新疆植被總初級生產(chǎn)力對大氣水分虧缺的響應

姜 萍， 袁 野

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆 烏魯木齊 830011）

植被總初級生產(chǎn)力（GPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內(nèi)通過光合作用所固定的有機物總量［1］，是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力和健康狀況的有效表征［2］。研究表明，盡管干旱、半干旱地區(qū)植被稀疏，年生產(chǎn)力低下，但其對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性［3］乃至全球陸地碳循環(huán)的年際至年代際變化均有關鍵作用［4］。

作為我國典型的干旱、半干旱區(qū)，新疆境內(nèi)植被覆蓋度低，多樣性貧乏且生產(chǎn)力低下，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，植被對氣候變化極為敏感［5］。研究表明，在全球變暖驅(qū)動下新疆氣候變化顯著，早期表現(xiàn)出溫度和降水的“突變型”升高［6］、氣候由“暖干”向“暖濕化”的轉(zhuǎn)型［7-8］。而進入21 世紀以來，新疆逾2/3的地區(qū)出現(xiàn)了從“暖濕化”向“暖干化”轉(zhuǎn)折的強烈信號，即發(fā)生了“濕干轉(zhuǎn)折”［9］。以快速升溫為主的顯著氣候轉(zhuǎn)型勢必會通過加快地區(qū)水循環(huán)過程、加速高山帶冰川積雪融化、改變徑流補給形式等，影響植被的生境分布格局及其生產(chǎn)力［10］?；陂L時間序列的歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）、凈初級生產(chǎn)力（NPP）、葉面積指數(shù)（LAI）等多種植被指數(shù)，學者已從不同區(qū)域尺度對新疆地區(qū)植被生長的時空演變格局、自然和人為影響機制以及未來預測等進行了分析［11-15］，研究成果突出。然而，現(xiàn)有研究往往缺乏對新疆地區(qū)植被GPP長期時空動態(tài)的探討，難以為揭示地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供參考。此外，植被變化歸因分析中自然因素的選擇通常聚焦于水、熱氣候因子［11］以及干旱［16］等，尚未關注植被對大氣水分脅迫的響應。

最新研究發(fā)現(xiàn)，21世紀以來大氣水分脅迫對植物生理特性和生長狀況的影響較之降水和土壤水分可能更高［17］，其對植被活動的重要調(diào)控作用極有必要得到充分關注［18］。而以大氣水分虧缺（VPD）為參量的研究表明，與全球步調(diào)一致，新疆地區(qū)大氣水分脅迫也已出現(xiàn)廣泛、急速的增長［19-20］。一般而言，VPD升高會導致植物氣孔關閉，降低氣孔導度、木質(zhì)部導水率等抑制光合作用，并通過間接加速土壤水分流失，加劇水分脅迫，最終限制植被生長及其固碳能力，甚至引發(fā)植物死亡［20-22］。目前，大氣水分脅迫對植被生長及其生產(chǎn)力的顯著影響已經(jīng)得到有力證實［23-24］。鑒于此，本文擬以新疆為研究區(qū)，分析1982—2018 年新疆植被GPP 和VPD 的時空變化特征，并探討植被GPP 對VPD 的響應，以期為氣候轉(zhuǎn)型背景下新疆植被GPP 遙感監(jiān)測、大氣“干旱化”評估以及優(yōu)化生態(tài)保護政策提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆（73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N）位于我國西北地區(qū)，總面積約為166×104km2，是中國典型的干旱、半干旱區(qū)（圖1）。新疆呈“三山夾兩盆”的地形分布格局，從北到南依次橫亙有阿爾泰山脈、天山山脈和昆侖山脈。三山阻擋大氣環(huán)流，形成了準噶爾盆地和塔里木盆地，造就了山體、綠洲、盆地交替排布的地理格局。新疆屬典型的溫帶大陸性氣候，年均降水量約150 mm，年均氣溫為9～12 ℃，但天山山脈南部（南疆）、北部（北疆）氣候條件迥異，突出表現(xiàn)為南疆氣溫高于北疆、降水量寡于北疆的特點。受地形、氣候的共同影響，新疆地區(qū)植被覆蓋度低且生境脆弱，極易受到氣候變化以及干旱脅迫的影響。

圖1 新疆植被類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of vegetation types in Xinjiang

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 GPP 數(shù)據(jù)GPP 數(shù)據(jù)采用全球陸地衛(wèi)星（GLASS）GPP 產(chǎn)品，由北京師范大學梁順林教授團隊基于多源遙感數(shù)據(jù)和地面實測數(shù)據(jù)自主研發(fā)，具有長時間序列、高分辨率、高精度等特征，是研究全球環(huán)境變化的可靠依據(jù)［25］。GLASS GPP 數(shù)據(jù)空間分辨率0.05°，時間分辨率為8 d，時間跨度為1982—2018年，單位為g C·m-2·d-1。目前，該數(shù)據(jù)集可由國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（https://data.tpdc.ac.cn）在線公開獲取。研究中采用R編程處理為GPP年值序列，單位g C·m-2·a-1。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)氣象站點觀測數(shù)據(jù)來自新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心，涵蓋新疆境內(nèi)105個國家基準氣象站基本氣象要素月值觀測資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過綜合質(zhì)量控制，滿足研究需要。選取各站點1982—2018年氣溫（TA，℃）、空氣相對濕度（RH，%）月值觀測序列，采用公式（1）逐站點計算大氣水分虧缺（VPD，kPa）參量［24］，然后利用專用氣候數(shù)據(jù)空間插值軟件ANUSPLIN，以數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為協(xié)變量，插值得到1 km空間分辨率的月尺度VPD柵格數(shù)據(jù)。

為驗證該VPD柵格數(shù)據(jù)集的可靠性，本文由哥白尼氣候數(shù)據(jù)中心（https://cds.climate.copernicus.eu/）獲取了1982—2018年ERA5再分析資料，選取2 m空氣溫度（Ta，℃）、2 m露點溫度（Td，℃）月值序列，借鑒文獻［21］中方法計算得到VPD（記為VPD_ERA5）用以開展對比檢驗。ERA5數(shù)據(jù)是由歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）建立的一套再分析數(shù)據(jù)，包含1982—2018年空間分辨率為0.1°的月均數(shù)據(jù)和日尺度數(shù)據(jù)，現(xiàn)已在眾多領域得到廣泛使用。

1.2.3 植被類型數(shù)來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心發(fā)布的中國1:1000000 植被類型數(shù)據(jù)，根據(jù)全國11個植被類型組，將新疆地區(qū)植被類型劃分為草地、草甸、灌叢、針葉林、闊葉林、高山植被和栽培植被7類（圖1）。研究中采用ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換、重采樣等處理，使其空間分辨率與GPP、VPD數(shù)據(jù)相一致。

1.3 研究方法

1.3.1 變化趨勢分析1982—2018年新疆地區(qū)年均GPP、VPD的時空變化趨勢采用Mann-Kendall（M-K）法完成。M-K趨勢分析是一種基于秩的非參數(shù)統(tǒng)計方法，其樣本無需滿足特定的分布，且不受異常值干擾，適用于檢測非線性趨勢，定量反映變化趨勢的顯著性［26］。詳細算法見參考文獻［27］。

1.3.2 Pearson 相關系數(shù)法采用Pearson 相關系數(shù)法對1982—2018 年新疆植被覆蓋區(qū)GPP 與VPD 之間的相關性及其顯著性進行分析，探討陸地生態(tài)系統(tǒng)GPP對大氣干旱的響應。

式中：r為Pearson 相關系數(shù)；n為時間序列長度；Xi、Yi分別為第i年新疆植被覆蓋區(qū)GPP、VPD 值；Xˉ、Yˉ分別為對應區(qū)域GPP、VPD的多年平均值。

相關系數(shù)的顯著性采用t檢驗進行判定，顯著性水平α取值為5%。使用R、Python 語言程序和ArcGIS 10.2軟件進行數(shù)據(jù)處理和計算。

2 結果與分析

2.1 新疆植被GPP時空變化特征

新疆植被GPP 區(qū)域差異明顯，大致呈現(xiàn)北疆高、南疆低的特點（圖2a）。整體上，GPP在0～1300 g C·m-2·a-1之間變化。高值區(qū)（GPP>500 g C·m-2·a-1）主要出現(xiàn)在天山山脈西部的伊犁河谷以及天山北麓、阿爾泰山和準噶爾盆地西北緣山區(qū)，其中伊犁河谷局部地區(qū)GPP超過1000 g C·m-2·a-1。與北疆不同，南疆多為GPP 低值區(qū)，尤其是南部昆侖山脈的高寒荒漠植被，GPP 普遍低于100 g C·m-2·a-1；塔里木盆地邊緣同樣以GPP低值為主，但盆地邊緣綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)GPP相對較高，年均值在250～500 g C·m-2·a-1之間。新疆植被GPP多年平均值為256.6 g C·m-2·a-1，年均值在187.0～309.4 g C·m-2·a-1之間變化，但整體呈顯著上升趨勢（斜率>0，P<0.01）（圖2b），表明期間新疆地區(qū)植被狀況持續(xù)向好。

圖2 新疆植被總初級生產(chǎn)力（GPP）年均值空間分布及其年際變化Fig.2 Spatial distribution and inter-annual variations of annual mean GPP in Xinjiang

M-K 趨勢分析可見（圖3），新疆大部分地區(qū)植被GPP 呈增加趨勢，占比達82.00%。其中，GPP 增勢顯著區(qū)域占比42.81%，主要分布在天山北麓山前平原、塔里木盆地北緣和西北緣，多為栽培植被和灌木；其次分布于天山山脈、昆侖山脈的局部區(qū)域，以高山植被和草地中較為集中；GPP 增勢不顯著區(qū)域占比39.19%，較均勻分布于全疆植被區(qū)域。在塔里木盆地南緣以及昆侖山脈和天山山脈的零星植被區(qū)，GPP表現(xiàn)出下降趨勢（不顯著下降16.03%，顯著下降1.97%）。

圖3 新疆植被GPP變化趨勢及其顯著性檢驗Fig.3 Variation trend and significance test of vegetation GPP in Xinjiang

2.2 新疆地區(qū)VPD時空變化特征

2.2.1 VPD 數(shù)據(jù)一致性檢驗因研究區(qū)尚不具備VPD實測數(shù)據(jù)，無法基于測量值驗證VPD估算值的準確性，故引入VPD_ERA5 作為輔助驗證數(shù)據(jù)，通過其與基于氣象站點觀測值估算建立的1 km 級VPD柵格數(shù)據(jù)的一致性比較，衡量VPD計算和分析結果的準確及可靠性。由圖4 可見，兩套VPD 數(shù)據(jù)之間具有顯著的線性關系（P<0.01），R2達到0.75，表明本文VPD計算序列較為可靠，能夠用以評估地區(qū)大氣“干旱化”的動態(tài)并反映其與植被生產(chǎn)力之間的響應關系。

圖4 大氣水分虧缺（VPD）估算值的一致性分析Fig.4 Consistency analysis of VPD estimates

2.2.2 VPD時空變化特征由VPD年均值空間分布（圖5a）可見，大氣干旱程度在以濕潤、半濕潤氣候為主的山區(qū)普遍較低，VPD基本小于0.4 kPa；平原、盆地等區(qū)域大氣干旱化嚴重，VPD長期大于0.7 kPa；上述區(qū)域的中間過渡帶多為山前平原，VPD 處在0.5～0.9 kPa 之間?？梢姡琕PD 與地形和氣候條件之間具有較強的依賴關系。1982—2018 年新疆地區(qū)VPD 多年平均值為0.66 kPa，整體上呈不顯著波動上升趨勢（P>0.05），但2010年之前年際變化的波動幅度更大（圖5b）。VPD 在植被覆蓋區(qū)的多年平均值為0.55 kPa，同樣呈不顯著上升趨勢（圖5b）。

圖5 新疆VPD年均值空間分布及其年際變化Fig.5 Spatial distribution and inter-annual variations of annual mean VPD and of regional mean VPD in Xinjiang

1982—2018 年新疆地區(qū)VPD 以上升趨勢為主（圖6a）。全疆約82.02%的地區(qū)VPD上升趨勢顯著，又以塔里木盆地和準噶爾盆地增幅最大；僅3.55%的區(qū)域VPD為下降趨勢，主要出現(xiàn)在昆侖山脈一帶（圖6b）。新疆植被覆蓋區(qū)同樣面臨著VPD 普遍增加的趨勢（圖6c），可見隨著全球變暖趨勢的持續(xù)與增強，新疆地區(qū)已經(jīng)并可能長期處在的大氣“干旱化”逐漸加劇的境況中。

圖6 新疆及其植被覆蓋區(qū)VPD變化趨勢Fig.6 Variation trends of VPD in Xinjiang and its vegetated areas

2.3 VPD變化對新疆植被GPP的影響

Pearson相關分析表明，新疆植被GPP對VPD的響應具有顯著空間異質(zhì)性（圖7）。二者之間表現(xiàn)出正相關、負相關共存的局面，但負相關性占比更大，為54.52%（其中弱負相關47.27%，顯著負相關7.25%），主要出現(xiàn)在北疆地區(qū)，尤其是準噶爾盆地西北部、昆侖山脈南麓一線以及天山山脈北麓的大部區(qū)域，相關系數(shù)普遍小于-0.4。45.48%的植被區(qū)GPP 與VPD 呈正相關（弱正相關37.08%，顯著正相關8.40%），主要分布在塔里木盆地邊緣和天山北坡及其東段，以栽培農(nóng)業(yè)區(qū)和灌木為主。

圖7 新疆植被覆蓋區(qū)GPP與VPD的相關性及顯著性Fig.7 Correlation and significance of GPP and VPD in vegetation cover area of Xinjiang

GPP 與VPD 響應關系在不同植被類型下的統(tǒng)計分析（表1）表明，VPD 與GPP 的相關性在植被類型之間差異鮮明，但在同一植被類型內(nèi)“正負”共存。植被GPP 對VPD 變化的顯著正響應主要由灌叢（4.04%）和栽培植被（2.57%）貢獻，顯著負響應則更多來自于草地（4.61%）。同一植被類型內(nèi)GPP與VPD相關性的統(tǒng)計分析表明，栽培植被和灌叢的生產(chǎn)力更易受到VPD變化的影響，GPP與VPD顯著相關性的類內(nèi)占比分別為25.42%、19.80%，且均以VPD 對GPP 的顯著促進作用為主；VPD 對草地、草甸生產(chǎn)力的影響次之，GPP與VPD顯著相關性的類內(nèi)占比分別為15.97%、15.44%，但草地GPP 與VPD主要呈負相關性（顯著負相關類內(nèi)占比13.45%，弱負相關類內(nèi)占比53.15%），表明VPD 增加對草地GPP具有較大的抑制作用；而VPD對草甸GPP的促進（正相關類內(nèi)占比47.55%）和抑制（負相關類內(nèi)占比52.45%）作用范圍相當；此外，GPP對VPD的負響應在針葉林中同樣較為突出，二者的負相關性類內(nèi)占比達62.54%（弱負相關54.41%、顯著負相關8.13%）。

表1 不同植被類型下GPP與VPD相關性的面積占比Tab.1 Area proportion of correlation between GPP and VPD under different vegetation types /%

綜上可見，1982—2018年新疆地區(qū)VPD廣泛且急劇的增加已經(jīng)對地區(qū)植被GPP的變化產(chǎn)生影響，但二者之間弱相關性（占比為84.35%）出現(xiàn)范圍遠高于顯著相關性（占比為15.65%）。GPP 與VPD 相關性在不同植被類型之間存在較大差異，且逾15%的栽培植被、灌叢、草地和草甸對VPD 的變化已表現(xiàn)出顯著響應，這表明VPD對植被生產(chǎn)力的調(diào)控可能受到植被類型以及與其相對應的地形、氣候條件等外在因素的影響。

3 討論

3.1 GPP的空間異質(zhì)性

受區(qū)域水熱條件和植被類型的地帶性分異規(guī)律等綜合影響，新疆植被GPP大致表現(xiàn)出“北疆高、南疆低”的空間異質(zhì)性，這與前人分析結果基本一致［2,28］。研究期間新疆植被GPP普遍呈現(xiàn)增勢，表明地區(qū)植被生長狀況持續(xù)向好。氣候變化、人類活動以及二者的協(xié)同作用是促進新疆大范圍地區(qū)植被恢復和改善的主要原因［29］。過去幾十年間“暖濕化”的氣候轉(zhuǎn)型已被證實對新疆植被生產(chǎn)力產(chǎn)生了有利影響，導致植被活動顯著增強［29］。如氣溫持續(xù)升高有助于昆侖山脈等高寒荒漠地帶的植被得到較好改善；升溫能夠促進山區(qū)冰雪消融，增加地表徑流［10］，從而帶動盆地邊緣灌木植被覆蓋度的增加。與此同時，水肥一體化灌溉系統(tǒng)、生態(tài)修復工程的相繼實施等人為活動也對地區(qū)植被的持續(xù)改善提供了有力支撐［30］。栽培植被長期受到人為活動最頻繁、最直接的干預，因此成為GPP 顯著增加的主體。近20 a間塔里木河流域生態(tài)輸水工程的實施［31］，使塔里木盆地北緣流域地帶生態(tài)環(huán)境得到整體改善，植被GPP增勢顯著。但上述因素也不同程度上導致了地區(qū)植被的退化和生產(chǎn)力的降低，如更頻繁的干旱和過度放牧等，導致以草地為主的旱區(qū)植被的迅速退化［29］。

3.2 VPD的空間異質(zhì)性

新疆地區(qū)VPD表現(xiàn)出“山區(qū)低、平原/盆地高、山區(qū)增勢弱于平原/盆地”的主要特點，認為是由地形、氣候和植被類型等多因素的綜合影響所致。研究表明，21世紀以來新疆氣候已經(jīng)發(fā)生了從“暖濕化”向“暖干化”演變的“濕干轉(zhuǎn)折”［9］，氣溫的躍變式升高和持續(xù)高位波動，輔以降水的弱態(tài)減少，無疑會加速大氣水分流失，導致新疆大范圍地區(qū)大氣干旱化程度加劇。其中，北疆山區(qū)雨水充沛且植被覆蓋度高，能長期以直接降水和植被蒸騰作用等形式增補大氣濕度［32］，維持VPD 低值并減緩其增速；南疆山區(qū)常年積雪覆蓋、溫度較低，以致大氣飽和水汽壓不高，加之變暖引起的冰雪消融對實際水汽壓的持續(xù)補充［33］，導致VPD較低且在氣候變暖背景下增速緩慢甚至出現(xiàn)下降趨勢。與此同時，植被、降水和冰雪消融等對地表徑流、土壤濕度、地表蒸散發(fā)的調(diào)節(jié)和調(diào)控，也為山區(qū)VPD維持低值提供了間接保障［19］。而以塔里木和準噶爾盆地為主的沙漠、荒漠和戈壁地帶，長期高溫少雨、日照強烈而植被稀疏、地表水源匱乏，以致大氣水汽的直接與間接來源相對不足，大氣水分虧缺嚴重且增勢顯著。

3.3 VPD對GPP的影響

本文分析表明，VPD 變化已經(jīng)對新疆地區(qū)植被生產(chǎn)力產(chǎn)生影響，逾1/2 的植被區(qū)GPP 與VPD 呈負相關，并大量分布于北疆GPP 高值區(qū)，這說明增強的大氣水分脅迫已經(jīng)并可能繼續(xù)對新疆主要植被區(qū)，尤其是生態(tài)關鍵區(qū)的植被生產(chǎn)力造成威脅。GPP 與VPD 之間的顯著相關性主要出現(xiàn)在栽培作物、灌叢和草地3種植被類型中。有研究證實，隨著農(nóng)業(yè)技術的不斷發(fā)展，干旱區(qū)栽培作物受人類活動恢復作用的影響最大［29］，這可能是栽培植被GPP在VPD 升高背景下仍然顯著增加的主要原因。灌叢GPP 與VPD 之間14.05%的顯著正相關主要發(fā)生于塔里木盆地邊緣地帶，認為是由于VPD持續(xù)升高時對應的增暖會導致山區(qū)冰雪消融量和徑流量增加，內(nèi)陸湖泊水位顯著上升，促進了植被生長［34］。已有研究表明，在土壤虧缺情景下，干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的GPP更易受到VPD的負面影響［24］，這與本文中草地最主要受到VPD 升高的抑制作用的結論相一致。上述現(xiàn)象進一步證實了孟瑩等［24］的觀點，即植被生產(chǎn)力對大氣干旱的響應在不同生態(tài)系統(tǒng)中存在異質(zhì)性，該異質(zhì)性有必要在未來大氣干旱程度將持續(xù)增強的背景下得到重點關注。

本研究表明當前新疆植被GPP 對VPD 的響應更多處于非顯著性區(qū)間內(nèi)，但后續(xù)仍應加強對二者響應關系的跟蹤，并結合其他自然（如氣溫、降水、干旱、土壤濕度等）和人為活動等多種因素，開展植被GPP變化驅(qū)動力的定量分析，為優(yōu)化地區(qū)生態(tài)修復與治理提供科學參考。

4 結論

（1）1982—2018年新疆植被GPP空間分布有明顯異質(zhì)性，大致呈北高南低的分布格局。高值區(qū)集中在天山山脈西部的伊犁河谷、天山北麓、阿爾泰山以及準噶爾盆地西北部邊緣山區(qū)，低值區(qū)則分布在南疆大部，尤以昆侖山脈的高寒荒漠植被生產(chǎn)力最弱。GPP年均值為256.6 g C·m-2·a-1，總體呈顯著上升趨勢。全疆約82.00%的植被區(qū)表現(xiàn)出GPP 的增加趨勢，增勢顯著區(qū)占比42.81%，多分布于盆地邊緣綠洲或山前農(nóng)業(yè)區(qū)；GPP 呈下降趨勢的地區(qū)約占18.00%，分布較為零散。

（2）新疆地區(qū)VPD空間分布表現(xiàn)出“山區(qū)低、平原/盆地高”的主要特點。山區(qū)VPD基本小于0.4 kPa，沙漠、盆地等區(qū)域VPD長期大于0.7 kPa。VPD年均值為0.66 kPa，整體呈不顯著波動上升趨勢。變化趨勢分析表明，全疆82.02%的地區(qū)VPD上升趨勢顯著，又以兩大盆地增勢最為突出；僅3.55%的區(qū)域VPD呈下降趨勢，主要出現(xiàn)在昆侖山脈高海拔山區(qū)。新疆植被覆蓋區(qū)同樣面臨VPD普遍增加的趨勢。

（3）Pearson 相關分析表明，新疆植被GPP 對VPD 的響應“正負共存”，且具有明顯區(qū)域差異。GPP與VPD的負相關性占植被區(qū)總面積的54.52%，略大于正相關性占比（45.48%），并主要出現(xiàn)在南、北疆山前緣地區(qū)的草地地帶；正相關性主要分布在塔里木盆地邊緣和天山北坡及其東段，以農(nóng)業(yè)區(qū)栽培作物和灌木類型為主。