粵北山地城市植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空分布特征分析
——以韶關(guān)市為例

陳 斌，徐尚昭*，周陽(yáng)陽(yáng)，徐鋒良，王晨光

(1.核工業(yè)二九〇研究所廣東省環(huán)境保護(hù)核輻射追蹤研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東韶關(guān) 512029；2.廣東省放射性生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程技術(shù)研究中心，廣東韶關(guān) 512029)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積上由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中減去自養(yǎng)呼吸消耗之后剩下的部分[1-3]，它是植被固碳能力的最直觀反映，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的來(lái)源，也是生物地球化學(xué)碳循環(huán)過(guò)程的重要組成部分[4-6]。NPP在不同時(shí)空尺度上存在一定差異，這種差異會(huì)影響區(qū)域乃至全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程[7-8]，因此探討區(qū)域植被NPP時(shí)空變化特征已成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的重要研究?jī)?nèi)容。

隨著地理學(xué)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展植被NPP估算及時(shí)空變化特征分析的研究并不少見(jiàn)。在NPP估算研究方法上，多以生產(chǎn)力潛力模型、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型和光能利用率模型3種為主[5，9-11]，如孫成明等[12-13]利用歸一化植被指數(shù)和氣候數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)草地NPP進(jìn)行了綜合估算；馮益明等[14]利用CASA生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型對(duì)我國(guó)干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)NPP進(jìn)行了估算；史曉亮等[15]基于光能利用率模型對(duì)松嫩平原玉米單產(chǎn)進(jìn)行了估算；周磊等[16]基于光能利用率模型對(duì)河南省冬小麥單產(chǎn)產(chǎn)量進(jìn)行了估算。在研究尺度上，多集中以較大空間范圍和較短時(shí)間序列NPP時(shí)空變化分析為主[17-19]，且對(duì)植被NPP時(shí)空變化分析也多集中在2010年前后，如李燕麗等[20]利用光能利用率模型對(duì)廣西2000—2011年植被NPP進(jìn)行估算，并對(duì)其時(shí)空變化特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析；潘竟虎等[21]利用光能利用率CASA模型對(duì)疏勒河流域2001—2010年陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP時(shí)空變化特征與氣候因子之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。從研究對(duì)象上來(lái)看，現(xiàn)有研究多集中在黃土高原、青藏高原和內(nèi)蒙古等地區(qū)[22-26]，對(duì)珠三角地區(qū)尤其是粵北山地城市植被NPP開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間序列和系統(tǒng)性研究尚較缺乏。

韶關(guān)市是我國(guó)典型的丹霞山地城市，位于粵湘贛交界處，也是粵北重要的生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)區(qū)和保護(hù)區(qū)。韶關(guān)境內(nèi)主要以山地丘陵為主，發(fā)育有世界規(guī)模第一的丹霞山，土壤主要以紅色砂礫巖為主，由于境內(nèi)春夏雨季時(shí)間長(zhǎng)，水土流失較為嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱?；谏鲜龇治?，該研究基于MOD17A3H產(chǎn)品數(shù)據(jù)和DEM地形數(shù)據(jù)，借助變化率分析方法及相關(guān)分析法對(duì)韶關(guān)市2000—2015年植被NPP時(shí)空變化特征及其與地形因子之間的關(guān)系進(jìn)行深入探討，以期能為粵北地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)和資源可持續(xù)發(fā)展提供借鑒和參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況韶關(guān)市位于廣東省北部(112°50′～114°45′E、23°05′～25°31′N)，轄三區(qū)七縣(圖1)，外接湘贛，內(nèi)聯(lián)珠三角，是我國(guó)南方重要的交通要塞，素有廣東省“北大門(mén)”之稱。轄區(qū)總面積1.84×104km2，地形以山地丘陵為主，位于南嶺山脈南側(cè)，全境在大地構(gòu)造上處于華廈活化陸臺(tái)的湘粵褶皺帶。研究區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，年平均氣溫19.5 ℃，無(wú)霜期達(dá)290～320 d，年降水量1 800 mm左右，降雨多集中在3—8月。韶關(guān)境內(nèi)河網(wǎng)縱橫，分布有湞江、武江、南水、滃江等河流，韶關(guān)作為粵北重要的生態(tài)文明建設(shè)保護(hù)區(qū)，不僅是國(guó)家級(jí)園林城市和生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)地區(qū)，也是粵北重要的生態(tài)文明建設(shè)保護(hù)區(qū)和生態(tài)發(fā)展區(qū)，更是全國(guó)交通樞紐城市之一。此外，由于韶關(guān)境內(nèi)有著豐富的鈾、鉛、鋅、銅等礦產(chǎn)資源，故韶關(guān)市也享有“有色金屬之鄉(xiāng)”的美譽(yù)。

圖1 研究區(qū)高程Fig.1 Elevation of study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源研究區(qū)2000—2015年植被NPP時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航天航空局(NASA)的陸地過(guò)程分布式數(shù)據(jù)檔案中心，其中NPP數(shù)據(jù)為MOD17A3H產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m，時(shí)間分辨率為1年。該數(shù)據(jù)借助了新的生物調(diào)查表和全球模型融合氣象數(shù)據(jù)對(duì)NPP進(jìn)行模擬，相比于傳統(tǒng)空間分辨率1 km的MOD17A3H產(chǎn)品分辨率更高。研究區(qū)DEM地形數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(https：//www.gscloud.cn/)，空間分辨率30 m，利用GIS空間分析工具從DEM中提取地形起伏度和坡度等地形因子，以便與研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析。

1.3 分析方法

1.3.1NPP時(shí)空變化分析。采用差值法比較研究區(qū)NPP的年際間變化。差值法是將同一區(qū)域不同時(shí)段的柵格圖像相減，用差值來(lái)表征NPP年際間變化特征，計(jì)算公式如下：

(1)

采用最小二乘法分析研究區(qū)NPP變化率，它能反映研究區(qū)連續(xù)時(shí)間段內(nèi)NPP變化速率，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，n為研究時(shí)段總年數(shù)；NPPi為第i年的NPP值(i=1，2，3，…，n)；v為NPP在時(shí)間序列上的變化斜率，當(dāng)v>0，表明NPP年變化速率呈增大趨勢(shì)，數(shù)值越大，增加趨勢(shì)越明顯，當(dāng)v<0時(shí)，表明NPP變化率呈下降趨勢(shì)，數(shù)值越小，減少趨勢(shì)越明顯。

韶關(guān)市近16年間NPP變化程度用百分比表示，計(jì)算公式如下：

(3)

1.3.2NPP與地形因子相關(guān)性分析。為進(jìn)一步探討韶關(guān)市植被NPP與地形(高程和坡度)因子之間的耦合關(guān)系，參照研究區(qū)高程和坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，計(jì)算各高程和坡度分級(jí)內(nèi)植被NPP均值、總量和標(biāo)準(zhǔn)差。不同分級(jí)下的NPP平均值計(jì)算公式如下：

(4)

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)上式可進(jìn)一步計(jì)算得到各分級(jí)內(nèi)植被NPP的標(biāo)準(zhǔn)差：

(5)

式中，i為高程或坡度的第i個(gè)分級(jí)；n為該分級(jí)的像元數(shù)目；ANPPij為第i個(gè)分級(jí)中第j個(gè)像元對(duì)應(yīng)的多年平均NPP值。

2 結(jié)果與分析

2.1 韶關(guān)市植被NPP空間分布特征借助ArcGIS空間分析工具對(duì)2000—2015年韶關(guān)市MOD17A3H數(shù)據(jù)進(jìn)行均值分析，得到近16年間研究區(qū)植被NPP均值空間分布圖(圖2)。從圖2可以看出，近16年間研究區(qū)植被NPP均值在空間上呈現(xiàn)出較大的差異性，這一特征在沿江地區(qū)尤為明顯，湞江為北江上游的主要支流，呈東北—西南流向，沿江兩岸年NPP均值明顯高于周邊地區(qū)，且NPP均值整體呈現(xiàn)東北、東南高，中部和西部偏低的態(tài)勢(shì)。其中NPP均值低值區(qū)多集中分布在韶關(guān)市中心城區(qū)，而高值區(qū)多集中分布在南雄市、乳源瑤族自治縣等多山縣(市、區(qū))。這主要與研究區(qū)氣候、地形、降水和人為活動(dòng)密切相關(guān)，高山高海拔地區(qū)，由于人類活動(dòng)影響較小，氣候垂直地帶性差異明顯，降水較多，故NPP均值高值區(qū)多分布于此；而平原低海拔地區(qū)，由于人類活動(dòng)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度大，植被豐度低，故NPP低值分布于此。總之，NPP均值在空間上的差異性是氣候、降水、地形以及人類活動(dòng)綜合影響下的產(chǎn)物。

表1 地形因子區(qū)間劃分Table 1 Division of terrain factor intervals

圖2 2000—2015年韶關(guān)市植被NPP均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of NPP mean value of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

由研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到2000—2015年韶關(guān)市各縣(市、區(qū))植被NPP均值(表2)，由表2可知，近16年間韶關(guān)市各縣(市、區(qū))植被NPP均值均在500.00 g/(m2·a)以上，其中翁源縣、新豐縣和南雄市NPP均值較高，分別為658.71、637.20和633.09 g/(m2·a)，而乳源瑤族自治縣NPP均值最低，僅為507.47 g/(m2·a)，其次為湞江區(qū)和武江區(qū)，NPP均值分別為558.84、569.81 g/(m2·a)。這是由于翁源縣、南雄市等地山地較多，且呈集中連片分布，植被長(zhǎng)勢(shì)較為茂盛，故NPP均值偏高，而湞江區(qū)和武江區(qū)位于韶關(guān)市中心城區(qū)，土地開(kāi)放強(qiáng)度較大，植被受人類活動(dòng)影響顯著，故年NPP均值低于其他片區(qū)。

表2 2000—2015年韶關(guān)市各縣(市、區(qū))植被NPP年均值Table 2 Annual mean NPP of vegetation in counties(cities,districts) of Shaoguan City from 2000 to 2015 單位：g/(m2·a)

2.2 韶關(guān)市植被NPP年際變化特征為探究2000—2015年韶關(guān)市植被NPP變化特征，借助ArcGIS空間分析統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算得到韶關(guān)市2000—2015年不同區(qū)間內(nèi)NPP面積占比和NPP均值變化趨勢(shì)(圖3)，同時(shí)運(yùn)用差值法對(duì)韶關(guān)市2000—2015年初始時(shí)段和結(jié)束時(shí)段NPP進(jìn)行分析，得到研究區(qū)NPP差值變化圖(圖4)。由圖3不難看出，近16年韶關(guān)市植被NPP均值總體在>500～700 g/(m2·a)，且整體呈現(xiàn)先上升后下降，最后達(dá)到平穩(wěn)后開(kāi)始上升的態(tài)勢(shì)。其中2003和2015年NPP均值出現(xiàn)峰值，分別為667.35、698.88 g/(m2·a)，而低值出現(xiàn)在2008年，NPP均值為539.15 g/(m2·a)。年際NPP均值在面積占比上，>400～700 g/(m2·a)面積占比最高，除去2015年占比為45.99%，其他年份均在50.00%以上，其中各年NPP在>500～600 g/(m2·a)面積占比最高(30.72%)，波動(dòng)范圍為16.71%～29.18%。年際NPP均值0～200 g/(m2·a)面積占比最低，僅在1.37%～1.92%，其次是>200～300和>300～400 g/(m2·a)，占比分別為0.91%～5.63%、3.28%～10.18%。由圖4可知，2000—2015年韶關(guān)市出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的柵格像元占比為11.08%，主要分布在南雄市中部，乳源瑤族自治縣、武江區(qū)和湞江區(qū)周邊地區(qū)呈零星狀分布。而韶關(guān)市呈現(xiàn)正增長(zhǎng)的柵格單元數(shù)量為65 205個(gè)，占整個(gè)區(qū)域柵格總數(shù)的88.92%，面積約為1.63×104km2，且主要分布在仁化縣東部、南雄市、湞江區(qū)北部、新豐縣東部，翁源縣中部等地區(qū)，其中差值在>100～200 g/(m2·a)的占比最高，為31.57%，其次為0～100、>200～300 g/(m2·a)，柵格單元占比分別為25.77%、18.84%，而差值變化在300 g/(m2·a)以上的占比相對(duì)較低，僅為12.74%?；谏鲜龇治隹芍?000—2015年韶關(guān)市植被NPP總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，這與韶關(guān)當(dāng)?shù)卣畬?shí)行嚴(yán)格的林地保護(hù)政策密切相關(guān)。

圖3 2000—2015年韶關(guān)市植被NPP均值變化及面積占比Fig.3 Average change of vegetation NPP and proportion of area in Shaoguan from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年韶關(guān)市植被NPP差值空間分布Fig.4 Spatial distribution of NPP difference of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

利用最小二乘法計(jì)算得到2000—2015年韶關(guān)市植被NPP變化率(圖5)，從圖5可以看出，翁源縣、新豐縣變化率均在10%以上，分別為10.98%、10.39%；其次為始興縣、樂(lè)昌市和南雄市，NPP變化率分別為9.70%、5.41%和5.15%，這表明2000—2015年翁源縣、新豐縣和始興縣等地植被覆蓋狀況及長(zhǎng)勢(shì)良好，而曲江區(qū)、湞江區(qū)及武江區(qū)3個(gè)中心城區(qū)NPP變化率均小于0，從側(cè)面表明這些地區(qū)植被生長(zhǎng)受到地形、氣候和人類活動(dòng)影響較大。

圖5 2000—2015年韶關(guān)市植被NPP變化率空間分布Fig.5 Spatial distribution of NPP change rate of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

2.3 韶關(guān)市植被NPP變化的地形因子分析韶關(guān)市2000—2015年不同等級(jí)高程和坡度等地形因子對(duì)研究區(qū)植被NPP變化的影響存在明顯差異，借助ArcGIS對(duì)高程和坡度進(jìn)行分級(jí)(圖6)，然后對(duì)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)不同高程和坡度等級(jí)下NPP變化特征分布圖(圖6～8)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)各分級(jí)區(qū)間內(nèi)NPP年均值、總和以及標(biāo)準(zhǔn)差(表3～4)。韶關(guān)市高程和坡度分級(jí)結(jié)果在空間上等級(jí)分布具有較高的耦合性，高海拔地區(qū)主要集中在樂(lè)昌市北部、南雄市西部以及乳源瑤族自治區(qū)，其中乳源瑤族自治區(qū)平均海拔最高，達(dá)609.49 m，其次為樂(lè)昌市和新豐縣，平均海拔分別為504.51、440.27 m；而南雄市中心東北—西南走向、仁化縣以及武江區(qū)、湞江區(qū)等中心城區(qū)海拔整體較低，其中湞江區(qū)平均海拔最低，僅為132.28 m，其次為武江區(qū)和曲江區(qū)。研究區(qū)各縣(市、區(qū))平均坡度總體在3.50°左右，其中乳源瑤族自治區(qū)平均坡度最大，達(dá)3.85°，而湞江區(qū)平均坡度最小，僅為3.05°。

圖6 韶關(guān)市高程(a)和坡度(b)分級(jí)分布Fig.6 Grading distribution of elevation(a) and slope(b) in Shaoguan City

借助ArcGIS空間分析工具，分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到韶關(guān)市近16年間植被年均NPP在不同高程和坡度等級(jí)的分布特征和面積占比分布(圖7、8)。由圖7可知，隨研究區(qū)高程增加，NPP均值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中丘陵地區(qū)NPP均值最高，達(dá)669.29 g/(m2·a)，而高山地區(qū)NPP均值最低，僅為324.18 g/(m2·a)。在面積占比上，隨海拔升高，研究區(qū)NPP也呈現(xiàn)出先上升后下降的態(tài)勢(shì)，這是由于低海拔區(qū)域受到外界人類活動(dòng)擾動(dòng)較大，隨著高程增加植被NPP也隨之增加，當(dāng)海拔增加到一定閾值范圍后，土壤以及水分等自然地帶性規(guī)律制約，導(dǎo)致植被NPP也隨之下降。其中丘陵地區(qū)NPP面積占比最高，達(dá)38.68%，而高山地區(qū)NPP面積占比最低，僅為0.07%。由圖8可知，近16年間NPP均值在不同坡度等級(jí)上也呈現(xiàn)出較大的差異性，整體呈現(xiàn)出先增加后減小的分布態(tài)勢(shì)，其中在斜坡達(dá)到最大值，為704.42 g/(m2·a)，在垂直坡地區(qū)降到最小值，為484.47 g/(m2·a)。

圖7 韶關(guān)市各級(jí)高程地區(qū)植被NPP均值及面積占比Fig.7 Average NPP of vegetation and its area proportion in different elevation areas of Shaoguan City

圖8 韶關(guān)市各級(jí)坡度地區(qū)植被NPP均值及面積占比Fig.8 Average NPP of vegetation and its area proportion in different slope areas of Shaoguan City

對(duì)韶關(guān)市各級(jí)高程和坡度區(qū)域NPP均值、總量和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)(表3、4)可知，從總量上可以看出在高程200 m以下和200～500 m時(shí)NPP總量較高，分別為13 514.88、17 009.93 kg/(m2·a)，而在海拔1 000 m以上的中、高山地區(qū)，NPP總量相對(duì)較低，均在1 000 kg/(m2·a)以下，這是由于高山區(qū)域植被NPP均值和面積總體偏低。而平原地區(qū)(<200 m)的NPP總量低于丘陵地區(qū)(200～500 m)，這很大程度上是由于平原地區(qū)受人類活動(dòng)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較大，植被覆蓋度整體低于丘陵地帶，故NPP總量低于丘陵區(qū)域。由表4可知，NPP總量隨坡度升高呈現(xiàn)先增加后減少的態(tài)勢(shì)，其中在斜坡地帶(>5°～15°)達(dá)到最大值，為16 042.88 kg/(m2·a)，其次為陡坡(>15°～25°)和急坡(>25°～35°)區(qū)域，分別為12 361.82、6 421.99 kg/(m2·a)，而達(dá)到急坡之后，NPP總量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，在垂直坡地區(qū)(>50°)達(dá)到最小值，為57.65 kg/(m2·a)。這主要是由于平原地區(qū)植被受人類活動(dòng)影響顯著，而隨著坡度上升達(dá)到一定范圍，尤其是急坡之后，水土流失加劇，故植被NPP總量低于其他坡度等級(jí)范圍。

表3 2000—2015年韶關(guān)市各級(jí)高程地區(qū)植被NPP及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)量Table 3 Statistics of NPP and standard deviation of vegetation in different elevation areas of Shaoguan City from 2000 to 2015

表4 2000—2015年韶關(guān)市各級(jí)坡度地區(qū)植被NPP及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)量Table 4 Statistics of NPP and standard deviation of vegetation in different slope areas of Shaoguan City from 2000 to 2015

3 結(jié)論與討論

(1)韶關(guān)市植被NPP整體呈現(xiàn)出東北—西南走向高、東南和西北向低的分布態(tài)勢(shì)，其中翁源縣植被NPP年均值最高，達(dá)658.71 g/(m2·a)，新豐縣和南雄市次之，分別為637.20、633.09 g/(m2·a)，而乳源瑤族自治縣NPP年均值最低，僅為507.47 g/(m2·a)。

(2)從韶關(guān)市全區(qū)范圍上看，2000—2015年植被NPP年均值在539.15～698.88 g/(m2·a)，年際NPP均值在面積占比上，>400～700 g/(m2·a)面積占比最高，除去2015年占比為45.99%，其他年份均在50.00%以上，其中各年NPP在>500～600 g/(m2·a)面積占比最高(30.72%)，NPP波動(dòng)范圍為16.71%～29.18%，近16年間韶關(guān)市植被NPP整體呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)。

(3)韶關(guān)市植被NPP均值受地形起伏變化影響較大，其中丘陵地區(qū)NPP均值最高，達(dá)669.29 g/(m2·a)，而高山地區(qū)NPP均值最低，僅為324.18 g/(m2·a)。在面積占比上，丘陵地區(qū)NPP面積占比最高，達(dá)38.68%，而高山地區(qū)NPP面積占比最低，僅為0.07%，表明植被NPP均值隨海拔和坡度增加而呈現(xiàn)出減小態(tài)勢(shì)。