2000—2020年喀什地區植被凈初級生產力時空變化及其驅動因素研究

摘要：為全面且定量地掌握喀什地區植被生態系統生長變化狀況，基于MODIS17A3數據集，利用趨勢分析、地統計分析、相關性分析等方法，研究2000—2020年喀什地區植被凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）的時空變化特征及其驅動因素。結果表明，近20 a喀什地區植被NPP均值為

126.160 g C/（m2·a），標準差為15.801 g C/（m2·a）；20 a喀什地區NPP整體呈緩慢增長趨勢，但2010年NPP值發生突變，此次突變與降水量關系密切；喀什地區植被NPP有明顯的空間自相關性和空間異質性，變異系數為0.050～4.344，莫蘭指數為0.910，NPP高值較為集中地分布于水源豐富的綠洲地帶。喀什地區近20 a植被生長狀況持續向好，在近20 a植被NPP時空變化中，海拔、坡度和年降水量等結構型因素發揮決定性作用。

關鍵詞：植被；凈初級生產力（NPP）；時空變化；驅動因素；相關性分析；趨勢分析；地統計分析；喀什地區

中圖分類號：Q948.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-0-10

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.042

Research on spatiotemporal Variation and driving factors of net primary productivity of vegetation in Kashi region from 2000 to 2020

ZHU Min， Muhetaer Aimaiti， Alimu Yiming， Nuerbiya Abudukeyoumu

（College of Life and Geographic Sciences， Kashi University， Kashi 844099， China）

Abstract： In order to comprehensively and quantitatively grasp the growth and changes of vegetation ecosystem in Kashi region， based on the MODIS17A3 dataset， this paper uses trend analysis， geostatistical analysis， correlation analysis and other methods to study the spatiotemporal variation characteristics and driving factors of Net Primary Productivity （NPP） of vegetation in Kashi region from 2000 to 2020. The results show that the average NPP of vegetation in Kashi region in the past 20 years was 126.160 g C/（m2·a）， with a standard deviation of 15.801 g C/（m2·a）; in the past 20 years， the overall NPP in Kashi region showed a slow growth trend， but in 2010， there was a sudden change in NPP values， which was closely related to precipitation; the vegetation NPP in Kashi region shows significant spatial autocorrelation and heterogeneity， with a coefficient of variation of 0.050～4.344 and a Moran index of 0.910， and high NPP values are concentrated in oasis areas with abundant water sources. The vegetation growth in the Kashi region has continued to improve over the past 20 years， and structural factors such as altitude， slope， and annual precipitation have played a decisive role in the spatiotemporal variation of vegetation NPP.

Keywords： vegetation; Net Primary Productivity （NPP）; spatiotemporal variation; driving factors; correlation analysis; trend analysis; geostatistical analysis; Kashi region

凈初級生產力（Net Primary Productivity，NPP）是植被在單位時間、單位面積內扣除呼吸消耗后剩余的自身固定的能量或生產的有機物質，作為表征陸地生態系統的關鍵變量，能反映植被在自然狀態下的生產能力，是全球碳循環的重要組成部分[1-4]。同時，NPP也是評價生態系統結構與功能協調性與生物圈人口承載力的重要指標[5]。因此，研究區域植被NPP的時空變化及其驅動因素具有十分重要的意義。

目前，學者對NPP的研究主要集中在兩個方面。一是對NPP估算模型的研究。Potter等[6]提出CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型，并對全球NPP進行估算，是目前應用最廣泛的模型之一。朱文泉等[7-9]對國外模型進行改進，使其更適用于我國NPP的遙感估算。二是基于地理信息技術分析NPP時空變化特征及其驅動因素。洪辛茜等[10]基于土地覆蓋和NPP產品分析2001—2008年西南地區NPP變化量及其驅動因素。周雷雷等[11]以胡煥庸線為界，研究中國東西部植被NPP的變化。整體來看，學者對NPP估算模型的研究較為豐富，但對NPP時空演變的研究較多集中于大尺度范圍，如西南地區、西北地區以及中國全域等，對小尺度范圍的關注甚少。但是，小尺度范圍的研究更為精細化，是區域生態環境質量評價必不可少的內容。此外，學者對NPP影響因素的研究大量考慮氣候因子與NPP的關系，對其他自然因子少有提及。NPP的時空分異是多個因子綜合作用的結果，并非某個因子決定，因此本研究綜合考慮多個因子對NPP的影響。

喀什地區作為絲綢之路經濟帶的黃金地帶和中巴經濟走廊的廊橋，是我國向西開放的重要窗口[12]。喀什地區遠離海洋且三面環山，屬于典型的溫帶大陸性氣候區，降水量偏少，年均降水量介于60.1～135.6 mm[13]。喀什地區植被類型中，荒漠植被所占面積最大，針葉林面積最少，值得注意的是，喀什地區東臨塔克拉瑪干沙漠且西南部海拔過高，因此部分區域無植被覆蓋。喀什地區區位優勢獨特，其快速、高質量的發展對實現新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）經濟的跨越式發展有重要意義[14]，而經濟發展與生態環境的關系尤為密切。本文基于MODIS17A3數據集，定量研究喀什地區2000—2020年的植被NPP時空變化，并選取地形、氣候等要素探討其與NPP的關系，以期為喀什地區生態環境評估與治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究使用的數據主要有喀什地區的NPP數據、高程數據、氣象數據和土地利用數據等。其中，NPP數據來自美國國家航空航天局的2000—2020年MODIS17A3數據集，時間分辨率為1 a，空間分辨率為500 m×500 m。該數據集運用BIOME-BGC生物地球化學模型估算全球陸地植被年NPP，已在全球和區域NPP研究中廣泛應用。利用MRT（MODIS Reprojection Tool）工具對其進行格式轉換、投影轉換和拼接等預處理，然后在ArcGIS軟件中剔除無效值、轉換系數并變換單位，考慮研究區范圍較小和提高圖像分辨率，對圖像進行重采樣處理，將像元大小調整為250 m×250 m。空間分辨率30 m×30 m的高程數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn）；氣象數據來源于國家科技資源共享服務平臺——國家地球系統科學數據中心（http：//www.geodata.cn）；土地利用類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據平臺（http：//www.resdc.cn）。

1.2 NPP時空特征分析方法

1.2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall（MK）檢驗是一種非參數的統計檢驗方法，不僅可以檢驗時間序列的變化趨勢，還可以檢驗時間序列是否發生突變。檢驗結果組成UFk和UBk兩條曲線，UFk表示趨勢變化統計量，UBk表示序列UFk的反序列，二者在置信區間內的交點為突變點。該方法的計算公式和參數含義見文獻[15-16]。

1.2.2 趨勢分析

喀什地區植被凈初級生產力的年際變化率反映植被凈初級生產力的年際變化，本研究用一元線性回歸模型對像元尺度上NPP的變化趨勢進行模擬，如式（1）所示。若趨勢變化率大于0，則NPP總體呈上升趨勢；反之，則NPP總體呈下降趨勢。趨勢變化率的大小反映上升或下降的速率快慢。此外，采用F檢驗對植被凈初級生產力的趨勢變化做顯著性檢驗。

式中：l為趨勢變化率；n為研究年數，取21；i為研究年序號；yi為第i年的植被NPP。

1.2.3 空間自相關分析

空間自相關反映某個區域單元上或某個地理現象的屬性與相鄰區域單元或地理現象相同屬性的相關程度，可以度量空間域中聚集程度[17]。常用的空間自相關指數是莫蘭指數，根據其空間范圍的大小、空間自相關的測度，可分為全局莫蘭指數與局部莫蘭指數[18]。計算公式及計算方法見文獻[19]。

1.3 NPP影響因素分析

1.3.1 地統計分析

喀什地區植被NPP作為區域化變量，其空間異質性可以通過地統計學來分析。通過構建半變異函數模型對區域化變量的空間變異結構進行研究[20]，半變異函數模型常用來研究區域化變量隨機性和空間相關性的規律，主要參數有基臺值、塊金值和變程[21]，如式（2）所示。

式中：γ（h）為半變異函數；h為步長；N（h）為間隔距離h的樣本總配對數；Z（xi）和Z（xi+h）分別為在位置xi和xi+h處的NPP值；i為樣本配對序號，i=1，2，…，N（h）。

1.3.2 相關性分析

相關系數用于表征兩個或多個變量的相關程度。本研究在像元尺度上分析喀什地區植被NPP與影響因素的相關系數[22]，如式（3）所示。相關系數的取值范圍為[-1，1]。若相關系數大于0，則兩個變量正相關；若相關系數小于0，則兩個變量負相關；若相關系數為0，則兩個變量無線性關系。相關系數的絕對值越接近1，表明相關性越好。

式中：rxy為相關系數；xi為第i年的NPP值；x為多年NPP均值；yi為第i年的影響因素；y為多年影響因素的均值；n為研究年數，取21。

2 結果與分析

2.1 NPP時間序列分析

NPP（Y）與年份（X1）的線性擬合分析結果如圖1所示，二者的相關系數R2為0.461。喀什地區近20 a NPP年均值呈現上升趨勢，均值在101～153 g C/（m2·a）上下浮動。最低值出現在2000年和2007年，最高值出現在2010年，且2010年以后，NPP年均值基本都高于20 a的NPP年平均值，20 a的NPP年平均值為126.160 g C/（m2·a）。喀什地區近20 a NPP變異系數[23]為12.525%，表明近20 a NPP的整體波動性不高。

以5年為一個時間周期，分析喀什地區NPP的相關變化。由表1可知，NPP年均值持續增長，2011—2015年NPP年均值增長陡然加快，從118.200 g C/（m2·a）猛增至132.400 g C/（m2·a）。喀什地區NPP的標準差變化顯示，除2006—2010年以外，其余時間段的NPP標準差都較小，說明這些年份的NPP值與其各自時間周期內的NPP均值相差不大。變異系數也表明2006—2010年的NPP值波動相對較大，變異系數為18.020%；2016—2020年NPP的波動最小，僅為5.253%。

借助Python軟件對喀什地區2000—2020年植被NPP變化趨勢及突變情況進行分析。Mann-Kendall趨勢檢驗的結果顯示，相關性系數為0.002，近20 a喀什地區NPP呈增長趨勢，這與前面統計分析的結果一致。喀什地區NPP突變檢驗結果如圖2所示，UFk與UBk兩條曲線出現交點，且交點位于兩條臨界線之間，交點對應的時間便是NPP發生突變的時間，即2010年。2010年，NPP出現較大增長，達到近20 a的最高值。

2.2 NPP空間分異分析

對喀什地區近20 a植被凈初級生產力進行疊加分析，結果發現，喀什地區NPP在空間分布上具有明顯的差異性，如圖3所示。喀什地區2000—2020年

植被NPP的空間分布特征顯示，高值較為集中地分布于水源豐富的綠洲地區，這些地區海拔相對較低，土壤質量相對較好。NPP值小于100 g C/（m2·a）的區域主要位于喀什地區北部土壤鹽漬化嚴重區和南部高海拔地區[24-25]，這些區域占總NPP面積的39.162%。NPP在100～200 g C/（m2·a）的區域面積最大，占總NPP面積的43.203%，主要分布在葉爾羌河中上游、中游兩岸以及喀什噶爾綠洲區。NPP值大于300 g C/（m2·a）的區域面積很少，集中分布于喀什地區最西邊。對NPP變化結果進行顯著性檢驗，如表2所示，2000—2020年喀什地區NPP顯著性變化面積大于不顯著變化的面積。其中，顯著增加區域面積占全區NPP面積的57.119%，不顯著增加的面積占全區NPP面積的31.522%，顯著減少的區域所占比例最少，只有2.558%。

2000—2020年，喀什地區NPP均值變化如圖4所示。由NPP年際變化可知，喀什地區NPP持續向好的地區主要集中于疏附縣、澤普縣和葉城縣中部等，其余區域變化不顯著。基于ArcGIS軟件，對每5年一個時間周期的NPP進行差別檢驗。結果表明，2000—2005年，NPP持續增長；2006—2010年，喀什地區南部、西南部NPP有些許減少，其余地區繼續增長；2011—2015年和2016—2020年，葉爾羌河流域周邊及水系發達區域NPP持續增長，喀什地區其余區域NPP增長都受限。

利用GeoDa軟件進行喀什地區近20 a NPP空間自相關分析，顯著性系數P為0.001，遠小于0.05，表明莫蘭指數顯著有效。全局莫蘭指數為0.910，表明喀什地區植被NPP的空間自相關性顯著。對局部莫蘭指數進行檢驗，結果表明，高-高聚集的NPP主要集中分布于喀什地區西部、中部，這些地區都是水資源十分豐富的區域；低-低聚集的NPP主要分布于土壤鹽漬化和污染嚴重的喀什地區北部及其南部高原山區。

2.3 NPP驅動因素分析

利用GS＋軟件構建半變異函數模型，并選用球狀模型。在理論模型中，塊金值表示由隨機因素引起的變異，基臺值表示系統內的總變異，塊金值與基臺值的比值代表由地形、氣候等非人為的結構因素所引起的變異占總空間變異的比例。比值越小，非人為因素作用越大[26]。將2000—2020年分成4個時間段進行具體研究，半變異函數模型的相關參數如表3所示。結果表明，所有時間段選用球狀模型的擬合效果都是最佳，其決定系數都接近1，即此模型解釋因變量的能力最強。塊金值與基臺值的比值都接近25%，比值最小為24.43%，比值最大為27.78%。結果充分說明，無論是長期分析還是短期分析，喀什地區近20 a植被NPP的空間異質性都主要是由結構型因素導致的。基于此，在接下來的驅動因素分析中，將考慮結構型因素的作用。

2.3.1 NPP空間分布與海拔的關系

利用自然斷點法將喀什地區海拔分為9級，分析不同海拔下植被NPP均值與所占面積的變化，如圖5所示。海拔為1 034～1 425 m時，NPP所占面積最大，占全區NPP面積的69.881%。海拔為1 425～2 016 m時，NPP均值最高，為255 g C/（m2·a）。NPP主要分布于海拔較低的區域，隨著海拔的升高，NPP均值與NPP所占面積都逐漸減少。

2.3.2 NPP空間分布與坡度的關系

采用自然斷點法將坡度分為9級，分析坡度與植被NPP的關系，如圖6所示。坡度小于4°時，NPP所占面積最大，占全區NPP面積的64.677%。之后，隨著坡度的增加，NPP所占面積急劇減小。坡度為4°～11°時，NPP均值最高，為157 g C/（m2·a），此值相比其他坡度的NPP值稍高。之后，隨著坡度增加，NPP均值逐漸減小。

2.3.3 NPP空間分布與降水量的關系

2001—2020年，喀什地區年降水量介于14.834～317.308 mm，多年平均降水量為52.166 mm。由圖7（a）可知，近20 a NPP均值與降水量均值的變化趨勢相似。NPP（Y）與年降水量（X2）的線性擬合分析結果如圖7（b）所示，二者的相關系數R02為0.356。借助SPSS軟件對其進行相關分析，置信度小于0.05時，多年降水量與NPP的皮爾遜相關系數為0.597，表明降水量與植被NPP正相關。從逐像元尺度分析喀什地區NPP與降水量的相關性，由圖8可知，相關系數最低值為-0.669，最高值為0.854，呈正相關的區域面積遠遠大于負相關區域，且廣泛分布于喀什地區，呈顯著正相關的區域面積占全區NPP面積的30.622%。相關系數最高的區域是帕米爾高原山麓前沿地區；相關系數最低的區域是塔什庫爾干塔吉克自治縣北部，這里海拔較高，不適宜植被生長。

2.4 討論

植被凈初級生產力是陸地生態系統中生態功能和碳循環的重要評價指標，對探究NPP時空變化及其驅動因素具有重要意義[27]。本研究分析喀什地區2000—2020年NPP時空變化特征，并確定地統計分析中降水量、海拔、坡度等因素與NPP的關系。研究發現，喀什地區近20 a植被NPP總體呈增長趨勢，具有空間異質性與空間自相關性，結構型因素在NPP時空變化中起重要作用。

本研究使用的NPP數據來源于美國國家航空航天局的MODIS17A3數據集，該數據集已廣泛應用于區域及全球碳循環模擬、生態系統研究等。眾多學者也將其用于新疆植被NPP、草地NPP的研究。姜萍等[28]直接利用2000—2017年中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）數據，研究新疆植被NPP及其對氣候變化響應的海拔分異。高原[29]也將MODIS數據用于研究新疆NPP的時空變化。對比發現，本研究結果與學者研究中關于喀什地區的NPP結論是一致的。同時，本研究結果與張山清等[30]對新疆自然植被凈第一性生產力的研究中關于喀什地區的描述是統一的，與盧娜等[31]關于南疆植被總初級生產力與區域降水的研究結論相符。這些充分證明本研究的正確性與科學性。植被作為自然景觀最直接的反映，也是評估生態環境質量的指標之一，其分布特征、影響因素等都引起國內外學者的廣泛關注。本研究的空間尺度不大，MODIS重采樣后的像元大小為250 m×250 m，可以較好反映該區域植被NPP的生長狀況與演變特征。在喀什地區NPP的時空變化中，自然要素發揮主導作用，但近10 a NPP的增長趨勢也表明，環境保護政策、生態建設等人為因素的作用也在不斷提高。

3 結論

本文以2000—2020年為研究時段，基于NPP數據、氣象數據和高程數據等，利用Mann-Kendall檢驗、趨勢分析、地統計分析和相關性分析等方法對喀什地區植被NPP時空變化及其驅動因素進行研究。結果表明，2000—2020年喀什地區植被NPP年均值整體呈上升趨勢。2010年是一個突變時間點，2010年以前植被NPP均值基本低于近20 a的平均值，2010年以后NPP均值基本高于近20 a的年均值。它與降水量的關系十分密切。近20 a喀什地區植被NPP在空間分布上具有明顯的差異性，存在空間自相關性和空間異質性，NPP高值較為集中地分布于喀什地區中部沿葉爾羌河的綠洲帶以及溝渠、水庫十分密集的西部。自然因素對NPP的影響遠大于人為因素。自然因素中，海拔、坡度和降水量對喀什地區植被NPP的分布都有驅動影響。喀什地區NPP近20 a呈增長趨勢，與喀什地區降水量呈正相關。除此之外，生態保護政策也初顯成效，尤其是近10 a NPP增長趨勢明顯，這表明生態文明建設的效應開始顯現。除自然因素外，人為因素的作用也不可忽視。研究結果可為改善喀什地區脆弱的生態環境和促進社會經濟的持續穩定發展提供參考。本研究分析喀什地區近20 a植被NPP的時空變化特征及其驅動因素，取得顯著成果，但仍存在部分亟待改進之處。總體來說，選取的因素不夠全面，后續研究還可以考慮太陽輻射、土壤類型等自然因素，兼顧人口、經濟和環境保護政策等人為因素，利用地理探測器、神經網絡等方法，將自然因素與人為因素相結合，定量分析及比較各因素對植被NPP時空變化的影響。

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