龔相文，李玉強，王旭洋，牛亞毅， 連 杰，羅永清，余沛東

(1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070)

植被凈初級生產力(NPP)是指植物在單位時間、單位面積上經過光合作用所產生的有機質總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[1]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和氣候變化研究核心部分的NPP[2]，既反映地表植被在自然條件下的生產能力[3]，也表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質量狀況，某種程度上在氣候變化研究中具有指示器的作用[4]，是判定陸地生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展水平的重要指標[5]。全球氣候變化是驅動植被NPP發(fā)生年際變化的主要因素[6]。近年來氣候呈現(xiàn)變暖為特征的變化[7]，中國北方植被受氣候變化的影響顯著[8]，成為研究植被活動與氣候變化關系的關鍵區(qū)域，該區(qū)域植被NPP的時空動態(tài)特征及氣候變化的驅動機制成為研究的熱點問題之一[9-11]。

科爾沁地區(qū)位于中國北方半干旱-半濕潤帶和農牧交錯帶的交匯區(qū)，屬于我國典型的生態(tài)脆弱區(qū)。植被蓋度低和土壤基質不穩(wěn)定，易受環(huán)境退化和荒漠化的影響[12]，對氣候變化非常敏感。近年來，受全球氣候變化和人類活動的影響，科爾沁地區(qū)出現(xiàn)草地退化、土地沙漠化、地下水位下降等一系列嚴重的生態(tài)問題[13]，植被退化使當?shù)鼗哪觿?，對居民生產生活產生諸多不利影響，因此，從植被NPP的角度提高對科爾沁地區(qū)的認識和研究氣候變化對植被NPP的影響具有十分重要的意義。目前，國內外關于不同地區(qū)氣候對植被NPP驅動機制的研究成果眾多，有研究發(fā)現(xiàn)氣候變化促進植被NPP增加[14-16]，NPP受降水影響高于氣溫[3,17-18]，也有研究表明氣候變化抑制NPP增加，降水增加抑制NPP增長[12,19]?？梢姡斍暗难芯拷Y果仍然存在諸多不確定性，氣候變化對植被NPP的影響表現(xiàn)出明顯的時空異質性，研究的時間尺度以及研究區(qū)域的差異可能導致得出結果相差很大。因此，針對特定時間、特定區(qū)域水平的NPP氣候影響因子的研究需進一步加強。本研究選擇2000-2010年科爾沁地區(qū)植被為研究對象，進一步研究科爾沁地區(qū)植被NPP的時空動態(tài)特征及不同沙地植被類型對降水和氣溫變化的響應，旨在為制定適宜當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的區(qū)域植被恢復及相關保護政策提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

科爾沁地區(qū)位于中國東北部西遼河沖積平原地區(qū)，處在內蒙古高原向東北平原的過渡地帶，海拔在120～800 m，位于117°49′-123°42′ E，41°41′-46°05′ N[20]。本研究選取科爾沁地區(qū)14個旗縣為研究對象，主要包括霍林郭勒市、科爾沁右翼中旗、扎魯特旗、阿魯科爾沁旗、巴林左旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁左翼后旗、科爾沁區(qū)、開魯縣、庫倫旗、奈曼旗、敖漢旗、翁牛特旗、巴林右旗。目前，年干燥指數(shù)(AI，aridity index)是劃分干濕地帶性分異的常用指標[21]，ArcGIS中的標準分類方法中的自然間斷法(nature breaks)是基于數(shù)據中固有的自然分組，將對分類間隔加以識別，可對相似值進行最恰當?shù)胤纸M，并可使各類之間的差異最大化，因此，本研究利用劃分干濕區(qū)的指標及其標準[21]和自然間斷法，結合科爾沁地區(qū)實際情況將研究區(qū)域劃分為半濕潤區(qū)Ⅰ(1.007≤AI<1.300)、半濕潤區(qū)Ⅱ(1.300≤AI<1.500)和半干旱區(qū)Ⅲ(1.500≤AI≤1.702)三大地帶性區(qū)域(圖1a)。該區(qū)域屬于溫帶大陸性季風氣候，大部分地區(qū)年均降水量在300～400 mm，降水主要集中在7-9月，約占全年降水量的70%～80%，多年平均氣溫3～7 ℃。土壤類型主要以風沙土為主，研究區(qū)植被大類涉及草原、栽培植被、闊葉林、灌叢、草甸、針葉林、草叢(圖1b)，其中草原、栽培植被、闊葉林和灌叢的總面積之和占區(qū)域總面積的91.87%(表1)。

圖1 研究區(qū)概況(a)及植被類型(b) Fig. 1 Study area (a) and vegetation type (b)

數(shù)據來源：中國氣象背景數(shù)據集(http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx?DOIid=39)和中國1︰100萬植被類型空間分布數(shù)據(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=122)

Data source:China weather background data set (http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx?DOIid=39) and China’s 1︰ 1 000 000 vegetation type spatial distribution data (http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=122)

表1 科爾沁地區(qū)不同植被類型定義Table 1 Definition of different vegetation types in Horqin region

1.2 數(shù)據來源與研究方法

1.2.1數(shù)據來源 NPP、年降水量、年均氣溫、干燥指數(shù)和植被類型數(shù)據來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http://www.resdc.cn)。中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心的溫度、降水量等氣候要素采用ANUSPLIN插值法，插值結果優(yōu)于協(xié)同克里格法(Cokriging)和反距離加權法(IDW)[22]。NPP、年降水量和年均氣溫數(shù)據集時間跨度為2000-2010年，時間分辨率為年，空間分辨率為1 km。植被類型主要參考侯學煜院士主編的全國1∶100萬植被類型數(shù)據集，以植被大類進行基準分類，然后進行投影、數(shù)據轉換等處理，在ArcGIS中通過重采樣獲取空間分辨率為1 km柵格數(shù)據。

1.2.2分析方法

1)趨勢分析

以像元為基本單位，采用多年植被NPP數(shù)據進行平均計算，得到研究區(qū)多年植被NPP的空間分布特征。其計算公式：

(1)

以像元為基本單位，通過一元線性回歸分析方法分析2000-2010年植被NPP的變化趨勢。其計算公式：

(2)

式中：n表示研究年份數(shù)，i代表是從2000年開始的第i年，NPPi表示某像元第i年的NPP值。Slope表示研究時段內某像元在該時段內總的變化趨勢，Slope>0表示該像元內的植被NPP具有增加的趨勢，Slope<0則表示該像元內的植被NPP具有下降趨勢，Slope=0表示NPP處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)相關性分析

偏相關分析也稱凈相關分析，能夠在控制其他變量的線性影響的條件下，分析兩變量間的線性相關性。相關系數(shù)能夠表征兩個變量之間相關程度，一般用r表示，其計算公式：

(3)

(4)

式中：rxy,z表示控制變量z后x、y之間的偏相關系數(shù)。通過t檢驗進行統(tǒng)計學上的顯著性檢驗，計算公式：

(5)

式中：n表示計算樣本量；m表示自變量的個數(shù)。

3)回歸分析

利用數(shù)據統(tǒng)計原理，建立植被NPP與氣溫和降水之間的關系，采用一元線性回歸方程分別探討氣溫和降水對科爾沁地區(qū)植被NPP變化的單因子驅動關系(6)、(7)，采用二元線性回歸方程探討氣溫和降水對植被NPP變化的雙因子驅動關系(8)，計算公式：

NPPi=a1T+b1；

(6)

NPPi=a2P+b2；

(7)

NPPi=a3T+a4P+b3。

(8)

式中：T和P分別表示研究區(qū)域年平均氣溫(℃)和年降水量(mm)，a1、a2、a3、a4表示回歸方程的待定系數(shù)，b1、b2、b3表示回歸方程的常數(shù)。

2 結果與分析

2.1 科爾沁地區(qū)植被NPP的空間分布特征

對科爾沁地區(qū)2000-2010年植被NPP的計算結果顯示，11年年平均NPP為121.32 g·(m2·a)-1，表現(xiàn)出明顯的空間異質性。多年平均NPP以科爾沁地區(qū)腹地為中心整體沿周邊增加(圖2)，具體表現(xiàn)為：半濕潤區(qū)Ⅰ[167.40 g·(m2·a)-1]>半干旱區(qū)Ⅲ[133.61 g·(m2·a)-1]>半濕潤區(qū)Ⅱ[83.80 g·(m2·a)-1]，受區(qū)域干濕狀況的影響，科爾沁地區(qū)植被表現(xiàn)出地帶性分異，半濕潤區(qū)Ⅰ主要以闊葉林為主，半干旱區(qū)Ⅲ主要以草原和栽培植被為主，半濕潤區(qū)Ⅱ主要以草原、栽培植被為主(圖1)。

2000-2010年科爾沁地區(qū)植被NPP的Slope介于-40.03～39.59g·(m2·a)-1，以0.53g·(m2·a)-1的速率增長，總體呈上升趨勢(圖3a)。NPP地帶性規(guī)律變化趨勢表現(xiàn)為：半干旱區(qū)Ⅲ[2.82 g·(m2·a)-1]>半濕潤區(qū)Ⅱ[0.71 g·(m2·a)-1]>半濕潤區(qū)Ⅰ[-0.82 g·(m2·a)-1]，表明半干旱區(qū)Ⅲ植被恢復程度高于半濕潤區(qū)Ⅰ和半濕潤區(qū)Ⅱ，其中主要增加的縣域植被NPP集中在科爾沁區(qū)[7.46 g·(m2·a)-1]和庫倫旗[5.09 g·(m2·a)-1]等地，減少的縣域植被NPP集中在巴林左旗[-4.64 g·(m2·a)-1]和巴林右旗[-3.53 g·(m2·a)-1]等地?？茽柷叩貐^(qū)97.53%的植被NPP變化不明顯(圖3b)，植被NPP顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)增加區(qū)域分別占總面積的0.76%和0.09%，主要集中在巴林左旗、巴林右旗的北部等部分區(qū)域；顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)減少區(qū)域分別占總面積的1.56%和0.23%，主要集中在敖漢旗、奈曼旗、庫倫旗、開魯縣等部分區(qū)域。

圖2 2000-2010年間科爾沁地區(qū)NPP均值空間分布格局Fig. 2 Spatial distribution pattern of average NPP in Horqin region from 2000 to 2010

圖3 2000-2010年科爾沁地區(qū)NPP年際趨勢變化(a)和顯著性分布(b)Fig. 3 Interannual change trends (a) and significant distribution (b) of NPP in the Horqin region from 2000 to 2010

2.2 科爾沁地區(qū)植被NPP的年際動態(tài)特征

2000-2010年，科爾沁地區(qū)植被NPP年際間波動明顯(圖4)，最大、最小值分別出現(xiàn)在2005年[194.15 g·(m2·a)-1]和2009年[57.36 g·(m2·a)-1]，對應年份的降水量分別為429.03和290.23 mm。研究期間NPP變化主要分為兩階段(圖4a)，2000-2005年為第1階段，2006-2010年為第2階段，11年間植被NPP變化的趨勢表現(xiàn)出顯著差異性，第1階段增加的趨勢極顯著(P<0.01)，線性增長22.11 g·(m2·a)-1，第2階段變化表現(xiàn)較為平穩(wěn)的線性降低趨勢(P>0.05)，以2.21 g·(m2·a)-1的速率降低。

主要植被類型之間NPP差異明顯(圖4b)，NPP多年均值表現(xiàn)為：闊葉林[156.74 g·(m2·a)-1]>栽培植被[114.09 g·(m2·a)-1]>草原[112.83 g·(m2·a)-1]>草甸[112.57 g·(m2·a)-1]>灌叢[103.78 g·(m2·a)-1]，基于植被凈生產力速率[5]，表明該地區(qū)闊葉林的固碳能力最強，其次是栽培植被，灌叢最弱。研究期間不同植被NPP變化波動差異明顯，其中闊葉林波動范圍最大，栽培植被次之，草原、草甸和灌叢年際間變化幅度相對較小，NPP變化基本穩(wěn)定。

圖4 2000-2010年科爾沁地區(qū)植被(a)和主要植被類型NPP(b)的年際變化Fig. 4 Interannual variation of vegetation (a) and main vegetation NPP (b) in Horqin region from 2000 to 2010

2.3 科爾沁地區(qū)植被NPP與降水和氣溫分析

2.3.1科爾沁地區(qū)植被NPP與降水和氣溫的偏相關分析 以柵格像元為研究對象，對2000-2010年科爾沁地區(qū)內植被NPP與年降水量和年均氣溫進行偏相關分析并進行t檢驗(圖5)。植被NPP年均值與年降水量的相關系數(shù)介于-0.37～0.99(圖5a)，正相關系數(shù)占總面積的99.96%，其中呈顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)區(qū)域占總面積的比例分別為20.85%、52.38%，主要集中在除巴林左旗、巴林右旗、翁牛特旗和敖漢旗等以外的縣域。植被NPP年均值與年均氣溫的相關系數(shù)介于-0.96～0.94(圖5b)，不顯著相關區(qū)域占總面積的91.10%，其中正、負相關的研究區(qū)域為54.99%和36.11%，顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關區(qū)域分別占總面積的3.55%和1.96%，主要集中在開魯縣、科爾沁區(qū)和科爾沁左翼中旗等縣域，而顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)負相關區(qū)域分別占總面積的2.43%和0.96%，主要集中在奈曼旗、庫倫旗和科爾沁左翼后旗的南部區(qū)域。科爾沁地區(qū)植被NPP與年降水量、年均氣溫的偏相關系數(shù)的平均值分別為0.68、0.24，表明該地區(qū)植被NPP與降水和氣溫關系密切，整體呈正相關性的特征明顯，增加降水和氣溫總體上對該區(qū)域植被起促進作用，同時降水對植被NPP的影響作用高于氣溫。

2.3.2科爾沁地區(qū)植被NPP與降水和氣溫的回歸分析 基于像元為單位，對科爾沁地區(qū)對不同植被類型NPP與年降水量和年均氣溫進行回歸分析(表2、3)?？傮w植被NPP與年降水量的擬合優(yōu)度(R2)為0.82(P<0.01)，通過99%的顯著性檢驗，與年均氣溫的擬合優(yōu)度為0.03(P>0.05)，未通過95%的顯著性檢驗。年降水量對該地區(qū)不同植被年均NPP的解釋率在71.50%～92.30%，均通過99%的顯著性檢驗，年均氣溫對該地區(qū)不同植被的解釋率在0.80%～3.80%，均未通過95%的顯著性檢驗，表明該地區(qū)不同植被NPP受年降水量的驅動高于氣溫。年降水量和年平均氣溫的協(xié)同作用對不同植被(草叢除外)NPP變化的解釋率為72.60%～94.70%，均比單一因子對NPP的解釋有所提高，其中擬合優(yōu)度表現(xiàn)為草甸(0.95)>闊葉林(0.88)>草原(0.86)>栽培植被(0.85)>灌叢(0.76)，同時均通過99%的顯著性檢驗，表明年降雨量和年均氣溫的協(xié)同作用高于單一因子對植被NPP的驅動。

圖5 植被NPP與年降水量和年均氣溫的偏相關系數(shù)(a和b)和顯著性檢驗(c和d)分布Fig. 5 Partial correlation coefficients (a and b) and significant tests (c and d) distribution between NPP and annual precipitation and average annual temperature

植被類型 Vegetation type 降水PrecipitationR2氣溫TemperatureR2栽培植被Cultivated vegetationNPP=0.829P-159.1180.715**-0.038闊葉林 Broad-leaved forestNPP=1.121P-248.7990.860**-0.037灌叢 ShrubsNPP=0.866P-206.7990.760**-0.024草原 SteppeNPP=0.865P-197.3860.839**-0.008草甸 MeadowNPP=0.727P-205.1270.923**-0.020

**P<0.01.

表3 主要植被類型NPP與年降水量和年均氣溫的雙因子分析Table 3 Double factor analysis of NPP with precipitation and temperature in main vegetation types

3 討論

通過遙感(RS)和GIS的技術手段進行植被NPP估算[23]，已成為當前研究植被生產能力的主要手段[10,24-26]。植被NPP多年均值與研究期間科爾沁周邊研究區(qū)域的研究結果近似[8,10,27]。研究期間，科爾沁地區(qū)NPP以0.53 g·(m2·a)-1的增長率增加，植被整體上呈恢復趨勢，恢復面積占科爾沁地區(qū)的48.77%，其中半干旱區(qū)Ⅲ植被恢復程度高于半濕潤區(qū)Ⅱ，半濕潤區(qū)Ⅰ呈退化趨勢，與辛良杰等[28]對內蒙古防沙帶草地植被呈現(xiàn)“整體改善，局部退化”和姜匯等[29]發(fā)現(xiàn)科爾沁地區(qū)草原目前處于生態(tài)恢復的早期階段的研究結果基本一致。植被NPP受到植被類型、氣候環(huán)境變化和人類生產活動等諸多因素的影響[30]，其空間分布與植被類型及密度分布密切相關，不同植被之間的固碳能力存在差異[31-32]。植被NPP分布出現(xiàn)地帶性分異，半濕潤區(qū)Ⅰ[167.40 g·(m2·a)-1]>半干旱區(qū)Ⅲ[133.61 g·(m2·a)-1]>半濕潤區(qū)Ⅱ[83.80 g·(m2·a)-1]，是由于半干旱區(qū)Ⅲ主要以栽培植被為主且比較集中，人類的農業(yè)行為導致該地區(qū)植被密度高于水分條件較好的半濕潤區(qū)域，半濕潤區(qū)Ⅰ主要以針葉林和闊葉林為主，且以山地丘陵為主，對光能利用效率較高，半濕潤區(qū)Ⅱ屬于科爾沁地區(qū)的核心區(qū)域，植被類型主要以灌叢、草甸和草原為主，植被裸露或覆蓋度很低[22]，因此，該地區(qū)植被NPP最低。

溫度和降水等氣象要素是植物生長過程中必要條件，氣候變化會影響植物的生存環(huán)境，導致植物內部的光合作用和呼吸作用過程發(fā)生改變[33-34]，因此，氣候變化是導致植被NPP發(fā)生變化的重要外界影響因子?？茽柷叩貐^(qū)NPP與年降水量的偏相關系數(shù)均值(0.69)高于年均氣溫(0.24)，NPP與年降水量呈極顯著的正相關關系，而與年均氣溫無顯著相關關系，研究結果與內蒙古典型草原[35]、渾善達克沙地等[8]和呼倫貝爾沙地等[11]的研究一致。不同植被NPP與氣象的偏相關分析表明在該地區(qū)植被NPP受年降水量的驅動更強，由于科爾沁地區(qū)屬于典型的半濕潤半干旱交錯區(qū)，水分成為當?shù)刂脖簧L的主要限制因子，降水是當?shù)刂饕乃止┙o來源，降水量的增加會改善該地區(qū)的生境，使水分對當?shù)刂脖簧L的脅迫作用降低，植被對水分的利用效率增加，促進光合作用，進而提高植被生產力[6,36]。此外，11年間NPP的最大值[194.15 g·(m2·a)-1]和最小值[57.37 g·(m2·a)-1]分別發(fā)生在2005年和2009年，發(fā)生的年份恰好是降雨量的最大值(419.03 mm)和最小值(290.23 mm)，氣溫最大值和最小值分別發(fā)生在2007年(7.41 ℃)和2010年(5.20 ℃)，進一步說明降水是科爾沁地區(qū)大部分植被生長的重要影響因素，但降水與溫度之間存在密切關系。氣溫和降水的協(xié)同作用對不同植被類型NPP變化的解釋高于單因子作用(表2、3)，表明研究該地區(qū)不同植被類型NPP變化需考慮氣溫與降水的協(xié)同作用。

不同類型的植被對熱量和水分變化的利用效率存在很大差異[25,27]，造成不同植被NPP對溫度和降水量的依賴程度不一致，產生不同植被NPP的地帶性差異[10]。植被NPP與氣象的回歸分析表明科爾沁地區(qū)不同植被NPP對降水的依賴高于氣溫[27,33]，這是由于該地區(qū)干旱少雨，氣溫升高將造成潛在蒸發(fā)量增加，導致土壤水分散失，該地區(qū)植被對水分的生理需求高于溫度。不同植被NPP受降水和溫度的影響程度存在差異，這是由于不同植被生長的適應能力受地形因素、區(qū)域水熱組合狀況和水熱需求等多重影響[30]，研究結果與代子俊等[37]對不同植被類型對氣候變化的響應研究一致。

4 結論

1)2000-2010年科爾沁地區(qū)植被年平均NPP為121.32 g·(m2·a)-1，科爾沁地區(qū)NPP以0.53 g·(m2·a)-1增加，整體呈恢復趨勢，恢復面積占科爾沁地區(qū)的48.77%，其中半干旱區(qū)Ⅲ植被恢復程度高于半濕潤區(qū)Ⅱ，半濕潤區(qū)Ⅰ呈退化趨勢。科爾沁地區(qū)植被NPP年際變化受降水和氣溫波動影響明顯，在年際尺度上對降水的影響高于氣溫，同時氣溫和降水的協(xié)同作用均大于單一影響因子，草甸受降水和氣溫的影響最高，其次為闊葉林、草原和栽培植被等，灌叢受降水和氣溫的影響最小。因此，氣溫和降水的協(xié)同作用對植被NPP變化的影響不容忽視。

2)基于植被凈生產力速率，固碳能力在不同氣候區(qū)劃和植被類型之間存在差異。不同氣候區(qū)劃NPP多年均值大小依次為半濕潤區(qū)Ⅰ>半干旱區(qū)Ⅲ>半濕潤區(qū)Ⅱ，表明半濕潤區(qū)Ⅰ植被固碳能力最強，其次是半干旱區(qū)Ⅲ，半濕潤區(qū)Ⅱ。不同植被NPP多年均值大小依次為闊葉林>栽培植被>草原>草甸>灌叢，表明闊葉林固碳能力最強，其次是栽培植被，灌叢最弱。