2000—2019年滇黔桂岩溶区植被NPP时空变化及与气候变化的关系研究

马炳鑫，靖娟利, ，徐勇*，何宏昌，刘兵

1. 桂林理工大学测绘地理信息学院，广西 桂林 541006；2. 广西空间信息与测绘重点实验室，广西 桂林 541006

滇黔桂岩溶区地处我国西南部，是西南岩溶区核心区域，连片裸露的岩溶区面积占三省总土地面积的39.7%（李应中等，1996；靖娟利等，2019）。岩溶区虽然拥有丰富的矿产、农林和水资源（李阳兵等，2002），但由于受到地理环境、气候变化及人类活动的综合作用，造成滇黔桂岩溶区部分地区生态环境脆弱，石漠化等问题严重（靖娟利等，2017；赵东杰等，2020），岩溶区生态环境问题已经成为制约滇黔桂三省社会经济发展的关键问题。

植被净初级生产力（Net Primary Production，NPP）是指在单位面积、时间内绿色植物通过光合作用积累的有机质总量扣除自养呼吸后的剩余成分，直接反映了在自然条件下植被的生产能力（朱文泉等，2005；朱文泉等，2007；尹锴等，2015）。植被NPP是植被自身生理特性、外界环境因素共同作用的结果，是判定陆地碳循环的重要因子，同时也是判定陆地生态系统健康的重要指标（Twine et al.，2009；Michaletz et al.，2014；Gao et al.，2017）。近年来国内外学者针对不同区域的气候变化对植被 NPP的影响开展了大量的研究，Kamali et al.（2020）对伊朗境内植被NPP与气候因子的关系做了研究，发现 2000—2014年伊朗年均温较高的气候区植被 NPP与气温呈现负相关关系，而王静等（2015）对中国南方丘陵山地带植被NPP时空动态进行了研究，发现植被NPP的时空变化与气温、降雨和太阳辐射等自然因素的变化有直接的关系，其中气温对植被NPP具有显著的促进作用，在水热条件较好的地区气温可能会限制植被NPP的发展，而水热条件较差的地区气温对植被NPP的促进作用较为显著；汤曾伟等（2018）对锡林郭勒盟植被NPP与气候变化的滞后效应进行了研究，发现6—7月的降水对该地后期植被NPP影响显著，植被NPP对气温无显著的滞后效应；黄晓云等（2013）对西南喀斯特地区植被NPP的时空变化及驱动机制进行了研究，发现2000—2005年西南喀斯特地区植被NPP总体呈上升趋势，2006—2011年间呈下降趋势，植被NPP与水热变化有较强的相关性，且气温对植被NPP的作用大于降水，同时期有学者从不同角度上对西南喀斯特植被与水热变化的相关性进行了研究（肖建勇等，2018；张凯选等，2019；刘炜等，2021），获得了与此相同的结论。上述研究在一定程度上对滇黔桂岩溶区植被NPP的时空变化及驱动因素的研究奠定了基础，但仍存在研究时间短，研究范围受限制，专门针对滇黔桂岩溶区的研究较少的问题，且目前大部分对植被NPP与气候因子的研究集中于他们的相关性研究上，对植被NPP与气候变化的滞后性的研究较少，而该方面的研究对认识和了解气候变化对植被NPP的作用机制有重要意义。

鉴于此，本文基于 2000—2019年 MOD17A3 NPP数据，结合同期基于站点的气象数据，以滇黔桂岩溶区为研究区域，采用趋势分析、Mann-Kendall显著性检验、R/S分析及相关性分析等方法，探讨了滇黔桂岩溶区植被NPP的时空演变特征，并从4种气候因子与植被NPP的相关性入手，对植被NPP与气候变化的关系进行了研究，以期为滇黔桂岩溶区植被生态建设及可持续发展布局提供科学支撑与理论依据。

1 研究区概况

滇黔桂岩溶区是中国典型的岩溶发育区，涉及云南、贵州和广西 3个省市自治区，海拔在−78—5504 m之间，总面积约为3.2×105km2，占三省总面积的39.7%（图1）。研究区地域辽阔，地理位置介于 97°31′—112°04′E，20°54′—29°15′N。该区域属于典型的亚热带季风气候和热带季风气候区，水热条件良好，降水量、温度随季节和区域变化差异明显，年均气温和降水量大致为从西北至东南递增。该区域生态位置重要，是珠江上游重要的支干流所在地，但由于岩溶区环境的脆弱性，加上人类活动的影响，已经引起了石漠化、水土流失等一系列生态问题。

图1 研究区高程Fig. 1 Elevation of study area

2 数据与方法

2.1 数据来源及预处理

MODIS NPP数据来源于美国航空航天局（http://lpdaac.usgs.gov）的对地观测数据集中的MOD17A3数据产品，空间分辨率为500 m×500 m，时间分辨率为1年，该数据产品经过MRT（MODIS Reprojection Tools）软件处理后得到tif格式的NPP数据。DEM数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/search），空间分辨率为 30 m。气象数据来源于国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）的 1951—2019年 613个站点的逐月气温、降水、相对湿度和日照时数数据，经过 ArcMap 10.8软件统一插值为空间分辨率 500 m×500 m的栅格数据。滇黔桂岩溶区分布数据来源于中国地质科学院岩溶地质研究所编制的中国可溶岩分布图。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析法

趋势分析法（Stow et al.，2003）能够对区域内植被NPP数据在时间尺度上进行逐像元分析，获取在时间尺度上每个像元植被NPP变化的斜率，得到其空间分布。计算过程如下：

式中：

n——年数，在本文中为20；

S——像元点植被NPP变化的趋势斜率；

NPPi——某一像元点第i年植被NPP。若S＞0表示此像元点植被NPP值呈增加趋势，S＜0为减少趋势，S=0表示没有变化。S绝对值越大，表示变化趋势越明显。

2.2.2 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall检验常与趋势分析相结合，对长时间序列变化趋势进行显著性检验，目前已被广泛应用于气象、水文、植被等研究中（Mallick et al.，2020；张建云等，2019；张继等，2019），并取得了很好的效果。其计算公式如下：

将植被NPP值按时间序列定义为V1, V2, …, Vn，第i个累计样本量S计算公式为：

式中：

Var(S)——方差；

S——正态分布。根据正态分布表，本文选取|Z|＞1.96时通过95%显著性检验。

2.2.3 重标极差分析

重标极差（R/S）分析是用于定量分析水文、气候等长时间序列信息有效方法（史雯雨等，2021；岳永杰等，2020），通过建立Hurst（H）指数对判断趋势的持续性。其计算公式如下：

设有时间序列{V(t)}，（t=1, 2, …）。把它分为等长度子区间，定义均值序列：

定义累积离差：

求取极差：

求取标准差：

等长度子区间可变，不同分段对应不同情况，由上式可建立如下关系：

式中：

H——Hurst指数，取值范围为（0, 1）。当0＜H＜0.5时，表明植被NPP未来趋势与过去变化相反，具有反持续性；当H=0.5时，表明过去变化对未来趋势不造成影响；当0.5＜H＜1时，表明植被NPP未来趋势与过去变化相同，具有持续性。

2.2.4 相关性分析

相关性分析能够研究要素之间的关系，相关系数能够反映各要素之间的相关程度，其计算公式如下：

式中：

xi、yi——两组变量中的第i年的数值；

为切实把“民族团结一家亲”常态化“结亲周”活动和群众工作“两个全覆盖”落到实处。10月20日至11月20日，七师一三一团在全团党员干部中分两个阶段开展第五轮“结亲周”活动和群众工作“两个全覆盖”。

Rxy——相关系数，取值范围为（−1, 1），Rxy＞0时，表明两个变量间呈正相关；Rxy＜0时，表明两个变量间呈负相关。Rxy的绝对值越大，相关性越高。根据相关系数检验临界值表，选取|Rxy|＞0.44通过95%显著性检验。

3 结果分析

3.1 植被NPP空间分布特征

由2000—2019年滇黔桂岩溶区植被NPP空间分布图（图2）可知，20 a研究区植被NPP总体均值为 845.49 g·m−2·a−1，从空间分布来看，呈现西南高东北低的分布状态，研究区内大部分地区植被NPP 处于 550—1000 g·m−2·a−1之间，占总面积的74.06%。低值区（0—400 g·m−2·a−1）仅占总面积的5.04%，主要分布在广西柳州市及云南丽江市附近的岩溶区，其他地区有少量零星分布，这些地区主要为高寒及人类活动频率较高的地区，导致植被生存环境破坏或难以生长，植被 NPP较低。高值区（1000—1950 g·m−2·a−1）占总面积的 20.90%，主要分布于云贵高原西南部岩溶区，广西百色市及贵州黔南布依族苗族自治州也有呈片状分布，以上区域水热条件、生态环境良好，生长着茂密的常绿阔叶林、针叶林，因此这些区域植被NPP较高。

图2 滇黔桂岩溶区植被NPP空间分布Fig. 2 Spatial distribution of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.2 植被NPP时空变化特征

由图3可知，20 a间滇黔桂岩溶区植被NPP变化整体呈波动上升趋势，年均上升速率为 4.02 g·m−2·a−1，最 小 值出 现 在 2000 年， 为 785.84 g·m−2·a−1，低于平均值 60.65 g·m−2·a−1，最大值出现在 2015 年，为 891.91 g·m−2·a−1，高于平均值 46.42 g·m−2·a−1。2004 年和 2010 年植被 NPP 呈断崖式下跌，可能与南方大旱，植被生长受限有关（赵志平等，2015）。

图3 滇黔桂岩溶区植被NPP年际变化Fig. 3 Interannual variation of NPP in karst areas of Yunnan,Guizhou and Guangxi

滇黔桂岩溶区植被 NPP变化趋势及显著性检验表明（图4、表1），2000—2019年滇黔桂岩溶区80.19%的区域植被NPP呈增加趋势，其中呈显著增加的区域占总面积的46.61%，显著增加的区域主要呈块状分布在乌蒙山、贵州毕节、广西丘陵北侧等地区，其他岩溶区也有呈点状分布的显著增加区域。呈减少趋势的区域占总面积的19.81%，其中呈显著减少的区域仅占总面积的15.13%，主要呈块状分布在西双版纳傣族自治州，其他呈点状分布在各城市周围，其植被NPP减少原因可能与城市扩张有关（盛叶子等，2020）。

图4 滇黔桂岩溶区植被NPP变化趋势空间分布Fig. 4 Spatial distribution of NPP change trend in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

表1 滇黔桂喀斯特地区植被NPP变化趋势Table 1 Change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.3 植被NPP未来变化趋势特征

为进一步分析滇黔桂岩溶区的变化趋势及未来持续性，将变化趋势与Hurst指数进行叠加分析，得到滇黔桂岩溶区植被 NPP未来趋势变化图（图5）。由图5和表2可以看出，研究区未来呈增加趋势的面积占总面积的78.53%，呈强持续显著增加区域占33.03%，主要分布在乌蒙山及广西盆地北部。未来呈减少趋势的区域占21.47%，主要分布在云南丽江市及西双版纳傣族自治州附近，苗岭附近也有呈点状分布未来呈减少趋势的区域。研究区未来植被生长情况良好，大部分地区植被NPP以增加趋势为主，但仍有个别地区植被将会持续退化。

表2 滇黔桂喀斯特地区植被NPP未来变化趋势Table 2 Future change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

图5 滇黔桂岩溶区植被NPP未来变化趋势空间分布Fig. 5 Spatial distribution of future change trend of NPP in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

3.4 植被NPP驱动因素

3.4.1 植被NPP与气候因子相关性分析

气候变化对植被NPP变化起到重要作用，为定量识别不同气候因子与植被NPP之间的相关性，本研究选取降水、气温、相对湿度和日照时数4种气候因子，分别与 2000—2019年滇黔桂岩溶区植被NPP进行区域整体年际变化相关分析和逐像元相关分析，获取4种因子与植被NPP的相关显著性。年际变化相关分析显示，区域内整体植被NPP与降水、气温、相对湿度和日照时数间年际变化相关系数分别为 0.167、0.640（P=0.002）、0.023和 0.021，仅植被 NPP与气温年际变化相关系数通过显著性验证；逐像元相关分析显示（图6），研究区植被NPP与降水、气温、相对湿度和日照时数间相关系数均值分别为−0.01、0.26、0.01和−0.01。其中降水、气温和日照时数区域整体年际变化相关系数与逐像元相关系数均值水平趋近，气温区域整体年际变化相关系数高于逐像元相关系数均值。由此可知气温对区域整体植被NPP起显著促进作用，降水、相对湿度和日照时数对区域整体植被NPP作用不显著。

图6 滇黔桂岩溶区植被NPP与降水（a）、气温（b）、相对湿度（c）及日照时数（d）的相关显著性Fig. 6 Correlation significance between NPP and precipitation (a), temperature (b), relative humidity (c) and sunshine hours (d) in karst areas of Yunnan, Guizhou and Guangxi

滇黔桂岩溶区植被 NPP与气温呈正负相关区域面积占比相差较大，分别占总面积的 85.12%和14.88%。呈显著正相关的区域占总面积的25.05%，主要分布在乌蒙山、大娄山附近区域；呈显著负相关区域仅占0.96%，主要分布在云岭及西双版纳傣族自治州地区。滇黔桂岩溶区植被NPP与降水、相对湿度和日照时数呈正负相关区域面积占比接近，高寒地区植被NPP与降水和相对湿度多呈负相关，而与日照时数呈正相关；云贵高原中部植被NPP与降水、相对湿度和日照时数主要呈负相关；云贵高原东部区域植被NPP与日照时数呈显著的正相关。滇黔桂岩溶区植被NPP与这 3种气候因子的相关性具有明显的空间异质性，这可能与这些区域植被对气候变化的响应程度不同有关。

植被生长对气候变化的响应具有滞后效应，本研究对滇黔桂岩溶区植被NPP与4种气候因子0—3月前变化分别进行相关性分析（谢胜金等，2020），采用最大值合成法，得到研究区植被NPP对气候变化最大相关性，进而获得最大响应滞后期（图7）。如图7所示，滇黔桂岩溶区植被NPP对不同气候变化的最大响应的滞后期存在明显的空间异质性，造成空间分布不同的原因可能与当地的植被类型有关。研究区植被NPP对0—1月前的气温和日照时数变化较为敏感，而对 2—3月前的降水和相对湿度变化较为敏感。

图7 滇黔桂岩溶区植被NPP对降水（a）、气温（b）、相对湿度（c）及日照时数（d）变化最大响应滞后期Fig. 7 The maximum response lag of NPP to the changes of precipitation (a), temperature (b), relative humidity (c) and sunshine hours(d) in the karst area of Yunnan, Guizhou and Guangxi

滇黔桂岩溶区植被NPP对2—3月前降水变化的最大响应区域面积占比为77.32%，其中对3月前降水变化响应最大，占比为63.61%，主要呈块状分布在乌蒙山、大娄山、柳州市及来宾市附近地区，其他地区也有呈点状分布的区域；植被NPP对0—1月前降水变化的最大响应区域占比为22.68%，主要呈块状分布在云南东部地区，黔南布依族苗族自治州北部和河池市南部也有少量块状分布。

滇黔桂岩溶区植被NPP对0—1月前气温变化的最大响应区域面积占比为66.57%，其中对当月气温变化响应显著，占比为47.83%，主要分布在云贵高原北部。植被NPP对2—3月前气温变化的最大响应区域占比为33.43%，集中分布在云贵高原南部及广西丘陵北部地区。滇黔桂岩溶区对气温变化的最大响应滞后期体现出明显的纬度差异。

滇黔桂岩溶区植被NPP对2—3月前相对湿度变化的最大响应区域面积占比为71.08%，主要分布在云贵高原中部、广西来宾市、桂林市、百色市北部地区。植被NPP对0—1月前相对湿度变化的最大响应区域占比为28.92%，主要分布在大娄山至武陵山一带及广西河池市附近地区，云南丽江市南部也有少量块状分布。

滇黔桂岩溶区植被NPP对0—1月前日照时数变化的最大响应区域面积占比为65.80%，主要分布在乌蒙山东部、黔西南布依族苗族自治州以北地区，云南文山壮族苗族自治州至广西崇左市一带。植被NPP对2—3月前日照时数变化的最大响应区域占比为34.20%，主要分布在云岭附近及广西来宾市以北至苗岭一带。

4 结论与讨论

4.1 讨论

本文研究发现，20 a间滇黔桂岩溶区植被NPP除少数受异常气候影响年份外，多年来植被NPP一直处于上升状态，这与以往的研究结果一致（孙睿等，2001；董丹等，2011；刘刚等，2017）。20 a间研究区植被 NPP 均值为 845.49 g·m−2·a−1，与同期南方岩溶区植被NPP水平相近，植被NPP年均上升速率为 4.02 g·m−2·a−1，高于全国岩溶区植被 NPP 上升速率 0.92 g·m−2·a−1（Wu et al.，2020）。从研究结果来看，20a间滇黔桂岩溶区植被生长情况良好，植被 NPP空间分布差异明显，主要呈现“南高北低”的分布格局，研究区西北部为横断山脉，中东部为云贵高原，这些区域海拔较高，植被生长受限，植被NPP较低；南部受热带季风气候影响，水热条件良好，海拔高度适中，生长有大量的针叶阔叶林，因而植被NPP较高。

植被对气候变化的响应主要表现在其独特的生理机制对周围气候变化的敏感性，滇黔桂岩溶区植被 NPP对气候变化的响应机制具有明显的区域性差异。研究发现滇黔桂岩溶区植被NPP与气温呈现正相关，与降水并不存在显著的相关关系，这与前人研究结论一致（张笑鹤，2011；兰小丽等，2020）。滇黔桂岩溶区内气温对植被NPP起显著促进作用，而降水、日照时数与相对湿度对植被NPP影响并不明显，已有研究表明，降水是影响干旱、半干旱区植被生长的主要气候因子，而在湿润地区降水可能会对植被生长起抑制作用，滇黔桂岩溶区紧邻南海，受季风气候影响，降水较多，地区差异导致降水对植被生长的作用产生明显差异，而过多的日照会导致蒸腾作用增加，同样也会导致植被生长受限。气温和日照时数对植被NPP的滞后效应较短，这是因为气温和日照时数能够直接对植被光合和呼吸作用产生影响，直接影响到植被生长发育；而降水及相对湿度通过土壤渗透、改变地下径流间接影响植被根系吸收水分的方式，对植被生长产生影响，这种方式反应在植被 NPP的变化上较为缓慢。在全球气候变暖的背景下，随着温度的升高，植被NPP将会进一步上升。

人类活动和气候变化是影响植被 NPP的重要因素，人们普遍认为气候变化是影响植被NPP变化的主导因素，但近些年有研究表明（Piao et al.，2011），人类活动对植被NPP的影响正在逐年上升。在生态保护政策的驱动下（金芳芳，2018；史晨璐，2020），人类活动对滇黔桂岩溶区植被NPP促进作用较为显著。人类活动对滇黔桂岩溶区时空演变具有重要影响，本研究并未对人类活动对植被NPP进行研究，此方面会在下一步研究中进行补足。

4.2 结论

本研究基于MOD17A3 NPP数据和同期气象站点的监测数据，采用趋势分析、Mann-Kendall检验、R/S分析及相关分析等方法，对滇黔桂岩溶区植被NPP的时空变化特征和未来趋势进行了研究，并探讨了岩溶区植被NPP变化与气候变化之间的关系，主要结论如下：

（1）2000—2019年滇黔桂岩溶区植被NPP均值为 845.49 g·m−2·a−1，空间上呈现西南高东北低的分布格局，20a间植被NPP总体呈现波动上升趋势，上升速度为 4.02 g·m−2·a−1。呈上升趋势的面积占总面积的80.19%，呈显著上升的区域占46.60%，呈减少趋势的区域占总面积的19.81%。

（2）研究区未来植被NPP以上升趋势为主，且未来同向变化趋势远大于反向变化趋势。未来呈增加趋势的面积占总面积的78.53%，呈强持续显著增加区域占33.03%，主要分布在乌蒙山及广西盆地北部；呈减少趋势的区域占21.47%，主要分布在云南丽江市及西双版纳傣族自治州附近。

（3）研究区内整体气温对植被NPP起显著促进作用，降水、相对湿度和日照时数对植被NPP作用不显著，不同地带岩溶区植被NPP对气候变化的响应程度相差较大。

（4）研究区植被NPP对0—1月前气温和日照时数变化响应程度较高，而对前 2—3月降水及湿度变化响应程度较高。