2000—2014年张家口市植被净初级生产力的时空格局及其与气候的关系

谢 婷，纪显德，徐晓娜，岳峻杰，徐 翔，张化永

(华北电力大学工程生态学与非线性科学研究中心， 北京 102206)

随着全球气候变化的加剧，陆地生态系统对气候变化的响应机制研究逐渐成为焦点之一，其中，植被可以最直观地体现气候变化[1-4]。作为反映植被变化最有效的指标之一，净初级生产力(net primary productivity,NPP)是指植被在单位时间、单位面积上积累的有机物质的总量，其大小等于光合作用吸收的碳减去呼吸作用释放的碳[5-8]。早在19世纪中期，已有学者开始在多个不同的尺度上研究陆地生态系统的NPP格局，但截至目前关于气候因子对NPP的影响问题仍未达成共识[9-12]。

大尺度上，刘刚等[13]利用全球陆表特征数据集(global and surface satellite,GLASS)对2001—2014年中国植被NPP进行估算；周伟等[14]利用光能利用率模型(carnegie-ames-stanford approach,CASA)对1982—2010年中国草地NPP进行模拟，并对其时空变化进行分析。小尺度上，郑颖娟[15]利用CASA模型对2009年河北省不同植被类型的NPP进行估算；刘征等[16]利用CASA模型对2012年河北省北部山区的NPP及其时空变化进行研究；王雪等[17]利用CASA模型对2013—2015年张家口市蔚县矿区的NPP进行估算。

MOD17A3是基于中分辨率成像光谱仪MODIS的遥感参数，通过BIOME-BGC模型对全球植被NPP进行计算的数据产品，目前已在全球范围内的植被生物量估算、环境监测和全球变化等研究中得到验证和广泛应用[18-19]。张莎等[20]利用MOD17A3数据对2001—2010年河北省植被NPP的时空格局进行研究；Yuan等[21]利用遥感数据FPAR(16-day MODIS fraction of photosynthetically active radiation absorbed by vegetation)和CASA模型对2001年河北省北部的张家口市和承德市的NPP时空分布进行研究。

河北省农业资源丰富，近年来经济和社会发展较为迅速，全年生产总值目前位居全国第六，其北部山区也由于丰富的植物资源而成为河北省重要的碳库，具有巨大的生态及社会效益[22]。张家口市地处河北省西北部，以其“连接京津、沟通晋蒙”的交通枢纽位置和“现行长城最多地区”的文化底蕴，成为整个冀西北地区的重要城市之一。作为2022年冬奥会的举办地，张家口市的生态和社会环境引起了人们的重视。然而近半个世纪以来，张家口市及整个河北省的山区植被发生了剧烈变化，生态系统的平衡遭到破坏。NPP是能有效反映生态系统变化的指标之一，近年来已经有部分学者对河北省及张家口市蔚县的NPP及其时空变化进行研究[15-17,20-21]，但并没有对张家口市NPP的长期时空分布进行研究。目前，基于MOD17A3数据对张家口市植被NPP的相关研究也未见报道。

应用MOD17A3遥感数据，同时结合水系分布、土地利用和气象数据，对2000—2014年张家口市植被NPP进行研究，旨在揭示张家口市植被NPP的总体时空分布格局，气候因子对张家口市植被NPP的影响。这对研究张家口市的碳循环和碳收支具有重要的理论指导作用，同时也为冬奥会进行前张家口市的生态修复工作提供科学依据。

1 研究区域与方法

1.1研究区概况张家口市(113°82′～116°45′E，39°56′～42°17′N)位于我国河北省的西北部，地处华北平原，东部邻近河北省承德市，东南紧靠政治文化中心北京市，南部邻近河北省保定市，西、西南与山西省接壤，北、西北与内蒙古自治区交界，总面积3.67万km2。该市下辖16个区县，主要分布有森林、草地和耕地三大土地利用类型。张家口市地势从西北向东南递低，且横向有阴山山脉连通东西，纵向有南部的太行山余脉，水资源分布集中在中北和东南的山地。因此虽然张家口市在气候上全部属于温带大陆性季风气候，但年均温呈现中部高、四周低的趋势，而年降水量则呈现从东南向西北递减的趋势。相应地，土地利用类型也从东南部的森林向西北部的耕地和草地过渡。

1.2数据

1.2.1NPP数据。NPP数据来源于MOD17A3(2000—2014)产品，其时间分辨率为1年，空间分辨率为1 km。使用ARCGIS 10.3将下载的MOD17A3数据从HDF格式转换成Grid格式，接着对Grid格式下的图像进行空间拼接。最后利用张家口市行政区划图，裁取张家口市2000—2014年的NPP栅格图像。

1.2.2气象数据。气象数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，该研究下载了2000—2011年遍布于河北省的21个标准气象站点的月均温和月降水数据。然后使用ArcGIS 10.3将下载的气象数据根据其各自来源的气象站点的经纬度信息进行Kriging空间插值，从而得到与NPP数据像元大小能够完全重叠的气象栅格数据。通过数据掩膜，裁取河北张家口市年均温和年降水的栅格图像。

1.3研究方法

1.3.1NPP年际变化的趋势分析。采用简单插值法和一元线性回归分析法来定量描述2000—2014年逐像元NPP随时间尺度的变化趋势。简单差值法，是对单个像元不同时期的栅格进行相减，利用栅格之间的差值来衡量变化的大小[22]：

(1)

简单差值法能够直接反映15年间张家口市不同地区NPP的变化特征，但由于其计算过程只考虑了端点年份的NPP栅格间的差异，所以其结果经常会被端点年份的特殊气候，比如极端天气所影响[23]。而一元线性回归分析方法能够在一定程度上削减特殊年份极端天气造成的影响，所以这样能够更加真实地反映NPP在15年内的演变趋势。计算单个像元一元线性拟合方程的斜率[24]：

(2)

式中，Slope为拟合方程的斜率；t为年份；NPPj为第j年NPP值；n为研究序列的长度，即n=15。斜率为负表示下降，斜率为正表示上升。利用NPP序列与时间序列(年份)的Pearson相关关系的显著性来代表NPP年际间变化趋势的显著性，即表示变化趋势的可置信程度的高低，与变化快慢无关。结合一元拟合斜率和变化趋势的显著性检验，将NPP的年际变化趋势划分为以下5个等级：极显著减少(Slope<0,P<0.01)；显著减少(Slope<0,0.010.05)；显著增加(Slope>0,0.010,P<0.01)。

1.3.2NPP年际变化的稳定性分析。计算2000—2014年单个像元NPP的变异系数，用来评估NPP在时间序列上的稳定性。变异系数的计算方式如下[24]：

(3)

1.3.3NPP与气候因子的相关性分析。采用空间分析法进行逐像元的NPP分析，并探讨各气候因子(年均温和年降水)对NPP的影响，首先求出简单相关系数，然后求出偏相关系数[25]。计算NPP和气候因子(年均温和年降水)间相关系数的计算方式如下：

(4)

基于降水量的NPP与温度的偏相关系数，基于温度的NPP与降水量的偏相关系数计算方式如下：

(5)

式中，r123为将变量3固定后变量1与变量2之间的偏相关系数，r12、r23、r13分别表示变量1与变量2、变量2与变量3、变量1与变量3的相关系数，偏相关系数是指当2个变量同时与第3个变量相关时，剔除第3个变量的影响之后的另2个变量的相关系数，更能反映单一气候因子对NPP的影响，因此该研究的相关分析均采用偏相关系数。

2 结果与分析

2.1NPP的空间分布格局2000—2014年，张家口市年均单位面积上的NPP分布总体呈现西低东高、北低南高的变化趋势，变化范围为0～472.4 g/(m2·a)，平均值为230.5 g/(m2·a)(图1)。张家口市NPP值随经度的增加而增大，随纬度和海拔的增加而减小(图2)。年平均NPP呈现出较明显的经向地带性“条带”分布特征，即与经度呈显著正相关，相关系数为0.261(P<0.01，n=55 533)；与纬度和海拔都呈显著弱相关，相关系数分别为-0.047(P<0.01，n=55 533)和-0.031(P<0.01，n=55 533)。张家口市NPP低值区[<200 g/(m2·a)]占其总面积的23.79%；大部分分布在200～300 g/(m2·a)，占张家口市总面积的64.90%。张家口市NPP的高值区[>300 g/(m2/a)]主要分布在张家口市东南地区，天然植被主要是温带落叶阔叶林。

2.2NPP的年际变化格局整体来看，15年间，张家口市年平均NPP都呈波动上升的趋势(图3)。张家口市年平均NPP最大值出现在2004年，为278.9 g/(m2·a)，最小值出现在2001年，仅为182.6 g/(m2·a)。

对该研究始末时间端点2000年和2014年NPP图像进行简单差值法计算，生成张家口市植被NPP变化的空间分布图(图4)。对比2014年和2000年的图像，大部分区域的NPP增长，只有少部分区域的NPP减小。张家口市年NPP减少的面积占市总土地面积的3.9%；年NPP增加的面积占96.1%，其中增加0～50、50～100、100～150和>150 g/(m2·a)的面积分别占2.2%、2.0%、2.6%和89.3%。

运用一元线性回归分析方法得到张家口市不同地区植被年均NPP在15年间的年际变化趋势及其显著性的空间分布图(图5)，发生极显著减少、显著减少、变化不显著、显著增加和极显著增加的面积分别占张家口市总土地面积的0.2%、0.2%、75.9%、14.5%和9.1%，年均NPP呈增加(极显著和显著)与减少(极显著和显著)的面积比率为50.2。说明2000—2014年张家口市年均NPP总体呈现增长趋势，其固碳能力增加。

图 1 2000—2014年张家口市NPP平均值的空间分布格局Fig.1 Spatial pattern of mean annual NPP in Zhangjiakou from 2000 to 2014

注：a.沿经度梯度的空间格局，b.沿纬度梯度的空间格局，c.沿海拔梯度的空间格局，d.频度分布Note:a.Longitudinal gradient,b.Latitudinal gradient,c.Elevational gradient,d.Frequency distribution of 15-year mean annual mean NPP by pixels in Zhangjiakou图 2 像元尺度上张家口市15年植被年平均NPP、空间格局和频度分布Fig.2 Variation in 15-year mean annual NPP by pixels

15年间张家口市不同地区的年均NPP稳定性(由年均NPP变异系数度量)存在明显的空间差异(图6)，高波动(CV>19.0%)区域占张家口市总土地面积的6.7%，较高波动(CV：16.0%～19.0%)区域占13.2%，中等波动(CV：13.0%～16.0%)区域占27.7%，较低波动(CV：10.0%～13.0%)区域占37.9%，低波动(CV<10.0%)区域占14.5%，这说明张家口市植被年均NPP整体相对稳定。

2.3NPP对气候因子的响应植被的生长与气候因素密切相关，由图7可知，以年为时间单位，张家口市植被年均NPP与年降水和年均温的平均相关系数(即以像元为基本单位计算平均相关系数)分别为0.299和-0.077，平均偏相关系数分别为0.321和0.091，说明张家口市植被年均NPP总体上与年降水的相关性更高，呈正相关关系。根据年均NPP与年降水和年均温的偏相关系数划分4个象限，发现张家口市年均NPP主要受年降水的影响，与年降水呈正相关的区域面积占张家口市总土地面积的98.6%，其中68.2%与年均温呈正相关，30.4%与年均温呈负相关。

图 3 2000—2014年张家口市年平均NPP变化动态Fig.3 Dynamics of mean annual NPP in Zhangjiakou during 2000-2014

图 4 2014年与2000年张家口市植被NPP差值的空间分布格局Fig.4 Difference of NPP in Zhangjiakou between 2014 and 2000

图 5 2000—2014年张家口市年均NPP线性拟合斜率(a)和显著性(b)Fig.5 Linear regression slope(a) and significance(b) of NPP in Zhangjiakou during 2000-2014

3 讨论

2000—2014年，张家口市植被NPP集中在200～300 g/(m2·a)，其平均值为230.5 g/(m2·a)，这和张莎等[20]对2001—2010年整个河北省NPP的研究结果大致相同。张家口市NPP总体呈现西北低、东南高的分布趋势，这和前人在河北省北部[21,26]、整个河北省[14]上的研究结果一致。这是由于张家口市东南地区植被覆盖率较高，植被类型以阔叶林为主，光合作用比较强烈，年均NPP的高值区[>350 g/(m2·a)]多出现在这些地方；张家口市南部有太行山余脉，该区多为基岩裸露的石质山地，生境破碎，植被覆盖率低，降雨量少，蒸发量大，土壤瘠薄，林木生长缓慢，年均NPP大多在50～150 g/(m2·a)，局部<50 g/(m2·a)；而NPP最小值主要位于城市及其周边地区，这是由工业污染和城市化建设造成的。该研究还发现张家口市NPP值随经度的增加而增大，但随纬度和海拔的增加而减小。此外，张家口市年平均NPP呈现出较明显的经向地带性“条带”分布特征，这和前人在河北省的研究结果一致，可能是由于经向地带有太行山山脉分布的缘故[16,20]。

根据简单差值和一元线性回归分析得知，15年来张家口市植被NPP总体上呈增长趋势，这符合中国植被的增长趋势[13]。张莎等[20]发现河北省2001—2010年植被NPP整体呈下降趋势，王雪等[17]发现蔚县2013—2015年植被NPP整体也呈现下降趋势。而根据年际变化的稳定性分析，张家口市植被年均NPP整体相对稳定，大部分地区植被NPP的变化百分率大于10%，说明张家口市整体上植被生长状况得到改善；植被NPP的变化百分率<-10%的植被主要分布在张家口市康保县、桥东区和桥西区，说明这些地区植被生长状况有所退化。此外，NPP在2001年最低，在2004年最高，这也和前人的研究结果完全一致[20]，说明张家口市NPP在整个河北省内处于平均水平，且2011—2014年张家口市NPP没有发生突变。

为了研究张家口市NPP对气候因子的响应，根据河北省21个标准气象站点的逐年数据，分析2000—2011年河北省年降水和年均温的波动，发现气候呈现水热同增的趋势(图8)。其中，年降水量呈现明显的增长趋势(图8a)，而年均温的增长速度较为缓慢(图8b)。因此，2000—2011年张家口市植被NPP的增长可能主要是由年降水的增加引起的，这与中国植被、中国草地、河北省和蔚县尺度上NPP的部分研究结果一致[13-15,17,20]。充足的降水提高了土壤中的水分含量，为植物在生长季节中所需的水分提供了保障，从而保证了生产力的增长趋势。同时，足够的温度给生长季节的植物提供了充足的热量，一定程度上提高光合作用速率，也有利于植被生产力的提高。

图 6 2000—2014年张家口市年均NPP变化稳定程度Fig.6 Coefficient of variation of NPP in Zhangjiakou during 2000-2014

图7 张家口市年NPP与年降水和年均温的相关系数及偏相关系数Fig.7 Correlation coefficient and partial correlation coefficient between annual NPP and annual precipitation and annual mean temperature in Zhangjiakou

图8 2000—2011年河北省年降水量和年均温的变化Fig.8 Changes of annual precipitation and temperature in Hebei Province during 2000-2011