商洛地區(qū)植被NPP 時空變化及其對極端氣候的響應(yīng)

張善紅 ZHANG Shan-hong；李宏印LI Hong-yin；屈妍 QU Yan；任嫄 REN Yuan

（①商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，商洛 726000；②商洛市氣象局，商洛 726000；③西安外國語大學(xué)旅游學(xué)院，西安 710128）

0 引言

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)者，在陸地和大氣之間的水、能量和碳轉(zhuǎn)移中發(fā)揮著重要作用[1]。近些年來，極端氣候狀況愈發(fā)明顯，生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)也發(fā)生極大變化。植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位時間、單位面積內(nèi)所累積的有機(jī)物數(shù)量，是陸地生態(tài)系統(tǒng)狀況的核心衡量指標(biāo)[2-4]。NPP 作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，代表了生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的多少，不僅能夠反映植被覆蓋程度，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與可持續(xù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[5]。相比于天氣的平均狀態(tài)，高溫、洪澇等極端氣候事件對植被的光合及蒸騰作用等造成更為嚴(yán)重的影響。植被變化與其對極端氣候的響應(yīng)研究對認(rèn)識植被與生態(tài)系統(tǒng)演變、加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識具有重大意義。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對NPP 研究的關(guān)注度漸高，很多學(xué)者對NPP 的估算進(jìn)行模擬，并對NPP 的時空變化以及驅(qū)動因素進(jìn)行研究。近些年來，氣候極端事件愈發(fā)明顯，如我國極端高溫和降水日數(shù)增加，極端低溫降低[6-7]。隨著區(qū)域性極端氣候事件的發(fā)展，一些學(xué)者認(rèn)為氣候因子的極值會影響植被生產(chǎn)力[8]。有研究發(fā)現(xiàn)[9]，內(nèi)蒙古地區(qū)的NPP 受極端降水的影響比極端氣溫明顯，且極端降水對不同植被類型的影響大小有所差異。所甜甜[10]研究發(fā)現(xiàn)，中國地區(qū)1956-2005 年間熱浪發(fā)生的年份和區(qū)域，植被凈初級生產(chǎn)力都有一定程度減少。夏冰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，黃河流域植被NPP 時空變化存在顯著地域性差異，其中在干旱和半干旱地區(qū)，極端降水的增多有利于植被生長，但極端溫度增加不利于植被的生長。

商洛位于秦嶺南北過渡地帶，是全球氣候變化的敏感區(qū)[12]，近60 年來秦嶺地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢與全球及全國基本相同，但變化幅度相對偏小，突變時間主要集中在20 世紀(jì)90 年代，極端氣溫、降水的持續(xù)時間、強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)[13-15]。本文探討商洛地區(qū)植被NPP 的時空變化特征以及其對極端氣候的響應(yīng)狀況，既可以揭示極端氣候背景下區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)情況，也為生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)利用、自然資源地有效管理提供科學(xué)證據(jù)。

1 研究區(qū)概況

商洛地區(qū)，位于陜西省東南部（108°34'E～111°1'E、33°2'N～34°24'N），秦嶺南麓，境內(nèi)因商山洛水而得名，與鄂豫兩省交界，總面積19292km2，占陜西省總面積的9.36%。商洛地形地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，素有“八山一水一分田”之稱。市內(nèi)五條主要山脈由西北向東北、東和東南延伸，嶺谷相間排列，使全市總觀呈掌狀谷嶺地形。該地區(qū)地處中國中緯度偏南地帶，屬季風(fēng)氣候區(qū)，位于北亞熱帶和暖溫帶交界區(qū)域。冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，冬春多旱，夏秋多雨，溫暖濕潤，四季分明，氣象災(zāi)害有干旱、暴雨、連陰雨、冰雹、霜凍、大風(fēng)、寒潮降溫等。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)：商洛地區(qū)2000-2019 年NPP 數(shù)據(jù)集，NPP數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）空間分辨率為500m，下載于http://modis.gsfc.nasa.gov/網(wǎng)站。

氣象數(shù)據(jù)：商洛地區(qū)及其周邊22 個標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)2000-2019 年日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫和日降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于商洛市氣象局。

為避免時間尺度過小對極端氣候的研究存在偶然性，采用1960-2019 年共22 個氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，利用RClimDex 軟件對個站點(diǎn)極端氣候指數(shù)進(jìn)行計算，見表1。以上極端氣候指數(shù)均由ETCCDMI（Expert Team on Climate Change Detection and Indices）所提供的極端氣候指標(biāo)體系中選出，可以很好反映出氣溫事件的溫差和晝夜的邊緣態(tài)以及降水事件在短期和較長期的極端態(tài)過程[16]。然后選取2000-2019 年的數(shù)據(jù)，利用GIS 對計算結(jié)果進(jìn)行克里金插值，得到500m 空間分辨率的研究區(qū)極端氣候指數(shù)的空間分布圖。

表1 極端氣候指數(shù)的定義

2.2 研究方法

2.2.1 NPP 時空變化趨勢分析

本研究采用一元線性回歸分析法逐個像元分析商洛地區(qū)2000-2019 年植被NPP 的變化趨勢，計算公式如下：

式中：θslope為趨勢線斜率，即植被NPP 的年際變化速率；n 表示監(jiān)測時段的累計年數(shù)，n=20；i 為年變量，i=1，2，3，…，20；NPPi表示第i 年的NPP 值，單位為gC/（m2·a）。

利用植被NPP 變化率體現(xiàn)n 年間NPP 的變化程度[17]，公式如下：

式中：NPP 變化率以百分比來表示（%）；NPPmean為研究區(qū)20 年NPP 均值；n 為監(jiān)測年數(shù)。

2.2.2 NPP 與極端氣候指數(shù)的相關(guān)性分析

本文使用基于像元的空間分析方法分析商洛地區(qū)多年植被NPP 與極端氣候指數(shù)之間的關(guān)系，選用Pearson 相關(guān)數(shù)來描述每個像元的NPP 與極端氣候指數(shù)之間的相關(guān)性，計算公式如下：

式中：Rxy為變量x、y 之間的相關(guān)系數(shù)；xi表示第i 年的NPP 值，yi表示第i 年的極端氣候指數(shù)（TX10p、TX90p、DTR、TXx、TNn、RX1day 和RX5day）；x、y 分別表示NPP 年平均值及相應(yīng)的極端氣候指數(shù)平均值；i 為年變量，i=1，2，3，……，20；n=20 為監(jiān)測年數(shù)。采用F 檢驗(yàn)方法分析相關(guān)系數(shù)的顯著性，顯著性水平取α=0.05，根據(jù)相關(guān)系數(shù)大小定義相關(guān)程度的分級，具體如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 商洛植被NPP 時間變化特征

由圖1 可以看出，2000-2019 年商洛年均植被NPP 總體上呈現(xiàn)出波狀上升的趨勢，且達(dá)到顯著增長水平，NPP變化趨勢線斜率為6.84gC/（m2·a）。20 年間植被NPP 在431.82～650.85gC/（m2·a）之間，年平均值為593.81gC/（m2·a）。其中植被NPP 的最低值出現(xiàn)在2001 年，為434.38gC/（m2·a），最高值出現(xiàn)于2015 年，為653.68gC/（m2·a）。2001-2008 年植被NPP 年均值呈現(xiàn)明顯的波動上升趨勢，在2008 年NPP 年均值達(dá)到最大值599.5gC/（m2·a），與2001年的差值為167.68gC/（m2·a），平均每年增長23.95gC/（m2·a）。2009-2019 年植被NPP 值圍繞多年平均值上下波動，擺動的范圍在560～610gC/（m2·a），并在2011 年達(dá)到最小值533gC/（m2·a）。

圖1 2000-2019 年商洛地區(qū)植被NPP 年均值變化

3.2 植被NPP 空間變化特征

3.2.1 年均NPP 空間分布規(guī)律

圖2 為商洛2000-2019 年植被NPP 均值的在空間上的分布狀況，從圖中可以看出：2000-2019 年商洛植被NPP 空間分布差異顯著，高低值層次明晰，整體呈現(xiàn)出東西部高于中部，中部高于南北的分布特征。近20 年研究區(qū)的NPP 均值為564.54gC/（m2·a），總體上植被生長狀況良好。具體來看，NPP 均值在350～450gC/（m2·a）之間的地區(qū)集中分布在洛南北部和商南南部的小塊區(qū)域，多為耕地或荒地，植被覆蓋率低；NPP 均值在450～550gC/（m2·a）之間的地區(qū)包括洛南、商州大部分地區(qū)以及柞水和商南的一小部分地區(qū)，這些地方人類活動相對頻繁，對自然環(huán)境的影響較大，對植被有一定的破壞作用；NPP 均值大于550gC/（m2·a）的地區(qū)廣泛分布在研究區(qū)中南部區(qū)域，這些地區(qū)處在山脈縱橫地帶，由北而南有秦嶺主脊、蟒嶺、流嶺、鶻嶺、鄖西大梁和新開嶺等，植被覆蓋率較高，有些地方的NPP均值甚至大于650gC/（m2·a）。

3.2.2 年均NPP 空間變化趨勢

圖3 為基于一元線性回歸分析法獲取的2000-2019年年均植被NPP 變化百分率圖。從圖中可以獲得：2000-2019 的20 年間商洛地區(qū)植被NPP 呈現(xiàn)正增長的像元占比高達(dá)98.77%，其中植被NPP 變化率在15%～30%的像元面積最大，所占比例約為72.71%；其次為30%～45%NPP變化率的像元，占比約17.66%；最后是植被NPP 變化率為0～15%和＞45%的像元，面積占比分別約為6.81%和1.6%。近20 年間植被NPP 出現(xiàn)負(fù)增長的像元占比約為1.23%，其中植被NPP 變化率在-15%～0 的像元面積最大，占比約0.71%；其次為-30%～-15%和＜-30%NPP 變化率的像元，面積占比分別約為0.39%和0.13%。由以上的分析結(jié)果可知，以2000 年的植被NPP 值為基準(zhǔn)，2000-2019 年商洛地區(qū)植被NPP 在整體上呈現(xiàn)出增長的趨勢。

圖3 2000-2019 年商洛地區(qū)植被NPP 的空間變化

3.3 植被NPP 對極端氣候的響應(yīng)

3.3.1 與極端氣溫指數(shù)的相關(guān)性

NPP 與極端氣溫指數(shù)相關(guān)系數(shù)之間的空間分布特征如圖4 所示。就整體上來看，大部分地區(qū)NPP 與極端氣溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)都在-0.4～0.2 之間，多為中等相關(guān)，相關(guān)程度不高，僅少數(shù)地區(qū)的相關(guān)系數(shù)在0.2～0.6 之間。具體而言，NPP 與冷晝?nèi)諗?shù)之間以負(fù)相關(guān)為主（圖4（a）），負(fù)相關(guān)分布像元所占面積占比約為98.54%。除了洛南和商南南部地區(qū)以及丹江上游地區(qū)呈正相關(guān)外，負(fù)相關(guān)分布幾乎遍及整個研究區(qū)。與此相反，NPP 與暖晝?nèi)諗?shù)之間則表現(xiàn)為以正相關(guān)為主（圖4（b）），正相關(guān)分布像元面積占比約為99.05%，其中相關(guān)系數(shù)在0.2～0.6 范圍之間的像元占比約為92.92%，相關(guān)程度較高，正相關(guān)像元廣泛分布在商洛全市。NPP 與日最高氣溫的極高值之間呈正、負(fù)相關(guān)的像元分布具有顯著的東西分布格局（圖4（c））。其中，約52.89%的像元表現(xiàn)為正相關(guān)，多分布在柞水、鎮(zhèn)安和山陽地區(qū)。呈負(fù)相關(guān)的像元主要分布在商南和丹鳳以及周邊地區(qū)。NPP與日最低氣溫的極低值之間以負(fù)相關(guān)為主（圖4（d）），占比約為79.82%，廣泛分布于商洛境內(nèi)除山陽之外的地區(qū)。NPP 與氣溫日較差之間以正相關(guān)為主（圖4（e）），占比約為70.63%，主要分布在柞水、鎮(zhèn)安和山陽地區(qū)。

圖4 2000-2019 年植被NPP 與極端氣溫指數(shù)相關(guān)系數(shù)的空間分布

3.3.2 與極端降水指數(shù)的相關(guān)性

通過NPP 與極端降水指數(shù)相關(guān)系數(shù)之間的空間分布特征，得出：整體而言，NPP 與極端降水指數(shù)相關(guān)程度普遍不高，NPP 與單日最大降水量和連續(xù)5 日最大降水量的相關(guān)系數(shù)大部分集中于-0.2～0.2 這個范圍，處于弱相關(guān)與中等相關(guān)之間，占總面積的85.57%和88.78%；具體來看，NPP 與單日最大降水量和連續(xù)5 日最大降水量都呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)較為突出的情況，負(fù)相關(guān)的像元面積占比分別約為55.8%和58.14%，該類像元主要在商洛中部及向四周呈擴(kuò)散狀分布。

4 結(jié)論

本文利用NPP 數(shù)據(jù)和逐日氣象數(shù)據(jù)，分析了商洛2000-2019 年NPP 對極端氣候指數(shù)的響應(yīng)情況，主要得出以下結(jié)論：

①商洛2000-2019 年NPP 整體上表現(xiàn)出顯著增長趨勢，平均每年以6.84gC/（m2·a）的速率增長；近20a 來商洛NPP 呈正增長的面積占比約為98.77%，廣泛分布于市內(nèi)大部分地區(qū)；2000-2019 年植被NPP 均值的空間分布差異顯著，總體上呈現(xiàn)東西部高于中部，中部高于南北的分布，這樣的分布格局主要是受到商洛的地形影響。

②NPP 與極端氣溫暖指數(shù)（暖晝?nèi)諗?shù)和日最高氣溫的極高值）和氣溫日較差在商洛市的大部分地區(qū)呈現(xiàn)正相關(guān)，且正相關(guān)程度較高，其正相關(guān)面積占比分別約為99.05%、52.89%和70.63%。其中，NPP 與日最高氣溫的極高值之間正、負(fù)相關(guān)分布體現(xiàn)出顯著的東西分布格局。NPP 與極端氣溫冷指數(shù)（冷晝?nèi)諗?shù)和日最低氣溫的極低值）在商洛大部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且負(fù)相關(guān)程度較高，其負(fù)相關(guān)面積占比分別約為98.54%和79.82%。NPP 與極端降水指數(shù)（單日最大降水量和連續(xù)5 日最大降水量）均以負(fù)相關(guān)為主，其負(fù)相關(guān)面積占比分別約為55.8%和58.14%，大體上分布在商洛中部及四周相鄰地區(qū)。

③商洛地區(qū)植被NPP 無論是在時間上的波動增長趨勢，還是空間上普遍的正增長趨勢，都表明該地區(qū)植被覆蓋情況總體上向良好方向發(fā)展。NPP 對極端氣溫指數(shù)的響應(yīng)高于極端降水指數(shù)，其中，極端氣溫指數(shù)以正向影響為主，極端降水指數(shù)以負(fù)向影響為主，極端氣溫對于商洛市植被覆蓋情況的改善有一定的促進(jìn)作用。