黃土高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化研究＊

李榮霞,李偉杰,馮寶順,魏建洲

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

近年來，黃土高原的經(jīng)濟(jì)發(fā)展隨著生態(tài)文明建設(shè)的開展獲得了前所未有的進(jìn)步[1]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）指的是綠色植物在單位時(shí)間及單位面積上所積攢的有機(jī)物的含量[2]，是指植物光合效應(yīng)所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)量減去光合或自養(yǎng)呼吸作用后的殘余量。NPP 一方面表明了植物在天然條件下所具有的能力，也能夠表示整個(gè)陸地上自然生態(tài)體系的質(zhì)量情況[3]；另一方面又是分析地球生態(tài)系統(tǒng)中碳調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子[4]，在全球變化的研究中起了十分關(guān)鍵的角色。因此，為了更進(jìn)一步地解析植物NPP 在時(shí)間空間上的變化特點(diǎn)以及特性，必須從更大的層次上去深入研究植物NPP 的線性變化特點(diǎn)及其非線性特征，同時(shí)從地球氣候的復(fù)雜性著手解析植物NPP 在時(shí)間序列上的變化特點(diǎn)及其影響因素，本文研究2000—2015年的MOD17A3 數(shù)據(jù)，利用ArcMap 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和空間分析，研究中國(guó)黃土高原陸地植被NPP 在不同時(shí)間尺度和時(shí)空格局上的變化特征，并給出了影響其植被NPP 的部分因素，為我國(guó)生態(tài)建設(shè)偉大工程的效益評(píng)估和生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考。

2 方法

2.1 GIS 空間分析

對(duì)于具有連續(xù)性特征的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用arcGIS空間分析對(duì)NPP 變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合分析，并進(jìn)行顯著性F 檢驗(yàn)，公式如下：

式（1）中：S 為NPP 的擬合斜率，NPPj為第j 年的NPP 值，j 為年變量，n 為樣本數(shù)量。S 表示某個(gè)時(shí)段總體的變化趨勢(shì)，S>0 呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，相反呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。當(dāng)顯著性水平為95%和99%時(shí)，F(xiàn) 檢驗(yàn)的界值為4.667 和9.074。因此可以將變化趨勢(shì)分為以下5 類:

a.極顯著減少（S＜0，p≤0.01）

b.顯著減少（S＜0，0.01≤p＜0.05）

c.變化不顯著（p≥0.05）

d.顯著增加（S＞0，0.01≤p＜0.05）

e.極顯著增加（S＞0，p≤0.01）。

2.2 利用線性傾向估計(jì)的方法對(duì)NPP 從時(shí)間尺度上進(jìn)行趨勢(shì)分析

隨著時(shí)間的變化，整體上看數(shù)據(jù)呈現(xiàn)增加或減少的態(tài)勢(shì)、空間分布格局改變以及在某一刻發(fā)生的急轉(zhuǎn)或漸變。這些變量都可以被認(rèn)為是對(duì)時(shí)間的一元線性回歸，其中線性傾向值采用最小二乘法估計(jì)：

式（2）中：B 表示線性傾向值；t 為年份，n＝16。當(dāng)線性傾向值B＞0 時(shí)，NPP 會(huì)隨著時(shí)間t 的增加而上升；反而，當(dāng)B＜0 時(shí)，NPP 會(huì)隨時(shí)間t 的增加而下降。｜B｜的大小表示NPP 升高或降低的速率，即表示增加或減少的速度。如果回歸方程的相關(guān)系數(shù)通過0.05，0.01 的置信水平檢驗(yàn)（P＜0.05、P＜0.01），則NPP增加或者減少的趨勢(shì)就達(dá)到了顯著和極顯著水平。

利用線性回歸法[5]對(duì)2000—2015 年之間的每一個(gè)年均NPP 值與年份之間進(jìn)行線性回歸，得到NPP在這16 年之間的趨勢(shì)傾向值，若趨勢(shì)傾向值大于0，則表示這16 年之間的NPP 是呈上升趨勢(shì)的，反之則表示NPP 值是呈下降趨勢(shì)的。進(jìn)一步再利用每一個(gè)趨勢(shì)傾向值除以16 年之間NPP 的均值以得到NPP 的變化率，單位為%。

相關(guān)性分析[6]。用相關(guān)系數(shù)r 表示兩個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)序列之間的相關(guān)性，當(dāng)r＞0 時(shí)，則表明兩個(gè)數(shù)據(jù)序列之間呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)r＜0 時(shí)，則表示兩個(gè)數(shù)據(jù)序列之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，｜r｜的大小代表了相關(guān)性的強(qiáng)弱，｜r｜越大表示兩者之間的相關(guān)性越強(qiáng)。反之表示兩者之間的相關(guān)性越弱，假設(shè)x、y 表示兩個(gè)時(shí)間序列，其樣本長(zhǎng)度均為N，則相關(guān)系數(shù)表達(dá)式為:

式（3）中：xi為第i 年的NPP 值，x 是n 年NPP的平均值，＝（n+1）/2。當(dāng)r＞0 時(shí)，說明時(shí)間數(shù)據(jù)序列在所取的時(shí)間段內(nèi)是線性增加的；當(dāng)r＜0 時(shí)，反映出時(shí)間數(shù)據(jù)序列在所取的時(shí)間段內(nèi)是線性減少的。

假設(shè)檢驗(yàn)計(jì)算檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的公式tr如下[7]:

如果｜tr｜在0.05 水平上大于臨界值，則說明兩變量間有顯著關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NPP 在時(shí)間尺度上的變化情況

中國(guó)黃土高原植被NPP 值變化波動(dòng)范圍主要集中在169.7～267.9 gCm-2，其中年均NPP 的最高值出現(xiàn)在2012 年，為267.9 gCm-2，最低值出現(xiàn)在2001年，為169.7 gCm-2。由圖1 可知，除2001 年外，整體上中國(guó)黃土高原植被NPP 在2000—2015 年的變化分為3個(gè)階段：2004 年以前為快速上升階段，從2000 年的194.5 gCm-2增長(zhǎng)到2004 年的248.4 gCm-2；但2004年到2011 年期間整個(gè)黃土高原植被NPP 呈微弱下降趨勢(shì)，從2004 年的248.4 gCm-2下降到2011 年的213.9 gCm-2；自2011 年之后黃土高原植被NPP 逐漸恢復(fù)緩慢上升趨勢(shì)，從2011 年的213.9 gCm-2緩慢增長(zhǎng)到2015 年的245.6 gCm-2。值得注意的是，植被NPP 在2001 年和2011 年年均NPP 值下降較大，前者可能是由于2001 年降水較少，導(dǎo)致NPP 值有所下降，后者可能是由于新退耕還林的植被覆蓋措施實(shí)行的效果不明顯所致。

圖1 2000—2015 年黃土高原地區(qū)植被NPP值變化趨勢(shì)圖

由圖2 可知，不同年份的植被NPP 的相對(duì)變化率波動(dòng)范圍呈現(xiàn)出比較復(fù)雜的趨勢(shì)，最高為2022年的25.6%，最低為2001 年的-12.8%，平均相對(duì)變化率為3%，總體呈上升趨勢(shì)。

圖2 2000—2015 年黃土高原植被NPP 值的年際變化

3.2 植被NPP 在空間格局上的變化情況

3.2.1 空間分布特征

基于黃土高原地區(qū)2000—2015 年間植被平均NPP 的值作出基本分布圖，由圖3 可知，因氣候變化、人類的行為活動(dòng)以及地形等各方面的因素導(dǎo)致中國(guó)黃土高原地區(qū)植被NPP 在地區(qū)上具有突出的差異，總體上呈現(xiàn)從北到南、由西至東逐漸增加的趨勢(shì)，其中甘肅南部、陜西南部、河南、青海等一些地區(qū)的NPP顯著較高，主要原因是因?yàn)檫@些區(qū)域的光照充足，植被光合作用較強(qiáng)；而整個(gè)內(nèi)蒙古地區(qū)、寧夏南部、甘肅北部等地區(qū)NPP 顯著較低，其中主要是因?yàn)檫@些地區(qū)放牧區(qū)和荒漠區(qū)的面積占整個(gè)區(qū)域的80%，植被覆蓋率較低，綠植光合作用較弱等。

圖3 黃土高原NPP 空間分布

3.2.2 空間變化趨勢(shì)

受氣候變化、人類活動(dòng)以及地形等因素的擾動(dòng)，中國(guó)黃土高原地區(qū)植被NPP 具有明顯的區(qū)域差異，總體上呈現(xiàn)一種從北到南、由西到東逐漸增加的趨勢(shì)。

3.3 影響黃土高原地區(qū)植被NPP 值變化的因素分析及相關(guān)性檢驗(yàn)

溫度的高低和降水量的多少都會(huì)影響植被NPP 的值。為了清晰地了解黃土高原地區(qū)植被NPP與年均氣溫、降水量之間是否存在相關(guān)關(guān)系，使用相關(guān)系數(shù)法分析了近16 年中國(guó)黃土高原地區(qū)年均植被NPP 與年均氣溫、年均降水量之間的線性變化的趨勢(shì)。其結(jié)果分布見圖4（a）和圖5（a）。由圖4（a）可知，近16 年來中國(guó)黃土高原多半地區(qū)的年均NPP與年均氣溫之間表現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，是正相關(guān)關(guān)系的地區(qū)占黃土高原地區(qū)的比例為76.99%，其中65.21%為一般正相關(guān)，11.78%為顯著正相關(guān)。另有少部分地區(qū)年均植被NPP 與年均氣溫之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且占黃土高原地區(qū)面積的比例為23.01%，其中絕大部分（23.65%）為一般負(fù)相關(guān)。說明溫度對(duì)中國(guó)黃土高原大部分地區(qū)植被NPP 的影響為正效應(yīng)；由圖5（a）可知，中國(guó)黃土高原絕大部分地區(qū)的年平均NPP 與降水量之間存在正相關(guān)，是正相關(guān)的地區(qū)占整個(gè)黃土高原地區(qū)的比例為98.78%，其中44.27%呈現(xiàn)一般正相關(guān)，53.73%為顯著或極顯著正相關(guān)。存在負(fù)相關(guān)地區(qū)所占比約為0(1.22%)，表明降水量對(duì)中國(guó)整個(gè)黃土高原地區(qū)植被NPP 的影響幾乎都產(chǎn)生了正效應(yīng)，而且降水量對(duì)植被NPP 影響的效應(yīng)要明顯大于溫度的影響。

為了更好地說明上述相關(guān)分析結(jié)果是否顯著性，分別對(duì)其對(duì)其進(jìn)行t 檢驗(yàn)分析，結(jié)果見圖4（b）和圖5（b）。得出結(jié)論：近16 年我國(guó)黃土高原地區(qū)年平均植被NPP 與溫度、降水量之間的相關(guān)性都通過了顯著性的t 檢驗(yàn)，說明我國(guó)黃土高原超過一半的地區(qū)年平均NPP 與年均溫度、年均降水量之間真實(shí)存在相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性是顯著的。

圖4（a） 年均氣溫與NPP 相關(guān)系數(shù)圖

圖4（b） 氣溫與NPP 相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

圖5（a） 年均降水量與NPP 相關(guān)系數(shù)圖

圖5（b） 降水量與NPP 相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)

4 結(jié)論

本研究通過基于MOD17A3 數(shù)據(jù)2000—2015年間中國(guó)黃土高原地區(qū)植被NPP 變化趨勢(shì)和年際波動(dòng)的時(shí)空分布特征，得出了影響其變化的主要因素。在2000—2015 年期間，中國(guó)黃土高原植被NPP值變化波動(dòng)較大，總體上呈增加趨勢(shì)；受氣候變化、人類活動(dòng)以及地形等因素的干擾，中國(guó)黃土高原地區(qū)植被NPP 在不同的地區(qū)具有不同的效應(yīng)值，總體上呈現(xiàn)從北到南、由西到東逐漸增加的趨勢(shì)；黃土高原大部分地區(qū)的年平均植被NPP 與年均氣溫、年均降水量之間呈現(xiàn)正相關(guān)，說明溫度和降水量對(duì)植被NPP 的影響均為正效應(yīng)。