吉林省植被NPP的動(dòng)態(tài)演變及其與氣候因子的相關(guān)性

劉山林, 李春景

( 延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 吉林 延吉 133002 )

0 引言

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)是指單位面積的綠色植物在單位時(shí)間內(nèi)通過光合作用產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量在扣除自養(yǎng)呼吸所消耗的能量后所剩余的部分[1],它能夠表征陸地植被系統(tǒng)的整體生態(tài)質(zhì)量[2].近年來,已有學(xué)者對(duì)吉林省的植被NPP進(jìn)行了研究.例如:羅玲等[3]利用2000—2006年MOD17A3數(shù)據(jù)集的年均植被NPP數(shù)據(jù)對(duì)吉林省西部草地生長(zhǎng)的主要影響因素進(jìn)行了研究;湯潔等[4]利用CASA模型和土壤微生物呼吸模型計(jì)算了2001—2010年吉林省西部的陸地植被NPP和土壤微生物呼吸RH;劉舒[5]對(duì)2000—2016年吉林省西部的濕地面積及其NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了研究.但是,目前相關(guān)研究大多針對(duì)的是吉林省的局部區(qū)域,且對(duì)植被NPP未來發(fā)展變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)以及不同土地覆蓋類型的植被NPP與氣候因子的相關(guān)性研究得較少,因此本文將研究2000—2021年吉林省植被NPP的動(dòng)態(tài)演變,并在此基礎(chǔ)上分析不同土地覆蓋類型的植被NPP與氣候因子的相關(guān)性以及植被NPP未來發(fā)展的變化趨勢(shì),以期為吉林省植被生態(tài)環(huán)境的評(píng)價(jià)和保護(hù)提供參考.

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

吉林省位于中緯度歐亞大陸的東側(cè)(40°50′～46°19′N,121°38′～131°19′E),面積為18.74萬(wàn)km2.氣候從東南部向西北部由濕潤(rùn)氣候逐漸過渡到半濕潤(rùn)氣候和半干旱氣候;地勢(shì)東南高、西北低;東部地區(qū)主要為典型的山地森林植被,中部地區(qū)主要為森林草原過渡帶,西部主要為草甸草原植被[6].圖1為研究區(qū)的概況圖.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要包括NPP數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土地覆蓋數(shù)據(jù).NPP數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的MOD17A3數(shù)據(jù)(https://lpdaac.usgs.gov),時(shí)間分辨率為1 a,空間分辨率為500 m.氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)集來自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/)的中國(guó)1 km分辨率逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集和中國(guó)1 km逐月降水量數(shù)據(jù)集[7];太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)來自Terra Climate氣象數(shù)據(jù)集(https://www.climatologylab.org/);土地覆蓋數(shù)據(jù)來自武漢大學(xué)楊杰和黃昕團(tuán)隊(duì)發(fā)布的1985—2021中國(guó)逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集(https://www.zenodo.org/)[8].為避免因空間分辨率和坐標(biāo)系等不同而在后續(xù)處理數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生誤差,本文將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影至WGS84/Albers坐標(biāo)系,并將其分辨率設(shè)置為500 m.

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)分析法是一種對(duì)時(shí)間變量進(jìn)行線性回歸分析的方法[9].由于該方法可以綜合表征一定時(shí)間序列內(nèi)區(qū)域格局的演變規(guī)律,因此其可用于衡量植被NPP的變化情況.趨勢(shì)分析法的表達(dá)式為:

式中:θslope為趨勢(shì)線斜率,即NPP的年際變化速率;Mi是第i年的NPP值;i為年變量;n(n=22)為監(jiān)測(cè)年數(shù).當(dāng)θslope>0時(shí),表示植被NPP呈增加趨勢(shì);反之則呈減少趨勢(shì).植被NPP變化趨勢(shì)的顯著性由F檢驗(yàn)來判斷.本文根據(jù)F檢驗(yàn)結(jié)果,將變化趨勢(shì)分為以下級(jí)別:極顯著減少(θslope<0,P<0.01)、顯著減少(θslope<0,0.010.05)、不顯著增加(θslope>0,P>0.05)、顯著增加(θslope>0,0.010,P<0.01).

2.2 重標(biāo)極差(R/S)分析法

重標(biāo)極差分析法是一種定量描述數(shù)據(jù)在時(shí)間序列內(nèi)其持續(xù)性特征的方法,它能夠反映出時(shí)間序列的長(zhǎng)期變化情況(通過計(jì)算Hurst指數(shù))[10].Hurst指數(shù)(H)的取值區(qū)間為[0,1]:①當(dāng)0.5

2.3 相關(guān)系數(shù)

由于相關(guān)系數(shù)可以直觀地反映出各要素之間的相互影響程度,因此本文通過計(jì)算氣候因子與植被NPP變化的相關(guān)系數(shù)來分析其相關(guān)性.相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式[11]為:

3 植被NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變特征

3.1 植被NPP的時(shí)間變化特征

圖2為2000—2021年吉林省植被NPP的年際變化情況.由圖2可以看出:2000—2021年吉林省植被NPP的最大值和平均值都出現(xiàn)緩慢波動(dòng)性的增長(zhǎng)趨勢(shì),年均植被NPP在351.71～497.66 gC/(m2·a)范圍內(nèi).其中:峰值出現(xiàn)在2014、2017、2019年,分別達(dá)到1098.00、1101.00、1100.10 gC/(m2·a);谷值出現(xiàn)在2010、2016、2018年,分別達(dá)到871.04、961.21、996.24 gC/(m2·a).

圖2 2000—2021年吉林省植被NPP的年際變化

圖3為2000—2021年吉林省不同土地覆蓋類型的植被NPP年際變化情況.由圖3可以看出,2000—2021年吉林省不同土地覆蓋類型的植被NPP都出現(xiàn)了緩慢波動(dòng)性的增長(zhǎng)趨勢(shì),但不同土地覆蓋類型的植被NPP值差異較大.其中:森林的植被NPP值變化范圍為495.03～685.24 gC/(m2·a),其年均值為626.95 gC/(m2·a)(最高);耕地和濕地的植被NPP值變化范圍分別為244.81～382.57 gC/(m2·a)和219.55～372.17 gC/(m2·a),其年均值分別為339.87 gC/(m2·a)和317.19 gC/(m2·a);草地的植被NPP值變化范圍為162.29～329.11 gC/(m2·a),其年均值為243.44 gC/(m2·a);裸地的植被NPP值變化范圍為104.10～233.30 gC/(m2·a),其年均值為170.85 gC/(m2·a).

圖3 不同土地覆蓋類型植被NPP的年際變化

3.2 植被NPP的空間變化特征

3.2.1植被NPP年均值的空間分布格局

圖4為2000—2021年吉林省植被NPP均值的空間分布情況.由圖4可知,吉林省植被NPP的空間分布呈由西北向東南逐漸遞增的趨勢(shì),年均植被NPP在40.11～961.42 gC/(m2·a)范圍內(nèi).其中:東部地區(qū)(占吉林省總面積的41.94%)的植被NPP均大于500 gC/(m2·a),這些地區(qū)主要包括吉林市、延邊朝鮮族自治州、白山市以及通化市,其中高值區(qū)位于延邊朝鮮族自治州的北部和東部;西北地區(qū)(占吉林省總面積的20.40%)的植被NPP均低于300 gC/(m2·a),這些地區(qū)主要包括白城市、松原市西部等地區(qū),其中最低值區(qū)位于白城市和松原市的交界地帶.

圖4 2000—2021年吉林省植被NPP均值的空間分布

3.2.2植被NPP的變化趨勢(shì)分析

圖5為2000—2021年吉林省植被NPP的空間變化趨勢(shì)情況.由圖5可知:植被NPP呈極顯著增加和顯著增加趨勢(shì)的區(qū)域分別占吉林省總面積的29.84%和15.57%,這些地區(qū)主要包括白城市、松原市、長(zhǎng)春市北部、吉林市北部、四平市西部等地區(qū);植被NPP呈無顯著變化的區(qū)域占全省總面積的53.95%.從不同土地覆蓋類型植被NPP變化趨勢(shì)的面積占比(圖6)可以看出:草地和裸地主要分布于吉林省西部地區(qū)(面積較小),并呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì),其中草地的植被NPP呈極顯著增加和顯著增加的面積分別占草地總面積的87.63%和4.32%;森林的植被NPP呈無顯著變化的區(qū)域占森林總面積的75.61%,這表明森林植被NPP的整體變化不大;耕地的植被NPP呈極顯著增加的面積占耕地總面積的45.02%,整體上呈增加的趨勢(shì).

圖5 2000—2021年吉林省植被NPP的變化趨勢(shì)等級(jí)圖

圖6 不同土地覆蓋類型植被NPP變化趨勢(shì)的面積占比

4 植被NPP的未來變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

圖7為吉林省植被NPP的Hurst指數(shù)分布(a)和植被NPP變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果(b).由圖7(a)可以看出:吉林省植被NPP的Hurst指數(shù)分布在0.15～0.88之間,研究區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)指數(shù)為0.5的區(qū)域,且其中Hurst指數(shù)小于0.5的區(qū)域占全省總面積的61.15%,這表明吉林省未來植被NPP的變化主要表現(xiàn)為反持續(xù)特征.為了更好地預(yù)測(cè)植被NPP的未來變化趨勢(shì),本文將植被NPP的變化趨勢(shì)圖與Hurst指數(shù)分布圖進(jìn)行了疊加(見圖7(b)),并按照表1的分類標(biāo)準(zhǔn)將疊加結(jié)果分為10種類型.由圖7(b)可以看出:Hurst指數(shù)小于0.5的區(qū)域中,植被NPP呈反持續(xù)極顯著增加和反持續(xù)顯著增加的區(qū)域占吉林省總面積的27.32%,且其分布較為分散(主要分布在白城市、松原市西部、吉林市北部等地區(qū)).這表明,這些地區(qū)植被NPP的增加趨勢(shì)在未來將會(huì)放緩.

表1 吉林省植被NPP的未來變化趨勢(shì)

圖7 吉林省植被NPP的Hurst指數(shù)分布(a)和未來變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果(b)

在Hurst指數(shù)大于0.5的地區(qū)中:植被NPP呈持續(xù)極顯著和持續(xù)顯著減少的區(qū)域僅占0.55%.這表明,僅有極小區(qū)域的植被NPP在未來會(huì)呈持續(xù)減少的趨勢(shì).植被NPP呈持續(xù)顯著和持續(xù)極顯著增加的區(qū)域分別占吉林省總面積的6.47%和11.63%,主要分布在松原市、長(zhǎng)春市西部、四平市中西部等地區(qū).這表明,該區(qū)域的植被NPP在未來會(huì)呈持續(xù)增加的趨勢(shì).

5 植被NPP與氣候因子的相關(guān)性

研究表明,氣候因子對(duì)植被NPP的影響具有區(qū)域差異性[12-14].在諸多氣候因子中,由于氣溫、降水、輻射量與植物生長(zhǎng)的關(guān)系最為密切[15],因此本文選取這3個(gè)因素來分析其對(duì)植被NPP的影響.

圖8為2000—2021年吉林省氣溫、降水、太陽(yáng)輻射與植被NPP的相關(guān)性.由圖8(a)可以看出:植被NPP與氣溫呈不顯著相關(guān)的區(qū)域占吉林省總面積的88.68%,呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)的區(qū)域占吉林省總面積的11.32%.這表明吉林省大部分地區(qū)的植被NPP與氣溫的相關(guān)性較小.呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在延邊朝鮮族自治州北部、通化東南部和白山市等地區(qū).

圖8 2000—2021年吉林省氣溫(a)、降水(b)、太陽(yáng)輻射(c)與植被NPP的相關(guān)性

由圖8(b)可以看出:植被NPP與降水的相關(guān)性呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占吉林省總面積的22.32%和6.17%,這些區(qū)域主要分布在白城市、松原市、四平市西部以及長(zhǎng)春市和松原市的交界地區(qū).其原因是吉林省西部平原區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,蒸發(fā)量大于降水量,易形成干旱[16].植被NPP與降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占吉林省總面積的0.23%和2.18%,這些區(qū)域主要分布在延邊朝鮮族自治州和白山市.其原因主要是:一是吉林省東部地區(qū)夏季降雨較多,易使土壤入滲量達(dá)到閾值,進(jìn)而易造成林地的根系形成厭氧環(huán)境;二是陰雨天氣會(huì)降低植物的光合作用,進(jìn)而會(huì)抑制植被生長(zhǎng)[17].

由圖8(c)可以看出:太陽(yáng)輻射與植被NPP呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域占吉林省總面積的17.33%和12.71%,這些區(qū)域主要分布在延邊朝鮮族自治州、白山市和通化市東南部等地區(qū).其主要原因是這些區(qū)域夏季的陰雨天氣使得植被接受的太陽(yáng)輻射量不足,從而抑制了該地區(qū)的植被生長(zhǎng).太陽(yáng)輻射與植被NPP呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占吉林省總面積的21.73%,這些區(qū)域主要分布在白城市和松原市等地區(qū).其主要原因是該地區(qū)日照充足,且降水較少,易造成地表干旱和植物生長(zhǎng)緩慢.由以上可知,太陽(yáng)輻射和降水對(duì)吉林省植被NPP的影響相對(duì)更為顯著.

表2為不同土地覆蓋類型的植被NPP與氣候因子的相關(guān)性.由表2可以看出:耕地的植被NPP與降水呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占耕地總面積的36.32%和11.54%,與氣溫呈不顯著相關(guān)的區(qū)域占耕地總面積的92.61%,與太陽(yáng)輻射呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占耕地總面積的16.88%和19.29%.這表明,耕地的植被NPP與降水呈正相關(guān),與太陽(yáng)輻射呈負(fù)相關(guān),但與氣溫的相關(guān)性較小.森林的植被NPP與太陽(yáng)輻射、氣溫呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占森林總面積的58.57%和18.78%,這表明森林的植被NPP受太陽(yáng)輻射的影響較大.草地的植被NPP與降水呈顯著正相關(guān)和極顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占草地總面積的4.89%和81.89%,與太陽(yáng)輻射呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占草地總面積的48.17%和32.83%,這表明絕大部分草地的植被NPP受降水和太陽(yáng)輻射的影響較大,即與降水呈正相關(guān)、與太陽(yáng)輻射呈負(fù)相關(guān).濕地的植被NPP與降水呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)的區(qū)域分別占濕地總面積的37.78%和6.67%,與氣溫呈不顯著相關(guān)的區(qū)域占濕地總面積的89.16%,這說明濕地的植被NPP受降水的影響較大.

表2 2000—2021年吉林省不同土地覆蓋類型的植被NPP與氣候因子的相關(guān)性

6 結(jié)論

對(duì)吉林省2000—2021年的植被NPP動(dòng)態(tài)演變及其與氣候因子的相關(guān)性等進(jìn)行研究表明:

1)2000—2021年吉林省的植被NPP呈緩慢波動(dòng)性增長(zhǎng)趨勢(shì),其中白城市、松原市、長(zhǎng)春市北部、吉林市北部、四平市西部等地區(qū)的增加趨勢(shì)最為顯著,在空間上則呈由西北向東南逐漸遞增的趨勢(shì).植被NPP年均值處于40.11～961.42 gC/(m2·a)范圍內(nèi),且不同土地覆蓋類型的年均植被NPP存在較大差異,其中森林>耕地>濕地>草地>裸地.

2)2000—2021年吉林省的植被NPP的Hurst指數(shù)分布在0.15～0.88之間,其中呈反持續(xù)極顯著增加和反持續(xù)顯著增加的區(qū)域呈明顯的分散性.

3)2000—2021年吉林省森林的植被NPP變化與太陽(yáng)輻射具有較大相關(guān)性,耕地和草地的植被NPP變化與降水具有較大正相關(guān)性.

本文研究結(jié)果可為吉林省生態(tài)管理和保護(hù)提供參考.本文在研究中僅在年尺度上對(duì)吉林省植被NPP進(jìn)行了研究,而對(duì)于不同生長(zhǎng)季的植被NPP變化未能進(jìn)行具體分析;因此,在后續(xù)的研究中,我們將從季度和月份的角度對(duì)植被NPP進(jìn)行分析,以期得到更為準(zhǔn)確的研究結(jié)果.