氣候與土地利用變化對粵港澳大灣區NPP的影響*

溫旭丁,羅趙慧,符良剛

(1.海南新綠神熱帶生物工程有限責任公司,海南海口 570100;2.生態環境部華南環境科學研究所,國家環境保護城市生態環境模擬與保護重點實驗室,廣東廣州 510535;3.海南省白沙黎族自治縣林業局，海南白沙黎族自治縣 572800)

0 引言

植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)是綠色植物在單位時間和單位面積上的干物質積累量[1-3]，其大小不僅反映了植被的生產能力，也表征了生態系統功能和質量，在調節全球碳平衡中發揮著重要作用，成為目前研究熱點之一[4-6]。傳統的地面觀測方法費時費力，且觀測尺度有限。隨著遙感技術的發展，基于遙感手段的NPP反演已比較成熟且得到廣泛應用[7]。例如，鞏杰等[8]采用Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA)模型分析甘肅白龍江流域植被NPP時空變化；劉旻霞等[9]和汪東川等[7]利用MODIS NPP產品數據，分別分析青海省和京津冀城市群植被NPP時空變化；陳曉玲等[3]分析了湖南省亞熱帶山地丘陵區植被NPP時空變化及其與氣候因子的關系；戴爾阜等[10]研究發現中國南方紅壤丘陵區植被NPP與年均溫度呈負相關關系。

以往研究NPP變化趨勢或NPP對氣候因子的響應時，大多采用線性回歸法[8,11，12]。這種方法對數據要求較高(如正態分布等)，而自然界中的變量很難甚至不能滿足上述要求，且得出的變化趨勢僅為線性變化趨勢，忽略了NPP變化的非線性問題。另外，以往研究在分析NPP對氣候因子的響應時，忽略了氣候因子間的多重共線性，從而增加了研究結果的不確定性。土地利用變化是人類活動對自然生態系統影響的最直接信號[13]，直接關系到區域生態系統質量及其穩定性。如趙曉等[14]研究了土地利用變化對三峽庫區重慶段植被NPP的影響，結果表明土地利用類型變化影響植被固碳能力、NPP空間分布；彭月月等[15]研究了土地利用變化對成都市植被NPP的影響，結果表明建設用地面積比例變化顯著影響區域植被NPP。土地利用變化所導致的土地利用結構改變對NPP的影響，直接關系到區域碳儲量變化以及區域碳中和目標的實現。土地利用變化中的城市擴張和生態恢復對NPP產生不同程度的影響，而以往研究大多只關注城市擴張對NPP的影響[16，17]，因此有必要分別探討城市擴張和生態恢復對區域NPP的影響。

城市群作為國家經濟發展的戰略核心區和國家新型城鎮化的主體區，在推動形成人與自然和諧發展的現代化建設新格局中發揮著重要作用。粵港澳大灣區建設是習近平總書記親自謀劃、親自部署、親自推進的國家重大發展戰略，但隨著粵港澳大灣區城市群城市化進程不斷加快，該區域景觀格局發生顯著變化，重要生態空間和典型生態系統受到侵占與擠壓，成為生態環境問題集中激化的敏感區和重點治理區。因此，本研究以粵港澳大灣區為例，探究在氣候變化和人類活動干擾雙重影響下，氣候與土地利用變化對粵港澳大灣區植被NPP的影響，為深入研究粵港澳大灣區生態系統質量、植被保護、生態修復和區域生態安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2001-2018年Enhanced Vegetation Index (EVI)數據來源于美國國家航空航天局的地球觀測系統EVI/MODIS數據集，數據空間分辨率為0.5 km，時間分辨率為16 d。氣溫、降雨和太陽輻射量數據來源于國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)，時間跨度為2001-2018年，所有數據均由國家氣象科學數據中心嚴格檢驗和校正[18]。氣象數據采用空間克里格插值法，輸出0.5 km×0.5 km的柵格圖像。土地利用類型數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，空間分辨率為30 m×30 m。該數據集在全國范圍內進行統一集成和質量檢驗，一級類型總體評價精度達到93%以上，二級類型分類綜合精度達到90%以上[19]。

1.2 數據處理與分析

1.2.1 NPP反演與驗證

采用CASA模型對NPP進行反演，其計算過程如下：

NPP(x,t)=Apar(x,t)×ε(x,t)，

(1)

式中，NPP(x,t)為t時刻x像元的NPP值，Apar(x,t)和ε(x,t) 分別為t時刻x像元的光合有效輻射(MJ/m2)和實際光能利用率(gC/MJ)。

Apar(x,t)=Solx,t×Fpar(x,t)×0.5，

(2)

Fpar(x,t)=

(3)

(4)

式中，Solx,t為t時刻x像元的太陽總輻射量(MJ/m2)；Fpar(x,t)為t時刻x像元的光合有效輻射吸收比例；Fparmax和Fparmin分別取值0.95和0.001；EVIi,max和EVIi,min分別為i類型EVI的最大值和最小值，分別取位于EVI的95%和5%位置的值；Sri,max和Sri,min分別為i類型Sr的最大值和最小值。

ε(x,t)=T1(x,t)×T2(x,t)×Wε(x,t)×εmax，

(5)

式中，εmax為最大光能利用率(gC/MJ)；T1(x,t)、T2(x,t)和Wε(x,t)分別表示t時刻x像元的最大光能利用率在最低溫、最高溫和水分缺乏時的脅迫系數：

(6)

T2(x,t)=

(7)

(8)

由于NPP一般很難直接觀測，因此參照以往研究[20]，將獲取的區縣森林資源清查資料依據公式(9)轉為NPP，并與CASA模型反演結果進行比較。

NPP=Biom×0.475，

(9)

式中，Biom為森林資源清查資料獲取的生物量。

1.2.2 時間變化趨勢分析

采用Mann-Kendall統計檢驗法和非參數Sen分析法分析2001-2018年NPP變化趨勢，其計算方法如下所述。

Mann-Kendall的統計量S為

(10)

式中n為觀測次數，xi和xj分別為在時間序列i和j上對應的NPP值(j>i)，sgn(xj-xi)為符號函數，其計算公式為

(11)

其方差計算公式為

Var(S)=

(12)

式中，n為觀測次數，m為序列中秩次相同的組數，ti為第i組秩次相同所包含觀測值的個數。

Neeti等[21]研究表明，當n>8時，標準化檢驗統計量ZS符合標準正態分布，其計算公式為

(13)

當Zs>0時表示變化趨勢為上升趨勢，當Zs<0時表示變化趨勢為下降趨勢。 Mann-Kendall趨勢分析法強調的是單調趨勢，并不一定為線性趨勢，而且該方法只是反映趨勢的變化，并不體現變化的幅度，因此引入Sen's 斜率法對變化幅度進行計算，其計算公式Qi為

(j>i)。

(14)

1.2.3 NPP變化趨勢預測

為進一步分析NPP未來變化趨勢，本研究采用基于R/S的Hurst指數進行分析。其基本計算過程如下：設在t1,t2,…,tn時刻所對應的NPP分別為NPP1,NPP2,…,NPPn，對任意正整數m，該時刻的平均值NPPm為

(15)

其累積離差Xt可表示為

(16)

把同一個m值所對應的最大Xt和最小Xt之間差記為極差Rm，則

(17)

其標準差記為Sm，則

(18)

H取值范圍為0-1。當H>0.5時，表示NPP未來變化趨勢與過去一致，H值越接近1，說明持續性越強。相反，當H<0.5時，表示NPP未來變化趨勢與過去相反，H值越接近0，表示反持續性越強。當H=0.5時，表示各項指標完全獨立，過程是隨機性的。

1.2.4 相關關系與響應分析

為分析粵港澳大灣區植被NPP與氣候變化之間的關系，本研究選擇生長季平均氣溫和累積降雨兩個氣候因子，分析NPP與氣候變化的相關性，其計算公式為

(19)

式中Rij·k為控制變量k的情況下，變量i和j的偏相關系數；Rij,Rik,Rjk分別為變量i和j，變量i和k，變量j和k的簡單相關系數。

為減小氣候因子對NPP影響的多重共線性，本研究采用偏最小二乘回歸法分析NPP對平均氣溫和累積降雨的響應。該方法集多元線性回歸、典型相關性分析和主成分分析于一體，能夠在自變量存在多重相關性的條件下進行回歸建模。

1.2.5 土地利用變化對NPP影響

根據2000年和2018年土地利用類型中的一級分類，以土地利用類型——森林、灌叢、草地、農田、城鎮和未利用地為研究對象。其中2000年土地利用類型為森林、灌叢、草地的像元，至2018年轉變為城鎮的，本研究定義為城市擴張；2000年為農田和未利用地的像元，至2018年轉變為森林、草地和灌叢的，本研究定義為生態恢復。由于在2000-2018年，粵港澳大灣區城鎮建設用地一般不會轉變為森林、草地和灌叢用地，因此本研究不考慮城鎮建設用地轉變為森林、草地和灌叢的情形。統計NPP像元(0.25 km2)中土地利用類型發生轉變的像元個數，并計算其占比。最后，耦合NPP變化趨勢，分析土地利用變化對植被NPP的影響。

2 結果與分析

2.1 NPP驗證

由驗證結果可知(圖1)，CASA模型反演的粵港澳大灣區NPP結果與實際結果較為吻合，其R2為0.68 (P< 0.05)，RMSE為0.16 kg·C·m-2。

圖1 NPP驗證

2.2 NPP空間分布特征

從圖2a可以看出，2001-2018年粵港澳大灣區NPP年均值為0.08-1.51 kg·C·m-2，平均值為0.89 kg·C·m-2。NPP最低值主要分布在中心區，其值一般低于0.4 kg·C·m-2；NPP最高值主要分布在粵港澳大灣區西北部、東北部和東部部分區域，其值一般在1.0 kg·C·m-2以上；其他區域如粵港澳大灣區西南部和東南部，NPP值一般為0.4-1.0 kg·C·m-2。由NPP標準差空間分布(圖2b)可知，NPP標準差較低值主要分布在粵港澳大灣區中部，其值一般在0.04 kg·C·m-2以下；粵港澳大灣區西南部和東南部，NPP標準差較大，一般在0.1 kg·C·m-2以上；其他區域，如粵港澳大灣區東北部和西北部，NPP標準差一般為0.06-0.1 kg·C·m-2。可見粵港澳大灣區中部NPP年際變化較小，而粵港澳大灣區西南部和東南部NPP年際變化較大。

圖2 粵港澳大灣區NPP(a)及其標準差(b)空間分布

2.3 NPP時間變化趨勢

由NPP時間變化趨勢(圖3a)看，2001-2018年粵港澳大灣區NPP總體呈現增加趨勢，其速率約為0.001 kg·C·m-2·a-1。NPP增加區域約占總面積的58.42%，主要分布在粵港澳大灣區中部和西南部。增長速率較高的區域主要分布在粵港澳大灣區西南部，其增長速率一般在0.005 kg·C·m-2·a-1以上。NPP呈負增長區域主要分布在粵港澳大灣區西北部、東北部和東南部部分區域，約占研究區面積的41.58%，其速率一般為-0.02-0 kg·C·m-2·a-1。從NPP變化趨勢顯著性來看(圖3b)，約30.40%的區域表現為NPP呈顯著增加(P<0.05)或極顯著增加(P<0.01)趨勢，主要分布在粵港澳大灣區西南部和西部。NPP呈顯著降低(P<0.05)或極顯著降低(P<0.01)區域較小，約占總面積的13.80%，且集中分布在粵港澳大灣區東南部和南部。

圖3 2001-2018年NPP時間變化趨勢

由Hurst指數可以看出，粵港澳大灣區NPP的Hurst指數主要在0.5以下，約占研究區面積的66.52%，而Hurst指數為0.5-1的約占研究區的33.48%(圖4a)。由此可見，粵港澳大灣區大部分區域的NPP未來變化趨勢與目前相反。通過耦合NPP時間變化趨勢和Hurst指數發現，未來粵港澳大灣區約有66.52%的區域NPP呈現下降趨勢(圖4b)，其中28.01%的區域表現為持續下降趨勢，主要分布在研究區東部和西北部；38.51%的區域表現為NPP由上升轉變為下降趨勢，主要分布在粵港澳大灣區的中部和西南部。32.58%的區域NPP未來呈上升趨勢，其中19.01%的區域表現為持續上升趨勢，主要零散分布于粵港澳大灣區中部和東部；13.57%的區域表現為NPP由原來的下降趨勢轉變為未來的上升趨勢。

圖4 粵港澳大灣區植被NPP未來變化趨勢

2.4 NPP與平均氣溫、累積降雨變化關系

2.4.1 NPP與平均氣溫、累積降雨變化相關關系

粵港澳大灣區植被NPP與生長季平均氣溫之間的偏相關系數平均值為0.18，且偏相關系數主要為-0.3-0.3。NPP與平均氣溫呈正相關區域約占整個研究區的54.34%(圖5a)，但只有1.25%的區域表現為顯著正相關關系(P<0.05)，NPP與平均氣溫呈正相關關系主要分布在粵港澳大灣區西南部。NPP與平均氣溫呈負相關關系約占整個區域的45.66%，主要分布在研究區的北部、西北部和東北部(圖5c)。

從NPP與生長季累積降雨看，NPP與累積降雨偏相關系數平均值為0.32，高于NPP與平均氣溫之間的偏相關系數，且主要表現為正相關關系，占研究區總面積的67.81%(圖5b)，其中25.03%的區域表現出顯著正相關關系(P<0.05)，NPP與累積降雨呈正相關關系區域主要集中在研究區中部和西南部。NPP與累積降雨呈負相關關系區域約占總面積的32.19%，其中僅1.70%的區域表現為顯著負相關關系(P<0.05)，而NPP與累積降雨呈負相關關系區域主要分布在東部和西北部(圖5d)。

圖5 NPP與平均氣溫(a,c)和累積降雨(b,d)的偏相關關系及其空間分布

2.4.2 NPP對平均氣溫、累積降雨變化的響應

從NPP對平均氣溫變化的響應空間分布看(圖6a)，NPP對平均氣溫變化表現為正響應的區域主要位于研究區西南部和東南部，而負響應關系主要位于研究區西北部、東北部和北部。從NPP對平均氣溫變化的響應值來看，54.34%的區域表現為NPP對平均氣溫變化呈正響應，其均值為0.007 kg·C·m-2·a-1·℃-1。從NPP對平均氣溫變化響應值頻數分布看，NPP對平均氣溫變化的正響應值主要集中在0-0.03 kg·C·m-2·a-1·℃-1；類似地，負響應值主要集中在-0.03-0 kg·C·m-2·a-1·℃-1(圖6c)。

從NPP對累積降雨變化響應的空間分布看(圖6b)，NPP對累積降雨變化的正響應關系主要分布在研究區中部、西南部和西北部，負響應關系主要分布在研究區東部和北部。從NPP對累積降雨變化的響應值看，NPP對累積降雨變化的響應主要表現為正響應，約占研究區總面積的71%，響應均值為0.000 1 kg·C·m-2·a-1·(100 mm)-1。從響應值的頻數分布看，NPP對累積降雨變化的正響應值主要集中在0-0.001 kg·C·m-2·a-1·(100 mm)-1，其次為0.001-0.003 kg·C·m-2·a-1·(100 mm)-1，NPP對累積降雨變化的負響應值頻數分布也表現出類似的規律(圖6d)。

圖6 NPP對生長季平均氣溫(a,c)和累積降雨(b,d)的響應空間分布及其響應系數頻數分布

2.5 土地利用變化對NPP影響

從土地利用變化對NPP影響可以看出(圖7)，城市擴張對NPP表現為顯著的負效應(P<0.000 1)，隨著建成區面積比例的增加，NPP年際變化率為-5.68×10-5kg·C·m-2·a-1。而生態恢復對NPP存在顯著的正效應(P< 0.000 1)，生態恢復面積每增加1個百分比，NPP年際變化率增加約為5.81×10-6kg·C·m-2·a-1。可見，城市擴張對NPP年際變化率的影響遠高于生態恢復。

圖7 土地利用變化對NPP影響

3 討論

3.1 NPP時空格局演變

在氣候變化與碳中和目標背景下，植被NPP動態變化及其與氣候變化的關系受到高度關注。目前NPP計算原理和方法較為成熟，多為基于遙感數據的模擬計算[8]，但受到遙感傳感器及氣候數據插值結果影響，反演結果也存在差異。本研究表明2001-2018年粵港澳大灣區NPP年均值為0.08-1.51 kg·C·m-2，平均值為0.89 kg·C·m-2。吳艷艷[22]研究結果表明廣州市2001-2013年NPP平均值為0.66-0.85 kg·C·m-2，本研究結果與其相比略偏高，主要是因為本研究區為粵港澳大灣區，除廣州市外，位于粵港澳大灣區的肇慶、惠州等地市的林地覆蓋面積廣，植被覆蓋度較高，所以造成NPP較高。

從NPP空間分布看，NPP均值總體呈現中部和南部低，西北部和東北部高的空間分布特征。這主要是因為粵港澳大灣區中部和南部城市化程度高，人為活動干擾強，城市化發展使城市周圍自然生態系統減少、質量下降，植被覆蓋度變低[8]；而大灣區西北部和東北部，植被類型主要以林地為主，植被覆蓋度高，生態系統結構復雜，穩定性相對較高[7]，這與前人研究結果一致[7,22，23]。

從NPP變化趨勢看，NPP總體呈增加趨勢。這可能是由于隨著我國生態文明建設，粵港澳大灣區各地市加快生態文明建設，生態系統質量不斷提高，同時城市化過程對自然生態系統干擾已引起重視，人類活動對自然生態系統干擾程度逐漸降低。此外，森林分類經營、天然林保護和人工林面積增加[24]等措施的實施也是大灣區NPP增加的另一重要原因。

從NPP未來變化趨勢看，粵港澳大灣區NPP總體呈下降趨勢，約占研究區總面積的66.52%，這可能與未來城市的進一步建設擴張有關[25]，本研究中城市擴張對NPP的負效應也證明了此結論。由NPP未來變化趨勢可知，粵港澳大灣區生態環境質量在未來有下降趨勢，特別是對于粵港澳大灣區東南部、南部和西北部而言，應加強踐行“綠水青山就是金山銀山”理念和生態保護措施，嚴格落實生態保護紅線，增強生態環境分區管控力度，提升生態環境質量，對生態系統遭到破壞(如亂砍亂伐)的區域，應因地制宜實施生態修復，從而提升區域生態安全和質量。

3.2 NPP與氣候因子的關系

平均氣溫和累積降雨是影響NPP變化的兩個重要氣候因子[26]。根據IPCC第五次研究報告，氣候變化與碳循環存在顯著的正相關關系，但這種關系隨區域變化而變化。本研究表明，NPP與生長季平均氣溫和累積降雨總體呈正相關關系，其偏相關系數分別為0.18和0.32，響應均值分別為0.007 kg·C·m-2·a-1·℃-1和0.000 1 kg·C·m-2·a-1·(100 mm)-1。以往研究表明氣溫、降雨與研究區植被NPP密切相關，且NPP與降雨關系更為密切[9，12，27]。這可能是因為溫度上升使得植被蒸騰作用增強，土壤水分減少，溫度對植被生理活動的限制也隨之增強，從而阻礙植被生長及其光合作用[28];而充足的降雨不僅可以滿足植被生長需要，也可以緩解因高溫導致的強蒸散發對植被生長的影響。

3.3 土地利用變化對NPP的影響

快速城市化地區的土地利用變化，必然導致植被類型、結構和區域配置狀況顯著改變[29]，而人為活動下的土地利用變化是影響植被NPP變化的重要因素[30]，其影響主要來源于土地利用變化過程及其用地功能轉變。本研究結果表明,城市擴張對植被NPP產生極顯著的負效應，而生態恢復則對NPP產生極顯著正效應，這與前人研究結論一致[14，15]。城市擴張使得區域內土地功能發生轉變，景觀破碎化和異質性增強[14]，生態系統結構變化和功能降低，從而導致植被NPP下降；而生態工程建設(如退耕還林、植樹造林)不僅增加了植被覆蓋面積，在人為干預下(如施肥、集約化管理)，植被生長環境得以改善，從而有利于植被NPP的積累。此外，本研究表明，城市擴張對NPP影響高于生態恢復對NPP的影響。因此，粵港澳大灣區在關注生態恢復對植被NPP和生態環境質量影響的同時，更應關注城市擴張對植被生長的負面影響。值得注意的是，雖然城市擴張和生態恢復均對NPP產生極顯著影響，但NPP變化受多重影響因子以及影響因子間交互作用的共同影響，致使本研究模型所得R2較小。因此，關于城市擴張和生態恢復對NPP的影響有待于進一步探討。

4 結論

本研究利用CASA模型反演2001-2018年粵港澳大灣區NPP，分析NPP時空格局演變及其與氣候、土地利用變化的關系。研究結論如下：

①從NPP時空格局演變看，粵港澳大灣區NPP均值呈中心區和東南區向東北、西北方向遞增的趨勢，2001-2018年NPP總體呈增加趨勢。

②NPP與平均氣溫和累積降雨總體呈正相關關系，但NPP與累積降雨的相關性大于NPP與平均氣溫的相關性。

③城市擴張和生態恢復對NPP均產生極顯著影響，但城市擴張對NPP產生的負效應遠高于生態恢復對NPP產生的正效應。