典型干旱區植被凈初級生產力的變化特征與氣候因子的相關性1)

蘭小麗 孫慧蘭 曹麗君 張樂樂 盧寶寶 劉天弋

(新疆師范大學，烏魯木齊，830054)

植被凈初級生產力(NPP)被定義為綠色植物在單位時間和空間通過光合作用從大氣吸收的二氧化碳凈量[1-3]，它等于光合作用吸收的碳與自養呼吸釋放的碳的差值[4-7]。植被凈初級生產力在全球氣候變化及陸地生態系統平衡中扮演著重要的角色，并直接與全球氣候變化的關鍵問題密切相關[8-10]。因此，估算區域植被凈初級生產力、定量分析植被凈初級生產力的時空變化特征以及研究植被凈初級生產力與氣候變化的關系是全球氣候變化背景下研究的核心內容之一[11-12]，也是各國政府高度重視的問題。

目前，在全球氣候變化背景下，國內外學者對區域植被凈初級生產力的影響因素的研究取得了重要成果。如Tian et al.[13]基于TEM模型研究干旱背景下亞馬遜熱帶雨林植被的生長影響，研究結果表明干旱會使熱帶雨林植被生產力下降；朱瑩瑩等[14]對中國西北地區2000—2014年植被NPP進行了因子分析，結果表明植被NPP對降水和氣溫的響應具有空間差異，楊紅飛等[15]基于CASA模型模擬了新疆近10 a草地生態系統凈初級生產力，表明受氣候、土壤等條件的影響，新疆各年NPP均呈北高南低的分布趨勢；秦景秀等[16]以植被初級生產力為評價指標，分析了2001—2016年影響新疆植被恢復與退化的氣候因子，認為氣溫與降水都是影響植被生長的重要氣候因子，氣溫與植被NPP呈弱負相關，降水是該研究區植被NPP的重要限制因子。因此，氣溫、降水是導致植被NPP變化的重要因素，其影響具有兩面性，在全球氣候變暖背景下，對黃土高原中部及東南部地區的植被NPP具有促進作用，但對西北干旱區的植被NPP卻是不確定的[17]。

在全球氣候變暖背景下，研究影響新疆地區植被凈初級生產力的關鍵氣候因子以及未來植被凈初級生產力的變化趨勢具有重要意義。本文運用植被指數、氣溫和降水數據，對新疆1985—2016年的植被凈初級生產力進行估算，分別以年、季節為時間單位，計算植被凈初級生產力與降水、溫度之間的相關系數，分析植被凈初級生產力與氣候的關系，了解不同季節植被凈初級生產力的年際變化與氣候的相互關系，揭示植被凈初級生產力年際變化的發生時間和形成機制，有助于準確預測未來氣候變化條件下的生產力格局和潛力。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區(34°25′～48°10′N，73°40′～96°18′E)是我國面積最為遼闊的省級行政區(見圖1)。在緯度、海陸位置和地形等綜合影響下，新疆形成了明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫晝夜溫差大，日照時間長，年日照時間2 500～3 500 h[18]；降水偏少，年平均降水量為150 mm左右；水汽蒸發旺盛，氣候干燥[19]。遠離海洋的地理位置導致新疆地區水汽來源不足，全年降水量占全國的降水量的23%[20]，具有干旱、半干旱氣候特征[21-23]。植被覆蓋率較低且不均，使新疆地區成為我國荒漠化和沙化面積最大、分布最廣、風沙危害最嚴重的地區[24]。

圖1 研究區概況圖

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

植被數據來源全球變化數據學報[25]，收集1985—2016年區間內的中國逐月氣象數據、土壤質地數據以及基于MODIS、AVHRR遙感影像的土地覆蓋類型和植被指數數據的基礎上，將這些數據經過格式轉換、投影轉換、空間尺度匹配等統一在同一尺度系列內進行數據處理，再將其輸入到CASA模型。CASA是由遙感數據、溫度、降水、太陽輻射、植被類型和土壤類型共同驅動的光能利用率模型，經由CASA模型模擬計算獲得北緯18°以北中國陸地生態系統逐月植被凈初級生產力1 km柵格數據集。經驗證，該數據集準確性較好。

為確保數據的連續性和完整性，篩選出新疆52個氣象站點，截取1985—2016年的每日平均氣溫和逐日降水數據，氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/user/toLogin.html)。

所有圖像數據均采用GCS-WGS-1984投影，由ArcGIS10.2軟件做進一步的處理分析。

2.2 植被凈初級生產力變化與趨勢

運用柵格計算多年平均植被凈初級生產力進行變化分析，計算公式為：

植被凈初級生產力與氣候要素間的分析，主要采用空間偏相關分析方法，通過計算時間序列數據的相關系數，反映兩個因子間的相關程度。

Hurst指數(H)的取值范圍(0

3 結果與分析

3.1 新疆地區植被凈初級生產力時空分布特征

由圖2、圖3可知，新疆多年植被凈初級生產力平均值為154.71 g·m-2·a-1，最大值出現在1987年(176.3 g·m-2·a-1)，最小值出現在2008年(120.87 g·m-2·a-1)。整體看來，植被凈初級生產力在1998年之前處于高位震蕩，而在1999—2008年呈持續下降趨勢，在2008年之后基本上保持上升趨勢。植被凈初級生產力髙值區主要分布于氣候濕潤的北疆地區(伊犁河谷、阿克蘇河流域、天山、阿爾泰山等地區)，主要是因為北疆地區天然植被豐富(如雪嶺云杉、西伯利亞落葉松林等)；植被凈初級生產力低值區主要分布于炎熱干旱的南疆地區(準噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地)的荒漠、荒漠草原、梭梭荒漠等類型；植被凈初級生產力中值區分布于髙值區與低值區的過渡地帶，該區以高寒草原、草甸草原為主。呈減少趨勢的有伊犁河谷地區、烏魯木齊、阿克蘇、和田、喀什等地區。植被凈初級生產力下降地區多是在人類活動頻繁區域，這是否與人類對土地的不合理利用有關，還需進一步的研究考證。新疆地區植被凈初級生產力的增長區域多分布在山麓、盆地邊緣地區，由于全球氣候變暖，新疆地區氣候呈現増溫增濕現象，改善了植被凈初級生產力增長所需的氣候條件。

圖2 研究區年平均NPP與變化趨勢斜率

圖3 研究區多年植被NPP年際變化

3.2 季節性植被凈初級生產力時空分布特征

由于新疆地區冬季氣候嚴寒，植被生長活動基本停止，因此本文以春、夏、秋3個季節為研究時段。

由圖4、圖5可知，多年春季平均植被凈初級生產力為204.43 g·m-2·a-1，分布在伊犁河谷地區、葉爾羌河和喀什噶爾河等水源充足的河源地區；夏季植被凈初級生產力在春季基礎上開始擴散，整體呈現出天山以北植被凈初級生產力明顯高于天山以南地區，平均植被凈初級生產力為372.81 g·m-2·a-1；秋季植被凈初級生產力分布于塔里木盆地北緣綠洲區域、伊犁河谷地區、天山中段，平均植被凈初級生產力為113.41 g·m-2·a-1。1985—2016年夏季植被凈初級生產力減少明顯的地區集中在阿爾泰山南部、天山、昆侖山脈；準噶爾盆地、塔里木盆地變化不明顯；增加區域在阿爾泰山和天山西段以及塔里木盆地北緣。多年植被凈初級生產力春季和夏季變化較大，秋季其次。春季植被凈初級生產力最高增加41.33 g·m-2·a-1(主要處于伊犁河谷地帶、天山南部等地區)，減少102.67 g·m-2·a-1；夏季最高增加91 g·m-2·a-1，減少104 g·m-2·a-1；秋季最高增加32.67 g·m-2·a-1，減少37.33 g·m-2·a-1。由此可見，夏季為新疆地區植被凈初級生產力增長的主要貢獻季節，春、秋兩季植被凈初級生產力呈現明顯的波動下降趨勢。

圖4 研究區多年季節平均NPP分布與變化趨勢

圖5 研究區多年季節平均NPP線性趨勢

3.3 植被凈初級生產力與氣候因子的相關性

以年為時間單位，計算各像元與年均氣溫、年降水量的偏相關系數，根據植被凈初級生產力與年平均溫度和年降水量的偏相關性系數進行顯著性檢驗。由圖6可知，降水與植被凈初級生產力主要表現為極顯著正相關關系(P<0.01)，主要分布在天山與喀喇昆侖山一帶；氣溫與植被凈初級生產力的關系主要為極顯著負相關(P<0.01)，以點狀分布在整個研究區。對研究區1985—2016年的平均氣溫進行分析發現，在全球氣候變暖的大背景下，研究區氣溫呈現增長趨勢，多年氣溫平均值為8.17 ℃，平均氣溫最小值出現于1985年(7.17 ℃)，最大值出現于2015年(9.14 ℃)。

新疆地形復雜，導致南北疆氣候差異較大。北疆西部伊犁河谷地區地形呈喇叭狀向西敞開，西部缺口有利于來自大西洋和北冰洋的濕潤氣流深入，而南疆相對北疆閉塞，進入南疆的水汽較少，因而形成降水北疆多于南疆，西部多于東部的格局。且降水對植被凈初級生產力的增加主要表現為促進作用，氣溫對植被凈初級生產力的增加主要表現為抑制作用，這兩種作用形式正是干旱脅迫的表現，從而形成北疆植被凈初級生產力高于南疆。這也說明降水是限制新疆地區植被凈初級生產力增長的重要因子。

圖6 研究區多年植被NPP與氣溫、降水相關性檢驗

3.4 季節性植被凈初級生產力與氣候因子的相關性

由圖7可知，不同季節背景下，植被凈初級生產力與降水偏相關系數為-0.6～0.6。春季植被凈初級生產力與降水的正相關區域占研究區面積的53.66%，春季植被凈初級生產力與降水極顯著正相關的區域分布于阿爾泰山、西天山、喀喇昆侖山等山區，占全區顯著性檢驗面積的9.29%；夏季植被凈初級生產力與降水的正相關區域占68.11%，夏季植被凈初級生產力與降水極顯著正相關的區域分布于阿爾泰山、天山、喀喇昆侖山等山區，占全區顯著性檢驗面積的14.28%；秋季植被凈初級生產力與降水正相關區域占57.05%，秋季植被凈初級生產力與降水呈極顯著正相關的區域主要分布于塔里木盆地南緣，占全區顯著性檢驗面積的6.75%。

圖7 研究區季節性NPP與降水的相關性系數與檢驗

由圖8可知，春季植被凈初級生產力與氣溫的正相關區域分別占研究區面積的44.39%，春季植被凈初級生產力與氣溫呈極顯著正相關性，主要區域分布于天山區，占全區顯著性檢驗面積的6.04%；夏季植被凈初級生產力與氣溫的正相關區域占30.18%，呈極顯著負相關的區域主要分布于準噶爾盆地西部、塔里木盆地南緣，占全區顯著性檢驗面積的9.67%；秋季植被凈初級生產力與氣溫的正相關區域占49.99%，呈極顯著正相關的區域分布天山以北地區，占全區顯著性檢驗面積的6.96%。總之，春季與秋季植被凈初級生產力與氣溫、降水的偏相關系數較為一致，均以降水為主要驅動力。由于夏季高溫會影響植被光合作用，阻礙植被的生長，降水為夏季植被凈初級生產力的主要氣候驅動因子。

圖8 研究區季節NPP與氣溫相關系數與檢驗

3.5 植被凈初級生產力未來變化的持續性

由圖9可知，新疆地區植被凈初級生產力的Hurst指數范圍為0.038 49～0.964 54，植被凈初級生產力反持續性序列占區域總植被凈初級生產力的70%，持續性序列占區域總植被凈初級生產力的30%。其中，強反持續、弱反持續、弱持續和強持續的面積分別為30%、40%、28%和2%，反持續性序列區域主要分布于準噶爾盆地西部、塔里木盆地、吐魯番盆地，持續性序列區域主要分布于額爾齊斯河流域、天山北部、塔里木河流域和喀喇昆侖山北麓。

為進一步明確新疆植被凈初級生產力的變化趨勢及未來可持續特征，將植被凈初級生產力的趨勢顯著性檢驗值與Hurst指數的計算結果在ArcGIS10.2中進行疊加分析，得到新疆植被植被凈初級生產力增加、減少與未來可持續性的耦合圖(見圖10)。由圖10可知，新疆未來植被凈初級生產力反持續性的序列所占比例為48.07%，持續性的序列所占比例為51.93%。強-弱反持續減少組合所占面積的比例為37.8%，主要分布于準噶爾盆地、天山東段、塔里木盆地南緣；強-弱反持續性增加組合零星分散于強-弱反持續減少組合的區域，所占面積的比例為10.27%；強-弱持續性減少組合所占比例為44.93%，主要分布于準噶爾盆地北部、天山山脈、葉爾羌河-塔里木河流域、昆侖山脈等降水較少區域。凈初級生產力的Hurst指數在該類區域中呈現出持續性減少的趨勢，預示著未來植被凈初級生產力將有持續性減少的可能。強-弱持續性增加組合所占比例為7%，零星分散于喀什河流域、阿拉套山、博格達山和阿爾金山東部等氣候較為濕潤的區域。因此，新疆地區未來植被凈初級生產力變化趨勢以持續性減少為主。

圖9 Hurst指數與NPP未來變化趨勢

圖10 Hurst指數變化趨勢空間分布

4 結論與討論

1985—2016年新疆平均植被凈初級生產力于1998年之前在高位震蕩，在1999—2008年呈持續下降趨勢，在2008年之后基本上保持上升趨勢，植被凈初級生產力北疆高于南疆。降水與植被凈初級生產力主要表現為極顯著正相關關系(P<0.01)，主要分布在天山與喀喇昆侖山一帶；氣溫與植被凈初級生產力的關系主要為極顯著負相關(P<0.01)，以點狀分布在全疆范圍；不同季節背景下，植被凈初級生產力與降水、氣溫的偏相關系數-0.6～0.6；春、秋季植被凈初級生產力與氣溫、降水的偏相關系數較為一致，降水驅動力稍高于氣溫，降水為夏季植被凈初級生產力的主要氣候驅動因子。新疆未來植被凈初級生產力反持續性的序列所占比例為48.07%，持續性的序列所占比例為51.93%。其中，強-弱反持續減少組合所占面積的比例為37.8%，強-弱反持續性增加組合所占面積的比例為10.27%；強-弱持續性減少組合所占面積的比例為44.93%，強-弱持續性增加組合所占面積的比例為7%。新疆未來植被凈初級生產力變化趨勢以持續性減少為主。

氣溫和降水是影響植被凈初級生產力的兩個重要氣候因子[26]。在過去的15 a中，新疆地區降水量和氣溫整體呈增加趨勢，這對植被生產力產生了有利影響，整體上促進了植被的恢復[27-30]。分析發現1985—2016年降水為新疆地區植被凈初級生產力的重要限制因子，這一結論與秦景秀等[16]對新疆2001—2016年植被凈初級生產力的研究結果相一致。春、秋季植被凈初級生產力與氣溫、降水的偏相關系數較為一致，均以降水為主要驅動力。降水為夏季植被凈初級生產力的主要氣候影響因子，該結論與龍慧靈等[31]對內蒙古草原區季節植被凈初級生產力與氣溫、降水的相關關系的研究結果一致。因為研究區都處于干旱半干旱地區，植被生長對氣候的響應機制趨同。

人類活動對植被凈初級生產力變化的影響也十分深刻且具有兩面性。研究發現植被凈初級生產力在1998年之前在高位震蕩，1999—2008年呈持續下降趨勢，2008年之后基本上保持上升趨勢。西部大開發和“一帶一路”促進了西部經濟的快速發展，也使得新疆地區植被覆蓋面積減少，由于人們逐漸認識到生態環境的重要性，開始退耕還林、還草，近年來植被覆蓋度有所增加。土地利用變化是人類活動影響植被等地表自然生態系統最直接的表征[32]，結合新疆地區土地利用類型空間分布，對各土地利用類型進行面積統計，發現1985—2016年期間，林地、草地、未利用地面積小幅度下降；建設用地、耕地及水域面積增加，增加區域大致與植被凈初級生產力減少區域相符，主要集中在人類活動頻繁的城市帶(如天山北坡經濟帶、伊犁地區和南疆主要城市群等)，其土地利用類型分布變化影響研究區植被凈初級生產力空間格局變化。

凈初級生產力Hurst指數在該類區域呈現出持續性減少的區域，預示著未來凈初級生產力將有持續性減少趨勢，新疆未來植被凈初級生產力變化趨勢以持續性減少為主，其次為反持續性減少，與潘竟虎等[33]對西北干旱區植被植被凈初級生產力趨勢性與持續性研究結果一致。中持續性和強持續性的減少區是應當引起生態保護部門關注的重點區域，對新疆未來生態環境的管理與規劃具有重要作用。