近20年來西南地區植被凈初級生產力時空變化與影響因素及其對生態工程響應

茆 楊,蔣勇軍,張彩云,喬伊娜,呂同汝,邱 菊

西南大學地理科學學院,巖溶環境重慶市重點實驗室, 重慶 400715

陸地植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)是單位時間、單位面積下植被光合作用產生的有機質減去植物呼吸作用后剩下的部分[1],是表征生態系統的碳固存能力[2]、解釋區域生態系統的生產力、可持續性以及生態環境動態演變過程的重要指標[3]。作為生態系統的重要組成部分,NPP在碳循環[4—5]、水循環[6—7]和土地利用/覆被變化[8—9]的研究中起著至關重要的作用。因此,研究植被NPP變化及其驅動力對于了解區域環境狀況和生態環境演變具有重要意義。

對區域植被NPP的研究方法主要有實地測量法和模型模擬法,其中模擬模型主要分為四類：氣候模型、遙感模型、過程模型和遙感-過程耦合模型[10]。隨著遙感技術的迅速發展,基于遙感-過程耦合模型的遙感數據產品由于其時間和空間分辨率高、獲取成本低等特點得到了廣泛應用[11—17]。國內學者利用MODIS-NPP產品對地表植被NPP進行了大量觀測研究,結果表明地表植被NPP受到自然或人為因素的影響,如重慶巖溶區NPP與溫度、降水顯著相關,且對年均溫有更強的敏感性[13]；太陽輻射和年均溫是廣西巖溶區NPP變化的主要影響因子[14]；溫度和降水量的分布差異是河南省NPP呈南高北低的主要原因[15]；東北地區植被NPP主要受到降水量的制約,且水熱波動對NPP變化的影響要大于土地利用變化的影響[17]；秦巴山區NPP變化對實際蒸散量強烈響應并受到人為因素的雙重控制[16]；西南巖溶區太陽輻射的降低抵消了人類活動對NPP變化的積極作用[12]。這些特定地區的研究有利用從區域尺度上理解植被NPP的變化,但不同地區、不同時期的自然因子和人為活動有其特殊性,而以往的研究較少關注到西南地區巖性和生態工程實施對植被NPP的影響。

我國西南地區是世界上最大裸露碳酸鹽巖連片分布地區之一。碳酸鹽巖中的土壤形成物質含量低,且具有高度的溶解性,作為土壤母質的碳酸鹽巖一方面不溶物含量低,成土速率慢,另一方面由于其巖石獨特的二元地質結構,土壤極易隨水流失進入地下河系統,地表基巖裸露,石漠化嚴重,使之成為限制我國西南地區經濟發展的重要自然因素。而我國西南地區人口密度大(217人/km2),巨大的人口壓力附加在脆弱的巖溶生態環境上,使得該地區超過20%的土壤生產力退化[18],進一步加劇了西南地區人口貧困,成為脫貧攻堅戰中最難解決的一環。植被NPP不僅反映了植被群落的生產能力,也是生態系統功能和結構變化的重要表征,對植被NPP的研究能為生態脆弱地區治理提供科學指導[19]。綜上所述,了解區域NPP特征及其驅動力對生態系統的研究和生態安全發展具有重要意義。

1 研究區概況

研究區位于中國西南部(97°21′—117°19′E,20°13′—34°19′N)(圖1),包括云南、貴州、四川、重慶、廣西、廣東、湖南和湖北八個省或直轄市,面積為19.5×105km2,其中28%(5.4×105km2)的區域被裸露的碳酸鹽巖所覆蓋,即為裸露型巖溶區。其中碳酸鹽巖主要由灰巖(50.07%)、白云巖(8.75%)、灰巖與白云互層巖(10.13%)以及碳酸鹽巖與碎屑巖互層巖(31.05%)組成。

圖1 西南地區位置示意圖

2 材料與方法

2.1 數據來源及處理

本研究使用了美國國家航空航天局(NASA)提供的2001—2018年的MODIS Terra NPP數據(MOD17A3HGF)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/),空間分辨率為500 m。數據下載完成后利用NASA官網提供的MRT工具進行拼接、裁剪和重投影等預處理,再利用Arcgis 10.4軟件剔除其中的異常值后得到2001—2018年的年NPP數據。

2001—2018年中國西南地區的245個溫度、降水氣候站點數據來自中國氣候數據網(http://data.cma.cn/),并使用了薄片光滑樣條插值法在ANUSPLIN4.4中對氣候站點數據進行插值,得到2001—2018年的年均降水與溫度的空間分布數據,空間分辨率為500 m。

由于對應年份數據缺乏,本文使用了2000—2018年土地利用數據,該數據來自中科院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)。為了確保數據質量,RESDC對該數據集進行了質量控制,土地利用總體精度在94.3%以上[20]。

碳酸鹽巖的空間分布數據來自中國地質科學院巖溶地質研究所(http://www.karst.cgs.gov.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1趨勢分析

使用一元線性回歸法對NPP數據進行年際變化的趨勢分析,趨勢結果用多年柵格數值回歸方程的斜率(Slope)表示,計算公式為：

(1)

式中,n為參與計算數據年數(本研究為1—18年),Vi為第i年NPP的值。回歸方程的斜率(Slope)表示NPP的平均時間變化：正斜率(Slope>0)表示上升趨勢,負斜率(Slope<0)則表示下降趨勢。利用等間距劃分法,將Slope劃分為五個等級：顯著增長(Slope≥15)、輕度增長(5≤Slope<15)、(-5≤Slope<5)、輕度降低(-15≤Slope<-5)以及顯著降低(Slope≤-15)[21]。

2.2.2突變分析

Mann-Kendall檢驗是一種非參數檢驗方法,它不對數據采用任何分布形式,被廣泛用于識別所考慮的時間序列數據中的變化點[22—23]。使用年度NPP時間序列計算前向(UF)和后向(UB)統計序列。

Mann-Kendall突變檢驗過程為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中,NPPi表示第i年NPP的值,k表示時間序列的長度。后向統計序列UBk由公式(2)和(5)計算得出。當UF大于0時表示NPP呈上升趨勢,反之則表示下降趨勢。置信區間(P<0.05,區間為±1.96)內的兩條序列曲線的交點被確定為NPP變化的轉折點。

2.2.3偏相關分析

使用偏相關分析可以在多要素系統中在不考慮其他要素影響的情況下研究某一要素對另一要素的影響,偏相關系數計算公式為：

(6)

式中,rxy是變量x和y的簡單相關系數,rxz是變量x和z的簡單相關系數,ryz是變量y和z的簡單相關系數。

3 結果

3.1 西南地區NPP時間變化

2001—2018年的18年間,西南地區植被NPP呈現出波動增長趨勢(圖2),從2001年的706.65 gC m-2a-1增長至2018年的756.93 gC m-2a-1,每年的年均增長為3.0424 gC m-2a-1(P<0.01),其中最低值和最高值分別出現在2005年和2015年,為703.2 gC m-2a-1和778.69 gC m-2a-1。

圖2 NPP時間變化趨勢

通過對西南地區2001—2018年間NPP進行突變分析的結果顯示(圖3),UF和UB的曲線在2011年左右相交且處于置信區間(P<0.05)內,這個時間節點可以認為是NPP變化趨勢的突變點。基于突變分析的結果,將NPP的時間序列分為2001—2011和2012—2018年兩個序列。對兩個時間序列的植被NPP進行趨勢分析結果顯示2001—2011年與2012—2018年兩個時段NPP都保持增長趨勢,但兩個時間段的增長速率不同,2012—2018年的年增長速率(5.1297 gC m-2a-1)顯著高于2001—2011年(1.8097 gC m-2a-1)(圖4)。

圖3 2001—2018年M-K突變分析

圖4 2001—2011年與2012—2018年分時段NPP時間變化趨勢圖

3.2 西南地區NPP空間變化

為更加直觀了解西南地區植被NPP變化情況,本文將西南地區植被NPP變化趨勢劃分為顯著降低、輕度降低、穩定不變、輕度增長和顯著增長5個類別,并對2001—2011年和2012—2018年兩個時段的不同變化趨勢占比進行統計。

結果顯示(圖5),2001—2011年西南地區53%的區域植被NPP穩定不變,而顯示出輕度增長和顯著增長的區域占比分別為30%和3%,而表現為輕度降低和顯著降低的區域占比分別為10%和4%。增長較為顯著的區域主要分布在云南東部與貴州交界處,而下降區域主要分布在云南南部和廣東東部地區。

圖5 西南地區分時段NPP變化趨勢空間分布圖

2012—2018年西南地區植被NPP變化趨勢表現為增長的區域相較于前一時段有所提高,輕度增長和顯著增長的區域分別占區域面積的32%和17%。顯示出穩定不變的區域相比2001—2011年有所減少,占比為37%,而植被NPP輕度下降和顯著下降的區域分別占比12%和3%,與2001—2011年差異不大,表明在該時段西南地區植被NPP以增長為主。2012—2018年西南地區植被NPP增長區域主要分布在云南、廣西、廣東以及四川東部地區,而下降的區域主要分布在云南西部和貴州中部地區。

對不同巖性下NPP增長速率的提取結果顯示,在2001—2011年和2012—2018年兩個時間段內的不同巖性下NPP變化存在明顯的差異(表1)。從2001—2011年,整個西南地區的增長率為1.78 gC m-2a-1,其中非巖溶區的增長速率為1.71 gC m-2a-1,而巖溶區的增長速率為1.80 gC m-2a-1,巖溶區NPP增長率略高于非巖溶區。在2012—2018年間,西南地區NPP年增長率為5.13 gC m-2a-1,非巖溶區增長速率為5.02 gC m-2a-1,而巖溶區為5.15 gC m-2a-1,其中增長速率最高為灰巖分布區,為5.54 gC m-2a-1,其次是灰巖與白云巖互層區,為5.37 gC m-2a-1。

表1 西南地區不同巖性NPP分時段增長表

3.3 西南地區氣候因子時空變化

對西南地區氣溫和降水的趨勢分析結果(圖6)表明,2001—2018年間西南地區的溫度和降水除特殊年份外都表現為平穩趨勢(溫度和降水的R2分別為0.0492和0.0072),溫度范圍為15.27—16.05℃,最高溫度出現在2006年為16.05℃,最高溫度出現在2011年為15.27℃。降水的范圍為1066.42—1414.61 mm,2002年降雨量最高,為1414.61 mm,2011年最低,為1066.42 mm。

圖6 2001—2018年西南地區溫度降水變化趨勢

根據NPP的突變點將降水和溫度的變化趨勢分為2001—2011年和2012—2018年兩個時間段。2001—2011年的11年間,西南地區的降水量顯示出略微下降趨勢,在2011年出現最低值,而溫度較為穩定。2012—2018年間,降雨量呈略微上升趨勢,而溫度相比于2001—2011年間也有略微上升。

從空間上看(圖7),2001—2018年間西南地區有占總面積66%的區域溫度呈現上升趨勢,而下降區域占總面積34%,上升的區域顯著大于下降的區域。在降水方面,增長和下降的區與占比差距不大,占總面積52%的區域表現為上升趨勢,其余48%表現為下降趨勢。

圖7 西南地區溫度、降水變化趨勢空間分布

4 討論

4.1 氣候因子對NPP變化影響

氣候通過改變環境條件在植被的生理結構、過程等方面控制植被NPP的形成,因而NPP的變化能直接反映植被生態系統對環境氣候條件的響應[24]。本文選取了西南地區2001—2018年的溫度、降水數據與NPP數據進行偏相關分析,討論氣候因子對植被NPP變化的影響。

溫度對植被NPP的影響是一個復雜的過程,溫度的升高對植被的光合作用有促進作用[25]。Quan等人[26]的控制實驗結果顯示,溫度增長1.5℃和2.5℃分別能使NPP增長20.05%和38.70%,表明溫度增長對NPP有正向作用。本文對溫度與NPP的偏相關分析結果表明,溫度與植被NPP存在正相關性,2001—2011和2012—2018年的平均相關系數分別為R=0.19和R=0.26(圖8),說明2012—2018年溫度變化對西南地區NPP的影響比2001—2011年更強。溫度升高有助于促進植被的光合作用,進而有利于提高植被凈初級生產力,本文對西南地區溫度以及NPP的變化的研究結果表明,2012—2018年的溫度相較于2001—2011有輕度升高,而NPP也保持著增長趨勢。

圖8 西南地區溫度與NPP偏相關分析

對不同巖性分區溫度與NPP的平均偏相關系數統計結果顯示,在整個2001—2011年間,巖溶區和非巖溶區的NPP與溫度都保持正相關,而巖溶區NPP與溫度的相關性(R=0.23)高于非巖溶區(R=0.18),其中白云巖區明顯高于非巖溶區(R=0.31),而在2012—2018年期間,巖溶區和非巖溶區NPP與溫度相關性比2001—2011年更高,而巖溶區的增長幅度大于巖溶區,說明巖溶區植被NPP對溫度變化的響應強于非巖溶區。

水分在植物生長發育過程中起著重要作用,水分需求、水分平衡影響著植物光合作用,從而對NPP產生影響。而水分脅迫能導致氣孔導度降低甚至關閉,植物蒸騰和光合作用都顯著下降,植物在防止葉片失水的同時也減少了干物質的積累[24]。綜合來看,干旱地區降水量的增長能緩解水分脅迫,對NPP增長有促進作用,而在濕潤地區,當降水量達到一定閾值后NPP會隨降水量增長而下降[27]。對西南地區NPP與降水的偏相關分析結果顯示,2001—2018年,降水與植被NPP總體呈正相關關系,但對比2001—2011年與2012—2018年兩個時間段的相關性結果可知,2001—2011年的相關程度高于2012—2018年(圖9)。2001—2011年西南地區降水量處于下降趨勢,而2012—2018年,降水量表現出輕微上升趨勢,西南地區常年降水充沛,植物生長茂盛,但降水持續增長會影響植物接受到的陽光,降低環境溫度,影響植被的光合作用,最終阻礙NPP的增長。

圖9 西南地區降水與NPP偏相關分析

對不同巖性分區NPP與降水的偏相關系數統計結果表明(表2),在2001—2011年間,巖溶區NPP與降水平均相關系數高于非巖溶區(分別為R=0.17和R=0.03),而在2012—2018年,巖溶區的相關系數有所下降,不同巖性分區下的NPP與降水相關性差異減小,灰巖分布區甚至出現負相關趨勢,而巖溶區的平均相關系數也低于非巖溶區(R=0.02和R=0.06),這表明降水對巖溶區植被NPP的影響程度在下降。

表2 2001—2011年、2012—2018年不同巖性溫度、降水與NPP相關性統計

綜上,西南地區溫度對NPP變化的影響要強于降水,因為溫度的持續增長會促進植被的光合作用,對植被的初級生產力增長有促進作用。Liu等人[14]的研究結果表明,廣西西北巖溶地區的植被NPP與該地區的年均溫和日照時數顯示出顯著的相關性,而與年降水量的相關性則不顯著。而Wang[28]等人也發現,中國西南地區的NDVI與NPP受到溫度變化的影響比降水的影響顯著,這些研究結果與本文的研究結果相似。

4.2 土地利用變化對西南地區植被NPP的影響

人類活動驅動的土地利用和覆蓋變化深刻的改變了地表自然生態系統的結構和功能。人類活動不僅使地表景觀發生改變,也導致地表生態系統的碳通量發生改變[29]。植被NPP是地表碳循環的主要組成部分之一,代表了生態系統的固碳能力[30]。評估土地利用變化對植被NPP的影響對于了解人類活動對生態系統的結構和功能變化的作用至關重要。

如表3所示,2000—2018年,西南地區耕地和草地面積持續減少,兩種土地類型分別減少16989 km2和13100.56 km2。而林地、水域和城市用地的面積持續增長,分別增加6907.97 km2、4487.40 km2和21763.92 km2。

表3 2000—2018年分時段土地轉移矩陣/km2

2000—2010年間,耕地減少7405.26 km2,其主要的損失形式是轉化為城市用地,約42%的耕地轉化為城市用地,其次是轉化為林地,約有35%的耕地轉化為林地。草地和耕地轉化為林地是林地增長的主要形式,分別占增長面積的50%和47%。

2010—2018年,耕地面積的主要損失形式是轉化為林地(127614.05 km2),這也是林地面積的主要增長方式。城市用地面積在這一時期增長15648.01 km2,主要是由耕地轉化而來(62%)。

土地利用變化對植被NPP的影響表現為：當高植被生產力的土地利用類型(如林地、草地等)向低植被生產力的土地利用類型(如：城市用地、水域等)轉化時會使得NPP總量降低,反之則會帶來NPP總量的增加[31]。對不同NPP總量變化情況的計算可用來衡量不同土地利用類型面積變化造成的NPP的增加/損失情況[16]。由表4可知：2001—2011年土地利用轉變造成西南地區NPP總量變化0.2248 Tg C,其中,向林地轉化帶來的NPP總量增長占總增長的62%。各種土地利用類型轉化中,向城市用地的轉換造成了NPP總量減少,減少量為0.0999 Tg C。而在2011—2018年,土地利用變化使得NPP總量增長12.7870 Tg C,其中向耕地和林地的轉化貢獻最高,而其他土地利用類型向未利用地轉化造成了NPP總量的減少,減少量為0.1827 Tg C。不同土地利用變化下NPP總量變化情況說明林地和耕地面積的增加促進了西南地區NPP總量的增長,而城市用地面積和未利用地面積的增加分別導致2001—2011年和2012—2018年兩個時期西南地區NPP總量的減少。

表4 西南地區土地利用類型轉化下NPP總量變化矩陣/Tg C

4.3 西南地區生態工程對NPP的影響

為改善生態環境,中國政府于1999年實施了一項名為“退耕還林”的生態工程,目的是減輕中國的土壤侵蝕、荒漠化和其他生態問題。研究結果顯示[32],在中國政府制定的退耕還林計劃顯著增加了中國的綠化面積。Chen等[11]的研究結果表明,造林工程促進了中國的綠化趨勢,這種趨勢在中國西南地區尤為顯著,而人工林數量的快速增長導致了LAI和NPP的快速增長。2001—2018年間,西南地區造林增加面積是非常可觀的(圖10),而利用造林面積年累計數據與各年NPP均值進行相關性分析結果顯示,西南地區造林面積與NPP變化存在顯著正相關性(R=0.7,P<0.01),說明“退耕還林”生態工程對西南地區植被NPP增長存在顯著促進作用。

圖10 累計造林面積和石漠化面積

由于西南地區特殊巖溶環境和高人口壓力,導致西南地區石漠化現象十分嚴重,為了防治西南地區巖溶區的石漠化問題,中央政府在西南八個省份啟動了《關于全面解決巖溶石漠化的總體規劃綱要(2006—2015年)》,旨在恢復西南地區的植被狀況。2005年以來的3次石漠化治理監測結果顯示,2005—2011年間,石漠化土地面積減少了96萬公頃,減少率為7.4%,年均縮減率為1.27%；2011年—2016年間,石漠化土地面積減少了193.2萬公頃,減少率為16.1%,年均縮減率為3.45%(數據來自國家林業與草原局《中國巖溶地區石漠化狀況公報》)。2011—2016年間的石漠化減少率明顯高于前一個時間段,說明2011—2016年間西南地區的生態環境顯著改善,而本文研究結果顯示,西南地區NPP變化趨勢于2011年存在突變點,2011年后NPP增長趨勢顯著高于2011年之前,這一結果與西南地區石漠化變化情況存在一致性,因此可以認為,西南地區石漠化治理工程對NPP的增長有重要的促進作用。

5 結論

本文利用MODIS遙感數據研究了中國西南地區植被NPP的時空格局及其變化。結果表明：

(1)2001—2018年西南地區植被NPP保持增長趨勢。從2001—2018年,植被NPP以3.0424 gC m-2a-1(P<0.01)的速度增長,并在2011年后顯著增加。與非巖溶區相比,巖溶區的植被NPP增長的更快,其中石灰巖地區在兩個時段的增長率為2.21 gC m-2a-1和5.54 gC m-2a-1,顯著高于其他區域。

(2)西南地區植被NPP對溫度的響應程度要強于對降水的響應程度。植被NPP與氣候數據的相關分析結果顯示,在兩個時段,植被NPP與溫度的平均相關系數分別為R=0.19和R=0.26,而與降水的平均相關系數為R=0.07和R=0.05,說明溫度對植被NPP變化的影響要強于降水。不同巖性下植被NPP與氣候因子相關性結果表明,巖溶區對溫度的響應要強于非巖溶區,其中白云巖地區在兩個時段都高于其他區域。

(3)城市用地和未利用地面積的增加造成了西南地區植被NPP總量的降低。對兩個時期土地利用變化下NPP總量的變化情況的研究結果顯示,在2001—2011年和2012—2018年兩個時間段當土地利用類型向林地、耕地轉變時NPP總量增加,2001—2011年期間土地利用方式向城市用地轉變時NPP總量下降,2012—2018年土地利用方式向未利用地轉變時NPP總量下降。

(4)西南地區植被NPP增長與研究區內生態工程實施顯著正相關。“退耕還林”工程實施后西南地區綠化面積顯著增長,2001—2018年西南地區累計造林面積372800 km2,在石漠化治理工程的影響下2005—2016年西南地區石漠化面積減少28900 km2。累計造林面積與NPP存在顯著正相關性(R=0.7,P<0.05)。不同時期石漠化面積統計結果顯示,2011年后石漠化面積減少率明顯快于2011年前,而這一結果與本研究NPP的突變分析結果一致,說明石漠化治理對西南地區NPP變化有重要作用。