2000—2019年滇黔桂巖溶區植被NPP時空變化及與氣候變化的關系研究

馬炳鑫，靖娟利, ，徐勇*，何宏昌，劉兵

1. 桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西 桂林 541006；2. 廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541006

滇黔桂巖溶區地處我國西南部，是西南巖溶區核心區域，連片裸露的巖溶區面積占三省總土地面積的39.7%（李應中等，1996；靖娟利等，2019）。巖溶區雖然擁有豐富的礦產、農林和水資源（李陽兵等，2002），但由于受到地理環境、氣候變化及人類活動的綜合作用，造成滇黔桂巖溶區部分地區生態環境脆弱，石漠化等問題嚴重（靖娟利等，2017；趙東杰等，2020），巖溶區生態環境問題已經成為制約滇黔桂三省社會經濟發展的關鍵問題。

植被凈初級生產力（Net Primary Production，NPP）是指在單位面積、時間內綠色植物通過光合作用積累的有機質總量扣除自養呼吸后的剩余成分，直接反映了在自然條件下植被的生產能力（朱文泉等，2005；朱文泉等，2007；尹鍇等，2015）。植被NPP是植被自身生理特性、外界環境因素共同作用的結果，是判定陸地碳循環的重要因子，同時也是判定陸地生態系統健康的重要指標（Twine et al.，2009；Michaletz et al.，2014；Gao et al.，2017）。近年來國內外學者針對不同區域的氣候變化對植被 NPP的影響開展了大量的研究，Kamali et al.（2020）對伊朗境內植被NPP與氣候因子的關系做了研究，發現 2000—2014年伊朗年均溫較高的氣候區植被 NPP與氣溫呈現負相關關系，而王靜等（2015）對中國南方丘陵山地帶植被NPP時空動態進行了研究，發現植被NPP的時空變化與氣溫、降雨和太陽輻射等自然因素的變化有直接的關系，其中氣溫對植被NPP具有顯著的促進作用，在水熱條件較好的地區氣溫可能會限制植被NPP的發展，而水熱條件較差的地區氣溫對植被NPP的促進作用較為顯著；湯曾偉等（2018）對錫林郭勒盟植被NPP與氣候變化的滯后效應進行了研究，發現6—7月的降水對該地后期植被NPP影響顯著，植被NPP對氣溫無顯著的滯后效應；黃曉云等（2013）對西南喀斯特地區植被NPP的時空變化及驅動機制進行了研究，發現2000—2005年西南喀斯特地區植被NPP總體呈上升趨勢，2006—2011年間呈下降趨勢，植被NPP與水熱變化有較強的相關性，且氣溫對植被NPP的作用大于降水，同時期有學者從不同角度上對西南喀斯特植被與水熱變化的相關性進行了研究（肖建勇等，2018；張凱選等，2019；劉煒等，2021），獲得了與此相同的結論。上述研究在一定程度上對滇黔桂巖溶區植被NPP的時空變化及驅動因素的研究奠定了基礎，但仍存在研究時間短，研究范圍受限制，專門針對滇黔桂巖溶區的研究較少的問題，且目前大部分對植被NPP與氣候因子的研究集中于他們的相關性研究上，對植被NPP與氣候變化的滯后性的研究較少，而該方面的研究對認識和了解氣候變化對植被NPP的作用機制有重要意義。

鑒于此，本文基于 2000—2019年 MOD17A3 NPP數據，結合同期基于站點的氣象數據，以滇黔桂巖溶區為研究區域，采用趨勢分析、Mann-Kendall顯著性檢驗、R/S分析及相關性分析等方法，探討了滇黔桂巖溶區植被NPP的時空演變特征，并從4種氣候因子與植被NPP的相關性入手，對植被NPP與氣候變化的關系進行了研究，以期為滇黔桂巖溶區植被生態建設及可持續發展布局提供科學支撐與理論依據。

1 研究區概況

滇黔桂巖溶區是中國典型的巖溶發育區，涉及云南、貴州和廣西 3個省市自治區，海拔在?78—5504 m之間，總面積約為3.2×105km2，占三省總面積的39.7%（圖1）。研究區地域遼闊，地理位置介于 97°31′—112°04′E，20°54′—29°15′N。該區域屬于典型的亞熱帶季風氣候和熱帶季風氣候區，水熱條件良好，降水量、溫度隨季節和區域變化差異明顯，年均氣溫和降水量大致為從西北至東南遞增。該區域生態位置重要，是珠江上游重要的支干流所在地，但由于巖溶區環境的脆弱性，加上人類活動的影響，已經引起了石漠化、水土流失等一系列生態問題。

圖1 研究區高程Fig. 1 Elevation of study area

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

MODIS NPP數據來源于美國航空航天局（http://lpdaac.usgs.gov）的對地觀測數據集中的MOD17A3數據產品，空間分辨率為500 m×500 m，時間分辨率為1年，該數據產品經過MRT（MODIS Reprojection Tools）軟件處理后得到tif格式的NPP數據。DEM數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/search），空間分辨率為 30 m。氣象數據來源于國家氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/）的 1951—2019年 613個站點的逐月氣溫、降水、相對濕度和日照時數數據，經過 ArcMap 10.8軟件統一插值為空間分辨率 500 m×500 m的柵格數據。滇黔桂巖溶區分布數據來源于中國地質科學院巖溶地質研究所編制的中國可溶巖分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢分析法

趨勢分析法（Stow et al.，2003）能夠對區域內植被NPP數據在時間尺度上進行逐像元分析，獲取在時間尺度上每個像元植被NPP變化的斜率，得到其空間分布。計算過程如下：

式中：

n——年數，在本文中為20；

S——像元點植被NPP變化的趨勢斜率；

NPPi——某一像元點第i年植被NPP。若S＞0表示此像元點植被NPP值呈增加趨勢，S＜0為減少趨勢，S=0表示沒有變化。S絕對值越大，表示變化趨勢越明顯。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall檢驗常與趨勢分析相結合，對長時間序列變化趨勢進行顯著性檢驗，目前已被廣泛應用于氣象、水文、植被等研究中（Mallick et al.，2020；張建云等，2019；張繼等，2019），并取得了很好的效果。其計算公式如下：

將植被NPP值按時間序列定義為V1, V2, …, Vn，第i個累計樣本量S計算公式為：

式中：

Var(S)——方差；

S——正態分布。根據正態分布表，本文選取|Z|＞1.96時通過95%顯著性檢驗。

2.2.3 重標極差分析

重標極差（R/S）分析是用于定量分析水文、氣候等長時間序列信息有效方法（史雯雨等，2021；岳永杰等，2020），通過建立Hurst（H）指數對判斷趨勢的持續性。其計算公式如下：

設有時間序列{V(t)}，（t=1, 2, …）。把它分為等長度子區間，定義均值序列：

定義累積離差：

求取極差：

求取標準差：

等長度子區間可變，不同分段對應不同情況，由上式可建立如下關系：

式中：

H——Hurst指數，取值范圍為（0, 1）。當0＜H＜0.5時，表明植被NPP未來趨勢與過去變化相反，具有反持續性；當H=0.5時，表明過去變化對未來趨勢不造成影響；當0.5＜H＜1時，表明植被NPP未來趨勢與過去變化相同，具有持續性。

2.2.4 相關性分析

相關性分析能夠研究要素之間的關系，相關系數能夠反映各要素之間的相關程度，其計算公式如下：

式中：

xi、yi——兩組變量中的第i年的數值；

為切實把“民族團結一家親”常態化“結親周”活動和群眾工作“兩個全覆蓋”落到實處。10月20日至11月20日，七師一三一團在全團黨員干部中分兩個階段開展第五輪“結親周”活動和群眾工作“兩個全覆蓋”。

Rxy——相關系數，取值范圍為（?1, 1），Rxy＞0時，表明兩個變量間呈正相關；Rxy＜0時，表明兩個變量間呈負相關。Rxy的絕對值越大，相關性越高。根據相關系數檢驗臨界值表，選取|Rxy|＞0.44通過95%顯著性檢驗。

3 結果分析

3.1 植被NPP空間分布特征

由2000—2019年滇黔桂巖溶區植被NPP空間分布圖（圖2）可知，20 a研究區植被NPP總體均值為 845.49 g·m?2·a?1，從空間分布來看，呈現西南高東北低的分布狀態，研究區內大部分地區植被NPP 處于 550—1000 g·m?2·a?1之間，占總面積的74.06%。低值區（0—400 g·m?2·a?1）僅占總面積的5.04%，主要分布在廣西柳州市及云南麗江市附近的巖溶區，其他地區有少量零星分布，這些地區主要為高寒及人類活動頻率較高的地區，導致植被生存環境破壞或難以生長，植被 NPP較低。高值區（1000—1950 g·m?2·a?1）占總面積的 20.90%，主要分布于云貴高原西南部巖溶區，廣西百色市及貴州黔南布依族苗族自治州也有呈片狀分布，以上區域水熱條件、生態環境良好，生長著茂密的常綠闊葉林、針葉林，因此這些區域植被NPP較高。

圖2 滇黔桂巖溶區植被NPP空間分布Fig. 2 Spatial distribution of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.2 植被NPP時空變化特征

由圖3可知，20 a間滇黔桂巖溶區植被NPP變化整體呈波動上升趨勢，年均上升速率為 4.02 g·m?2·a?1，最 小 值出 現 在 2000 年， 為 785.84 g·m?2·a?1，低于平均值 60.65 g·m?2·a?1，最大值出現在 2015 年，為 891.91 g·m?2·a?1，高于平均值 46.42 g·m?2·a?1。2004 年和 2010 年植被 NPP 呈斷崖式下跌，可能與南方大旱，植被生長受限有關（趙志平等，2015）。

圖3 滇黔桂巖溶區植被NPP年際變化Fig. 3 Interannual variation of NPP in karst areas of Yunnan,Guizhou and Guangxi

滇黔桂巖溶區植被 NPP變化趨勢及顯著性檢驗表明（圖4、表1），2000—2019年滇黔桂巖溶區80.19%的區域植被NPP呈增加趨勢，其中呈顯著增加的區域占總面積的46.61%，顯著增加的區域主要呈塊狀分布在烏蒙山、貴州畢節、廣西丘陵北側等地區，其他巖溶區也有呈點狀分布的顯著增加區域。呈減少趨勢的區域占總面積的19.81%，其中呈顯著減少的區域僅占總面積的15.13%，主要呈塊狀分布在西雙版納傣族自治州，其他呈點狀分布在各城市周圍，其植被NPP減少原因可能與城市擴張有關（盛葉子等，2020）。

圖4 滇黔桂巖溶區植被NPP變化趨勢空間分布Fig. 4 Spatial distribution of NPP change trend in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

表1 滇黔桂喀斯特地區植被NPP變化趨勢Table 1 Change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.3 植被NPP未來變化趨勢特征

為進一步分析滇黔桂巖溶區的變化趨勢及未來持續性，將變化趨勢與Hurst指數進行疊加分析，得到滇黔桂巖溶區植被 NPP未來趨勢變化圖（圖5）。由圖5和表2可以看出，研究區未來呈增加趨勢的面積占總面積的78.53%，呈強持續顯著增加區域占33.03%，主要分布在烏蒙山及廣西盆地北部。未來呈減少趨勢的區域占21.47%，主要分布在云南麗江市及西雙版納傣族自治州附近，苗嶺附近也有呈點狀分布未來呈減少趨勢的區域。研究區未來植被生長情況良好，大部分地區植被NPP以增加趨勢為主，但仍有個別地區植被將會持續退化。

表2 滇黔桂喀斯特地區植被NPP未來變化趨勢Table 2 Future change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

圖5 滇黔桂巖溶區植被NPP未來變化趨勢空間分布Fig. 5 Spatial distribution of future change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.4 植被NPP驅動因素

3.4.1 植被NPP與氣候因子相關性分析

氣候變化對植被NPP變化起到重要作用，為定量識別不同氣候因子與植被NPP之間的相關性，本研究選取降水、氣溫、相對濕度和日照時數4種氣候因子，分別與 2000—2019年滇黔桂巖溶區植被NPP進行區域整體年際變化相關分析和逐像元相關分析，獲取4種因子與植被NPP的相關顯著性。年際變化相關分析顯示，區域內整體植被NPP與降水、氣溫、相對濕度和日照時數間年際變化相關系數分別為 0.167、0.640（P=0.002）、0.023和 0.021，僅植被 NPP與氣溫年際變化相關系數通過顯著性驗證；逐像元相關分析顯示（圖6），研究區植被NPP與降水、氣溫、相對濕度和日照時數間相關系數均值分別為?0.01、0.26、0.01和?0.01。其中降水、氣溫和日照時數區域整體年際變化相關系數與逐像元相關系數均值水平趨近，氣溫區域整體年際變化相關系數高于逐像元相關系數均值。由此可知氣溫對區域整體植被NPP起顯著促進作用，降水、相對濕度和日照時數對區域整體植被NPP作用不顯著。

圖6 滇黔桂巖溶區植被NPP與降水（a）、氣溫（b）、相對濕度（c）及日照時數（d）的相關顯著性Fig. 6 Correlation significance between NPP and precipitation (a), temperature (b), relative humidity (c) and sunshine hours (d) in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

滇黔桂巖溶區植被 NPP與氣溫呈正負相關區域面積占比相差較大，分別占總面積的 85.12%和14.88%。呈顯著正相關的區域占總面積的25.05%，主要分布在烏蒙山、大婁山附近區域；呈顯著負相關區域僅占0.96%，主要分布在云嶺及西雙版納傣族自治州地區。滇黔桂巖溶區植被NPP與降水、相對濕度和日照時數呈正負相關區域面積占比接近，高寒地區植被NPP與降水和相對濕度多呈負相關，而與日照時數呈正相關；云貴高原中部植被NPP與降水、相對濕度和日照時數主要呈負相關；云貴高原東部區域植被NPP與日照時數呈顯著的正相關。滇黔桂巖溶區植被NPP與這 3種氣候因子的相關性具有明顯的空間異質性，這可能與這些區域植被對氣候變化的響應程度不同有關。

植被生長對氣候變化的響應具有滯后效應，本研究對滇黔桂巖溶區植被NPP與4種氣候因子0—3月前變化分別進行相關性分析（謝勝金等，2020），采用最大值合成法，得到研究區植被NPP對氣候變化最大相關性，進而獲得最大響應滯后期（圖7）。如圖7所示，滇黔桂巖溶區植被NPP對不同氣候變化的最大響應的滯后期存在明顯的空間異質性，造成空間分布不同的原因可能與當地的植被類型有關。研究區植被NPP對0—1月前的氣溫和日照時數變化較為敏感，而對 2—3月前的降水和相對濕度變化較為敏感。

圖7 滇黔桂巖溶區植被NPP對降水（a）、氣溫（b）、相對濕度（c）及日照時數（d）變化最大響應滯后期Fig. 7 The maximum response lag of NPP to the changes of precipitation (a), temperature (b), relative humidity (c) and sunshine hours(d) in the karst area of Yunnan, Guizhou and Guangxi

滇黔桂巖溶區植被NPP對2—3月前降水變化的最大響應區域面積占比為77.32%，其中對3月前降水變化響應最大，占比為63.61%，主要呈塊狀分布在烏蒙山、大婁山、柳州市及來賓市附近地區，其他地區也有呈點狀分布的區域；植被NPP對0—1月前降水變化的最大響應區域占比為22.68%，主要呈塊狀分布在云南東部地區，黔南布依族苗族自治州北部和河池市南部也有少量塊狀分布。

滇黔桂巖溶區植被NPP對0—1月前氣溫變化的最大響應區域面積占比為66.57%，其中對當月氣溫變化響應顯著，占比為47.83%，主要分布在云貴高原北部。植被NPP對2—3月前氣溫變化的最大響應區域占比為33.43%，集中分布在云貴高原南部及廣西丘陵北部地區。滇黔桂巖溶區對氣溫變化的最大響應滯后期體現出明顯的緯度差異。

滇黔桂巖溶區植被NPP對2—3月前相對濕度變化的最大響應區域面積占比為71.08%，主要分布在云貴高原中部、廣西來賓市、桂林市、百色市北部地區。植被NPP對0—1月前相對濕度變化的最大響應區域占比為28.92%，主要分布在大婁山至武陵山一帶及廣西河池市附近地區，云南麗江市南部也有少量塊狀分布。

滇黔桂巖溶區植被NPP對0—1月前日照時數變化的最大響應區域面積占比為65.80%，主要分布在烏蒙山東部、黔西南布依族苗族自治州以北地區，云南文山壯族苗族自治州至廣西崇左市一帶。植被NPP對2—3月前日照時數變化的最大響應區域占比為34.20%，主要分布在云嶺附近及廣西來賓市以北至苗嶺一帶。

4 結論與討論

4.1 討論

本文研究發現，20 a間滇黔桂巖溶區植被NPP除少數受異常氣候影響年份外，多年來植被NPP一直處于上升狀態，這與以往的研究結果一致（孫睿等，2001；董丹等，2011；劉剛等，2017）。20 a間研究區植被 NPP 均值為 845.49 g·m?2·a?1，與同期南方巖溶區植被NPP水平相近，植被NPP年均上升速率為 4.02 g·m?2·a?1，高于全國巖溶區植被 NPP 上升速率 0.92 g·m?2·a?1（Wu et al.，2020）。從研究結果來看，20a間滇黔桂巖溶區植被生長情況良好，植被 NPP空間分布差異明顯，主要呈現“南高北低”的分布格局，研究區西北部為橫斷山脈，中東部為云貴高原，這些區域海拔較高，植被生長受限，植被NPP較低；南部受熱帶季風氣候影響，水熱條件良好，海拔高度適中，生長有大量的針葉闊葉林，因而植被NPP較高。

植被對氣候變化的響應主要表現在其獨特的生理機制對周圍氣候變化的敏感性，滇黔桂巖溶區植被 NPP對氣候變化的響應機制具有明顯的區域性差異。研究發現滇黔桂巖溶區植被NPP與氣溫呈現正相關，與降水并不存在顯著的相關關系，這與前人研究結論一致（張笑鶴，2011；蘭小麗等，2020）。滇黔桂巖溶區內氣溫對植被NPP起顯著促進作用，而降水、日照時數與相對濕度對植被NPP影響并不明顯，已有研究表明，降水是影響干旱、半干旱區植被生長的主要氣候因子，而在濕潤地區降水可能會對植被生長起抑制作用，滇黔桂巖溶區緊鄰南海，受季風氣候影響，降水較多，地區差異導致降水對植被生長的作用產生明顯差異，而過多的日照會導致蒸騰作用增加，同樣也會導致植被生長受限。氣溫和日照時數對植被NPP的滯后效應較短，這是因為氣溫和日照時數能夠直接對植被光合和呼吸作用產生影響，直接影響到植被生長發育；而降水及相對濕度通過土壤滲透、改變地下徑流間接影響植被根系吸收水分的方式，對植被生長產生影響，這種方式反應在植被 NPP的變化上較為緩慢。在全球氣候變暖的背景下，隨著溫度的升高，植被NPP將會進一步上升。

人類活動和氣候變化是影響植被 NPP的重要因素，人們普遍認為氣候變化是影響植被NPP變化的主導因素，但近些年有研究表明（Piao et al.，2011），人類活動對植被NPP的影響正在逐年上升。在生態保護政策的驅動下（金芳芳，2018；史晨璐，2020），人類活動對滇黔桂巖溶區植被NPP促進作用較為顯著。人類活動對滇黔桂巖溶區時空演變具有重要影響，本研究并未對人類活動對植被NPP進行研究，此方面會在下一步研究中進行補足。

4.2 結論

本研究基于MOD17A3 NPP數據和同期氣象站點的監測數據，采用趨勢分析、Mann-Kendall檢驗、R/S分析及相關分析等方法，對滇黔桂巖溶區植被NPP的時空變化特征和未來趨勢進行了研究，并探討了巖溶區植被NPP變化與氣候變化之間的關系，主要結論如下：

（1）2000—2019年滇黔桂巖溶區植被NPP均值為 845.49 g·m?2·a?1，空間上呈現西南高東北低的分布格局，20a間植被NPP總體呈現波動上升趨勢，上升速度為 4.02 g·m?2·a?1。呈上升趨勢的面積占總面積的80.19%，呈顯著上升的區域占46.60%，呈減少趨勢的區域占總面積的19.81%。

（2）研究區未來植被NPP以上升趨勢為主，且未來同向變化趨勢遠大于反向變化趨勢。未來呈增加趨勢的面積占總面積的78.53%，呈強持續顯著增加區域占33.03%，主要分布在烏蒙山及廣西盆地北部；呈減少趨勢的區域占21.47%，主要分布在云南麗江市及西雙版納傣族自治州附近。

（3）研究區內整體氣溫對植被NPP起顯著促進作用，降水、相對濕度和日照時數對植被NPP作用不顯著，不同地帶巖溶區植被NPP對氣候變化的響應程度相差較大。

（4）研究區植被NPP對0—1月前氣溫和日照時數變化響應程度較高，而對前 2—3月降水及濕度變化響應程度較高。