粵北山地城市植被凈初級生產力時空分布特征分析
——以韶關市為例

陳 斌，徐尚昭*，周陽陽，徐鋒良，王晨光

(1.核工業二九〇研究所廣東省環境保護核輻射追蹤研究重點實驗室，廣東韶關 512029；2.廣東省放射性生態環境保護工程技術研究中心，廣東韶關 512029)

植被凈初級生產力(NPP)是指綠色植物在單位時間、單位面積上由光合作用所產生的有機物質總量中減去自養呼吸消耗之后剩下的部分[1-3]，它是植被固碳能力的最直觀反映，是生態系統物質和能量的來源，也是生物地球化學碳循環過程的重要組成部分[4-6]。NPP在不同時空尺度上存在一定差異，這種差異會影響區域乃至全球生態系統碳循環過程[7-8]，因此探討區域植被NPP時空變化特征已成為區域生態環境質量綜合評價中的重要研究內容。

隨著地理學遙感技術的快速發展，利用遙感衛星數據開展植被NPP估算及時空變化特征分析的研究并不少見。在NPP估算研究方法上，多以生產力潛力模型、生態系統過程模型和光能利用率模型3種為主[5，9-11]，如孫成明等[12-13]利用歸一化植被指數和氣候數據，對我國草地NPP進行了綜合估算；馮益明等[14]利用CASA生態系統過程模型對我國干旱區生態系統NPP進行了估算；史曉亮等[15]基于光能利用率模型對松嫩平原玉米單產進行了估算；周磊等[16]基于光能利用率模型對河南省冬小麥單產產量進行了估算。在研究尺度上，多集中以較大空間范圍和較短時間序列NPP時空變化分析為主[17-19]，且對植被NPP時空變化分析也多集中在2010年前后，如李燕麗等[20]利用光能利用率模型對廣西2000—2011年植被NPP進行估算，并對其時空變化特征進行了系統分析；潘竟虎等[21]利用光能利用率CASA模型對疏勒河流域2001—2010年陸地生態系統NPP時空變化特征與氣候因子之間的關系進行了探討。從研究對象上來看，現有研究多集中在黃土高原、青藏高原和內蒙古等地區[22-26]，對珠三角地區尤其是粵北山地城市植被NPP開展長時間序列和系統性研究尚較缺乏。

韶關市是我國典型的丹霞山地城市，位于粵湘贛交界處，也是粵北重要的生態文明建設試點區和保護區。韶關境內主要以山地丘陵為主，發育有世界規模第一的丹霞山，土壤主要以紅色砂礫巖為主，由于境內春夏雨季時間長，水土流失較為嚴重，生態環境相對脆弱?；谏鲜龇治觯撗芯炕贛OD17A3H產品數據和DEM地形數據，借助變化率分析方法及相關分析法對韶關市2000—2015年植被NPP時空變化特征及其與地形因子之間的關系進行深入探討，以期能為粵北地區生態環境質量綜合評價和資源可持續發展提供借鑒和參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況韶關市位于廣東省北部(112°50′～114°45′E、23°05′～25°31′N)，轄三區七縣(圖1)，外接湘贛，內聯珠三角，是我國南方重要的交通要塞，素有廣東省“北大門”之稱。轄區總面積1.84×104km2，地形以山地丘陵為主，位于南嶺山脈南側，全境在大地構造上處于華廈活化陸臺的湘粵褶皺帶。研究區屬于中亞熱帶季風氣候，雨熱同期，年平均氣溫19.5 ℃，無霜期達290～320 d，年降水量1 800 mm左右，降雨多集中在3—8月。韶關境內河網縱橫，分布有湞江、武江、南水、滃江等河流，韶關作為粵北重要的生態文明建設保護區，不僅是國家級園林城市和生態文明建設試點地區，也是粵北重要的生態文明建設保護區和生態發展區，更是全國交通樞紐城市之一。此外，由于韶關境內有著豐富的鈾、鉛、鋅、銅等礦產資源，故韶關市也享有“有色金屬之鄉”的美譽。

圖1 研究區高程Fig.1 Elevation of study area

1.2 數據來源研究區2000—2015年植被NPP時間序列數據來源于美國國家航天航空局(NASA)的陸地過程分布式數據檔案中心，其中NPP數據為MOD17A3H產品數據集，空間分辨率為500 m，時間分辨率為1年。該數據借助了新的生物調查表和全球模型融合氣象數據對NPP進行模擬，相比于傳統空間分辨率1 km的MOD17A3H產品分辨率更高。研究區DEM地形數據來源于地理空間數據云平臺(https：//www.gscloud.cn/)，空間分辨率30 m，利用GIS空間分析工具從DEM中提取地形起伏度和坡度等地形因子，以便與研究區長時間序列NPP數據進行空間疊加分析。

1.3 分析方法

1.3.1NPP時空變化分析。采用差值法比較研究區NPP的年際間變化。差值法是將同一區域不同時段的柵格圖像相減，用差值來表征NPP年際間變化特征，計算公式如下：

(1)

采用最小二乘法分析研究區NPP變化率，它能反映研究區連續時間段內NPP變化速率，計算公式如下：

(2)

式中，n為研究時段總年數；NPPi為第i年的NPP值(i=1，2，3，…，n)；v為NPP在時間序列上的變化斜率，當v>0，表明NPP年變化速率呈增大趨勢，數值越大，增加趨勢越明顯，當v<0時，表明NPP變化率呈下降趨勢，數值越小，減少趨勢越明顯。

韶關市近16年間NPP變化程度用百分比表示，計算公式如下：

(3)

1.3.2NPP與地形因子相關性分析。為進一步探討韶關市植被NPP與地形(高程和坡度)因子之間的耦合關系，參照研究區高程和坡度的劃分標準(表1)，計算各高程和坡度分級內植被NPP均值、總量和標準差。不同分級下的NPP平均值計算公式如下：

(4)

在此基礎上，通過上式可進一步計算得到各分級內植被NPP的標準差：

(5)

式中，i為高程或坡度的第i個分級；n為該分級的像元數目；ANPPij為第i個分級中第j個像元對應的多年平均NPP值。

2 結果與分析

2.1 韶關市植被NPP空間分布特征借助ArcGIS空間分析工具對2000—2015年韶關市MOD17A3H數據進行均值分析，得到近16年間研究區植被NPP均值空間分布圖(圖2)。從圖2可以看出，近16年間研究區植被NPP均值在空間上呈現出較大的差異性，這一特征在沿江地區尤為明顯，湞江為北江上游的主要支流，呈東北—西南流向，沿江兩岸年NPP均值明顯高于周邊地區，且NPP均值整體呈現東北、東南高，中部和西部偏低的態勢。其中NPP均值低值區多集中分布在韶關市中心城區，而高值區多集中分布在南雄市、乳源瑤族自治縣等多山縣(市、區)。這主要與研究區氣候、地形、降水和人為活動密切相關，高山高海拔地區，由于人類活動影響較小，氣候垂直地帶性差異明顯，降水較多，故NPP均值高值區多分布于此；而平原低海拔地區，由于人類活動開發強度大，植被豐度低，故NPP低值分布于此。總之，NPP均值在空間上的差異性是氣候、降水、地形以及人類活動綜合影響下的產物。

表1 地形因子區間劃分Table 1 Division of terrain factor intervals

圖2 2000—2015年韶關市植被NPP均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of NPP mean value of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

由研究區行政邊界矢量數據分區統計得到2000—2015年韶關市各縣(市、區)植被NPP均值(表2)，由表2可知，近16年間韶關市各縣(市、區)植被NPP均值均在500.00 g/(m2·a)以上，其中翁源縣、新豐縣和南雄市NPP均值較高，分別為658.71、637.20和633.09 g/(m2·a)，而乳源瑤族自治縣NPP均值最低，僅為507.47 g/(m2·a)，其次為湞江區和武江區，NPP均值分別為558.84、569.81 g/(m2·a)。這是由于翁源縣、南雄市等地山地較多，且呈集中連片分布，植被長勢較為茂盛，故NPP均值偏高，而湞江區和武江區位于韶關市中心城區，土地開放強度較大，植被受人類活動影響顯著，故年NPP均值低于其他片區。

表2 2000—2015年韶關市各縣(市、區)植被NPP年均值Table 2 Annual mean NPP of vegetation in counties(cities,districts) of Shaoguan City from 2000 to 2015 單位：g/(m2·a)

2.2 韶關市植被NPP年際變化特征為探究2000—2015年韶關市植被NPP變化特征，借助ArcGIS空間分析統計工具計算得到韶關市2000—2015年不同區間內NPP面積占比和NPP均值變化趨勢(圖3)，同時運用差值法對韶關市2000—2015年初始時段和結束時段NPP進行分析，得到研究區NPP差值變化圖(圖4)。由圖3不難看出，近16年韶關市植被NPP均值總體在>500～700 g/(m2·a)，且整體呈現先上升后下降，最后達到平穩后開始上升的態勢。其中2003和2015年NPP均值出現峰值，分別為667.35、698.88 g/(m2·a)，而低值出現在2008年，NPP均值為539.15 g/(m2·a)。年際NPP均值在面積占比上，>400～700 g/(m2·a)面積占比最高，除去2015年占比為45.99%，其他年份均在50.00%以上，其中各年NPP在>500～600 g/(m2·a)面積占比最高(30.72%)，波動范圍為16.71%～29.18%。年際NPP均值0～200 g/(m2·a)面積占比最低，僅在1.37%～1.92%，其次是>200～300和>300～400 g/(m2·a)，占比分別為0.91%～5.63%、3.28%～10.18%。由圖4可知，2000—2015年韶關市出現負增長的柵格像元占比為11.08%，主要分布在南雄市中部，乳源瑤族自治縣、武江區和湞江區周邊地區呈零星狀分布。而韶關市呈現正增長的柵格單元數量為65 205個，占整個區域柵格總數的88.92%，面積約為1.63×104km2，且主要分布在仁化縣東部、南雄市、湞江區北部、新豐縣東部，翁源縣中部等地區，其中差值在>100～200 g/(m2·a)的占比最高，為31.57%，其次為0～100、>200～300 g/(m2·a)，柵格單元占比分別為25.77%、18.84%，而差值變化在300 g/(m2·a)以上的占比相對較低，僅為12.74%?；谏鲜龇治隹芍?，2000—2015年韶關市植被NPP總體呈現增加態勢，這與韶關當地政府實行嚴格的林地保護政策密切相關。

圖3 2000—2015年韶關市植被NPP均值變化及面積占比Fig.3 Average change of vegetation NPP and proportion of area in Shaoguan from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年韶關市植被NPP差值空間分布Fig.4 Spatial distribution of NPP difference of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

利用最小二乘法計算得到2000—2015年韶關市植被NPP變化率(圖5)，從圖5可以看出，翁源縣、新豐縣變化率均在10%以上，分別為10.98%、10.39%；其次為始興縣、樂昌市和南雄市，NPP變化率分別為9.70%、5.41%和5.15%，這表明2000—2015年翁源縣、新豐縣和始興縣等地植被覆蓋狀況及長勢良好，而曲江區、湞江區及武江區3個中心城區NPP變化率均小于0，從側面表明這些地區植被生長受到地形、氣候和人類活動影響較大。

圖5 2000—2015年韶關市植被NPP變化率空間分布Fig.5 Spatial distribution of NPP change rate of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015

2.3 韶關市植被NPP變化的地形因子分析韶關市2000—2015年不同等級高程和坡度等地形因子對研究區植被NPP變化的影響存在明顯差異，借助ArcGIS對高程和坡度進行分級(圖6)，然后對分級結果進行分區統計分析，得到研究區不同高程和坡度等級下NPP變化特征分布圖(圖6～8)，同時統計各分級區間內NPP年均值、總和以及標準差(表3～4)。韶關市高程和坡度分級結果在空間上等級分布具有較高的耦合性，高海拔地區主要集中在樂昌市北部、南雄市西部以及乳源瑤族自治區，其中乳源瑤族自治區平均海拔最高，達609.49 m，其次為樂昌市和新豐縣，平均海拔分別為504.51、440.27 m；而南雄市中心東北—西南走向、仁化縣以及武江區、湞江區等中心城區海拔整體較低，其中湞江區平均海拔最低，僅為132.28 m，其次為武江區和曲江區。研究區各縣(市、區)平均坡度總體在3.50°左右，其中乳源瑤族自治區平均坡度最大，達3.85°，而湞江區平均坡度最小，僅為3.05°。

圖6 韶關市高程(a)和坡度(b)分級分布Fig.6 Grading distribution of elevation(a) and slope(b) in Shaoguan City

借助ArcGIS空間分析工具，分區統計得到韶關市近16年間植被年均NPP在不同高程和坡度等級的分布特征和面積占比分布(圖7、8)。由圖7可知，隨研究區高程增加，NPP均值呈現先上升后下降的趨勢，其中丘陵地區NPP均值最高，達669.29 g/(m2·a)，而高山地區NPP均值最低，僅為324.18 g/(m2·a)。在面積占比上，隨海拔升高，研究區NPP也呈現出先上升后下降的態勢，這是由于低海拔區域受到外界人類活動擾動較大，隨著高程增加植被NPP也隨之增加，當海拔增加到一定閾值范圍后，土壤以及水分等自然地帶性規律制約，導致植被NPP也隨之下降。其中丘陵地區NPP面積占比最高，達38.68%，而高山地區NPP面積占比最低，僅為0.07%。由圖8可知，近16年間NPP均值在不同坡度等級上也呈現出較大的差異性，整體呈現出先增加后減小的分布態勢，其中在斜坡達到最大值，為704.42 g/(m2·a)，在垂直坡地區降到最小值，為484.47 g/(m2·a)。

圖7 韶關市各級高程地區植被NPP均值及面積占比Fig.7 Average NPP of vegetation and its area proportion in different elevation areas of Shaoguan City

圖8 韶關市各級坡度地區植被NPP均值及面積占比Fig.8 Average NPP of vegetation and its area proportion in different slope areas of Shaoguan City

對韶關市各級高程和坡度區域NPP均值、總量和標準差進行分區統計(表3、4)可知，從總量上可以看出在高程200 m以下和200～500 m時NPP總量較高，分別為13 514.88、17 009.93 kg/(m2·a)，而在海拔1 000 m以上的中、高山地區，NPP總量相對較低，均在1 000 kg/(m2·a)以下，這是由于高山區域植被NPP均值和面積總體偏低。而平原地區(<200 m)的NPP總量低于丘陵地區(200～500 m)，這很大程度上是由于平原地區受人類活動開發強度較大，植被覆蓋度整體低于丘陵地帶，故NPP總量低于丘陵區域。由表4可知，NPP總量隨坡度升高呈現先增加后減少的態勢，其中在斜坡地帶(>5°～15°)達到最大值，為16 042.88 kg/(m2·a)，其次為陡坡(>15°～25°)和急坡(>25°～35°)區域，分別為12 361.82、6 421.99 kg/(m2·a)，而達到急坡之后，NPP總量呈現逐漸下降趨勢，在垂直坡地區(>50°)達到最小值，為57.65 kg/(m2·a)。這主要是由于平原地區植被受人類活動影響顯著，而隨著坡度上升達到一定范圍，尤其是急坡之后，水土流失加劇，故植被NPP總量低于其他坡度等級范圍。

表3 2000—2015年韶關市各級高程地區植被NPP及標準差統計量Table 3 Statistics of NPP and standard deviation of vegetation in different elevation areas of Shaoguan City from 2000 to 2015

表4 2000—2015年韶關市各級坡度地區植被NPP及標準差統計量Table 4 Statistics of NPP and standard deviation of vegetation in different slope areas of Shaoguan City from 2000 to 2015

3 結論與討論

(1)韶關市植被NPP整體呈現出東北—西南走向高、東南和西北向低的分布態勢，其中翁源縣植被NPP年均值最高，達658.71 g/(m2·a)，新豐縣和南雄市次之，分別為637.20、633.09 g/(m2·a)，而乳源瑤族自治縣NPP年均值最低，僅為507.47 g/(m2·a)。

(2)從韶關市全區范圍上看，2000—2015年植被NPP年均值在539.15～698.88 g/(m2·a)，年際NPP均值在面積占比上，>400～700 g/(m2·a)面積占比最高，除去2015年占比為45.99%，其他年份均在50.00%以上，其中各年NPP在>500～600 g/(m2·a)面積占比最高(30.72%)，NPP波動范圍為16.71%～29.18%，近16年間韶關市植被NPP整體呈現增加態勢。

(3)韶關市植被NPP均值受地形起伏變化影響較大，其中丘陵地區NPP均值最高，達669.29 g/(m2·a)，而高山地區NPP均值最低，僅為324.18 g/(m2·a)。在面積占比上，丘陵地區NPP面積占比最高，達38.68%，而高山地區NPP面積占比最低，僅為0.07%，表明植被NPP均值隨海拔和坡度增加而呈現出減小態勢。