貴州植被NPP時空格局及其對氣候變化的響應

蘭小麗 孫慧蘭 許玉鳳

（1新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆烏魯木齊? 830054;2新疆師范大學絲綢之路經濟帶城市發展中心，新疆烏魯木齊? 830054;

3黔南民族師范學院旅游與資源環境學院，貴州都勻? 558000）

摘 要：貴州高原位于我國西南地區、云貴高原的中部，是長江中上游和珠江上游地區的生態關鍵地，對我國南部地區生態保護具有重要的理論意義和實踐意義。NPP（植被凈初級生產力）能有效反映植物群落在自然環境中的生產能力，也是評價生態環境的重要指標[1]。利用2001—2013年的遙感影像及氣溫、降水數據對貴州省各種植被NPP年際變化趨勢進行研究。結果表明：貴州高原的NPP總體呈現微弱的下降趨勢;植被類型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久濕地、作物/自然植被鑲嵌體、農作物、灌叢;NPP與年平均氣溫和降水的相關性分析顯示，氣溫對NPP的影響高于降水。

關鍵詞：貴州高原;NPP;植被群落;遙感;氣候因子

中圖分類號 Q948;X171.1? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）18-0162-05

Spatial and Temporal Pattern of Vegetation NPP Variations in Guizhou and Its Response to Climate Change

LAN Xiaoli1 et al.

（1College of Geography Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，China）

Abstract：Guizhou Province is located in the southwestern region of China，it is the central part of the Yunnan-Guizhou Plateau，and which is the upper reaches of the Yangtze River and the Pearl River. It is an important geographical location for the ecological protection of the southern part of China. NPP（net primary productivity of vegetation） can effectively reflect the plant community in the natural environment of production capacity，and is an important indicator of the assessment of ecological and environmental services. The annual trend of NPP was analyzed by remote sensing image and the correlation analysis of temperature，precipitation from 2001 to 2013. Overall，the NPP in Guizhou Plateau shows a slight downward trend. Among the vegetation types，the average NPP of forest land is the largest，followed by grassland，permanent wetland，crops / natural vegetation inlays，crops and shrubs. The correlation between NPP and annual mean temperature，NPP and precipitation were analyzed，the effect of temperature on NPP is higher than that of precipitation.

Key words：Guizhou plateau;NPP;Vegetation community;Remote sense;Climatic factors

陸地植被凈初級生產量，或稱植被凈初級生產力（NPP），是指單位時間、單位面積綠色植物通過光合作用所固定的全部能量或制造的有機物質，即總初級生產量減去植物呼吸消耗量，剩余部分才用于積累形成植物的各種組織和器官，凈初級生產量才是整個生態系統中其他生物真正可以利用的有機物質[2]。NPP是評價生態系統結構與功能協調性及其與環境相互作用的重要指標，而且直接與全球變化的關鍵科學問題——碳循環、水循環及食物安全密切相關[3]。植被凈初級生產力是植物活動的重要變量，主要受氣溫、降水、土地類型等環境因子的影響。

針對NPP的研究最早開始于19世紀80年代，直到20世紀60年代由于人們追求經濟的快速發展造成環境的破壞，關于NPP的相關研究才引起了廣泛重視。獲得植被NPP的傳統方法有進行大規模實地調查、建立環境因子回歸模型等。自20世紀60年代以來，各國學者廣泛開展NPP的研究，發展了許多NPP估算模型，大致歸納為統計模型、過程模型和參數模型3類。統計模型是通過建立氣候數據與NPP之間的統計關系來估算NPP，有代表性的是Thornthwaite Memorial模型、Uchijima的Chikugo模型等。過程模型側重于植物生命過程和能量轉換機制，利用光合作用、蒸散發等參數來估算NPP，又稱機理模型，以Parton的CENTURY模型、Melillo的TEM模型為代表[4]。提取的NPP數據參考了BIOME-BGC模型與光能利用率模型建立的NPP估算模型模擬得到的NPP數據更加精確[5]。梁妙玲等[6]利用1961—2000年的降水和氣溫資料模擬研究中國近40年的植被動態變化，結果表明中國植被NPP的主要影響氣候因子是降水，溫度的影響在不同地區差別很大。董丹等[7]利用CASA模型對西南喀斯特植被NPP進行了估算，發現西南8省市區1999—2000年喀斯特和非喀斯特植被NPP有輕度增加，但空間變化不顯著。谷曉平等[8]利用大氣—植被相互作用模型（AVM2）模擬了西南地區植被凈初級生產力的空間分布格局和多年變化，發現植被凈初級生產力有上升趨勢。目前，有關貴州高原植被凈初級生產力的研究較少。為此，筆者采用遙感數據分析了貴州高原地區2001—2013年的NPP時空格局及其對氣候變化的響應，旨在為貴州高原生態環境保護和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況 貴州省位于中國西南地區（103°36′～109°35′E、24°37′～29°13′N），東西相距約為595km，南北距離約509km，總面積為176167km2，占全國國土面積的1.8%左右。全省森林覆蓋率達30.8%，人均森林面積0.14hm2，活立木總蓄積量達2.1m3。植被類型主要是林地、灌叢、草地、永久濕地、農作物、作物/自然植被鑲嵌體等。全省地貌可概括分為高原山地、丘陵和盆地3種主要類型，其中92.5%的面積為山地和丘陵[9]。境內山脈綿延不絕，地形崎嶇，山高谷深，故又稱為貴州高原。貴州高原是云貴高原地形區的一部分，地勢西部較東部高，平均海拔1100m左右，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，大部分地區年平均氣溫為15℃左右，年降水量1300mm左右。適宜的溫度和降水為貴州高原的植被生長提供了優越的氣候條件。貴州高原境內的烏江、北盤江分別處在長江和珠江2大水系中上游地帶，因此貴州高原內的生態環境的優劣可直接影響到長江和珠江沿岸的生境，因此研究該區域的植被NPP對保護中國南部地區和東部沿海地區的生態環境具有重要意義。

1.2 數據來源 2001—2013年植被NPP數據來源于MODIS遙感數據的MOD17A3;植被類型的數據來源于MODIS的MCD12Q1;氣象數據取自于中國氣象科學數據共享服務網，為1981—2013年貴州省27個氣象臺站的年平均氣溫和年降水量數據（見圖1）。

1.3 研究方法 利用MOD17A3數據研究植被NPP變化情況。對MOD17A3數據的拼接、投影、數據格式轉換、重采樣等前期處理在MRT V4.1（MODIS Reprojection Tool）專用軟件下完成，利用常規統計方法和ArcGIS的圖層疊加、分析運算、制圖等功能完成NPP的分析和制圖[10]，再利用相關系數算法得出溫度與降水對貴州高原NPP的相關性并分析對氣候要素的響應程度。

2 結果與分析

2.1 NPP時空分布特征

2.1.1 NPP年變化 2001—2013年貴州高原的植被NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均值為612.5g C/m2·a，最大值為2002年的673.8g C/m2·a，最小值為2011年的530.2g C/m2·a。2001年、2005年、2010年、2011年、2012年為負距平，其余年份都為正距平（圖2）。

2001—2013年的年平均NPP值為612.5g C/m2·a，2001—2009年間NPP值呈現微弱的增加趨勢，期間有些年份NPP值減少低至年平均值，如2001年、2005年。2010—2012年的NPP值均有明顯的下降趨勢，2013年又有所好轉。總體而言，研究期間植被NPP呈減小趨勢（見圖3）。

2.1.2 年平均NPP的空間分布及變化趨勢 貴州高原的年平均NPP值在400～600g C/m2·a，部分地區大于600g C/m2·a，其中黔西南州、黔南州、畢節西南部、遵義西部的年平均NPP值較貴州高原其他地區大，銅仁市西部、貴陽南部、畢節、安順、六盤水相鄰地區的年平均NPP值都較低，在0～300g C/m2·a。NPP總體呈現由南向北遞減趨勢。貴州高原植被多為森林、灌叢、草地、濕地、農作地等，其NPP平均值均較高。部分地區由于喀斯特地貌顯著，巖石裸露加上小氣候因素和人為過度開發林地、草地，造成石漠化現象，石漠化現象嚴重區域NPP平均值最低（見圖4）。

為確定貴州高原NPP的變化狀況，制作了植被NPP變化趨勢如圖5所示。由圖5可知，2001—2013年貴州高原NPP的變化總體上較復雜。顯著增加的NPP面積占26%，主要增加區域在貴州高原的西南部地區，主要是畢節市、六盤水市、黔西南布依族苗族自治州;顯著減少的NPP變化面積占29%，主要分布在銅仁市、黔東南苗族侗族自治州、遵義市南部;基本不變的區域占45%，主要分布在遵義市北部、安順市、黔西南州南部、黔南州東南部。

貴州高原各地區氣溫、降水、海拔等自然因素差異較大，植被NPP也由于所處區域的不同而有著相應的區別和空間差異（見表1）。由表1可知，NPP平均值較高的區域在貴陽市、六盤水市、遵義市，其次是安順市、黔西南州、黔東南州、黔南州、銅仁市、畢節市。

2.1.3 地表植被的NPP年變化 將2001—2013年分辨率為500m的MCD12Q1地表覆蓋類型圖像，重采樣成1km數據后提取與MOD17A3數據相對應的不同植被類型的NPP見表2。由表2可知，林地的年NPP值在貴州高原地區最大，為522～721g C/m2·a，13年的平均值為634.92g C/m2·a;其次是草地，年NPP值在545～703g C/m2·a，13年的年平均值為631.54g C/m2·a;NPP年平均值減少的是永久濕地（599g C/m2·a）、作物/自然植被鑲嵌體（597.92g C/m2·a）、農作物（554.69g C/m2·a）、灌叢（524.62g C/m2·a）。

貴州高原處于我國西南林區，森林資源豐富，植被類型主要為亞熱帶常綠闊葉林，其NPP高于其他植被類型，對貴州高原的碳密度貢獻最大。其次是草地，貴州高原主要有6大類草地：山地丘陵灌木草叢類草地、山地丘陵草叢類草地、山地丘陵疏林草叢類草地、山地草甸類草地、平原沼澤類草地、低地草甸類草地[11]，因此貴州高原的草地資源對全區的NPP貢獻較大。農作物方面，由于貴州高原的夏季水熱充足，自然條件優越，精耕細作，因此夏季也是主要的碳來源季節。貴州高原的灌叢大部分是后退化而生成的另一種生態群落，分布范圍較廣、生命力較強，主要分布在土壤貧瘠的石山區域[12]，對喀斯特生態環境具有一定的保護作用，但其年平均NPP值低于其他植被類型。

2.2 氣候要素變化趨勢與NPP的相關性 生物的生長受氣候要素的制約，氣候要素的變化會引起NPP的變化。國內外的部分學者利用長時間衛星遙感影像，對植被NPP變化規律及其對氣候變化的響應進行了研究[13]。通過對陸地植物生理特征的研究發現，外部因子對NPP的影響十分復雜。降水、溫度是生物生長必不可少的要素，任何一個發生變化都會引起植被區域類型發生不同尺度的變化[14]。朱文泉等[15]研究認為，影響NPP變化的因素很多，植樹造林、氣候變化、人為影響等等，這些協迫因子具有區域性差異。筆者利用了1981—2013年的貴州省年平均氣溫和年降水量分析氣候要素變化趨勢與NPP的相關性。

2.2.1 年平均氣溫 在全球氣溫普遍升高的大背景下，貴州高原的氣溫亦呈現逐年升高的趨勢見圖6。由圖6可知，貴州省在1996年年平均氣溫最低，為15.18℃;2013年最高，達到17.86℃。全省1981～2013年的年平均氣溫為15.90℃。

2.2.2 年降水量 由圖7可知，全省27個站臺1981—2013年的歷年降水量呈下降趨勢，年降水量最低的為2011年的840.22mm，最高值為1997年的1317.62mm，1981—2013年的年降水量平均值為1137.89mm。總體而言，貴州高原的降水比較豐富，對滿足植被生長具有重要意義，也是影響植被NPP值變化的重要因子。

2.2.3 氣溫、降水與NPP的相關性 通過對2001—2013年平均NPP與對應年平均氣溫、降水分別進行相關分析，結果表明：NPP與年平均氣溫和降水呈正相關，與年平均氣溫的相關系數為0.466，與降水的相關系數為0.344。由此可知，貴州高原地區NPP與年平均氣溫的相關性高于年降水量。

陳福軍等[16]認為NPP對氣候因子的響應具有空間分異規律，在青藏高原、新疆天山地區、東北大小興安嶺，長白山等常年冷濕地區，NPP年總累積量和年平均氣溫呈正相關，和年降水量呈顯著負相關。這說明在廣袤的高寒地區溫度對植被的生長起到關鍵性的限制作用。楊元合等[17]認為在年平均氣溫較低、氣候寒冷地區生長的植被對氣候變化具有滯后性，因此今后應進一步研究貴州高原的植被對氣候變化的響應是否具有滯后性。

3 結論

本研究結果表明：（1）2001—2013年貴州高原NPP值在592.9～671g C/m2·a，平均NPP值為612.5g C/m2·a，2002—2004年、2006—2008年、2013年的NPP為正距平，貴州高原的NPP總體呈現微弱的下降趨勢。由于受氣溫、降水和不同地表類型的影響，貴州高原的NPP呈現出由南向北遞減的趨勢。部分水熱充足地區的NPP高于其他地區。（2）植被類型中林地的NPP平均值最大，其次是草地、永久濕地、作物/自然植被鑲嵌體、農作物、灌叢;2001—2013年貴州高原NPP總體保持不變趨勢的面積占45%，顯著增加的面積占26%，顯著減少的面積占29%。（3）通過分析NPP與年平均氣溫和降水的相關性發現，NPP與年平均氣溫和降水均呈正相關關系，且年平均氣溫的相關性大于降水。

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（責編：徐世紅）