河南省植被NPP時(shí)空分異及其驅(qū)動(dòng)因子

職露, 胡濤, 鄒濱, 李浩生, 趙永強(qiáng)

(1.鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院,鄭州 450000; 2.信息工程大學(xué)數(shù)據(jù)與目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450000; 3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

植被是陸地生物圈的重要組成部分,在維護(hù)全球氣候穩(wěn)定中扮演著重要的角色[1]。單位時(shí)間、單位面積內(nèi),植被通過光合作用將無機(jī)物轉(zhuǎn)換成有機(jī)物,減去自身生長(zhǎng)和生殖消耗部分后所積累的有機(jī)物總量被稱為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)[2]。作為調(diào)節(jié)碳循環(huán)的主要因子,植被NPP體現(xiàn)了植被在自然環(huán)境下的生產(chǎn)、恢復(fù)、退化能力,且表征了植被生長(zhǎng)對(duì)氣候變化、人類活動(dòng)的響應(yīng),是區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[3]。研究植被NPP估算模型、時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)區(qū)域及全球的氣候系統(tǒng)具有重要的理論和實(shí)際意義。

傳統(tǒng)植被NPP監(jiān)測(cè)以實(shí)地測(cè)量為主,精度雖高,卻由于大范圍實(shí)地調(diào)查的不便性,難以實(shí)現(xiàn)全球或區(qū)域性NPP估算[4-5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大尺度NPP估算相繼提出了統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)理模型以及光能利用率模型[6]。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展,諸多學(xué)者基于MODIS NPP產(chǎn)品展開了區(qū)域植被NPP空間分布、動(dòng)態(tài)變化以及驅(qū)動(dòng)因子分析,并取得了一定的研究成果[7-8],劉嬋等[9]分析了2000—2014年間中亞地區(qū)不同生態(tài)分區(qū)下植被NPP分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)典型草原區(qū)的植被NPP下降趨勢(shì)最為顯著; 茆楊等[10]在西南地區(qū)植被NPP研究中發(fā)現(xiàn),該區(qū)域NPP與氣溫相關(guān)性更強(qiáng); 朱思佳等[11]和馮婉等[12]分別針對(duì)洞庭湖流域、長(zhǎng)江流域進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間序列NPP研究,多驅(qū)動(dòng)因素中土地利用、海拔分別對(duì)2個(gè)流域NPP時(shí)空差異解釋程度最高; 劉旻霞等[13]發(fā)現(xiàn)土地利用變化是青海省植被NPP變化的主要原因。上述研究驗(yàn)證了MODIS NPP產(chǎn)品的可靠性,揭示了植被NPP受氣候、地形和土地利用等多種因素影響,具有明顯的區(qū)域差異性。

河南省地處中國(guó)中東部,是我國(guó)主要的糧食生產(chǎn)基地,是黃河流域生態(tài)保護(hù)和全國(guó)生態(tài)格局的有機(jī)組成部分,復(fù)雜多變的氣候、無序的開墾和快速的城鎮(zhèn)化建設(shè)直接關(guān)系到該區(qū)域的植被狀態(tài)、生態(tài)環(huán)境平衡和糧食安全[14]。近年來,已有學(xué)者針對(duì)河南省植被NPP進(jìn)行了相關(guān)研究,李軍玲等[15]探究了改進(jìn)CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型下1994—2008年河南省植被NPP的年際變化、空間分布特征及其與氣溫、降水的關(guān)系; 王新闖等[16]基于MOD17A3數(shù)據(jù)闡明了2000—2010年河南省地市植被NPP時(shí)空變化; 劉忠陽等[17]探討了2000—2018年河南省植被NPP季節(jié)性變化特征及其對(duì)氣溫、降水的響應(yīng)。綜上,目前研究大多聚焦于通過差值、線性回歸和相關(guān)分析等方法研究植被NPP時(shí)空變化趨勢(shì)及其與氣候因子的相關(guān)性,關(guān)于植被NPP本身,鮮有學(xué)者從宏觀方面分析植被NPP時(shí)空演變特征; 關(guān)于驅(qū)動(dòng)因子,對(duì)地形和人類活動(dòng)等因子的考慮較少,且尚缺乏對(duì)植被NPP空間分異的定量歸因。這些不足在一定程度上給區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)研究帶來了不確定性[18-19],制約了有針對(duì)性的河南生態(tài)強(qiáng)省建設(shè)路徑的制定[14]。鑒于此,本文基于2010—2020年MOD17A3HGF數(shù)據(jù)分析河南省植被NPP時(shí)空分異特征,在此基礎(chǔ)上引入重心模型揭示植被NPP重心分布及其遷移特征,進(jìn)而結(jié)合氣候、地形和人類活動(dòng)等數(shù)據(jù)全面探究植被NPP對(duì)各驅(qū)動(dòng)因子的響應(yīng),并利用地理探測(cè)器定量研究驅(qū)動(dòng)因子對(duì)植被NPP空間分異的影響力,以期為河南省生態(tài)保護(hù)與調(diào)控政策提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

河南省地貌類型以平原為主,地勢(shì)西高東低(圖1)。該區(qū)域?qū)儆谏絽^(qū)向平原、北亞熱帶向暖溫帶雙重過渡地帶,以大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?雨熱同期,夏季炎熱多雨,冬季干旱少雨,氣溫西低東高,降水量南多北少。河南省面積約16.7萬 km2,占國(guó)土面積的1.73%; 常住人口約9 936.6萬人,占全國(guó)人口的7.04%; 面積和人口分別位居全國(guó)第17位和第3位。

圖1 研究區(qū)概況示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源

NPP數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)2010—2020年h27v05分幅的MOD17A3HGF產(chǎn)品,空間分辨率為500 m; 氣象數(shù)據(jù)為國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //www.geodata.cn)提供的逐月平均氣溫和逐月降水量數(shù)據(jù),空間分辨率為0.008 333 3°(約1 km); 地形數(shù)據(jù)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https: //www.resdc.cn)提供的經(jīng)90 m STRM重采樣的1 km數(shù)字高程模型數(shù)據(jù); 土地利用數(shù)據(jù)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,空間分辨率為1 km。本研究將采用的遙感數(shù)據(jù)和地面多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影為Albers坐標(biāo)系(等積投影),空間分辨率重采樣為1 km。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)分析法

Theil-Sen Median是一種通過Median函數(shù)獲取時(shí)間序列數(shù)據(jù)斜率中值的趨勢(shì)計(jì)算法,計(jì)算簡(jiǎn)單、不敏感于誤差數(shù)據(jù)[20],公式為:

,

(1)

式中:β為趨勢(shì)檢測(cè)因子,若其值大于0,植被NPP呈增加趨勢(shì),反之,呈減少趨勢(shì);NPPi和NPPj分別為時(shí)間序列數(shù)i和j的NPP值。

Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[20],具體計(jì)算公式為:

,

(2)

,

(3)

,

(4)

式中: sgn(θ)為符號(hào)函數(shù),當(dāng)θ>0,θ=0,θ<0時(shí),函數(shù)值分別為1,0,-1;Var(S)為S的方差;Z為標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;n為時(shí)間序列總數(shù)。

2.2 重心模型法

,

(5)

式中:wk為第k個(gè)像元的NPP值;t為像元總數(shù);xk和yk分別為第k個(gè)像元中心的經(jīng)度、緯度。

2.3 馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣

馬爾可夫模型描述了不確定系統(tǒng)下事物從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況[22]。本研究利用馬爾可夫模型描述土地利用類型變化,并定量分析各類土地利用類型轉(zhuǎn)移下NPP總量變化。結(jié)果由馬爾可夫矩陣C表示,公式為:

,

(6)

式中:m為土地利用類型總數(shù);cuv為土地利用類型u向類型v轉(zhuǎn)移的面積或該類型轉(zhuǎn)移下NPP變化。

2.4 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是一種用于度量地理事物空間分異性、探測(cè)其背后驅(qū)動(dòng)因子作用的新統(tǒng)計(jì)方法,原理簡(jiǎn)單、操作方便[23]。本研究利用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)模塊分析研究區(qū)域高程、坡度和坡向等因子對(duì)植被NPP空間分異的影響程度,用q值表示,計(jì)算公式為:

,

(7)

式中:h為變量的分層;N和Nh分別為研究區(qū)及層h數(shù)據(jù)量;σ和σh分別為研究區(qū)及層h因變量的方差。

3 結(jié)果與分析

3.1 河南省植被NPP時(shí)空分異特征

2010—2020年河南省NPP整體呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)(圖2(a)),多年均值為424.89 gC·m-2·a-1; 植被NPP年際波動(dòng)幅度較為明顯,尤其對(duì)于先急速下降后迅速上升的2012—2014年和2018—2020年,該階段氣候、人類活動(dòng)可能出現(xiàn)了較大變化。河南省植被NPP重心主要集中于該區(qū)域幾何中心西南部,平均重心與幾何中心相距約18.42 km,表明植被NPP分布較為均衡。植被NPP重心演變時(shí)間分異明顯(圖2(b)), 2010—2014年NPP重心變化較為強(qiáng)烈,依次沿著東北、西北、東南、東北方向遷移,遷移距離最小為8.6 km,該時(shí)間段內(nèi)各方向軸兩端NPP具有較大的變化,形成空間上的拉扯力; 2014—2020年NPP重心變化微弱,遷移距離均小于5.5 km,整體呈現(xiàn)向西北微弱遷移趨勢(shì)。

(a) 年際變化 (b) 重心遷移

2010—2020年河南省NPP空間分異較為明顯(圖3(a)),平均值為34.5～918.7 gC·m-2·a-1,整體上呈現(xiàn)從東北到西南不斷增加的趨勢(shì),與海拔走勢(shì)分布較為一致。為了進(jìn)一步分析植被NPP變化趨勢(shì),采用Theil-Sen Median方法計(jì)算2010—2020年植被 NPP趨勢(shì)值(圖3(b)),并對(duì)其進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)(圖3(c))。結(jié)果表明,河南省約92%區(qū)域植被NPP呈現(xiàn)增加趨勢(shì)且主要表現(xiàn)為不顯著增加; 顯著增加區(qū)域主要分布在太行山山地、豫西黃土丘陵區(qū)、豫西山地丘陵區(qū)東部; 不顯著減少區(qū)域主要位于南陽盆地、桐柏山—大別山山地丘陵區(qū)與黃淮海平原交界處以及黃河(河南段)中下游區(qū)域; 顯著減少區(qū)域呈零星分布。

(a) 空間分布 (b) Sen (c) Mann-Kendall

3.2 植被NPP變化驅(qū)動(dòng)因子分析

氣溫、降水是影響植被生長(zhǎng)的決定性氣候因素。通過散點(diǎn)圖分析年尺度下植被NPP與氣溫、降水的關(guān)系(圖4(a)和(b)),結(jié)果表明氣溫與植被NPP的相關(guān)性較弱,降水對(duì)研究區(qū)域的植被NPP影響更為顯著。進(jìn)一步探究像元尺度下植被NPP與氣溫、降水相關(guān)性的空間特征(圖4(c)和(d)),植被NPP與氣溫、降水的相關(guān)性均呈現(xiàn)正負(fù)相關(guān)并存、以正相關(guān)為主的趨勢(shì)。其中,植被NPP與降水正相關(guān)區(qū)域面積約占84%,相關(guān)系數(shù)自西向東逐步增加。

(a) NPP與氣溫散點(diǎn)圖 (b) NPP與降水散點(diǎn)圖

河南省地跨兩級(jí)階梯,地形條件是生態(tài)環(huán)境的重要影響因素。研究區(qū)域以低海拔區(qū)為主(圖5(a)),隨著海拔的增加,NPP先增加后降低,1～1.5 km海拔區(qū)間NPP均值最高(約529.69 gC·m-2·a-1),所占面積卻較少,對(duì)研究區(qū)NPP貢獻(xiàn)不大。植被NPP對(duì)坡度的響應(yīng)類似于海拔(圖5(b)),植被NPP均值隨坡度增加而先增加后降低,當(dāng)坡度大于35°時(shí),植被NPP均值迅速下降; 低坡度區(qū)域(小于2°)的植被NPP均值(約406.13 gC·m-2·a-1)所占面積最多(約74%),對(duì)河南省植被NPP貢獻(xiàn)較大。圖5(c)顯示,隨著經(jīng)度的增加,植被NPP均值先下降后增加,114°E以西植被NPP快速下降,以東植被NPP緩慢上升; 隨著緯度的增加,植被NPP均值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。圖5(d)表明,對(duì)于研究區(qū)而言,陽坡植被NPP均值較高,平均高于陰坡9.26 gC·m-2·a-1。

(a) 海拔 (b) 坡度

人類活動(dòng)引起的土地利用類型變化能夠直接影響生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán),從而造成植被NPP的變化。表1—2分別為2010—2020年河南省土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣以及該階段不同土地利用類型轉(zhuǎn)移下的植被NPP總量變化。由表1可知,2010—2020年河南省草地、耕地和未利用地3種土地利用類型面積分別減少了397.95 km2,4 255.40 km2和38.97 km2,建設(shè)用地、林地和水體面積分別增長(zhǎng)了4 080.23 km2,326.78 km2和285.31 km2,其中,增長(zhǎng)的建設(shè)用地面積主要由耕地類型轉(zhuǎn)化而來(94%)。從表2中可以發(fā)現(xiàn),2010—2020年土地利用類型轉(zhuǎn)化下河南省植被NPP總量增加了2 785.68 kgC·m-2·a-1,其中,向耕地類型轉(zhuǎn)化引起的NPP增長(zhǎng)為該區(qū)域NPP總量增長(zhǎng)做了最大的貢獻(xiàn),占41%。

表1 2010—2020年河南省土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

表2 2010—2020年河南省土地利用類型轉(zhuǎn)化下的植被NPP總量變化

采用地理探測(cè)器探究海拔、坡度和坡向等8個(gè)因子對(duì)河南省植被NPP空間分異的解釋力,以及各因子間交互作用。結(jié)果表明,對(duì)于單因子而言,坡向、氣溫、降水、土地利用和緯度是研究區(qū)域植被NPP空間分異的主要影響因子,其貢獻(xiàn)率均大于25%,q值分別為0.299,0.390,0.435,0.263,0.432; 海拔和坡度因子對(duì)植被NPP空間分異的貢獻(xiàn)特征(q= 0.129和q= 0.134)相對(duì)較弱; 經(jīng)度變化通過影響區(qū)域下墊面特征、干濕度等參數(shù),對(duì)植被NPP空間分異具有相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)率(q= 0.230)。對(duì)于雙因子交互而言,河南省植被NPP各因子間交互作用關(guān)系均呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng),對(duì)植被NPP空間分異解釋力處于前7位的雙因子交互q值如表3所示,整體上海拔、降水與其他因子存在更為明顯的交互作用,q(海拔∩降水)和q(海拔∩緯度)為0.728和0.685,明顯增強(qiáng)了海拔單因子對(duì)NPP空間分異的解釋力; 值得注意的是,排名前7位的雙因子交互有5類為降水與其他因子的交互結(jié)果,不僅表明降水與地形條件、人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)因子的交互作用,而且進(jìn)一步說明了降水對(duì)河南省植被NPP的重要性。

表3 驅(qū)動(dòng)因子交互作用探測(cè)結(jié)果

4 討論

與以往研究不同,本研究利用重心模型從宏觀視角揭示了河南省植被NPP空間分布的均衡性以及重心變化先強(qiáng)烈而后微弱的特征,全面分析了氣候、地形和土地利用等多因子對(duì)植被NPP的影響,借助地理探測(cè)器從空間角度對(duì)植被NPP空間分異進(jìn)行了定量歸因。

2010—2020年河南省植被NPP呈波動(dòng)微上升趨勢(shì),年均增加了6.51 gC·m-2·a-1。由于2013年河南省降水量偏少、氣溫偏高,干旱缺水和高溫分別減弱了植被的光合作用、加快了植被的自身消耗,給植被NPP帶來了較大的負(fù)面影響,尤其對(duì)于作為農(nóng)業(yè)大省的研究區(qū),農(nóng)作物生長(zhǎng)和糧食安全更是受到嚴(yán)重的威脅,同期水土流失治理面積較2012年減少127.4萬hm2[24]; 2019年河南省降水量和年均氣溫分別為1961年以來第三少及第二高,且全年的階段性干旱及短期洪澇災(zāi)害使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受損嚴(yán)重[25],導(dǎo)致該時(shí)期植被NPP顯著減少; 相較于2013年和2019年植被NPP低谷期,2014年和2020年河南省降水量增加、氣溫降低、水土流失治理面積增多,對(duì)植被NPP增長(zhǎng)產(chǎn)生了積極作用,由此形成了2012—2014年和2018—2020年植被NPP先急速下降后迅速上升的現(xiàn)象。

年尺度、像元尺度下分析河南省植被NPP與氣溫、降水的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)植被NPP與降水相關(guān)性更強(qiáng),這與劉忠陽等[17]、陳陽[26]的研究結(jié)果一致。部分區(qū)域植被NPP與降水呈負(fù)相關(guān),主要位于三門峽、洛陽、濟(jì)源高海拔區(qū),這是因?yàn)榇怪狈植加诟吆０螀^(qū)的植被受人類活動(dòng)影響較小,植被類型較為單一,多屬于耐干旱植被,過多的降水不利于植被的生長(zhǎng); 與氣溫呈負(fù)相關(guān)區(qū)域主要位于河南省南部地帶,該地帶緯度偏低、氣溫相對(duì)較高,過高的氣溫導(dǎo)致水分蒸發(fā)反而抑制了植被的生長(zhǎng)。河南省以低海拔、低坡度為主,這些區(qū)域植被NPP相對(duì)較弱卻所占面積較多,成為河南省植被NPP的主要貢獻(xiàn)源; 隨著海拔、坡度的升高,人類活動(dòng)減弱,更多的有機(jī)物被固定,植被NPP逐步提升; 當(dāng)海拔、坡度繼續(xù)升高,植被營(yíng)養(yǎng)逐步流失,氣溫持續(xù)降低等氣候條件不利于植被生長(zhǎng),植被NPP呈減少趨勢(shì)。河南省植被NPP呈現(xiàn)明顯的坡向差異,陽坡植被NPP均值高于陰坡,向陽坡熱量充足,有利于植被生長(zhǎng),而王莉娜等[27]發(fā)現(xiàn)祁連山國(guó)家公園陰坡植被NPP高于陽坡,光照條件對(duì)該區(qū)域植被NPP影響相對(duì)較小,體現(xiàn)了植被NPP對(duì)驅(qū)動(dòng)因子響應(yīng)的區(qū)域差異性及機(jī)制復(fù)雜性。因子影響力探測(cè)表明降水對(duì)研究區(qū)域植被NPP空間分異貢獻(xiàn)最大,水分是該區(qū)域植被NPP空間分異形成的外部主導(dǎo)因子,這與相關(guān)性分析結(jié)果具有相似性,也進(jìn)一步說明了2013年和2019年植被NPP迅速下降與當(dāng)年降水量減少有關(guān)。此外,不同于氣溫與植被NPP的弱相關(guān)性,氣溫對(duì)植被NPP空間分異的解釋力相對(duì)較強(qiáng),僅次于降水和緯度因子,說明地處山區(qū)向平原、亞熱帶向暖溫帶雙重過渡地帶的河南省區(qū)域內(nèi)氣溫存在較為明顯的空間差異性[28],并直接影響植被NPP的空間分布。

5 結(jié)論

1)2010—2020年,河南省植被NPP均值呈微弱上升趨勢(shì),年際間波動(dòng)較為強(qiáng)烈; 受氣候和人類活動(dòng)影響,2013年和2019年植被NPP出現(xiàn)低谷值。植被NPP重心演變具有明顯的時(shí)間分異性,2010—2014年,NPP重心在距離、方向上均具有較大的變化,此后重心遷移變化相對(duì)微弱。

2)研究期間河南省植被NPP年均值介于34.5～919 gC·m-2·a-1,由東北至西南不斷增加,中值區(qū)域所占面積最多,主要位于研究區(qū)南部環(huán)山區(qū)域及南陽盆地; 低值區(qū)域和高值區(qū)域分別位于北部和西南部。

3)河南省植被NPP與降水相關(guān)性更強(qiáng),相關(guān)系數(shù)具有空間分異性; 隨著海拔、坡度增加,植被NPP均先增后減,低海拔、低坡度區(qū)域植被NPP較低,卻對(duì)研究區(qū)植被NPP貢獻(xiàn)率最大; 陽坡植被NPP高于陰坡; 耕地面積增長(zhǎng)下的植被NPP為近11 a來NPP增長(zhǎng)主要來源。

4)單因子而言,降水對(duì)河南省植被NPP變化解釋力最強(qiáng),其次為緯度、氣溫; 各因子交互關(guān)系為雙線性增強(qiáng)或非線性增強(qiáng),其中,降水與經(jīng)度、土地利用、坡向雙因子交互對(duì)植被NPP具有更為顯著的協(xié)同增強(qiáng)作用。