近55 a新疆植被凈初級生產力的時空變化

黃秉光，楊 靜*，黃 玫

（1. 新疆氣象服務中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

新疆生態系統屬于高度脆弱狀態，對新疆絲綢之路沿線經濟的開發面臨著嚴峻的生態環境考驗。關于新疆氣候變化下植被凈初級生產力的分布有不少學者進行過研究[1-4]，而利用大氣植被相互作用模型AVIM2（Atmosphere-Vegetation Interaction Model 2）來研究新疆植被凈初級生產力（NPP）的時空變化較為少見。

在新疆開展氣候變化對植被凈初級生產力的影響研究，不但可以促進關鍵區域氣候與生態相互作用研究的發展，而且可為區域經濟的可持續發展提供根本保障。本研究通過選取新疆近55 a的105個站點氣象要素，通過氣象要素插值獲得0.05°×0.05°分辨率的柵格數據，采用模型AVIM2對新疆植被凈初級生產力的時空演變特征進行了重點分析，其成果為新疆合理開發和利用自然資源、保護脆弱的生態環境可提供科學指導。

1 資料來源

選取新疆105個氣象站點1961—2015年7要素（平均氣溫、降水量、風速、相對濕度、云量、氣壓、土壤溫度）逐日平均數據，采用澳大利亞Anusplin 4.2軟件對各氣象要素進行插值，獲得分辨率為0.05°×0.05°的柵格數據作為模型氣象輸入數據，模型中的土壤質地數據來源于張時煌[5]，植被分類數據取自ARCVIEW平臺，其融合了2010年衛星遙感土地覆蓋數據和中國科學院植物研究所編制的1：100萬中國植被圖[6]。而模式運行所需的0.05°×0.05°經緯度網格則是應用了GIS進行重采樣的結果[7]。

2 分析方法

采用線性趨勢傾向率法來分析新疆NPP總量的時間趨勢變化，用Mann-Kendall非參數檢驗法進行氣候突變檢測[8]；通過計算每個格點NPP與時間序列之間的趨勢系數來得到空間趨勢變化[8]。

3 AVIM2模型驗證

AVIM2模型主要由3個模塊組成[9]：描述植被—大氣—土壤之間輻射、水、熱交換過程的陸面物理過程模塊；基于植被生態生理過程（如光合、呼吸、光合同化物的分配、物候等）的植被生理生長模塊；土壤有機碳轉化和分解子模塊。目前，AVIM2已被廣泛應用到植被凈初級生產力的模擬[10-13]。利用中國科學院地理科學與資源研究所在新疆北部阿爾泰山區的森林實測NPP數據，對AVIM2模擬效果進行驗證效果令人滿意[7]。

4 結果與分析

4.1 新疆NPP的時間動態變化特征

有研究表明，新疆年均氣溫明顯升高、年降水量大部地區明顯增加[14-20]，在此氣候背景下，近55 a新疆NPP總量的時間動態變化總體呈緩慢增大趨勢（P＜0.01）。平均每10 a遞增速率約為1.8 gC·m-2，近55 a NPP平均值為92.4 gC·m-2，其中1993年最高為107.1 gC·m-2，2014年最小為79.0 gC·m-2（圖1a）。

對1961—2015年NPP總量進行M-K檢驗（圖1b）。UF線在進入20世紀70年代后均大于0，說明NPP總量一直呈緩慢上升，到2003年UF線突破了0.05水平的顯著性檢驗，2005年突破了0.01水平的顯著性檢驗，表明2005年到2015年間NPP總量升高趨勢異常顯著。UF和UB線在0.05水平的置信區間內有一個交點于1980年，說明1980年是NPP總量的一個升高突變點。

圖1 NPP時間動態變化（a）及M-K檢驗結果（b）

4.2 凈初級生產力的空間動態變化特征

4.2.1 年分布特征

圖2反映的是近55 a新疆植被年凈初級生產力的空間平均分布狀況，其中天山山脈、阿爾泰山脈和塔城山區多分布著常綠針葉林、落葉針葉和闊葉林、高山草地等，NPP值較高，為300～750 gC·m-2，大致占新疆總面積的8% ；而伊犁河谷、北疆沿天山一帶、塔城和阿勒泰的平原地區、塔里木盆地周邊綠洲平原地帶是自然植被與農作物混雜區，NPP值也相對較高，為150～300 gC·m-2，該區占新疆總面積的16% ；而其他區域多以沙漠和戈壁地帶為主，NPP值相對較低，值在150 gC·m-2以下，占新疆總面積的76% 。

圖2 多年平均NPP空間分布特征

圖3給出了1961—2015年新疆NPP變化趨勢的空間分布特征。新疆NPP呈下降趨勢的地區占23% 。其中呈顯著（P<0.05）下降的地區占11% ，主要分布在伊犁河谷、博州、塔城、吐魯番盆地、阿克蘇、克州以及巴州的西部地區。一般下降的地區主要有石河子、昌吉州的大部地區以及烏魯木齊、南疆盆地的沙漠腹地的部分地區。綜合來看，NPP的下降分布區域多是在人類生活動聚集的區域，這很可能與人類對自然植被的不合理利用有關，有待進一步的研究考證。新疆NPP呈上升趨勢的地區占新疆總面積的77% ，其中55% 的區域呈現顯著（P<0.05）上升趨勢，NPP上升區域多分布在人煙稀少的山區。

圖3 NPP變化趨勢的空間分布特征

4.2.2 四季分布特征

凈初級生產力的季節變化最能反映一個地區氣候的季節變化對凈初級生產力影響的一般規律。選取1、4、7、10月分別代表冬、春、夏、秋季來看凈初級生產力季節變化。圖4為春、夏、秋、冬四季凈初級生產力季節變化。從NPP的季節變化來看，秋季和春季變化較為一致，夏季則是NPP最大的季節，冬季NPP值接近于零。

春季（4月）平原植被進入積極生長期，山區部分植被開始生長，NPP逐漸增大。NPP值在51～75 gC·m-2的比例占整個面積的1% ；NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，主要位于伊犁河谷、北疆沿天山一帶和博州、塔城、阿克蘇的部分地區（圖4a）。

夏季（7月）由于氣溫最高，降雨明顯增多，NPP達到最大值。特別是位于西天山和中天山山脈、阿勒泰山脈和塔城山區的NPP值的最大值增至126～175 gC·m-2，NPP在101～175 gC·m-2的比例占整個面積的2% ；NPP在51～100 gC·m-2的占15% ；NPP在25～50 gC·m-2的比例占7% ；NPP低于25 gC·m-2的比例占76% ，多為沙漠戈壁地帶（圖4b）。

秋季（10月）和春季（4月）的NPP的分布特征較為相似，NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，NPP值在51～75 gC·m-2之間的比例占整個面積的3% ，高于春季的1% 。秋季南疆的NPP值在26～50 gC·m-2之間的比例比春季大（圖4c）。

冬季（1月）是新疆隆冬時節，植被少、氣溫低、太陽輻射量少，NPP值接近于零（圖4d）。

4.3 NPP與氣溫、降水的關系

4.3.1 相關性分析

有研究表明，中國北方地區NPP基本受降水量變化的控制，與氣溫的相關性不明顯，而在南方很多地方，NPP受氣溫的影響更大一些[21]。對近55 a NPP與氣溫、降水的時間變化分別做相關對比分析，得到新疆NPP的時間變化與氣溫相關不顯著（P＞0.05）（圖5a），而與降水量呈現顯著的正相關，相關系數達到0.78（P＜0.05）（圖5b）,說明新疆NPP對降水量的變化較敏感，而對氣溫的變化影響不大。

4.3.2 空間分布分析

圖4 多年平均NPP四季空間分布特征

圖5 NPP與氣溫（a）、降水量（b）的相關性分析

氣溫和降水對NPP的影響具有區域性差異。新疆NPP與年平均氣溫相關性的空間分布情況來看（圖6a），各地區分布不一致，正相關的地區占到新疆總面積的75% ，其中23% 的地區呈現顯著正相關，主要分布在天山、阿爾泰山和昆侖山區地帶；負相關的地區為25% ，僅6% 的地區呈現顯著負相關，主要分布在海拔較低、氣溫較高的人口聚集的城市周邊和準葛爾各盆地及谷地，究其原因主要是由于氣溫越高，HR釋放碳量就高于植被固定的碳量。新疆NPP與降水的空間變化（圖6b）顯示絕大多數（98% ）地區呈正相關，其中51% 的地區呈現顯著正相關,說明降水量是影響新疆NPP的主導氣候因子，降水量增多對新疆NPP的變化具有積極的影響意義。

圖6 NPP與氣溫（a）和降水量（b）的空間相關性分析

5 結論

（1）近55 a新疆NPP平均值為92.4 gC·m-2，其中1993年最高為107.1 gC·m-2；2014年最小為79.0 gC·m-2。NPP總量的時間動態變化總體以1.8 gC·m-2/10 a的速率呈顯著（P＜0.01）遞增的趨勢，并于1980年發生突變。

（2）夏季是NPP最大的季節，其次是秋季，春季列第三位。山區NPP值較平原高。

（3）NPP的時間變化與氣溫相關性不顯著，與降水量呈顯著正相關;而空間變化與氣溫相關性不顯著，但與降水相關性極好。說明降水的增加對NPP的變化有著積極的影響。

（4）新疆NPP對降水量變化呈較為顯著的正相關，氣溫的變化對NPP的影響呈不顯著的正相關，說明降水的增加相對氣溫的升高，對新疆植被凈初級生產力的變化有著更加積極的影響。