青海省植被凈初級生產力(NPP)時空格局變化及其驅動因素

劉旻霞,焦 驕,潘竟虎,宋佳穎,車應弟,李俐蓉

西北師范大學地理與環境科學學院,蘭州 730070

植被凈初級生產力(Net Primary Production, NPP)是指植被地上部分在單位時間,單位面積上所積累的有機物的數量。植被凈初級生產力(NPP)作為陸地生態過程的關鍵參數,不僅用以估算地球支持能力和評價陸地生態系統的可持續發展,也是全球碳循環的重要組成部分和關鍵環節。掌握陸地植被NPP的變化趨勢,對于理解全球氣候變化對陸地生態系統植被變化過程的作用機制具有重要的理論和實際意義。MOD17A3是基于MODIS(TERRA衛星)遙感參數,通過BIOME-BGC計算出全球陸地植被NPP年際變化的資料,目前已在全球不同區域對植被生長狀況、生物量的估算,環境監測和全球變化等研究中得到驗證和廣泛應用。

實地測量是NPP最早的測定方法,主要方法包括收割法、生物量調查法、光合測定法、值測定法、放射測定法、葉綠素測定法和原料消耗測定法等[1-4],但是受很多因素的限制,不利于開展,后來,學者又提出了氣候統計模型估測、生理生態過程模型、光能利用率模型、多模型交互應用等方法[5-9],早在19世紀80年代,Ebermayer用基本的實地測量方法對巴伐利亞森林進行了NPP的測定；1932年丹麥科學家Boysen-Jensen P出版了《植物的物質生產》一書,第一次明確的提出了總生產量(Gross production)和凈生產量(Net production)的概念和它們的計算公式[10]；之后又以英國Watson為代表提出了著名的Watson法則,日本生態學家門司和佐伯提出了群落光合作用理論[11]。到21世紀之后,我國學者用光能利用率模型(CASA)來研究陸地生態系統碳循環和NPP。潘竟虎和李真[12]利用改進的CASA模型估算2001—2012年西北干旱區陸地生態系統的凈第一性生產力(NPP),結果NPP表現出很強的季節性變化規律[13]；高原利用MOD17A3數據研究新疆2000—2010年NPP時空變化特征,研究顯示不同生態功能區和市、縣行政區NPP存在區域差異[14]；江源通分析了2000—2010年湘江流域植被NPP的空間格局變化特征,得到了氣候變化和土地利用與湘江流域植被NPP的關系。

對于NPP變化驅動因子的研究,之前大多局限于氣候因子的研究,特別針對海拔和人為因素沒有定量研究NPP的變化。本文以此為出發點,用氣候因子結合海拔和土地利用分析了NPP的變化關系,研究2000—2014年青海省NPP時空分布變化及其與驅動因子的關系,同時,青海省是三江源的發源地,也是我國重要的生態屏障區[15-16],近15年來植被NPP發生很大變化,對該地區NPP時空變化特征進行定量分析,以便為青海省資源環境監測提供重要依據,以期為區域生態環境和植被碳源/匯評價、經濟社會的可持續發展規劃提供科學依據和參考背景。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

青海省地處青藏高原東北部,介于89°35′—103°04′E,31°40′—39°19′N之間(圖1)。海拔在3000—5000 m之間,氣候區域分布差異大,冬季寒冷,夏半年涼爽,雨熱同期。草原分為9個草地類7個草地亞類28個草地組173個草地型,是青海天然草原的主體。

圖1 研究區概況及氣象站點的空間分布

1.2 數據來源

植被NPP數據來源于美國NASA EOS/MODIS的2000—2014年的MOD17A3數據(http://reverb.echo.nasa.gov),空間分辨率為1 km,時間分辨率為1 a；氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)；土地利用數據來源于中國科學院寒旱區科學數據中心；DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)；青海省主要農作物的產量和播種面積數據來源于青海省統計年鑒；中國土地利用數據來源于中國西部環境與生態科學數據中(http://westdc.westgis.ac.cn)的WESTDC,根據中科院土地利用/覆蓋分類體系(LUCC分類體系)將地表覆蓋類型主要分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6種類型(表1)。

表1 土地利用分類及編號

1.3 數據處理

本文選用h25v05、h26v05這2幅數據。首先利用MRT對MOD17A3數據進行拼接和投影轉換,然后利用ENVI 4.3以青海省行政區劃圖為基礎進行裁剪,提取青海省的NPP數據。利用ArcGIS 10.0采用掩膜法扣除NPP數據中的水體及建設用地,并得到不同土地利用類型的NPP值。氣象數據為與遙感數據進行匹配,在ArcGIS 10.0中,采用三角網插值方法將站點氣候數據插值成空間分辨率為1000 m×1000 m地理投影的柵格數據。

1.4 NPP數據驗證

由于NPP的實測數據難以測得,本文利用作物產量估算NPP值和其他學者結合NPP觀測數據估算的NPP值來進行驗證。

1.4.1根據統計數據中作物產量估算NPP的方法

農業統計中的產量、面積等資料估算NPP是根據不同作物的收獲部分的含水量和收獲指數(經濟產量與作物地上部分干重的比值)將農業統計數據的產量轉換成植被碳儲量。從主要作物縣級統計收獲數據到縣級平均NPP的轉換方法可以用下面公式表達[17]：

式中,Yi是統計數據中作物i的產量,MCi是作物收獲部分的含水量,HIi是作物i的收獲指數,Ai是作物收獲面積。式中的作物產量和收獲面積分別來自于中國自然資源網提供的中國農業統計數據中的8大類主要農作物的產量和播種面積,作物收獲部分的含水量和收獲指數[18](表2)。

表2 主要農作物的收獲指數及含水量

圖2表明,作物產量估算的NPP值與MOD17A3值呈顯著的正相關關系(P<0.01),且相關系數達到0.77,均值的標準誤差是3.95,說明MOD17A3來估算青海省的NPP值是可靠的。

圖2 NPP實測值與年均NPP結果比較

1.4.2本文NPP值與其他學者模型對比

由表3可以看出,不同的植被類型中本文年平均NPP與其他模型NPP的值趨勢大致相同,整體比較接近,變化在一定的范圍之內,對比估算精度在79%左右,所以MOD17A3值具有一定的可靠性。

表3 不同植被類型NPP值與其他模型對比/(gC m-2 a-1)

2 研究方法

2.1 簡單差值法

簡單差值法是對相同地區不同時相的圖像進行相減運算,利用圖像之間的差值來衡量NPP年際間變化的趨勢以及大,其公式為[6]：

2.2 趨勢分析法

一元線性回歸分析法是分析了15年間NPP值的趨勢傾向率,綜合表征一定時間序列的區域格局演變規律,其公式為[26]：

式中,Slope是線性擬合方程的斜率；NPPi是第i年通過最大值合成法得到的NPP值,n為研究時段的長度,Slope大于0,表示15年間NPP值增加,反之減少。

2.3 Hurst指數

Hurst指數的估算方法很多,本文采用R/S分析法來分析NPP的持續性特征,其公式為[27-28]:

NPP的時間序列NPPi,i=1,2,3,4,…,n,對于任意正整數m,定義該時間序列的均值序列：

比值R(m)/S(m)即R/S,R/S∝mH,則H就是Hurst指數,H值可以根據m和對應計算得R/S值,在雙對數坐標系(lnm,lnR/S)中用最小二乘法擬合得到,如果0.5

2.4 相關分析法

本文采用Pearson相關系數分析法,對每一個像元相應的年均植被NPP與降雨因子和溫度因子進行相關性分析,以此分析植被NPP與氣候因子之間的響應關系,其計算公式為[29-30]：

式中,R為x、y兩個變量的相關系數,n為研究時間的年數,xi為第i年的植被NPP,yi為第i年的年均氣候因子(降水、溫度)值。

3 結果與分析

3.1 青海省植被NPP的空間分布特征

3.1.12000—2014年青海省NPP空間變化特征

青海省年均NPP值的分布與區域海拔的高低分布大體一致,受到地區的差異,呈現由南到北、由東到西遞減的趨勢,其中,柴達木盆地和唐古拉山環繞的海西州,受地形的影響,東部年均NPP值高于西部,且為26.14 gC m-2a-1,海北州以高山草甸和山地草甸為主,年均NPP值為212.04 gC m-2a-1,西寧市、海東市和黃南州居于青海省東部,氣溫高,降水也相對較多,年均NPP值較高,分別為285.67 gC m-2a-1、277.48 gC m-2a-1和299.95 gC m-2a-1,海南州四面環山,盆地居中,年均NPP值達到155.86 gC m-2a-1,果洛州海拔西北高,東南低,年均NPP值隨著海拔的降低在變大,且為160.80 gC m-2a-1,格爾木市和玉樹州處于西北部,境內雪峰連綿,沼澤眾多,年均NPP值較低,分別為17.74 gC m-2a-1和55.49 gC m-2a-1(圖3)。

圖3 2000—2014年青海省NPP平均值的空間分布

3.1.2不同生態功能區2000—2014年青海省NPP空間變化特征

圖4表明,各生態區的空間差異顯著,表現為Ⅱ區>Ⅰ區>Ⅲ區>Ⅳ區>Ⅴ區。其中,青海東部農牧生態區(Ⅱ區)植被NPP最大,為187.45 gC m-2a-1,其次為祁連山針葉林-高寒草甸生態區(Ⅰ區),為165.94 gC m-2a-1,柴達木盆地荒漠—鹽殼生態區(Ⅳ區)和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態區(Ⅴ區)植被NPP最小,分別17.10 gC m-2a-1和7.96 gC m-2a-1。因為Ⅱ區有青海省最優質的天然草原和一部分農田,植被的覆蓋率高,NPP較大,柴達木盆地荒漠—鹽殼生態區和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態區都是以荒漠草甸,冰雪為主,限制了植物的生長,導致NPP較低。

圖4 青海省生態功能區劃圖

3.1.3不同行政區2000—2014年青海省NPP空間變化特征

黃南藏族自治州的年均NPP最高,為300.27 gC m-2a-1,其中在2005年、2006年、2007年、2008年、2009年、2010年2012年和2013年年均NPP都大于300 gC m-2a-1,這是因為該區域是在黃河、隆務河流域等高山峽谷地帶種植很多云杉,降水較多和植被生長較好的區域,灌溉農業和天然草場較多,植被覆蓋率高,導致NPP較高；西寧市NPP僅次于黃南藏族自治州,為285.91 gC m-2a-1,位于湟水中游河谷盆地,草原面積為3644.94萬公頃,占全省面積的53.6%,氣候宜人,適宜植物的生長；海東市居第三,年均NPP為277.56 gC m-2a-1,氣候屬于半干旱大陸性氣候,水能資源豐富,人口相對集中,經濟較為發達,是青海重要的農牧業經濟區較發達地區之一；海北藏族自治州居第四,年均NPP為212.29 gC m-2a-1,雨熱同季,無絕對無霜期,植被以高寒草甸土為主,并且有黑鈣土、栗鈣土、灰褐土等,有機質含量豐富,有利于農作物和牧草的生長；果洛藏族自治州和海南藏族自治州年均NPP基本持平,分別為160.91 gC m-2a-1和156.28 gC m-2a-1,海南州和果洛州主要以山地為主,地勢復雜多樣,不適合植被的生長；海西藏族自治州、玉樹藏族自治州和格爾木市年均NPP低于100 gC m-2a-1,分別為26.17 gC m-2a-1、55.49 gC m-2a-1和17.72 gC m-2a-1,位于青海省的西部,荒漠較多,常年干旱少雨多風,氣候獨特,四季不分明,不利于植被的生長,覆蓋率較低,NPP較小(表4)。

表4 2000—2014年分行政區年均植被NPP/(gC m-2 a-1)

3.2 青海省植被NPP年際變化特征

3.2.1年均值NPP年際變化特征

圖5顯示NPP值的波動范圍集中在68.83—92.07 gC m-2a-1,平均值79.05 gC m-2a-1,其中2001年出現最小值,為68.83 gC m-2a-1,2004年出現最大值,為92.07 gC m-2a-1。從年均NPP的總體趨勢來看,2000—2004年、2008—2010年、2011—2013年年均NPP值呈現波動上升,2004—2008年、2010—2011年、2013—2014年年均NPP值呈現波動下降。2008年青海省大部分地區出現旱情,植物的生長受到限制,導致2008年NPP值急速下降,2010年青海玉樹發生地震,2011年青海要進行震后重建,使得生態得到破壞,NPP值下降。

圖5 2000—2014年青海省年平均NPP變化趨勢

3.2.2不同生態功能區年均值NPP年際變化特征

從生態功能分區看,不同年份各生態區的NPP存在明顯的差異(圖6),整體上看,表現為Ⅱ區>Ⅰ區>Ⅲ區>Ⅳ區>Ⅴ區。其中,青海東部農牧生態區(Ⅱ區)植被NPP最大,為187.45 gC m-2a-1,其次為祁連山針葉林-高寒草甸生態區(Ⅰ區),為165.94 gC m-2a-1,柴達木盆地荒漠—鹽殼生態區(Ⅳ區)和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態區(Ⅴ區)植被NPP最小,分別17.10 gC m-2a-1和7.96 gC m-2a-1。因為Ⅱ區有青海省最優質的天然草原和一部分農田,植被的覆蓋率高,NPP較大,柴達木盆地荒漠—鹽殼生態區和北羌塘高原半荒漠—荒漠生態區都是以荒漠草甸,冰雪為主,限制了植物的生長,導致NPP較低。局部來看,Ⅳ區和Ⅴ區的變化趨勢不大,基本上是持平狀態,其他生態區的年際變化基本一致,均表現出降-升-降-升-降-升-降-升-降的波動狀態,Ⅰ區和Ⅳ區的NPP最小值均出現在2001年,且分別為141.88 gC m-2a-1和12.98 gC m-2a-1,Ⅲ區和Ⅴ區的NPP最小值均出現在2008年,分別為84.80 gC m-2a-1和4.90 gC m-2a-1,Ⅱ區的NPP最小值出現在2000年,為156.07 gC m-2a-1,此外,不同生態區NPP最大值出現的時間不全一致,Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅳ區和Ⅴ區的NPP最大值出現在2010年,分別為207.43、119.68、21.52 gC m-2a-1和12.47 gC m-2a-1,Ⅰ區的NPP最大值出現在2005年,為178.58 gC m-2a-1,這是因為不同生態區因受地形、氣候、植被數量和質量等諸多因素影響,并且氣候因子變化導致其氣候型具有很大空間差異,從而使NPP的最大值和最小值出現的時間不全一致。

圖6 分生態功能區植被NPP變化趨勢

3.3 NPP空間變化特征

3.3.12000年與2014年NPP空間變化

圖7表明,青海省大部分地區NPP值是增加的,在海東市、西寧市、海南州的北部和黃南州北部地區NPP的增加值大于90 gC m-2a-1,占總面積的0.8%,海北州的東北部、海南州南部地區NPP的增加值為60—90 gC m-2a-1,占總面積1.6%,黃南州南部、果洛州南部地區NPP的增加值30—60 gC m-2a-1,占總面積的5.6%格爾木市、玉樹州、果洛的中部和北部、海南州的東南部、海北州的西北部地區NPP的增加值為0—30 gC m-2a-1,占總面積的42.4%,海西州的絕大部分區域NPP的增加值為-30—0 gC m-2a-1,占總面積的49.1%。

圖7 2000與2014年青海省NPP空間變化圖

3.3.22000—2014年NPP總體趨勢

青海省15年間NPP由北到南、由西到東呈現逐漸增加趨勢,平均趨勢系數為0.61,NPP增加的區域占總面積的15%,其中顯著增加區域為2.8%,輕度增加區域為12.2%,主要分布在海東市大部分區域、海北州南部、海南州北部、黃南州北部地區,基本不變區域占總面積的22.3%,主要分布在海北州中部和西北部、海西州東部、玉樹州東南部、果洛州北部區域,NPP減少的區域占總面積的62.6%,其中顯著減少占1.8%,輕度減少占60.8%,主要分布在格爾木市、玉樹州的西北部、海西州的中部及以西的地區(圖8)。

圖8 2000—2014年青海省NPP線性變化趨勢圖

3.3.3NPP變化的未來趨勢預測

圖9表明,Hurst的值域范圍為0—0.39,均值為0.12,除了河流湖泊,建筑用地和未利用土地,青海省NPP變化特征為反持續性特征,將Hurst指數劃分為弱、中、強3個反持續性類型,其閾值分別為：<0.1,0.1—0.15和>0.15。從弱、中、強的程度來看,強反持續性占流域面積的13.87%,中反持續性占流域面積的19.66%,弱反持續性占流域面積的20.73%,說明青海省有五分之一的地區未來NPP變化與過去NPP的變化一致,但這種持續性表現得不夠明顯,三分之一地區未來NPP的變化與過去NPP變化有較強的相關性。

圖9 NPP未來趨勢預測圖

4 青海省NPP主要影響因素

4.1 氣候因子對NPP的影響

4.1.12000—2010年研究區氣溫和降水變化趨勢

IPCC第五次評估報告指出,全球氣候正在變暖,而且氣候變暖與碳循環存在顯著的正相關關系,但是不同地區的氣候因子對NPP積累的作用也不盡相同,表現為促進或者抑制,由此表明,植被NPP對降水和氣溫的反應較為強烈。由圖10可知,近15年青海省降水的波動幅度明顯大于氣溫的波動幅度,但除了特殊年份,降水和氣候總體均趨于增加的趨勢,氣候也是趨于暖濕化,降水從2000年到2005年處于緩慢增加,2006年降低,之后又處于上升階段,直到2013年急速下降,在2001年,年平均降水最低為254.5 mm；氣溫從2000年到2015年基本上波動上升,在2004年,氣溫迅速驟降,2012年出現緩慢下降狀態,2000年的年平均氣溫最低,為1.77 ℃。

圖10 2000—2014年降水與氣溫年際變化

4.1.22000—2010年氣溫、降水的相關性分析對NPP的影響

由圖11可知,青海省年平均降水量與年均NPP的相關系數為0.21,從降水逐像元來看,局部地區相關性較強,在青海省西南部和中部地區呈正相關關系,分別在格爾木市、玉樹州和果洛州的南部,海南州和黃南州的北部,海西州東部,海東市西部以及西寧市。玉樹州中西部、果洛州北部、海南州和黃南州南部呈負相關關系。從全省來看,年平均氣溫與年均NPP的相關系數為0.006,整體的相關性較弱,對氣溫進行逐像元分析,局部地區相關性較強,在玉樹州和海東市東部、黃南州中北部、海北州和海南州南部和西寧市呈正相關關系,在果洛州和格爾木市大部分區域、玉樹州的西南部呈負相關關系。總體來說,氣溫相關系數分布與降雨相關系數分布具有很好的互補性,在氣溫相關程度高的地區,降雨相關程度低,反之亦然。

圖11 年均NPP與年降水和年氣溫的相關系數示意圖

4.2 海拔高度對NPP的影響

由于研究區海拔從1719 m上升到6595 m,落差達到4874 m,造成地貌類型復雜多樣,而不同的海拔高度因為水熱條件組合差異,形成了顯著的垂直自然分異,進而又影響NPP大小。圖12表明,隨著海拔的增加,植被NPP總體表現出緩慢增加之后迅速下降,出現低峰,又開始迅速上升,之后開始下降到0,且不同海拔高度上植被NPP差異明顯,具有雙峰值特征,當海拔從1719 m上升到2400 m時,植被NPP緩慢增加,研究發現該海拔范圍正處于西寧市、海東市、黃南州的北部,植物種類豐富多樣,以農田為主,是重要的農牧業經濟區,NPP值較大,當海拔從2400 m上升到3200 m時,NPP值呈現下降趨勢,出現一個低峰值,為35.65 gC m-2a-1,此海拔范圍正處于海南州的共和縣、青海湖范圍、格爾木市、海西州的柴達木盆地,這些區域是沙地和鹽堿地帶,受地形、水分和土質條件的限制,雨水較少,荒漠化程度較大,NPP值小,當海拔從3200 m上升到4000 m時,NPP值呈現上升趨勢,出現一個高峰值,為167.31 gC m-2a-1,此海拔范圍正處于海南州的日月山、海北州的大坂山和果洛州的大武鎮,草原面積廣闊,山地森林發育較好,溫度和水分條件適宜,NPP值達到較大,當海拔超過4000 m時,NPP值持續減小,主要以裸巖、冰川覆蓋為主,受人類的活動影響極小,高寒的環境植被的生產力受到限制,所以NPP值均低于50 gC m-2a-1。

圖12 不同海拔高度15年平均NPP變化

4.3 土地利用/覆被變化(LUCC)對NPP的影響

土地利用變化是人類活動在地理環境空間上強度大小的直觀變現,為了研究青海省土地利用動態變化的時空特征,考慮到獲取數據的可行性,故選取中國科學院資源環境數據云平臺的2000年、2015年分辨率1000 m的全國土地利用數據,結合青海省實際情況,故將其土地利用類型數據合并成6種土地利用類型(即耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地),用以表征2000至2015年來青海省土地利用的類型變化特征(表5、圖13)。

圖13 2000年和2015年青海省土地利用現狀圖

表5 2000、2015年青海省各土地利用類型面積及變化率

(1)近15年來耕地面積減少最少,面積減少了14 km2,其變化率為-0.17%,由于國家實施退耕還林政策,導致耕地面積有所減少。

(2)林地面積減少了76 km2,變化率為-0.27%,受到氣溫、降水、海拔的影響,林地面積有一定的退化。

(3)15年來草地面積減少最多,減少了1260 km2,變化率為-0.33%,由于青海省過度的放牧,導致草地面積減少較多。

(4)水域面積增加最為明顯,增加了1500 km2,變化率為5.40%,主要是由于青海省是三江源的發源地,受降水、冰川融化等影響,青海湖的面積也不斷擴大。

(5)城鎮用地增加較多,增加了763 km2,變化率為77.15%,15年來青海省經歷了大規模的城鎮擴張及城市化進程,一些草地和林地都轉化為建設用地。

(6)未利用地面積減少較多,減少了913 km2,變化率為0.33%,該土地類型變化幅度較大。

5 結論

本文利用2000—2014年MOD17A3數據集的年均NPP數據和青海省39個氣象站點資料,通過GIS空間分析法和數理統計方法分析了青海省植被NPP的時空變化特征及氣候因子的相關性,結果表明：

(1)青海省植被年均NPP在2000—2014年間整體分布與區域海拔的高低分布大體致,受到地區的差異,呈現由南到北、由東到西遞減的趨勢；從生態功能區看,各生態區的空間差異顯著,表現為Ⅱ區>Ⅰ區>Ⅲ區>Ⅳ區>Ⅴ區,從行政劃分來看,黃南藏族自治州的年均NPP最高,為300.27 gC m-2a-1,西寧市NPP僅次于黃南藏族自治州,為285.91 gC m-2a-1,海北藏族自治州居第四,年均NPP為212.29 gC m-2a-1,海西藏族自治州、玉樹藏族自治州和格爾木市年均NPP低于100 gC m-2a-1,分別為26.17 gC m-2a-1、55.49 gC m-2a-1和17.72 gC m-2a-1。

(2)從年際變化來看,NPP值的波動范圍集中在68.83—92.07 gC m-2a-1,平均值79.05 gC m-2a-1,其中2001年出現最小值,為68.83 gC m-2a-1,2004年出現最大值,為92.07 gC m-2a-1,整體上看,Ⅳ區和Ⅴ區的變化趨勢不大,基本上是持平狀態,其他生態區的年際變化基本一致,均表現出降-升-降-升-降-升-降-升-降的波動狀態。

(3)青海省在2014年與2000年間大部分地區NPP值增加,由南到北、由東到西遞減,2000—2014年青海省NPP變化趨勢由北到南、由西到東呈現逐漸增加趨勢,平均趨勢系數為0.61,NPP值增加的區域占總面積的15%,其中顯著增加區域為2.8%,輕度增加區域為12.2%,青海省NPP值的Hurst的值域范圍為0—0.39,均值為0.12,除了河流湖泊,建筑用地和未利用土地,青海省NPP變化特征為反持續性特征。

(4)氣候因子(年平均降水量和年均氣溫)對年均NPP的分布有影響,海拔的高低造成氣溫、降水和土壤的差異,間接影響植被NPP,15年土地利用/覆被變化(LUCC)表現為草地面積減少最多,這是導致NPP減少的主要原因。