2004-2015年賀蘭山自然保護(hù)區(qū)植被NPP時(shí)空變化與氣候響應(yīng)

李婷婷, 馬 超,2, 郭增長(zhǎng)

(1.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454003; 2.河南理工大學(xué) 自然資源部礦山時(shí)空信息與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 焦作 454003; 3.河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院, 鄭州 451464)

聯(lián)合國(guó)大會(huì)于2015年9月25日一致通過了題為“改變我們的世界：2030年可持續(xù)發(fā)展議程”的第70/1號(hào)決議，將保護(hù)、恢復(fù)和促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展(目標(biāo)15)列入全球17項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[1]。目標(biāo)15具體側(cè)重于可持續(xù)地管理森林、恢復(fù)退化的土地和成功防治荒漠化、減少退化的自然生境和結(jié)束生物多樣性喪失。基于遙感技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)序變化監(jiān)測(cè)和評(píng)估研究，可明確生態(tài)變化趨勢(shì)，提升地方政府實(shí)施、監(jiān)督和評(píng)估可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的能力，為“中國(guó)落實(shí)2030年可持續(xù)發(fā)展議程進(jìn)展報(bào)告”提供數(shù)據(jù)參考[2]。

在研究生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的影響、響應(yīng)和對(duì)策中，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力成為一項(xiàng)不可或缺的指標(biāo)和核心內(nèi)容[3]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)是綠色植物總初級(jí)生產(chǎn)力(在單位時(shí)間和單位面積上通過光合作用產(chǎn)生的全部有機(jī)物同化量)扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[4]。NPP表示植物光合作用產(chǎn)物固定和轉(zhuǎn)化的效率，直接反映植物在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)及生物圈人口承載力的狀況指標(biāo)[5]。祝萍等[6]將植被NPP作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)中國(guó)典型國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生境狀況時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。張鐿鋰等[7]將青藏高原自然保護(hù)區(qū)的植被NPP變化過程數(shù)據(jù)與其相鄰等面積區(qū)域的植被NPP變化差異進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效。王培娟等[8]針對(duì)長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)植被NPP主要影響因子的敏感性進(jìn)行研究。可見在對(duì)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的變化檢測(cè)和評(píng)估研究方面，植被NPP已成為一項(xiàng)重要指標(biāo)。

中國(guó)境內(nèi)山脈眾多，其中不乏名山，但能以大尺度地理界線聞名者寥寥無幾，賀蘭山幸為其一[2]。賀蘭山是中國(guó)北方干旱地理帶的一片綠洲，是寧夏平原的氣候屏障和區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的指示器，其生態(tài)走向關(guān)乎瀕危物種的延續(xù)與北方干旱荒漠帶寧夏段的生態(tài)平衡。植被作為干旱區(qū)敏感的環(huán)境因素，植被覆蓋變化的研究已成為揭示干旱區(qū)自然環(huán)境變化及其規(guī)律的重要手段[9]。周夢(mèng)云等[10]對(duì)寧夏賀蘭山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)建立前后區(qū)域生態(tài)脆弱性時(shí)空格局變化進(jìn)行研究。劉勝濤等[11]對(duì)寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)凈化大氣的環(huán)境功能進(jìn)行研究。顧延生等[12]對(duì)賀蘭山中段植被類型及其覆蓋變化進(jìn)行研究。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以往的研究多集中于對(duì)賀蘭山植被進(jìn)行某些特定生理特征的研究，而沒有對(duì)賀蘭山地區(qū)的植被生物量時(shí)空變化同氣候變化相結(jié)合，獲得區(qū)域生態(tài)演化規(guī)律。

由于賀蘭山自然保護(hù)區(qū)的局部山地效應(yīng)，使對(duì)該區(qū)氣候與植被的相關(guān)研究變得意義非凡。研究賀蘭山自然保護(hù)區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空變化及其與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系，可為地方政府提供區(qū)域植被生理狀況和生產(chǎn)能力的相關(guān)信息，對(duì)荒漠化生態(tài)治理、自然保護(hù)區(qū)的管理、生態(tài)狀況評(píng)價(jià)和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏賀蘭山為西北為數(shù)不多的森林分布區(qū)之一，既是荒漠區(qū)與荒漠草原區(qū)的分界線，又是干旱區(qū)與半干旱區(qū)的分界線，具有涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)氣候的作用[11]。由于其地理位置的特殊性和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性，早在20世紀(jì)80年代就已被列為國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)區(qū)。(賀蘭山的管理機(jī)構(gòu)始建于1950年。1982年7月1日，寧夏人大劃定賀蘭山為省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，1988年5月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)晉升為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。)

以1 500 m等高線為基準(zhǔn)，并向外延伸1 km來確定研究區(qū)的邊界范圍(圖1A)。研究區(qū)地處寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，近南北走向，西鄰阿拉善高原，東接銀川平原。地理坐標(biāo)為北緯38°07′—39°32′，東經(jīng)105°17′—106°40′，南北長(zhǎng)157.63 km，東西寬120.40 km，面積5 769.25 km2，海拔為1 168～3 497 m。

寧夏賀蘭山是我國(guó)東西部氣候的分界，屬季風(fēng)氣候向大陸性氣候的過渡，也是我國(guó)200 mm等降水量線所經(jīng)過的地區(qū)[12]。年均氣溫6～8℃，寒暑變化強(qiáng)烈，年均降水176.4～313.0 mm，全年干旱少雨。

賀蘭山因海拔高，地勢(shì)東緩西陡，導(dǎo)致自然氣候產(chǎn)生顯著垂直分異，構(gòu)成獨(dú)特的干旱區(qū)山地植被垂直帶，孕育出荒漠草原，耐旱喬木、灌木，油松、山楊林和青海云杉等植被類型[13]，利用中國(guó)1∶100萬植被類型空間分布圖將研究區(qū)的植被類型進(jìn)行合并，得到寧夏賀蘭山植被類型空間分布(圖1B)。

圖1 寧夏賀蘭山的地形與植被分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

2.1.1 數(shù)據(jù)來源與處理 表達(dá)植物在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP數(shù)據(jù)，源于美國(guó)一級(jí)大氣存檔和分布式數(shù)據(jù)發(fā)布中心(Level-1 and Atmosphere Archive & Distribution System Distributed Active Archive Center, LAADS DAAC)，研究選取2004—2015年的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro radiometer)數(shù)據(jù)產(chǎn)品：MOD17A3H NPP數(shù)據(jù)(https:∥ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，其空間分辨率為500 m，主要用于研究NPP的變化與氣候響應(yīng)的關(guān)系。該NPP數(shù)據(jù)是基于MODIS/TERRA衛(wèi)星的遙感參數(shù)，通過利用BIOME-BGC模型與光能利用率模型建立的NPP估算模型模擬得到全球陸地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化數(shù)據(jù)集，目前已在全球不同區(qū)域的植被生長(zhǎng)狀況、生物量估算、環(huán)境變化檢測(cè)等研究中得到驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用[14-15]。利用MODIS數(shù)據(jù)重投影工具M(jìn)RT (Modis Reprojection Tool)將NPP數(shù)據(jù)定義為UTM投影，WGS_84橢球的地理數(shù)據(jù)，用于分析2004—2015年賀蘭山植被NPP變化特征。

高程數(shù)據(jù)源于美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命數(shù)字高程模型(SRTM3 DEM,http:∥srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)，水平分辨率為90 m，主要用于以1 500 m等高線來劃定研究區(qū)范圍。

氣象數(shù)據(jù)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)，分別為2004—2015年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集，用于分析降水量對(duì)植被NPP的影響；2004—2015年年平均氣溫空間插值數(shù)據(jù)集，用于分析氣溫對(duì)植被NPP的影響。

植被類型空間分布數(shù)據(jù)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)1∶100萬中國(guó)植被圖，通過ArcGIS對(duì)研究區(qū)植被類型空間分布圖進(jìn)行投影變換，將植被類型合并為闊葉林、針葉林、灌叢、草地和荒漠這5種，為植被NPP閾值分割提供基礎(chǔ)參考。

2.1.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)證 研究區(qū)屬國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，大范圍實(shí)地調(diào)查難以實(shí)施，加之研究時(shí)間序列長(zhǎng)(12 a)，生物量分布的時(shí)間和空間異質(zhì)性大，通過有限的實(shí)地調(diào)查所獲得的平均生物量來推算整個(gè)研究區(qū)的生物量也會(huì)存在較大誤差。針對(duì)類似情況，已有研究者[16]將NPP估算結(jié)果與土地利用分類數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，通過局部土地利用變化趨勢(shì)來驗(yàn)證整體精度，具有片面性。本文在研究區(qū)均勻選擇120個(gè)樣本點(diǎn)，利用遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13A1，通過將樣本點(diǎn)12 a的平均NPP與平均NDVI做對(duì)比來驗(yàn)證精度，檢驗(yàn)結(jié)果顯示二者具有非常高的擬合度(r=0.944，p<0.01)，MOD17A3H NPP數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

2.2 研究方法

2.2.1 偏差分析 平均NPP是基于像元對(duì)多年NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算求得的平均值，用于得到研究區(qū)多年的平均NPP空間分布圖，其計(jì)算公式如下：

(1)

偏差反映某時(shí)間段內(nèi)NPP偏離多年NPP均值的程度，即某段時(shí)間內(nèi)NPP的盈虧情況[17]。其計(jì)算公式如下：

(2)

2.2.2 相關(guān)性分析 相關(guān)性分析[18]可以反映要素之間的相關(guān)程度和相關(guān)方向，本文采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)植被年NPP與氣溫、降水量的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，其計(jì)算公式如下：

(3)

2.2.3 趨勢(shì)分析 一元線性回歸法[17]可以對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析，得到其變化速率，本文采用一元線性回歸分析法對(duì)研究區(qū)總NPP、氣溫和降水量進(jìn)行研究，其計(jì)算公式如下：

Yi=β0Xi+β1

(4)

式中：Yi為因變量；Xi為自變量；β0為斜率；β1為一隨機(jī)變量。

(5)

式中：β0為變化速率；n為年數(shù)(時(shí)間序列為2004—2015年，即n=12)；k為時(shí)間序列；Xk為第k年的自變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 MODIS NPP分類處理

通過對(duì)2004—2015年的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到賀蘭山12 a的平均NPP空間分布圖(圖2)。依據(jù)賀蘭山自然保護(hù)區(qū)主要植被類型的空間分布情況和NPP數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將研究區(qū)劃分荒漠、草原、灌叢、針葉林、闊葉林5個(gè)等級(jí)，其分別對(duì)應(yīng)NPP閾值為[0,65]，(65,85]，(85,150]，(150,250]，(250,500]，單位為g C/(m2·a)[13]。

12年的NPP均值分割圖顯示出賀蘭山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的景觀結(jié)構(gòu)，植被NPP由外向內(nèi)逐漸遞增，即從低山淺山的荒漠草原帶，到中低山區(qū)的灌叢林帶，再到高海拔山區(qū)的針闊混交林帶，植物按海拔垂直分布的層次明顯，構(gòu)成了當(dāng)?shù)氐湫偷纳降厣鷳B(tài)景觀。其景觀辨識(shí)度優(yōu)于1∶100萬中國(guó)植被覆蓋專題圖。

圖2 2004-2015年平均NPP密度分割圖

3.2 MODIS NPP時(shí)間變化分析

研究對(duì)賀蘭山自然保護(hù)區(qū)2004—2015年植被初級(jí)凈生產(chǎn)力(NPP)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表1)。

表1 植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)統(tǒng)計(jì)

NPP區(qū)間在[0,65]的荒漠面積占比總體呈波動(dòng)性減少的趨勢(shì)，荒漠面積在2005年、2011年和2015年荒漠面積達(dá)3 500 km2以上，占研究區(qū)總面積的60%左右。12 a間荒漠面積占比的最大變幅為35.13%；NPP區(qū)間在(65,85]的草原面積占比總體呈波動(dòng)性增加的趨勢(shì)，草原面積在2010年達(dá)到961 km2，占研究區(qū)面積的16.66%。12 a間草原面積占比的最大變幅達(dá)9.65%；NPP區(qū)間在(85,150]的灌叢面積占比總體呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)，灌叢面積在2012年達(dá)到最大值1 832.75 km2，占研究區(qū)面積的31.77%。12 a間灌叢面積占比的最大變幅達(dá)19.99%；NPP區(qū)間在(150,250]的針葉林面積占比較為平穩(wěn)，約768.75 km2，占研究區(qū)面積的13.32%。12 a間針葉林面積占比的最大變幅為5.82%；NPP區(qū)間在(250,500]的闊葉林面積占比最少，且波動(dòng)變化較大，整體呈增加趨勢(shì)。闊葉林面積達(dá)225 km2以上，占研究區(qū)總面積的4%左右。12 a間闊葉林面積占比的最大變幅為4.33%。

2004—2015年研究區(qū)植被NPP均值為71.22 g C/(m2·a)，同期全國(guó)植被年平均NPP值273.5 g C/(m2·a)[19]，研究區(qū)植被NPP均值僅為同期全國(guó)植被年平均NPP值的26.04%；植被總NPP變化范圍為0.324 4～0.501 5 Tg C/a，波動(dòng)幅度達(dá)154.6%，總體在變化區(qū)間0.177 1 Tg C/a以內(nèi)呈緩慢增加趨勢(shì)；植被總NPP增長(zhǎng)速率為0.281 6 g C/(m2·a)，遠(yuǎn)低于同期全國(guó)植被NPP增長(zhǎng)率1.141 5 g C/(m2·a)[19]。偏差分析得到總NPP偏差值在12 a中有7 a低于平均水平，出現(xiàn)生態(tài)虧缺的年份多于生態(tài)盈余。

3.3 MODIS NPP空間變化分析

3.3.1 蘇峪口國(guó)家森林公園剖面水平地帶性變化 蘇峪口國(guó)家森林公園是賀蘭山自然保護(hù)區(qū)植被覆蓋較好的區(qū)域，區(qū)內(nèi)設(shè)有賀蘭山森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站，研究其生態(tài)剖面對(duì)認(rèn)識(shí)整個(gè)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)演化具有代表性。以蘇峪口國(guó)家森林公園核心區(qū)中點(diǎn)(東經(jīng)105°54′60.00″，北緯38°42′53.96″)為原點(diǎn)，設(shè)置W—E和N—S兩個(gè)剖面，分析核心區(qū)兩個(gè)地理方位的植被生產(chǎn)力變化，可以形成二維的時(shí)空變化暈渲圖(圖3)，圖中黑色實(shí)橫線位置為蘇峪口國(guó)家森林公園核心區(qū)中點(diǎn)位置所在，在W—E剖面上像素點(diǎn)的位置為28 pixel，在N—S剖面上像素點(diǎn)的位置為77 pixel。

圖3 蘇峪口國(guó)家森林公園NPP剖面暈渲圖

在W—E剖面時(shí)序變化圖中(圖3A)，蘇峪口國(guó)家森林公園植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在水平地帶性分布上東部要優(yōu)于西部，其中W—E剖面東部NPP總量為0.014 5 Tg C，占比66.55%，西部NPP總量為0.007 3 Tg C，占比33.45%。由于地理分界的原因，西部為大面積的荒漠和草原所占據(jù)，東部淺山地帶有部分草原和灌叢區(qū)。從時(shí)間序列的整體來看，2004年、2007年、2012—2014年(5 a)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力整體要優(yōu)于2005—2006，2008—2011年、2015年(7 a)，這與總NPP變化的偏差分析結(jié)果一致。在植被NPP較好的5 a里，荒漠面積明顯減少，草原和灌叢面積相應(yīng)明顯增加，針葉林和闊葉林有小范圍面積的增加。

在N—S剖面時(shí)序變化圖中(圖3B)，蘇峪口國(guó)家森林公園植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在水平地帶性分布上北部?jī)?yōu)于南部，其中N—S剖面北部NPP總量為0.042 5 Tg C，占比57.35%，南部NPP總量為0.031 6 Tg C，占比42.65%。受地形及日照影響，北半球植被NPP的高值部分主要分布在坡面北側(cè)(陰坡)[20]，因沿N—S剖面線存在多個(gè)山坡，每座山坡的北側(cè)植被NPP均高于南側(cè)，所以植被NPP的高值部分呈北高南低交替分布且NPP等值線北側(cè)梯度大，南側(cè)梯度小。2004—2015年N—S剖面線北部除2004年、2012年因降水豐富使得灌叢面積增加近20個(gè)像素(約10 km)外，其余年份絕大部分均由荒漠和草原覆蓋，且面積趨于穩(wěn)定；2004—2015年N—S剖面線南部由荒漠、草原和灌叢交錯(cuò)分布，2004年、2007年、2012—2014年針葉林邊際線向南部擴(kuò)張了近40個(gè)像素(約20 km)，其余年份幾乎全部由荒漠、草原和灌叢覆蓋；2004—2015年N—S剖面線中部由針葉林和闊葉林交叉分布，且闊葉林林線在2004年和2012年所占范圍居多。

3.3.2 賀蘭山山脊線生態(tài)剖面垂直地帶性變化 因研究區(qū)呈地質(zhì)學(xué)上的NNE—SSW向狹長(zhǎng)分布，為全面表達(dá)研究區(qū)生態(tài)剖面上NPP變化細(xì)節(jié)，沿賀蘭山自然保護(hù)區(qū)地形山脊線建立生態(tài)剖面線，為研究生態(tài)剖面上NPP變化細(xì)節(jié)與DEM之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)研究區(qū)時(shí)間序列2004—2015年NPP剖面與DEM進(jìn)行疊加分析(圖4)。

圖4 山脊線剖面與DEM疊加分析時(shí)序變化

由山脊線剖面與DEM疊加分析時(shí)序變化(圖4)可知，植被NPP垂直地帶性分布趨勢(shì)明顯，整體呈針葉林—闊葉林—灌叢—草原—荒漠的結(jié)構(gòu)變化。由圖4的研究區(qū)生態(tài)剖面的NPP與DEM疊加分析可知，植被NPP變化情況與DEM關(guān)系密切，越接近山脊線中點(diǎn)(越在研究區(qū)中心)，DEM值越大，植被NPP值就越大。海拔在1 500 m左右?guī)缀鯚o植被覆蓋，植被NPP值接近0值；海拔在1 500～2 000 m對(duì)應(yīng)的植被NPP值的變化范圍為0～100 g C/(m2·a)；海拔在2 000～2 500 m對(duì)應(yīng)的NPP值的變化范圍為100～200 g C/(m2·a)，且變化趨勢(shì)高度一致；海拔在于2 500 m時(shí)，植被NPP值基本維持在300 g C/(m2·a)左右。當(dāng)海拔高于2 500 m以后，植被NPP值開始呈下降趨勢(shì)，植被NPP值在200～300 g C/(m2·a)變化。

3.4 MODIS NPP的氣候響應(yīng)

3.4.1 氣候變化情況 2004—2015年賀蘭山區(qū)局地氣候呈濕冷化(圖5)。年均氣溫呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，年均溫度雖存在波動(dòng)性但變化較為平穩(wěn)，變化區(qū)間在1.5℃以內(nèi)，最高值出現(xiàn)在2013年，為8.0℃，最低值出現(xiàn)在2011年，為6.6℃，氣溫變率為-0.01℃/a；年均降水量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，研究區(qū)年均降水量變化區(qū)間在14 mm以內(nèi)，在2012年出現(xiàn)的最高年均降水量為312.9 mm，在2005年出現(xiàn)的最低年均降水量為176.4 mm，降水變率為2.77 mm/a。

圖5 2014-2015年研究區(qū)氣候變化趨勢(shì)

3.4.2 氣候與NPP的響應(yīng)分析 利用SPSS?Pearson相關(guān)性分析得到年均氣溫與總NPP間的相關(guān)性系數(shù)r=0.050 2，置信度p=0.876，則年均氣溫與總NPP不相關(guān)。通過圖6A可直觀看出氣溫與NPP的空間相關(guān)性，[0.45，0.95]高度正相關(guān)區(qū)間主要集中在蘇峪口國(guó)家森林公園附近區(qū)域，面積約為21.75 km2，占研究區(qū)面積的0.38%；[0.25，0.45)中度正相關(guān)區(qū)間主要零星分布在研究區(qū)中部，面積約為305.25 km2，占研究區(qū)面積的5.29%；93.13%的區(qū)域NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)均在[-0.25，0.25)低度相關(guān)區(qū)間范圍內(nèi)；剩余0.12%的區(qū)域NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)均在[-0.45，-0.95)中度負(fù)相關(guān)區(qū)間范圍內(nèi)，主要分布在于寧夏平原相交的邊界區(qū)域。[-0.95,-0.45)高度負(fù)相關(guān)區(qū)間所占面積為0。

圖6 氣候與NPP相關(guān)系數(shù)空間分布

利用SPSS?Pearson相關(guān)性分析得到兩者之年均降水與NPP間的相關(guān)性系數(shù)r=0.646 8，置信度p=0.023，則年均降水與NPP呈顯著正相關(guān)。通過圖6B可直觀表示年級(jí)降水與總NPP的空間相關(guān)性，[0.45，0.95]高度正相關(guān)區(qū)間面積約為2 976.50 km2，占研究區(qū)面積的51.59%，所占比例最大，主要分布在草原和灌叢等對(duì)降水量響應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域；[0.25，0.45)中度正相關(guān)區(qū)間面積約為787.25 km2，占研究區(qū)面積的13.64%，主要分布在針葉林區(qū)域；[0.00，0.25)低度正相關(guān)區(qū)間面積約為1 961.50 km2，占研究區(qū)面積的34.00%，主要分布在海拔較高的闊葉林區(qū)域；[-0.25，0.00)低度負(fù)相關(guān)區(qū)間面積約為41.25 km2，占研究區(qū)面積的0.71%；[-0.45，-0.25)中度負(fù)相關(guān)區(qū)間面積約為3.46 km2，占研究區(qū)面積的0.06%；[-0.95，-0.45)高度負(fù)相關(guān)區(qū)間面積約為0。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響巨大，預(yù)計(jì)將成為21世紀(jì)大量物種瀕于滅絕的主要因素[9]。近年來，國(guó)際上對(duì)氣候變化影響生態(tài)系統(tǒng)NPP方面開展了較多工作，研究表明生態(tài)系統(tǒng)NPP的正遭受氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響[17-18]。

賀蘭山作為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，濫砍盜伐得以有效禁止，且地處高寒、遠(yuǎn)離城市，幾乎不受人類活動(dòng)影響。因此，氣候變化是決定研究區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的主要因素，直接或間接地影響著植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力。且中國(guó)寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)位于季風(fēng)氣候向大陸性氣候的過渡區(qū)，對(duì)氣候變化的響應(yīng)極為敏感。研究表明，研究區(qū)植被NPP在12 a內(nèi)總體呈增加趨勢(shì)，植被NPP與降水的相關(guān)性大于與氣溫的相關(guān)性。由于2004年9月—2005年11月在寧夏發(fā)生歷史性旱災(zāi)[21]，大部分區(qū)域降水僅達(dá)到199.9 mm，為歷史上僅次于1982年(192.4 mm)的第二低值年，年降水日數(shù)僅為37 d，導(dǎo)致2005年總NPP成為2004—2015年研究期最小值；2006年寧夏地區(qū)出現(xiàn)的罕見暴雨天氣扭轉(zhuǎn)了歷史性干旱的局勢(shì)[22]，使得2006年總NPP未受到2004—2005年干旱年的影響，NPP總量得以恢復(fù)；2012年寧夏賀蘭氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)到日降水量創(chuàng)1951年有氣象記錄以來的最高值[23]，使得2012年NPP值顯著增大。說明在干旱與半干旱地區(qū)，降水變化是影響植被NPP的主導(dǎo)因素。這一結(jié)果與馬安青[24]、劉雪佳[25]、焦偉[26]等的研究結(jié)果一致。

研究還發(fā)現(xiàn)，在海拔3 000 m左右的區(qū)域，植被NPP與氣溫呈中高度正相關(guān)(r∈[0.25，0.45])的同時(shí)，對(duì)降水呈低度正相關(guān)(r∈[0.00，0.25])，說明海拔改變了氣候?qū)ρ芯繀^(qū)植被NPP的影響規(guī)律。但本文并未將高程、坡度、坡向等地形因素與氣候因素結(jié)合起來研究其與植被NPP的響應(yīng)關(guān)系，這應(yīng)是下一步的工作重點(diǎn)。

4.2 結(jié) 論

(1) 時(shí)間變化規(guī)律。賀蘭山2004—2015年平均NPP為97.91 g C/(m2·a)；總NPP變化范圍為0.324 4～0.501 5 Tg C/a；NPP增長(zhǎng)速率為0.281 6 g C/(m2·a)。賀蘭山自然保護(hù)區(qū)是以山地針葉林和青海云杉為代表的荒漠區(qū)與半荒漠區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)，森林面積占比僅為10%～20%，森林生態(tài)狀況不容樂觀。

(2) 空間分布規(guī)律。以蘇峪口國(guó)家森林公園核心區(qū)中點(diǎn)做W—E，N—S剖面，得到長(zhǎng)時(shí)序水平地帶分布規(guī)律：東部植被凈初級(jí)生產(chǎn)力要優(yōu)于西部，北部植被凈初級(jí)生產(chǎn)力要優(yōu)于南部；將賀蘭山沿山脊線生態(tài)剖面與DEM疊加分析得到垂直地帶分布規(guī)律：植被NPP值整體呈現(xiàn)出針葉林—闊葉林—灌叢—草原—荒漠的垂直景觀結(jié)構(gòu)變化，NPP高值集中分布在海拔2 500 m以上的高海拔地區(qū)，在海拔1 500 m左右?guī)缀鯚o植被覆蓋。

(3) 氣候響應(yīng)規(guī)律。賀蘭山區(qū)局地氣候呈冷濕化趨勢(shì)，氣溫變率為-0.01℃/a，降水變率為2.77 mm/a。相較于氣溫而言，降水量對(duì)研究區(qū)NPP的影響較大。植被NPP與氣溫不相關(guān)(r=0.050 2，p=0.876)；植被NPP與呈降水量顯著正相關(guān)(r=0.646 8，p=0.023)，且高度正相關(guān)區(qū)域主要分布在草原和灌叢區(qū)。