2001—2020年中國植被凈初級生產(chǎn)力時空變化及其驅(qū)動機(jī)制分析

石智宇，王雅婷，趙清，張連蓬，朱長明

江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，江蘇 徐州 221116

植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指地球表面綠色植物在單位時間和單位空間上通過光合作用所累積的有機(jī)物數(shù)量扣除自養(yǎng)呼吸的剩余部分（Lieth et al.，1975），這部分能量是其自身用于生長和繁殖的能量，也是生態(tài)系統(tǒng)中其他成員生存和繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)。植被NPP不僅代表植被生產(chǎn)能力的大小，也是衡量陸地碳循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，在調(diào)節(jié)全球碳平衡起著重要作用（Piao et al.，2003；Liu et al.，2015；陳峰等，2018）。

近年來，眾多學(xué)者從不同的空間與時間尺度探討了中國不同區(qū)域植被NPP時空變化格局、演變規(guī)律及驅(qū)動因素等內(nèi)容，研究主要集中在生態(tài)脆弱的地區(qū)，如青藏高原（陳舒婷等，2020）、黃土高原（楊丹等，2022）、北方農(nóng)牧交錯帶（薛曉玉等，2021）等地區(qū)，但針對中國整體植被 NPP的研究相對較少。部分學(xué)者對不同時期中國陸地植被NPP進(jìn)行了反演計算與變化特征分析，李登科等（2018）基于MOD17A3 NPP數(shù)據(jù)對中國 2000—2015年陸地植被NPP時空格局與變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)全國陸地植被平均 NPP 為 273.5 g·m-2·a-1，NPP 年總量在 2.406—2.811 Pg·a-1之間波動，平均值為 2.635 Pg·a-1，NPP分布呈現(xiàn)西北低東南高、北方低南方高的基本格局，全國大部分區(qū)域植被NPP水平較低，且變化趨勢不明顯；孫金珂等（2020）利用Thornthwaite Memorial（TW）模型和周廣勝—張新時（ZGS）模型計算了全國NPP，發(fā)現(xiàn)中國植被NPP在空間分布上呈“南高北低”的狀態(tài)，由東南向西北呈逐漸遞減趨勢，2000—2015年間全國植被潛在生產(chǎn)力和實(shí)際生產(chǎn)力均呈緩慢下降趨勢；蘇勝濤等（2022）基于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）數(shù)據(jù)對傳統(tǒng)CASA模型進(jìn)行優(yōu)化，對2000—2019年中國陸地植被NPP進(jìn)行監(jiān)測與分析，結(jié)果表明近20年中國陸地植被 NPP變化范圍為 2.703—2.882 Pg·a-1，在空間上呈西北低東南高的格局，在時間上呈現(xiàn)波動中緩慢增加的趨勢。總體而言，不同數(shù)據(jù)和模型計算得到的中國植被NPP差異較大，且多數(shù)研究僅針對于中國植被NPP時空演變特征，缺少對中國植被 NPP未來發(fā)展趨勢以及不同區(qū)域植被NPP變化的主導(dǎo)因素的研究和探討。

植被 NPP變化受氣候變化與人類活動耦合作用，不同區(qū)域植被NPP變化驅(qū)動因子存在明顯差異（韓王亞等，2018；姬盼盼等，2019；田義超等，2019），在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，定量分析氣候變化和人類活動對中國不同區(qū)域植被 NPP變化的相對作用，對了解中國植被變化驅(qū)動機(jī)制、增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯能力以及提升生態(tài)環(huán)境治理水平等方面具有重要意義。目前殘差分析法是定量評估氣候變化和人類活動對植被 NPP變化相對貢獻(xiàn)的主要方法之一（高旭旭等，2022），其通過氣候生產(chǎn)潛力模型計算的潛在NPP變化特征與實(shí)際NPP變化特征相比較，定量分析氣候變化與人類活動對植被NPP的影響，因其計算簡單、生物學(xué)意義明確，成為定量評估氣候變化和人類活動對植被 NPP變化相對貢獻(xiàn)的主要方法（周妍妍等，2019；李登科等，2022）。

本研究基于2001—2020年MOD17A3HGF NPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品，采用趨勢分析、Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)、R/S分析以及偏相關(guān)分析等方法，分析了20年來中國NPP時空演變趨勢、未來變化趨勢以及NPP與氣候因子的相關(guān)關(guān)系，并基于殘差分析法定量區(qū)分了NPP變化過程中氣候變化和人類活動的相對作用。研究結(jié)果可以為完善中國生態(tài)環(huán)境評價與保護(hù)體系、合理開發(fā)利用自然資源提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用的植被 NPP數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA）EOS/MODIS的 2001—2020年MOD17A3HGF 6.0版本的全球NPP數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)下載地址為：https://lpdaac.usgs.gov/，時間分辨率為1 a，空間分辨率為500 m，數(shù)據(jù)格式為HDF，使用MODIS重投影工具（MODIS Reprojection Tool，MRT）批量對NPP原始影像進(jìn)行拼接、格式轉(zhuǎn)換和重投影，將下載的影像批量拼接，統(tǒng)一坐標(biāo)后，裁剪生成2001—2020年中國植被NPP數(shù)據(jù)，對各年份NPP數(shù)據(jù)乘以轉(zhuǎn)換因子并剔除無效值，無效值部分在本研究中不參與數(shù)值的分析與計算。MOD17A3HGF 6.0版本數(shù)據(jù)是 MOD17A3的改進(jìn)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)基于BIOME-BGC模型及光能利用率模型，并采用新型生物屬性調(diào)查表（BPLUT）和新版的全球模型與融合室（GMAO）的日氣象數(shù)據(jù)對NPP數(shù)值進(jìn)行模擬，進(jìn)一步提高了 NPP的估算精度，該數(shù)據(jù)集已經(jīng)在全球不同地區(qū)研究中得到驗(yàn)證與應(yīng)用（Ge et al.，2021；Venter et al.，2021；Wang et al.，2021；劉文瑞等，2022）。

溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn），采用 2000—2020年中國區(qū)域1 km分辨率逐月近地表平均氣溫與降水量數(shù)據(jù)集，時間序列為2001—2020年，通過計算月平均氣溫和月平均降水量數(shù)據(jù)的平均值得到年平均溫度和年平均降水量數(shù)據(jù)。為保證植被NPP與氣象因子相關(guān)性分析在同樣的分辨率下進(jìn)行，同時考慮到運(yùn)算數(shù)據(jù)量，對植被NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理，使其空間分辨率與氣象數(shù)據(jù)相同。

中國植被類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），空間分辨率為1 km。為便于充分了解我國不同植被類型NPP變化趨勢，參考耿慶玲等（2022）的方法，按照植被類型的一級分類，將植被分為森林、灌叢、荒漠植被、草原、沼澤、農(nóng)作物等6種類型，如圖1所示。

圖1 中國不同植被類型的空間分布Figure 1 Spatial distribution of different vegetation types in China

1.2 方法

1.2.1 趨勢分析與顯著性檢驗(yàn)

本研究采用Theil-Sen Median趨勢分析方法計算植被NPP的逐年趨勢變化，并通過Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗(yàn)法對中國植被 NPP變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（Jiang et al.，2015）。Sen趨勢計算公式為：

式中：

K——斜率；

xj和xi——第i年和第j年NPP的年均值。當(dāng)K＜0時，表示 NPP在研究時段內(nèi)呈下降趨勢，當(dāng)K＞0時，表示NPP在研究時段內(nèi)呈上升趨勢。

Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，通常用于對長時間序列變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，目前已被廣泛應(yīng)用于氣象、水文、植被等研究中（Fensholt et al.，2012；解晗等，2022）。其計算方法如下：

假定 x1、x2、…、xn為時間序列變量，檢驗(yàn)的統(tǒng)計量S計算公式為：

檢驗(yàn)統(tǒng)計量Z的計算公式為：

式中：

S——正態(tài)分布；

Var(S)——方差。對于給定的顯著水平（P＜0.05，P＜0.01），如果當(dāng)|Z|＞1.96 和 2.58 時，表示變化趨勢通過了0.05與0.01置信水平的顯著性檢驗(yàn)。

1.2.2 未來變化趨勢分析

Hurst指數(shù)是預(yù)測時間序列數(shù)據(jù)相對于過去未來發(fā)展趨勢的一個重要指數(shù)，目前被廣泛應(yīng)用于植被、氣象等領(lǐng)域（史雯雨等，2021），具體計算公式為：

設(shè)有時間序列{V(t)}（t=1, 2, …），將其分為等長度子區(qū)間，定義均值序列：

等長度子區(qū)間可變，不同分段對應(yīng)不同情況，由上式可建立如下關(guān)系：

式中：

H——Hurst指數(shù)，取值范圍為（0, 1）。當(dāng)0＜H＜0.5時，表明植被NPP未來趨勢與過去變化相反，具有反持續(xù)性；當(dāng)H=0.5時，表明過去變化對未來趨勢不造成影響；當(dāng)0.5＜H＜1時，表明植被NPP未來趨勢與過去變化相同，具有持續(xù)性。

1.2.3 偏相關(guān)分析

對2001—2020年中國植被NPP與氣候因子（氣溫和降水）進(jìn)行逐像元偏相關(guān)分析，采用0.05的置信水平完成T檢驗(yàn)。計算公式為：

式中：

rxy,z——將z影響剔除后x與y之間的偏相關(guān)系數(shù)；

rxy、rxz、ryz——兩因子間相關(guān)系數(shù)。

對植被NPP與降水、氣溫的偏相關(guān)系數(shù)分別進(jìn)行T顯著性檢驗(yàn)，T檢驗(yàn)計算公式為：

式中：

n——樣本數(shù);

m——自變量個數(shù)。

1.2.4 潛在NPP的估算

本文中潛在 NPP的估算利用 Lieth提出的Miami模型（Lieth，1972）。Miami模型是從植物的生理生態(tài)角度出發(fā)，指出對植物生長及其生物量形成的主要影響因子是溫度和水分，并通過該地區(qū)的年降雨量和年平均氣溫資料來計算植物的氣候生產(chǎn)潛力，因此便于定量分析氣候變化對植被的影響（周刊社等，2021）。計算公式為：

式中：

VNPP-θ——利用年平均氣溫θ（℃）計算得到的潛在植被凈初級生產(chǎn)力（g·m-2·a-1）；

VNPP-R——利用年降水量R（mm）計算得到的潛在植被凈初級生產(chǎn)力（g·m-2·a-1）。根據(jù) Liebig 最小因子定律，選取二者的最小值作為潛在植被凈初級生產(chǎn)力 VNPP-P（g·m-2·a-1）。

1.2.5 植被NPP殘差分析

本研究通過計算3種植被NPP變化指標(biāo)：（1）基于 MOD17A3HGF 數(shù)據(jù)的實(shí)際 NPP（VNPP-A）；（2）基于Miami模型的潛在NPP（VNPP-P），其代表在僅受到氣候變化影響下植被NPP的預(yù)測值；（3）人類活動導(dǎo)致的NPP變化（VNPP-H），由潛在NPP與實(shí)際NPP的差值（VNPP-H=VNPP-P-VNPP-A）計算得來。通過Theil-Sen Median趨勢分析分別計算VNPP-P、VNPP-H和VNPP-A的斜率KP、KH和KA，以此來評價氣候變化和人類活動對植被 NPP的影響和表示植被的恢復(fù)或退化狀態(tài)。當(dāng)KA＞0，表示實(shí)際NPP處于增加狀態(tài)，KA＜0，表示實(shí)際NPP處于減少狀態(tài)；當(dāng)KP＞0時，表明氣候變化導(dǎo)致植被NPP增加，而當(dāng) KP＜0時，表明氣候變化導(dǎo)致被 NPP減少；當(dāng)KH＞0時，表明人類活動導(dǎo)致植被NPP減少，而當(dāng)KH＜0時，表明人類活動導(dǎo)致植被NPP增加。參考李詩瑤等（2022）的NPP變化相對貢獻(xiàn)的情景設(shè)定方案，定義以下6種具體情景（表1）。

表1 氣候變化與人類活動在植被凈初級生產(chǎn)力變化中相對作用的評價方法Table 1 Evaluation method of the relative role of climate change and human activities in the change of NPP

2 結(jié)果與分析

2.1 中國植被NPP時空演變特征

2.1.1 2001—2020年中國植被NPP年際變化

2001—2020年中國植被NPP年際變化見圖2。20 a間中國陸地平均植被 NPP總體上呈波動增加趨勢，變化速率為 2.86 g·m-2·a-1，最大植被 NPP均值出現(xiàn)在 2020 年，達(dá)到 455.79 g·m-2·a-1，而最小值出現(xiàn)在 2001 年，為 386.24 g·m-2·a-1，波動幅度達(dá)到69.55 g·m-2·a-1。整體來看，中國陸地植被 NPP 保持了較大幅度的持續(xù)增長，其中在 2001—2003年與2010—2013年兩個時間段內(nèi)出現(xiàn)了較大幅度的連續(xù)增長，這可能與 2000年實(shí)施的一系列退耕還林與天然林保護(hù)工程以及 2009年前后的大規(guī)模植樹造林工程有一定聯(lián)系，使得森林面積擴(kuò)大，森林碳匯增加（樊奇，2021）。2003—2005年與2009—2010年間中國植被NPP出現(xiàn)了回落，可能與中國南方等地出現(xiàn)的氣象干旱有關(guān)（趙志平等，2015）。此外，分別統(tǒng)計2001—2020年中國陸地不同級別NPP面積占比，可以看出，20年來中國NPP低值區(qū)面積呈現(xiàn)波動減少趨勢，高值區(qū)呈波動增加趨勢，這與全國年均NPP變化情況相符。

圖2 2001—2020年中國平均植被NPP與各級NPP面積占比年際變化Figure 2 Interannual variation of average NPP and percentage of each class of NPP in China from 2001 to 2020

分別統(tǒng)計并計算 2001—2020年中國不同植被類型NPP均值及其年際變化（圖3）。由圖3可以看出，中國各植被類型NPP均呈現(xiàn)增加趨勢，其中作物植被增加速率最快，達(dá)到了4.11 g·m-2·a-1，其次為沼澤植被，而荒漠植被增速最慢，為 1.71 g·m-2·a-1，NPP 增速依次為：農(nóng)作物＞沼澤＞森林＞灌叢＞草原＞荒漠植被。中國各植被類型中，森林多年平均NPP值最高，均在605 g·m-2·a-1以上，其次是灌叢、農(nóng)作物和沼澤，其 NPP均值介于 351.32—623.69 g·m-2·a-1之間，最低為草原和荒漠植被類型，其 NPP 均值介于 79.93—269.46 g·m-2·a-1之間。此外，在6種植被類型中，沼澤植被NPP生長波動幅度最大，表明中國濕地沼澤在過去 20年中出現(xiàn)了較大面積的減少或增加，而草地 NPP生長波動最小，表明中國草地在過去 20年間整體保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢，沒有出現(xiàn)大面積退化或增長。

圖3 2001—2020年中國不同植被類型平均NPP年際變化Figure 3 Interannual variation of average NPP of different vegetation types in China from 2001 to 2020

2.1.2 2001—2020年中國植被 NPP空間分布與變化特征

中國植被 NPP的分布呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸減少的分布格局（圖4），其主要原因是中國西部地區(qū)氣候干旱，植被覆蓋度低，而東部地區(qū)氣候濕潤，水熱條件好，能更好地滿足植物的生長。中國植被NPP空間分異較大，平均植被NPP小于200 g·m-2·a-1的低值區(qū)占總面積的24.99%，主要集中在青藏高原、天山山脈及阿爾泰山區(qū)、黃土高原、內(nèi)蒙古高原中部及東北平原部分地區(qū)，以上地區(qū)水熱條件較差，植被生長情況較差，其中西部荒漠地區(qū)幾乎無植被覆蓋，這一區(qū)域包括新疆大部分地區(qū)、西藏西部、青海西北部、甘肅北部、內(nèi)蒙古西部等地；植被 NPP 介于 200—600 g·m-2·a-1之間的地區(qū)占總面積的49.32%，主要分布在華北平原、東北平原、黃土高原、四川盆地、青藏高原東部邊緣及伊犁河谷地區(qū)；植被平均NPP大于600 g·m-2·a-1的高值區(qū)占總面積的25.69%，主要分布在中國東南、西南及東北部分地區(qū)，其中西藏東南部、云南、貴州南部、廣西省西部、廣東省大部分地區(qū)、福建省南部、海南省及臺灣省大部分地區(qū)植被NPP在1000 g·m-2·a-1以上，表明以上地區(qū)水熱條件優(yōu)越，生態(tài)環(huán)境良好，植被生長旺盛。

圖4 2001—2020年中國平均植被NPP的分布特征Figure 4 Distribution features of average NPP in China from 2001 to 2020

采用Theil-Sen Median趨勢分析方法，對中國過去20年間植被NPP進(jìn)行趨勢分析。由圖5a可知，從空間分布上看，中國植被NPP增加的區(qū)域明顯大于NPP減少的區(qū)域，NPP呈增加趨勢（K＞0）的區(qū)域約占總面積的84.16%，NPP呈減少趨勢（K＜0）的區(qū)域約占總面積的15.84%。結(jié)合Mann-Kendall顯著性檢驗(yàn)，將趨勢分析的結(jié)果與MK檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行疊加，最后得到NPP增加與減少的空間分布情況，參考李登科等（2018）對中國植被NPP變化趨勢的劃分方法，將NPP變化趨勢劃分為極顯著減少、顯著減少、無明顯變化、顯著增加、極顯著增加5種類別（圖5b，表2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植被NPP極顯著增加和顯著增加的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的33.50%和15.54%，主要分布在中國中部及東北部，尤其在氣候條件較為干旱、生態(tài)環(huán)境較為脆弱的黃土高原、內(nèi)蒙古高原、大興安嶺等地較為集中，這表明在過去20年中，中國有大面積的生態(tài)脆弱區(qū)植被出現(xiàn)恢復(fù)，這可能與黃土高原水土保持和退耕還林工程、三北防護(hù)林建設(shè)以及阿拉善荒漠治理等有關(guān)；植被NPP基本不變的區(qū)域占研究總面積的47.17%，表明中國大部分地區(qū)過去20年間生態(tài)環(huán)境較穩(wěn)定，植被NPP保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯改善或退化；植被NPP極顯著減少和顯著減少的區(qū)域整體占比較小，分別約占研究區(qū)總面積的2.64%和 1.15%，主要分布在中國西南及東南沿海地區(qū)，這些地區(qū)自然條件較為優(yōu)越，植被NPP均值較高，但近20年來人類活動的持續(xù)增加，如城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張以及人口增長和過度放牧等，同時疊加氣候變化的影響（劉歡等，2018；柴立夫等，2021；茆楊等，2022；閆妍等，2022），使得這些地區(qū)植被出現(xiàn)退化。

圖5 2001—2020年中國植被NPP變化趨勢及顯著性檢驗(yàn)Figure 5 Change trend and significance test of NPP in China from 2001 to 2020

表2 2001—2020年中國NPP變化趨勢統(tǒng)計Table 2 Statistics of NPP change trend in China from 2001 to 2020

2.1.3 中國植被NPP未來變化趨勢特征

中國植被NPP的Hurst指數(shù)介于0.07—1之間，Hurst指數(shù)空間分布差異較大（圖6a）。植被NPP具有持續(xù)性變化的區(qū)域（Hurst＞0.5）占研究區(qū)總面積的 25.15%，植被 NPP呈反持續(xù)性變化的區(qū)域（Hurst＜0.5）占研究區(qū)總面積的74.85%，說明中國未來植被 NPP變化主要表現(xiàn)為反持續(xù)特征。Hurst高值區(qū)主要集中在內(nèi)蒙古中東部，遼寧北部、黃河三角洲、河南、陜西中部等地，說明這些地區(qū)植被NPP變化具有同向特征，即未來變化趨勢與過去變化趨勢一致，而Hurst指數(shù)低值區(qū)主要分布在黑龍江北部、內(nèi)蒙古東北部、新疆北部、青藏高原地區(qū)、四川、云南等地，說明這些地區(qū)植被NPP變化具有反向特征，即未來變化趨勢與過去變化趨勢相反。

圖6 中國植被NPP Hurst指數(shù)及其未來變化趨勢Figure 6 NPP Hurst index of vegetation in China and its future change trend

為進(jìn)一步分析中國植被 NPP的未來變化趨勢持續(xù)性，將變化趨勢與Hurst指數(shù)進(jìn)行疊加分析（圖6b），由表3可以看出，中國未來呈持續(xù)增加趨勢的面積占總面積的 21.03%，主要分布在內(nèi)蒙古中東部、黃河三角洲地區(qū)、河南、山東西南部、湖北東北部、陜西中部、甘肅中部以及云貴高原東北部等地，以上地區(qū)原本生態(tài)環(huán)境較為惡劣，近年來長期實(shí)行荒漠治理以及退耕還林等工程，已取得明顯效果。植被 NPP由減少轉(zhuǎn)為增加的面積占總面積的63.35%，表明中國大多數(shù)地區(qū)植被NPP在未來將增加，這可能是由于中國整體生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善以及氣候變化等因素有關(guān)。植被NPP持續(xù)減少地區(qū)面積占總面積的4.15%，主要集中在遼寧中部，在長江三角洲、江西、福建東南部、云南以及西藏東南部等地也有零散分布。植被NPP由增加轉(zhuǎn)為減少地區(qū)占總面積的11.47%，主要分布在西藏東南部、云南南部、貴州東南部、廣西北部、廣東北部、江西南部、東南沿海地區(qū)以及東北部分地區(qū)，以上地區(qū)植被 NPP未來發(fā)生退化可能主要因?yàn)榻?jīng)濟(jì)持續(xù)的發(fā)展和人類活動的增加，同時沒有實(shí)施相應(yīng)生態(tài)保護(hù)措施等原因。

表3 中國植被NPP未來變化趨勢統(tǒng)計Table 3 Statistics of future change trend of NPP in China

2.2 中國植被NPP變化驅(qū)動機(jī)制分析

2.2.1 中國植被NPP與氣溫、降水的相關(guān)性分析

氣候變化是植被NPP變化的重要驅(qū)動因素，本研究選取降水、氣溫 2種氣候因子，逐像元計算2001—2020年中國植被NPP與年均降水、年均氣溫之間的偏相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。如圖7所示，植被 NPP與年降水量的偏相關(guān)系數(shù)為-0.86—1.0，植被 NPP與降水呈正相關(guān)的區(qū)域占總面積的71.29%，表明中國絕大部分地區(qū)植被NPP與降水呈正相關(guān)，其中呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）與顯著正相關(guān)（P＜0.05）的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的15.37%和12.63%，主要分布在長江以北地區(qū)，包括東北平原、內(nèi)蒙古高原、大興安嶺、華北平原、江漢平原以及四川盆地等地區(qū)，以上地區(qū)多為季風(fēng)氣候區(qū)，降水年內(nèi)與年際變化十分劇烈，且植被多為農(nóng)作物與草原，植被受季節(jié)性降水影響明顯。植被NPP與降水負(fù)相關(guān)占總面積的28.71%，其中呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）與顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的0.86%和2.03%，主要分布于東南沿海與西南地區(qū)，主要包括臺灣、福建、江西南部、廣東、川西高原以及青藏高原中東部等地，東南沿海地區(qū)由于受西進(jìn)太平洋暖濕氣流的影響，降水導(dǎo)致區(qū)域植被接受日照時數(shù)減少，太陽輻射減少，影響植被的光合作用，同時過量的降水也會對植物的生長起到限制作用（Piao et al.，2003；程春曉等，2014），此外，西南地區(qū)地勢起伏大，海拔較高，受北上印度洋暖濕氣流及西進(jìn)太平洋暖濕氣流的交錯影響產(chǎn)生的低溫、陰雨天氣減少了植被接受的日照時數(shù)，同時加劇了該區(qū)域的水土流失、滑坡以及泥石流等自然災(zāi)害，不利于植被光合作用，阻礙了植被NPP的積累（劉鳳等，2019；楊瀟等，2019）。

圖7 植被NPP與降水和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)及其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Figure 7 Partial correlation coefficient and significance test results of NPP with precipitation and temperature

植被NPP與年平均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)為-1.0—0.92，呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在華北、華南與青藏高原地區(qū)，占總面積的67.17%，而負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在東北、西北、黃土高原、云貴高原以及長江中下游平原等地，占總面積的32.83%，表明中國大部分地區(qū)植被NPP與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。通過顯著性檢驗(yàn)可知，植被NPP與氣溫呈極顯著正相關(guān)與顯著正相關(guān)的地區(qū)分別占總面積的3.23%和6.47%，主要集中在青藏高原東北部、云貴高原東南部、東南沿海地區(qū)以及山東南部等地，以上地區(qū)降水充沛或土壤水分補(bǔ)給充足，而隨著溫度的升高，植被的光合作用迅速增強(qiáng)，加上部分地區(qū)較大的氣溫日較差，有利于植物干物質(zhì)量的累積，進(jìn)一步提高了植被NPP。呈極顯著負(fù)相關(guān)與顯著負(fù)相關(guān)的地區(qū)分別僅占研究總面積的0.23%和0.90%，僅零散分布于東北平原、長江中下游平原、青藏高原南部以及云貴高原等地，絕大部分地區(qū)植被NPP與氣溫呈不顯著正相關(guān)或不顯著負(fù)相關(guān)。總體上，植被NPP與降水、氣溫整體均呈正相關(guān)，其中降水對植被NPP影響更為顯著，而中國不同地區(qū)植被NPP對降水與氣溫的響應(yīng)存在較大差異。

2.2.2 氣候變化和人類活動對植被 NPP變化的驅(qū)動分析

利用Theil-Sen Median趨勢分析分別計算VNPP-P和VNPP-H的變化趨勢KP和KH（圖8），通過VNPP-P和 VNPP-H的變化趨勢分析氣候變化和人類活動對NPP變化的影響。由圖8可知，在僅受到氣溫、降水影響下，中國潛在植被NPP整體分布依然延續(xù)由南向北、由東向西逐漸減少的趨勢，且NPP高值區(qū)面積大幅增加，一直延伸至秦嶺—淮河一線。KP表現(xiàn)出減少（KP＜0）的地區(qū)占總面積的29.19%，主要集中在山東半島、淮河流域、云南、西藏東南部、新疆東南部及北部等地，KP表現(xiàn)出增加（KP＞0）的地區(qū)占總面積的70.81%，其中內(nèi)蒙古高原東部、長江中下游平原、四川東部以及貴州等地氣候變化的影響最為明顯。通過計算潛在NPP與實(shí)際NPP的殘差（VNPP-H），發(fā)現(xiàn)VNPP-H整體分布趨勢與VNPP-P較為相似，但高值區(qū)分布向北移動，主要集中在長江中下游流域與四川盆地附近。KH表現(xiàn)出減少（KH＜0）的地區(qū)占總面積的54.52%，其中以黃土高原、淮河流域、山東半島以及云南、廣西等地最為集中。KH表現(xiàn)為增加趨勢（KH＞0）的面積占研究區(qū)總面積的45.48%，主要分布在東北、長江中下游平原以及貴州等地。

圖8 2001—2020年氣候變化和人類活動驅(qū)動下中國植被NPP的空間分布及變化趨勢Figure 8 Spatial distribution and change trend of NPP driven by climate change and human activities in China from 2001 to 2020

基于殘差分析將氣候變化和人類活動對植被NPP的影響進(jìn)行定量的區(qū)分和評估，分別計算氣候變化和人類活動對中國植被 NPP改善區(qū)的相對貢獻(xiàn)率，結(jié)果如圖9所示。統(tǒng)計結(jié)果顯示，在中國植被改善區(qū)中由氣候變化主導(dǎo)（相對貢獻(xiàn)率＞50%）的地區(qū)面積占比為47.59%，主要分布在東北平原、內(nèi)蒙古高原、長江中下游平原、云貴高原東部以及四川盆地等地，由人類活動主導(dǎo)（相對貢獻(xiàn)率＞50%）的地區(qū)面積占比為52.41%，主要集中在大興安嶺北部、黃土高原北部、山東、黃淮平原、江漢平原、云貴高原西部、青藏高原北部以及新疆西北部等地。在中國植被退化區(qū)中由氣候變化主導(dǎo)（相對貢獻(xiàn)率＞50%）的地區(qū)面積占比為 32.93%，主要集中在遼東半島、云南中南部、西藏南部以及新疆西北部等地，由人類活動主導(dǎo)（相對貢獻(xiàn)率＞50%）的地區(qū)面積占比為67.07%，表明中國大部分植被退化主要由人類活動引起，主要分布在遼河流域、華東地區(qū)南部、華南地區(qū)、云南南部以及西藏東南部等地。總體上看，氣候變化和人類活動對中國植被NPP的增加均產(chǎn)生了重要作用，其中氣候變化導(dǎo)致NPP的增加主要集中在中國東北和長江流域，人類活動導(dǎo)致NPP的增加主要集中在東部平原與生態(tài)脆弱區(qū)，此外，氣候變化對NPP退化影響較小，而人類活動是中國植被NPP退化的主要因素。

圖9 氣候變化與人類活動對中國NPP變化相對貢獻(xiàn)率的空間分布Figure 9 Spatial distribution of the relative contribution proportions of climate change and human activities to NPP changes in China

3 討論

本研究利用 MOD17A3HGF數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析了2001—2020年全國植被NPP時空變化特征以及未來發(fā)展趨勢，同時定量分析了氣候變化與人類活動對植被改善與退化的相對影響，研究結(jié)果與前人研究結(jié)果基本一致（涂海洋等，2023），結(jié)果具有一定的參考價值，但研究仍然存在一些不足。

由于本文研究區(qū)面積大，植被分類復(fù)雜，且不同氣候條件與不同季節(jié)條件下不同植被類型 NPP有較大差異，因此未來針對中國植被NPP時空變化的研究應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)化，在進(jìn)一步細(xì)分植被類型的基礎(chǔ)上，在不同季節(jié)、更長時間尺度上探究中國植被NPP的變化趨勢。此外，本研究將溫度、降水作為關(guān)鍵氣候因子，基于殘差分析將氣候變化與人類活動對植被NPP的影響統(tǒng)一到可比的層面。由于研究區(qū)范圍較大，本文在分析NPP與氣候因子的關(guān)系時，僅考慮了降水與氣溫的影響，沒有進(jìn)一步將太陽輻射、蒸散發(fā)等因素加入氣候變化對植被NPP的影響中，同時沒有對人類活動主要驅(qū)動因素進(jìn)行具體分析，未來研究應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)化人類活動具體方式如城市擴(kuò)張、生態(tài)建設(shè)等對植被NPP的影響。此外，考慮到中國植被類型復(fù)雜多樣，未來研究應(yīng)針對氣候變化和人類活動對不同植被類型或不同生態(tài)系統(tǒng)的相對影響做進(jìn)一步區(qū)分。因此，未來針對中國植被 NPP驅(qū)動因素的研究需要在區(qū)分不同植被類型和生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加氣候因子選擇的合理性、細(xì)化人類活動的具體方式，以增強(qiáng)植被NPP影響因素研究的精確性和可靠性。

4 結(jié)論

本研究基于2001—2020年MODIS植被 NPP數(shù)據(jù)和同期氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析法、R/S分析及偏相關(guān)分析等方法分析了中國整體植被NPP時空變化、未來發(fā)展趨勢及其與氣候變化的相關(guān)關(guān)系，并使用殘差分析定量區(qū)分了氣候變化與人類活動在中國NPP演變過程中的相對作用，研究主要得出以下結(jié)論：

（1）2001—2020年中國植被NPP整體呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸減少的分布格局，平均NPP在總體上呈波動增加趨勢，變化速率為2.86 g·m-2·a-1。不同類型植被NPP均呈現(xiàn)增加趨勢，作物植被NPP增加速率最快，而沼澤植被 NPP生長波動幅度最大。NPP空間變化以基本不變?yōu)橹鳎蕵O顯著增加和顯著增加的區(qū)域分別占研究區(qū)總面積的 33.50%和15.54%，極顯著減少和顯著減少的區(qū)域分別約占研究區(qū)總面積的2.64%和1.15%。未來中國NPP呈持續(xù)增加趨勢的面積占總面積的21.03%，NPP由減少轉(zhuǎn)為增加的面積占總面積的63.35%，表明中國大多數(shù)地區(qū)植被NPP在未來將增加。

（2）中國植被NPP與降水、氣溫總體均呈正相關(guān)，其中降水對植被NPP影響更為顯著，相關(guān)性分布具有一定的空間異質(zhì)性。NPP與降水顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在長江以北地區(qū)，顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于東南沿海與西南地區(qū)。植被NPP與氣溫顯著正相關(guān)的區(qū)域主要集中在青藏高原中部和北部、云貴高原東南部、東南沿海地區(qū)以及山東南部等地，顯著負(fù)相關(guān)的地區(qū)僅占研究總面積的0.23%和0.90%，僅零散分布于東北平原、長江中下游平原、青藏高原南部以及云貴高原等地。

（3）氣候變化和人類活動對植被改善均產(chǎn)生了重要作用，但兩者對植被改善的影響在空間上表現(xiàn)出明顯差異性，由氣候變化主導(dǎo)的植被改善區(qū)主要集中在東北、華北、四川盆地及長江中下游平原等地區(qū)，人類活動主導(dǎo)植被改善區(qū)主要集中在華中、西南以及西北地區(qū)。氣候變化和人類活動對植被退化的影響在空間分布上較為一致，但氣候變化對植被退化影響較小，占植被退化區(qū)面積的32.93%，而人類活動是中國植被退化的主要因素，占植被退化區(qū)面積的67.07%，主要分布在遼河流域、華東地區(qū)南部、華南地區(qū)、云南南部以及西藏東南部等地。