中国陆地植被生态系统NPP空间格局变迁分析

孙金珂 牛海鹏 袁 鸣

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 焦作 454000; 2.河南省测绘工程院， 郑州 450003)

0 引言

在全球气候变化响应研究中，监测长时间序列绿色植被活动的年际变化特征是理解和模拟生态系统动态变化特征的重要手段[1-5]。目前，全球变暖给全球资源配置和农业生产带来了不可忽视的影响，绿色植被作为陆地生态系统中不可或缺的一部分，对全球变化具有极其重要的反馈作用，环境变化会导致森林减少[6]、土壤沙化、草地退化[7]等。我国陆地面积辽阔、生态系统多样，在全球气候变化的大背景下，研究我国陆地植被生态系统长时间序列的变化趋势，对我国合理配置资源、提高生产力水平、采取趋利避害的生态环境保护措施，以及促进社会经济的稳定发展具有重要意义。

陆地植被净初级生产力(NPP)是研究生态系统中物质与能量运转的基础，NPP是指植物在初级生产过程中，单位时间和单位面积积累的有机物质总量，受多方面因素的影响，如气候、土壤类型、养分含量、CO2浓度等[8-10]。假设在其他因子处于最佳状态，充分利用光、热、水气候资源时，将单位面积土地上可能获得的最高生物学产量或农业产量称为气候生产潜力[11-13]。气候生产潜力计算模型有多种，在众多研究中认为Thornthwaite Memorial(TW)模型[14-17]属于统计经验模型，将其作为潜在气候生产力模型模拟潜在NPP；周广胜-张新时(ZGS)模型[18-21]将植被生产力与气温、降水等联系起来，有利于研究气候变化与植被的相互作用关系，模拟生产力模型与实际较为接近[22-24]，因此通常将其模拟结果作为实际值。本研究运用TW模型和ZGS模型分析全国以及各陆地植被(农田、森林和草地)潜在生产力、实际生产力时空分布及其变化规律，研究近16年全国气候生产力的时空演变特征，并分析实际生产力与潜在生产力之间的相关关系，为指导全国充分利用气候资源、提高生产力水平及促进农业可持续发展提供科学依据。

1 数据源

采用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)，该平台提供中国1980年以来逐年年平均气温、年降水量空间插值数据集，是基于全国2 400多个气象站点的日观测数据，通过整理、计算和空间插值处理生成，本研究采用2000—2015年的温度、降水量数据，年平均气温单位为℃，年降水量单位为mm，空间分辨率为1 km。

采用2000、2005、2010、2015年的中国土地利用现状遥感监测数据，基于Landsat遥感影像解译得到的1 km栅格数据，是目前我国精度较高的土地利用遥感监测数据。由于植被的年变化量不大，通过2000年代表2000、2001、2002、2003年的土地利用，2005年代表2004、2005、2006、2007年的数据，2010年代表2008、2009、2010、2011年的数据，2015年代表2012、2013、2014、2015年的数据。此产品将土地利用覆盖类型划分为6类，分别为耕地、林地、草地、水体、居民地和未利用土地。利用其分类标准将土地利用数据划分为森林生态系统、草地生态系统、农田生态系统等，为后续研究各陆地植被生态系统NPP年际变化提供数据支撑。

2 研究方法

2.1 气候生产力模型

2.1.1Thornthwaite Memorial 模型

Thornthwaite模型基于蒸腾蒸发量(ET)与气温、降水和植被之间的关系，建立了NPP与ET之间的统计关系；在此基础上，LEITH等[25]根据世界5个大洲50个不同地点的植被净初级生产力资料，在1975年提出了TW模型。此模型考虑的气候要素较为简单，且能够较好地反映气温、降水量和蒸散量等影响植物生长发育的关键因子，拟合度较高，其计算式为

NPPT=3 000[1-e-0.000 969 5(v-20)]

(1)

(2)

L=300+25y+0.05y3

(3)

式中NPPT——由蒸散量决定的植被气候生产潜力，g/m2

v——年均实际蒸散量，mm

r——年均降水量，mmy——年均温度，℃

L——年均最大蒸散量，mm

2.1.2周广胜-张新时模型

周广胜、张新时根据植物生理生态学特点，基于能量平衡方程和水量平衡方程的区域蒸散模式，建立了结合植物生理生态学特点和水热平衡关系的自然植被净第一性生产力模型，计算式为

(4)

其中Rn=rRrdiLi

(5)

(6)

(7)

(8)

Li=597-0.6T

(9)

式中t——日均温，℃T——月均温，℃

BT——生物温度,℃

Rn——年净辐射，mm

Rrdi——辐射干燥度

Li——蒸发潜热，kJ/g

Ppet——可能蒸散量，mm

Pper——可能蒸散率

2.2 变化斜率法

为研究2000—2015年全国NPP的时间序列变化趋势，在采用上述两种方法计算NPP结果的基础上，采用变化斜率法对其结果的年际变化进行模拟，计算式为

(10)

式中k——变化斜率n——时间年数

Ai——第i年每一个栅格像元内的NPP值

k为正，表明NPP呈增加趋势；k为负，表明NPP呈降低趋势。

3 结果分析

3.1 TW模型模拟潜在NPP

3.1.1全国潜在NPP空间分布

TW模型对中国气候生产潜力计算值如图1所示。由图1可知，2000—2015年全国气候生产潜力年际变化较大，整体呈轻微下降趋势，近16年平均值为899.40 g/m2，其中2012年达到最大，为945.54 g/m2，2015年最小，为794.49 g/m2。在整体呈减少的趋势下，全国潜在NPP反复波动，2009—2010年增加明显，增加了80.78 g/m2；2012—2015年减小明显，减小了151.05 g/m2。

图1 2000—2015年全国NPP年均值Fig.1 Annual average of NPP in China from 2000 to 2015

图2为基于TW模型的NPP均值空间分布，由于不同年份气候因子、地形因子、物候特征以及植被种类的不同，使得全国潜在生产力的空间分布也有所不同。全国范围内，潜在NPP出现明显的区域差异，呈“南高北低”的分布差异，由东南向西北呈逐渐递减趋势，分布状况始终保持不变。西北干旱区域潜在NPP低于全国平均水平，基本处于600 g/m2以下；而秦岭-淮河以南地区潜在NPP较高，基本分布在1 200 g/m2以上。从气候生产潜力年际的区域分异特征来看，由大到小依次为华南区域、西南地区、华中地区、华东大部分地区、东北地区、华北地区、青藏高原地区、西北干旱区。

图2 基于TW模型模拟的全国2000—2015年NPP空间分布Fig.2 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on TW model

根据近16年历年潜在NPP的变化可知，2000—2002年华南地区气候潜在生产力明显增加，高值区域扩张显著，以广西壮族自治州为中心，迅速向四周扩张，蔓延至湖南、广东、江西等省，这也致使气候潜在生产力增加；而北部区域变化较不明显，只有东北地区呈轻微增加趋势。自2003年开始，南方地区气候潜在生产力高值区域出现缩减，该缩减态势持续到2009年，期间北方地区仍然呈小范围波动，其中2008年南方出现特大暴雪灾害，致使2009年全国平均气候生产潜力持续较少。随着灾后恢复，2009—2010年南方高值区域又迅速扩张，致使年均值出现回升；2010年初，我国云南、广西等省份发生特大旱灾，6月末，湖南、江西等地发生洪灾、湖南湘江遭遇新世纪最大洪峰，这些灾害的发生，必然会对绿色植被的生长造成巨大影响，因此2010—2011年南方气候生产潜力高值区域较少，也必然会影响全国平均值的降低。2011年之后秦岭-淮河以南区域，气候潜在生产力开始出现增长，高值区域开始向东部地区扩张，由西南地区逐渐扩张到华南、华东地区。

综上所述，近16年全国气候生产潜力整体呈南高北低、由南向北逐渐递减、南部变化大、北部变化缓慢等特点。且从近16年全国气候生产潜力空间分布来看，藏南地区气候生产潜力相对于周边地区偏高，原因是西藏东南部地区森林覆盖率达90%以上，有资料显示该区域温暖而多雨，年平均降水量在9 000 mm以上，是世界上降水量最大的地区之一。由此可见在其他气候条件一定的情况下，降水量对气候生产力的影响较大。

3.1.2陆地植被生态系统潜在NPP空间分布

为了解陆地生态系统NPP空间变化动态，利用2000、2005、2010、2015年土地利用数据分类系统(耕地、林地、草地)将全国NPP分为农田、森林、草地生态系统潜在NPP，并分别从数值和空间分布上分析各陆地生态系统近16年年际变化、波动趋势及空间变化特征。基于TW模型和ZGS模型，2000—2015年草地生态系统、农田生态系统、森林生态系统的NPP如表1所示。

表1 基于TW模型和ZGS模型的各生态系统NPPTab.1 NPP of each ecosystem based on TW model and ZGS model g/m2

由表1可知，潜在年均NPP由小到大为草地生态系统、农田生态系统、森林生态系统，且2000—2015年各生态系统NPP都存在一定范围内的波动，多年变化斜率依次为-0.69、-2.19、-0.03，说明各陆地植被生态系统NPP总体均呈轻微下降趋势，其中农田生态系统NPP下降速度较其他两类生态系统下降速度较快。在空间分布上，农田生态系统、森林生态系统和草地生态系统潜在NPP均呈“南高北低”状态。农田NPP高值区域主要分布在我国南部中部地区，2000—2005年河南、山东、山西NPP增加较快，2005—2015年华北平原NPP又出现减少趋势，特别是作为我国主要作物生长区的河南、山东地区较为明显。森林生态系统同样出现分层现象，从南到北逐渐递减，西藏南部区域一直处于高值区域，近16年空间分布几乎不变，但就数值上看，有轻微下降趋势，并保持该趋势继续减少。草地生态系统从东南地区向西北地区逐渐降低，直至新疆西北部，NPP又出现回升，该区域的雪山融水以及气候条件更有利于草地的生长。

3.2 ZGS模型计算NPP空间分布

3.2.1全国实际NPP空间分布

根据ZGS模型对我国气候生产潜力计算得出，从数值上来看(图1实际NPP)，2000—2015年全国气候实际生产力年际变化趋势与潜在生产力变化趋势一致，整体处于下降趋势。近16年平均值为550.52 g/m2，最大值出现在2007年，为583.75 g/m2，超出多年平均值33.23 g/m2；2011年达到最小，为513.94 g/m2。2002—2003年、2007—2008年呈下降趋势，该阶段变化趋势与TW模型模拟结果相反，其余年份波动情况则完全一致。2000—2015年气候实际生产力的变化斜率为-1.516 8，表明近16年气候实际生产力有不明显的下降趋势，其中2002年和2010年达到波峰期，2015年达到波谷期。

图3为基于ZGS模型的NPP均值空间分布，与图2对比可得，实际NPP的空间分布与潜在NPP结果较为一致，存在明显的区域差异，由东南向西北呈逐渐递减趋势，且近16年分布状况始终保持不变。从区域分异特征来看，由大到小依次为华南地区、西南地区、华中地区、华东大部分地区、东北地区、华北地区、青藏高原地区、西北干旱区。但是高值区域范围有所不同，基于ZGS模型模拟的南方地区实际生产力明显高于基于TW模型模拟的结果，范围较广。高值区域不仅包括云南省、广西壮族自治区、海南省、台湾省以及藏南南部，还包括广东省、福建省、贵州省、江西省、湖南省以及藏南大部分地区。而新疆西北部NPP处于600～800 g/m2区域较少，大多处在400～600 g/m2之间，且北方地区近16年实际生产力变化较为缓慢，无论是区域还是数值都较南方变化小。同样地，实际生产力的变动在空间上也存在几个波动，2000—2002年华南地区高值区域扩张显著，迅速扩张至华南大部分地区，而北部地区在空间分布上几乎没有变化。2003—2009年南方地区气候实际生产力高值区域出现缩减，但与TW模型模拟结果相比该缩减速度明显减缓，东北三省NPP在600～800 g/m2范围内的区域相对增加，而藏南地区高值区域未受到任何影响。2009—2010年南方高值区域又迅速扩张，扩张范围较大，整个华南地区均出现大于1 400 g/m2高值区域；2010年，我国南方多数地区出现洪涝灾害，南方气候生产力高值区域较少，致使2011年实际生产力出现骤降。2011年之后秦岭-淮河以南区域，气候实际生产力开始出现增长，高值区域开始向东部地区扩张，由西南地区逐渐扩张到华南、华东地区，中部地区如河南省处于600～800 g/m2范围内的区域也越来越多。

图3 基于ZGS模型模拟的全国2000—2015年NPP空间分布Fig.3 Spatial distribution of NPP in 2000—2015 simulated based on ZGS model

3.2.2陆地植被生态系统实际NPP空间分布

利用2015年土地利用数据分类系统(耕地、林地、草地)将全国实际NPP分为农田、森林、草地生态系统实际NPP(图4)，并分别从数值和空间分布上分析各陆地生态系统近16年年际变化、波动趋势及空间变化特征。由表1可知，实际NPP在数值上与潜在NPP一致，由小到大依次为草地生态系统、农田生态系统、森林生态系统，但采用ZGS模型模拟的各生态系统NPP均低于基于TW模型模拟的结果。草地、农田和森林生态系统多年变化斜率依次为-0.69、-2.19、-0.03，说明各陆地植被生态系统NPP总体均呈轻微下降趋势，草地生态系统和农田生态系统减少速率较慢，尤其是森林生态系统实际NPP几乎保持不变。而在空间分布上，各生态系统均呈由东南向西北逐渐降低的地理分层，近16年各生态系统空间分布几乎保持不变。但多年来由于气候变暖、自然灾害以及人为破坏，使得生态系统污染严重，该结果很好地验证了这一现象，对于制定生态安全保护政策以及加强公众的环保意识有一定的促进作用。

图4 2000—2015年各个生态系统平均NPP分布图Fig.4 Average distributions of NPP in each ecosystem from 2000 to 2015

3.3 TW模型与ZGS模型计算结果相关性分析

近16年全国NPP以及陆地生态系统潜在生产力和实际生产力的空间分布如图5所示。由图5可知，基于2个模型得出的NPP具有较好的一致性，决定系数为0.770 7。

图5 2000—2015年TW模型和ZGS模型所得均值结果相关性Fig.5 Correlation between mean results of TW model and ZGS model from 2000 to 2015

尽管草地生态系统模拟结果相关性较低，但从整体上看，模拟结果相关性极高，表明通过结合2个模型模拟全国生态系统NPP，能够弥补单个模型使用时在空间或时间分析上的不足，更好地揭示NPP的时空分布特征。

图6为2000—2015年1 km×1 km栅格内采用变化斜率法计算的年均NPP变化趋势。由图可知，基于TW模型计算的气候生产潜力在东北三省、西北干旱区、华南地区变化斜率大于0，说明该区域潜在NPP的变化呈上升趋势且增加较快，在未来短期时间内，仍有可能继续增加并保持该趋势。就局部变化来看，在中部地区如河南省、山东省、陕西省、山西省、河北省，西北地区如甘肃省、内蒙古自治区和新疆北部地区以及重庆市、贵州省、西藏自治区等地区变化斜率小于零，表明近16年来潜在NPP在该区域呈减小趋势，并且在未来短时间内仍有可能继续减小。基于ZGS模型计算的实际生产力变化斜率与基于TW模型的计算结果较为一致，年尺度NPP变化的空间有相似之处，变化斜率小于0的地区主要分布在河南省、山东省、山西省和河北省以及贵州省，而在东北三省以及华南大部分地区变化斜率大于0，其余地区变化斜率稳定在0左右，出现小幅度的变动。基于TW模型计算的变化斜率最高值为13.1，小于基于ZGS模型计算的变化斜率最高值，且最高值、最低值分布区域不同，基于TW模型计算结果NPP增加最快的区域为吉林省西部区域以及新疆西部区域，而基于ZGS模型增加最快的区域则是在台湾省、云南省西部、广东省西部以及广西壮族自治区东部地区；基于TW模型计算结果NPP减少最快的地方在中部地区，而基于ZGS模型减少最快的地区主要分布在藏南地区。

图6 2000—2015年全国NPP变化斜率Fig.6 National changing rates of NPP from 2000 to 2015

统计全国范围内潜在NPP变化斜率总和，基于TW模型计算的气候生产潜力变化斜率总和为-0.776 6，基于ZGS模型计算的实际生产潜力变化斜率总和为-1.309 5，由此可见，基于这两种方法计算的全国NPP较为一致，均为负值，说明全国气候生产力增加区域小于减少区域，因此全国气候生产潜力整体呈较少趋势，并在未来一段时间内仍然呈减少态势，但是变化率总和绝对值在1附近，表明虽全国NPP整体上有减少趋势，但变化并不明显。

4 结束语

以2000—2015年全国的温度和降水量为基础，利用TW模型和ZGS模型计算全国潜在净初级生产力和实际净初级生产力，从陆地植被生态系统角度，分析NPP年际变化、波动趋势以及空间变化特征，并评价实际生产力和潜在生产力之间的相关性。研究表明，基于TW模型和ZGS模型模拟的全国潜在NPP和实际NPP空间格局以及变化趋势具有相似性，决定系数为0.770 7，森林生态系统、农田生态系统、草地生态系统也呈一定的相似性；我国植被净初级生产力在空间分布上主要呈“南高北地”的状态，并且由东南向西北呈逐渐递减趋势；近16年全国植被潜在生产力和实际生产力均呈缓慢下降趋势，在不采取任何措施的前提下，在未来一段时间将保持缩减趋势；在空间分布上，NPP高值区域都有不同程度的缩减，但变化不明显。