東北地區植被凈初級生產力對氣候變化的響應

張淑美 董靜

摘要：研究植被凈初級生產力與氣候變化的關系，對于研究氣候變化對生態系統進程的影響具有重要意義。研究利用1982-2013年長時間序列的AVHRR NDVI數據集、氣候數據和植被類型圖，采用CASA模型估算了東北地區植被凈初級生產力，并分析了東北地區植被的凈初級生產力的時空變化及其對氣候的響應。結果表明：1）1982-2013年東北地區植被平均凈初級生產力范圍在0-750gC？m-2？a-1之間，耕地、林地的凈初級生產力呈增長趨勢;草地的凈初級生產力呈減少趨勢。2）年平均降水變化在西部地區呈現降低趨勢，在東部大部分地區是增加趨勢。年平均降水量最多的年份是在2013年為57.09 mm。3）年平均溫度的變化情況不明顯，整體上是波動上升的趨勢。平均溫度最高的年份在2008年。4）東北地區植被凈初級生產力與溫度、降水的相關性呈現空間地理差異。植被凈初級生產力與溫度在西部呼倫貝爾草原和東北平原西部有較大的負相關，在東部有較大的正相關;植被凈初級生產力與降水在西部呼倫貝爾草原和東北平原有較大的正相關，在小興安嶺和長白山脈有較大的負相關。

關鍵詞：東北地區;凈初級生產力;氣候;相關性分析

1 ?緒論

凈初級生產力NPP（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位時間、單位面積內通過光合作用所產生的有機物同化量減除呼吸消耗的剩余部分。它直接反映了各種植被類型在自然環境條件下的生產能力和陸地生態系統的質量狀況，在全球變化及碳平衡中扮演著重要作用[1]。近年來的氣候變化已經促進了北半球中高緯度地區的植被生長，各種凈初級生產力模型已經開發用來分析凈初級生產力對氣候變化的響應。

因此，研究凈初級生產力與氣候變化的關系，對于研究氣候變化對生態系統進程的影響具有重要意義。利用遙感技術，結合氣候參數和植被參數，分析凈初級生產力的年際變化特征、空間分布特征以及凈初級生產力與氣候（溫度、降水）因子的相關性，對了解植被的時空變化特征，監測、保護生態環境，預測氣候變化趨勢有著重要的意義。

2 ?研究區概況和數據處理

2.1 ?研究區概況

東北地區以平原、丘陵和山地為主，整體地勢低平，開闊平坦。地形特點為三面環山、平原居中。

東北地區自南向北跨中溫帶與寒溫帶，屬溫帶季風氣候，四季分明，夏季溫熱多雨而短促，冬季寒冷干燥而漫長。自東南而西北，從濕潤區、半濕潤區過渡到半干旱區。

東北地區受夏季風的影響，植被特征經向地帶性非常明顯，由南向北氣溫逐漸降低，相應的植被類型也隨著地理位置的變化而發生著變化。

2.2 ?數據介紹與預處理

本研究主要利用的是1982-2013年的NOAA_NDVI_3g數據集、氣象站點數據以及氣候（溫度、降水、輻射）數據、東北地區植被類型圖和東北地區的矢量數據。

2.2.1 ?遙感數據

采用GIMMS NDVI 3g數據集的空間覆蓋范圍為全球，時間起止于1981-2013年。空間分辨率為8km * 8km，時間分辨率為15天，格式為ENVI標準格式，轉換為ALBERS投影，坐標系為WGS-84坐標系。

2.2.2 ?氣象數據

從中國氣象科學數據共享服務網（http：//cdc.cma.gov.cn/）下載的1982–2013年的月總降水量數據、月平均溫度數據、月總太陽輻射數據，和覆蓋東北地區的107個氣象站點和13個輻射站點數據。

2.2.3 ?植被類型圖

該研究所用的植被類型圖為中國科學院的中國植被編輯委員會提供的1：100萬中國植被圖集。在對比2001年和2007年的植被類型圖之后，發現植被種類及分布變化不大，本研究采用2001年東北地區植被類型圖。

3 ?研究方法

3.1 ?CASA模型

CASA模型（CarnegieAmesStanford approach）是一個基于過程的遙感模型[2]。模型包括土壤有機物、微量氣體通量、養分利用率、土壤水分、溫度、土壤結構和微生物循環[3]。它充分考慮了植物自身生長特性和對植物光合作用有調節能力的非生物環境因子（氣溫、土壤、水分狀況等），主要由植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與實際光能利用率（ε）兩個變量來確定[1]。

NPP（x， t） = APAR （x， t） * ε（x， t） （3.1）

3.2 ?最大值合成法

最大合成值法MVC（Maximum Value Composites），就是將多幅相同的柵格圖疊加，每個柵格單元值取多幅影像中最大的值，最后合成一幅影像。

本研究需要利用月最大歸一化植被指數的時間序列數據，而下載的NOAA_NDVI_3g數據集的時間分辨率為15天，所以需要利用最大值合成法得到分辨率為一個月的月最大NDVI影像。對半月分辨率的倆幅NDVI影像進行波段運算，輸入公式為：

b1*（b1 ge b2） + b2*（b2 gt b1）（3.2）

將每個月的月最大NDVI數據合成一年，得到月最大NDVI時間序列數據，公式為：

b1>b2>b3>b4>b5>b6>b7>b8>b9>b10>b11>b12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3.3）

3.3 ?空間插值

空間插值是指將離散點的測量數據轉換為連續的數據曲面，以便與其它空間現象的分布模式進行比較，就是用已知點的數值來估算其他位置的數值。

進行空間插值有倆個基本條件：已知點和插值方法。本研究需要對氣象數據進行空間插值，東北地區的氣象站點便作為已知點，本研究所利用的插值方式主要是克里金插值法和反距離加權插值法。

3.4 ?趨勢分析及相關性分析

3.4.1 ?趨勢分析

研究32年來東北地區年平均氣溫、年平均降水量的變化，結合東北地區植被凈初級生產力的年季變化，首先簡單的分析植被凈初級生產力的變化與氣候變化的關系，其斜率公式為[4]：

（3.4）

式中，i為研究的年份，Yi表示第i年的平均溫度、平均降水量、NPP，n為研究的年分數32年。

當slope>0時，說明像元上的像元值（溫度、降水、NPP）為上升趨勢;反之，當slope<0時，表明像元值有下降趨勢。

3.4.2 ?相關性分析

相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。在進行趨勢分析之后，將東北地區的植被凈初級生產力分別與溫度、降水進行相關性分析，定量的得到它們之間的變化關系。

4 ?研究結果與分析

4.1 ?東北地區氣候變化

4.1.1 ?東北地區年均氣溫時空變化分析

1982–2013年東北地區的32年平均溫度時間變化，東北地區的年平均溫度的變化情況不明顯，東北地區的年平均溫度的范圍在2℃到5℃之間，但整體上是一個波動上升的趨勢[5]。

1982–2013年東北地區的年平均溫度的空間變化，東北地區32年的年平均溫度的空間分布與地理位置相匹配，由東南方向向西北方向溫度逐漸降低[6]。

4.1.2 ?東北地區年均降水量時空變化分析

1982–2013年東北地區的32年平均降水量的時間變化如圖1所示。圖中可以看出，東北地區的年平均降水量的平均值的范圍在30–60 mm之間。

1982–2013年東北地區的年平均降水的空間變化如圖2。由圖中可以看出，東北地區32年的年平均降水的空間分布與地理位置相匹配，由東部地區向西部地區遞減。

4.2 ?東北地區植被生產力時空變化分析

4.2.1 ?東北地區植被生產力空間變化分析

1982年到2013年，東北地區植被凈初級生產力的取值范圍在0到750gC？m-2？a-1之間，其中植被凈初級生產力在0到100gC？m-2？a-1之間的部分占整個東北地區的48.66%，所占的比重最大。

東北地區植被凈初級生產力的最大值大部分分布在大興安嶺、小興安嶺、長白山脈處，植被類型豐富，植被茂密;而東北地區植被凈初級生產力的較小的地方分布在東北平原和呼倫貝爾高原上，東北平原是東北農作物的主要種植地，呼倫貝爾高原的主要植被類型是草地，對應的生產力較低。所以，東北地區植被凈初級生產力的空間分布與植被類型有很大的關系。東北地區的植被凈初級生產力的空間分布特點是：西部和南部的NPP值低;東部和北部的NPP值高;而且從東北方向到西南方向是呈現一個遞減的趨勢。而東北地區的地形是周邊被山包圍，中間是平原地區。所以，東北地區植被凈初級生產力的空間分布與地形有很大的關系。同樣的，東北地區植被凈初級生產力高的地方分布在大興安嶺、三江平原、小興安嶺、長白山脈處，這些地區的植被類型主要是林地，植被覆蓋率高。而且長白山脈鄰近海洋，受海洋氣流的影響，水熱條件充沛、氣候適宜;東北地區植被凈初級生產力低的地方在東北平原和呼倫貝爾草原處，這些地方的氣候干旱、降水較少，植被覆蓋率低。所以，東北地區植被凈初級生產力的空間分布與氣候有很大的關系。

4.2.2 ?東北地區植被生產力年際變化分析

經過分析表明，呼倫貝爾草原及一些農林交錯的耕地以及林地的植被凈初級生產力減少，這可能主要是由于過度放牧導致的草地以及耕地的缺失和土地的退化，使得當地的植被生產力有了明顯的下降[7];而小興安嶺與三江平原上的針闊混交林和長白山南部林區的植被凈初級生產力的增長原因：可能主要是由于近些年，這些地區氣候條件穩定，適宜植被生長，同時東北地區作為全國主要的糧食基地，近些年來大力發展農業，改進農業生產技術，提高了生產力，使得在平原上的農作物種植區的植被含量增多，進而使其植被凈初級生產力提高。此外，由于我國在20世紀90年代也開展了一些保護生態，退耕還林，大力倡導植樹的活動，這可能也使得東北地區在小興安嶺地帶的植被得到保護與發展，從而使這些地方的植被凈初級生產力呈增高趨勢。

4.3 ?植被生產力對氣候變化的響應分析

結果表明，東北地區的植被凈初級生產力與東北地區的年平均溫度的相關性也存在著空間位置上的不同，不同的地區兩者之間的相關性也不同。在東北地區的呼倫貝爾草原與東北平原的西部，植被凈初級生產力與年平均氣溫呈現較大的負相關，相關系數在-0.59到0之間。經過分析，由于該地區氣候干旱，土壤貧瘠，沒有提供給植被生長所需要的適宜環境，又沒有森林的覆蓋，在溫度升高的時候，土壤就會變得更加干旱，不適合植被的生長。在大興安嶺地區及東北平原的中部，植被的凈初級生產力與年平均溫度的相關性較小。在小興安嶺、完達山、三江平原和長白山山脈處，植被的凈初級生產力與年平均溫度是正相關的，且具有較強的相關性，相關系數在0.25到0.68之間。

對于逐像元的相關性分析，總體分析看來，東北地區的植被凈初級生產力與年平均溫度的相關性是負相關較多，所占百分比為58.1%。東北地區的植被凈初級生產力與年平均溫度的相關性與其所處的地理位置有很大的關系。

5 ?結語

本文研究了連續32年的東北地區植被生產力的變化及其對氣候變化的響應，可以以此為基礎，對東北地區32年來的環境變化進行監測;也可以進一步通過東北地區32年來耕地、森林和草地的變化情況，研究東北地區退牧還草、退耕還林的情況。本方法也可用于其他區域或者更大尺度的植被長勢監測，為環境監測提供參考依據。

參考文獻

[1]朱文泉，潘耀忠，張錦水.中國陸地植被凈初級生產力遙感估算[J].植物生態學報，2007（03）：413-424.

[2]冉慧. 基于CASA模型的吉林省區域NPP遙感研究[D].吉林大學，2010.

[3]嘎畢日，張弛，王俊枝等.基于CASA模型的錫林浩特市草地資源生產力變化分析[J].內蒙古科技與經濟，2019（06）：59-60+62.

[4]孟夢，牛錚.近30a內蒙古NDVI演變特征及其對氣候的響應[J].遙感技術與應用，2018，33（04）：676-685.

[5]張清.1998年我國天氣氣候特點[J].氣象，1999（04）：27-30.

[6]孫冷.1999年我國天氣氣候特點[J].氣象，2000（04）：20-24.

[7]邱玥，范德芹，趙學勝等.中國東北地區植被NPP時空變化及其對物候的響應研究[J].地理與地理信息科學，2017，33（05）：21-27.