石羊河流域植被净初级生产力时空变化及驱动因素

2023-06-08任丽雯王兴涛刘明春王大为

干旱区研究 2023年5期

任丽雯，王兴涛，刘明春，王大为

（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃兰州 730020；2.武威国家气候观象台，甘肃武威 733000；3.西北区域气候中心，甘肃兰州 730020）

植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是指单位时间、单位面积植被光合作用产生的有机质减去呼吸作用后剩下的部分，能够反映植被在自然环境下的生产能力，表征陆地生态系统的质量状况［1-2］。目前对于区域植被NPP 的估算主要有实地测量和模型模拟法，NPP 的估算模型又可分为气候相关统计模型（Miami［3］、Thornthwaite Menorial［4］和Chikugo［5］）、生态系统过程模拟模型（BIOMEBGC［6-9］）、光能利用率模型（CASA［10-11］）和生态遥感耦合模型四大类［12-13］。国内外众多学者基于不同NPP模型针对不同区域、不同时间尺度进行了研究，例如，朱玉果［14］等、杨晗［15］等和杨丹［16］等基于CASA模型分别对宁夏草地、内蒙古草地和黄土高原近年来的NPP 进行了估算，周刊社等［17］基于Miami 模型和Thornthwaite Memorial 模型对西藏羌塘NPP 时空变化开展了研究，张赟鑫等［18］基于CASA模型和Mi⁃ami模型对中亚地区NPP时空动态和驱动因素进行了研究，冯婉等［19］和茆杨［20］等利用MODIS NPP产品MOD17A3 数据分别对长江流域和西南地区NPP 的时空变化特征及影响因素进行了探究。

虽然前人针对不同区域时间尺度NPP 变化开展了研究，但是不同地区、不同时期的气候和人为因素各有其特殊性。石羊河流域地形独特，下垫面类型复杂多样，流域从南至北地理气候差异较大，具有特殊的“荒漠-绿洲-森林”典型生态系统。近年来随着区域气候变化和人类活动双重影响，流域生态结构、功能发生明显变化，出现祁连山区冰川萎缩、雪线上升，山区水源涵养力下降、生物多样性减少、草地退化、荒漠化发展等一系列生态问题。植被NPP不仅能够反映植被群落的生产能力，也是生态系统功能和结构变化的重要表征［21］，因此，对石羊河流域植被NPP 进行研究可为了解典型生态脆弱地区植被活动和陆地生态系统的质量状况提供重要参考依据。此外，近年来流域实施了一系列重点治理生态工程，而以往针对研究区的研究较少考虑到生态工程对植被NPP的影响。

CASA 模型综合考虑了不同的自然因素对植被NPP 的影响，同时其驱动变量数据多源于大尺度范围下的遥感影像，被广泛应用于区域或全球的NPP估算中［22］。本文基于CASA 模型，研究石羊河流域NPP 的时空变化特征及其驱动因素，客观了解植被活动和陆地生态系统的质量状况，探究气候变化与生态工程的实施等驱动因素影响下植被的响应机制，对评价石羊河流域植被生长状况、陆地生态系统质量、生态环境治理和评估提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

石羊河流域地处黄土、青藏、蒙新三大高原的交汇过渡带，位于甘肃省河西走廊东部，祁连山北麓，地理位置位于101°41′～104°16′E，36°29′～39°27′N（图1a）。地形分布大致为南部祁连山区、中部平原区和北部荒漠区。流域地处大陆腹地的深部，属大陆性温带干旱气候，气候特点是太阳辐射强，日照充足，夏季短而炎热，冬季长而寒冷，温差大，降水少，蒸发强烈，空气干燥。流域自南向北大致划分为3 个气候区，南部祁连山高寒半干旱半湿润区、中部走廊平原温凉干旱区和北部温暖干旱区。流域年均气温6.4 ℃，年降水量260.0 mm。据气象资料分析表明［23-24］，1981 年以来流域气候暖湿化趋势比较明显，蒸发量增加。研究区土地类型主要包括耕地、森林、草地、灌木丛、湿地、水体、积雪和裸地等（图1b）。

图1 石羊河流域地形示意图（a）和土地利用分类（b）Fig.1 The terrain(a)and use classification(b)in Shiyang River Basin

1.2 数据来源

遥感数据采用美国EOS/MODIS 提供的2000—2020 年1 km 分辨率的MODIS NDVI 月合成数据（MOD13A3）。DEM 数据分辨率100 m，来自国家青藏高原科学数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/）。气象数据选取石羊河流域8个气象站（民勤、凉州、天祝、乌鞘岭、古浪、永昌、金昌和肃南）2000—2020 年逐月的气温、降水资料，数据来源于全国综合气象信息共享平台（CIMISS），利用ArcGIS反距离加权插值方法对气温、降水空间插值，得到气象因素空间分布图。生态工程各项数据来源于《武威统计年鉴》（2000—2020）。

1.3 研究方法

1.3.1 CASA 模型采用基于光能利用率的CASA模型模拟估算2000—2020 年逐月石羊河流域NPP，通过各月累加得到年NPP。模型的计算方法见文献［2,25-26］。NPP数据来自西北区域气候中心。

1.3.2 一元线性回归趋势分析采用一元线性回归趋势分析方法，基于逐像元对2000—2020年石羊河流域的植被NPP的空间变化进行趋势分析，利用最小二乘法拟合逐像元的斜率，从而计算变化率，最终反映2000—2020 年流域植被NPP 的时空变化特征。计算方法如公式（1）所示：

式中：θslope为变化趋势；n为监测周期（即21 a）；NPPi为第i年的植被NPP。变化趋势的显著性检验采用F检验。

1.3.3 NPP 持续性分析 Hurst 指数可以定量描述时间序列数据的持续性特征。采用基于R/S方法的Hurst指数法［27］，分析研究区NPP的持续性特征。

对于时间序列{NPP(t)}，t=1，2，…，n，定义均值序列：Hurst 指数的范围为0～1，通常有3 种情况，若0.5

1.3.4 稳定性分析变异系数可以反映时间序列数据的相对波动程度，采用变异系数Cv分析研究区NPP变化的稳定性。变异系数越小说明数据分布越集中，即时间序列数据波动较小，反之说明数据波动性较大。

1.3.5 偏相关分析采用偏相关分析法分析NPP与气温、降水的相关性。偏相关系数的显著性检验采用t检验。

2 结果与分析

2.1 石羊河流域植被NPP时间变化特征

2000—2020 年石羊河流域植被NPP 线性增长率为2.2975 g C·m-2·a-1（图2），上升趋势不显著。多年平均值为291.01 g C·m-2·a-1，最小值出现在2000年（192.61 g C·m-2·a-1），最大值出现在2016年，达到421.47 g C·m-2·a-1。

图2 2000—2020年石羊河流域植被净初级生产力年际变化Fig.2 The interannual variation of vegetation NPP in Shiyang River Basin from 2000 to 2020

2.2 石羊河流域植被NPP空间分布及变化

受气候、人类活动和地形等因素影响，石羊河流域植被NPP空间分布差异较大，总体呈南高北低的分布格局（图3）。植被NPP 在150 g C·m-2·a-1以下的区域占比较大，达到42.9%，主要分布在流域中、下游荒漠区以及上游祁连山积雪区，包括古浪县北部、凉州区东部和民勤县，该区域主要以荒漠、半荒漠为主，无植被覆盖或植被覆盖稀疏，所以NPP较低；植被NPP 在150～300 g C·m-2·a-1的区域占比为18.7%，属于山间盆地和低山丘陵区，主要以裸地和草地为主，主要分布在永昌县西部和古浪县；植被NPP在300～450 g C·m-2·a-1的区域占流域总面积的13.5%，包括金昌市东南部和民勤县中部的绿洲农田灌溉区以及流域上游山前旱地；植被NPP 在450～600 g C·m-2·a-1的区域占流域总面积11.0%，主要分布在凉州区绿洲农田灌溉区；植被NPP 大于600 g C·m-2·a-1的区域占流域总面积13.9%，主要分布在上游祁连山区，包括在天祝县北部、凉州区西南部和肃南县，以林地和草地为主。

图3 石羊河流域植被净初级生产力（NPP）空间分布Fig.3 The space distribution of vegetation NPP in Shiyang River Basin

从2000—2020 年石羊河流域植被NPP 的空间变化趋势（图4a）和显著性检验结果（图4b）来看，植被NPP呈增加趋势的区域占总面积的86.4%，其中，极显著增加和显著增加的区域分别占6.7%和10.1%，主要分布在民勤县青土湖、古浪县境内、金川区和凉州区绿洲与沙漠交界处。说明近年来流域综合治理采取的一系列压沙造林、封沙育林和营造防风固沙林等防沙治沙工程建设取得了明显成效。植被NPP 呈减少趋势的区域占总面积的13.6%，极显著减少和显著减少的区域占比较少，分别为0.9%和1.3%，主要分布在凉州区城镇分布区域。主要是因为随着城市扩张，耕地面积减少，对植被NPP积累有一定影响。

图4 石羊河流域植被净初级生产力2000—2020年空间变化（a）及显著性检验（b）Fig.4 Spatial changes(a)of vegetation NPP and significance test(b)in Shiyang River Basin from 2000 to 2020

2.3 石羊河流域植被NPP稳定性分析

根据石羊河流域植被NPP 的变异系数大小及分布范围，将其划分为低波动、较低波总、中等波动、较高波动和高波动5 个等级，其中低波动（Cv<0.20）和较低波动（0.20≤Cv<0.25）区域面积占比分别为6.6%和43.0%（图5），主要分布在流域中下游凉州区东部和民勤县荒漠区，说明荒漠区植被NPP的年际波动变率较小；中等波动（0.25≤Cv<0.30）的区域所占比例为31.0%；较高波动（0.30≤Cv<0.35）和高波动（Cv≥0.35）的区域所占比例分别为11.8%和7.6%，主要分布在古浪县、民勤县青土湖、凉州区与民勤县绿洲与沙漠交界区和上游祁连山区，该区域植被生长具有较强波动性，主要是因为上述区域近年来植被恢复较为显著。

图5 石羊河流域植被净初级生产力变异系数Fig.5 The coefficient of variation of vegetation NPP in Shiyang River Basin

2.4 石羊河流域植被NPP未来趋势变化

石羊河流域Hurst 指数范围为0.195～0.815，平均值为0.46。Hurst指数小于0.5的区域占总面积的64.5%（图6a），说明石羊河流域植被NPP 有大部分地区的变化趋势与过去相反，主要分布在流域南部、东部和西南部，包括古浪县、天祝县、肃南县和民勤县东部。Hurst指数大于0.5的区域占总面积的35.5%，即植被NPP的未来变化趋势与过去一致，主要分布在流域中下游，包括凉州区、金昌市和民勤县西部。

图6 石羊河流域植被净初级生产力Hurst指数（a）及未来变化趋势（b）Fig.6 Hurst index and future change trend of vegetation NPP in Shiyang River Basin

为进一步分析石羊河流域植被NPP 的变化趋势和可持续性，将Hurst 指数的空间分布图与植被NPP 的变化趋势图相叠加，得到未来变化趋势分布图（图6b）。其中，极显著、显著和不显著增加并持续的区域分别占总面积的1.9%、2.8%和24.7%，主要分布在流域中游古浪县西部和下游民勤县中西部；极显著、显著和不显著减少并持续的区域分别占总面积的0.5%、0.6%和4.9%，零星分布在流域下游民勤县和永昌县；极显著、显著和不显著增加并反持续的区域所占比例较多，分别为4.8%、7.3%和45.0%，主要分布在流域上游天祝县、肃南县和下游民勤县东部；极显著、显著和不显著减少并反持续的地区分别占总面积的0.4%、0.7%和6.4%，零星分布在凉州区和民勤县。

2.5 气候因子对石羊河流域植被NPP变化影响

植被是陆地生态系统的重要组成部分，对气候变化的响应尤为显著，气候变化对植被生产力产生重要影响［28-30］。图7表明石羊河流域2000—2020年气温、降水均呈增加趋势，与NPP变化趋势一致，在此基础上研究植被NPP与气温、降水的相关性。植被NPP 与气温的偏相关系数介于-0.552～0.875，平均值为0.510。呈正相关的区域占总面积的97.6%（图8a），分布范围较广，其中有73.0%的区域呈显著正相关（P<0.05），呈负相关的区域仅占总面积的2.4%。流域植被NPP 与降水的偏相关系数介于-0.587～0.766，平均值为0.314。呈正相关的区域占总面积的89.6%（图8b），其中，有34.1%的区域呈显著正相关（P<0.05），主要分布在流域上游古浪县和中、下游的荒漠区。呈负相关的区域占总面积的10.4%，分布在流域上游西南部，包括肃南县和凉州区、天祝县沿山区。

图7 石羊河流域2000—2020年气温、降水变化Fig.7 Annual variations of temperature and precipitation in Shiyang River Basin from 2000 to 2020

图8 石羊河流域植被净初级生产力与气温（a）、降水（b）偏相关分析Fig.8 Partial correlation analysis between vegetation NPP and temperature(a),precipitation(b)in Shiyang River Basin

2.6 地形因子对石羊河流域植被NPP变化影响

海拔高度主要影响气温、湿度和光照的分布，石羊河流域地势南高北低，涵盖山地、平原、丘陵和荒漠四大地貌单元，不同海拔高程范围对植被NPP影响也不同。在不同的海拔高程范围内，NPP 分布差异明显。总体来看，随着海拔的增加，NPP呈先增大后减少趋势（图9a）。海拔在1638 m以下时，主要以北部低山丘陵区及荒漠区为主，植被NPP 较低，平均值仅为179.67 g C·m-2·a-1。随着海拔的增高，NPP逐渐增大，海拔在3158～3538 m范围时，土地类型主要以森林和草地为主，NPP 均值达到最大，为665.62 g C·m-2·a-1。之后随着海拔的增加，土地类型逐渐转换为草地、裸地、积雪等，NPP迅速下降。

图9 石羊河流域植被净初级生产力在不同海拔（a）、坡度（b）下的分布Fig.9 Distribution of vegetation NPP under different elevations(a)and slopes(b)in Shiyang River Basin

坡度对植被的水分和养分的吸收产生影响，并且温度在坡顶和坡底的分布也不同，所以不同的坡度对植被NPP 分布也产生影响。结果表明随着坡度的增加，流域植被NPP呈增大趋势（R2=0.5974，P<0.05）（图9b）。坡度在30°～35°范围时，NPP 达到最大，均值为507.88 g C·m-2·a-1。坡度大于35°后NPP略有下降。

2.7 人类活动对石羊河流域植被NPP变化影响

近年来，石羊河流域生态环境得到明显改善，通过坚持实施“生态屏障行动”，以建设节水型社会为中心，着力破解“结构性缺水”命题，按照“南护水源、中保绿洲、北治风沙”的总体布局，统筹节水、造林、治沙、防污4个重点问题，以科学防沙治沙、绿地倍增行动等为重点，着力推进石羊河流域综合治理规划实施，提前八年实现石羊河流域重点治理“两大约束性目标”。通过科学推进防沙治沙、绿地倍增和国家节水行动，加快实施山水林田湖草、退牧还草等重点生态工程，石羊河流域林地面积显著增加。经统计2000—2020年石羊河流域造林面积（图10a）、退耕还林还草面积（图10b）和封山（沙）育林面积（图10c），均与各年植被NPP 呈正相关关系。其中，造林面积与植被变化呈显著正相关（R2=0.45，P<0.05），说明流域采取的一系列治理政策措施对生态环境改善具有明显的促进作用。

图10 石羊河流域2000—2020年造林面积（a）、退耕还林还草面积（b）和封山（沙）育林面积（c）Fig.10 The area of afforestation(a),returning farmland to forest and grassland(b),and closing hillsides and sand for afforestation(c)in Shiyang River Basin from 2000 to 2020

3 讨论

2000 年以来石羊河流域的植被NPP 总体呈不显著增加趋势，这与李传华等［31-32］、同琳静等［33］对石羊河流域、河西走廊和中国西北地区植被NPP的变化趋势研究结论相似。流域植被NPP 增加的原因可归结为：（1）通过石羊河流域重点治理，生态工程成效显著，多种生态修复政策的实施对流域植被NPP的增加产生明显促进作用。已有研究表明［34-35］我国的退耕还林计划显著增加了植被面积，Zhou等［36］研究发现人类活动促进了西北地区NPP 的增加。本文研究表明，2000年以来植被NPP呈增加趋势的区域占总面积的86.4%，其中显著增加的区域主要分布在民勤县青土湖和古浪县。近年来民勤县通过工程压沙造林、滩地造林、封沙育林、退耕还林等综合治理措施，青土湖区域的沙化得到有效治理。自2010年青土湖开始实施生态补水，青土湖水域面积不断增加，目前区域已形成超过100 km2的旱区湿地。古浪县在开展生态移民工程的同时，通过人工造林、补植造林、有害生物防治等措施，南部山区形成了大量林草地，植被生态得到了保护和修复。上述结论与王玉纯等［37］和徐晓宇等［38］研究发现石羊河流域退耕还林和荒山造林对NPP提升较为明显，生态治理后植被恢复显著的结论相一致。（2）2000 年以来石羊河流域气温、降水呈增加趋势。Michaletz 等［39］指出在局地尺度上，温度和水的可用性是植物生理和生态系统代谢的基本驱动因素，Chen［40］等学者研究表明，干旱地区的植被水文过程对气候变化的响应相较于其他区域更为敏感。本文对NPP 与气温和降水的偏相关分析表明，呈正相关的区域分别达到97%和89%以上，研究区2000 年以来气温、降水均呈增加趋势，也有很多研究表明石羊河流域气候呈暖湿化发展［41-42］，水热条件充足能够促进植被生长和干物质积累，这与张雪蕾和杨雪梅等的研究结论一致［23,43］。本文的研究表明石羊河流域植被NPP与降水的相关性低于气温，甚至流域西南部祁连山区呈负相关，与Guo［44］等认为降水是影响我国北方干旱地区植被NPP 变化的主要因素的研究结论不一致，原因主要是因为研究区域时空尺度、下垫面类型等因素不同。石羊河流域中下游农业属于灌溉农田，虽然降水量增加有利于农田植被生长，但降水不足时充足的灌溉依然可以保证作物生长，甚至会出现天旱地不旱现象，所以研究区绿洲农田区域植被NPP 与降水呈不显著正相关。此外流域西南部祁连山区降水充沛，年降水量在400 mm 以上，年均气温在4.5 ℃左右，日照时间少，因此，光热条件是限制植被生长的主导因素。降水偏多时意味着阴天较多，光热条件不足，植被的光合作用过程减少，植被生长受到抑制。

石羊河流域的植被NPP 空间上表现为南高北低的分布格局，随着海拔高度的增加呈先增大后减少的趋势，与曹红娟［45］对河西走廊植被NPP随海拔高程变化趋势的研究结论一致。南部山区海拔较高，降水充沛，土地覆盖类型主要以森林和草地为主，再加上高海拔地区人类活动的干预减少，中北部地区随着海拔的降低，土地类型主要以耕地和建设用地为主，人类活动对植被NPP 的干扰逐渐增大，北部土地覆盖类型主要以荒漠为主，因此，地形、植被类型、降水和人类活动等因素的共同影响形成了流域植被NPP南高北低的分布格局。

对石羊河流域植被NPP 未来变化趋势表明，流域植被增加且反持续所占面积比例较大，与张立峰［46］对西北地区未来植被持续退化区面积略大于持续改善区面积的结论相似。说明研究区整体生态环境仍然较为脆弱，虽然近年来通过一些生态工程的推进与实施，生态环境呈改善趋势，植被NPP显著增加面积较大，但持续性仍然较弱。主要由于石羊河流域自然环境恶劣，下游区域三面环沙，沙漠化面积较大；再加上水资源紧缺，流域降水量满足不了日益扩大的需求，用水矛盾始终存在；此外，沙尘、干旱等灾害性天气频发，上述原因使得流域很难形成较好的生态系统，虽然近年来通过采取一系列治理措施局面有所好转，但是生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力总体上尚未根本缓解，从重点治理到综合治理依然任重道远。

植被NPP 变化的影响因素众多，部分研究表明土地利用变化也会显著影响NPP 变化［47-48］，今后还应从更加细致微观的角度去分析植被生长对各个因素的响应，在生态工程的推进与实施中采取更有针对性的措施，通过坚持系统治理、综合治理和源头治理，增强流域生态系统的稳定性，为石羊河流域生态恢复与保护提供更加科学的参考依据。