河南省植被總初級生產力時空變化格局研究

崔亞琰 鄭 輝

（河南大學地理與環境學院，河南 開封 475000）

1.引言

全球氣候變化與陸地生態系統響應是當前全球變化研究的重要內容,有關地表植被覆蓋與環境演變的關系是全球變化中最復雜、最具活力的研究內容。作為生態系統的重要組成部分，植被在保持水土流失、調節大氣、維持氣候及整個生態系統穩定等方面具有重要的作用。作為連接大氣、土壤和水分的自然“紐帶”，近年來，植被已逐漸成為全球氣候變化研究的敏感指標。植被總初級生產力（Gross primary productivity，GPP）是指單位時間內綠色植物通過光合作用途徑所固定的有機碳總量，表征了進入陸地生態系統的初始物質和能量。它是陸地表面固碳的主要驅動力，在全球碳循環中起著重要作用。科學研究地表植被GPP變化特征，對深入理解陸地生態系統與大氣之間的碳交換機理、評價陸地生態系統的環境質量以及預估未來氣候變化的生態效應等具有重大意義。

河南省位于我國的中原地帶，南北過渡性氣候明顯、地勢差異較大河，流眾多，故分布著豐富的植被類型。本文以河南省為研究區域，在2001-2018年GOSIF GPP數據的基礎上，采用趨勢分析、F檢驗等方法，研究河南省植被總初級生產力分異特征，以期為了解氣候變化背景下區域植被生長狀況和生物固碳能力、掌握區域生態環境質量、促進生態環境可持續發展提供科學基礎和參考依據。

2.材料與方法

2.1 研究區概況

河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區。地理坐標：31°23′-36°22′N，110°21′-116°39′E。東連山東、安徽，西鄰陜西，北與河北、山西相接，南臨湖北；全省總面積16.7萬平方公里。河南省地勢西高東低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環形分布；中、東部為黃淮海沖積平原；西南部為南陽盆地。河南省南北過渡型氣候具有明顯特征，南部屬亞熱帶季風氣候，中部為溫帶季風氣候。河流眾多，以黃河和淮河為主體的水系發達，徑流資源豐富。由于河南省地勢差異較大，流域分布豐富，故分布的植被種類豐富多樣。

2.2 數據來源

本文所用的GPP數據來自美國新罕布什爾大學地球系統研究中心（Earth Systems Research Center University of New Hampshire）發布的2001-2018年的全球GOSIF GPP數據產品（下載網址為：http://globalecology.unh.edu/data/GOSIF-GPP.html），空間分辨率為0.05°，數據格式為GeoTIFF，投影格式為WGS84投影，比例系數為0.1。該數據基于OCO-2的全球SIF產品(GOSIF)以及SIF(太陽誘導葉綠素熒光)和GPP之間的線性關系，以0.05的空間分辨率和8天的時間步長繪制了2001年至2018年期間的全球GPP地圖。該數據有助于研究光合作用、碳循環、農業生產和生態系統對氣候變化和干擾的反應，為生態系統管理提供信息，并為陸地生物圈和地球系統模型設定基準。本研究通過對該數據進行格式轉換、影像裁剪等處理，得到河南省2001-2018年GOSIF GPP年值數據集。

2.3 研究方法

2.3.1 趨勢分析

趨勢分析法是通過對一組隨時間變化的變量進行線性回歸分析，從而預測其變化趨勢的方法。根據趨勢分析法對研究區2001-2018 年GPP數據進行擬合，得到研究區在時間序列上GPP變化趨勢Slope。當Slope> 0 時說明處于增加趨勢，值越大說明增加的越明顯，當Slope< 0 時說明處于減少趨勢。

式中：Slope為像元植被GPP回歸方程的斜率；GPPi為第i年的年均植被 GPP值；n為研究總年數，本文n=18；i為研究時間段內年份的序號。

2.3.2 F檢驗

為進一步評價植被覆蓋變化狀況，采用F檢驗對GPP變化趨勢進行顯著性分析，用于表示趨勢變化置信水平的高低。

式中：n為研究總年數，本文n=18；i為研究時間段內年份的序號；U為誤差平方和；Q為回歸平方和；為擬合回歸值；為n年平均值；為第年的值。

3.結果分析

3.1 植被GPP空間分布特征

圖1顯示了2001-2018年河南省植被覆蓋區多年平均GPP的空間分布情況。由圖可知，河南省植被覆蓋分布不均，GPP總體上看，南部高北部底，由南向北遞減。GPP的最大值為65535 gC·m-2·yr-1，最小值為2832 gC·m-2·yr-1，整體的均值為12502.47 gC·m-2·yr-1。GPP 較大的區域主要位于豫西山地和河南省的南部，此外中東部的部分地區GPP值也相對較大。GPP較小的區域主要分布在河南省北部及中部地區，這些地區經濟發展較快，城市化水平較高，植被覆蓋度相對較低。

圖1 2001-2018年河南省年均GPP空間分布

3.2 植被GPP時間變化特征

區域內GPP總量的年際變化如圖2所示，18年來河南省GPP總體呈波動增長趨勢，年增長率為209.63 gC·m-2·yr-1，說明18年中河南省植被情況得到改善。最小值出現在2001年，為9954.70 gC·m-2·yr-1，與平均值相比降低2547.77 gC·m-2·yr-1；最大值出現在2017年，為14554.41 gC·m-2·yr-1，與平均值相比增加2051.94 gC·m-2·yr-1。

圖2 2001-2018年河南省GPP年際變化

3.3 植被GPP空間變化特征

為揭示研究期內河南省GPP的空間演變情況，采用Slope趨勢分析法計算2001-2018年河南省GPP的變化趨勢斜率，如圖3所示。由圖可知，全省GPP由北向南呈增加趨勢。其中，河南省南部、東部和西部部分地區是GPP增長集中區域，這些區域植被增加得益于國家退耕還林、荒山造林、封山育林等政策的實施；中部、北部、東南部以及西南部是GPP減少集中區，這些區域植被資源本底較差、人口密度大、經濟發展較快，城市化水平相對較高。根據F檢驗法得到GPP顯著變化情況，如圖4所示。由圖可以看出，不顯著增加零星分布于河南省北部和中部；不顯著減少分布于河南省北部、中西部、西南部和東南部的部分地區；顯著減少主要集中于河南省中部；全省大部分地區均為顯著增加。由顯著性檢驗的結果可知，不顯著增加和顯著增加分別占全省總面積的2.47%和86.60%；不顯著減少和顯著減少分別占全省總面積的9.63%和1.30%。

圖3 2001-2018年河南省植被GPP變化趨勢

圖4 2001-2018年河南省植被GPP變化趨勢顯著性檢驗

4.結論

本研究采用Slope趨勢分析法研究2001-2018年河南省植被GPP，并對結果進行顯著性檢驗。分析了河南省GPP時空變化特征，主要結論如下：

4.1 河南省植被覆蓋不均，GPP整體上呈現北低南高的空間分布特點。2001-2018年河南省GPP平均值介于2832～65535 gC·m-2·yr-1之間。空間差異性較為明顯，源于不同植被類型分布、不同地形特征、地理氣候特征差異較大。

4.2 2001 -2018 年河南省GPP總體呈波動增長趨勢，年增長率為209.63 gC·m-2·yr-1。

4.3 GPP不顯著增加區域和顯著增加區域分別占全省總面積的2.47%和86.60%，河南省南部、東部和西部部分地區是GPP增長集中區域；不顯著減少和顯著減少分別占全省總面積的9.63%和1.30%，主要位于河南省中部、北部、東南部以及西南部。