海南植被凈初級生產力時空分布特征研究

劉少軍, 李偉光, 陳小敏, 佟金鶴

海南植被凈初級生產力時空分布特征研究

劉少軍*, 李偉光, 陳小敏, 佟金鶴

海南省氣象科學研究所, 海南省南海氣象防災減災重點實驗室, 海口 570203

海南是一個相對獨立地理單元, 生態環境優越, 植被NPP是判定生態系統健康狀況和可持續發展水平的重要指標。基于2000—2015年海南省MODIS NPP數據集, 采用趨勢線分析法和相關分析法對海南被凈初級生產力時空分布特征研究。結果表明: (1)2000—2015年海南省植被凈初級生產力(NPP)呈現整體微弱的上升趨勢, 植被年平均NPP變化范圍為794.5—998.3 gC·m–2, 年平均值886.2 gC·m–2。(2)從空間分布看, 海南2000—2015年平均NPP分布呈現中高四周低的趨勢, 其中年平均NPP>1000 gC·m–2主要分布在海南的中部山區, 年平均NPP<600 gC·m–2區域主要分布在海南的西部和北部的海岸帶附近。(3)其中氣候變化和人類活動是NPP變化的主要驅動因素, 但在不同區域影響的因子的影響程度存在差異。以上研究可為海南生態環境保護和評估提供參考。

植被; 凈初級生產力; 時空分布; 海南

0 前言

海南省位于中國最南端, 行政區域包括海南島、西沙群島、中沙群島、南沙群島的島礁及其海域。全省陸地面積3.54萬km2, 海洋面積約200萬km2。海南省屬于熱帶海洋性島嶼季風氣候區, 長夏無冬, 光熱豐富, 雨量充沛。海南各地年平均氣溫23.1—27.0℃, 各地年降水量940.8—2388.2mm。1999年海南省開始海南生態省建設的序幕, 自創建生態省以來, 海南省的社會、經濟和環境保護事業都取得了巨大的發展, 海南省生態可持續性倍受國內外關注[1]。植被凈初級生產力(Net Primary Production, NPP)作為植物在單位時間和單位面積上所產生的有機干物質總量, 是反映植被生態系統對氣候變化響應的重要指標[2], 同時也是判定生態系統健康狀況和可持續發展水平的關鍵因子之一[3], 因此分析和掌握海南植被NPP 時空分布規律, 對海南的生態環境評價和保護具有重要的意義。目前國內外學者采用不同模型的進行NPP植被的研究, 如在NPP模型方面, 大致可以分為傳統經驗模型、生態機理過程模型、遙感光能利用率模型3類模型[4]。Lieth 等[5]建立了第一個全球NPP 回歸模型；周廣勝等[6]建立了植物生理生態學特點與水熱平衡關系的植物凈第一性生產力模型；Raich 等[7]建立了TEM模型；Running等[8]建立了BIOME-BGC模型。隨著遙感技術的發展, 相繼出現了 CASE 模型[9], GLO- PEM模型[10], 3-PGS[11]等。借助于這些模型, 國內外學者開展了NPP的時空分布變化規律的研究[12-18], 并探討了其與氣候變化、土地利用等的關系, 取得了一系列成果。植被NPP的變化可以有效地反映生態系統的變化[13], 自海南生態省建設以來, 海南省植被狀況發生了哪些變化呢？為此, 本文通過分析海南2000—2015年MODIS NPP的變化, 以期為客觀評價海南生態狀況提供科學依據, 為海南生態省建設和生態可持續發展提供科學依據。

1 數據和方法

1.1 數據

本研究采用的2000—2015年MODIS NPP數據來源于網站(http://www.ntsg.umt.edu/project/mod17# data-product), 空間分辨率為1km×1km；海南省界和縣界行政區劃圖來源于國家基礎地理信息網站提供的1﹕400萬基礎地理信息數據(http://ngcc.sbsm. gov.cn/)。2000—2015年海南省氣象數據來源于海南省氣象信息中心。

1.2 方法

采用簡單插值法和一元線性回歸分析法分析海南NPP 變化規律, 其中利用圖像之間的差值來衡量NPP變化的大小, 利用線性傾向估計進行NPP 時間趨勢分析, 具體參考文獻[14,19]。采用線性回歸法對16年間(2000—2015年)每一個像元的年均NPP值與年份進行線性回歸, 獲得NPP在16年間的變化斜率, 其中NPP線性傾向估計見公式(1):

式中表示線性傾向率, 表示該像元在該時間段內NPP 年際變化的一元線性回歸方程的斜率, 反映其在某一時間段內總的變化趨勢為年份,表示年份(時間序列2000—2015, 即= 16)。當大于零, 表示隨時間的增加, NPP呈上升趨勢；當小于零, 表示隨時間的增加, NPP呈下降趨勢。

NPP變化率(%)=*16*100% (2)

均值表示16年(時間序列2000—2015)的平均NPP值。

2 結果分析

2.1 海南植被凈初級生產力時間分布特征

2000—2015年海南省植被凈初級生產力(NPP)呈現整體微弱的上升趨勢, 植被年平均NPP變化范圍為794.5—998.3 gC·m–2, 年平均值886.2 gC·m–2。相對多年年均NPP值而言, 高于年平均值的年份有2003, 2004, 2007, 2008, 2009, 2015, 其他年份均低于年均NPP值。其中2007年海南省植被年均NPP最高為998.3 gC·m–2, 2002年植被年均NPP最小, 為794.5 gC·m–2(圖1)。

從各市縣植被年均NPP分布來看, 與全省年平均NPP變化趨勢基本一致, 均呈現微弱的增加的趨勢, 各市多年植被凈初級生產力年均值存在顯著差異, 其中五指山市的年平均植被凈初級生產力最高, 而臨高縣的植被凈初級生產力最低(圖2)。

圖1 海南2000—2015年NPP年際變化

Figure 1 Annual variation of NPP of Hainan province during 2000—2015

從2000—2015 年海南年均植被NPP面積比例分布來看(表1), 年均植被NPP<600 gC·m–2的面積占總面積的百分比在7%—22%, 平均占13%；年均植被NPP 600—800 gC·m–2的面積占總面積的百分比在26%—44%, 平均占37%；年均植被NPP 800—1000 gC·m–2的面積占總面積的百分比在9%—28%, 平均占16%；年均植被NPP>1000 gC·m–2的面積占總面積的百分比在30%—39%, 平均占33%。

2.2 海南植被凈初級生產力空間分布特征

受植被類型、氣候、地形、人類活動等因素的共同影響, 從空間分布看, 海南2000—2015年平均NPP分布呈現中高四周低的趨勢(圖3), 其中NPP> 1000 gC·m–2主要分布在海南的中部山區, 該區域屬于以中部高山為核心, 向四周外圍逐級遞降, 是海南主要河流發源地和重要水源涵養區, 海南省采取了天然林保護工程、退耕還林工程、公益林保護等一系列有效措施[20], 植被狀況生長較好。NPP< 600 gC·m–2區域主要分布在海南的西部和北部的海岸帶附近, 植被狀況較差。從市縣行政區范圍來看, 年均NPP大于1000 gC·m–2有五指山、保亭、瓊中等市縣；年均NPP在900—1000 gC·m–2有三亞、白沙、萬寧、樂東等市縣；年均NPP在800—900 gC·m–2有屯昌、瓊海、昌江、陵水、東方、定安等市縣；年均NPP在700—800 gC·m–2有澄邁、文昌、海口、儋州等市縣；年均NPP小于700 gC·m–2僅臨高, 為694.3 gC·m–2。

圖2 海南2000—2015年各市縣NPP年際變化

Figure 2 Annual variation of NPP of cities in Hainan province during 2000-2015

表1 2000—2015 年海南年均植被NPP面積比例

圖3 海南省2000—2015年平均NPP分布

Figure 3 Spatial of mean NPP in Hainan province during 2000-2015

2.3 海南植被凈初級生產力變化趨勢

一元線性回歸分析方法, 在一定程度上可以消除特定年份極端氣候的影響, 更能真實地反映植被NPP 在16年內演變過程。因此, 利用一元線性回歸分析方法具體分析海南省不同地區植被年均NPP在16 年的變化趨勢。由圖4可以看出, 2000—2015年海南省植被凈初級生產力在中部和東部區域發生顯著增加, 說明整體上植被生長狀態較好, NPP的增加速率>8 gC·m–2占整個面積的2.5%, 增加速率4—8 gC·m–2占整個面積的21.5%, 增加速率0—4 gC·m–2占整個面積的55.4%。而在海南的西部區域昌江、東方、樂東、三亞的局部區域存在減少的區域, 說明植被存在退化現象, NPP的處于下降速率范圍占整個面積的20.6%。

由圖5 可以看出, 植被NPP 的變化百分率< -15%的區域主要分布在文昌的西北和東部海岸帶及三亞的西部的海岸帶, 占整個面積的2.2%；變化百分率在0—-15%的區域主要分布在海南西部的昌江、東方、樂東、三亞等的局部區域, 占整個面積的20.4%, 說明這些地區植被生長狀況有所退化；植被NPP 的變化百分率> 0%, 說明這些地區植被生長狀況得到較好的改善, 其中變化百分率在0—15%的區域占整個面積的72.1%,

百分率在15%—30%的區域占整個面積的4.9%, 百分率在大于30%的區域占整個面積的0.4%。

3 討論

(1)遙感被認為是綜合了所有自然條件和人為因素共同作用于植被生長的客觀真實反映[14], 因此利用MODIS反演的海南NPP數據能更客觀、更真實的展現整個區域植被在時間和空間上的變化規律。

(2)植被NPP的變化與氣候因子、人類活動等有著密切的關系。一般而言, 海南植被指數的變化受溫度的影響大于降水。2000—2015年海南年平均降水量1068—2297mm之間, 多年均值1884mm；平均溫度23.4—25.5℃之間, 多年均值24.6℃。氣候變化通過溫度、降水、擾動格局等變量的綜合干擾, 影響植物生產力[20], 而人類活動主要通過用地方式的改變來體現, 土地利用變化則直接改變生態系統的類型、結構和功能, 從而改變植被生產力[13,21]。在海南不同區域植被NPP的變化受氣候和人類活動影響的程度存在差異。如, 海南中部山區屬于典型熱帶雨林區, 主要分布在五指山、霸王嶺、尖峰嶺、吊羅山、黎母山等中部山區, 植被類型以低地雨林、山地雨林、溝谷雨林為主, 優勢種類有龍腦香科、桑科、大戟科、桃金娘科、無患子科、橄欖科、肉豆蔻科、梧桐科及棕櫚科等。該區域20世紀80年代政府開始實行保護、恢復和發展并重的方針, 采取封山育林措施, 停砍天然林, 熱帶森林面積得到一定程度的恢復, 該區域的植被NPP一致處于增加趨勢, 植被NPP的變化受溫度和降水的影響較大；而海南的西部區域植被NPP出現下降, 主要是溫度高、降水量少導致的, 如在海南島西部的昌江、樂東、東方等地, 植被NPP的變化與降水和溫度變化相關性較大。而對海南島海岸帶而言, 人類活動對其植被NPP產生了影響較大。如, 海南島東部的文昌、瓊海、萬寧等地的部分海岸帶, 由于沿海經濟開發強度的增大, 致使沿海防護林帶邊造邊毀, 大大削弱了海防林的防護功能, 也是局部NPP出現下降的主要因素。海岸帶是生態環境敏感脆弱區域, 應合理規劃、重點保護, 降低沿海經濟開發強度, 加大沿海防護林帶建設和保護。

圖4 海南2000—2015年NPP線性傾向率

Figure 4 Linear regression slope of NPP of Hainan Province during 2000-2015

圖5 海南2000—2015 年NPP變化率

Figure 5 Changing percentages of vegetation NPP of Hainan province during 2000-2015

(3)海南植物種類繁多, 生長速度不一致；同時海南整個區域存在不同的氣候區[22]。如在海南島西部沿海一帶干旱頻繁發生, 植被為灌木林及桉樹林, 土地沙化嚴重。因此, 在不同區域影響植被NPP變化的主要原因也略有不同。如在氣候因子對植被的影響方面, 前人研究表明[17]: 海南植被指數的變化受溫度的影響大于降水。根據實際情況而言, 海南植被指數的變化是氣候變化、環境和人類活動等多種因素共同作用的結果, 因此, 研究海南植被NPP變化的主因時, 要根據不同區域開展具體的分析。

(4)海南是我國最大的經濟特區, 地理位置獨特, 擁有全國最好的生態環境, 同時又是相對獨立的地理單元, 海南植被凈初級生產力的變化監測具有重要的意義。但未結合土地利用類型數據具體分析海南植被NPP變化的原因, 存在不足。下一步將利用土地利用類型數據, 進一步定量分析氣候因子和人類活動等的因素對海南不同區域植被NPP變化的貢獻率研究。

4 結論

基于海南省MODIS NPP數據集, 分析了海南植被凈初級生產力時空分布特征, 結論如下:

(1)2000—2015年海南省植被凈初級生產力(NPP)呈現整體微弱的上升趨勢, 植被NPP變化范圍為794.5—998.3 gC·m–2, 平均值886.2 gC·m–2。

(2)從空間分布看, 海南2000—2015年平均植被NPP分布呈現中高四周低的趨勢, 主要是植被分布類型導致的差異。因為海南植被的構成有杉木林、桉樹林、橡膠林、松樹林、木麻黃、灌木林、薪碳林、闊葉林、其他經濟林等, 由于植被種類的不同, 空間上存在差異。如, 在海南中部山區屬于熱帶雨林, 以闊葉林為主, 加上保護的較好, 所以植被NPP整體偏高。

(3)植被NPP變化是氣候變化、環境和人類活動等多種因素綜合作用的結果, 其中氣候變化和人類活動是植被NPP變化的主要驅動因素, 但在海南而言, 其對不同區域的影響程度卻存在差異, 如在海南海岸帶, 人類活動是影響植被NPP變化的主因；在中部山區, 溫度和降水等的變化則是影響植被NPP變化的主因。

[1] 符國基. 海南生態省生態可持續發展定量研究—生態足跡方法的應用[J]. 農業現代化研究, 2006, 27(1): 11–16.

[2] 吳珊珊, 姚治君, 姜麗光, 等. 基于MODIS的長江源植被NPP時空變化特征及其水文效應[J]. 自然資源學報, 2016, 31(1): 39–50.

[3] 王強, 張廷斌, 易桂花, 等. 橫斷山區2004—2014年植被NPP時空變化及其驅動因子[J]. 生態學報, 2017, 37(9): 3084–3095.

[4] 張鐿鋰, 祁威, 周才平, 等. 青藏高原高寒草地凈初級生產力(NPP) 時空分異[J]. 地理學報, 2013, 68(9): 1197–1211.

[5] LIETH H. Modeling the primary productivity of the world[J]. Nature and Resources, 1972, 8(2): 5–10.

[6] 周廣勝, 張新時. 自然植被凈第一性生產力模型初探[J]. 植物生態學報, 1995, 19(3) : 193–200.

[7] RAICH J W, RASTETTER E B. Potential net primary production in South America[J]. Ecological Applications, 1991, 1: 399–429.

[8] RUNNING S W, HUNT E R J. Generalization of a forest ecosystem process model for other biomes, BIOME-BGC and an application for global-scale models[M]. Scaling Physiological Processes: Leaf to Globe. New York: Academic Press, 1993: 141–158.

[9] BONAN G B. Land-atmosphere CO2exchange simulated by a land surface process model coupled to an atmospheric general circulation model[J]. Journal of Geophysical Research, 1995, 100(D20): 2817–2831.

[10] POTTER C S, RANDERSON J T, FIELD C B, et al. Terrestrial ecosystem production: a process model based on global satellite and surface data[J]. Global Biogeochemical Cycle, 1993, 7(4): 811–841.

[11] 劉建鋒, 肖文發, 郭明春, 等. 基于3-PGS模型的中國陸地植被NPP格局[J]. 林業科學, 2011, 47(5): 16–22.

[12] 劉琳, 李月臣, 朱翠霞, 等. 2001年—2010年年重慶地區植被NPP時空變化特征及其與氣候因子的關系[J]. 遙感信息, 2013, 28(5): 99–108.

[13] 王芳, 汪左, 張運. 2000—2015年安徽省植被凈初級生產力時空分布特征及其驅動因素[J]. 生態學報, 2018, 38(8): 2754–2767.

[14] 李登科, 范建忠, 王娟. 基于MOD17A3 的陜西省植被NPP變化特征[J]. 生態學雜志, 2011, 30(12): 2776–2782.

[15] 周才平, 歐陽華, 王勤學, 等. 青藏高原主要生態系統凈初級生產力的估算[J]. 地理學報, 2004, 59(1): 74–79.

[16] 郭曉寅, 何勇, 沈永平, 等. 基于MODIS資料的2000—2004 年江河源區陸地植被凈初級生產力分析[J]. 冰川凍土, 2006, 28(4): 512–518.

[17] 羅紅霞, 王玲玲, 曹建華, 等. 海南島2001—2014年植被覆蓋變化及其對氣溫降水響應特征研究[J]. 西南農業學報, 2018, 31(4): 856–861.

[18] UCHIJIMA Z, SEINO H. Agroclimatic evaluation of net primary productivity of natural vegetations(1) Chikugo model for evaluating net primary productivity[J]. Journal of Agricultural Meteorology, 1985, 40(4): 343–352.

[19] 王新闖, 王世東, 張合兵. 基于MOD17A3 的河南省NPP時空格局[J]. 生態學雜志, 2013, 32(10): 2797–2805.

[20] 王紹強, 劉紀遠. 土壤碳蓄積量變化的影響因素研究現狀[J]. 地理科學進展, 2002, 17(4): 528–534.

[21] 劉軍會, 高吉喜. 氣候和土地利用變化對北方農牧交錯帶植被NPP變化的影響[J]. 資源科學, 2009, 31(3): 493–500.

[22] 車秀芬, 張京紅, 黃海靜, 等. 海南島氣候區劃研究[J]. 熱帶農業科學, 2014, 34(6): 60–65.

Study on the spatial-temporal variation characteristics of vegetation net primary productivity in Hainan province

LIU Shaojun, LI Weiguang, CHEN Xiaomin, TONG Jinhe

Hainan Institute of Meteorological Sciences/Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China

Hainan, separated from mainland by the Qiongzhou Strait, is an isolated and southernmost province of China featured with a characterized ecological environment. Vegetation net primary production (NPP) is an important indicator to evaluate the health status and the ecosystem sustainable development level. Based on the MODIS NPP data set covering Hainan Province from the year of 2000 to 2015, the temporal and spatial distribution features of net primary productivity (NPP) in Hainan Province were studied by using trend line analysis and correlation analysis. The results showed that: (1) The net primary productivity (NPP) of vegetation in Hainan Province was on a weak upward trend. The annual average NPP ranged from 794.5 to 998.3 gC·m–2, with an average annual value of 886.2 gC·m–2. (2) The average NPP spatial distribution of Hainan was on an increasing trend in the middle mountain, while on a decreasing trend in the coast; the annual average NPP > 1000 gC·m–2was mainly distributed in the central mountainous areas of Hainan, while the annual average NPP < 600 gC·m–2was mainly distributed in the western and northern coastal zones. (3) Climate change and human activities were the main driving factors of NPP change, but there were differences impact in different regions. The above research would provide reference for ecological environment protection and assessment in Hainan Province.

vegetation; net primary productivity; spatial-temporal; Hainan

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.008

P49

A

1008-8873(2019)05-052-06

2018-10-02;

2019-04-29

國家自然科學基金(41765007, 41465005, 41265007, 41675113); 海南省自然基金項目(20154172, 409005)

劉少軍(1980—), 男, 湖北天門人, 博士, 正研高工, 主要從事生態遙感應用研究, E-mail: cdutlsj@163.com

劉少軍

劉少軍, 李偉光, 陳小敏, 等. 海南植被凈初級生產力時空分布特征研究[J]. 生態科學, 2019, 38(5): 52-57.

LIU Shaojun, LI Weiguang, CHEN Xiaomin, et al. Study on the spatial-temporal variation characteristics of vegetation net primary productivity in Hainan province[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 52-57.