2000-2015年武陵山區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及其驅(qū)動(dòng)因子

劉 恒, 湯弟偉, 宋鄂平, 常 勝

(湖北民族大學(xué) 林學(xué)園藝學(xué)院, 湖北 恩施 445000)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是指綠色植被在單位時(shí)間、單位面積由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[1]。NPP不僅直接反映植被在自然環(huán)境狀況下的生產(chǎn)能力[2]，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯及區(qū)域生態(tài)支持能力的重要因子[3-4]。NPP受到光、熱、水等自然條件的影響，其變化可用于表征全球氣候變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)，同時(shí)，NPP變化也與人類活動(dòng)密切相關(guān)。由于植被及其影響因子的空間異質(zhì)性，定量分析區(qū)域尺度NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及影響機(jī)制，對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和理解NPP對(duì)氣候、土地利用變化等響應(yīng)特征具有重要的理論和實(shí)踐意義。

NPP的發(fā)展經(jīng)歷了“實(shí)測(cè)—統(tǒng)計(jì)模型—機(jī)理模型”3個(gè)階段[5]，基于多源遙感數(shù)據(jù)利用模型估算植被NPP進(jìn)行相關(guān)研究成為當(dāng)前主流[6]。估算模型可以分為氣候相關(guān)模型、光能利用率模型和生態(tài)系統(tǒng)過程模型3類[7]。MODIS NPP產(chǎn)品MOD17A3是基于MODIS遙感參數(shù)、參考BIOME-BGC模型與光能利用率模型模擬的NPP數(shù)據(jù)[8]，該數(shù)據(jù)集已在全球和區(qū)域研究中得到驗(yàn)證和應(yīng)用[9-10]。國內(nèi)學(xué)者利用MOD17A3數(shù)據(jù)也開展了相關(guān)研究：研究內(nèi)容上，側(cè)重于NPP的時(shí)空格局[11]、動(dòng)力機(jī)制[12]及對(duì)氣候變化的響應(yīng)[13]；研究尺度上，集中在全國[14]、省[13]、自然地帶[15]及流域[16]等；研究方法上，變異系數(shù)、趨勢(shì)分析、Hurst指數(shù)等方法是探究NPP的時(shí)空特征及變化趨勢(shì)的常用方法，相關(guān)性分析、地理探測(cè)器等方法用于驅(qū)動(dòng)力分析。

武陵山區(qū)是指武陵山覆蓋的區(qū)域，它是我國亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)核心區(qū)、長江流域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，全國主體功能區(qū)規(guī)劃將其劃定為武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)。目前該區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害較多、土壤侵蝕嚴(yán)重、生物多樣性受到威脅等問題。然而，關(guān)于該區(qū)NPP的研究鮮見報(bào)道，在較少研究中存在時(shí)間尺度短、僅考慮了NPP與地形因子的關(guān)系等問題，對(duì)于影響NPP的其他關(guān)鍵因子，如降水、氣溫、土地利用變化等，未作進(jìn)一步解釋。鑒于此，本文利用MOD17A3數(shù)據(jù)研究該區(qū)NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，并從自然和人為兩方面對(duì)NPP的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行綜合分析，以期為該區(qū)的植被保護(hù)、資源管理及合理開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

武陵山區(qū)地理位置為25°52′—31°24′N，107°4′—112°2′E(附圖1)，包含湖北、重慶、湖南、貴州4省市交界地區(qū)的71個(gè)縣(市、區(qū))，國土面積約17.18萬km2，是第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯的過渡帶。該區(qū)為云貴高原的東部延伸地帶，地勢(shì)西北高—東南低，平均海拔為1 000 m左右。氣候?qū)賮啛釒蚺瘻貛н^渡類型氣候，森林覆蓋率高達(dá)53%，植被以常綠闊葉林和落葉闊葉林為主。由于自然條件的惡劣，加上人類不合理的活動(dòng)，生態(tài)環(huán)境受到的威脅較多。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

NPP數(shù)據(jù)為2000—2015年MOD17A3產(chǎn)品，空間分辨率為1 km。植被類型數(shù)據(jù)為MCD12Q1產(chǎn)品，空間分辨率為500 m，采用第4種分類方案。利用MRT對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、格式轉(zhuǎn)換和重投影，在ArcGIS中進(jìn)行單位換算、裁剪，并剔除無效值。質(zhì)量控制數(shù)據(jù)(NPP_QC)表明研究區(qū)NPP反演結(jié)果中、高等級(jí)多年平均可信度為90.27%，考慮到武陵山區(qū)地形復(fù)雜、多云，數(shù)據(jù)質(zhì)量整體能夠接受。

研究區(qū)的氣象(氣溫、降水)、土地利用和DEM數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院資源與環(huán)境數(shù)據(jù)中心(表1)。利用高程數(shù)據(jù)生成坡度數(shù)據(jù)，將土地利用數(shù)據(jù)重分類為耕地、草地、水域、林地、建設(shè)用地和未利用土地。除土地利用數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)的分級(jí)均采用1/4倍標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)法[16]。該方法根據(jù)數(shù)據(jù)固有的數(shù)值特征和分布規(guī)律進(jìn)行分級(jí)，不受人為干擾，分級(jí)結(jié)果更為客觀。所有數(shù)據(jù)定義相同的空間參考、范圍和分辨率，建立數(shù)據(jù)庫。

表1 研究數(shù)據(jù)及來源

2 研究方法

2.1 變異系數(shù)

變異系數(shù)能夠反映地理數(shù)據(jù)的相對(duì)變化(波動(dòng))程度[17]，用其來評(píng)估NPP在時(shí)間序列上的穩(wěn)定性，計(jì)算公式為：

(1)

2.2 Theil-Sen Median趨勢(shì)分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)

Theil-Sen Median趨勢(shì)分析結(jié)合Mann-Kendall檢驗(yàn)，是判斷長時(shí)序數(shù)據(jù)趨勢(shì)的重要方法[18]。該方法不需要數(shù)據(jù)服從一定的分布，對(duì)數(shù)據(jù)誤差具有較強(qiáng)的規(guī)避能力[19]。趨勢(shì)分析的計(jì)算公式為：

(2)

當(dāng)β>0時(shí)，植被NPP表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，小于0表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。

Mann-Kendall用于判斷植被NPP變化趨勢(shì)的顯著性，計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(5)

式中：sgn是符號(hào)函數(shù)。趨勢(shì)檢驗(yàn)的方法是[20]零假設(shè)H0∶β=0，當(dāng)|Zc|>Z1-α/2時(shí)，拒絕零假設(shè)。其中，Z1-α/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)方差；α為顯著性檢驗(yàn)水平。當(dāng)|Zc|≥1.28，1.64，2.32，表示通過了信度為90%，95%，99%顯著性檢驗(yàn)，分別為無顯著變化、顯著變化和極顯著變化。

2.3 未來變化趨勢(shì)分析

Hurst指數(shù)用于定量描述NPP時(shí)間序列信息的長期依賴性，基本原理是[21]：

考慮一個(gè)NPP時(shí)間序列{NPP(τ)}，對(duì)于任意正整數(shù)，定義均值序列：

(6)

用X(t)表示累計(jì)離差：

(7)

極差R(τ)定義為：

(8)

標(biāo)準(zhǔn)差S(τ)定義為：

(9)

若存在R/S∝τH，說明NPP時(shí)間序列存在Hurst現(xiàn)象，H稱為Hurst指數(shù)，其值用最小二乘法擬合獲得。

H的值域?yàn)?～1，包括3種情形：(1) 若H>0.5，說明時(shí)間序列過程具有持續(xù)性，H越接近于1，持續(xù)性越強(qiáng)；(2) 若H=0.5，說明時(shí)間序列是隨機(jī)性序列；(3) 若H<0.5，說明時(shí)間序列過程具有反持續(xù)性，H越接近于0，反持續(xù)性越強(qiáng)。

2.4 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性，揭示其背后驅(qū)動(dòng)因子的一種方法[22]。本文選取分異及因子探測(cè)器來對(duì)武陵山區(qū)2000—2015年植被NPP的影響因子進(jìn)行分析。因子分析用q值度量，值域?yàn)閇0,1]，q值越大表示某種因子對(duì)植被NPP的影響越大，反之則越小。具體原理見文獻(xiàn)[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NPP時(shí)間變化特征

2000—2015年，武陵山區(qū)植被NPP總量介于87.06～116.90 Tg C(1 Tg C=1012g C，圖1A)，多年均值是101.89 Tg C；年均NPP為507.12～680.96 g C/(m2·a)(圖1B)，多年均值是593.52 g C/(m2·a)。植被NPP年際變化大致可以分為3個(gè)階段：2000—2002年，NPP急劇增加，在2002年增至最大；2002—2011年，NPP波動(dòng)下降，其中2004—2005年，2010—2011年表現(xiàn)為急劇下降，在2011年降至最低；2011年以后，NPP波動(dòng)上升。對(duì)比NPP總量與其均值偏離程度，2002年、2011年、2013年偏離度大，NPP變化明顯，而2000—2001年，2005—2010年，2014—2015年這幾個(gè)時(shí)間段偏離度小，NPP處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。雖然研究期末相對(duì)于研究期初NPP增加，但從趨勢(shì)線可以看出，研究期內(nèi)NPP總的趨勢(shì)為下降，但不顯著。區(qū)域NPP主要集中于400～700 g C/(m2·a)，所占比例在53.61%～90.24%變化，此外，NPP值大于400 g C/(m2·a)區(qū)域占比的多年均值為94.68%，反映出全區(qū)整體生產(chǎn)力水平較高。

不同植被類型的平均NPP差異顯著，年際變化趨勢(shì)與總趨勢(shì)幾乎一致(圖2)，多年均值排序?yàn)槌＞G針葉林[606.31 g C/(m2·a)]>常綠闊葉林[600.52 g C/(m2·a)]>落葉闊葉林[586.85 g C/(m2·a)]>一年生闊葉植被[541.31 g C/(m2·a)]>一年生草本植被[519.97 g C/(m2·a)]。常綠針葉林和常綠闊葉林植被NPP多年均值高于全區(qū)多年均值，是該區(qū)固碳、生產(chǎn)能力最強(qiáng)的植被類型。

圖1 武陵山區(qū)2000-2015年NPP總量及均值年際變化趨勢(shì)

圖2 不同植被類型NPP年際變化趨勢(shì)

3.2 植被NPP空間變化特征

3.2.1 NPP年均值及變異系數(shù) 武陵山區(qū)2000—2015年各地年均NPP變化范圍為78.13～1 209.71 g C/(m2·a)(附圖2A)，空間差異顯著，整體呈現(xiàn)中部高、四周低的空間格局。低值集中于貴州境內(nèi)的沿河、務(wù)川、德江、松濤、印江、思南，湖南的新化、辰溪、漣源、洞口、邵陽、武岡，以及湖北的巴東、來鳳、長陽和五峰等地，沒有明顯集中的高值區(qū)。分省來看，4省NPP均值排序?yàn)橹貞c[608.46 g C/(m2·a)]>湖南[594.78 g C/(m2·a)]>貴州[586.74 g C/(m2·a)]>湖北[586.14 g C/(m2·a)]。

NPP變異系數(shù)為0.04～0.68(附圖2B)，均值為0.09，處于較低水平，說明研究時(shí)段武陵山區(qū)NPP空間上總體趨于相對(duì)穩(wěn)定，植被受自然和人類活動(dòng)干擾小，植被生態(tài)系統(tǒng)處于良性循環(huán)。變異系數(shù)高值零散分布于湖北的巴東、秭歸和湖南的懷化等地，其中巴東、秭歸為三峽庫區(qū)，實(shí)行大規(guī)模的植樹造林和封山育林保障庫區(qū)生態(tài)，使得該地NPP波動(dòng)相對(duì)較大，NPP處于增加趨勢(shì)，而懷化可能是城鎮(zhèn)化建設(shè)導(dǎo)致。

3.2.2 趨勢(shì)分析及顯著性檢驗(yàn) 武陵山區(qū)植被NPP趨勢(shì)分析β值為-42.96～13.56(附圖3A)，呈增長、減少趨勢(shì)的區(qū)域分別占區(qū)域總面積的44.13%，55.87%，表明武陵山區(qū)NPP空間上總體處于減少趨勢(shì)，與3.1時(shí)間上變化趨勢(shì)結(jié)論相同。而β平均值僅為-0.93，反映出減少趨勢(shì)是微弱減少。由附圖3B可知，該區(qū)NPP總體變化不顯著，無顯著變化占比為99.38%，其中無顯著下降、無顯著增加比例分別為56.90%，42.48%，與變異系數(shù)分析一致。增加區(qū)域集中于武陵山區(qū)北部，特別是湖北省境內(nèi)，而減少區(qū)域集中于南部，變化幅度均較小?？傮w而言，武陵山區(qū)NPP呈微弱的減少和北增南減趨勢(shì)，北部海拔高、生態(tài)環(huán)境脆弱，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)管控和鞏固現(xiàn)有保護(hù)成果；而南部相對(duì)海拔低、適宜開展農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城鎮(zhèn)化建設(shè)，但考慮到整個(gè)區(qū)域的功能定位以及生態(tài)適宜性，應(yīng)堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先的發(fā)展戰(zhàn)略。

3.2.3 Hurst指數(shù)及NPP未來變化趨勢(shì) 武陵山區(qū)2000—2015年NPP的Hurst指數(shù)值域?yàn)?.06～0.55(附圖4)，均值為0.29。將Hurst指數(shù)結(jié)果劃分為強(qiáng)反持續(xù)(0

為探究武陵山區(qū)植被NPP變化趨勢(shì)的持續(xù)性，將趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果與Hurst指數(shù)分級(jí)結(jié)果疊加，共9種情形(附圖6)。NPP呈現(xiàn)無顯著下降—弱反持續(xù)、無顯著下降—強(qiáng)反持續(xù)、無顯著增加—弱反持續(xù)和無顯著增加—強(qiáng)反持續(xù)的比例分別為41.59%，15.65%，32.70%，10.04%。處于無顯著增加趨勢(shì)的北部以弱反持續(xù)為主，表明NPP未來可能表現(xiàn)出減少的態(tài)勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)植被保護(hù)以防止其向減少趨勢(shì)發(fā)展。無顯著減少的南部也以弱反持續(xù)為主，NPP未來可能增加。2000—2015年，武陵山區(qū)植被NPP整體呈微弱減少但以反持續(xù)為主，由此推斷該區(qū)未來NPP整體呈增加態(tài)勢(shì)。

3.3 植被NPP驅(qū)動(dòng)因子

3.3.1 NPP與氣象因子的關(guān)系 武陵山區(qū)2000—2015年年均氣溫的變化范圍為14.96～16.61℃，多年均值是15.86℃，呈不顯著上升趨勢(shì)；年降水量為1 082.56～1 644.72 mm，多年均值是1 350.18 mm，呈不顯著下降趨勢(shì)(圖3)。從各地多年均值的空間分布來看，氣溫與降水均表現(xiàn)出明顯的經(jīng)緯度和垂直地帶性分異規(guī)律：氣溫整體由東南向西北遞減，而雪峰山、巫山、齊岳山及武陵山等高海拔山脈的存在導(dǎo)致局部地區(qū)氣溫較低，如湖北鶴峰、利川、五峰等(附圖7)；受季風(fēng)氣候的影響，降水量總體從東向西遞減且分布不均，湖北鶴峰、湖南城步降水較多，貴州境內(nèi)則降水較少(附圖8)。

圖3 武陵山區(qū)2000-2015年降水量和氣溫年際變化趨勢(shì)

植被生長與氣溫、降水等氣象因子密切相關(guān)，本文通過植被NPP與年均氣溫、年降水量的偏相關(guān)分析和T顯著性檢驗(yàn)，定量識(shí)別NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)。武陵山區(qū)2000—2015年植被NPP與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為-0.66～0.94，均值為0.49，正相關(guān)、負(fù)相關(guān)的比例分別為98.94%，1.06%，表明植被NPP與氣溫總體為正相關(guān)。其中，極顯著正相關(guān)占比為22.42%，主要分布于重慶境內(nèi)的酉陽、秀山和湖南的桑植、龍山、永順、張家界、保靖等地(附圖9A)，49.21%的區(qū)域相關(guān)性不顯著。植被NPP與降水的偏相關(guān)系數(shù)為-0.72～0.94，均值為0.41，正相關(guān)的比例為95.16%，說明植被NPP與降水總體也為正相關(guān)。正相關(guān)中，13.36%的區(qū)域極顯著，集中于湖北的鶴峰和湖南的石門、桑植、慈利、龍山、永順、張家界等地(附圖9B)，貴州的湄潭、石阡也零散分布，另65.67%的區(qū)域相關(guān)性不顯著。

總體而言，研究區(qū)植被NPP與氣溫、降水兩個(gè)氣象因子主要表現(xiàn)為正相關(guān)性特征，但氣溫偏相關(guān)系數(shù)均值、與NPP顯著性相關(guān)面積均大于降水，表明該區(qū)NPP更易受到氣溫影響，氣溫為主要的氣象因子。結(jié)合變異系數(shù)來看，變異系數(shù)相對(duì)高的地區(qū)，如巴東、懷化等地，植被與氣象因子的相關(guān)性不高且不顯著，說明該地受降水、溫度變化的影響不大，人類活動(dòng)或其他因素可能是主導(dǎo)因子。

3.3.2 不同地形對(duì)NPP的影響 地形通過控制水熱和土壤條件，影響其他環(huán)境變量，進(jìn)而對(duì)區(qū)域植被格局產(chǎn)生影響[16]。本文根據(jù)文獻(xiàn)[15]和研究區(qū)實(shí)際情況對(duì)武陵山區(qū)高程和坡度進(jìn)行分級(jí)，統(tǒng)計(jì)各分級(jí)植被NPP以分析地形的影響(表2)。武陵山區(qū)以低山、丘陵為主，高程在200～1 000 m的區(qū)域占比約74.31%，其中500～1 000 m的低山所占比例最大，而200 m以下的平原和1 500 m以上的高山分布較少。地理的垂直地帶性使得不同海拔等級(jí)的植被NPP均值存在顯著差異，總體表現(xiàn)為隨海拔升高先增后減：200 m以下的平原易受人為干擾，如城鎮(zhèn)建設(shè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)，植被生產(chǎn)力較低；丘陵和低山地帶，植被類型以林地為主，生產(chǎn)力較高，并且面積比例大，NPP總量大；海拔繼續(xù)升高，在高山地區(qū)，環(huán)境惡劣、植被稀少導(dǎo)致植被生產(chǎn)力降低，同時(shí)面積比例小，NPP總量小。坡度方面，研究區(qū)以緩坡和斜坡為主，不同坡度的植被NPP表現(xiàn)出與高程相似的特征，即隨著坡度的增大先增后減，但波動(dòng)程度較高程平緩：微坡植被NPP均值為584.82 g C/(m2·a)；緩坡和斜坡的植被NPP較高，其中緩坡最大，同時(shí)兩者分布多，NPP總量大；而當(dāng)坡度逐漸加大，植被生長受到限制，植被覆蓋度降低，NPP下降。

表2 不同高程、坡度分級(jí)的植被NPP

3.3.3 土地利用變化對(duì)NPP的影響 人類活動(dòng)表現(xiàn)為不同類型的干擾，最顯著的是使土地利用方式發(fā)生變化，直接或間接地影響植被NPP。土地利用變化對(duì)NPP的影響具有兩面性：一方面，高生產(chǎn)力用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜕a(chǎn)力用地類型造成NPP損失，如林地開墾為耕地；另一方面，低生產(chǎn)力用地類型向高生產(chǎn)力用地類型轉(zhuǎn)變使得NPP增加，如退耕還林還草。

統(tǒng)計(jì)2000—2015年土地利用變化情況，并將土地利用引起的NPP損益(前10)進(jìn)行可視化(圖4)。武陵山區(qū)土地利用以林地、耕地和草地為主，在研究期間發(fā)生了較大變化，土地利用轉(zhuǎn)移面積為15 318 km2，約占區(qū)域總面積的8.94%。耕地面積減少581 km2，主要轉(zhuǎn)向林地(47 748 km2)和草地(1 088 km2)，說明整個(gè)區(qū)域退耕還林還草工作成效顯著，另外耕地被建設(shè)用地占用322 km2。林地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出量均較大，轉(zhuǎn)出中多被開墾為耕地，但總量增加227 km2。草地減少466 km2，大部分轉(zhuǎn)向耕地和林地，而建設(shè)用地面積增長近一倍，多為占用耕地和林地，其他用地類型變化較小?？傮w而言，近16 a武陵山區(qū)土地利用變化較為劇烈，主要表現(xiàn)為耕地、草地的減少和建設(shè)用地的快速增長，林地面積也有所增加。

圖4 武陵山區(qū)土地利用轉(zhuǎn)換及其引起的NPP總量損益

地類轉(zhuǎn)換引起NPP損益方面，2015年植被NPP相較于2000年增加，大部分用地類型的轉(zhuǎn)換引起NPP上升。其中，耕地轉(zhuǎn)林地使得NPP變化最大，增加0.375 6 Tg C，林地轉(zhuǎn)耕地(0.155 5 Tg C)、草地轉(zhuǎn)林地(0.103 8 Tg C)及耕地轉(zhuǎn)草地(0.076 2 Tg C)等地類轉(zhuǎn)換也不同程度引起NPP上升，而林地轉(zhuǎn)建設(shè)用地(0.012 4 Tg C)和耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地(0.003 9 Tg C)導(dǎo)致NPP下降。綜合來看，研究區(qū)退耕還林還草、封山育林等相關(guān)工作的開展使得耕地大量轉(zhuǎn)為林地，由此導(dǎo)致的NPP增加較為明顯，是引起NPP變化的主要地類轉(zhuǎn)換。

3.3.4 因子影響力分析 植被NPP的時(shí)空分異是多因子綜合作用的結(jié)果。本文從自然和人為兩方面，選取高程、坡度、降水、氣溫、土地利用5個(gè)因子對(duì)武陵山區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年植被NPP進(jìn)行因子影響力探測(cè)，結(jié)果見圖5。因子探測(cè)的q值最大，表示該因子對(duì)NPP的解釋力最強(qiáng)，為該年植被NPP空間分異的主導(dǎo)因子。武陵山區(qū)植被NPP的4個(gè)年份主導(dǎo)因子依次為高程(0.020 9)、氣溫(0.034 7)、氣溫(0.018 7)和降水(0.054 2)，說明該區(qū)NPP沒有絕對(duì)的主導(dǎo)因子。不同年份不同因子的差異顯著，其中降水因子的波動(dòng)性最大，一定程度上體現(xiàn)了區(qū)域降水的時(shí)空不均。不同因子4個(gè)年份q值均值大小排序?yàn)闅鉁?0.023 4)>降水(0.020 8)>高程(0.019 9)>土地利用(0.012 0)>坡度(0.008 2)。就q值均值而言，可以將不同因子劃分成主導(dǎo)因子(氣溫、降水和高程)和重要因子(坡度和土地利用)兩種類型。

圖5 植被NPP因子探測(cè)結(jié)果

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

武陵山區(qū)地形復(fù)雜、多云，導(dǎo)致NPP反演結(jié)果中、高等級(jí)多年平均可信度相對(duì)其他地區(qū)較小，但精度能夠滿足研究要求。本文利用MOD17A3數(shù)據(jù)得到2000—2015年武陵山區(qū)植被NPP多年均值是593.52 g C/(m2·a)，與孫慶齡等[15]所得該區(qū)2000—2010年多年均值590 g C/(m2·a)接近、空間格局一致，高于同期全國均值273.5 g C/(m2·a)[14]。Nemani[23]認(rèn)為全球變暖導(dǎo)致北半球溫帶植被NPP增加、熱帶和亞熱帶下降。而武陵山區(qū)北部為暖溫帶、南部為亞熱帶，過去16 a植被NPP北增南減的變化趨勢(shì)與Nemani結(jié)論一致。

氣候變化是陸地植被活動(dòng)年際變化的主要影響因素[24]。氣溫、降水的增加對(duì)植被生長有一定的促進(jìn)作用，但過高(多)或過低(少)會(huì)抑制植被NPP的積累，如氣溫過高會(huì)增強(qiáng)植被的呼吸作用，植物氣孔關(guān)閉進(jìn)而影響植被的光合作用。近16 a，武陵山區(qū)86.22%的區(qū)域氣溫呈上升趨勢(shì)，69.86%的區(qū)域降水呈下降趨勢(shì)，說明該區(qū)氣候整體趨向干燥，植被生長受到一定威脅，導(dǎo)致研究期間植被NPP總體呈微弱的減小趨勢(shì)。植被NPP與氣溫、降水的正相關(guān)面積均大于負(fù)相關(guān)且偏相關(guān)系數(shù)均值大于0，表明武陵山區(qū)植被NPP與氣溫、降水兩個(gè)氣象因子主要表現(xiàn)為正相關(guān)性特征，與仲曉春等[25]研究結(jié)果相吻合。2002年、2013年研究區(qū)植被生產(chǎn)力較高，其中2002年最大，前一年份年均氣溫低于多年平均、降水量為多年最大，降水充沛能夠彌補(bǔ)溫度過低的不足，促進(jìn)植被NPP的積累，而后一年份與此相反，年均氣溫為多年最高、降水小于多年平均，溫度彌補(bǔ)了降水不足。在植被生產(chǎn)力最低的2011年，年均氣溫、降水量均低于多年平均，水熱不足導(dǎo)致生產(chǎn)力較低。此外，植被NPP與氣溫偏相關(guān)系數(shù)均值、顯著性相關(guān)面積均大于降水，所以氣溫為影響武陵山區(qū)植被生長的主要?dú)庀笠蜃印?/p>

因子影響力分析中，氣溫q值均值大于降水，表明氣溫對(duì)武陵山區(qū)植被NPP的空間分異解釋力更強(qiáng)，與相關(guān)分析結(jié)論一致，但兩者均為主導(dǎo)因子。地形因子的高程解釋力強(qiáng)于坡度，主要是高程直接影響植被類型分布和氣溫狀況，而坡度通過坡面侵蝕強(qiáng)度起著間接作用的結(jié)果[12]。雖然過去16年武陵山區(qū)土地利用變化變化較為劇烈，但土地利用結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大變化，仍以林地、耕地和草地為主，相對(duì)于氣象因子，對(duì)植被NPP影響不大。

4.2 結(jié) 論

(1) 武陵山區(qū)植被生產(chǎn)力水平總體較高，NPP總趨勢(shì)為不顯著下降，年際波動(dòng)性明顯。NPP總量介于87.06～116.90 Tg C，多年均值是101.89 Tg C；年均NPP為507.12～680.96 g C/(m2·a)，多年均值是593.52 g C/(m2·a)。區(qū)域NPP主要集中在400～700 g C/(m2·a)，所占比例在53.61%～90.24%變化。不同植被類型生產(chǎn)力存在差異，常綠針葉林和常綠闊葉林是該區(qū)固碳、生產(chǎn)能力最強(qiáng)的植被。

(2) 武陵山區(qū)各地NPP均值變化范圍為78.13～1 209.71 g C/(m2·a)，空間差異顯著，整體呈現(xiàn)中部高、四周低的空間格局，沒有明顯集中的高值區(qū)。NPP空間波動(dòng)性小、總體趨于穩(wěn)定，變化趨勢(shì)為微弱的減少和北增南減，增長、減少趨勢(shì)的區(qū)域分別占比44.13%，55.87%。未來趨勢(shì)以反持續(xù)為主，表明區(qū)域未來NPP可能呈增加趨勢(shì)。

(3) 武陵山區(qū)NPP與降水、氣溫均為正相關(guān)，受到氣溫的影響更大，氣溫為主要?dú)庀笠蜃?。植被NPP隨著高程、坡度的增加均表現(xiàn)為先增后減的趨勢(shì)。土地利用變化對(duì)NPP的影響具有兩面性，耕地轉(zhuǎn)林地是土地利用變化引起NPP變化的主要地類轉(zhuǎn)換。

(4) 因子影響力上，武陵山區(qū)植被NPP沒有絕對(duì)的主導(dǎo)因子，4個(gè)時(shí)期因子影響力均值大小為氣溫>降水>高程>土地利用>坡度，氣溫、降水和高程是NPP時(shí)空分異的主導(dǎo)因子，坡度和土地利用是重要因子?？傮w而言，自然因素主導(dǎo)著武陵山區(qū)植被NPP的時(shí)空格局，人為因素影響較弱。