2006—2015年河南省植被PNP時空變化及其與氣候因子的關(guān)系

田智慧，張丹丹，赫曉慧，郭恒亮，魏海濤

(1．鄭州大學(xué) 智慧城市研究院，河南 鄭州 450001；2．鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

植被凈初級生產(chǎn)力PNP是反映生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的關(guān)鍵因子[1-2]，隨著全球變化及對碳循環(huán)方面的深入探究，植被PNP的研究逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的熱點(diǎn)[3-4]．國內(nèi)關(guān)于PNP的研究大多集中在利用不同的模型，基于不同尺度對PNP進(jìn)行模擬，并分析其時空分布格局等方面．丁慶福等[5]利用生態(tài)過程模型(GLOPEM-CEVSA)模擬并分析了江西省2000—2006年植被PNP的空間格局；陳強(qiáng)等[6]利用改進(jìn)的光能利用率模型(CASA)研究了2001—2010年黃河流域生態(tài)系統(tǒng)PNP的時空變化；姚玉璧等[7]應(yīng)用修訂的氣候生產(chǎn)潛力模型(Thornthwaite memorial)計(jì)算了長江源區(qū)1959—2008的植被PNP．然而由于估算模型的因子調(diào)控、機(jī)理解釋等方面?zhèn)戎攸c(diǎn)各不相同，大大影響了研究結(jié)果的真實(shí)性．隨著遙感技術(shù)的不斷突破，基于遙感的研究不僅能重復(fù)獲取連續(xù)的地表環(huán)境數(shù)據(jù)，還能克服以點(diǎn)代面尺度的累積誤差，且精細(xì)化水平不斷提高，使遙感逐漸成為獲取PNP的最優(yōu)手段[1]．MOD17A3 是基于MODIS的全球PNP資料，比傳統(tǒng)的回歸模型、過程模型的參數(shù)多、方法精密，提高了PNP的估算精度，目前已在多種領(lǐng)域的研究中得到廣泛驗(yàn)證和應(yīng)用[8]．

河南省是中國的農(nóng)業(yè)大省，其生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化直接關(guān)系糧食安全，影響河南社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展．植被PNP的時空分布和長期趨勢波動可以有效反映生態(tài)系統(tǒng)的變化狀況，而基于MOD17A3數(shù)據(jù)對河南省植被PNP的研究尚不多見[10-11]，對河南省植被PNP與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系的研究還未見報道．基于此，文中利用MOD17A3數(shù)據(jù)，以河南省為研究區(qū)，定量分析2006—2015年植被PNP的時空變異特征及其變化趨勢，并探討氣候因素與植被PNP的關(guān)系及對PNP變化的驅(qū)動分區(qū)，從而為該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量評價、自然資源的有效管理與合理利用提供科學(xué)依據(jù)．

1 研究區(qū)概況

河南省(北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′)位于中國中東部，黃河中下游．地勢大體呈西高東低，海拔高度在-60～2 400 m，北、西、南三面大山環(huán)繞，中、東部為平原地帶，西南部為盆地．植被類型包括農(nóng)田、闊葉林、針葉林、針闊葉混交林、灌叢、草地等，與地形分布相關(guān)．全省年均氣溫為13～16 ℃，大體呈東高西低，南高北低的特點(diǎn)，山地與平原間差異較明顯；年均降水量為500～1 100 mm，南部及西部山區(qū)降水較多，全年降水量約50%集中在夏季；年均日照時數(shù)2 000～2 600 h，無霜期180～240 d．河南屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風(fēng)氣候，具有雨熱同期、四季分明的特點(diǎn)．

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

植被PNP數(shù)據(jù)源自美國宇航局NASA(National aeronautics and space administration)提供的EOS/MODIS 4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17A3(http://files.ntsg.umt.edu/data/NTSG_Products/MOD17/)，空間分辨率重采樣為0.01°×0.01°．該產(chǎn)品包含一個數(shù)據(jù)質(zhì)量控制文件(NPP_QC)，對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，舍棄可信度低、反演失敗的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到可信度達(dá)97.56%的中、高等級質(zhì)量PNP數(shù)據(jù)，在MRT軟件支持下，對2006—2015年行列號為H27V05的MOD17A3數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換(HDF至Tiff)和重投影(SIN至WGS84/Albers equal area conic)，然后進(jìn)行裁剪、比例換算等操作，得到單位為g·m-2C的年P(guān)NP數(shù)據(jù)．

氣象數(shù)據(jù)采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)提供的2006—2015年河南省20個基準(zhǔn)地面氣象觀測站的雨季(5—10月)的月均溫和降水量等數(shù)據(jù)．

土地利用數(shù)據(jù)采用美國NASA提供的 EOS/MODIS 3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD12Q1，基于美國馬里蘭大學(xué)分類方案，以植被大類為基準(zhǔn)進(jìn)行歸并處理；地形數(shù)據(jù)則采用“地理空間數(shù)據(jù)云平臺”(http://www.Gscloud.cn)提供的SRTM 90 m DEM產(chǎn)品．最后均進(jìn)行重采樣，統(tǒng)一為空間分辨率為0.01°的柵格數(shù)據(jù)

2.2 趨勢分析

一元線性回歸分析法可以消除特定年份極端氣候的影響，故采用此法分析河南省植被年P(guān)NP的變化趨勢．PNP變化速率的計(jì)算公式為[9]3087

(1)

其中，θslope為PNP的變化速率；Xi為第i年的PNP．θslope>0，PNP呈現(xiàn)增加趨勢；θslope<0，PNP呈現(xiàn)減少趨勢．θslope值大小反映PNP上升或下降速率．

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析主要用來反映要素之間的相關(guān)程度和相關(guān)方向，本研究采用基于像元的皮爾森相關(guān)系數(shù)法，考慮P<0.10和P<0.05 2種置信水平來探討植被年P(guān)NP對氣溫、降水的響應(yīng)關(guān)系．其相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下[6]2812：

r的取值范圍為[-1,1]，r>0表示正相關(guān)，r<0表示負(fù)相關(guān)．|r|值越大，說明要素之間的相關(guān)性越高，r=0表示沒有相關(guān)性．

基于ArcGIS，對氣象站點(diǎn)做Thiessen多邊形分析，計(jì)算各站點(diǎn)權(quán)重，利用各站點(diǎn)加權(quán)平均值得到該地區(qū)雨季(5—10月)均溫與降雨量，最后分別與各年總PNP值進(jìn)行相關(guān)分析，從而整體評價該區(qū)PNP與氣溫和降雨的相關(guān)性．

采用T檢驗(yàn)方法分析偏相關(guān)系數(shù)的顯著性[6]2813：

(5)

其中m為自變量個數(shù)．采用F檢驗(yàn)方法分析復(fù)相關(guān)系數(shù)的顯著性[6]2813：

(6)

其中k為自變量個數(shù)．

2.4 驅(qū)動分區(qū)原則

表1中，V1為PNP與氣溫偏相關(guān)的顯著性T檢驗(yàn)；V2為PNP與降水偏相關(guān)的顯著性T檢驗(yàn)；V3為PNP與氣溫、降水復(fù)相關(guān)的F顯著性檢驗(yàn)；[Tem+Pre]+為氣溫、降水強(qiáng)驅(qū)動；Tem為氣溫為主驅(qū)動；Pre為降水為主驅(qū)動；[Tem+Pre]-為氣溫、降水弱驅(qū)動；NC為非氣候驅(qū)動．

3 結(jié)果與分析

3.1 PNP空間分布特征

河南省2006—2015年10年植被年P(guān)NP平均值分布如圖1所示．其中PNP最小值(<100 g·m-2C)主要分布于城市及周邊區(qū)域，說明城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，卻降低了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量．大的水庫和河流附近植被稀疏，年均PNP多小于200 g·m-2C.豫北的安陽、新鄉(xiāng)西北部、焦作、濟(jì)源北部年均PNP小于200 g·m-2C，這可能與開發(fā)建設(shè)一些風(fēng)景區(qū)及上山項(xiàng)目過程中破壞了大量原生植被，導(dǎo)致土壤瘠薄，植被覆蓋度低有關(guān)；其他區(qū)域則在200～300 g·m-2C．豫西的黃河以南、京廣線以西及南水北調(diào)西線以北的丹江流域部分地區(qū)年均PNP小于200 g·m-2C，這可能與近些年人們對丹江庫區(qū)的生態(tài)建設(shè)認(rèn)識不足，亂砍濫伐現(xiàn)象致使有限的森林資源分布極不合理，旅游等資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)矛盾較為突出，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)呈結(jié)構(gòu)與功能退化狀態(tài)有關(guān)；而該區(qū)的伏牛山生態(tài)區(qū)為多條河流的發(fā)源地，部分林地豐富地區(qū)年均PNP大于500 g·m-2C．豫東南的植被以闊葉林為主，覆蓋度較高，年均PNP大多大于500 g·m-2C．可見，河南省植被PNP受經(jīng)緯度地帶性、氣候、植被類型、地形、人類活動等因素的綜合影響，具有明顯的空間異質(zhì)性．

表1 PNP變化驅(qū)動分區(qū)[9]3093

利用植被覆蓋圖(圖2)對研究區(qū)2006—2015年不同植被類型年均PNP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，不同類型植被的PNP均值存在明顯差異，常綠闊葉林(416.87 g·m-2C)>混交林(375.39 g·m-2C)>常綠針葉林(342.53 g·m-2C)>落葉闊葉林(327.34 g·m-2C)>灌叢(310.24 g·m-2C)>農(nóng)田(309.72 g·m-2C)>草地(248.16 g·m-2C)>落葉針葉林(158.05 g·m-2C)，其面積占植被總面積比分別為1%,5%,1%,3%,2%,84%,3%和1%．由此可知該地區(qū)單位時間、單位面積常綠闊葉林的固碳能力最強(qiáng)，落葉針葉林最弱．

3.2 PNP時間變化特征

由表2可知，2006—2015年河南省植被年P(guān)NP最小均值為357 g·m-2C，最大均值為425 g·m-2C，平均值為392 g·m-2C．這10年河南省植被年P(guān)NP主要集中在300～500 g·m-2C，占河南省總面積的65.3%～83.1%，平均占79.4%；其次為年P(guān)NP小于300 g·m-2C，占10.5%～17.8%，平均占12.3%；再次為年P(guān)NP大于500 g·m-2C，占2.0%～19.5%，平均占8.3%．

3.3 PNP時空變化趨勢分析

基于像元尺度對河南省2006—2015年植被PNP的年際變化進(jìn)行一元線性回歸分析，得到研究區(qū)每個柵格的PNP變化率，并對其結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差重分類(圖3(a))．植被年P(guān)NP的變化速率呈明顯的地域性空間差異特征．植被改善區(qū)域(θslope>0)主要分布在信陽南部、南陽東北部、開封西南部等地區(qū)．植被退化區(qū)域(θslope<0)主要分布在豫北的太行山一線、沿黃河生態(tài)涵養(yǎng)帶，豫西的伏牛山、熊耳山一帶，豫西南丹江流域部分地區(qū)及各市區(qū)、縣城等周圍地區(qū)．

圖1 2006—2015年河南省年P(guān)NP平均值的分布

圖2 河南省土地利用類型

2006—2015年河南省植被年P(guān)NP年際變化速率θslope在-43～56 g·m-2·a-1C，很大一部分地區(qū)變化速率在-2.0～1.9 g·m-2·a-1C(圖3(a))，呈基本不變趨勢，所占面積為河南省總面積的47.28%；植被生長狀況得到改善區(qū)域(θslope>1.9 g·m-2·a-1C)占28.09%；退化區(qū)域(θslope<-2.0 g·m-2·a-1C)占24.63%．

通過對2006—2015年河南省年均PNP進(jìn)行非線性擬合分析(圖3(b))，可知，河南省年P(guān)NP呈先降后升變化趨勢，表現(xiàn)為明顯的周期起伏特征．其中低值可能與2007,2009年河南省部分地區(qū)出現(xiàn)的嚴(yán)重旱災(zāi)，2011年河南等地降水量異常偏多、持續(xù)時間長，2013年出現(xiàn)的嚴(yán)重霧霾有關(guān)，這些自然災(zāi)害不利于植被生長，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失(國家減災(zāi)委員會)，導(dǎo)致相應(yīng)年份研究區(qū)內(nèi)PNP較低．由此說明，PNP可以作為生態(tài)系統(tǒng)功能對環(huán)境氣候變化的響應(yīng)指標(biāo)．

表2 2006—2015年植被PNP組成特征(面積比例/%)

3.4 PNP與氣候因子的相關(guān)性分析

逐像元計(jì)算2006—2015年河南省植被PNP與雨季氣溫和降水的相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)及復(fù)相關(guān)系數(shù)，并對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)．

圖3 2006—2015年河南省PNP變化速率空間分布及時間變化趨勢

河南省植被PNP與氣溫的偏相關(guān)系數(shù)處于-0.90～0.93(圖4(a))，正相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)面積的59.82%，主要集中在伏牛山、信陽、周口等地區(qū)，可能是該區(qū)在降水充沛的情況下，溫度升高，有利于植被生長．負(fù)相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)面積的40.18%，主要分布在南陽盆地、駐馬店、商丘東部、濟(jì)源—三門峽—洛陽—平頂山一片，可能是該區(qū)處于暖溫帶地區(qū)，溫度升高導(dǎo)致蒸散發(fā)加劇，抑制植被生長．經(jīng)T檢驗(yàn)，有63.1%的像元通過0.10水平的顯著性檢驗(yàn)，有41.4%的像元通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布在黃淮平原等農(nóng)田地區(qū)，說明農(nóng)作物在生長季對氣溫響應(yīng)較強(qiáng)．整體而言，雨季均溫與整個研究區(qū)年P(guān)NP總量相關(guān)系數(shù)為0.52．

圖4 2006—2015年河南省植被PNP與氣溫、降水的偏相關(guān)性空間分布

河南省植被PNP與降水的偏相關(guān)系數(shù)處于-0.91～0.98(圖4(b))，除去平頂山地區(qū)，大體以黃河為界，呈南正、北負(fù)分布,正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占研究區(qū)面積的74.22%,25.78%．正相關(guān)區(qū)域主要分布在伏牛山、南陽盆地、黃淮平原等地區(qū)，可能是該區(qū)處于干旱的多發(fā)地帶，降水增多可增加土壤的濕度，利于植被生長．負(fù)相關(guān)區(qū)域主要集中在濟(jì)源、三門峽、洛陽、平頂山、安陽、濮陽等地區(qū)，可能是該區(qū)相對氣溫偏低，降水增多，降低了太陽到達(dá)地面的有效輻射，影響光合作用．經(jīng)T檢驗(yàn)，有76.3%的像元通過0.10水平的顯著性檢驗(yàn)，有53.6%的像元通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布于桐柏山、大別山及豫西山地等林地地區(qū)，說明山區(qū)植被受人類干擾小，對降水響應(yīng)較強(qiáng)．整體而言，雨季降水量與整個研究區(qū)年P(guān)NP總量相關(guān)系數(shù)為0.78，具有較強(qiáng)的相關(guān)性．

植被PNP與氣溫、降水的相關(guān)性具有一定的地域差異性．PNP與氣溫、降水的偏相關(guān)關(guān)系在南陽盆地，特別是商丘東部地區(qū)存在明顯的正、負(fù)相關(guān)性互補(bǔ)現(xiàn)象，而在三門峽—濟(jì)源—洛陽—平頂山及周口地區(qū)的相關(guān)性一致．

河南省不同植被類型PNP變化對氣候因素的響應(yīng)有所差異．林地、灌叢、草地及其他植被PNP與氣候因子相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為正、負(fù)相關(guān)并存，負(fù)相關(guān)可能與雨熱不同期有關(guān)．林地、草地植被PNP變化主要受降水影響，灌叢及其他植被PNP變化主要受氣溫影響，農(nóng)田植被PNP變化主要受氣溫、降水綜合影響，但農(nóng)田與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)性不大，反映了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人類活動(耕作方式、種植制度和管理方式等)的影響較大，降低了氣候環(huán)境因子對其的驅(qū)動程度．

3.5 PNP變化驅(qū)動分區(qū)

由植被PNP與氣溫、降水的復(fù)相關(guān)系數(shù)空間分布特征(圖5(a))可知，河南省植被PNP與氣候因子的關(guān)系存在明顯的區(qū)域差異性．植被PNP與雨季氣候因子(氣溫、降水)的復(fù)相關(guān)系數(shù)介于0～0.99．復(fù)相關(guān)性較強(qiáng)區(qū)域主要分布在周口及三門峽、商丘、駐馬店、信陽等的局部地區(qū)；復(fù)相關(guān)性較弱區(qū)域主要分布在安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、鄭州、平頂山、南陽等局部地區(qū)．經(jīng)F檢驗(yàn)，有26.3%的像元通過0.10水平的顯著性檢驗(yàn)，有15.6%的像元通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，主要分布于黃淮平原．整體而言，雨季均溫、降水量與整個研究區(qū)年P(guān)NP總量相關(guān)系數(shù)為0.62，說明河南省植被PNP與氣候因子(雨季氣溫、降水)的相關(guān)性較高．

由河南省植被PNP變化驅(qū)動分區(qū)圖(圖5(b))可知， 2006—2015年植被PNP變化受氣溫、降水強(qiáng)驅(qū)動區(qū)域約占研究區(qū)總面積的5.4%，主要分布在周口的扶溝縣、西華縣、鄲城縣及商丘東部地區(qū)；以氣溫、降水為弱驅(qū)動的區(qū)域占3.6%，主要分布在周口的太康縣、鹿邑縣及三門峽、信陽局部地區(qū)；以氣溫為主要驅(qū)動因素的區(qū)域占6.8%，主要分布在周口的商水縣、淮陽縣、項(xiàng)城市、許昌的鄢陵縣及駐馬店—信陽交界一帶；以降水為主要驅(qū)動因素的區(qū)域占8.9%，主要分布在豫西山地及開封、許昌、漯河、駐馬店局部地區(qū)．整體上，地理位置不同，氣候因子對PNP的驅(qū)動作用(方向、強(qiáng)度)不同，這可能與PNP對不同氣候要素響應(yīng)的時滯效應(yīng)效果不同有關(guān)．河南省植被PNP主要受氣候因素影響的區(qū)域約占25%，主要分布在豫西山地、黃淮平原等地區(qū)，其他地區(qū)受人為因素干擾較強(qiáng)，這可能與氣候變化導(dǎo)致水熱條件對植被生長的脅迫作用減弱有關(guān)．

圖5 2006—2015年河南省植被PNP與氣溫-降水的復(fù)相關(guān)性及PNP驅(qū)動分區(qū)

4 結(jié)論

文中基于MOD17A3數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，采用克里金插值、線性回歸分析與相關(guān)性分析等方法，定量分析河南省2006—2015年植被PNP的時空變異特征及其變化趨勢，并探討氣候因素與植被PNP的關(guān)系及對PNP變化的驅(qū)動分區(qū)．

1)空間尺度上，河南省PNP均值呈南高北低分布，年均PNP大多大于500 g·m-2C．不同類型植被的PNP均值梯度明顯，常綠闊葉林>混交林>常綠針葉林>落葉闊葉林>灌叢>農(nóng)田>草地>落葉針葉林．基于像元尺度的植被年P(guān)NP的變化速率呈明顯的地域性空間差異特征，很大一部分地區(qū)植被年P(guān)NP變化速率在-2.0～1.9 g·m-2·a-1C，所占面積為河南省總面積的47.28%，年P(guān)NP總量總體上沒有明顯的變化．

2)時間尺度上，2006—2015年河南省植被年P(guān)NP平均值為392 g·m-2C．年均PNP擬合非線性方程呈先降后升變化趨勢，且呈現(xiàn)明顯的周期起伏特征．這10年河南省植被年P(guān)NP主要集中在300～500 g·m-2C，占河南省總面積的65.3%～83.1%，平均占79.4%．

3)2006—2015年，植被PNP與氣溫、降水的相關(guān)性均表現(xiàn)出明顯的地域差異,且不同植被類型對氣候因素的響應(yīng)也不同．雨季均溫、降水量與整個研究區(qū)年P(guān)NP總量相關(guān)系數(shù)分別為0.52,0.783，說明降水成為河南省限制植物生長的最主要?dú)夂蛞蜃樱?/p>

4)地理位置不同，氣候因子對PNP的驅(qū)動作用(方向、強(qiáng)度)也不同，這可能與PNP對不同氣候要素響應(yīng)的時滯效應(yīng)效果不同有關(guān)．河南省植被PNP主要受氣候因素驅(qū)動的區(qū)域約占25%，主要分布在豫西山地、黃淮平原等地區(qū)，其他地區(qū)受人為因素干擾較強(qiáng)，這可能與氣候變化導(dǎo)致水熱條件對植被生長的脅迫作用減弱有關(guān)．