2004-2015年湖北省植被NPP時空分布特征及其與氣候因素關系

車 風, 黃國清, 劉 韜, 田艷紅, 徐慶華, 鄒秀瓊, 聶 荔

(1.湖北省航測遙感院, 武漢 430074; 2.湖北省測繪工程院, 武漢 430074)

植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity, NPP)指綠色植物在單位時間、單位面積內，所累積的有機干物質總量，是在光合作用下，產(chǎn)生的有機質總量(Gross Primary Productivity,GPP)扣除自養(yǎng)呼吸(Autotrophic respiration,RA)所消耗的部分有機質后剩余的部分[1]。植被凈初級生產(chǎn)力作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)與能量流動的重要組成部分[2]，不僅反映了植被在自然條件下的生產(chǎn)能力，同時在生態(tài)變化、碳循環(huán)中扮演了重要角色，是評價生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)服務價值，反映氣候變化與人類活動對植被協(xié)同作用的關鍵指標[3-5]。

近年來，隨著遙感觀測技術和數(shù)據(jù)處理能力的迅猛發(fā)展，國內外學者在全球范圍內對區(qū)域植被生長狀況、生物量估算、環(huán)境監(jiān)測等領域進行廣泛應用和驗證，取得了較好的效果。在全國、省域等空間尺度上，國內學者利用GLO-PEM，MOD17A3等數(shù)據(jù)集對植被NPP與氣候、地形等要素之間的響應關系也進行了模擬研究。國志興等[6]基于EOS MODIS衛(wèi)星遙感資料，分析了2000—2006年東北地區(qū)植被年NPP的時空特征及其影響因素，認為降水是影響東北地區(qū)植被NPP變化的主要因素。李登科等[7]利用2000—2006年MOD17A3數(shù)據(jù)集定量分析了陜西省植被NPP的時空變化特征，陜西省呈現(xiàn)北低南高，關中、陜南呈現(xiàn)西高東低的趨勢，全省NPP線性變化趨勢以增加為主。崔林麗等[8]分析了2001—2010年中國東南部植被NPP的時空變化格局以及與氣候要素的關系，總體上呈現(xiàn)從南往北、由東到西逐漸遞減的格局，植被NPP與氣候要素表現(xiàn)出明顯的地域差異性。上述研究提高了對區(qū)域植被NPP與碳循環(huán)影響機制的認識，深入研究在不同因素(植被類型、氣候、地形條件等)影響下植被NPP的差異變化，能夠為植被NPP與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供科學依據(jù)和理論參考。

近年來，國內多位學者對湖北全省范圍或范圍內不同地區(qū)、不同時期的植被NPP變化進行了探索研究，但對其影響因素的研究卻較少見。趙林等[9]分析了2001—2010年干旱對湖北省森林植被凈初級生產(chǎn)力的影響，認為湖北省氣象干旱范圍和強度對森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力影響顯著。陳濤等[10]基于CASA模型對武漢市生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力進行了遙感估算。這些研究缺少對湖北省植被NPP影響因素的系統(tǒng)性分析。鑒于此，本文利用MOD17A3H數(shù)據(jù)、湖北省及其周邊省份氣象站點氣溫、降水和地形數(shù)據(jù)，對湖北省植被NPP時空變化特征以及與各驅動因素之間的相互關系進行分析研究，以期為湖北省區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價、發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

湖北省介于北緯29°05′—33°20′，東經(jīng)108°21′—116°07′，地處長江中游，地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)洌鳌⒈薄|三面被武陵山、巫山、大巴山、武當山、桐柏山、大別山、幕阜山等山地環(huán)繞，山前丘陵崗地廣布。漢江自西北向東南，匯入長江，在湖北中南部形成江漢平原，與湖南洞庭湖平原連成一片。全省地勢呈三面高起、中間低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地區(qū)域。全省年均降水量為800～1 600 mm，年平均氣溫為15～22℃。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

NPP數(shù)據(jù)和地表覆蓋數(shù)據(jù)均來自美國國家航空航天局(NASA)的陸地過程分布式數(shù)據(jù)檔案中心，其中NPP數(shù)據(jù)為2004—2015年MOD17A3H數(shù)據(jù)集，空間分辨率為500 m，時間分辨率為1 a。MOD17A3H數(shù)據(jù)集是6.0版的NPP年度數(shù)據(jù)，相較于5.5版的MOD17A3數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集采用了新的生物屬性調查表(BPLUT)和新版的全球模型與融合室(GMAO)的日值氣象數(shù)據(jù)對NPP數(shù)值進行模擬，提高了NPP的估算精度[11]。該數(shù)據(jù)集已廣泛應用于不同地區(qū)的植被NPP和碳循環(huán)研究中[12-14]。地表覆蓋數(shù)據(jù)為土地覆蓋類型產(chǎn)品MCD12Q1，空間分辨率為500 m。本文選用馬里蘭大學(UMD)植被分類方案，分類準確性在65%～80%[15-16]，本文將該方案中14種土地類型進行適當合并，即將常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林、郁閉灌叢、開放灌叢合并為林地，多樹的草原、稀樹草原、草原合并為草地，作物歸為耕地，城市和建成區(qū)歸為城市用地，裸地或低植被覆蓋地、未分類區(qū)和填充值合并為其他。為降低研究區(qū)內土地覆蓋類型年際變化對植被NPP分析的影響，本文選用2004—2015年的中間年份2010年的土地覆蓋類型圖(圖1)對12年間的植被NPP進行分析。

圖1 2010年湖北省土地覆蓋類型

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務平臺提供的覆蓋湖北省及其周邊地區(qū)在內的72個站點的2004—2015年年均氣溫、年降水量數(shù)據(jù)，在ArcGIS中，經(jīng)過Kriging空間插值獲得與NPP數(shù)據(jù)投影、分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析 一元線性回歸分析法可以模擬逐個柵格像元的變化趨勢，通過長時間序列的單個像元的空間變化特征，綜合反映一定區(qū)域內植被NPP隨時間變化的趨勢及空間格局演變規(guī)律[17-18]。

(1)

式中：Slope為線性傾向值；n為研究時間跨度，n=12；NPPi為第i年的NPP值。當Slope>0時，表明隨時間i的變化，植被NPP呈上升趨勢，區(qū)域植被趨于正向發(fā)展，反之，植被NPP呈下降趨勢。Slope值的大小反映了上升或下降的傾向程度。

植被NPP的趨勢顯著性檢驗采用F檢驗，檢驗結果只代表趨勢變化可置信程度，與變化速率無關。F檢驗公式為：

(2)

2.2.2 相關分析法 相關分析法即計算兩個或兩個以上隨機變量之間的相關關系的統(tǒng)計分析方法，以探討兩者之間的相關性強弱，相關系數(shù)越大相關性越強[19-20]。植被NPP與氣象因子的相關系數(shù)計算公式如下:

2.3.4 課前安排案例情景劇，每周一演 學生收集有關護理安全、醫(yī)療糾紛的案例，設置簡單場景和道具，課前安排10分鐘時間進行表演和討論，教師點評。使學生融入案例氛圍，感同身受，增強其法律意識和風險防范意識。

(3)

2.2.3 地形要素重分類 為了更加深入地了解植被NPP對不同地形條件的響應，本文綜合考慮湖北省域內不同高程、坡度和坡向上植被NPP的分布規(guī)律，結合前人研究方法[21-22]，將高程、坡度和坡向3個地形要素進行了重分類(表1)。

表1 湖北省地形要素的重分類

3 結果與分析

3.1 湖北省植被NPP的時空變化格局

3.1.1 湖北省植被NPP時間變化特征 對全省范圍內植被NPP的逐年平均值進行統(tǒng)計可知(圖2)，2004—2015年湖北省植被NPP年均值的總體表現(xiàn)為上升趨勢，波動范圍集中在446.1～553.7 g C/(m2·a)，平均值為495.1 g C/(m2·a)。整體來看，湖北省植被NPP變化分為3個階段：2004—2005年為快速下降階段，從2004年的525.8 g C/(m2·a)快速下降到2005年的446.1 g C/(m2·a)，降幅達15.16%；2005—2012年為緩慢上升階段，增幅為6.37%；2012—2015年為快速上升階段，從474.5 g C/(m2·a)快速上升到553.7 g C/(m2·a)，增幅達16.69%。以上植被年均NPP值和變化趨勢與崔林麗等[8]分析的2001—2010年中國東南部植被NPP年際變化特征以及李登科等[23]分析的2000—2015年中國陸地植被NPP湖北地區(qū)植被NPP年均值基本一致。

圖2 2004-2015年湖北省年均NPP變化

3.1.2 湖北省植被NPP空間分布格局 2004—2015年湖北省植被NPP的空間分布具有較強的空間分異性規(guī)律，大體呈東、西部山區(qū)高，中部略低的狀態(tài)(圖3)。全省植被NPP大部介于400～600 g C/(m2·a)，占總面積的65.84%；小于400 g C/(m2·a)區(qū)域占總面積13.53%，主要位于武漢市中西部、鄂州市中部、孝感市中部和南部、荊州市大部地區(qū)、天門市和仙桃市大部地區(qū)以及黃石市、黃岡市、咸寧市、潛江市、荊門市、襄陽市、十堰市局部地區(qū)；神農(nóng)架林區(qū)大部地區(qū)、十堰市大巴山區(qū)、襄陽市荊山地區(qū)、恩施土家族苗族自治州建始縣和鶴峰縣部分地區(qū)、宜昌市興山縣、五峰縣部分地區(qū)、隨州市大洪山和桐柏山地區(qū)、咸寧市中東部地區(qū)、黃岡市大別山區(qū)等地植被NPP介于600～800 g C/(m2·a)，占總面積14.50%；僅有0.43%的面積植被NPP大于800 g C/(m2·a)，分別位于神農(nóng)架林區(qū)中部、宜昌西北部和十堰市西南部部分地區(qū)。

3.1.3 湖北省植被NPP的變化趨勢 為進一步分析研究區(qū)域總體的植被NPP變化趨勢，本文利用一元線性擬合的方法，得到2004—2015年研究區(qū)植被NPP的變化趨勢(圖4)，湖北省大部地區(qū)植被NPP增加趨勢明顯，占全省總面積的79.22%，其中增加趨勢特別明顯的區(qū)域主要位于咸寧市東北部，十堰市東北部和宜昌市北部地區(qū)；植被NPP減少區(qū)域占13.99%，主要分布在恩施土家族苗族自治州大部地區(qū)、以及以荊門市為中心的周邊地市；變化不明顯地區(qū)集中在水域以及植被NPP減少區(qū)域周邊，僅占6.79%。經(jīng)F檢驗，湖北省植被NPP的整體變化趨勢不顯著，這可能受氣溫、降水以及人為活動等因素影響，植被NPP值處于劇烈波動狀態(tài)，難以與時間變化做回歸分析。

圖3 2004-2015年湖北省植被NPP平均值空間分布

圖4 2004-2015年湖北省NPP變化線性趨勢

3.2 植被NPP與氣候因素的相關性分析

氣溫、降水是影響區(qū)域植被覆蓋特征變化的兩個主要自然因素，在一定程度上直接或間接地影響植被NPP的累積。本文對2004—2015年湖北省植被NPP與年均氣溫、年降水量進行逐像元相關性分析，結果如圖5所示。

圖5 2004-2015年湖北省植被NPP與年均氣溫和年降水量相關系數(shù)分布情況

全省植被NPP和年均氣溫主要呈正相關性，占全省面積的79.28%，其中有16.38%和9.23%的面積分別通過了p<0.10和p<0.05檢驗，恩施土家族苗族自治州、宜昌西南部、神農(nóng)架林區(qū)、十堰市西南部大巴山區(qū)、隨州市大洪山和桐柏山區(qū)、咸寧市南部等地區(qū)正向相關性較為顯著；與年均氣溫呈負相關性，占總面積的20.70%，其中有0.38%和0.11%的面積通過了p<0.10和p<0.05檢驗；

全省植被NPP和年降水量主要呈正相關性，占全省面積的59.07%，其中有14.85%和7.39%的面積分別通過了p<0.10和p<0.05檢驗，十堰市中部、襄陽市中部和西南部、宜昌市東南部、荊門市東部和西南部、孝感市西南部、天門市、潛江市、仙桃市西北部、荊州市中部和西北部以及黃岡市西北部等地區(qū)正向相關性較為顯著；與年降水量呈負相關性，占總面積的40.91%，其中5.03%和2.43%的面積通過了p<0.10和p<0.05檢驗。

可見，湖北省植被NPP與年均氣溫、年降水量的相關性呈現(xiàn)一定的地域差異性，在空間分布上，兩者之間具有明顯的互補性。在鄂西、鄂西南、鄂西北和鄂東南地區(qū)，植被生長主要受氣溫影響；而鄂中江漢平原以及鄂東南沿江平原受降水量的影響更為明顯；以荊門市、隨州市和孝感市北部為主的鄂北區(qū)域，受氣溫和降水的影響均十分明顯。

3.3 不同土地利用類型植被NPP對氣候的響應

本文重點研究林地、草地、耕地3種不同土地利用類型植被NPP與年降水量、年均氣溫的相關關系，分析氣候因子對3種不同土地利用類型植被NPP的影響，結果表明：耕地受年降水量的影響明顯，約有79.16%的面積與年降水量呈正相關；林地、草地對年均氣溫的響應高于其他土地利用類型，呈正相關性的面積分別占90.53%，90.54%。

進一步比較不同土地利用類型與年降水量、年均氣溫的相關系數(shù)平均值可以發(fā)現(xiàn)(表2)，不同土地利用類型與年均氣溫的相關系數(shù)平均值大小順序為：林地>草地>耕地，與年降水量的相關系數(shù)平均值大小順序為：耕地>草地>林地，主要是因為湖北省受亞熱帶季風性濕潤氣候影響，年均氣溫呈現(xiàn)南部高于北部、東部高于西部的特點，年降水量鄂東南、鄂西南向鄂西北呈現(xiàn)逐步遞減的趨勢。林地主要分布于鄂西、鄂西南、鄂西北、鄂北大洪山區(qū)和桐柏山區(qū)、鄂東北大別山區(qū)、鄂東南幕阜山區(qū)，降水相對充沛，林地又具有較強的水源涵養(yǎng)能力，降水對林地的影響并不突出，林地植被生長對氣溫變化相對敏感，氣溫成為影響林地NPP變化的主要驅動因子；草地多分布在林地周邊區(qū)域，與林地表現(xiàn)出相同的相關性特征；湖北省耕地大部分位于鄂北丘崗至鄂東南沿江平原和江漢平原一帶，區(qū)域內16個氣象站點的12 a平均氣溫的變化幅度介于±1.0℃以內，12 a平均降水量基本上高于900 mm，個別站點在800 mm，降水量的充沛，有利于耕地中植物的生長。

表2 3種土地利用類型植被NPP的比較

3.4 不同地形條件植被NPP對氣候的響應

湖北省不同高程帶的植被NPP與年均氣溫的平均相關系數(shù)主要表現(xiàn)為隨高程的增加，先增加后降低的趨勢(表3)，平均相關系數(shù)的峰值出現(xiàn)在1 500～2 000 m區(qū)域，最小值在<50 m地區(qū)。這可能是1 500～2 000 m區(qū)域的氣溫更適宜植物生長，隨著高程的逐步升高，氣溫逐漸下降，反而影響了植物對碳的積累；高程<50 m地區(qū)，氣溫較高，抑制了植物的生長。與年降水量的平均相關系數(shù)表現(xiàn)為隨高程的增加，逐步降低的趨勢。低于500 m區(qū)域表現(xiàn)為正相關性，最大值出現(xiàn)在高程小于100 m區(qū)域，高于500 m區(qū)域表現(xiàn)為負相關性，這主要是因為高程<200 m區(qū)域土地利用類型以耕地為主，與年降水量相關性較強，隨著高程增加，土地利用類型發(fā)生改變，從耕地逐步向林地轉變，與年降水量的相關性也逐漸降低。

表3 湖北省不同高程帶的植被NPP與氣候因子相關性比較

植被NPP隨坡度的變化總體上和NPP隨高程的變化模式類似。從表4中可以看出，植被NPP與年均氣溫的平均相關系數(shù)隨坡度的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，在坡度25°～35°達到峰值，坡度<2°地區(qū)平均相關系數(shù)最小；坡度<2°地區(qū)，植被NPP與年降水量的平均相關系數(shù)最大，其他坡度級上，相關性并不明顯。這與植被NPP在不同坡度上的分布趨勢基本相似，主要是由于坡度較大區(qū)域位于鄂西地區(qū)，人為活動少，土地侵蝕強度小，土地類型以林地為主，林地與氣溫的相關性較強；隨著坡度的增加，水分和營養(yǎng)物質易流失，碳積累受到限制，NPP較低，因此，在坡度較小區(qū)域，植被NPP與降水量的相關性反而更顯著。

表4 湖北省不同坡度帶的植被NPP與氣候因子相關性比較

除平坦地外，植被NPP與年均氣溫和年降水量的相關性在不同坡向上都表現(xiàn)為正相關性，但各坡向間差異不明顯(表5)。與年均氣溫相關性較顯著，與年降水量相關性不明顯。在平坦地上，與年均氣溫的平均相關系數(shù)最小，為-0.10；與年降水量的平均相關系數(shù)較顯著，為0.33。

表5 湖北省不同坡向的植被NPP與氣候因子相關性比較

4 討論與結論

4.1 討 論

本研究利用MOD17A3H時間序列數(shù)據(jù)分析湖北省植被NPP時空變化特征以及在不同土地利用類型、地形條件上植被NPP對年均氣溫和年降水量的響應，植被NPP的波動趨勢、均值與崔林麗[8]、李登科[23]等的研究基本相符。從植被NPP的空間分布特點來看，江漢平原、鄂東南沿江平原和漢江中游平原的植被NPP普遍低于其他地區(qū)，這些地區(qū)年降水量偏低，土地利用類型以耕地為主，多種植季節(jié)性較強的農(nóng)作物，如水稻、小麥等，這些作物的生態(tài)結構穩(wěn)定性較弱，受人類活動的影響較大，植被NPP低于全省平均水平；在神農(nóng)架林區(qū)，水熱條件好，森林覆蓋率高，完好保存了我國北亞熱帶的常綠落葉闊葉混交林，孕育了豐富的生物多樣性，自1986年神農(nóng)架國家級自然保護區(qū)建立，我國對神農(nóng)架林區(qū)實行了嚴格的保護，神農(nóng)架林區(qū)的固碳能力取得了顯著的成效[24]。

從氣候要素對植被NPP的影響來看，分析結果與崔林麗等[25]探討的氣候要素、厄爾尼諾/拉尼娜(El Nio/La Nia)事件對中國植被NPP的影響的相關研究結果相近，即在鄂西、鄂西南、鄂西北和鄂東南地區(qū)，植被NPP與氣溫呈現(xiàn)正相關性，與降水呈現(xiàn)負相關性。分析原因，可能是因為受氣溫較明顯的區(qū)域，如恩施土家族苗族自治州、神農(nóng)架林區(qū)、咸寧市南部等地區(qū)均為山區(qū)，植被覆蓋度高，年降水量為800～2 000 mm，氣溫的升高有利于提高微生物降解氮、磷速率，因此這些區(qū)域的植被NPP與氣溫具有較好的相關性；對于鄂中江漢平原以及鄂東南沿江平原一帶，其年均氣溫明顯高于西部地區(qū)，氣溫已不是限制植被生長的主要限制因素，這些地區(qū)，耕地面積大，多為季節(jié)性較強的農(nóng)作物種植區(qū)，作物主要是水稻、小麥，因此，降水對江漢平原和鄂東南沿江平原的植被生長至關重要，是主要的氣候影響因素；相比之下，以荊門市、隨州市和孝感市北部為主的鄂北區(qū)域，水熱條件并不理想，從其周邊的氣象站點觀測數(shù)據(jù)也可以看出，2004—2015年年均降水量為564～1 486 mm，年均氣溫為15.5～17.8℃，降水和氣溫分布不均勻，波動范圍較大，成為了該地區(qū)植被生長的兩個主要限制因子。

對比本研究與前人相關研究結果，說明MOD17A3H數(shù)據(jù)能夠應用于植被凈初級生產(chǎn)力監(jiān)測，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價等提供科學參考。

但本研究也存在一些不足：(1) 未考慮人為活動對植被NPP的影響。植被NPP變化是自然因素和人為因素綜合作用的結果，在經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，城市不斷擴張，不合理的用地方式，植被覆蓋類型的轉變，加劇了水土流失，導致了植被碳積累的損失，人為活動也是影響植被NPP變化的重要因素；(2) 植被NPP的監(jiān)測是一個長期動態(tài)的過程，往往需要幾十乃至上百年的時間，受數(shù)據(jù)源所限，本研究僅選用2004—2015年植被NPP作為研究對象，時間序列較短，在一定程度上制約了植被NPP演變規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。獲取更長時間序列的植被NPP數(shù)據(jù)，科學、合理地揭示氣候變化、人類活動對植被NPP影響規(guī)律和作用變化機理，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與治理提供參考借鑒是未來研究的重點。

4.2 結 論

(1) 從時間上分析，湖北省植被NPP年均值總體呈上升趨勢，2005年植被NPP年均值最小，最大值出現(xiàn)在2015年；從空間上分析，湖北省植被NPP的空間分布大體呈東、西部山區(qū)高，中部略低的態(tài)勢，全省植被NPP值大部介于400～600 g C/(m2·a)；全省植被NPP主要呈增加趨勢，占全省總面積的79.22%，主要分布在咸寧市東北部，十堰市東北部和宜昌市北部地區(qū)。

(2) 植被NPP與年均氣溫、年降水量的相關性呈現(xiàn)一定的地域差異性，在空間分布上，兩者之間具有明顯的互補性。

全省植被NPP和年均氣溫主要呈正相關性，占總面積的79.28%，呈負相關性區(qū)域占總面積的20.70%；全省植被NPP和年降水量主要呈正相關性，占總面積的59.07%，呈負相關性區(qū)域占總面積的40.91%。

(3) 年降水量與耕地呈明顯的正相關性，年均氣溫與林地、草地呈明顯的正相關性。與年均氣溫的平均相關系數(shù)大小順序為：林地>草地>耕地，與降水量的平均相關系數(shù)大小順序為：耕地>草地>林地。

(4) 在不同高程帶，植被NPP與年均氣溫的平均相關系數(shù)表現(xiàn)為隨高程的增加，先升后降的趨勢，平均相關系數(shù)的峰值出現(xiàn)在1 500～2 000 m區(qū)域，最小值在<50 m地區(qū)；與年降水量的平均相關系數(shù)表現(xiàn)為隨高程的增加，逐步降低的趨勢。

(5) 植被NPP在坡度上的變化與其在高程上的變化類似。植被NPP與年均氣溫的平均相關系數(shù)隨坡度的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，坡度25°～35°達到最大，坡度<2°地區(qū)平均相關系數(shù)最小；在坡度<2°地區(qū)，植被NPP與年降水量的平均相關系數(shù)最大，其他坡度級上，二者相關性并不明顯。

(6) 除平坦地外，植被NPP與年均氣溫和年降水量的相關性在不同坡向上都表現(xiàn)為正相關性，與年均氣溫相關性較顯著，而與年降水量相關性不明顯。