何宏昌, 馬炳鑫, 靖娟利,2, 徐 勇, 竇世卿, 劉 兵
(1.桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院, 廣西 桂林541006; 2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541006)
植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Production, NPP),是指單位時(shí)間、單位面積上植被固定的有機(jī)干物質(zhì)的總量[1-2]。植被NPP是表征植物活動(dòng)的重要變量,是陸地碳循環(huán)的重要組成部分,它不僅反映了植被在自然環(huán)境下的恢復(fù)和退化情況,也是判定生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)過(guò)程的主要因子,在全球氣候變化中扮演著重要角色[3-5]。近年來(lái),通過(guò)植被NPP動(dòng)態(tài)變化來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)功能成為了生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn),監(jiān)測(cè)植被NPP的動(dòng)態(tài)變化并探索其影響因素,已經(jīng)成為了未來(lái)生態(tài)保護(hù)研究的重點(diǎn)[6-7]。
關(guān)于植被NPP的研究開(kāi)始于19世紀(jì)80年代[8]。Nemani等[1]通過(guò)研究全球植被NPP的變化情況,發(fā)現(xiàn)全球氣候朝著有利于植被生長(zhǎng)的方向發(fā)展;Peng等[9]分析了加拿大中部植被NPP分布特征,指出氣候變化、碳含量等因素與植被NPP變化密切相關(guān)。我國(guó)對(duì)植被NPP的研究起源于二十世紀(jì)八十年代,國(guó)內(nèi)學(xué)者使用不同數(shù)據(jù)源對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空動(dòng)態(tài)及氣候影響因子研究。陶波等[2]利用CEVSA模型探討了1981—1998年中國(guó)植被NPP的時(shí)空變化格局,指出了氣候因子中的降水是影響植被NPP時(shí)空分布的關(guān)鍵性因素;劉恒等[10]利用MOD17A3數(shù)據(jù)集分析了武陵山區(qū)植被NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及變化趨勢(shì),并利用地理探測(cè)器的方法解析了氣溫是影響該區(qū)域植被NPP變化的主要因子。
西南喀斯特地區(qū)位于中國(guó)南部亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),是世界著名的喀斯特地貌區(qū)域,山多地少,土層薄、土質(zhì)差,并且有石漠化現(xiàn)象[11-12],生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為影響該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸,受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。谷曉平等[13]利用AVIM2模型模擬了西南地區(qū)植被NPP的空間分布格局和多年變化,發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)植被NPP的空間分布與降水量呈顯著正相關(guān),與海拔高度呈負(fù)相關(guān);李燕麗等[14]基于光能利用率模型對(duì)廣西植被NPP進(jìn)行估算,發(fā)現(xiàn)廣西植被NPP總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),并指出人類活動(dòng)正在逐漸成為植被NPP變化的主要因素;左麗媛等[15]基于地理探測(cè)器方法對(duì)2015年貴州三岔河流域植被NPP進(jìn)行定量歸因,發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度和溫度是植被NPP的顯著控制因子。上述研究為闡明西南地區(qū)植被NPP的空間分布特征、動(dòng)態(tài)變化奠定了基礎(chǔ),并在探索植被NPP的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制上做出了探索。然而,目前大多數(shù)研究時(shí)間較短,范圍較小,且大多數(shù)的研究集中于探討植被NPP與降水及氣溫之間的關(guān)系,對(duì)于植被NPP與其他自然因子之間的研究較少。
鑒于此,本文基于長(zhǎng)時(shí)間序列MOD17A3數(shù)據(jù)集、基于站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù),運(yùn)用趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、R/S分析及地理探測(cè)器方法研究西南喀斯特地區(qū)植被NPP時(shí)空格局及變化趨勢(shì),探討自然因子對(duì)植被NPP的影響程度,以期為該區(qū)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)變化提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于中國(guó)西南部,包含3個(gè)省級(jí)行政區(qū)、1個(gè)自治區(qū)和1個(gè)直轄市,分別為四川、云南、貴州、廣西壯族自治區(qū)及重慶。地理位置介于97°21′—112°04′E,20°54′—34°19′N。東臨南嶺山脈、鄂西山地,西起青藏高原,北依秦嶺淮河一帶,南毗鄰越南、老撾、瀕臨于北部灣和南海;區(qū)域總面積137.63萬(wàn)km2,占全國(guó)陸表總面積的14.34%。該區(qū)域地勢(shì)自西向東階梯式降低,地形地貌復(fù)雜,是世界著名的喀斯特地貌區(qū),其中包含橫斷山脈、云貴高原、四川盆地、廣西丘陵等,氣候條件以亞熱帶季風(fēng)氣候和熱帶季雨林氣候?yàn)橹鳎昃鶞貫?2~27℃,年降水量為1 000~1 300 mm,受季風(fēng)氣候影響,水熱條件良好,適合植物生長(zhǎng)發(fā)育,降水自東南向西北方向遞減,受地形因素影響很大(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況
植被NPP數(shù)據(jù)為MOD17A3數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2000—2019年,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為1 a,數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(http:∥lpdaac.usgs.gov)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/search),空間分辨率為30 m,主要用于提取研究區(qū)高程、坡度及坡向等數(shù)據(jù)。同期氣象數(shù)據(jù)包括全國(guó)613個(gè)站點(diǎn)在的逐月氣溫、降水、濕度和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù),源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)( http:∥www.geodata.cn/),該數(shù)據(jù)經(jīng)剔除無(wú)效值,利用ArcMap10.8軟件的IDW工具進(jìn)行插值,得到空間分辨率為500 m的柵格數(shù)據(jù)。
2.2.1 植被NPP變化動(dòng)態(tài)分析 一元線性回歸趨勢(shì)分析能逐像元分析研究區(qū)植被NPP的波動(dòng)規(guī)律和動(dòng)態(tài)變化[16],計(jì)算過(guò)程如下:
(1)
式中:T為植被NPP變化的趨勢(shì)和強(qiáng)度;n表示估算年數(shù);NPPi為第i年植被NPP值。若T>0,表示此區(qū)域植被NPP值呈增加趨勢(shì),反之減少,且T絕對(duì)值越大,變化趨勢(shì)越明顯。
2.2.2 植被NPP變化顯著性檢驗(yàn) 本文采用Mann-Kendall(MK)趨勢(shì)檢驗(yàn)方法對(duì)植被NPP的變化趨勢(shì)的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。MK檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,在氣象與水文研究中廣泛使用,其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算樣本不用遵循特定的規(guī)律分布,且不受少數(shù)異常值的影響[17-19]。
該方法通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)值(Z)判斷時(shí)間序列變化趨勢(shì)是否顯著,標(biāo)準(zhǔn)化后Z值為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布排列,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表采用置信度95%的條件下對(duì)應(yīng)的值,即|Z|>1.96的區(qū)域表示具有顯著的變化趨勢(shì),反之表示趨勢(shì)變化不顯著,計(jì)算公式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[20]。根據(jù)研究區(qū)2000—2019年植被NPP數(shù)據(jù),使用MATLAB 2020年軟件編程實(shí)現(xiàn)植被NPP逐像元計(jì)算。
2.2.3 植被NPP變化持續(xù)性分析 R/S分析法(rescaled range analysis),又稱為重新標(biāo)度極差分析法,最先被用于水文研究,經(jīng)過(guò)多國(guó)學(xué)者進(jìn)行完善,已經(jīng)成為了研究水文學(xué)、氣候?qū)W等方面長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的經(jīng)典方法,并相較于傳統(tǒng)的殘差方差法、聚合方差法準(zhǔn)確性更高[21-23]。通過(guò)計(jì)算赫斯特指數(shù)(H)來(lái)分析研究區(qū)植被NPP變化趨勢(shì)的持續(xù)性,計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[21]。
2.2.4 地理探測(cè)器法 地理探測(cè)器法,最早由中國(guó)學(xué)者王勁峰等[24]提出并使用,是一種探測(cè)空間要素成因和機(jī)理的重要方法,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、人類健康等相關(guān)領(lǐng)域中[25-27]。該方法不僅可以探測(cè)空間分異性的大小,還可用于識(shí)別不同因子之間的交互作用,即評(píng)估雙因子對(duì)植被NPP共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對(duì)植被NPP的解釋力,其具體計(jì)算公式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[24]。空間分異性是由地理探測(cè)器的q值來(lái)衡量的,q的取值范圍為[0,1],當(dāng)q值越大時(shí),表明該因子對(duì)NPP的影響越大,反之則影響越小。本文選取高程(AL)、坡度(SL)、坡向(AS)、生物溫暖指數(shù)(BWI)、生物寒冷指數(shù)(BCI)、生物干濕度指數(shù)(BK)、濕度(H)、日照時(shí)數(shù)(S)、降水(P)、氣溫(T)共計(jì)10種自然因子(其中BWI,BCI,BK計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[28-30])。研究過(guò)程中,研究區(qū)劃分為2 km×2 km的柵格點(diǎn),各因素進(jìn)行重分類后將其與植被NPP空間關(guān)系進(jìn)行一一對(duì)應(yīng),以格網(wǎng)為基本單元,對(duì)研究區(qū)逐年進(jìn)行因子影響力探測(cè)。
基于西南喀斯特地區(qū)2000—2019年的植被NPP數(shù)據(jù)逐像元計(jì)算近20 a年均植被NPP,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出,研究區(qū)年均植被NPP分布呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,20 a間總體均值為751.37 gC/(m2·a),空間分布總體呈北低南高,造成這種分布的原因可能與氣候變化、人類活動(dòng)、土壤類型、地形、植被類型等因素有關(guān)。

圖2 2000-2019年西南喀斯特地區(qū)年均NPP空間分布
為了進(jìn)一步分析西南喀斯特地區(qū)年均植被NPP空間分布格局,將年均NPP分為7個(gè)等級(jí)(分級(jí)規(guī)律見(jiàn)參考文獻(xiàn)[14])。從圖2可以看出,大部分區(qū)域植被NPP值在550~1 000 gC/(m2·a);低值區(qū)[0~550 gC/(m2·a)]占研究區(qū)面積的26.55%,主要分布在橫斷山脈和四川盆地,這些區(qū)域植被NPP植較低的原因主要有兩點(diǎn),一部分地區(qū)平均海拔較高,自然環(huán)境惡劣,植被覆蓋相對(duì)較低,另外一部分區(qū)域地處盆地平原,城鎮(zhèn)建設(shè)面積大,受人類活動(dòng)影響較大。高值區(qū)[1 000~1 950 gC/(m2·a)]占研究區(qū)面積的19.19%,主要分布在云貴高原南部區(qū)域,如云南西雙版納傣族自治州、德宏傣族景頗族自治州及其附近區(qū)域,廣西防城港市、大桂山一帶也有零星分布,這些區(qū)域植被類型主要為針葉林及闊葉林,因此其植被NPP較高。
3.2.1 植被NPP時(shí)間變化特征 從時(shí)間上來(lái)看(圖3),西南喀斯特地區(qū)2000—2019年植被NPP年際變化特征明顯,20 a間研究區(qū)植被NPP介于706.28~793.57 gC/(m2·a),波動(dòng)幅度為87.29 gC/(m2·a),最小值出現(xiàn)在2000年,最大值出現(xiàn)在2015年,整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),年均上升速率為3.67 gC/(m2·a)。從總體變化趨勢(shì)來(lái)看,2000—2003年、2005—2009年和2012—2018年植被NPP呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),2004—2005年和2009—2010年植被NPP出現(xiàn)明顯降低。其中植被NPP下降原因可能與2004年南方大旱以及2009年間西南旱情致使降雨不足,溫度升高,植被生長(zhǎng)受限,西南地區(qū)生態(tài)被破壞有關(guān)[31]。

圖3 2000-2019年西南喀斯特地區(qū)年際NPP變化趨勢(shì)
3.2.2 植被NPP空間變化特征 基于一元線性回歸趨勢(shì)方法,對(duì)西南喀斯特地區(qū)2000—2019年植被NPP進(jìn)行逐像元趨勢(shì)分析,并結(jié)合MK檢驗(yàn),得到近20 a研究區(qū)植被NPP變化趨勢(shì)(圖4)。從圖4可以看出,植被NPP呈增加趨勢(shì)的占比為78.10%,其中呈顯著增加趨勢(shì)(|Z|>1.96,T>0)的區(qū)域占42.14%,主要分布在四川盆地、烏蒙山一帶,廣西丘陵及云貴高原西部也有少量分布。植被NPP呈減少趨勢(shì)的占比為21.90%,其中呈顯著減少趨勢(shì)(|Z|>1.96,T<0)的區(qū)域占3.90%,主要分布在云南西雙版納傣族自治州、普洱市附近,廣西丘陵也有呈零星分布的顯著減少區(qū)域。總體來(lái)看,研究區(qū)植被NPP呈增加趨勢(shì)的區(qū)域遠(yuǎn)大于呈減少趨勢(shì)的區(qū)域,由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響,各地區(qū)植被NPP變化存在顯著的空間差異。

圖4 2000-2019年西南喀斯特地區(qū)植被NPP變化趨勢(shì)
為探究西南喀斯特地區(qū)植被NPP未來(lái)變化趨勢(shì),對(duì)研究區(qū)植被NPP進(jìn)行R/S分析,并參考文獻(xiàn)[32]將分析結(jié)果分為3個(gè)等級(jí),反持續(xù)(H<0.5),弱持續(xù)(0.5
3.4.1 植被NPP自然因子影響力分析 植被NPP變化是多個(gè)因子協(xié)同作用后的結(jié)果,應(yīng)綜合考慮自然因素對(duì)植被NPP的影響。基于地理探測(cè)器方法,本文選取高程(AL)、坡度(SL)、坡向(AS)、生物溫暖指數(shù)(BWI)、生物寒冷指數(shù)(BCI)、生物干濕度指數(shù)(BK)、濕度(H)、日照時(shí)數(shù)(S)、降水(P)、氣溫(T)共計(jì)10種自然因素,對(duì)影響植被NPP變化的因素進(jìn)行了探測(cè)。如表2,表3所示,不同年份驅(qū)動(dòng)因子q值不同(除坡向外其余各因子p檢驗(yàn)值均小于0.01),說(shuō)明不同年份,驅(qū)動(dòng)因子對(duì)植被NPP解釋力強(qiáng)度不同。20 a間,濕度、生物溫暖指數(shù)、日照時(shí)數(shù)和氣溫是影響西南喀斯特地區(qū)植被NPP空間分布差異的主要因素,q均值分別為0.405,0.351,0.350,0.308;降水、高程、生物寒冷指數(shù)、生物干濕度指數(shù)是造成研究區(qū)年均NPP空間差異的次要因素,其q均值均超過(guò)了0.2;坡度q均值小于0.1,說(shuō)明坡度在一定程度上影響植被NPP空間分布差異,但影響程度較小;坡向q均值接近于0,p檢驗(yàn)值大于0.01,說(shuō)明坡向與植被NPP無(wú)明顯的線性及非線性關(guān)系。
1)數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象(DAO)模式:主要用于軟件架構(gòu)的數(shù)據(jù)層,其主要功能為完成數(shù)據(jù)的編輯(添加、刪除和修改)與查詢。

表1 西南喀斯特地區(qū)植被NPP未來(lái)變化趨勢(shì)

圖5 西南喀斯特地區(qū)植被NPP Hurst指數(shù)
3.4.2 植被NPP自然因子交互作用探測(cè)分析 使用地理探測(cè)器交互作用模塊對(duì)植被NPP的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行交互作用探測(cè),用來(lái)評(píng)估雙因子共同作用時(shí)是否會(huì)增強(qiáng)或減弱對(duì)植被NPP解釋力,或者這些因子對(duì)植被NPP作用是否是相對(duì)獨(dú)立的。見(jiàn)表3,不存在相互獨(dú)立對(duì)植被NPP起作用的因子,并且雙因子交互作用q值均大于單因子q值,說(shuō)明雙因子交互作用對(duì)植被NPP作用均表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)。其中,濕度、生物溫暖指數(shù)、日照時(shí)數(shù)、氣溫及高程與其他因子交互作用較強(qiáng),其中高程∩生物溫暖指數(shù)、高程∩濕度和濕度∩日照時(shí)數(shù)的q值最高,分別為0.498,0.493,0.482。雙因子對(duì)研究區(qū)植被NPP的作用并非簡(jiǎn)單相加,而是一種雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)的關(guān)系。

表2 2000-2019年自然因子對(duì)西南喀斯特地區(qū)植被NPP影響力

表3 雙因子交互作用對(duì)西南喀斯特地區(qū)植被NPP的解釋力
西南喀斯特地區(qū)氣候多變,地形復(fù)雜,大范圍監(jiān)測(cè)西南喀斯特地區(qū)植被NPP變化及驅(qū)動(dòng)因素的研究相對(duì)較少。鑒于此,本文基于MOD17A3 NPP數(shù)據(jù),揭示西南喀斯特地區(qū)植被NPP年際變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力,選取10種自然因子,以便更好的分析研究區(qū)植被NPP空間分布差異的驅(qū)動(dòng)因素。研究發(fā)現(xiàn),20 a間西南喀斯特地區(qū)植被NPP總體均值為751.37 gC/(m2·a),高于李登科等[33]研究得出的中國(guó)陸地植被NPP均值的273.5 gC/(m2·a)及陶波等[2]研究得出的342 gC/(m2·a),這主要與西南地區(qū)水熱條件良好,適合植物生長(zhǎng),植被覆蓋度高有關(guān)。研究結(jié)果與董丹等[34]基于改進(jìn)的CASA模型研究得出的1999—2003年西南地區(qū)的植被NPP估算結(jié)果相近,且都得出西南喀斯特地區(qū)植被NPP在2000—2002年呈持續(xù)上升趨勢(shì),在2003年呈下降趨勢(shì);研究結(jié)果與黃曉云等[35]研究結(jié)果相同,均得出2006—2011年西南喀斯特地區(qū)植被NPP呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。這些結(jié)果從側(cè)面驗(yàn)證了本文研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,一定程度表明了近年來(lái)西南喀斯特地區(qū)植被覆蓋度增加,生態(tài)環(huán)境得到改善,退耕還林、還草政策已對(duì)植被NPP增加起到了促進(jìn)作用。
本文運(yùn)用地理探測(cè)器的方法分析了西南喀斯特地區(qū)植被NPP空間差異的主要因素,發(fā)現(xiàn)濕度、生物溫暖指數(shù)及日照時(shí)數(shù)在10種驅(qū)動(dòng)因子中解釋力較高,這3種驅(qū)動(dòng)因子與氣溫具有較大的線性關(guān)系,研究結(jié)果同樣表明降水解釋力(q=0.265)低于氣溫解釋力(q=0.308),此研究結(jié)果與黃曉云等[35]一致,降水與植被NPP的相關(guān)性低于氣溫與植被NPP的相關(guān)性,這可能與西南地區(qū)降水充沛,降水量對(duì)不同地區(qū)的植被生長(zhǎng)存在促進(jìn)與抑制的作用有關(guān)。本文研究結(jié)果中氣溫解釋力大于降水解釋力與谷曉平等[13]研究結(jié)果不同,其原因可能與NPP估算模型和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的不同及研究區(qū)域及研究時(shí)段的不同有關(guān)。
此外,植被 NPP變化是受氣候變化及人類活動(dòng)的共同影響,有研究表明[36-37],西南喀斯特地區(qū)隨著人類退耕還林、還草政策的實(shí)施,人類活動(dòng)對(duì)NPP的影響力逐漸上升。本研究只基于自然因子對(duì)植被NPP的變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析,并未對(duì)人類活動(dòng)對(duì)植被NPP的影響進(jìn)行探究,此方面將作為下一步的研究?jī)?nèi)容。
(1) 近20 a西南喀斯特地區(qū)植被NPP總體均值為751.37 gC/(m2·a),空間分布上呈南高北低的分布格局,植被NPP較高的區(qū)域主要分布在云貴高原西部及廣西丘陵一帶,較低的區(qū)域主要分布于橫斷山脈及四川盆地等地,植被NPP分布格局主要與地理環(huán)境、人類活動(dòng)、植被類型及氣候變化有關(guān)。
(2) 從時(shí)間變化看,近20 a研究區(qū)植被NPP整體呈上升趨勢(shì),增長(zhǎng)速度為3.67 gC/(m2·a);從空間變化看,植被NPP呈上升趨勢(shì)的面積占78.10%,呈顯著增加的區(qū)域占42.14%,主要分布在四川盆地、烏蒙山一帶;呈下降趨勢(shì)的占21.9%,主要分布在云南西雙版納傣族自治州、普洱市等地。
(3) 從未來(lái)趨勢(shì)分析來(lái)看,植被NPP以上升趨勢(shì)為主,呈上升趨勢(shì)的區(qū)域占76.97%,其中呈強(qiáng)持續(xù)增加的面積占30.67%,主要分布在四川盆地及烏蒙山一帶;呈下降趨勢(shì)的面積占23.03%,主要分布在云貴高原南部及橫斷山脈附近地區(qū)。
(4) 驅(qū)動(dòng)因子影響力分析結(jié)果表明,影響西南喀斯特地區(qū)植被NPP的主導(dǎo)因子為濕度、生物溫暖指數(shù)、日照時(shí)數(shù)和氣溫,其q均值均超過(guò)0.3;次要因子為降水、高程、生物寒冷指數(shù)、生物干濕度指數(shù),q均值均超過(guò)了0.2。各因子交互作用之間表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng),其中高程∩生物溫暖指數(shù)、高程∩濕度和濕度∩日照時(shí)數(shù)的q值最高,分別為0.498,0.493,0.482。