGS模型的NPP均值空間分布，與圖2對比可得，實際NPP的空間分布與潛在NPP結(jié)果較為一致，存在明顯的區(qū)域差異，由東南向西北呈逐漸遞減趨勢，且近16年分布狀況始終保持不變。從區(qū)域分異特征來看，由大到小依次為華南地區(qū)、西南地區(qū)、華中地區(qū)、華東大部分地區(qū)、東北地區(qū)、華北地區(qū)、青藏高原地區(qū)、西北干旱區(qū)。但是高值區(qū)域范圍有所不同，基于ZGS模型模擬的南方地區(qū)實際生產(chǎn)力明顯高于基于TW模型模擬的結(jié)果，范圍較廣。高值區(qū)域不僅包括云南省、廣西壯族自治區(qū)、海南省、臺灣省以及藏南南部，還包括廣東省、福建省、貴州省、江西省、湖南省以及藏南大部分地區(qū)。而新疆西北部NPP處于600～800 g/m2區(qū)域較少，大多處在400～600 g/m2之間，且北方地區(qū)近16年實際生產(chǎn)力變化較為緩慢，無論是區(qū)域還是數(shù)值都較南方變化小。同樣地，實際生產(chǎn)力的變動在空間上也存在幾個波動，2000—2002年華南地區(qū)高值區(qū)域擴(kuò)張顯著，迅速擴(kuò)張至華南大部分地區(qū)，而北部地區(qū)在空間分布上幾乎沒有變化。2003—2009年南方地區(qū)氣候?qū)嶋H生產(chǎn)力高值區(qū)域出現(xiàn)縮減，但與TW模型模擬結(jié)果相比該縮減速度明顯減緩，東北三省NPP在600～800 g/m2范圍內(nèi)的區(qū)域相對增加，而藏南地區(qū)高值區(qū)域未受到任何影響。2009—2010年南方高值區(qū)域又迅速擴(kuò)張，擴(kuò)張范圍較大，整個華南地區(qū)均出現(xiàn)大于1 400 g/m2高值區(qū)域；2010年，我國南方多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)洪澇災(zāi)害，南方氣候生產(chǎn)力高值區(qū)域較少，致使2011年實際生產(chǎn)力出現(xiàn)驟降。2011年之后秦嶺-淮河以南區(qū)域，氣候?qū)嶋H生產(chǎn)力開始出現(xiàn)增長，高值區(qū)域開始向東部地區(qū)擴(kuò)張，由西南地區(qū)逐漸擴(kuò)張到華南、華東地區(qū)，中部地區(qū)如河南省處于600～800 g/m2范圍內(nèi)的區(qū)域也越來越多。

圖3 基于ZGS模型模擬的全國2000—2015年NPP空間分布Fig.3 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on ZGS model

3.2.2陸地植被生態(tài)系統(tǒng)實際NPP空間分布

利用2015年土地利用數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)(耕地、林地、草地)將全國實際NPP分為農(nóng)田、森林、草地生態(tài)系統(tǒng)實際NPP(圖4)，并分別從數(shù)值和空間分布上分析各陸地生態(tài)系統(tǒng)近16年年際變化、波動趨勢及空間變化特征。由表1可知，實際NPP在數(shù)值上與潛在NPP一致，由小到大依次為草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)，但采用ZGS模型模擬的各生態(tài)系統(tǒng)NPP均低于基于TW模型模擬的結(jié)果。草地、農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)多年變化斜率依次為-0.69、-2.19、-0.03，說明各陸地植被生態(tài)系統(tǒng)NPP總體均呈輕微下降趨勢，草地生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)減少速率較慢，尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)實際NPP幾乎保持不變。而在空間分布上，各生態(tài)系統(tǒng)均呈由東南向西北逐漸降低的地理分層，近16年各生態(tài)系統(tǒng)空間分布幾乎保持不變。但多年來由于氣候變暖、自然災(zāi)害以及人為破壞，使得生態(tài)系統(tǒng)污染嚴(yán)重，該結(jié)果很好地驗證了這一現(xiàn)象，對于制定生態(tài)安全保護(hù)政策以及加強公眾的環(huán)保意識有一定的促進(jìn)作用。

圖4 2000—2015年各個生態(tài)系統(tǒng)平均NPP分布圖Fig.4 Average distributions of NPP in each ecosystem from 2000 to 2015

3.3 TW模型與ZGS模型計算結(jié)果相關(guān)性分析

近16年全國NPP以及陸地生態(tài)系統(tǒng)潛在生產(chǎn)力和實際生產(chǎn)力的空間分布如圖5所示。由圖5可知，基于2個模型得出的NPP具有較好的一致性，決定系數(shù)為0.770 7。

圖5 2000—2015年TW模型和ZGS模型所得均值結(jié)果相關(guān)性Fig.5 Correlation between mean results of TW model and ZGS model from 2000 to 2015

盡管草地生態(tài)系統(tǒng)模擬結(jié)果相關(guān)性較低，但從整體上看，模擬結(jié)果相關(guān)性極高，表明通過結(jié)合2個模型模擬全國生態(tài)系統(tǒng)NPP，能夠彌補單個模型使用時在空間或時間分析上的不足，更好地揭示NPP的時空分布特征。

圖6為2000—2015年1 km×1 km柵格內(nèi)采用變化斜率法計算的年均NPP變化趨勢。由圖可知，基于TW模型計算的氣候生產(chǎn)潛力在東北三省、西北干旱區(qū)、華南地區(qū)變化斜率大于0，說明該區(qū)域潛在NPP的變化呈上升趨勢且增加較快，在未來短期時間內(nèi)，仍有可能繼續(xù)增加并保持該趨勢。就局部變化來看，在中部地區(qū)如河南省、山東省、陜西省、山西省、河北省，西北地區(qū)如甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆北部地區(qū)以及重慶市、貴州省、西藏自治區(qū)等地區(qū)變化斜率小于零，表明近16年來潛在NPP在該區(qū)域呈減小趨勢，并且在未來短時間內(nèi)仍有可能繼續(xù)減小。基于ZGS模型計算的實際生產(chǎn)力變化斜率與基于TW模型的計算結(jié)果較為一致，年尺度NPP變化的空間有相似之處，變化斜率小于0的地區(qū)主要分布在河南省、山東省、山西省和河北省以及貴州省，而在東北三省以及華南大部分地區(qū)變化斜率大于0，其余地區(qū)變化斜率穩(wěn)定在0左右，出現(xiàn)小幅度的變動。基于TW模型計算的變化斜率最高值為13.1，小于基于ZGS模型計算的變化斜率最高值，且最高值、最低值分布區(qū)域不同，基于TW模型計算結(jié)果NPP增加最快的區(qū)域為吉林省西部區(qū)域以及新疆西部區(qū)域，而基于ZGS模型增加最快的區(qū)域則是在臺灣省、云南省西部、廣東省西部以及廣西壯族自治區(qū)東部地區(qū)；基于TW模型計算結(jié)果NPP減少最快的地方在中部地區(qū)，而基于ZGS模型減少最快的地區(qū)主要分布在藏南地區(qū)。

圖6 2000—2015年全國NPP變化斜率Fig.6 National changing rates of NPP from 2000 to 2015

統(tǒng)計全國范圍內(nèi)潛在NPP變化斜率總和，基于TW模型計算的氣候生產(chǎn)潛力變化斜率總和為-0.776 6，基于ZGS模型計算的實際生產(chǎn)潛力變化斜率總和為-1.309 5，由此可見，基于這兩種方法計算的全國NPP較為一致，均為負(fù)值，說明全國氣候生產(chǎn)力增加區(qū)域小于減少區(qū)域，因此全國氣候生產(chǎn)潛力整體呈較少趨勢，并在未來一段時間內(nèi)仍然呈減少態(tài)勢，但是變化率總和絕對值在1附近，表明雖全國NPP整體上有減少趨勢，但變化并不明顯。

4 結(jié)束語

以2000—2015年全國的溫度和降水量為基礎(chǔ)，利用TW模型和ZGS模型計算全國潛在凈初級生產(chǎn)力和實際凈初級生產(chǎn)力，從陸地植被生態(tài)系統(tǒng)角度，分析NPP年際變化、波動趨勢以及空間變化特征，并評價實際生產(chǎn)力和潛在生產(chǎn)力之間的相關(guān)性。研究表明，基于TW模型和ZGS模型模擬的全國潛在NPP和實際NPP空間格局以及變化趨勢具有相似性，決定系數(shù)為0.770 7，森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)也呈一定的相似性；我國植被凈初級生產(chǎn)力在空間分布上主要呈“南高北地”的狀態(tài)，并且由東南向西北呈逐漸遞減趨勢；近16年全國植被潛在生產(chǎn)力和實際生產(chǎn)力均呈緩慢下降趨勢，在不采取任何措施的前提下，在未來一段時間將保持縮減趨勢；在空間分布上，NPP高值區(qū)域都有不同程度的縮減，但變化不明顯。