山西省植被NPP時空變化特征及其驅動力分析

梁爽 張吳平 畢如田 高培霞 王國芳

摘 要： 為科學有效地管理和調控植被資源，解決水土流失、植被減少等生態問題，該研究依據山西省2005—2015年MOD17A3H數據，利用ARCGIS、ENVI等軟件，運用統計學分析方法，揭示了山西省植被NPP時空分布變化規律及對氣候、人為等影響因素的響應特征。結果表明：山西省植被NPP平均值為326.5 g（C）·m-2·a-1，其中草地、耕地、灌叢和林地的NPP多年平均值依次為300.3、353.6、366.5和390.1 g（C）·m-2·a-1；植被NPP總體波動增大、變化為顯著、極顯著、顯著增大區域面積比例達56.33%，集中在山西省西部；植被NPP極顯著、顯著減小區域面積集中在山西省東南角，占比為2.22%；草地NPP變化速率最大，耕地大于灌叢，林地最小；植被NPP平均值和降水平均值之間表現為呈顯著正相關。基于柵格單元值計算，全省17.01%的區域植被NPP與降水之間表現為顯著或極顯著正相關，集中在山西省北部；全省3.66%的區域植被NPP與氣溫之間表現為顯著或極顯著負相關，集中在山西省中部。這表明2005—2015年，山西省植被NPP總體呈好轉趨勢；不同植被對人類活動及環境變化的響應有所差異，草地、耕地生態結構穩定性較弱，NPP變化明顯，灌叢和林地穩定性較強，NPP數值穩定；植被NPP與降水之間呈顯著正相關，與氣溫之間呈負相關，氣候因子整體上促進植被NPP增大，人為因素整體上抑制植被NPP增大。

關鍵詞： 山西省， 植被凈初級生產力， 土地利用類型， MODIS， 驅動力

中圖分類號： Q948 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-3142（2018）08-1005-10

Abstract： In order to solve the ecological problems like soil erosion， vegetation reduction by scientifically and effectively management of vegetation resources. In this paper， the data of MOD17A3H in Shanxi Province were used to analyze the temporal and spatial distribution of vegetation net primary productivity （NPP） in Shanxi Province during 2005—2015 by using the software such as ARCGIS and ENVI. The climate， land use types and elevation data were also used to analyze the response characteristics of vegetation NPP to climate and other influencing factors by using statistical method. The results were as follows： The average vegetation NPP of Shanxi Province during 2005—2015 was 326.5 g（C）·m-2·a-1， and the average NPP of grassland， farmland， shrubs and forestland during 2005—2015 were 300.3， 353.6， 366.5 and 390.1 g（C）·m-2·a-1； The overall fluctuation of NPP in vegetation in Shanxi Province increased significantly with a significant or extremely significant increase in the proportion of regional area reached 56.33%， mainly concentrated in the western part of Shanxi Province； The significant or extremely significant reduction of vegetation NPP area was mainly concentrated in the southeastern corner of Shanxi Province， accounting for 2.22% of the total area； The rate of change of NPP in grassland was the largest， the farmland was greater than the shrub， and the forest land was the smallest； There was a significant positive correlation between the average of vegetation NPP and the average of precipitation in Shanxi Province. Based on calculated pixel value， the area of vegetation NPP and precipitation had significant or extremely significant positive relation in the total study area， accounting for 17.01%， mainly concentrated in northern Shanxi Province； The area of vegetation NPP and temperature had significant and extremely significant negative correlation relation in the total study area， accounting for 3.66%， mainly concentrated in central Shanxi Province. The results indicated that the vegetation NPP of Shanxi Province during 2005—2015 was improving； The response of different vegetation to human activities and environmental factors was different， the stability of grassland and farmland was weak， and the NPP changes obviously， the stability of shrub and forestland was strong， and NPP was stable； There was a significant positive correlation between vegetation NPP and precipitation， and a negative correlation between vegetation NPP and temperature， as a whole， the climate factor promotes the rise of NPP， while the human factor is mainly manifested as the inhibitory effect on NPP changes.

Key words： Shanxi Province， vegetation net primary productivity （NPP）， land use type， MODIS， driving factor

植被凈初級生產力（net primary productivity，NPP）是指單位面積的植被在單位時間內憑借自身光合作用產生的有機物扣去自養呼吸消耗后余下的部分（Lieth & Whittaker，1975），體現了植被將無機碳固定、轉化為有機碳的效率。NPP是植被自身和其他生物在生態系統中生存、發育及繁衍的物質基礎，它是植被自身和外界環境因素間相互作用、相互影響所產生的結果，是評價生態環境優劣的重要指標之一。因此，分析各種影響因素與植被NPP之間的相關性，進而改善生態、推動可持續發展的研究在生態問題日益嚴峻的今天顯得尤為重要。自Ebermayer于1876年開始研究植被初級凈生產力以來，不同國家的專家學者通過大量的實驗研究，提出了各種計算和測量植被NPP的方法，在模型模擬植被NPP方面取得了一定成果。自20世紀80年代起，專家們為了彌補植被NPP經驗模型的缺陷，研究出了基于植被生物特征的植被NPP過程模型。隨著3S（地理信息科學、全球定位系統、遙感）技術的高速發展，植被NPP過程模型得到了充分的普及與應用（孫力煒，2013）；20世紀90年代后期，以孫睿和朱啟疆（2001）、樸世龍等（2001）、陳利軍等（2002）為代表的國內學者們在Landsat、MODIS等數據大規模進入國內的基礎上大力促進了國內關于植被NPP的分析研究。

隨著技術日趨成熟、數據日益完善，植被NPP的研究也日漸成熟，在改善生態環境、推動可持續發展方面發揮著重要作用。山西省地處中國北部，屬溫帶大陸性季風氣候，是典型的黃土高原，境內有呂梁、太行兩座山脈，植被類型豐富。山西省礦產資源豐富，近年隨著經濟發展，人類活動加強，資源開采過度使得土壤污染、植被減少、水土流失等生態問題日益嚴峻，潛在的資源得不到科學合理地開發利用，經濟可持續發展受到嚴重影響，植被NPP作為評價生態系統的重要指標，而對于山西省植被NPP狀況的研究相對匱乏。因此，本研究利用山西省2005—2015年MO17A3H數據，綜合氣溫、降水等數據，運用統計學分析方法，揭示山西省植被NPP時空分布格局及其變化規律，分析植被NPP在不同環境條件（區域、植被類型、高程）下對氣候變化及人類活動的響應特征，為山西省植被保護和合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

山西省位于中國北部，總面積15.67 萬km2，是典型的黃土高原地形，山區面積比例達到80%以上，地勢上東北高西南低，境內大部分地區高程超過1 500 m。山西省屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫最低為3 ℃，最高為14 ℃，晝夜溫度差異明顯，南北溫度差異明顯。全省冬季日平均氣溫均在0 ℃以下，夏季全省氣溫較高，7月份日平均氣溫介于21～26 ℃之間。全省年總降水量為400～650 mm，降雨量不平均，6月份至8月份雨多且集中，降水量達到全年總降水量的60%，全省地形地貌復雜多變，山區眾多，對降雨的影響很大，不同地區降水差異性顯著。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

NPP數據為美國NASA EOS/MODIS 2005-2015年的MOD17A3H數據，其利用MODIS衛星數據結合模型運算出NPP數據，精度高、易操作，空間分辨率為500 m，時間分辨率為1 a。

高程數據來源于中國科學院地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn），空間分辨率為30 m。

土地利用類型數據為2010年美國MODIS的MCD12Q1數據，空間分辨率達到500 m。

氣象數據來自中國氣象科學數據網（http：//cdc.cma.gov.cn），采用反距離權重法（IDW）對2005—2015年山西省及其周邊省（市）30個氣象站點逐年的溫度、降水數據進行插值運算。

為避免因數據之間坐標、分辨率等屬性不同而導致誤差，利用ARCGIS軟件將所有數據統一轉換為WGS84/UTM坐標系、500 m分辨率后，由ARCGIS和ENVI軟件進行后續的研究分析。

2.2 研究方法

2.2.1 植被NPP變化趨勢研究 采用線性回歸方法研究2005—2015年山西省每個柵格單元內植被NPP隨時間變化趨勢（穆少杰等，2013；朱鋒等，2010；吳珊珊等，2016）。

將檢驗結果分為極顯著負相關、顯著負相關、相關性不顯著、顯著正相關和極顯著正相關5種類型（李曉榮等，2017）。

2.2.3 植被NPP分區統計研究 基于高程數據將研究區域劃分成不同梯度區域，結合土地利用類型和植被NPP年平均值的數據，對該區域植被NPP分類研究，分析高程梯度上植被NPP分布變化特征及人為、氣候等因素與植被NPP間的相關性。

3 結果與分析

3.1 NPP空間分布特征

利用山西省MOD17A3H數據，根據土地利用類型數據進行分類研究，發現山西省植被NPP 2005—2015年間平均值為326.5 g（C）·m-2·a-1，其中93.53%的區域植被NPP值在200～500 g（C）·m-2·a-1之間，草地NPP平均值為300.3 g（C）·m-2·a-1，耕地NPP平均值為353.6 g（C）·m-2·a-1，灌叢NPP平均值為366.5 g（C）·m-2·a-1，林地NPP平均值為390.1 g（C）·m-2·a-1。

從圖1可以看出，山西省植被NPP空間分布整體上呈現北低南高，西低東高的特征。結合自然條件、地形地貌及人為活動等因素分析可知，山西省水熱等自然條件自北向南、自西向東逐漸變好，境內呂梁、太行兩座山脈主要分布在東部和南部，山區植被覆蓋度高，受人為因素影響較小，植被NPP數值高；山西省煤炭資源豐富，境內礦區眾多，而西部和北部礦區多為露天礦區，其開采方式會對植被造成一定程度的破壞，植被覆蓋度較低，所以植被NPP值較低。因此山西省植被NPP總體上呈現北低南高，西低東高的分布特征。

3.2 植被NPP年際變化分析

從圖3可以看出，2005—2015年，山西省植被NPP總體波動增大，不同類型植被NPP的年際變化趨勢和山西省植被NPP總體變化趨勢大體相同，表明是某種大范圍影響因素影響了山西省植被NPP總體變化趨勢。

從圖4可以看出，2005—2015年，山西省86.07%的區域植被NPP年際變化率介于0～15 g（C）·m-2·a-1之間，87.73%的區域植被NPP年際變化率為正值，表明山西植被NPP總體呈增大趨勢。山西省中西部地區植被NPP增大較快，植被NPP減小區域則集中分布在東南部。從圖5可以看出，植被NPP整體顯著改變，植被NPP顯著增大及極顯著增大區域面積占總面積的56.33%，主要集中在山西省西部；植被NPP顯著減小以及極顯著減小區域主要集中在山西省東南角。草地NPP顯著或者極顯著增大區域面積占草地區域總面積比例最大，為69.20%，遠高于其他類型植被；林地NPP顯著或者極顯著減小區域面積占林地區域總面積比例最大，為7.56%。總體上林地和灌叢生態系統結構穩定，對環境變化響應不顯著，而以草本科植物為主構成的草地、耕地生態系統結構相對簡單，受環境變化影響顯著，當環境變好之后NPP會顯著增大。

從圖4和圖5可以看出，植被NPP快速增大的區域，其植被NPP多表現為顯著或極顯著增大，表明研究期間該區域植被狀況明顯好轉；植被NPP減小的區域，其植被NPP多表現為變化不顯著，表明研究期間植被NPP減小區域的植被無明顯惡化。植被NPP顯著或極顯著增大區域以草地與耕地居多，而顯著或極顯著減小區域則以林地居多，NPP減小區域大部分分布在太行山內，該區域內植被NPP較低且植被NPP 變化速率也較小，表明該區域長期受到負面因素影響。植被NPP顯著減小區域面積小、分布零散，而氣候因素影響廣泛，表明氣候因素不是造成此部分植被變差的主要原因，結合太行山近些年開發歷史分析，推測人為因素是部分植被NPP顯著減小的重要原因之一。

3.3 植被NPP和氣候因素之間相關性分析

基于研究區域平均值進行計算可知，2005—2015年山西省降水與植被NPP之間表現為顯著正相關關系（P<0.05），相關性系數為0.366；氣溫與植被NPP相關性不顯著，相關系數為-0.223。結合圖6和圖7可以看出，降水與植被NPP之間多為體現為正相關性，其中17.01%的區域表現為顯著或者極顯著正相關，集中在山西省北部；氣溫與植被NPP之間多體現為負相關性，其中3.66%的區域表現為顯著或者極顯著負相關，集中在山西省中部；基于不同類型植被NPP與氣候因素之間偏相關性系數顯著性檢驗結果圖（圖8），結合植被生態特征分析可知；不同類型植被NPP與降水、氣溫之間偏相關性的顯著性檢驗結果和山西省整體檢驗結果大致相同，其中草地生態系統結構簡單多變，對降水、溫度，尤其對降水的變化響應最為顯著，林地生態系統結構穩定，對降水、溫度的變化響應最不明顯。結合植被NPP變化研究結果能夠看出，部分植被NPP變化顯著區域，其植被NPP與降水、氣溫之間多表現顯著相關，表明氣候因素是造成植被NPP顯著變化的因素之一。

上述研究發現，降水多數促進植被NPP增大，而氣溫多數抑制植被NPP增大，這正是干旱脅迫現象的體現，表明干旱是抑制山西省植被NPP增加的重要因素之一（史海萍，2006）。但氣溫和降水僅在整體水平上顯著影響植被NPP變化，通過逐象元研究分析發現，其對植被NPP顯著影響的區域面積比例很低，表明氣溫和降水僅是影響山西省植被NPP變化的多種因素中的兩種因素。

3.4 高程梯度上植被NPP變化特征

山西省境內山脈連綿起伏、溝壑縱橫交錯，全區高程梯度大，不同高程地區的環境及植被類型差異顯著。基于高程數據對山西省2005—2015年植被NPP數據進行分區統計。從圖9可以看出，隨著高程增加，年均植被NPP呈現波動增大，不同類型植被NPP隨高程變化趨勢和研究區域總體趨勢大致相同，在高程介于700～800 m之間區域，研究區域整體植被NPP以及不同類型植被NPP都有一個明顯減小的趨勢，結土地利用類型數據分析，山西省中部城鎮地區集中在高程700～800 m處，人類生產活動強烈，抑制了植被改善。

4 討論與結論

本研究結果表明，山西省植被NPP的空間分布變化主要取決于空間位置、地形地貌、開發程度和人為管理等因素，這些因素通過控制水熱、土壤等因子影響著植被NPP的空間分布以及變化特征， 其中干旱是抑制植被NPP增加的重要因素之一。受溫帶大陸季風性氣候影響，山西省雨季和熱季同期，但降水量遠小于蒸發量，容易形成干旱脅迫現象，抑制植被NPP的增加；草地植被以及耕地植被受人類影響較強，NPP變化明顯，林地多位于山區，受人類影響較小，NPP數值較為穩定。

本研究中，山西省植被整體上呈好轉趨勢，與國內許多專家學者的研究結果相同，黨躍軍等（2015）的研究發現山西省在2003—2012年10 a間植被呈好轉趨勢，草地、灌叢、林地均有改善。武永利等（2008）對山西省植被指數時空變化特征的研究發現山西省近25 a間植被指數波動上升，植被總體呈好轉趨勢。杜加強等（2015）關于新疆地區植被NDVI的研究得出植被從1982—2012年逐漸改善；李輝霞等（2011）對三江源區域NDVI的研究得出植被從2000—2014年逐漸變好；李曉榮等（2017）對太行山植被NPP的研究中，發現植被NPP在2000—2014年間呈好轉趨勢，但有些區域在研究期間植被并未得到改善。張莎（2015）基于長時間多系列遙感數據對河北植被NPP的研究得出河北省大部分區域植被NPP在2000—2014年間逐漸減小。為此阿多等（2017）提出，不同地區植被的變化規律之間存在明顯的差異性，所以，不同區域的植被在面臨相同的環境改變條件下，體現出的響應特征也會表現出較明顯的差異。本研究目前僅對MODIS NPP數據進行了分析應用，缺少實地的考察認識，結合社會、人為、經濟方面的研究還不夠。對人類活動造成植被NPP變化的研究缺乏定量研究，實際的應用意義不大，這是在以后研究中需要改進完善的。MODIS數據的精度還存在一定的問題，需要綜合考慮多方面的影響因素，并且結合研究區域的具體情況，這樣才能在本土化研究中取得更準確的研究結果。目前，不同植被NPP模型之間在精度和準度方面存在較大差異，其研究結果缺乏可比性；有學者認為綜合多種算法的集合預估方法能夠有效地提高模型模擬精度，其模擬結果明顯好于單一算法，這將會是成為今后關于植被NPP研究的一個重要前進方向。

綜上所述，得出結論如下：

（1）山西省植被NPP 2005—2015年間平均值為326.5 g（C）·m-2·a-1，其中93.53%的區域植被NPP值在200～500 g（C）·m-2·a-1之間，草地、耕地、灌叢和林地的NPP平均值分別為300.3、353.6、366.5、390.1 g（C）·m-2·a-1。（2）2005—2015年，山西省植被NPP整體波動增大、變化顯著，顯著增大及極顯著增大區域面積比例達56.33%，主要集中在山西省西部；植被NPP顯著減小以及極顯著減小區域主要分布于山西省東南角，占比僅為2.22%。不同類型植被NPP的年際變化趨勢與研究區域植被NPP總體變化趨勢大致相同。（3）草地NPP變化速率最大，耕地大于灌叢，而林地NPP變化速率最小。林地生態結構穩定，NPP變化穩定；草地生態系統結構簡單，適應能力較強，對環境變化響應更迅速，NPP變化明顯。（4）山西省植被NPP與氣溫因素在整體水平上相關性不顯著，在象元水平上表現為負相關性，其中3.66%的區域表現為顯著或者極顯著負相關，主要集中在山西省中部；山西省植被NPP與降水因素在整體水平上表現為顯著正相關，在象元水平上表現為正相關性，其中17.01%的區域表現為顯著或者極顯著正相關，主要集中在山西省北部。（5）研究期間，氣候因素整體上促進了山西省植被NPP上升，而人為因素主要抑制植被NPP上升。

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