我國西南喀斯特地區(qū)2001—2018年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空演變

洪辛茜,黃 勇,孫 濤

1 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650091 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP)是綠色植物在光合作用下吸收大氣中的二氧化碳產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量去除其自身呼吸作用耗費(fèi)量的剩余有機(jī)物質(zhì)[1]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要指標(biāo),能夠有效反映陸地土地覆蓋情況、碳儲(chǔ)備和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等[2-3]。探究NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化機(jī)理對(duì)定量評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。

目前,NPP相關(guān)研究主要包括兩個(gè)方面,一是基于過程和遙感模型模擬估算NPP時(shí)空變化來評(píng)估研究區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律；二是分析NPP時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)因素。氣候變化和人類活動(dòng)是引起NPP變化的主要因素[5]。其中,快速城市化導(dǎo)致的土地覆蓋變化和生態(tài)工程、毀林開墾、森林砍伐等人類活動(dòng)引起NPP變化[6-8]。城市擴(kuò)張占用耕地、草地等生態(tài)用地,是造成NPP下降的原因之一[9-10]。而國家大力推行的植樹造林和退耕還林還草等生態(tài)工程有效提高植被覆蓋度以及改善生態(tài)環(huán)境,是NPP增加的重要原因[11]。

我國西南地區(qū)是中國喀斯特地貌的主要分布區(qū),山體陡峭且基巖多裸露,水土流失較為嚴(yán)重,植被一旦遭到破壞恢復(fù)難度大,生態(tài)環(huán)境脆弱,人類活動(dòng)對(duì)該地區(qū)易產(chǎn)生影響[12-13]。20世紀(jì)80年代起,國家高度重視林業(yè)發(fā)展,在重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤┮幌盗猩鷳B(tài)工程。西南地區(qū)以喀斯特地貌為主,典型的生態(tài)脆弱區(qū),長防林工程、天保工程和坡耕地退耕等一系列國家大型生態(tài)工程在西南地區(qū)從試點(diǎn)到逐步推廣[7,12]。2007年,有研究顯示非喀斯特地區(qū)的NPP高于喀斯特地區(qū)[14]。據(jù)《中國林業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),自2001年到2018年,西南地區(qū)的營造林總面積達(dá)到3437.71萬hm2,這一系列生態(tài)工程對(duì)西南地區(qū)的植被綠度和覆蓋度增長起到重要作用。有學(xué)者利用時(shí)間序列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)探究西南部分喀斯特區(qū)域大規(guī)模植樹造林等生態(tài)工程對(duì)陸地生物碳的影響,認(rèn)為生態(tài)工程實(shí)施后,云貴大部分地區(qū)生物碳呈上升趨勢,起到有效固碳作用[7]。植被葉面積指數(shù)、生長季植被歸一化差值植被指數(shù)等相關(guān)植被指數(shù)經(jīng)常被用來研究西南喀斯特地區(qū)生態(tài)工程的實(shí)施對(duì)其生態(tài)脆弱性的影響[7,12,15]。研究表明多年來植樹造林、坡耕地退耕等生態(tài)工程在西南喀斯特地區(qū)實(shí)施,喀斯特石漠化面積大幅度降低,植被生物量大幅度提升,貢獻(xiàn)大量區(qū)域碳匯[12,16-18],生態(tài)工程對(duì)西南喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)起到重要作用[16,19]。

從土地覆蓋變化的角度,目前基于土地轉(zhuǎn)移矩陣描述NPP變化的研究較多[20-22],但進(jìn)一步討論由土地類型間相互轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致NPP的凈變化研究尚不充分,土地類型間的相互轉(zhuǎn)換對(duì)區(qū)域NPP的貢獻(xiàn)仍缺乏定量研究。近年來在生態(tài)工程和氣候變化背景下,區(qū)域氣候因子和植被生長密度與區(qū)域NPP變化的關(guān)聯(lián)性也需要重新評(píng)估。因此,本文選取我國西南的云貴川渝為研究區(qū),分析西南地區(qū)2001—2018年以土地覆蓋變化為驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的NPP時(shí)空分布差異和NPP變化量,探究NPP變化主要受哪些土地類型轉(zhuǎn)變影響。通過定量描述土地覆蓋類型、降水、氣溫以及植被密度變化對(duì)區(qū)域NPP變化量的影響,有助于明晰生態(tài)工程實(shí)施以來西南地區(qū)的NPP變化影響機(jī)理。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1.1研究區(qū)概況

圖1 西南地區(qū)土地覆蓋概況(基于2018年MCD12Q1的IGBP分類)Fig.1 Overview of land use in Southwest China (based on the IGBP classification of MCD12Q1 in 2018)IGBP:國際地圈-生物圈研發(fā)計(jì)劃International geosphere-biosphere programme

本文選取我國西南地區(qū)的云南省、貴州省、四川省和重慶市作為研究區(qū),該區(qū)域是我國喀斯特地貌的主要分布區(qū)。西南地區(qū)有著豐富的林業(yè)資源,如下圖1所示,其土地覆蓋類型主要以灌叢、森林、草地、和耕地為主。灌叢多分布于貴州、重慶和四川東部,森林集中分布于云南中西部和四川中部,草地主要分布于四川西北,耕地分布于云南、貴州西部和四川中部。該區(qū)以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?降水豐富,雨熱同期,地形復(fù)雜,植被類型豐富[23]。該地區(qū)具有大量的碳酸鹽巖等易在流水不斷溶蝕作用下形成喀斯特地貌的巖石[24],水土流失和石漠化不斷加劇并侵占著人類的生存空間成為西南地區(qū)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[17,25]。

1.1.2數(shù)據(jù)來源及處理

本研究采用中分辨率Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)平臺(tái)2001—2018年的土地覆蓋(MCD12Q1)、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP(MOD17A3HGF)和葉面積指數(shù)LAI(Leaf Area Index)產(chǎn)品(MOD15A2H),均為年度合成數(shù)據(jù)且空間分辨率為500 m,NPP和LAI產(chǎn)品時(shí)間分辨率為8 d。降水?dāng)?shù)據(jù)為Global Precipitation Measurement (GPM) V6 版本的月度合成產(chǎn)品,其空間分辨率為0.1°；氣溫?cái)?shù)據(jù)為European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)第五代全球氣候大氣再分析的月平均氣溫產(chǎn)品(2 m),空間分辨率0.25°×0.25°。除氣溫?cái)?shù)據(jù)從Google Earth Engine云平臺(tái)獲取,其他遙感數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局EarthData網(wǎng)站(https://earthdata.nasa.gov)。2001—2018年生態(tài)工程營造林?jǐn)?shù)據(jù)來自2002年至2019年《中國林業(yè)年鑒》。

數(shù)據(jù)處理方面,利用Arcpy模塊(基于ArcGIS 10.3)將遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和投影變換,利用西南四省的行政區(qū)矢量邊界裁剪出研究區(qū)土地覆蓋和NPP數(shù)據(jù)。根據(jù)國際通用的International Geosphere—Biosphere Programme(IGBP)分類標(biāo)準(zhǔn),研究提取了森林、灌叢、草地、耕地、建成區(qū)、裸地和水體7個(gè)地物類別。葉面積指數(shù)與產(chǎn)品比例因子0.1相乘后,同降水、氣溫產(chǎn)品分別求取整個(gè)研究區(qū)和研究區(qū)各省的年均值。MOD17A3HGF產(chǎn)品在ArcGIS中去除異常值,與MOD17操作手冊第六版中的MOD17A3HGF產(chǎn)品比例因子0.0001相乘后獲取各年份NPP的值,將 NPP單位轉(zhuǎn)換成gC m-2a-1。由于裸地和水體的NPP總量和NPP數(shù)值小,與其他類型轉(zhuǎn)換少,本文主要分析森林、灌叢、草地、耕地和建成區(qū)五種類型之間的NPP轉(zhuǎn)移變化。

1.2 研究方法

1.2.1趨勢分析和顯著性檢驗(yàn)

線性回歸是描述趨勢增減的經(jīng)典方法,公式如下[26]：

(1)

式中,δslope表示18年來各像元NPP的變化趨勢,i=1、2、3…n表示年份,NPPi是第i年的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際均值,若δslope>0,表明NPP呈現(xiàn)上升趨勢,反之則是下降[27]。對(duì)NPP多年變化趨勢進(jìn)行逐像元顯著性檢驗(yàn),若P<0.05,表明變化趨勢通過顯著性檢驗(yàn),反之則未通過顯著性檢驗(yàn)。

1.2.2相關(guān)性分析

降水、氣溫等氣候因子會(huì)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生影響,同時(shí),植被葉面積指數(shù)能夠有效指示植被生長葉片密度,對(duì)NPP有一定的影響。通過對(duì)降水、氣溫、LAI與NPP進(jìn)行相關(guān)性分析,揭示降水、氣溫、LAI與NPP的相關(guān)關(guān)系[26],計(jì)算公式如下：

(2)

式中,R是降水、氣溫、LAI與NPP的相關(guān)系數(shù),Xi為第i年的年降水量、年均氣溫或年均葉面積指數(shù),Yi為第i年的NPP年均值,Xa是變量X的平均值,Ya是變量Y的平均值。決定系數(shù)R2也稱為擬合優(yōu)度,是相關(guān)系數(shù)的平方。

1.2.3土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是分析土地類型轉(zhuǎn)移的有效工具,能獲取各土地類型轉(zhuǎn)變的定量數(shù)據(jù)[28],本文將2001和2018年的土地覆蓋分類圖在ENVI軟件中進(jìn)行土地覆蓋變化計(jì)算,獲取2001—2018時(shí)間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析研究區(qū)各土地覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)移量,為之后的土地類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的NPP變化量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.4土地覆蓋類型變化導(dǎo)致的NPP變化

在土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上,以2018年各土地覆蓋類型的NPP均值為基準(zhǔn)計(jì)算不同土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的NPP變化量。計(jì)算方法為將某一土地類型轉(zhuǎn)入其他類型產(chǎn)生的NPP量減去該類型轉(zhuǎn)移區(qū)域原有的NPP量[29]。公式如下：

ΔNPP=NPPout-NPPformer

(3)

圖2 2001—2018年西南地區(qū)NPP均值年際變化 Fig.2 Inter-annual change of the mean value of NPP of southwest China from 2001 to 2018

式中,ΔNPP表示某一土地類型轉(zhuǎn)為其他類型導(dǎo)致的NPP轉(zhuǎn)移量,NPPout表示某一土地類型轉(zhuǎn)入其他類型產(chǎn)生的NPP量,NPPformer表示該類型轉(zhuǎn)移區(qū)域原有的NPP量。

之后,計(jì)算單一土地類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出導(dǎo)致的本類型NPP凈變化量,將轉(zhuǎn)入某一土地類型的NPP轉(zhuǎn)入總量減去該類型NPP的轉(zhuǎn)出總量得到該類型的NPP凈變化量。

2 結(jié)果

2.1 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化

對(duì)西南地區(qū)2001—2018年的植被NPP年均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其NPP年均值在668.21—752.55 gC m-2a-1上下波動(dòng)。NPP年均值最高值出現(xiàn)在2015年,為752.55 gC m-2a-1,最低值出現(xiàn)在2004年,為668.21 gC m-2a-1,多年NPP平均值為710.44 gC m-2a-1。由2001—2018年NPP年均值變化趨勢來看(圖2),自2001年以來,研究區(qū)這18年間NPP年均值整體趨勢呈顯著性水平波動(dòng)上升(P<0.01),其變化率為3.17 gC m-2a-1。

圖3 不同地類逐年份NPP總量和面積變化Fig.3 Changes in total NPP and area of different land types year by year

圖4 2001—2018年西南地區(qū)NPP平均值線性變化趨勢顯著性圖Fig.4 Significance of the linear change trend of the average value of NPP in Southwest China from 2001 to 2018

對(duì)西南地區(qū)2001—2018年森林、灌叢、草地、耕地和建成區(qū)逐年NPP總量變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖3所示。總體來看,耕地和草地的NPP總量呈下降趨勢,其他類型呈波動(dòng)上升趨勢。其中,森林的NPP總量增長速率最快,增長斜率為2.545 TgC/a,灌叢次之(1.719 TgC/a),建成區(qū)增長最慢(0.056 TgC/a)；耕地的NPP總量下降速率比草地快,耕地變化速率為-0.631 TgC/a,草地為-0.422 TgC/a。不同土地覆蓋類型的NPP總量年均值差異明顯,灌叢(440.770 TgC/a)>森林(203.313 TgC/a)>草地(59.757 TgC/a)>耕地(26.964 TgC/a)>建成區(qū)(0.953 TgC/a)。不同土地覆蓋類型NPP總量和增長速率差異與各類型的面積有密切關(guān)系。2001—2018年間,灌叢、森林和草地分布較多,灌叢占有面積最大,多年均值為593.60×103km2/a,灌叢(593.60×103km2/a)>森林(206.91×103km2/a)>草地(176.02×103km2/a)>耕地(37.60×103km2/a)>建成區(qū)(8.19×103km2/a)。在土地覆蓋面積變化方面,灌叢、草地和耕地面積呈現(xiàn)減少趨勢,分別為-0.911、-0.921、-0.982 km2/a；森林和建成區(qū)面積呈現(xiàn)增加趨勢,森林面積增長速率為2.682 km2/a,建成區(qū)增長速率僅0.145 km2/a。

2.2 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布差異

2001—2018年,西南地區(qū)NPP平均值空間分布呈現(xiàn)南高北低的現(xiàn)象,云南省西南方向NPP均值最高；低值區(qū)域主要在四川省的東西兩側(cè)和重慶市的西部。對(duì)研究區(qū)域NPP均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),NPP均值范圍在0—1943.43 gC m-2a-1間波動(dòng),平均值為710.44 gC m-2a-1,不同省域NPP均值差異較大,云南(989.63 gC m-2a-1)>貴州(773.00 gC m-2a-1)>重慶(597.20 gC m-2a-1)>四川(496.27 gC m-2a-1)。

2001—2018年西南地區(qū)NPP變化速率為-92.12—114.88 gC m-2a-1。經(jīng)統(tǒng)計(jì),NPP變化趨勢為正的區(qū)域占研究區(qū)面積的73.62%,表明研究時(shí)段內(nèi)大部分區(qū)域NPP呈增加趨勢(圖4)。增加明顯的地區(qū)主要分布在四川的中東部、重慶、貴州西部和云南東部,顯著增加區(qū)域占比為35.69 %。僅4.4%的區(qū)域顯著減少,分布在云南和四川中西部和貴州東部。變化不顯著區(qū)域占59.91%,主要出現(xiàn)在四川和云南中西部和貴州中東部。

2.3 NPP變化的驅(qū)動(dòng)因子分析

我國西南喀斯特地區(qū)是一個(gè)生態(tài)脆弱區(qū),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化受到氣候因子和人類活動(dòng)等因素的共同作用。氣候因子會(huì)影響植被的生長發(fā)育進(jìn)而影響NPP[26]；葉面積指數(shù)能反映植被生長密度,植被的生長密度和覆蓋面積會(huì)對(duì)NPP產(chǎn)生影響[7]。因此,本研究考慮降水、氣溫、葉面積指數(shù)和土地覆蓋類型轉(zhuǎn)變對(duì)NPP的影響。

2.3.1降水、氣溫和葉面積指數(shù)與NPP的相關(guān)關(guān)系

從整體上看,西南地區(qū)2001—2018年NPP年均值變化與年降水量沒有顯著的相關(guān)關(guān)系,與年均氣溫有較顯著相關(guān)關(guān)系,R2為0.45；與植被葉面積指數(shù)顯著相關(guān),R2為0.67(圖5)。從西南各省的LAI、年降水量、年均氣溫與NPP年均值的關(guān)系來看(圖6),各省的LAI與NPP年均值都顯著相關(guān),年降水量與NPP相關(guān)性低,年均溫與NPP相關(guān)性在不同省份差異較大。其中,云南省的LAI和NPP年均值相關(guān)性最高,R2為0.56,重慶市和四川省為0.53,貴州省為0.48。在年降水量與NPP年均值的相關(guān)性方面,西南地區(qū)各省的年降水量與NPP年均值的相關(guān)性都較低,最高的為重慶,線性回歸R2為0.27。在年平均氣溫與NPP年均值的相關(guān)性方面,僅四川和貴州省的年均氣溫與NPP年均值相關(guān)性較高,R2分別為0.41和0.37。這表明在西南地區(qū)氣候因子對(duì)NPP的影響相對(duì)較弱,與NPP有顯著關(guān)聯(lián)的是植被生長密度。

圖5 2001—2018年西南地區(qū)NPP年均值與LAI年均值和區(qū)域氣候因子的關(guān)系Fig.5 The relationship between the annual average value of NPP and the annual average value of LAI and climatic factors in the southwest region from 2001 to 2018

圖6 2001—2018年西南各省NPP年均值與LAI年均值和氣候因子的關(guān)系Fig.6 Relationship between annual mean value of NPP and annual mean value of LAI and climatic factors in southwest Provinces from 2001 to 2018

2.3.2土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換對(duì)NPP的影響

圖7 2001—2018年西南地區(qū)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)變空間分布 Fig.7 Spatial distribution of land use type transition in Southwest China from 2001 to 2018

利用研究區(qū)2001和2018年的土地覆蓋分類圖計(jì)算得到2001—2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,結(jié)果表明研究區(qū)以灌叢、森林、草地、耕地和建成區(qū)的轉(zhuǎn)變?yōu)橹?圖7)。2001—2018年,各類土地覆蓋轉(zhuǎn)移總面積為153648.5 km2。轉(zhuǎn)出最多的地類是灌叢,轉(zhuǎn)出83291.75 km2,主要轉(zhuǎn)為森林(66059.25 km2)。灌叢轉(zhuǎn)森林主要分布于云南、貴州、重慶以及四川中部,占灌叢轉(zhuǎn)出總面積的79.31%。草地、耕地和森林轉(zhuǎn)出總面積分別為28619.75 km2、22096.5 km2和18003.75 km2,多數(shù)都轉(zhuǎn)為灌叢。其中,森林轉(zhuǎn)灌叢主要出現(xiàn)在云南、四川中西部和貴州東部,草地轉(zhuǎn)灌叢分布于云南西北和東部、四川中西部和貴州南部,耕地轉(zhuǎn)灌叢分布于云南、貴州西部和四川中部部分地區(qū)。

不同土地類型的NPP均值差異較大,森林(963.864 gC m-2a-1)>灌叢(753.314 gC m-2a-1)>耕地(712.688 gC m-2a-1)>草地(320.173 gC m-2a-1)>建成區(qū)(156.773 gC m-2a-1)。森林的NPP均值最高,因此,森林轉(zhuǎn)為其他類型導(dǎo)致NPP減少,低生產(chǎn)力土地類型向灌叢和森林等高生產(chǎn)力類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致NPP增加。

利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,計(jì)算土地類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的NPP轉(zhuǎn)移量(表1)。土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換對(duì)NPP的影響主要是兩類情形：一是灌叢轉(zhuǎn)為森林以及耕地、草地轉(zhuǎn)為灌叢導(dǎo)致NPP增加；二是森林轉(zhuǎn)為灌叢以及灌叢轉(zhuǎn)為草地、建成區(qū)導(dǎo)致NPP減少。灌叢轉(zhuǎn)入森林,NPP增加13.909 TgC,草地轉(zhuǎn)入灌叢,NPP增加10.647 TgC,耕地轉(zhuǎn)入灌叢時(shí),NPP增加3.075 TgC。森林轉(zhuǎn)為灌叢,NPP凈減少3.708 TgC,灌叢轉(zhuǎn)草地、建成區(qū)分別凈減少3.812 TgC和1.165 TgC。森林的轉(zhuǎn)入總量最多,增加了14.198 TgC,灌叢的轉(zhuǎn)入總量增加了10.014 TgC,草地轉(zhuǎn)入總量減少5.007 TgC。森林NPP轉(zhuǎn)出總量減少3.944 TgC,灌叢、草地和耕地的轉(zhuǎn)出NPP分別增加了8.695、11.728、1.787 TgC,由于森林的NPP均值最高,無論轉(zhuǎn)成何種類型,其NPP總量都是減少的。而灌叢、草地和耕地的轉(zhuǎn)出大多是以轉(zhuǎn)入森林為最終方向,故轉(zhuǎn)出NPP總量為增加。建設(shè)用地沒有轉(zhuǎn)出,轉(zhuǎn)出NPP為0。

表1 2001—2018年西南地區(qū)土地覆蓋類型變化過程中的NPP轉(zhuǎn)移量/(TgC)

為了更深入探討土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換對(duì)研究區(qū)NPP的影響,本文基于2018年各土地覆蓋類型NPP均值計(jì)算凈轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出量,分析各類型轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的NPP凈變化值,如表2所示。結(jié)果表明,各土地覆蓋類型的NPP凈變化值合計(jì)增加20.643 TgC,森林轉(zhuǎn)入的NPP凈增量起到重要作用,不僅彌補(bǔ)灌叢、草地和耕地的NPP凈減,而且使區(qū)域NPP有所增長。森林NPP轉(zhuǎn)入總量為64.136 TgC,轉(zhuǎn)出總量為17.337 TgC,凈增加46.799 TgC。森林轉(zhuǎn)入面積(66548 km2)遠(yuǎn)多于轉(zhuǎn)出面積(18003.75 km2),其中灌叢轉(zhuǎn)入森林66059.25 km2,轉(zhuǎn)入量達(dá)土地類型轉(zhuǎn)移總面積的54.21%,因此,森林NPP增加量遠(yuǎn)大于減少量。灌叢轉(zhuǎn)出總面積(83291.75 km2)多于草地(24581.5 km2)和耕地(18922.25 km2)轉(zhuǎn)入灌叢的面積,故灌叢的轉(zhuǎn)入總量(46.038 TgC)低于轉(zhuǎn)出總量(62.251 TgC)。耕地NPP凈減少10.063 TgC,耕地多數(shù)轉(zhuǎn)入灌叢和草地,少部分轉(zhuǎn)為森林和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)出面積(22096.5 km2)多于轉(zhuǎn)入面積(7928.5 km2)。西南地區(qū)森林面積的大幅度增加和耕地面積的減少,國家的退耕還林工程和防護(hù)林等生態(tài)工程起到重要作用,2001—2018年西南地區(qū)各省生態(tài)工程造林情況如表3所示。從2001年到2018年以來,西南四省開展了諸如退耕還林還草工程、天然林資源保護(hù)、珠江防護(hù)林工程和天保工程等一系列生態(tài)工程,造林成效顯著,總計(jì)新增營造林達(dá)3437.71萬hm2。其中,四川省和云南省的營造林?jǐn)?shù)目較多,分別為1426萬hm2和950.78萬hm2,是重慶市和貴州省的兩倍之多。

表2 2001—2018年西南地區(qū)各土地覆蓋類型NPP凈變化量/TgC

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)功能和碳循環(huán)的重要指標(biāo),探究NPP時(shí)空變化和驅(qū)動(dòng)因子具有重要意義[30- 31]。本研究分析了西南地區(qū)2001—2018年NPP時(shí)空演變差異,在此基礎(chǔ)上分析了NPP變化機(jī)理。時(shí)間趨勢上,2001—2018年西南地區(qū)NPP均值呈顯著性波動(dòng)上升,草地、耕地轉(zhuǎn)入灌叢以及灌叢轉(zhuǎn)入森林起到重要作用?？臻g上,西南地區(qū)大部分區(qū)域NPP呈增加趨勢,占比達(dá)73.62%,主要集中在四川的中東部、重慶和云貴邊界附近區(qū)域(圖4)。將年降水量、年均氣溫、植被葉面積指數(shù)與NPP年均值進(jìn)行回歸分析顯示,年降水量與NPP年均值相關(guān)性低；年均氣溫與NPP年均值相關(guān)性較強(qiáng),在不同省份相關(guān)性差異大；葉面積指數(shù)與NPP年均值呈顯著相關(guān)。表明氣候因子對(duì)NPP的影響較弱,NPP增長與植被生長密度增加有顯著相關(guān)關(guān)系。截至2018年,西南地區(qū)生態(tài)工程營造林總計(jì)達(dá)3437.71萬hm2,植被覆蓋面積大量增加。2001—2018年,西南地區(qū)森林凈轉(zhuǎn)入面積48544.25 km2, NPP凈增長48.799 TgC,土地類型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致森林面積的大量增長,提升了區(qū)域NPP總量。這表明人類活動(dòng)對(duì)西南地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力有著極大影響,這與西南地區(qū)開展的一系列諸如退耕還林(草)和人工造林等生態(tài)工程有很大關(guān)系[12]。

表3 2001—2018年西南地區(qū)各省生態(tài)工程造林情況/(×104 hm2)

土地覆蓋類型轉(zhuǎn)變對(duì)西南地區(qū)NPP有著重要影響。本研究表明,在2001—2018年間,草地、耕地轉(zhuǎn)為灌叢以及灌叢轉(zhuǎn)為森林對(duì)NPP變化有較大影響。耕地轉(zhuǎn)出面積合計(jì)22096.5 km2,遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)入(7928.5 km2)；森林轉(zhuǎn)入面積高達(dá)66548 km2,遠(yuǎn)多于轉(zhuǎn)出的18003.75 km2。耕地的轉(zhuǎn)出主要以轉(zhuǎn)入灌叢(18922.25 km2)和草地(2460.25 km2)為主,這符合國家2000年來在西南地區(qū)實(shí)施的退耕還林還草工程。宜林荒山造林、撫育中幼林、改造低產(chǎn)低效林和封山育林等生態(tài)工程措施使得西南地區(qū)營造林?jǐn)?shù)量大幅度提升,對(duì)NPP的提升起到極大的促進(jìn)作用,四川和云南尤為顯著。66059.25 km2灌叢轉(zhuǎn)為森林,NPP增長13.909 TgC。森林的轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積,森林的NPP值高,其他低生產(chǎn)力類型轉(zhuǎn)為森林會(huì)導(dǎo)致NPP增加,因此森林NPP凈增長46.799 TgC。草地和耕地面積均呈減少趨勢,NPP總量呈現(xiàn)下降趨勢,NPP分別凈減少0.29 TgC和10.063 TgC。草地和耕地主要轉(zhuǎn)為灌叢,這彌補(bǔ)了一部分灌叢大量轉(zhuǎn)出損失的NPP。灌叢大量面積轉(zhuǎn)入森林,耕地和草地轉(zhuǎn)入灌叢少于灌叢轉(zhuǎn)為森林,灌叢轉(zhuǎn)出的面積比轉(zhuǎn)入的面積多,造成對(duì)其單一類型而言NPP凈減少16.213 TgC。西南地區(qū)實(shí)施的封山育林措施和低效林改造等生態(tài)工程有效提升了植被生長密度,促使灌叢朝著生產(chǎn)力高的森林生長,有助于灌叢自身的NPP含量提升。且灌叢的占有面積是所有土地覆蓋類型中最多的,多年平均面積593.60×103km2,占研究區(qū)面積的58.06%。因此,灌叢NPP總量呈增加趨勢。這在童曉偉等學(xué)者對(duì)中國南方森林2002—2017年帶來大量的碳匯研究中得到驗(yàn)證[18]。

綜上所述,西南地區(qū)土地覆蓋類型轉(zhuǎn)換是NPP變化的重要影響因素,退耕還林和植樹造林等生態(tài)工程的實(shí)施是植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈增加趨勢的重要原因[7]。本文主要探討西南地區(qū)由于土地覆蓋類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的NPP變化,氣候因子僅考慮了降水和氣溫,并未考慮其他氣候因子,今后還需要考慮更多的氣候因子對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。生態(tài)工程造林成效主要基于省域尺度數(shù)據(jù),今后應(yīng)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度,以便將來更好的探究生態(tài)工程對(duì)西南地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。

3.2 結(jié)論

本文基于遙感數(shù)據(jù),分析了我國西南喀斯特地區(qū)2001—2018年的NPP時(shí)空變化,計(jì)算了森林、灌叢、耕地、草地和建成區(qū)相互轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的NPP變化量,分析了降水、氣溫和植被密度與NPP變化的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明：(1)2001—2018年,西南地區(qū)NPP均值呈現(xiàn)顯著性波動(dòng)上升,變化率為3.17 gC m-2a-1。灌叢、草地和耕地面積呈減少趨勢,耕地面積減少率最高,森林和建成區(qū)面積呈增加趨勢。森林、灌叢和建成區(qū)NPP總量呈增加趨勢,其中森林增長率最高,草地和耕地的NPP總量呈減少趨勢。(2)NPP平均值表現(xiàn)為南高北低,高值區(qū)以云南省為主。多數(shù)區(qū)域NPP呈增加趨勢,集中分布于四川的中東部、重慶、貴州西部和云南東部；NPP減少主要出現(xiàn)在云南、四川中西部和貴州東部。(3)灌叢轉(zhuǎn)為森林以及森林、草地和耕地轉(zhuǎn)為灌叢對(duì)研究區(qū)NPP有較大影響。森林轉(zhuǎn)灌叢,NPP減少3.708 TgC；草地和耕地轉(zhuǎn)灌叢,NPP分別增加10.647 TgC和3.075 TgC；灌叢轉(zhuǎn)森林,NPP增加13.909 TgC。土地類型轉(zhuǎn)換導(dǎo)致NPP凈增加20.643 TgC,主要由于森林的凈轉(zhuǎn)入量大大高于轉(zhuǎn)出量,彌補(bǔ)了灌叢、草地和耕地的NPP凈減。(4)總體上,西南地區(qū)降水與NPP變化的相關(guān)性不大,氣溫與NPP有一定相關(guān)性,而植被密度與NPP有顯著相關(guān)關(guān)系。封山育林、宜林荒山造林等生態(tài)工程極大提高了植被生長密度和覆蓋度,是NPP增加的主要驅(qū)動(dòng)因子。