中國陸地植被生態系統NPP空間格局變遷分析

孫金珂 牛海鵬 袁 鳴

(1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院, 焦作 454000; 2.河南省測繪工程院， 鄭州 450003)

0 引言

在全球氣候變化響應研究中，監測長時間序列綠色植被活動的年際變化特征是理解和模擬生態系統動態變化特征的重要手段[1-5]。目前，全球變暖給全球資源配置和農業生產帶來了不可忽視的影響，綠色植被作為陸地生態系統中不可或缺的一部分，對全球變化具有極其重要的反饋作用，環境變化會導致森林減少[6]、土壤沙化、草地退化[7]等。我國陸地面積遼闊、生態系統多樣，在全球氣候變化的大背景下，研究我國陸地植被生態系統長時間序列的變化趨勢，對我國合理配置資源、提高生產力水平、采取趨利避害的生態環境保護措施，以及促進社會經濟的穩定發展具有重要意義。

陸地植被凈初級生產力(NPP)是研究生態系統中物質與能量運轉的基礎，NPP是指植物在初級生產過程中，單位時間和單位面積積累的有機物質總量，受多方面因素的影響，如氣候、土壤類型、養分含量、CO2濃度等[8-10]。假設在其他因子處于最佳狀態，充分利用光、熱、水氣候資源時，將單位面積土地上可能獲得的最高生物學產量或農業產量稱為氣候生產潛力[11-13]。氣候生產潛力計算模型有多種，在眾多研究中認為Thornthwaite Memorial(TW)模型[14-17]屬于統計經驗模型，將其作為潛在氣候生產力模型模擬潛在NPP；周廣勝-張新時(ZGS)模型[18-21]將植被生產力與氣溫、降水等聯系起來，有利于研究氣候變化與植被的相互作用關系，模擬生產力模型與實際較為接近[22-24]，因此通常將其模擬結果作為實際值。本研究運用TW模型和ZGS模型分析全國以及各陸地植被(農田、森林和草地)潛在生產力、實際生產力時空分布及其變化規律，研究近16年全國氣候生產力的時空演變特征，并分析實際生產力與潛在生產力之間的相關關系，為指導全國充分利用氣候資源、提高生產力水平及促進農業可持續發展提供科學依據。

1 數據源

采用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)，該平臺提供中國1980年以來逐年年平均氣溫、年降水量空間插值數據集，是基于全國2 400多個氣象站點的日觀測數據，通過整理、計算和空間插值處理生成，本研究采用2000—2015年的溫度、降水量數據，年平均氣溫單位為℃，年降水量單位為mm，空間分辨率為1 km。

采用2000、2005、2010、2015年的中國土地利用現狀遙感監測數據，基于Landsat遙感影像解譯得到的1 km柵格數據，是目前我國精度較高的土地利用遙感監測數據。由于植被的年變化量不大，通過2000年代表2000、2001、2002、2003年的土地利用，2005年代表2004、2005、2006、2007年的數據，2010年代表2008、2009、2010、2011年的數據，2015年代表2012、2013、2014、2015年的數據。此產品將土地利用覆蓋類型劃分為6類，分別為耕地、林地、草地、水體、居民地和未利用土地。利用其分類標準將土地利用數據劃分為森林生態系統、草地生態系統、農田生態系統等，為后續研究各陸地植被生態系統NPP年際變化提供數據支撐。

2 研究方法

2.1 氣候生產力模型

2.1.1Thornthwaite Memorial 模型

Thornthwaite模型基于蒸騰蒸發量(ET)與氣溫、降水和植被之間的關系，建立了NPP與ET之間的統計關系；在此基礎上，LEITH等[25]根據世界5個大洲50個不同地點的植被凈初級生產力資料，在1975年提出了TW模型。此模型考慮的氣候要素較為簡單，且能夠較好地反映氣溫、降水量和蒸散量等影響植物生長發育的關鍵因子，擬合度較高，其計算式為

NPPT=3 000[1-e-0.000 969 5(v-20)]

(1)

(2)

L=300+25y+0.05y3

(3)

式中NPPT——由蒸散量決定的植被氣候生產潛力，g/m2

v——年均實際蒸散量，mm

r——年均降水量，mmy——年均溫度，℃

L——年均最大蒸散量，mm

2.1.2周廣勝-張新時模型

周廣勝、張新時根據植物生理生態學特點，基于能量平衡方程和水量平衡方程的區域蒸散模式，建立了結合植物生理生態學特點和水熱平衡關系的自然植被凈第一性生產力模型，計算式為

(4)

其中Rn=rRrdiLi

(5)

(6)

(7)

(8)

Li=597-0.6T

(9)

式中t——日均溫，℃T——月均溫，℃

BT——生物溫度,℃

Rn——年凈輻射，mm

Rrdi——輻射干燥度

Li——蒸發潛熱，kJ/g

Ppet——可能蒸散量，mm

Pper——可能蒸散率

2.2 變化斜率法

為研究2000—2015年全國NPP的時間序列變化趨勢，在采用上述兩種方法計算NPP結果的基礎上，采用變化斜率法對其結果的年際變化進行模擬，計算式為

(10)

式中k——變化斜率n——時間年數

Ai——第i年每一個柵格像元內的NPP值

k為正，表明NPP呈增加趨勢；k為負，表明NPP呈降低趨勢。

3 結果分析

3.1 TW模型模擬潛在NPP

3.1.1全國潛在NPP空間分布

TW模型對中國氣候生產潛力計算值如圖1所示。由圖1可知，2000—2015年全國氣候生產潛力年際變化較大，整體呈輕微下降趨勢，近16年平均值為899.40 g/m2，其中2012年達到最大，為945.54 g/m2，2015年最小，為794.49 g/m2。在整體呈減少的趨勢下，全國潛在NPP反復波動，2009—2010年增加明顯，增加了80.78 g/m2；2012—2015年減小明顯，減小了151.05 g/m2。

圖1 2000—2015年全國NPP年均值Fig.1 Annual average of NPP in China from 2000 to 2015

圖2為基于TW模型的NPP均值空間分布，由于不同年份氣候因子、地形因子、物候特征以及植被種類的不同，使得全國潛在生產力的空間分布也有所不同。全國范圍內，潛在NPP出現明顯的區域差異，呈“南高北低”的分布差異，由東南向西北呈逐漸遞減趨勢，分布狀況始終保持不變。西北干旱區域潛在NPP低于全國平均水平，基本處于600 g/m2以下；而秦嶺-淮河以南地區潛在NPP較高，基本分布在1 200 g/m2以上。從氣候生產潛力年際的區域分異特征來看，由大到小依次為華南區域、西南地區、華中地區、華東大部分地區、東北地區、華北地區、青藏高原地區、西北干旱區。

圖2 基于TW模型模擬的全國2000—2015年NPP空間分布Fig.2 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on TW model

根據近16年歷年潛在NPP的變化可知，2000—2002年華南地區氣候潛在生產力明顯增加，高值區域擴張顯著，以廣西壯族自治州為中心，迅速向四周擴張，蔓延至湖南、廣東、江西等省，這也致使氣候潛在生產力增加；而北部區域變化較不明顯，只有東北地區呈輕微增加趨勢。自2003年開始，南方地區氣候潛在生產力高值區域出現縮減，該縮減態勢持續到2009年，期間北方地區仍然呈小范圍波動，其中2008年南方出現特大暴雪災害，致使2009年全國平均氣候生產潛力持續較少。隨著災后恢復，2009—2010年南方高值區域又迅速擴張，致使年均值出現回升；2010年初，我國云南、廣西等省份發生特大旱災，6月末，湖南、江西等地發生洪災、湖南湘江遭遇新世紀最大洪峰，這些災害的發生，必然會對綠色植被的生長造成巨大影響，因此2010—2011年南方氣候生產潛力高值區域較少，也必然會影響全國平均值的降低。2011年之后秦嶺-淮河以南區域，氣候潛在生產力開始出現增長，高值區域開始向東部地區擴張，由西南地區逐漸擴張到華南、華東地區。

綜上所述，近16年全國氣候生產潛力整體呈南高北低、由南向北逐漸遞減、南部變化大、北部變化緩慢等特點。且從近16年全國氣候生產潛力空間分布來看，藏南地區氣候生產潛力相對于周邊地區偏高，原因是西藏東南部地區森林覆蓋率達90%以上，有資料顯示該區域溫暖而多雨，年平均降水量在9 000 mm以上，是世界上降水量最大的地區之一。由此可見在其他氣候條件一定的情況下，降水量對氣候生產力的影響較大。

3.1.2陸地植被生態系統潛在NPP空間分布

為了解陸地生態系統NPP空間變化動態，利用2000、2005、2010、2015年土地利用數據分類系統(耕地、林地、草地)將全國NPP分為農田、森林、草地生態系統潛在NPP，并分別從數值和空間分布上分析各陸地生態系統近16年年際變化、波動趨勢及空間變化特征。基于TW模型和ZGS模型，2000—2015年草地生態系統、農田生態系統、森林生態系統的NPP如表1所示。

表1 基于TW模型和ZGS模型的各生態系統NPPTab.1 NPP of each ecosystem based on TW model and ZGS model g/m2

由表1可知，潛在年均NPP由小到大為草地生態系統、農田生態系統、森林生態系統，且2000—2015年各生態系統NPP都存在一定范圍內的波動，多年變化斜率依次為-0.69、-2.19、-0.03，說明各陸地植被生態系統NPP總體均呈輕微下降趨勢，其中農田生態系統NPP下降速度較其他兩類生態系統下降速度較快。在空間分布上，農田生態系統、森林生態系統和草地生態系統潛在NPP均呈“南高北低”狀態。農田NPP高值區域主要分布在我國南部中部地區，2000—2005年河南、山東、山西NPP增加較快，2005—2015年華北平原NPP又出現減少趨勢，特別是作為我國主要作物生長區的河南、山東地區較為明顯。森林生態系統同樣出現分層現象，從南到北逐漸遞減，西藏南部區域一直處于高值區域，近16年空間分布幾乎不變，但就數值上看，有輕微下降趨勢，并保持該趨勢繼續減少。草地生態系統從東南地區向西北地區逐漸降低，直至新疆西北部，NPP又出現回升，該區域的雪山融水以及氣候條件更有利于草地的生長。

3.2 ZGS模型計算NPP空間分布

3.2.1全國實際NPP空間分布

根據ZGS模型對我國氣候生產潛力計算得出，從數值上來看(圖1實際NPP)，2000—2015年全國氣候實際生產力年際變化趨勢與潛在生產力變化趨勢一致，整體處于下降趨勢。近16年平均值為550.52 g/m2，最大值出現在2007年，為583.75 g/m2，超出多年平均值33.23 g/m2；2011年達到最小，為513.94 g/m2。2002—2003年、2007—2008年呈下降趨勢，該階段變化趨勢與TW模型模擬結果相反，其余年份波動情況則完全一致。2000—2015年氣候實際生產力的變化斜率為-1.516 8，表明近16年氣候實際生產力有不明顯的下降趨勢，其中2002年和2010年達到波峰期，2015年達到波谷期。

圖3為基于ZGS模型的NPP均值空間分布，與圖2對比可得，實際NPP的空間分布與潛在NPP結果較為一致，存在明顯的區域差異，由東南向西北呈逐漸遞減趨勢，且近16年分布狀況始終保持不變。從區域分異特征來看，由大到小依次為華南地區、西南地區、華中地區、華東大部分地區、東北地區、華北地區、青藏高原地區、西北干旱區。但是高值區域范圍有所不同，基于ZGS模型模擬的南方地區實際生產力明顯高于基于TW模型模擬的結果，范圍較廣。高值區域不僅包括云南省、廣西壯族自治區、海南省、臺灣省以及藏南南部，還包括廣東省、福建省、貴州省、江西省、湖南省以及藏南大部分地區。而新疆西北部NPP處于600～800 g/m2區域較少，大多處在400～600 g/m2之間，且北方地區近16年實際生產力變化較為緩慢，無論是區域還是數值都較南方變化小。同樣地，實際生產力的變動在空間上也存在幾個波動，2000—2002年華南地區高值區域擴張顯著，迅速擴張至華南大部分地區，而北部地區在空間分布上幾乎沒有變化。2003—2009年南方地區氣候實際生產力高值區域出現縮減，但與TW模型模擬結果相比該縮減速度明顯減緩，東北三省NPP在600～800 g/m2范圍內的區域相對增加，而藏南地區高值區域未受到任何影響。2009—2010年南方高值區域又迅速擴張，擴張范圍較大，整個華南地區均出現大于1 400 g/m2高值區域；2010年，我國南方多數地區出現洪澇災害，南方氣候生產力高值區域較少，致使2011年實際生產力出現驟降。2011年之后秦嶺-淮河以南區域，氣候實際生產力開始出現增長，高值區域開始向東部地區擴張，由西南地區逐漸擴張到華南、華東地區，中部地區如河南省處于600～800 g/m2范圍內的區域也越來越多。

圖3 基于ZGS模型模擬的全國2000—2015年NPP空間分布Fig.3 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on ZGS model

3.2.2陸地植被生態系統實際NPP空間分布

利用2015年土地利用數據分類系統(耕地、林地、草地)將全國實際NPP分為農田、森林、草地生態系統實際NPP(圖4)，并分別從數值和空間分布上分析各陸地生態系統近16年年際變化、波動趨勢及空間變化特征。由表1可知，實際NPP在數值上與潛在NPP一致，由小到大依次為草地生態系統、農田生態系統、森林生態系統，但采用ZGS模型模擬的各生態系統NPP均低于基于TW模型模擬的結果。草地、農田和森林生態系統多年變化斜率依次為-0.69、-2.19、-0.03，說明各陸地植被生態系統NPP總體均呈輕微下降趨勢，草地生態系統和農田生態系統減少速率較慢，尤其是森林生態系統實際NPP幾乎保持不變。而在空間分布上，各生態系統均呈由東南向西北逐漸降低的地理分層，近16年各生態系統空間分布幾乎保持不變。但多年來由于氣候變暖、自然災害以及人為破壞，使得生態系統污染嚴重，該結果很好地驗證了這一現象，對于制定生態安全保護政策以及加強公眾的環保意識有一定的促進作用。

圖4 2000—2015年各個生態系統平均NPP分布圖Fig.4 Average distributions of NPP in each ecosystem from 2000 to 2015

3.3 TW模型與ZGS模型計算結果相關性分析

近16年全國NPP以及陸地生態系統潛在生產力和實際生產力的空間分布如圖5所示。由圖5可知，基于2個模型得出的NPP具有較好的一致性，決定系數為0.770 7。

圖5 2000—2015年TW模型和ZGS模型所得均值結果相關性Fig.5 Correlation between mean results of TW model and ZGS model from 2000 to 2015

盡管草地生態系統模擬結果相關性較低，但從整體上看，模擬結果相關性極高，表明通過結合2個模型模擬全國生態系統NPP，能夠彌補單個模型使用時在空間或時間分析上的不足，更好地揭示NPP的時空分布特征。

圖6為2000—2015年1 km×1 km柵格內采用變化斜率法計算的年均NPP變化趨勢。由圖可知，基于TW模型計算的氣候生產潛力在東北三省、西北干旱區、華南地區變化斜率大于0，說明該區域潛在NPP的變化呈上升趨勢且增加較快，在未來短期時間內，仍有可能繼續增加并保持該趨勢。就局部變化來看，在中部地區如河南省、山東省、陜西省、山西省、河北省，西北地區如甘肅省、內蒙古自治區和新疆北部地區以及重慶市、貴州省、西藏自治區等地區變化斜率小于零，表明近16年來潛在NPP在該區域呈減小趨勢，并且在未來短時間內仍有可能繼續減小。基于ZGS模型計算的實際生產力變化斜率與基于TW模型的計算結果較為一致，年尺度NPP變化的空間有相似之處，變化斜率小于0的地區主要分布在河南省、山東省、山西省和河北省以及貴州省，而在東北三省以及華南大部分地區變化斜率大于0，其余地區變化斜率穩定在0左右，出現小幅度的變動。基于TW模型計算的變化斜率最高值為13.1，小于基于ZGS模型計算的變化斜率最高值，且最高值、最低值分布區域不同，基于TW模型計算結果NPP增加最快的區域為吉林省西部區域以及新疆西部區域，而基于ZGS模型增加最快的區域則是在臺灣省、云南省西部、廣東省西部以及廣西壯族自治區東部地區；基于TW模型計算結果NPP減少最快的地方在中部地區，而基于ZGS模型減少最快的地區主要分布在藏南地區。

圖6 2000—2015年全國NPP變化斜率Fig.6 National changing rates of NPP from 2000 to 2015

統計全國范圍內潛在NPP變化斜率總和，基于TW模型計算的氣候生產潛力變化斜率總和為-0.776 6，基于ZGS模型計算的實際生產潛力變化斜率總和為-1.309 5，由此可見，基于這兩種方法計算的全國NPP較為一致，均為負值，說明全國氣候生產力增加區域小于減少區域，因此全國氣候生產潛力整體呈較少趨勢，并在未來一段時間內仍然呈減少態勢，但是變化率總和絕對值在1附近，表明雖全國NPP整體上有減少趨勢，但變化并不明顯。

4 結束語

以2000—2015年全國的溫度和降水量為基礎，利用TW模型和ZGS模型計算全國潛在凈初級生產力和實際凈初級生產力，從陸地植被生態系統角度，分析NPP年際變化、波動趨勢以及空間變化特征，并評價實際生產力和潛在生產力之間的相關性。研究表明，基于TW模型和ZGS模型模擬的全國潛在NPP和實際NPP空間格局以及變化趨勢具有相似性，決定系數為0.770 7，森林生態系統、農田生態系統、草地生態系統也呈一定的相似性；我國植被凈初級生產力在空間分布上主要呈“南高北地”的狀態，并且由東南向西北呈逐漸遞減趨勢；近16年全國植被潛在生產力和實際生產力均呈緩慢下降趨勢，在不采取任何措施的前提下，在未來一段時間將保持縮減趨勢；在空間分布上，NPP高值區域都有不同程度的縮減，但變化不明顯。