青海省植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)時(shí)空格局變化及其驅(qū)動(dòng)因素

劉旻霞,焦 驕,潘竟虎,宋佳穎,車應(yīng)弟,李俐蓉

西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP)是指植被地上部分在單位時(shí)間,單位面積上所積累的有機(jī)物的數(shù)量。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)作為陸地生態(tài)過程的關(guān)鍵參數(shù),不僅用以估算地球支持能力和評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,也是全球碳循環(huán)的重要組成部分和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。掌握陸地植被NPP的變化趨勢(shì),對(duì)于理解全球氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被變化過程的作用機(jī)制具有重要的理論和實(shí)際意義。MOD17A3是基于MODIS(TERRA衛(wèi)星)遙感參數(shù),通過BIOME-BGC計(jì)算出全球陸地植被NPP年際變化的資料,目前已在全球不同區(qū)域?qū)χ脖簧L(zhǎng)狀況、生物量的估算,環(huán)境監(jiān)測(cè)和全球變化等研究中得到驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用。

實(shí)地測(cè)量是NPP最早的測(cè)定方法,主要方法包括收割法、生物量調(diào)查法、光合測(cè)定法、值測(cè)定法、放射測(cè)定法、葉綠素測(cè)定法和原料消耗測(cè)定法等[1-4],但是受很多因素的限制,不利于開展,后來(lái),學(xué)者又提出了氣候統(tǒng)計(jì)模型估測(cè)、生理生態(tài)過程模型、光能利用率模型、多模型交互應(yīng)用等方法[5-9],早在19世紀(jì)80年代,Ebermayer用基本的實(shí)地測(cè)量方法對(duì)巴伐利亞森林進(jìn)行了NPP的測(cè)定；1932年丹麥科學(xué)家Boysen-Jensen P出版了《植物的物質(zhì)生產(chǎn)》一書,第一次明確的提出了總生產(chǎn)量(Gross production)和凈生產(chǎn)量(Net production)的概念和它們的計(jì)算公式[10]；之后又以英國(guó)Watson為代表提出了著名的Watson法則,日本生態(tài)學(xué)家門司和佐伯提出了群落光合作用理論[11]。到21世紀(jì)之后,我國(guó)學(xué)者用光能利用率模型(CASA)來(lái)研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和NPP。潘竟虎和李真[12]利用改進(jìn)的CASA模型估算2001—2012年西北干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈第一性生產(chǎn)力(NPP),結(jié)果NPP表現(xiàn)出很強(qiáng)的季節(jié)性變化規(guī)律[13]；高原利用MOD17A3數(shù)據(jù)研究新疆2000—2010年NPP時(shí)空變化特征,研究顯示不同生態(tài)功能區(qū)和市、縣行政區(qū)NPP存在區(qū)域差異[14]；江源通分析了2000—2010年湘江流域植被NPP的空間格局變化特征,得到了氣候變化和土地利用與湘江流域植被NPP的關(guān)系。

對(duì)于NPP變化驅(qū)動(dòng)因子的研究,之前大多局限于氣候因子的研究,特別針對(duì)海拔和人為因素沒有定量研究NPP的變化。本文以此為出發(fā)點(diǎn),用氣候因子結(jié)合海拔和土地利用分析了NPP的變化關(guān)系,研究2000—2014年青海省NPP時(shí)空分布變化及其與驅(qū)動(dòng)因子的關(guān)系,同時(shí),青海省是三江源的發(fā)源地,也是我國(guó)重要的生態(tài)屏障區(qū)[15-16],近15年來(lái)植被NPP發(fā)生很大變化,對(duì)該地區(qū)NPP時(shí)空變化特征進(jìn)行定量分析,以便為青海省資源環(huán)境監(jiān)測(cè)提供重要依據(jù),以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境和植被碳源/匯評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)和參考背景。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

青海省地處青藏高原東北部,介于89°35′—103°04′E,31°40′—39°19′N之間(圖1)。海拔在3000—5000 m之間,氣候區(qū)域分布差異大,冬季寒冷,夏半年涼爽,雨熱同期。草原分為9個(gè)草地類7個(gè)草地亞類28個(gè)草地組173個(gè)草地型,是青海天然草原的主體。

圖1 研究區(qū)概況及氣象站點(diǎn)的空間分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

植被NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA EOS/MODIS的2000—2014年的MOD17A3數(shù)據(jù)(http://reverb.echo.nasa.gov),空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為1 a；氣象數(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)(http://cdc.cma.gov.cn)；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心；DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)；青海省主要農(nóng)作物的產(chǎn)量和播種面積數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省統(tǒng)計(jì)年鑒；中國(guó)土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中(http://westdc.westgis.ac.cn)的WESTDC,根據(jù)中科院土地利用/覆蓋分類體系(LUCC分類體系)將地表覆蓋類型主要分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地6種類型(表1)。

表1 土地利用分類及編號(hào)

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文選用h25v05、h26v05這2幅數(shù)據(jù)。首先利用MRT對(duì)MOD17A3數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和投影轉(zhuǎn)換,然后利用ENVI 4.3以青海省行政區(qū)劃圖為基礎(chǔ)進(jìn)行裁剪,提取青海省的NPP數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.0采用掩膜法扣除NPP數(shù)據(jù)中的水體及建設(shè)用地,并得到不同土地利用類型的NPP值。氣象數(shù)據(jù)為與遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,在ArcGIS 10.0中,采用三角網(wǎng)插值方法將站點(diǎn)氣候數(shù)據(jù)插值成空間分辨率為1000 m×1000 m地理投影的柵格數(shù)據(jù)。

1.4 NPP數(shù)據(jù)驗(yàn)證

由于NPP的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以測(cè)得,本文利用作物產(chǎn)量估算NPP值和其他學(xué)者結(jié)合NPP觀測(cè)數(shù)據(jù)估算的NPP值來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.4.1根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中作物產(chǎn)量估算NPP的方法

農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)中的產(chǎn)量、面積等資料估算NPP是根據(jù)不同作物的收獲部分的含水量和收獲指數(shù)(經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與作物地上部分干重的比值)將農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的產(chǎn)量轉(zhuǎn)換成植被碳儲(chǔ)量。從主要作物縣級(jí)統(tǒng)計(jì)收獲數(shù)據(jù)到縣級(jí)平均NPP的轉(zhuǎn)換方法可以用下面公式表達(dá)[17]：

式中,Yi是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中作物i的產(chǎn)量,MCi是作物收獲部分的含水量,HIi是作物i的收獲指數(shù),Ai是作物收獲面積。式中的作物產(chǎn)量和收獲面積分別來(lái)自于中國(guó)自然資源網(wǎng)提供的中國(guó)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的8大類主要農(nóng)作物的產(chǎn)量和播種面積,作物收獲部分的含水量和收獲指數(shù)[18](表2)。

表2 主要農(nóng)作物的收獲指數(shù)及含水量

圖2表明,作物產(chǎn)量估算的NPP值與MOD17A3值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.77,均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差是3.95,說(shuō)明MOD17A3來(lái)估算青海省的NPP值是可靠的。

圖2 NPP實(shí)測(cè)值與年均NPP結(jié)果比較

1.4.2本文NPP值與其他學(xué)者模型對(duì)比

由表3可以看出,不同的植被類型中本文年平均NPP與其他模型NPP的值趨勢(shì)大致相同,整體比較接近,變化在一定的范圍之內(nèi),對(duì)比估算精度在79%左右,所以MOD17A3值具有一定的可靠性。

表3 不同植被類型NPP值與其他模型對(duì)比/(gC m-2 a-1)

2 研究方法

2.1 簡(jiǎn)單差值法

簡(jiǎn)單差值法是對(duì)相同地區(qū)不同時(shí)相的圖像進(jìn)行相減運(yùn)算,利用圖像之間的差值來(lái)衡量NPP年際間變化的趨勢(shì)以及大,其公式為[6]：

2.2 趨勢(shì)分析法

一元線性回歸分析法是分析了15年間NPP值的趨勢(shì)傾向率,綜合表征一定時(shí)間序列的區(qū)域格局演變規(guī)律,其公式為[26]：

式中,Slope是線性擬合方程的斜率；NPPi是第i年通過最大值合成法得到的NPP值,n為研究時(shí)段的長(zhǎng)度,Slope大于0,表示15年間NPP值增加,反之減少。

2.3 Hurst指數(shù)

Hurst指數(shù)的估算方法很多,本文采用R/S分析法來(lái)分析NPP的持續(xù)性特征,其公式為[27-28]:

NPP的時(shí)間序列NPPi,i=1,2,3,4,…,n,對(duì)于任意正整數(shù)m,定義該時(shí)間序列的均值序列：

比值R(m)/S(m)即R/S,R/S∝mH,則H就是Hurst指數(shù),H值可以根據(jù)m和對(duì)應(yīng)計(jì)算得R/S值,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系(lnm,lnR/S)中用最小二乘法擬合得到,如果0.5

2.4 相關(guān)分析法

本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析法,對(duì)每一個(gè)像元相應(yīng)的年均植被NPP與降雨因子和溫度因子進(jìn)行相關(guān)性分析,以此分析植被NPP與氣候因子之間的響應(yīng)關(guān)系,其計(jì)算公式為[29-30]：

式中,R為x、y兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù),n為研究時(shí)間的年數(shù),xi為第i年的植被NPP,yi為第i年的年均氣候因子(降水、溫度)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海省植被NPP的空間分布特征

3.1.12000—2014年青海省NPP空間變化特征

青海省年均NPP值的分布與區(qū)域海拔的高低分布大體一致,受到地區(qū)的差異,呈現(xiàn)由南到北、由東到西遞減的趨勢(shì),其中,柴達(dá)木盆地和唐古拉山環(huán)繞的海西州,受地形的影響,東部年均NPP值高于西部,且為26.14 gC m-2a-1,海北州以高山草甸和山地草甸為主,年均NPP值為212.04 gC m-2a-1,西寧市、海東市和黃南州居于青海省東部,氣溫高,降水也相對(duì)較多,年均NPP值較高,分別為285.67 gC m-2a-1、277.48 gC m-2a-1和299.95 gC m-2a-1,海南州四面環(huán)山,盆地居中,年均NPP值達(dá)到155.86 gC m-2a-1,果洛州海拔西北高,東南低,年均NPP值隨著海拔的降低在變大,且為160.80 gC m-2a-1,格爾木市和玉樹州處于西北部,境內(nèi)雪峰連綿,沼澤眾多,年均NPP值較低,分別為17.74 gC m-2a-1和55.49 gC m-2a-1(圖3)。

圖3 2000—2014年青海省NPP平均值的空間分布

3.1.2不同生態(tài)功能區(qū)2000—2014年青海省NPP空間變化特征

圖4表明,各生態(tài)區(qū)的空間差異顯著,表現(xiàn)為Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅴ區(qū)。其中,青海東部農(nóng)牧生態(tài)區(qū)(Ⅱ區(qū))植被NPP最大,為187.45 gC m-2a-1,其次為祁連山針葉林-高寒草甸生態(tài)區(qū)(Ⅰ區(qū)),為165.94 gC m-2a-1,柴達(dá)木盆地荒漠—鹽殼生態(tài)區(qū)(Ⅳ區(qū))和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態(tài)區(qū)(Ⅴ區(qū))植被NPP最小,分別17.10 gC m-2a-1和7.96 gC m-2a-1。因?yàn)棰騾^(qū)有青海省最優(yōu)質(zhì)的天然草原和一部分農(nóng)田,植被的覆蓋率高,NPP較大,柴達(dá)木盆地荒漠—鹽殼生態(tài)區(qū)和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態(tài)區(qū)都是以荒漠草甸,冰雪為主,限制了植物的生長(zhǎng),導(dǎo)致NPP較低。

圖4 青海省生態(tài)功能區(qū)劃圖

3.1.3不同行政區(qū)2000—2014年青海省NPP空間變化特征

黃南藏族自治州的年均NPP最高,為300.27 gC m-2a-1,其中在2005年、2006年、2007年、2008年、2009年、2010年2012年和2013年年均NPP都大于300 gC m-2a-1,這是因?yàn)樵搮^(qū)域是在黃河、隆務(wù)河流域等高山峽谷地帶種植很多云杉,降水較多和植被生長(zhǎng)較好的區(qū)域,灌溉農(nóng)業(yè)和天然草場(chǎng)較多,植被覆蓋率高,導(dǎo)致NPP較高；西寧市NPP僅次于黃南藏族自治州,為285.91 gC m-2a-1,位于湟水中游河谷盆地,草原面積為3644.94萬(wàn)公頃,占全省面積的53.6%,氣候宜人,適宜植物的生長(zhǎng)；海東市居第三,年均NPP為277.56 gC m-2a-1,氣候?qū)儆诎敫珊荡箨懶詺夂?水能資源豐富,人口相對(duì)集中,經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),是青海重要的農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)較發(fā)達(dá)地區(qū)之一；海北藏族自治州居第四,年均NPP為212.29 gC m-2a-1,雨熱同季,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期,植被以高寒草甸土為主,并且有黑鈣土、栗鈣土、灰褐土等,有機(jī)質(zhì)含量豐富,有利于農(nóng)作物和牧草的生長(zhǎng)；果洛藏族自治州和海南藏族自治州年均NPP基本持平,分別為160.91 gC m-2a-1和156.28 gC m-2a-1,海南州和果洛州主要以山地為主,地勢(shì)復(fù)雜多樣,不適合植被的生長(zhǎng)；海西藏族自治州、玉樹藏族自治州和格爾木市年均NPP低于100 gC m-2a-1,分別為26.17 gC m-2a-1、55.49 gC m-2a-1和17.72 gC m-2a-1,位于青海省的西部,荒漠較多,常年干旱少雨多風(fēng),氣候獨(dú)特,四季不分明,不利于植被的生長(zhǎng),覆蓋率較低,NPP較小(表4)。

表4 2000—2014年分行政區(qū)年均植被NPP/(gC m-2 a-1)

3.2 青海省植被NPP年際變化特征

3.2.1年均值NPP年際變化特征

圖5顯示NPP值的波動(dòng)范圍集中在68.83—92.07 gC m-2a-1,平均值79.05 gC m-2a-1,其中2001年出現(xiàn)最小值,為68.83 gC m-2a-1,2004年出現(xiàn)最大值,為92.07 gC m-2a-1。從年均NPP的總體趨勢(shì)來(lái)看,2000—2004年、2008—2010年、2011—2013年年均NPP值呈現(xiàn)波動(dòng)上升,2004—2008年、2010—2011年、2013—2014年年均NPP值呈現(xiàn)波動(dòng)下降。2008年青海省大部分地區(qū)出現(xiàn)旱情,植物的生長(zhǎng)受到限制,導(dǎo)致2008年NPP值急速下降,2010年青海玉樹發(fā)生地震,2011年青海要進(jìn)行震后重建,使得生態(tài)得到破壞,NPP值下降。

圖5 2000—2014年青海省年平均NPP變化趨勢(shì)

3.2.2不同生態(tài)功能區(qū)年均值NPP年際變化特征

從生態(tài)功能分區(qū)看,不同年份各生態(tài)區(qū)的NPP存在明顯的差異(圖6),整體上看,表現(xiàn)為Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅴ區(qū)。其中,青海東部農(nóng)牧生態(tài)區(qū)(Ⅱ區(qū))植被NPP最大,為187.45 gC m-2a-1,其次為祁連山針葉林-高寒草甸生態(tài)區(qū)(Ⅰ區(qū)),為165.94 gC m-2a-1,柴達(dá)木盆地荒漠—鹽殼生態(tài)區(qū)(Ⅳ區(qū))和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態(tài)區(qū)(Ⅴ區(qū))植被NPP最小,分別17.10 gC m-2a-1和7.96 gC m-2a-1。因?yàn)棰騾^(qū)有青海省最優(yōu)質(zhì)的天然草原和一部分農(nóng)田,植被的覆蓋率高,NPP較大,柴達(dá)木盆地荒漠—鹽殼生態(tài)區(qū)和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態(tài)區(qū)都是以荒漠草甸,冰雪為主,限制了植物的生長(zhǎng),導(dǎo)致NPP較低。局部來(lái)看,Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的變化趨勢(shì)不大,基本上是持平狀態(tài),其他生態(tài)區(qū)的年際變化基本一致,均表現(xiàn)出降-升-降-升-降-升-降-升-降的波動(dòng)狀態(tài),Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)的NPP最小值均出現(xiàn)在2001年,且分別為141.88 gC m-2a-1和12.98 gC m-2a-1,Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)的NPP最小值均出現(xiàn)在2008年,分別為84.80 gC m-2a-1和4.90 gC m-2a-1,Ⅱ區(qū)的NPP最小值出現(xiàn)在2000年,為156.07 gC m-2a-1,此外,不同生態(tài)區(qū)NPP最大值出現(xiàn)的時(shí)間不全一致,Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的NPP最大值出現(xiàn)在2010年,分別為207.43、119.68、21.52 gC m-2a-1和12.47 gC m-2a-1,Ⅰ區(qū)的NPP最大值出現(xiàn)在2005年,為178.58 gC m-2a-1,這是因?yàn)椴煌鷳B(tài)區(qū)因受地形、氣候、植被數(shù)量和質(zhì)量等諸多因素影響,并且氣候因子變化導(dǎo)致其氣候型具有很大空間差異,從而使NPP的最大值和最小值出現(xiàn)的時(shí)間不全一致。

圖6 分生態(tài)功能區(qū)植被NPP變化趨勢(shì)

3.3 NPP空間變化特征

3.3.12000年與2014年NPP空間變化

圖7表明,青海省大部分地區(qū)NPP值是增加的,在海東市、西寧市、海南州的北部和黃南州北部地區(qū)NPP的增加值大于90 gC m-2a-1,占總面積的0.8%,海北州的東北部、海南州南部地區(qū)NPP的增加值為60—90 gC m-2a-1,占總面積1.6%,黃南州南部、果洛州南部地區(qū)NPP的增加值30—60 gC m-2a-1,占總面積的5.6%格爾木市、玉樹州、果洛的中部和北部、海南州的東南部、海北州的西北部地區(qū)NPP的增加值為0—30 gC m-2a-1,占總面積的42.4%,海西州的絕大部分區(qū)域NPP的增加值為-30—0 gC m-2a-1,占總面積的49.1%。

圖7 2000與2014年青海省NPP空間變化圖

3.3.22000—2014年NPP總體趨勢(shì)

青海省15年間NPP由北到南、由西到東呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),平均趨勢(shì)系數(shù)為0.61,NPP增加的區(qū)域占總面積的15%,其中顯著增加區(qū)域?yàn)?.8%,輕度增加區(qū)域?yàn)?2.2%,主要分布在海東市大部分區(qū)域、海北州南部、海南州北部、黃南州北部地區(qū),基本不變區(qū)域占總面積的22.3%,主要分布在海北州中部和西北部、海西州東部、玉樹州東南部、果洛州北部區(qū)域,NPP減少的區(qū)域占總面積的62.6%,其中顯著減少占1.8%,輕度減少占60.8%,主要分布在格爾木市、玉樹州的西北部、海西州的中部及以西的地區(qū)(圖8)。

圖8 2000—2014年青海省NPP線性變化趨勢(shì)圖

3.3.3NPP變化的未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

圖9表明,Hurst的值域范圍為0—0.39,均值為0.12,除了河流湖泊,建筑用地和未利用土地,青海省NPP變化特征為反持續(xù)性特征,將Hurst指數(shù)劃分為弱、中、強(qiáng)3個(gè)反持續(xù)性類型,其閾值分別為：<0.1,0.1—0.15和>0.15。從弱、中、強(qiáng)的程度來(lái)看,強(qiáng)反持續(xù)性占流域面積的13.87%,中反持續(xù)性占流域面積的19.66%,弱反持續(xù)性占流域面積的20.73%,說(shuō)明青海省有五分之一的地區(qū)未來(lái)NPP變化與過去NPP的變化一致,但這種持續(xù)性表現(xiàn)得不夠明顯,三分之一地區(qū)未來(lái)NPP的變化與過去NPP變化有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖9 NPP未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖

4 青海省NPP主要影響因素

4.1 氣候因子對(duì)NPP的影響

4.1.12000—2010年研究區(qū)氣溫和降水變化趨勢(shì)

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出,全球氣候正在變暖,而且氣候變暖與碳循環(huán)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,但是不同地區(qū)的氣候因子對(duì)NPP積累的作用也不盡相同,表現(xiàn)為促進(jìn)或者抑制,由此表明,植被NPP對(duì)降水和氣溫的反應(yīng)較為強(qiáng)烈。由圖10可知,近15年青海省降水的波動(dòng)幅度明顯大于氣溫的波動(dòng)幅度,但除了特殊年份,降水和氣候總體均趨于增加的趨勢(shì),氣候也是趨于暖濕化,降水從2000年到2005年處于緩慢增加,2006年降低,之后又處于上升階段,直到2013年急速下降,在2001年,年平均降水最低為254.5 mm；氣溫從2000年到2015年基本上波動(dòng)上升,在2004年,氣溫迅速驟降,2012年出現(xiàn)緩慢下降狀態(tài),2000年的年平均氣溫最低,為1.77 ℃。

圖10 2000—2014年降水與氣溫年際變化

4.1.22000—2010年氣溫、降水的相關(guān)性分析對(duì)NPP的影響

由圖11可知,青海省年平均降水量與年均NPP的相關(guān)系數(shù)為0.21,從降水逐像元來(lái)看,局部地區(qū)相關(guān)性較強(qiáng),在青海省西南部和中部地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系,分別在格爾木市、玉樹州和果洛州的南部,海南州和黃南州的北部,海西州東部,海東市西部以及西寧市。玉樹州中西部、果洛州北部、海南州和黃南州南部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從全省來(lái)看,年平均氣溫與年均NPP的相關(guān)系數(shù)為0.006,整體的相關(guān)性較弱,對(duì)氣溫進(jìn)行逐像元分析,局部地區(qū)相關(guān)性較強(qiáng),在玉樹州和海東市東部、黃南州中北部、海北州和海南州南部和西寧市呈正相關(guān)關(guān)系,在果洛州和格爾木市大部分區(qū)域、玉樹州的西南部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傮w來(lái)說(shuō),氣溫相關(guān)系數(shù)分布與降雨相關(guān)系數(shù)分布具有很好的互補(bǔ)性,在氣溫相關(guān)程度高的地區(qū),降雨相關(guān)程度低,反之亦然。

圖11 年均NPP與年降水和年氣溫的相關(guān)系數(shù)示意圖

4.2 海拔高度對(duì)NPP的影響

由于研究區(qū)海拔從1719 m上升到6595 m,落差達(dá)到4874 m,造成地貌類型復(fù)雜多樣,而不同的海拔高度因?yàn)樗疅釛l件組合差異,形成了顯著的垂直自然分異,進(jìn)而又影響NPP大小。圖12表明,隨著海拔的增加,植被NPP總體表現(xiàn)出緩慢增加之后迅速下降,出現(xiàn)低峰,又開始迅速上升,之后開始下降到0,且不同海拔高度上植被NPP差異明顯,具有雙峰值特征,當(dāng)海拔從1719 m上升到2400 m時(shí),植被NPP緩慢增加,研究發(fā)現(xiàn)該海拔范圍正處于西寧市、海東市、黃南州的北部,植物種類豐富多樣,以農(nóng)田為主,是重要的農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū),NPP值較大,當(dāng)海拔從2400 m上升到3200 m時(shí),NPP值呈現(xiàn)下降趨勢(shì),出現(xiàn)一個(gè)低峰值,為35.65 gC m-2a-1,此海拔范圍正處于海南州的共和縣、青海湖范圍、格爾木市、海西州的柴達(dá)木盆地,這些區(qū)域是沙地和鹽堿地帶,受地形、水分和土質(zhì)條件的限制,雨水較少,荒漠化程度較大,NPP值小,當(dāng)海拔從3200 m上升到4000 m時(shí),NPP值呈現(xiàn)上升趨勢(shì),出現(xiàn)一個(gè)高峰值,為167.31 gC m-2a-1,此海拔范圍正處于海南州的日月山、海北州的大坂山和果洛州的大武鎮(zhèn),草原面積廣闊,山地森林發(fā)育較好,溫度和水分條件適宜,NPP值達(dá)到較大,當(dāng)海拔超過4000 m時(shí),NPP值持續(xù)減小,主要以裸巖、冰川覆蓋為主,受人類的活動(dòng)影響極小,高寒的環(huán)境植被的生產(chǎn)力受到限制,所以NPP值均低于50 gC m-2a-1。

圖12 不同海拔高度15年平均NPP變化

4.3 土地利用/覆被變化(LUCC)對(duì)NPP的影響

土地利用變化是人類活動(dòng)在地理環(huán)境空間上強(qiáng)度大小的直觀變現(xiàn),為了研究青海省土地利用動(dòng)態(tài)變化的時(shí)空特征,考慮到獲取數(shù)據(jù)的可行性,故選取中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)的2000年、2015年分辨率1000 m的全國(guó)土地利用數(shù)據(jù),結(jié)合青海省實(shí)際情況,故將其土地利用類型數(shù)據(jù)合并成6種土地利用類型(即耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地和未利用地),用以表征2000至2015年來(lái)青海省土地利用的類型變化特征(表5、圖13)。

圖13 2000年和2015年青海省土地利用現(xiàn)狀圖

表5 2000、2015年青海省各土地利用類型面積及變化率

(1)近15年來(lái)耕地面積減少最少,面積減少了14 km2,其變化率為-0.17%,由于國(guó)家實(shí)施退耕還林政策,導(dǎo)致耕地面積有所減少。

(2)林地面積減少了76 km2,變化率為-0.27%,受到氣溫、降水、海拔的影響,林地面積有一定的退化。

(3)15年來(lái)草地面積減少最多,減少了1260 km2,變化率為-0.33%,由于青海省過度的放牧,導(dǎo)致草地面積減少較多。

(4)水域面積增加最為明顯,增加了1500 km2,變化率為5.40%,主要是由于青海省是三江源的發(fā)源地,受降水、冰川融化等影響,青海湖的面積也不斷擴(kuò)大。

(5)城鎮(zhèn)用地增加較多,增加了763 km2,變化率為77.15%,15年來(lái)青海省經(jīng)歷了大規(guī)模的城鎮(zhèn)擴(kuò)張及城市化進(jìn)程,一些草地和林地都轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。

(6)未利用地面積減少較多,減少了913 km2,變化率為0.33%,該土地類型變化幅度較大。

5 結(jié)論

本文利用2000—2014年MOD17A3數(shù)據(jù)集的年均NPP數(shù)據(jù)和青海省39個(gè)氣象站點(diǎn)資料,通過GIS空間分析法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了青海省植被NPP的時(shí)空變化特征及氣候因子的相關(guān)性,結(jié)果表明：

(1)青海省植被年均NPP在2000—2014年間整體分布與區(qū)域海拔的高低分布大體致,受到地區(qū)的差異,呈現(xiàn)由南到北、由東到西遞減的趨勢(shì)；從生態(tài)功能區(qū)看,各生態(tài)區(qū)的空間差異顯著,表現(xiàn)為Ⅱ區(qū)>Ⅰ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)>Ⅴ區(qū),從行政劃分來(lái)看,黃南藏族自治州的年均NPP最高,為300.27 gC m-2a-1,西寧市NPP僅次于黃南藏族自治州,為285.91 gC m-2a-1,海北藏族自治州居第四,年均NPP為212.29 gC m-2a-1,海西藏族自治州、玉樹藏族自治州和格爾木市年均NPP低于100 gC m-2a-1,分別為26.17 gC m-2a-1、55.49 gC m-2a-1和17.72 gC m-2a-1。

(2)從年際變化來(lái)看,NPP值的波動(dòng)范圍集中在68.83—92.07 gC m-2a-1,平均值79.05 gC m-2a-1,其中2001年出現(xiàn)最小值,為68.83 gC m-2a-1,2004年出現(xiàn)最大值,為92.07 gC m-2a-1,整體上看,Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的變化趨勢(shì)不大,基本上是持平狀態(tài),其他生態(tài)區(qū)的年際變化基本一致,均表現(xiàn)出降-升-降-升-降-升-降-升-降的波動(dòng)狀態(tài)。

(3)青海省在2014年與2000年間大部分地區(qū)NPP值增加,由南到北、由東到西遞減,2000—2014年青海省NPP變化趨勢(shì)由北到南、由西到東呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),平均趨勢(shì)系數(shù)為0.61,NPP值增加的區(qū)域占總面積的15%,其中顯著增加區(qū)域?yàn)?.8%,輕度增加區(qū)域?yàn)?2.2%,青海省NPP值的Hurst的值域范圍為0—0.39,均值為0.12,除了河流湖泊,建筑用地和未利用土地,青海省NPP變化特征為反持續(xù)性特征。

(4)氣候因子(年平均降水量和年均氣溫)對(duì)年均NPP的分布有影響,海拔的高低造成氣溫、降水和土壤的差異,間接影響植被NPP,15年土地利用/覆被變化(LUCC)表現(xiàn)為草地面積減少最多,這是導(dǎo)致NPP減少的主要原因。