商洛地区植被NPP 时空变化及其对极端气候的响应

张善红 ZHANG Shan-hong；李宏印LI Hong-yin；屈妍 QU Yan；任嫄 REN Yuan

（①商洛学院城乡规划与建筑工程学院，商洛 726000；②商洛市气象局，商洛 726000；③西安外国语大学旅游学院，西安 710128）

0 引言

植被是陆地生态系统的主要生产者，在陆地和大气之间的水、能量和碳转移中发挥着重要作用[1]。近些年来，极端气候状况愈发明显，生态系统循环也发生极大变化。植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是指绿色植物在单位时间、单位面积内所累积的有机物数量，是陆地生态系统状况的核心衡量指标[2-4]。NPP 作为地表碳循环的重要组成部分，代表了生态系统碳储量的多少，不仅能够反映植被覆盖程度，而且是判定生态系统健康状况与可持续发展水平的重要指标[5]。相比于天气的平均状态，高温、洪涝等极端气候事件对植被的光合及蒸腾作用等造成更为严重的影响。植被变化与其对极端气候的响应研究对认识植被与生态系统演变、加强生态环境保护意识具有重大意义。

随着国内外学者对NPP 研究的关注度渐高，很多学者对NPP 的估算进行模拟，并对NPP 的时空变化以及驱动因素进行研究。近些年来，气候极端事件愈发明显，如我国极端高温和降水日数增加，极端低温降低[6-7]。随着区域性极端气候事件的发展，一些学者认为气候因子的极值会影响植被生产力[8]。有研究发现[9]，内蒙古地区的NPP 受极端降水的影响比极端气温明显，且极端降水对不同植被类型的影响大小有所差异。所甜甜[10]研究发现，中国地区1956-2005 年间热浪发生的年份和区域，植被净初级生产力都有一定程度减少。夏冰等[11]研究发现，黄河流域植被NPP 时空变化存在显著地域性差异，其中在干旱和半干旱地区，极端降水的增多有利于植被生长，但极端温度增加不利于植被的生长。

商洛位于秦岭南北过渡地带，是全球气候变化的敏感区[12]，近60 年来秦岭地区极端气温指数变化趋势与全球及全国基本相同，但变化幅度相对偏小，突变时间主要集中在20 世纪90 年代，极端气温、降水的持续时间、强度逐渐加强[13-15]。本文探讨商洛地区植被NPP 的时空变化特征以及其对极端气候的响应状况，既可以揭示极端气候背景下区域生态系统的响应情况，也为生态环境保护、资源开发利用、自然资源地有效管理提供科学证据。

1 研究区概况

商洛地区，位于陕西省东南部（108°34'E～111°1'E、33°2'N～34°24'N），秦岭南麓，境内因商山洛水而得名，与鄂豫两省交界，总面积19292km2，占陕西省总面积的9.36%。商洛地形地貌结构复杂，素有“八山一水一分田”之称。市内五条主要山脉由西北向东北、东和东南延伸，岭谷相间排列，使全市总观呈掌状谷岭地形。该地区地处中国中纬度偏南地带，属季风气候区，位于北亚热带和暖温带交界区域。冬无严寒，夏无酷暑，冬春多旱，夏秋多雨，温暖湿润，四季分明，气象灾害有干旱、暴雨、连阴雨、冰雹、霜冻、大风、寒潮降温等。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

遥感数据：商洛地区2000-2019 年NPP 数据集，NPP数据来源于美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）空间分辨率为500m，下载于http://modis.gsfc.nasa.gov/网站。

气象数据：商洛地区及其周边22 个标准气象站点2000-2019 年日平均气温、日最高气温、日最低气温和日降水量数据，数据来源于商洛市气象局。

为避免时间尺度过小对极端气候的研究存在偶然性，采用1960-2019 年共22 个气象站点的气象数据，利用RClimDex 软件对个站点极端气候指数进行计算，见表1。以上极端气候指数均由ETCCDMI（Expert Team on Climate Change Detection and Indices）所提供的极端气候指标体系中选出，可以很好反映出气温事件的温差和昼夜的边缘态以及降水事件在短期和较长期的极端态过程[16]。然后选取2000-2019 年的数据，利用GIS 对计算结果进行克里金插值，得到500m 空间分辨率的研究区极端气候指数的空间分布图。

表1 极端气候指数的定义

2.2 研究方法

2.2.1 NPP 时空变化趋势分析

本研究采用一元线性回归分析法逐个像元分析商洛地区2000-2019 年植被NPP 的变化趋势，计算公式如下：

式中：θslope为趋势线斜率，即植被NPP 的年际变化速率；n 表示监测时段的累计年数，n=20；i 为年变量，i=1，2，3，…，20；NPPi表示第i 年的NPP 值，单位为gC/（m2·a）。

利用植被NPP 变化率体现n 年间NPP 的变化程度[17]，公式如下：

式中：NPP 变化率以百分比来表示（%）；NPPmean为研究区20 年NPP 均值；n 为监测年数。

2.2.2 NPP 与极端气候指数的相关性分析

本文使用基于像元的空间分析方法分析商洛地区多年植被NPP 与极端气候指数之间的关系，选用Pearson 相关数来描述每个像元的NPP 与极端气候指数之间的相关性，计算公式如下：

式中：Rxy为变量x、y 之间的相关系数；xi表示第i 年的NPP 值，yi表示第i 年的极端气候指数（TX10p、TX90p、DTR、TXx、TNn、RX1day 和RX5day）；x、y 分别表示NPP 年平均值及相应的极端气候指数平均值；i 为年变量，i=1，2，3，……，20；n=20 为监测年数。采用F 检验方法分析相关系数的显著性，显著性水平取α=0.05，根据相关系数大小定义相关程度的分级，具体如下：

3 结果与分析

3.1 商洛植被NPP 时间变化特征

由图1 可以看出，2000-2019 年商洛年均植被NPP 总体上呈现出波状上升的趋势，且达到显著增长水平，NPP变化趋势线斜率为6.84gC/（m2·a）。20 年间植被NPP 在431.82～650.85gC/（m2·a）之间，年平均值为593.81gC/（m2·a）。其中植被NPP 的最低值出现在2001 年，为434.38gC/（m2·a），最高值出现于2015 年，为653.68gC/（m2·a）。2001-2008 年植被NPP 年均值呈现明显的波动上升趋势，在2008 年NPP 年均值达到最大值599.5gC/（m2·a），与2001年的差值为167.68gC/（m2·a），平均每年增长23.95gC/（m2·a）。2009-2019 年植被NPP 值围绕多年平均值上下波动，摆动的范围在560～610gC/（m2·a），并在2011 年达到最小值533gC/（m2·a）。

图1 2000-2019 年商洛地区植被NPP 年均值变化

3.2 植被NPP 空间变化特征

3.2.1 年均NPP 空间分布规律

图2 为商洛2000-2019 年植被NPP 均值的在空间上的分布状况，从图中可以看出：2000-2019 年商洛植被NPP 空间分布差异显著，高低值层次明晰，整体呈现出东西部高于中部，中部高于南北的分布特征。近20 年研究区的NPP 均值为564.54gC/（m2·a），总体上植被生长状况良好。具体来看，NPP 均值在350～450gC/（m2·a）之间的地区集中分布在洛南北部和商南南部的小块区域，多为耕地或荒地，植被覆盖率低；NPP 均值在450～550gC/（m2·a）之间的地区包括洛南、商州大部分地区以及柞水和商南的一小部分地区，这些地方人类活动相对频繁，对自然环境的影响较大，对植被有一定的破坏作用；NPP 均值大于550gC/（m2·a）的地区广泛分布在研究区中南部区域，这些地区处在山脉纵横地带，由北而南有秦岭主脊、蟒岭、流岭、鹘岭、郧西大梁和新开岭等，植被覆盖率较高，有些地方的NPP均值甚至大于650gC/（m2·a）。

3.2.2 年均NPP 空间变化趋势

图3 为基于一元线性回归分析法获取的2000-2019年年均植被NPP 变化百分率图。从图中可以获得：2000-2019 的20 年间商洛地区植被NPP 呈现正增长的像元占比高达98.77%，其中植被NPP 变化率在15%～30%的像元面积最大，所占比例约为72.71%；其次为30%～45%NPP变化率的像元，占比约17.66%；最后是植被NPP 变化率为0～15%和＞45%的像元，面积占比分别约为6.81%和1.6%。近20 年间植被NPP 出现负增长的像元占比约为1.23%，其中植被NPP 变化率在-15%～0 的像元面积最大，占比约0.71%；其次为-30%～-15%和＜-30%NPP 变化率的像元，面积占比分别约为0.39%和0.13%。由以上的分析结果可知，以2000 年的植被NPP 值为基准，2000-2019 年商洛地区植被NPP 在整体上呈现出增长的趋势。

图3 2000-2019 年商洛地区植被NPP 的空间变化

3.3 植被NPP 对极端气候的响应

3.3.1 与极端气温指数的相关性

NPP 与极端气温指数相关系数之间的空间分布特征如图4 所示。就整体上来看，大部分地区NPP 与极端气温指数的相关系数都在-0.4～0.2 之间，多为中等相关，相关程度不高，仅少数地区的相关系数在0.2～0.6 之间。具体而言，NPP 与冷昼日数之间以负相关为主（图4（a）），负相关分布像元所占面积占比约为98.54%。除了洛南和商南南部地区以及丹江上游地区呈正相关外，负相关分布几乎遍及整个研究区。与此相反，NPP 与暖昼日数之间则表现为以正相关为主（图4（b）），正相关分布像元面积占比约为99.05%，其中相关系数在0.2～0.6 范围之间的像元占比约为92.92%，相关程度较高，正相关像元广泛分布在商洛全市。NPP 与日最高气温的极高值之间呈正、负相关的像元分布具有显著的东西分布格局（图4（c））。其中，约52.89%的像元表现为正相关，多分布在柞水、镇安和山阳地区。呈负相关的像元主要分布在商南和丹凤以及周边地区。NPP与日最低气温的极低值之间以负相关为主（图4（d）），占比约为79.82%，广泛分布于商洛境内除山阳之外的地区。NPP 与气温日较差之间以正相关为主（图4（e）），占比约为70.63%，主要分布在柞水、镇安和山阳地区。

图4 2000-2019 年植被NPP 与极端气温指数相关系数的空间分布

3.3.2 与极端降水指数的相关性

通过NPP 与极端降水指数相关系数之间的空间分布特征，得出：整体而言，NPP 与极端降水指数相关程度普遍不高，NPP 与单日最大降水量和连续5 日最大降水量的相关系数大部分集中于-0.2～0.2 这个范围，处于弱相关与中等相关之间，占总面积的85.57%和88.78%；具体来看，NPP 与单日最大降水量和连续5 日最大降水量都呈现出负相关较为突出的情况，负相关的像元面积占比分别约为55.8%和58.14%，该类像元主要在商洛中部及向四周呈扩散状分布。

4 结论

本文利用NPP 数据和逐日气象数据，分析了商洛2000-2019 年NPP 对极端气候指数的响应情况，主要得出以下结论：

①商洛2000-2019 年NPP 整体上表现出显著增长趋势，平均每年以6.84gC/（m2·a）的速率增长；近20a 来商洛NPP 呈正增长的面积占比约为98.77%，广泛分布于市内大部分地区；2000-2019 年植被NPP 均值的空间分布差异显著，总体上呈现东西部高于中部，中部高于南北的分布，这样的分布格局主要是受到商洛的地形影响。

②NPP 与极端气温暖指数（暖昼日数和日最高气温的极高值）和气温日较差在商洛市的大部分地区呈现正相关，且正相关程度较高，其正相关面积占比分别约为99.05%、52.89%和70.63%。其中，NPP 与日最高气温的极高值之间正、负相关分布体现出显著的东西分布格局。NPP 与极端气温冷指数（冷昼日数和日最低气温的极低值）在商洛大部分地区呈现负相关，且负相关程度较高，其负相关面积占比分别约为98.54%和79.82%。NPP 与极端降水指数（单日最大降水量和连续5 日最大降水量）均以负相关为主，其负相关面积占比分别约为55.8%和58.14%，大体上分布在商洛中部及四周相邻地区。

③商洛地区植被NPP 无论是在时间上的波动增长趋势，还是空间上普遍的正增长趋势，都表明该地区植被覆盖情况总体上向良好方向发展。NPP 对极端气温指数的响应高于极端降水指数，其中，极端气温指数以正向影响为主，极端降水指数以负向影响为主，极端气温对于商洛市植被覆盖情况的改善有一定的促进作用。