2005—2015年廣東省森林生態系統凈初級生產力時空變化特征

李國洋 徐啟恒 陳寬文 曹永超

（1 廣東省東莞市測繪院，東莞523129；2 廣東省東莞市不動產登記中心，東莞 523129）

0 引言

森林生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，對于全球碳平衡、CO2等溫室氣體上升，全球氣候變化等具有重要的作用。植被凈初級生產力（NPP）是指植被在單位時間、單位面積上累積的有機干物質總量，是進行光合作用產生的有機質總量減去呼吸消耗的能量剩余的部分[1-2]。森林植被NPP是森林生態系統碳循環過程重要指標和關鍵參數，可以評估植被的生產能力，同時可以衡量陸地生態系統的可持續發展，在全球氣候變化中具有重要的作用[3-4]。

MODIS衛星遙感數據具有高時間分辨率的優勢，在森林植被監測中已經得到了廣泛的應用。基于遙感估算的NPP已經成為森林植被監測的一個重要指標[5-6]。王培娟等[7]對長白山地區森林植被NPP的影響因子進行了敏感性研究，結果表明長白山森林植被NPP與溫度呈負相關與降水量無明顯關系。江洪等[8]基于MODIS遙感影像結合氣象數據對福建省2004 年森林生態系統植被凈初級生產力進行了模擬與分析，結果表明福建省森林生態系統NPP空間分布具有地域特征。趙鑫等[9]基于MODIS數據估算了內蒙古地區的森林植被NPP，結果表明內蒙古森林植被NPP具有空間異質性，由東向西、由北向南依次減小，不同植被類型也存在差異。李登秋等[10]研究了江西省森林植被NPP的動態變化特征和驅動因子，結果表明氣候變化等因素對森林植被NPP的動態變化有一定的影響。趙穎慧等[11]對黑龍江落葉松NPP與氣象因素關系研究，結果表明生長季NPP與月均氣溫、月均降水呈極顯著相關性。

廣東省地處我國華南地區，森林植被資源豐富?；贛ODIS估算的NPP，對2005—2015 年廣東省森林植被NPP的時空變化特征進行定量分析，研究成果對于森林生態系統生產力評估、氣候變化以及生態系統環境建設具有重要參考意義。

1 研究區概況

廣東省地處低緯度地區（圖1），橫跨熱帶和亞熱帶。全省的森林植被覆蓋率達57%，南部地區為熱帶常綠雨林季節，中部為南亞熱帶季風常綠闊葉林，北部南嶺地區主要為亞熱帶常綠闊葉林[12]。

圖1 研究區位置Fig. 1 Location of study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本文所使用的2005—2015年NPP數據來源于MODIS產品MOD17A3H（https://search.earthdata.nasa.gov/），該產品運用生物地球化學模型BIOME-BGC估算出全球陸地植被年NPP，已經在全球和區域NPP以及碳循環研究中得到廣泛應用。MOD17A3H產品中的數據質量信息文件（Npp_QC_500m）是8 bits位的二進制格式壓縮成整型數據的一個波段，使用MODIS陸地數據業務化產品質量評估工具（LDOPE Tools）把壓縮的二進制恢復為通常的十進制波段，即解碼[13]。8 bits位的第一位（MODLAND_QC bits）代表數據質量，第1 bit位數據解壓為十進制數據后，“0”代表Good Quality，“1”代表Other Quality。利用MRT軟件對MOD17A3H數據進行格式轉換、投影轉化以及重采樣處理，處理后的數據為TIF格式，投影為Albers等積圓錐投影，空間分辨率為500 m。最后利用質量信息文件，選擇質量好的像元參與分析。

土地利用數據（2005、2010和2015 年）來源于中國科學院資源與環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/），本研究中的森林植被就是土地利用分類體系中的林地。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://data.cma.cn/），主要包括氣溫和降水，為保證數據的一致性，選擇2005年建站以來的氣象站，利用廣東省以及周邊的氣象站點數據采用Anuspline 4.3氣象專用插值軟件進行插值，得到與NPP數據具有一致的空間分辨率和投影的溫度和降水柵格數據集。利用廣東省矢量邊界數據對NPP數據、氣溫和降水柵格數據進行裁剪，得到研究區內森林植被NPP、氣溫和降水的空間分布數據。

2.2 方法

NPP的變化趨勢采用Sen趨勢分析方法[14]，并用Mann-Kendall統計檢驗方法對NPP的變化趨勢進行顯著性檢驗。為了定量研究森林植被NPP與區域氣候因子的關系，使用Pearson相關系數方法[15]分析森林植被NPP與降水、氣溫之間的關系。

3 時空格局

3.1 廣東省2005—2015 年森林植被NPP 時間變化特征

2005—2015年，廣東省森林植被年NPP均值以及年NPP總量總體上均呈現波動上升的趨勢（圖2）。森林植被年NPP均值變化范圍是748.32～865.41 gC·m-2·a-1，平均值為816.46 gC·m-2·a-1，最大值是2013年，最小值是2 0 0 5 年；森林植被年N P P總量變化范圍是7.79×1013～-9.0 4×1013g C·a-1，平均值為8.61×1013gC·a-1，最大值是2013 年，最小值是2005 年。

3.2 廣東省2005-2015 年森林植被NPP 空間分布格局

圖2 2005—2015年廣東省森林植被年NPP均值變化趨勢Fig. 2 The mean change trend of forest vegetation NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015

圖3 2005—2015年廣東省森林植被年NPP均值空間分布（單位：gC·m-2·a-1）Fig. 3 The spatial distribution of forest mean NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015 (Unit:gC·m-2·a-1)

2005—2015年廣東省各市年NPP均值（多年的NPP均值）如圖3所示。2005—2015年，廣東省森林植被年NPP均值，高值主要分布在廣東省的中部與東部地區，潮州市、梅州市、河源市和肇慶市等，低值區主要分布在廣東省的北部地區和南部地區，韶關市、清遠市和湛江市等。潮州市年NPP均值最大（1009.53 gC·m-2·a-1）；其次為汕尾市（952.44 gC·m-2·a-1）；中山市和湛江市的年NPP均值最小，分別為589.65、572.87 gC·m-2·a-1。

3.3 廣東省2005—2015 年森林植被NPP 空間趨勢特征

為監測廣東省森林植被NPP變化趨勢，計算了2005—2015 年森林植被NPP的Sen趨勢，并進行Mann-Kendall檢驗，將結果劃分為無顯著變化和顯著變化（P＜0.05）兩個等級（圖4）。結果表明，廣東省森林植被NPP 有15.93%為無顯著變化區域，顯著上升和顯著下降區域分別為63.45%和20.62%；2005—2015年廣東省森林植被NPP呈顯著下降的區域主要分布廣東省北部地區的清遠市、韶關市、河源市、梅州市以及零星分布在南部的湛江市，NPP呈顯著上升的區域主要分布在廣東省的中南部地區茂名市、陽江市、云浮市等。

圖4 2005—2015年廣東省森林植被NPP變化趨勢與顯著性Fig. 4 The change trend and significance of forest vegetation NPP in Guangdong Province from 2005 to 2015

4 影響因素分析

4.1 廣東省年均氣溫及降水空間分布

分析2005—2015 年廣東省溫度和降水柵格數據可知：近11年來，廣東省年平均氣溫呈現南高北低的趨勢，尤其是湛江市年均溫度最高，清遠市和韶關市的林區溫度較低；年均降雨量最高的地區位于陽江市和江門市，年均降雨量最低的地區主要位于西部的云浮市和肇慶市、北部的韶關市以及東北部的梅州市和潮州市（圖5）。

4.2 氣候因素對NPP 的影響

對廣東省2005—2015 年氣象柵格數據和森林植被NPP數據進行相關性分析，得到氣溫和降水量與森林植被NPP相關系數的空間分布圖（圖6）。由圖可知，氣溫和降水對森林植被NPP均值的影響呈現明顯的空間分布特征。其中森林植被NPP與氣溫呈正相關的面積占總面積的14.36%，主要分布在北部地區的韶關市；呈負相關的面積占總面積的17.56%，主要零星分布廣東省的西南部地區的肇慶市、云浮市、佛山市、江門市、陽江市和茂名市等。森林植被NPP與降雨量呈正相關的面積占總面積的11.65%，主要零星分布在分布肇慶市、云浮市和茂名市；森林植被NPP與降雨量呈負相關的面積占總面積為39.24%。

廣東南部地區氣溫較高，能充分滿足植被生長，因此溫度與NPP相關不明顯；而北部地區為山區，氣溫較低，一旦溫度升高將有利于植被NPP的增加。降水與NPP相關圖中，西部降水量低值區隨著雨量增加，NPP也將增大；而中北部地區或雨量充沛可以滿足植被生長需求，或因山區多云雨日照少，因此過多的雨量反而不利于植被生長。

圖5 廣東省2005—2015 年年均氣溫（a）和年降水（b）空間分布Fig. 5 Spatial distribution of annual temperature (a) and precipitation (b) in Guangdong Province from 2005 to 2015

5 結論

1）時間趨勢上，2005—2015 年，廣東省森林植被年NPP均值以及年NPP總量總體上均呈現波動上升的趨勢。

2）空間分布上，2005—2015 年，廣東省森林植被NPP存在空間異質性。NPP年均最大值為潮州市，最低的地區是中山市和湛江市。

3）空間趨勢性上，2005—2015 年，廣東省森林植被NPP 有15.93%為無顯著變化區域，顯著上升和顯著下降區域分別為63.45%和20.62%；2005—2015年廣東省森林植被NPP呈顯著下降的區域主要分布廣東省北部地區，NPP呈顯著上升的區域主要分布在廣東省的中南部地區。

4）氣溫和降水對森林植被NPP的影響呈現明顯的空間分異特征。