2001—2020年襄陽市植被凈初級生產(chǎn)力時空格局

摘 "要：為研究漢江流域襄陽市植被在自然環(huán)境下的生產(chǎn)能力，以及植被生產(chǎn)能力和人類活動的相互關(guān)系，該文以2001—2020年植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用CASA模型、GIS空間分析及數(shù)理統(tǒng)計等方法研究近20年襄陽市植被NPP時空變化特征，并利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)，探討NPP對氣候和人類活動干擾的響應(yīng)機制。研究表明，2001—2020年植被NPP總體呈現(xiàn)微小波動上升趨勢，2005—2010年間和2013—2015年間植被NPP為上升趨勢，2002—2005年間和2015—2017年間植被NPP為下降趨勢；區(qū)域植被NPP增長區(qū)域位于谷城縣、襄城區(qū)和南漳縣，樊城區(qū)、襄州區(qū)和宜城市植被NPP整體減小，特別是漢江流域兩側(cè)植被NPP下降程度明顯；植被NPP值變化主要受自然條件和人類活動影響，植被NPP與年均降水量呈正相關(guān)性，也受高程和坡度因子影響，人類活動較少的區(qū)域植被NPP值上升較明顯。

關(guān)鍵詞：凈初級生產(chǎn)力；襄陽市；自然資源；時空格局；影響因子

中圖分類號：Q948 " " "文獻標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2023）01-0059-05

Abstract： In order to study the production capacity of vegetation in natural environment and the relationship between vegetation production capacity and human activities in Xiangyang City， Hanjiang River Basin， based on the data of vegetation net primary productivity （NPP） from 2001 to 2020， the temporal and spatial variation characteristics of vegetation NPP in Xiangyang City in recent 20 years were studied by means of CASA model， GIS spatial analysis and mathematical statistics， and Pearson correlation coefficient was used to explore the response mechanism of NPP to climate and human activities. The results show that the vegetation NPP shows a slight fluctuation upward trend from 2001 to 2020， an upward trend from 2005 to 2010 and from 2013 to 2015， and a downward trend from 2002 to 2005 and from 2015 to 2017. The regional vegetation NPP growth areas are located in Gucheng County， Xiangcheng District and Nanzhang County， and the vegetation NPP in Fancheng District， Xiangzhou District and Yicheng City decreases as a whole， especially on both sides of the Hanjiang River Basin. The change of vegetation NPP is mainly affected by natural conditions and human activities. There is a positive correlation between vegetation NPP and annual precipitation， and it is also affected by elevation and slope factors.

Keywords： net primary productivity; Xiangyang City; natural resources; spatio-temporal pattern; influencing factor

植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Production，NPP）是評估植被生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，有效反映植物群落在自然環(huán)境狀態(tài)下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況[1-2]，在一定程度上反映出森林、草原、耕地等自然資源演變衰退的時空過程。同時它是判定生態(tài)系統(tǒng)中碳源/匯和、碳平衡及調(diào)節(jié)生態(tài)過程的重要因子，在生態(tài)系統(tǒng)變化研究中起著非常重要的作用[3-6]。估算和監(jiān)測植被NPP時空變化，可以有效地監(jiān)測生態(tài)環(huán)境的變化[7-8]。

近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，以遙感數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，運用不同模型進行植被NPP估算的成果豐富。基于遙感數(shù)據(jù)的植被初級生產(chǎn)力測算已成為實時監(jiān)測、評估區(qū)域尺度植被生長狀況變化的重要手段。其中CASA模型（Carnegie Ames-Stanford Approach，簡稱CASA模型）應(yīng)用最為廣泛[9-11]。我國人多地少，資源相對缺乏，對NPP的研究就顯得更為迫切和重要。襄陽市長時間序列植被NPP時空分布研究較少，有待進一步深入。

本研究基于2001—2020年MODIS NPP數(shù)據(jù)，利用CASA模型、GIS空間分析及數(shù)理統(tǒng)計等方法研究近20年襄陽市植被NPP時空變化特征，并探討NPP對氣候和人類活動干擾的響應(yīng)機制，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估與自然資源管理決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

襄陽市是湖北省省域副中心城市，鄂西北生態(tài)中心城市。地處中國中部地區(qū)的腹地中心地帶，漢江流域中心城市、長江中游城市群重要成員。地理位置處于東經(jīng)110°45′～113°43′，北緯 31°14′～32°37′，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均雨量800～1 000 mm，年平均氣溫15～16 ℃，年均相對濕度76％。地形基本為西高東低，由西北向東南傾斜，位于中國地勢第二階梯向第三階梯過渡地帶，區(qū)域內(nèi)山地及丘陵占總面積88.7％（圖1）。區(qū)域林地面積8 452.5 km2，森林覆蓋率達40.02％。類型多樣的地質(zhì)地貌和生態(tài)環(huán)境，使其生物資源絢麗多姿，并呈現(xiàn)出南北兼?zhèn)涞孽r明特色。就植物資源而言，境內(nèi)植物區(qū)系成分多屬亞熱帶區(qū)系的科屬。其中木本植物多屬北亞熱帶落葉闊葉、常綠闊葉混交林地帶。全市森林總面積約1 300萬畝（1畝約等于667 m2），常見的樹種約64科236種，經(jīng)濟林木種類繁多。

1.2 數(shù)據(jù)源

植被NPP數(shù)據(jù)源為MODIS NPP產(chǎn)品，數(shù)據(jù)周期為2001—2020年，空間分辨率為250 m，時間分辨率為年;海拔、坡度數(shù)據(jù)源為美國SRTM地形產(chǎn)品;氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；土地利用數(shù)據(jù)來自地理Globaland。

1.3 研究方法

1.3.1 相關(guān)性分析

利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算研究年平均氣溫和年降水量對植被NPP變化的影響[12]。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算公式如下

Pearson=。

2個向量X、Y，計算出的皮爾遜相關(guān)系數(shù)含義做如下理解：

（1）當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0時，X和Y兩向量不相關(guān)。

（2）當(dāng)X的值增大（減小），Y值減小（增大），X和Y兩向量負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-1.0到0.0之間。

（3）當(dāng)X的值增大（減小），Y值增大（減小），X和Y兩向量正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.0到+1.0之間。

1.3.2 CASA模型計算

在CASA模型中估算的植被NPP值利用了朱文泉等的植被NPP估算模型[13]，該模型充分考慮了多種因素影響，能夠更加綜合地完善結(jié)構(gòu)算法，能夠更加真實地反映陸地植被NPP的分布狀況。

2 結(jié)果與討論

2.1 植被NPP時空動態(tài)

2.1.1 植被NPP時間變化特征

2001—2020年襄陽市植被NPP平均值為488.4 gC/m2，總體呈上升趨勢，年均增幅為9.86 gC/m2，表明區(qū)域固碳能力有所提高，其中最大值出現(xiàn)在2020年，最小值出現(xiàn)在2001年。區(qū)域NPP上升明顯階段為2005—2008年，年增幅為36.10 gC/m2；2002—2005年區(qū)域植被NPP下降趨勢較顯著，年均降幅為27.64 gC/m2（圖2）。

2.1.2 植被NPP空間變化特征

襄陽市植被NPP時空變化空間分布差異較大，增長明顯區(qū)域出現(xiàn)在谷城縣、襄城區(qū)和南漳縣；NPP值減小明顯區(qū)域出現(xiàn)在樊城區(qū)、襄州區(qū)和宜城市。從各市植被NPP呈上升趨勢所占的面積來看，南漳縣所占面積最多；從下降趨勢所占的面積來看，宜城市呈下降趨勢所占面積最多。整體表現(xiàn)為山地、耕地多的行政區(qū)NPP值上升比較明顯。

2.1.3 植被NPP海拔垂直空間分布特征

高程對植被NPP變化影響較顯著。襄陽市西部主要為山地地區(qū)，海拔較高，近20年植被NPP下降區(qū)域面積占比較大。襄陽市平均海拔較低，西高東低且分界比較明顯，西部為山區(qū)，保康縣全部、谷城縣大部和南漳縣中西部，海拔多在400 m以上，其中保康縣海拔最高。植被NPP變化趨勢隨海拔的升高而降低（除人類活動區(qū)外）。

2.1.4 植被NPP在人類活動影響下的分布特征

植被NPP值上升比較明顯的區(qū)域為人類活動較少的區(qū)域，主要分布在襄陽市中部和襄州區(qū)、宜城市、棗陽市的交界地帶。植被NPP值下降比較明顯的區(qū)域為漢江流域兩側(cè)人類活動聚集區(qū)和各城區(qū)。在人類聚集區(qū)和人類活動較少區(qū)的過渡地帶，植被NPP水平保持相對穩(wěn)定，整體變化較小。

2.2 影響因子分析

2.2.1 氣候因子

區(qū)域氣候條件的變化會影響植被生長。利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算得到年降水和植被NPP之間相關(guān)系數(shù)為0.47，年平均氣溫相關(guān)系數(shù)-0.03，由此可以分析出年降水和年平均氣溫之間、年降水和植被NPP之間相關(guān)性比較明顯，呈正相關(guān)性。2016—2018年襄陽市年均氣溫較高為16.6 ℃，年降水量豐富為900 mm，植被NPP值明顯較高。2011—2012年襄陽市年平均氣溫在16.1 ℃以下，同時年降水量在750 mm以下，植被NPP較低。2006年襄陽市年平均氣溫為16.8 ℃，年降水量731.6 mm，這一年的年平均氣溫比較高但降水量比較低，植被NPP較低。研究區(qū)內(nèi)氣溫變化和降水量對植被NPP有明顯的作用[14]，即植被NPP與氣溫變化和降水呈正相關(guān)，溫度和水分是植被NPP累積的主要制約因素，氣溫對植被NPP影響沒有水分對植被NPP的影響明顯（圖3）。

2.2.2 高程因子

隨著高程變化植被覆蓋度是不同的，通常海拔較低區(qū)域植被覆蓋度高于高海拔區(qū)域；高程不同植物生長性也是不同的，通常海拔較低區(qū)域植被生長性好于高海拔區(qū)域；高程的不同植被分布類型也有著明顯變化，海拔較低的區(qū)域比較適合闊葉植被生長，海拔較高的區(qū)域植被類型以灌木和矮小植被為主。隨海拔由低到高的增加，環(huán)境會發(fā)生變化，環(huán)境影響著植被分布發(fā)育、物質(zhì)代謝功能結(jié)構(gòu)等，同時也會影響到植被NPP的積累[15-16]（圖4）。

2.2.3 坡度因子

在既定的氣候條件下，坡度是控制植被格局、類型的重要因子。坡度對植被生長發(fā)育影響最大的是植被對水分的吸收，位于坡上方的植被相對于下方的植被吸收到的水分較少；坡度地會影響到水土流失從而引起土壤礦質(zhì)營養(yǎng)流失，影響植被生長發(fā)育狀態(tài)，土壤礦質(zhì)營養(yǎng)表現(xiàn)為稀薄到富集；因為坡度的影響，植被的整體受光也就不均勻，坡度越大影響越大。襄陽區(qū)域內(nèi)西側(cè)多為山地，坡度較大，植被NPP總體有所下降，襄陽區(qū)域內(nèi)中西側(cè)（除人類活動區(qū)）坡度比較平緩，植被NPP有所上升。總之植被NPP隨坡度變化呈現(xiàn)坡度較小時NPP較大，坡度較大時NPP較小（圖5）。

2.2.4 人類活動

人類活動對研究區(qū)域NPP影響存在明顯的空間分異性。人類的活動強度影響主要是通過土地利用性質(zhì)反映。漢江兩側(cè)平原區(qū)植被NPP受人類活動干擾程度較大。襄陽市經(jīng)濟發(fā)展速度快，城區(qū)人口密度高，城市的擴張中存在河道萎縮、水土流失現(xiàn)象，植被NPP下降趨勢明顯（圖6）。因土地不合理的開發(fā)利用，形成的裸土地會明顯降低區(qū)域內(nèi)植被NPP[17]。

3 結(jié)論

（1）基于MODIS NPP數(shù)據(jù)，獲得了襄陽市近2001—2020年植被NPP年均值時空分布格局。襄陽的NPP整體趨勢升高。2001—2020年NPP總體平均值有所提升，其中2005—2010年和2011—2015年階段屬于穩(wěn)步提升階段。

（2）NPP上升區(qū)域主要位于谷城縣南部、南漳縣北部、棗陽市西南部和宜城市東北部等地，樊城區(qū)西南部、襄州區(qū)中東部、棗陽市中部、老河口市東西部和宜城市中部NPP有所下降。

（3）人類的活動和氣候因素對植被NPP時空變化影響較大，降水對植被NPP的影響顯著。漢江兩側(cè)平原區(qū)植被NPP受人類活動干擾程度較大。

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