塔里木盆地南缘植被NPP时空变化特征及驱动因素——以和田地区为例

沈文婕, 王双成,刘 溢,张晓凡,刘 勤,郑天亮,杨晴雯,裴向军,4,李景吉,4

(1.成都理工大学生态环境学院,成都 610059;2.新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第二水文工程地质大队,新疆 昌吉 831100;3.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041;4.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059)

【研究意义】植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)是指植被通过光合作用产生的有机质总量,扣除自身呼吸消耗的有机质量,代表单位面积、单位时间内植被积累的有机质总量[1-2]。NPP作为陆地生态过程的关键参数和反映区域生态环境状况的重要指标,其动态变化可以反应气候变化和人类活动对生态系统的影响[3-6]。研究植被NPP时空格局及其驱动因素,对区域生态环境保护和可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】近年来,随着遥感技术的快速发展,基于遥感技术的NPP时空动态已广泛应用于表征生态系统健康状况[7]。李登科等[8]、涂海洋等[9]、Ge等[10]、Zhang等[11]、Song等[12]、Yang等[13]和杨楠等[14]分别在全国和区域(青藏高原、贵州省、新疆地区和黄河流域)尺度上探讨了植被NPP变化的驱动因素,发现植被NPP变化受气候因素和人类活动的综合影响,其影响因素存在地域差异。如,全球增温是青藏高原植被NPP增加的主要影响因素,人类活动和低海拔高温对植被NPP增加有正向影响[11];人类活动对贵州省植被NPP的影响强于气候因素[12];人类活动对新疆地区植被NPP的促进作用强于气候因素[13];黄河流域植被NPP低值区主要受气候因素影响,植被NPP高值区主要受人类活动影响[14]。【本研究切入点】和田地区位于塔里木盆地南缘,属典型的北方干旱荒漠区,生态环境极其脆弱。国内外学者分别从植被NPP的时空变化及其与气候、海拔、土地利用等因素之间的关系角度,探索新疆地区植被NPP的变化特征及驱动机制[13,15-18],也从区域尺度开展了和田地区NPP时空变化特征分析[19],但尚未见到对和田地区植被NPP时空变化驱动机制的研究报道。【拟解决的关键问题】基于MOD17A3数据,运用趋势分析、变异系数和相关性分析等方法,定量分析和田地区2000—2020年植被NPP时空变化特征,探讨气候因素和土地利用对和田地区植被NPP的影响,以期为和田地区植被恢复和生态保护建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

和田地区位于新疆维吾尔自治区最南端,南枕昆仑山,与西藏自治区相连,北部深入塔克拉玛干沙漠腹地与阿克苏地区阿瓦提县接壤,东部与巴音郭楞蒙古自治州且末县毗连,西南越喀喇昆仑山与印度、巴基斯坦实际控制的克什米尔地区毗邻,东西长670 km,南北宽约570 km,总面积2.48×105km2(图1)。研究区位于欧亚大陆腹地,受周源帕米尔高原、天山、昆仑山、喀喇昆仑山等地形控制,形成了区内暖温带极端干旱的荒漠气候特征,年均降水量52 mm,年蒸发量2480 mm,年均气温12.5 ℃[20]。

图1 研究区位置及高程Fig.1 Location of the study area

1.2 数据来源及处理

本研究NPP数据来源于美国国家航空航天局(https://lpdaac.usgs.gov/)的MOD17A3数据,时间、空间分辨率分别为1 a、500 m,选用h24v05数据,使用MRT工具对其进行格式转换、投影处理,然后在Arcgis中剔除无效值(表1),乘以比例因子0.1,裁剪得到2000—2020年和田地区NPP数据。DEM数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn),空间分辨率90 m,经投影、裁剪、重采样等处理后,得到空间分辨率500 m的高程数据。气象数据来源于国家气象科学数据中心网站(https://data.cma.cn/),选取2000—2020年研究区及周边18个站点的降水、气温数据,采用协同克里金插值方法,将DEM数据作为协变量进行插值,空间分辨率为500 m,裁剪得到2000—2020年和田地区逐年降水、气温数据。土地利用数据来源于美国国家航空航天局(https://lpdaac.usgs.gov/)的MCD12Q1数据,其时间范围为2001—2020年,时间、空间分辨率分别为1 a、500 m,选用IGBP全球植被分类数据,根据和田地区的具体情况将土地利用类型合并为草地(草地+热带稀树草原+木本热带稀树草原)、水体(水体+永久湿地)、耕地、灌丛、裸地、永久性冰雪、建设用地7类;由于缺少2000年的土地利用数据,采用2001年的数据代替。

表1 MOD17A3数据集无效值及含义Table 1 Invalid values and meanings for the MOD17A3 dataset

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析 一元线性回归法能够反映2个变量之间的线性关系[21]。采用一元线性回归法对21年逐像元的年均NPP与年份进行回归分析,获得21年NPP的趋势线斜率,从而分析植被NPP的总体变化趋势,其计算公式如下:

(1)

式中,θslope为趋势线斜率,n为年份,n=21,NPPi为第i年的NPP值。θslope的正负表示NPP年际变化的上升或下降速率,θslope为正表示NPP上升,反之表示下降。

1.3.2 变异系数 变异系数又称离散系数,是数据标准差与其平均值的比值,该方法常用于衡量数据的波动性[22],其计算公式如下:

(2)

1.3.3 相关性分析 相关性分析主要用来反映要素之间的相关程度和相关方向[23]。本研究利用基于像元的皮尔森相关系数分别研究植被NPP与降水、气温的相关性及其显著水平,相关系数、偏相关系数及复相关系数计算公式如下:

(3)

(4)

式中,Rxy,z表示固定自变量z和因变量x与自变量y的偏相关系数,因变量为植被NPP,自变量为平均气温和降水量。

(5)

式中,Rx,yz表示因变量x和自变量y、z的复相关系数,即植被NPP与气温、降水的复相关系数;Rxy为变量x、y的相关系数,Rxz,y为偏相关系数。

本研究对偏相关和复相关系数的假设检验,分别采用t检验和F检验,其公式如下:

(6)

(7)

式中,n为样本个数(个);m为变量个数(个)。

2 结果与分析

2.1 和田地区植被NPP时空分布与变化特征

和田地区植被NPP多年均值的空间分布差异显著(图2-a),呈“条带”分布特征,表现为NPP高值区[NPP>200 g·C/(m2·a)]主要分布在和墨洛绿洲中部和塔斯洪河、桑株河流域,占植被总面积的11.96%;NPP中值区[100< NPP< 200 g·C/(m2·a)]主要分布在策勒绿洲、和墨洛绿洲西北部和东部以及慕士山、昆仑山脉附近,占植被总面积52.99%;NPP低值区[NPP<100 g·C/(m2·a)]主要分布在和田河、尼雅河流域和于田绿洲,占植被总面积35.05%,并零星分布于研究区西南部(主要分布于稀疏植被、荒漠、戈壁等)和北部(塔克拉玛干沙漠)。

图2 和田地区植被NPP多年均值空间分布(a)及年际变化(b)Fig.2 Spatial distribution of the annual average (a) and interannual variation (b) of vegetation NPP in Hotan area

2000—2020年,研究区植被NPP呈波动增加趋势,线性增加率为1.877/a(P<0.01),均值为126.65 g·C/(m2·a)(图2-b)。其中,2017年NPP值最大,达151.01 g·C/(m2·a),其次是2010年、2019年,NPP值分别为148.96、147.64 g·C/(m2·a);2000年NPP值最小,为99.12 g·C/(m2·a),其次是2007年、2009年,NPP值分别为105.14、109.96 g·C/(m2·a)。

近年,和田地区植被NPP年际变化值θslope介于-7.42～11.50 g·C/(m2·a),95.90%植被区域NPP变化斜率大于0。和田地区植被NPP以增加为主(图3-a)。其中,NPP增加速率较大[θslope>3 g·C/(m2·a)]的区域主要分布在和墨洛绿洲、昆仑山中部北侧,占植被总面积的20.86%;NPP减少速率较大[θslope<-3 g·C/(m2·a)]的区域主要分布在和墨洛绿洲中部,仅占植被总面积的0.11%。

图3 和田地区植被NPP变化趋势(a)及变异系数(b)Fig.3 Trends (a) and coefficient of variation(b) of vegetation NPP in Hotan area

变异系数可表征植被NPP的波动程度,根据CV值将其划分为低波动变化(CV≤0.05)、较低波动变化(0.05

2.2 和田地区植被NPP与降水、气温相关性

由植被NPP与降水的偏相关性分析可知(图4-a),植被NPP与降水的偏相关系数介于-0.57～0.85,平均偏相关系数为0.35,正、负相关区域面积占比分别为89.84%、10.16%,负相关区集中在昆仑山脉的西部和东部。对偏相关系数进行显著性检验发现,35.58%区域通过显著性检验(P<0.05),主要分布在塔斯洪河、桑株河、尼雅河、和田河流域以及和墨洛、策勒-于田绿洲。

图4 2000—2020年和田地区植被NPP与降水(a)、气温(b)的偏相关分析Fig.4 The partial correlations between NPP and precipitation (a) and between NPP and temperature(b) in Hotan area from 2000 to 2020

分析植被NPP与气温的偏相关性(图4-b)发现,植被NPP与气温的偏相关系数介于-0.66～0.62,平均偏相关系数为-0.08,正、负相关区域面积占比分别为29.72%、70.28%,呈正相关区域主要集中在塔斯洪河、桑株河、和田河流域以及和墨洛绿洲东部和西部,呈负相关区域主要集中在策勒-于田绿洲、尼雅河流域、昆仑山脉。对偏相关系数进行显著性检验发现,仅0.45%区域通过显著性检验(P<0.05)。说明,植被NPP与降水呈正相关,与气温呈弱负相关的特征明显。

由植被NPP与气温、降水的复相关性(图5-a)分析可知,二者的复相关系数介于0～0.85,平均复相关系数为0.42。植被NPP与气温、降水复相关性较强的区域主要集中在塔斯洪河、桑株河、和田河流域以及和墨洛、策勒-于田绿洲,复相关性较弱的区域分布在昆仑山西部和东部边缘。对复相关系数进行显著性检验发现,32.49%区域通过显著性检验(P<0.05),说明植被NPP与气温、降水的复相关性不显著。

图5 2000—2020年和田地区植被NPP与气温、降水的复相关分析(a)和NPP变化驱动力分区(b)Fig.5 The multiple correlation between annual NPP and temperature-precipitation (a) and NPP change regions driven by different factors (b) in Hotan area from 2000 to 2020

参照前人研究[9,25-26]进一步分析和田地区植被NPP变化驱动因素(表2)发现,和田地区降水对植被NPP的驱动作用强于气温(图5-b),受降水驱动的植被面积占比达32.02%,主要集中在塔斯洪河、桑株河、和田河流域以及策勒-于田、和墨洛绿洲;受气温驱动的植被面积占比仅为0.12%,分布特征不明显;受气温、降水共同强驱动和受气温、降水共同弱驱动区域面积占比分别为0.28%和0.07%,并呈零散分布。整体而言,和田地区大部区域植被NPP主要受非气候因素影响。

表2 和田地区植被NPP变化驱动力分区准则Table 2 The regionalization rules of the driving factors for dynamic change of vegetation NPP in Hotan area

2.3 和田地区土地利用对植被NPP的影响

和田地区主要土地利用类型为裸地、草地、永久性冰雪,其次为耕地、水体、灌丛和建设用地。从表3可知,2000—2020年和田地区土地利用类型变化区面积为10 261 km2,占和田地区总面积的4.14%。其中,裸地和灌丛分别减少7787.25和173.50 km2,草地、永久性冰雪、耕地和水体分别增加5668.25、1571.25、661.50和59.75 km2,建设用地保持不变。灌丛、草地转变为裸地的面积分别为48.25和570 km2,变化区植被NPP多呈下降趋势;裸地转变为草地的面积占变化总面积的65.89%,变化区植被NPP多呈上升趋势,是二十年来最主要的土地利用转移类型。

表3 2000—2020年和田地区土地转移矩阵Table 3 Land use transition matrix in Hotan area from 2000 to 2020 (km2)

3 讨 论

2000—2020年研究区植被NPP整体呈波动增加趋势,空间上呈“条带”分布特征,与姜萍等[15]、陈春波等[16]研究结果基本一致。2000年以来,我国在和田地区陆续实施了“三北”防护林工程、退耕还林还草、退牧还草、防沙治沙等一系列重大生态工程[13,27],是植被NPP增加的主要原因。受地形因素制约,和田地区植被以荒漠、戈壁为主,多分布于山地、绿洲及河流附近[28]。植被NPP高值区主要集中在以耕地和草地为主的和墨洛绿洲,该区域海拔较低,水热条件较好,植被长势较好[17];植被NPP低值区主要集中在和田河、尼雅河和策勒-于田绿洲,这些区域高温少雨,气候干旱,不利于植被生长[15]。

气温、降水是影响植被生长的主要气候因子,和田地区植被NPP时空分布与水热条件紧密相关[16,19]。植被NPP与降水呈正相关,与气温呈负相关,与姜萍等[15]、丁玥等[28]研究结果基本一致。降水在干旱半干旱区植被变化中起决定性作用,温度是高寒植被动态的主导因素[10]。和田地区高温少雨,光照充足但水分不足[29],降水增加能够增强植物光合效率[30],利于植被生长,而气温升高可增加植被蒸散发,土壤含水量降低,从而抑制植物生长[31]。昆仑山脉部分区域植被NPP与降水呈负相关,与气温呈正相关,这是由于该区海拔较高、气温相对较低、降水相对充沛,降水增加会导致光合作用减弱,从而抑制植被的生长[28-29],该区植被生长对温度变化较敏感,气温升高使积雪融化并汇流到山脚,促使山区和平原交汇区的植物生长良好[32]。本研究表明,在0.05置信水平检验下,植被NPP受气候因素驱动的区域仅占植被总面积的32.49%,67.51%植被区域NPP受非气候因素驱动,说明人类活动在和田地区植被变化中起到了重要作用[17,33]。

土地利用类型变化在一定程度上体现人类活动对区域生态环境的影响[13]。和田地区整体呈裸地、灌丛减少,草地、永久性冰雪、耕地和水体增加的变化特征,土地利用类型的转移对植被NPP以促进作用为主。一方面,二十年来土地利用类型发生转变的原因可能与封沙育草工程等生态工程的实施有关[34],裸地大量转变为草地,植被NPP整体呈上升趋势;另一方面,人口和社会经济发展导致和田地区人工平原绿洲区面积不断扩大[32],经济飞速发展是影响土地利用变化的主要原因[35],而人口增加是导致耕地大幅增长的直接因素[36],也是草地流入耕地的直接原因,耕地的扩张在一定程度上有利于NPP增长。但是,和田地区也存在部分区域的灌丛、草地转变为裸地,未来进行植被保护与管理时,需着重注意加强该区域的生态保护建设工作。

综上,植被NPP时空变化受气候因素和人类活动的综合影响,其影响因素众多且关系错综复杂。本研究仅探讨了和田地区植被NPP与降水、气温的相关性以及土地利用类型的转变,对区域植被NPP变化机制的深入研究需要进一步探讨气候、地形、人类活动等多因子耦合作用。

4 结 论

2000—2020年和田地区植被NPP整体呈波动增加趋势,多年平均NPP为126.65 g·C/(m2·a)。空间上呈“条带”分布特征,植被NPP高值区主要集中在以耕地和草地为主的和墨洛绿洲,植被NPP低值区主要集中在气候相对干旱的和田河、尼雅河流域和策勒-于田绿洲。和田地区植被NPP年际变化值(θslope)介于-7.42～11.50 g·C/(m2·a),95.90%植被区域NPP变化斜率大于0,表明和田地区以植被生产力增加为主,植被整体呈改善趋势。植被NPP变异系数以中等波动变化、较高波动变化和高波动变化为主,整体稳定性较低。

和田地区植被NPP与降水呈正相关、与气温呈弱负相关的特征明显,且降水对植被NPP的影响强于气温。和田地区大部分区域植被NPP受非气候因素驱动,仅32.49%植被区域受气候因素驱动,说明人类活动在和田地区植被NPP变化起到了重要作用。

裸地转变为草地是二十年来和田地区最主要的土地利用转移方向,在该区域植被NPP多呈上升趋势,表明生态工程对植被改善具有促进作用。但也存在部分区域的灌丛、草地转变为裸地,未来进行植被保护与管理时,需着重注意和加强该区域的生态保护建设工作。