汾河流域植被生產(chǎn)力時空變異特征分析

朱小聰

（1渭南市臨渭規(guī)劃管理中心，陜西渭南 714000；2太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，太原 030002）

0 引言

IPCC[1]（Intergovernmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化專門委員會）第五次評估報告指出，人類活動使地球原始累積的碳大量釋放是全球氣候變化的重要原因。全球氣候變化正在深刻地改變陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程。為了應對未來氣候變化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，2009年哥本哈根世界氣候大會以及后來的“未來地球”計劃都提出在未來低碳技術發(fā)展和推廣之前，通過增加生態(tài)系統(tǒng)的碳固存來補償社會經(jīng)濟發(fā)展中的碳排放，并加強預判全球變化的臨界點的能力[2]。生態(tài)碳排放與碳吸收良性循環(huán)，在維持全球碳循環(huán)平衡的同時，滿足人類社會的發(fā)展需求，資源供給永續(xù)不斷，是探索全球碳平衡的熱點之一。

植被是生態(tài)系統(tǒng)中重要的敏感因素，植被總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity,GPP)和植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是植物光合作用生成的有機物質量，其長期變化趨勢能有效監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化，能夠反應陸地生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況，同時也是評價生態(tài)系統(tǒng)碳匯或碳源的重要指標[3-4]。植被碳利用率(Carbon Use Efficiency,CUE)反映了生態(tài)系統(tǒng)中植被固定并儲存大氣碳的效率，是研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要參數(shù)[5-6]。GPP、NPP和CUE已經(jīng)成為監(jiān)測和評估生態(tài)系統(tǒng)的重要指標和核心內容[7]。流域是陸地水生態(tài)系統(tǒng)的基本空間單元，也是人類活動相對密集的區(qū)域，流域生態(tài)環(huán)境問題在生態(tài)文明建設中的地位日益突出[8]。以往對于植被生產(chǎn)力的研究主要集中在全球和全國尺度，而針對區(qū)域尺度的流域植被生產(chǎn)力變化則相對較少。

山西省是全國重要的煤炭和重工業(yè)基地，過去由于過度開發(fā)導致土地退化和環(huán)境污染等生態(tài)問題突出，而汾河流域是全省經(jīng)濟活動最密集的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境壓力較大[9]。同時，汾河流域是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，流域內地形破碎，水土流失嚴重，是全國水土流失治理和防風固沙的重點區(qū)域。為推進生態(tài)文明建設，實現(xiàn)山水林田湖草統(tǒng)籌治理，山西省致力于經(jīng)濟結構調整和環(huán)境保護，實施了以汾河為重點的流域生態(tài)保護與修復工程[10]。隨著汾河流域生態(tài)環(huán)境的明顯改善，汾河流域的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是植被生產(chǎn)力變化逐漸成為生態(tài)學研究的熱點。本研究以汾河流域為研究對象，通過分析植被生產(chǎn)力的時空變異，掌握汾河流域植被和生態(tài)系統(tǒng)變化情況。在揭示2000—2015年汾河流域植被生產(chǎn)力變化的基礎上，深入分析地形、氣候、植被類型和土壤侵蝕等環(huán)境因子對植被生產(chǎn)力的影響，以期為汾河流域生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是黃河的第二大支流，山西省境內最大的河流，流經(jīng)忻州、太原、呂梁、晉中、臨汾和運城等6市，水資源利用程度極高[11]，被譽為山西的“母親河”（圖1）。汾河流域位于黃土丘陵溝壑區(qū)，是黃土高原典型生態(tài)脆弱區(qū)獨立的流域，面積約為39.7×103km2，占山西省總面積的25%，也是山西省重要的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，人口集中且經(jīng)濟活動頻繁。汾河流域地貌復雜多樣，包含山地、丘陵、平原和盆地等，海拔在364～2764 m之間，相對高差較大。流域內植被類型以分布在汾河谷地的栽培植物為主，同時包含闊葉林、針葉林、草地和灌叢等植被類型，主要分布在流域兩側山地和丘陵地帶。汾河流域土壤侵蝕強度高的區(qū)域主要分布在汾河上游的山地和汾河入黃口附近，汾河谷地土壤侵蝕強度較弱（圖2）。

圖1 汾河流域區(qū)位分布和高程示意圖

圖2 汾河流域主要植被類型和土壤侵蝕等級

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本次研究所使用的遙感數(shù)據(jù)GPP和NPP數(shù)據(jù)來自于MODIS系列產(chǎn)品MOD17A2和MOD17A3。原始GPP和NPP數(shù)據(jù)沒有考慮CO2對光合作用的影響，而增加了溫度的負效應，導致GPP和NPP的增長趨勢被低估。此次研究選取的GPP和NPP數(shù)據(jù)是由蒙大拿大學地表數(shù)據(jù)動態(tài)模擬組經(jīng)改進后集成的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)(http://files.ntsg.umt.edu/)，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)格式為TIF，時間跨度為2000—2015年。通過對該數(shù)據(jù)進行格式轉換、裁剪和剔除無效值等預處理，得到研究區(qū)GPP和NPP的年值數(shù)據(jù)。CUE可利用NPP與GPP的比值進行估算[12]，其表達式如式(1)所示。

其中，CUE表示植被碳利用率；NPP表示植被凈初級生產(chǎn)力；GPP表示植被總初級生產(chǎn)力。

利用趨勢分析法分析研究區(qū)植被生產(chǎn)力變化趨勢。一元線性回歸用于計算GPP、NPP和CUE每個柵格點的趨勢計算各像元的變化率，并在置信度為0.05水平上對GPP、NPP和CUE的變化趨勢進行顯著性檢驗，根據(jù)檢驗結果，顯著性水平設置為顯著增加(Slope＞0，P＜0.05)，顯著減少(Slope＜0，P＜0.05)。

一元線性回歸計算方式如式(2)所示。

其中，Slope表示年GPP、NPP或CUE的變化斜率；n為相應的時間長度；i表示時間序列號(i=1～16)；xi表示第i年GPP、NPP或CUE的值。Slope＞0表示GPP、NPP和CUE為增長趨勢，Slope＜0表示GPP、NPP和CUE為降低趨勢。

氣象站點數(shù)據(jù)是由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。本研究利用汾河流域及周邊34個站點的2000—2015年日均氣溫和降水數(shù)據(jù)，剔除無效值后計算得到各站點年均氣溫和降水量，并利用克里金插值法生成分辨率為1km的時間序列年均氣溫和降水面數(shù)據(jù)。通過相關性分析計算GPP、NPP、CUE和氣溫、降水的關系，其表達方式如式(3)所示。

其中，rxy表示x和y之間的相關系數(shù)，和表示變量x和y的均值。

水系及流域數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù)來源于國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(http://www.crensed.ac.cn/)提供的全國1:25萬三級水系流域數(shù)據(jù)集和中國1:100萬植被數(shù)據(jù)集，水系及流域數(shù)據(jù)包含三級流域分區(qū)邊界、流域分區(qū)名稱及流域編碼信息，是常用的全國水資源分區(qū)資料[13]。?。ㄊ校┬姓^(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來源于中國國家基礎地理信息中心發(fā)布的1:400萬比例尺的矢量數(shù)據(jù)集。DEM數(shù)據(jù)集來源于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)環(huán)境信息中心(NCEI，https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的中國土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 汾河流域GPP、NPP和CUE時空分布特征

2.1.1 汾河流域GPP、NPP和CUE空間分布 汾河流域地貌多樣，生態(tài)環(huán)境差異較大，導致流域內植被生產(chǎn)力有明顯的空間異質性。2000—2015年，汾河流域年均GPP、NPP和CUE的空間分布具有較大差異（圖3）。汾河流域植被年均GPP值范圍在80.9～1405.2 g C/(m2·a)之間，年均值為 665.88 g C/(m2·a)。從空間分布格局來看，GPP高值區(qū)[700～800、＞800 g C/(m2·a)]主要分布在流域邊緣兩側的山地，低值區(qū)[0～500、500～600 g C/(m2·a)]則主要分布在汾河上游的山地以及汾河谷地。GPP 在值區(qū)段 0～500、500～600、600～700、700～800、＞800 g C/(m2·a)的面積占整個值區(qū)段總面積的比例分別為27.93%、30.26%、22.81%、11.38%、7.61%，即GPP主要集中分布在低值區(qū)。

圖3 汾河流域平均GPP、NPP和CUE空間分布

汾河流域年均NPP與GPP空間分布格局不一致。流域內植被年均NPP值范圍在0.8～1307.9 g C/(m2·a)之間，年均值為252.77 g C/(m2·a)。NPP高值區(qū)[300～350、＞350 g C/(m2·a)]主要集中分布在流域南部，低值區(qū)[0～200、200～250 g C/(m2·a)]則主要分布在汾河上游以及流域邊緣兩側的山地。NPP在值區(qū)段0～200、200～250、250～300、300～350、＞350 g C/(m2·a)的面積占整個值區(qū)段總面積的比例分別為9.83%、18.25%、30.81%、25.29%、15.83%，即NPP主要集中分布在中、高值區(qū)。

汾河流域CUE值范圍在0.001～0.952之間，年均值為0.36。從空間分布格局來看，CUE高值區(qū)(0.4～0.5、＞0.5)在流域內分布相對均勻且集中，包括汾河上游山地和汾河谷地區(qū)域，低值區(qū)(0～0.2、0.2～0.3)則主要分布在流域邊緣兩側的山地。CUE在值區(qū)段0～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、＞0.5的面積占整個值區(qū)段總面積的比例分別為3.29%、5.72%、6.12%、15.64%、69.23%，即CUE主要集中分布在高值區(qū)。

2.1.2 汾河流域GPP、NPP和CUE年際變化 2000—2015年間，汾河流域GPP、NPP與CUE的年際變化趨勢空間分布不一致（圖4）。除流域內GPP呈現(xiàn)下降趨勢零星分布的中部汾河谷地及邊緣兩側山地外，其余區(qū)域GPP均呈現(xiàn)增加趨勢。從整體空間格局來看，流域內GPP以顯著增加為主，顯著減少的區(qū)域則主要集中分布在汾河沿岸的中部盆地。NPP的年際變化趨勢空間分布與GPP相似，流域內NPP也是以顯著增加為主，汾河沿岸的中部盆地是顯著減少區(qū)域。CUE的年際變化空間分布與GPP、NPP相反，除流域內CUE呈現(xiàn)增加趨勢零星分布的中部汾河谷地及邊緣兩側山地外，其余區(qū)域CUE均呈現(xiàn)下降趨勢。從整體空間格局來看，流域內CUE以顯著減少為主，說明汾河流域植被碳利用率有所減弱。

圖4 汾河流域GPP、NPP和CUE變化趨勢及顯著性檢驗

2000—2015年汾河流域GPP、NPP和CUE年際變化趨勢有較大差異（圖5）。GPP年際變化呈現(xiàn)波動上升趨勢，年均增量約為9.91 g C/m2，平均變化斜率約為10.62。年均GPP從2000年的554.92 g C/m2增長到2015年的713.5 g C/m2，增長幅度達到28.58%。GPP的最高值742.84 g C/m2出現(xiàn)在2012年，最低值499.57 g C/m2出現(xiàn)在2001年。

圖5 汾河流域GPP、NPP和CUE距平年際變化趨勢

相對于GPP，NPP的年際變化波動上升趨勢較弱，年均增量約為1.44 g C/m2，平均變化斜率約為0.97。年均NPP從2000年的247.4 g C/(m2·a)增長到2015年的270.49 g C/(m2·a)，增長幅度約為9.33%，低于GPP的增幅。NPP的最高值341.85 g C/(m2·a)出現(xiàn)在2004年，最低值190.01 g C/(m2·a)與GPP最低值年份相同，均出現(xiàn)在2001年。

CUE與GPP、NPP的年際變化趨勢相反，呈現(xiàn)較弱的波動下降趨勢，年均下降約0.002，平均變化斜率為-0.003。年均CUE從2000年的0.393逐漸降低到2015年的0.356，下降幅度約為9.41%。CUE的最高值0.444與NPP最高值年份相同，均出現(xiàn)在2004年，最低值0.333出現(xiàn)在2013年。從長期來看，GPP的增幅以及平均變化率均高于NPP，因此CUE呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，汾河流域植被碳利用率逐漸減弱。

2.2 汾河流域植被生產(chǎn)力與環(huán)境因子相關性

汾河流域2000—2015年GPP、NPP、CUE與氣溫、降水的相關性空間分布存在差異（圖6）。在流域北部，GPP、NPP、CUE與氣溫主要呈現(xiàn)負相關關系，而在流域南部，GPP與氣溫呈正相關關系，NPP、CUE與氣溫呈負相關關系。流域北部NPP與氣溫相關性高于流域南部，CUE與溫度相關性則是南部高于北部。流域內大部分區(qū)域GPP、NPP與降水主要呈正相關關系，流域中部汾河沿線及流域邊緣兩側山地呈零星分布的負相關關系，CUE與降水主要呈現(xiàn)負相關關系。流域北部GPP、NPP與降水的相關性均高于流域南部。

圖6 汾河流域GPP、NPP、CUE與氣溫、降水相關性

汾河流域2000—2015年氣候整體呈微弱的暖濕趨勢（圖7）。氣溫呈現(xiàn)較弱的波動上升趨勢，最高值11.39℃出現(xiàn)在2013年，最低值10.08℃出現(xiàn)在2012年，最大年均溫差為1.31℃，年均增幅大于0.01℃，變化相對穩(wěn)定。汾河流域降水變化總體趨勢與氣溫相似，呈波動上升的趨勢，最高值633.62 mm出現(xiàn)在2003年，最低值368.14 mm出現(xiàn)在2001年，最大年降水量相差265.48 mm，年均增幅約3 mm。

圖7 汾河流域氣溫和降水距平年際變化趨勢

3 結論

本研究基于MOD17系列數(shù)據(jù)集，結合氣溫、降水等數(shù)據(jù)，評估了2000—2015年汾河流域植被生產(chǎn)力(GPP、NPP)以及碳利用率(CUE)的時空變化狀況，并探討了影響流域內GPP、NPP和CUE變化的主要影響因素。結果表明汾河流域整體上GPP和NPP呈現(xiàn)增加的趨勢，而CUE則表現(xiàn)為減少趨勢，GPP、NPP和CUE南部高于北部地區(qū)，流域邊緣兩側山地與其它區(qū)域明顯不同。汾河流域植被生產(chǎn)力狀況主要受降水的影響較大，汾河流域氣溫和降水的增加導致了CUE降低。北部GPP、NPP、CUE與氣溫主要呈現(xiàn)負相關關系，而在流域南部，GPP與氣溫呈正相關關系，NPP、CUE與氣溫呈負相關關系，并且流域北部對水熱條件變化比南部更加敏感。

4 討論

整體上看，汾河流域2000—2015年植被生產(chǎn)力呈增加趨勢，植被狀況得到改善，與以往對于汾河流域[10,14]、太行山地區(qū)[15]、山西省境內[16]以及黃土高原區(qū)域[17-18]植被生產(chǎn)力的研究結果相同。汾河流域地貌類型多樣，自然環(huán)境差異較大，導致流域內GPP、NPP和CUE分布具有很強的空間異質性。本研究結果表明，汾河流域南部植被生產(chǎn)力高于北部，與全國植被生產(chǎn)力分布總體趨勢相一致，基本從東南向西北逐漸減少，主要原因是受水熱條件的影響[19]。以往研究往往忽略農(nóng)作物對于植被生產(chǎn)力的貢獻，秦景秀[20]研究認為人類活動是影響植被生產(chǎn)力的重要影響因素，農(nóng)作物對于植被生產(chǎn)力的增加比重相對較大。王軼虹[21]通過整合實測與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，估算認為黃河流域農(nóng)田有較高的生產(chǎn)力，在碳循環(huán)中具有重要作用。汾河流域是重要的農(nóng)業(yè)基地，植被類型以栽培植物為主，占比約60.7%，主要集中在汾河谷地以及流域南部的盆地。以NPP為例，本研究中汾河流域NPP平均值為252.77gC/(m2·a)，高于全國平均NPP的176gC/(m2·a)[19]，表明流域內植被固碳能力相對較強。

氣候變化是流域植被和土壤變化的重要驅動力[22]。植物對于水分和熱量的相互配合十分敏感，水熱條件的變化直接影響植物的光合作用，進而影響碳平衡[23]。流域內氣溫的上升和降水的減少會抑制植被的生長發(fā)育，影響植被生產(chǎn)力和碳利用率[24]。氣溫和降水對GPP和NPP的脅迫作用主要取決于植被生長的溫度和水分閾值范圍，在一定范圍內，氣溫上升會提高植被GPP和NPP，隨著溫度的不斷上升或降低，植被的蒸騰作用變化導致水分失衡，使得GPP和NPP降低[25]。王軼虹[21]研究表明在黃淮海流域由于春旱導致植被生產(chǎn)力受降水因素的制約，田惠文[10]研究發(fā)現(xiàn)汾河流域NPP與氣溫、降水均為正相關關系，并且受降水的影響較大，與本研究的結果一致。本研究的結果還表明，流域北部植被生產(chǎn)力與氣溫、降水的相關性比南部更高，對于水熱條件的變化更加敏感。

植被生產(chǎn)活動受不同水熱組合狀況的影響，引起植被碳利用率的變化[26]。已有的研究表明，中國絕大多數(shù)區(qū)域CUE與氣溫負相關，與降水正相關[27]，這與本研究在汾河流域的研究結果不完全一致。本研究結果表明，汾河流域GPP增幅高于NPP，CUE呈現(xiàn)波動降低趨勢，并且CUE與氣溫、降水主要呈負相關關系。氣溫升高會導致植被呼吸作用增強，植被消耗更多能量以維持自身生長，進而引起CUE降低[28]。一般情況下，降水的增加會減弱植被根系活動和呼吸作用，自養(yǎng)呼吸作用降低，導致CUE增加[29]。而汾河流域相對水資源緊缺，干旱缺水地區(qū)降水的增加可能會增強植被的水吸收能力，植被組織生長加快，同時消耗的能量也同步加快[30-31]，從而導致降水增加引起CUE降低的現(xiàn)象。