東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)

張淑美 董靜

摘要：研究植被凈初級生產(chǎn)力與氣候變化的關(guān)系，對于研究氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程的影響具有重要意義。研究利用1982-2013年長時(shí)間序列的AVHRR NDVI數(shù)據(jù)集、氣候數(shù)據(jù)和植被類型圖，采用CASA模型估算了東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力，并分析了東北地區(qū)植被的凈初級生產(chǎn)力的時(shí)空變化及其對氣候的響應(yīng)。結(jié)果表明：1）1982-2013年東北地區(qū)植被平均凈初級生產(chǎn)力范圍在0-750gC？m-2？a-1之間，耕地、林地的凈初級生產(chǎn)力呈增長趨勢;草地的凈初級生產(chǎn)力呈減少趨勢。2）年平均降水變化在西部地區(qū)呈現(xiàn)降低趨勢，在東部大部分地區(qū)是增加趨勢。年平均降水量最多的年份是在2013年為57.09 mm。3）年平均溫度的變化情況不明顯，整體上是波動(dòng)上升的趨勢。平均溫度最高的年份在2008年。4）東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力與溫度、降水的相關(guān)性呈現(xiàn)空間地理差異。植被凈初級生產(chǎn)力與溫度在西部呼倫貝爾草原和東北平原西部有較大的負(fù)相關(guān)，在東部有較大的正相關(guān);植被凈初級生產(chǎn)力與降水在西部呼倫貝爾草原和東北平原有較大的正相關(guān)，在小興安嶺和長白山脈有較大的負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：東北地區(qū);凈初級生產(chǎn)力;氣候;相關(guān)性分析

1 ?緒論

凈初級生產(chǎn)力NPP（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)通過光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物同化量減除呼吸消耗的剩余部分。它直接反映了各種植被類型在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力和陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，在全球變化及碳平衡中扮演著重要作用[1]。近年來的氣候變化已經(jīng)促進(jìn)了北半球中高緯度地區(qū)的植被生長，各種凈初級生產(chǎn)力模型已經(jīng)開發(fā)用來分析凈初級生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)。

因此，研究凈初級生產(chǎn)力與氣候變化的關(guān)系，對于研究氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程的影響具有重要意義。利用遙感技術(shù)，結(jié)合氣候參數(shù)和植被參數(shù)，分析凈初級生產(chǎn)力的年際變化特征、空間分布特征以及凈初級生產(chǎn)力與氣候（溫度、降水）因子的相關(guān)性，對了解植被的時(shí)空變化特征，監(jiān)測、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，預(yù)測氣候變化趨勢有著重要的意義。

2 ?研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

2.1 ?研究區(qū)概況

東北地區(qū)以平原、丘陵和山地為主，整體地勢低平，開闊平坦。地形特點(diǎn)為三面環(huán)山、平原居中。

東北地區(qū)自南向北跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季溫?zé)岫嘤甓檀?，冬季寒冷干燥而漫長。自東南而西北，從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)。

東北地區(qū)受夏季風(fēng)的影響，植被特征經(jīng)向地帶性非常明顯，由南向北氣溫逐漸降低，相應(yīng)的植被類型也隨著地理位置的變化而發(fā)生著變化。

2.2 ?數(shù)據(jù)介紹與預(yù)處理

本研究主要利用的是1982-2013年的NOAA_NDVI_3g數(shù)據(jù)集、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及氣候（溫度、降水、輻射）數(shù)據(jù)、東北地區(qū)植被類型圖和東北地區(qū)的矢量數(shù)據(jù)。

2.2.1 ?遙感數(shù)據(jù)

采用GIMMS NDVI 3g數(shù)據(jù)集的空間覆蓋范圍為全球，時(shí)間起止于1981-2013年。空間分辨率為8km * 8km，時(shí)間分辨率為15天，格式為ENVI標(biāo)準(zhǔn)格式，轉(zhuǎn)換為ALBERS投影，坐標(biāo)系為WGS-84坐標(biāo)系。

2.2.2 ?氣象數(shù)據(jù)

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：//cdc.cma.gov.cn/）下載的1982–2013年的月總降水量數(shù)據(jù)、月平均溫度數(shù)據(jù)、月總太陽輻射數(shù)據(jù)，和覆蓋東北地區(qū)的107個(gè)氣象站點(diǎn)和13個(gè)輻射站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2.3 ?植被類型圖

該研究所用的植被類型圖為中國科學(xué)院的中國植被編輯委員會提供的1：100萬中國植被圖集。在對比2001年和2007年的植被類型圖之后，發(fā)現(xiàn)植被種類及分布變化不大，本研究采用2001年東北地區(qū)植被類型圖。

3 ?研究方法

3.1 ?CASA模型

CASA模型（CarnegieAmesStanford approach）是一個(gè)基于過程的遙感模型[2]。模型包括土壤有機(jī)物、微量氣體通量、養(yǎng)分利用率、土壤水分、溫度、土壤結(jié)構(gòu)和微生物循環(huán)[3]。它充分考慮了植物自身生長特性和對植物光合作用有調(diào)節(jié)能力的非生物環(huán)境因子（氣溫、土壤、水分狀況等），主要由植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與實(shí)際光能利用率（ε）兩個(gè)變量來確定[1]。

NPP（x， t） = APAR （x， t） * ε（x， t） （3.1）

3.2 ?最大值合成法

最大合成值法MVC（Maximum Value Composites），就是將多幅相同的柵格圖疊加，每個(gè)柵格單元值取多幅影像中最大的值，最后合成一幅影像。

本研究需要利用月最大歸一化植被指數(shù)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，而下載的NOAA_NDVI_3g數(shù)據(jù)集的時(shí)間分辨率為15天，所以需要利用最大值合成法得到分辨率為一個(gè)月的月最大NDVI影像。對半月分辨率的倆幅NDVI影像進(jìn)行波段運(yùn)算，輸入公式為：

b1*（b1 ge b2） + b2*（b2 gt b1）（3.2）

將每個(gè)月的月最大NDVI數(shù)據(jù)合成一年，得到月最大NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)，公式為：

b1>b2>b3>b4>b5>b6>b7>b8>b9>b10>b11>b12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3.3）

3.3 ?空間插值

空間插值是指將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，以便與其它空間現(xiàn)象的分布模式進(jìn)行比較，就是用已知點(diǎn)的數(shù)值來估算其他位置的數(shù)值。

進(jìn)行空間插值有倆個(gè)基本條件：已知點(diǎn)和插值方法。本研究需要對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，東北地區(qū)的氣象站點(diǎn)便作為已知點(diǎn)，本研究所利用的插值方式主要是克里金插值法和反距離加權(quán)插值法。

3.4 ?趨勢分析及相關(guān)性分析

3.4.1 ?趨勢分析

研究32年來東北地區(qū)年平均氣溫、年平均降水量的變化，結(jié)合東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的年季變化，首先簡單的分析植被凈初級生產(chǎn)力的變化與氣候變化的關(guān)系，其斜率公式為[4]：

（3.4）

式中，i為研究的年份，Yi表示第i年的平均溫度、平均降水量、NPP，n為研究的年分?jǐn)?shù)32年。

當(dāng)slope>0時(shí)，說明像元上的像元值（溫度、降水、NPP）為上升趨勢;反之，當(dāng)slope<0時(shí)，表明像元值有下降趨勢。

3.4.2 ?相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是指對兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量兩個(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。在進(jìn)行趨勢分析之后，將東北地區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力分別與溫度、降水進(jìn)行相關(guān)性分析，定量的得到它們之間的變化關(guān)系。

4 ?研究結(jié)果與分析

4.1 ?東北地區(qū)氣候變化

4.1.1 ?東北地區(qū)年均氣溫時(shí)空變化分析

1982–2013年東北地區(qū)的32年平均溫度時(shí)間變化，東北地區(qū)的年平均溫度的變化情況不明顯，東北地區(qū)的年平均溫度的范圍在2℃到5℃之間，但整體上是一個(gè)波動(dòng)上升的趨勢[5]。

1982–2013年東北地區(qū)的年平均溫度的空間變化，東北地區(qū)32年的年平均溫度的空間分布與地理位置相匹配，由東南方向向西北方向溫度逐漸降低[6]。

4.1.2 ?東北地區(qū)年均降水量時(shí)空變化分析

1982–2013年東北地區(qū)的32年平均降水量的時(shí)間變化如圖1所示。圖中可以看出，東北地區(qū)的年平均降水量的平均值的范圍在30–60 mm之間。

1982–2013年東北地區(qū)的年平均降水的空間變化如圖2。由圖中可以看出，東北地區(qū)32年的年平均降水的空間分布與地理位置相匹配，由東部地區(qū)向西部地區(qū)遞減。

4.2 ?東北地區(qū)植被生產(chǎn)力時(shí)空變化分析

4.2.1 ?東北地區(qū)植被生產(chǎn)力空間變化分析

1982年到2013年，東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的取值范圍在0到750gC？m-2？a-1之間，其中植被凈初級生產(chǎn)力在0到100gC？m-2？a-1之間的部分占整個(gè)東北地區(qū)的48.66%，所占的比重最大。

東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的最大值大部分分布在大興安嶺、小興安嶺、長白山脈處，植被類型豐富，植被茂密;而東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的較小的地方分布在東北平原和呼倫貝爾高原上，東北平原是東北農(nóng)作物的主要種植地，呼倫貝爾高原的主要植被類型是草地，對應(yīng)的生產(chǎn)力較低。所以，東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的空間分布與植被類型有很大的關(guān)系。東北地區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力的空間分布特點(diǎn)是：西部和南部的NPP值低;東部和北部的NPP值高;而且從東北方向到西南方向是呈現(xiàn)一個(gè)遞減的趨勢。而東北地區(qū)的地形是周邊被山包圍，中間是平原地區(qū)。所以，東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的空間分布與地形有很大的關(guān)系。同樣的，東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力高的地方分布在大興安嶺、三江平原、小興安嶺、長白山脈處，這些地區(qū)的植被類型主要是林地，植被覆蓋率高。而且長白山脈鄰近海洋，受海洋氣流的影響，水熱條件充沛、氣候適宜;東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力低的地方在東北平原和呼倫貝爾草原處，這些地方的氣候干旱、降水較少，植被覆蓋率低。所以，東北地區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力的空間分布與氣候有很大的關(guān)系。

4.2.2 ?東北地區(qū)植被生產(chǎn)力年際變化分析

經(jīng)過分析表明，呼倫貝爾草原及一些農(nóng)林交錯(cuò)的耕地以及林地的植被凈初級生產(chǎn)力減少，這可能主要是由于過度放牧導(dǎo)致的草地以及耕地的缺失和土地的退化，使得當(dāng)?shù)氐闹脖簧a(chǎn)力有了明顯的下降[7];而小興安嶺與三江平原上的針闊混交林和長白山南部林區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力的增長原因：可能主要是由于近些年，這些地區(qū)氣候條件穩(wěn)定，適宜植被生長，同時(shí)東北地區(qū)作為全國主要的糧食基地，近些年來大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高了生產(chǎn)力，使得在平原上的農(nóng)作物種植區(qū)的植被含量增多，進(jìn)而使其植被凈初級生產(chǎn)力提高。此外，由于我國在20世紀(jì)90年代也開展了一些保護(hù)生態(tài)，退耕還林，大力倡導(dǎo)植樹的活動(dòng)，這可能也使得東北地區(qū)在小興安嶺地帶的植被得到保護(hù)與發(fā)展，從而使這些地方的植被凈初級生產(chǎn)力呈增高趨勢。

4.3 ?植被生產(chǎn)力對氣候變化的響應(yīng)分析

結(jié)果表明，東北地區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力與東北地區(qū)的年平均溫度的相關(guān)性也存在著空間位置上的不同，不同的地區(qū)兩者之間的相關(guān)性也不同。在東北地區(qū)的呼倫貝爾草原與東北平原的西部，植被凈初級生產(chǎn)力與年平均氣溫呈現(xiàn)較大的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.59到0之間。經(jīng)過分析，由于該地區(qū)氣候干旱，土壤貧瘠，沒有提供給植被生長所需要的適宜環(huán)境，又沒有森林的覆蓋，在溫度升高的時(shí)候，土壤就會變得更加干旱，不適合植被的生長。在大興安嶺地區(qū)及東北平原的中部，植被的凈初級生產(chǎn)力與年平均溫度的相關(guān)性較小。在小興安嶺、完達(dá)山、三江平原和長白山山脈處，植被的凈初級生產(chǎn)力與年平均溫度是正相關(guān)的，且具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.25到0.68之間。

對于逐像元的相關(guān)性分析，總體分析看來，東北地區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力與年平均溫度的相關(guān)性是負(fù)相關(guān)較多，所占百分比為58.1%。東北地區(qū)的植被凈初級生產(chǎn)力與年平均溫度的相關(guān)性與其所處的地理位置有很大的關(guān)系。

5 ?結(jié)語

本文研究了連續(xù)32年的東北地區(qū)植被生產(chǎn)力的變化及其對氣候變化的響應(yīng)，可以以此為基礎(chǔ)，對東北地區(qū)32年來的環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測;也可以進(jìn)一步通過東北地區(qū)32年來耕地、森林和草地的變化情況，研究東北地區(qū)退牧還草、退耕還林的情況。本方法也可用于其他區(qū)域或者更大尺度的植被長勢監(jiān)測，為環(huán)境監(jiān)測提供參考依據(jù)。

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