河北省2001—2010年植被NPP时空变化及与气候因子相关性分析

张莎，袁金国，张宇佳，吴喜芳

（1.河北师范大学资源与环境科学学院，河北石家庄 050024；2.河北省环境演变与生态建设省级重点实验室，河北石家庄 050024）

河北省2001—2010年植被NPP时空变化及与气候因子相关性分析

张莎1，2，袁金国1，2，张宇佳1，2，吴喜芳1，2

（1.河北师范大学资源与环境科学学院，河北石家庄 050024；2.河北省环境演变与生态建设省级重点实验室，河北石家庄 050024）

利用中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）的MOD17A3数据集及气象数据，采用一元线性回归法及相关系数法对河北省2001－2010年植被净初级生产力（NPP）时空动态变化及与气候因子的相关性进行了分析.结果表明：河北省植被NPP多集中在200～400g／（m2·a）.从时间上看，10年间NPP年均值和最大值呈现一定的波动性变化，并呈下降趋势.2004年NPP均值最大，为356.42g／（m2·a），其次是2008年，为314.87g／（m2·a），2001年最小，为225.13g／（m2·a）.从空间上看，河北省北部年均NPP值呈现从东向西递减、西部从南向北递减的趋势，中部太行山东部分布有1个NPP高值带.2001—2010年10年间河北省植被NPP在0.01检验水平下呈减少趋势的区域占全区植被面积的48.79%，增加的区域占45.54%，大部分地区呈减少趋势.NPP与气温和地温主要为负相关，与降水主要为正相关.总体上看，NPP与地温的相关性最高，与气温的相关性最低，但在局部地区并非如此.

净初级生产力（NPP）；MODIS数据；河北省；时空变化；气候因子

净初级生产力，又称净第一性生产力（net primary productivity，NPP）.植被NPP是指绿色植物在单位时间和单位面积内经过光合作用所累积的有机物数量，扣除植物自养呼吸后的剩余部分［1］.NPP除了可以反映植被本身生产力及对自然环境的利用能力［23］，也具有固定大气中CO2的能力，所以NPP既是评价生态系统结构和功能的重要指标［4］，也是估算陆地碳源和碳汇的重要因子［5］.进入工业社会以来，包括CO2在内的大量温室气体的排放量稳步增加，使世界大部分地区气温上升［6］.可以利用NPP来衡量植被通过光合作用固定CO2转化生物能的这种本领，因此，对植被NPP的遥感估算具有比较重要的意义.

植被NPP研究可追溯到19世纪80年代，直到20世纪60年代相关研究才被引起重视.研究陆地植被NPP的先驱是德国学者Lieth，他率先对全球NPP做了初步估算［7］.Hubert Hasenauer等［8］应用MODIS的MOD17数据对奥地利的植被NPP做了估算，并与其他估算结果做了对比.Daniel Epron等［9］采用C质量守恒的方法估算植被NPP，研究混合种植方式对植物地上部分和地下部分固定C的能力的影响.国内对NPP的研究起步较晚，但也取得了一定的成果.朴世龙等［10］采用CASA（carnegie-ames-stanford approach）模型估算了1982—1999年（除1994年）间中国植被的净第一性生产力.Yuan等［11］利用MODIS数据和CASA模型对2001年河北省北部地区植被NPP做了估算.刘勇洪等［12］利用NOAA／AVHRR 1B卫星资料及气象数据和CASA模型对2007年华北地区的植被NPP进行了模拟估算.郑颖娟［13］利用MODIS数据和CASA模型估算了河北省2009年植被NPP，并初步探讨了NPP与气候因子及人为活动之间的关系.

以河北省陆域为研究区，对河北省植被NPP进行了分布范围分析、年际变化分析、空间格局分析、时空变化分析及与气候因子相关性分析，以其对河北省植被性质和生产力进行动态监测.

1 数据与方法

1.1 数据

1.1.1 NPP数据

利用LP DAAC（land processes distributed active archive center）提供的MRT（MODIS reprojection tool）将MOD17A3数据进行镶嵌和投影转换，输出为1km分辨率的tif格式影像，转换为适合河北省的阿尔伯斯投影.利用ENVI4.6和ArcGIS 10.0对数据进行相关处理.将镶嵌结果裁剪出河北省的NPP影像，并提取有效值.根据https：／／lpdaac.usgs.gov／products／modis＿products＿table／mod17a3的说明，MOD17A3的有效值为0～65 500，该范围以外的都为无效值.利用ArcGIS10.0的属性提取功能进行有效值的提取.

1.1.2 气候数据

气候因子数据为河北省142个气象站点的逐旬气温、降水、地温数据.其中，气温和降水数据为2001—2010年数据，因数据缺失，地温数据为2001—2009年数据.将各站点数据按年求和平均得到每个气象站点的年均气温、年均降水和年均地温.采用插值方法得到河北省的年均气温、年均降水和年均地温.本文对每一年的3种气候因子均采用多种插值方法，选取误差最小的作为当年该气候因子的插值结果，以提高准确度.利用ArcGIS 10.0进行插值，每年的3种气候因子均采取反距离权重法IDW（inverse distance weighting，权重分别赋为0.5，1，1.5，2，2.5，3）、克里金法Kriging（克里金方法为普通Ordinary，半变异模型分别为环形Circular、指数Exponential、高斯Gaussian、线性Linear和球面Spherical）、样条函数法Spline（样条函数类型分别为规则样条函数Regularized和张力样条函数Tension）、趋势面法Trend（回归类型为线性趋势面Linear，多项式的阶分别为1～12）共25次插值.将142个气象站点的数据分为2部分，根据空间分布均匀原则并考虑区域站点疏密程度，随机选取97个站点为插值站点，其余45个站点作为检验站点，保证了检验站点至少占全部站点的30%.采用平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MRE）、均方根误差（RMSE）作为检验标准［16-17］.

对于某年中的1种气候因子，如果3个参数同时达到最小值，则选取该方法的插值结果作为该年这种气候因子的插值结果.如果1年中这种气候因子的3个参数没有同时达到最小值，本文选择RMSE最小的方法的插值结果作为该年该气候因子的插值结果.

1.2 方法

1.2.1 年际变化率计算

以吸光度为纵坐标(y)，以芦丁质量浓度为横坐标(x)，根据不同浓度芦丁标准品溶液的吸光度，拟合得到线性回归方程为y=12.685x+0.004 99(图1)，R2 =0.999 23，说明相关性较好。

采用一元线性回归法［18］分析河北省2001—2010年植被NPP的时空变化，计算公式如下：

其中，θslope为单个像元多年回归的趋势斜率，即年际变化率；n为年份数，NPPi为第i年的NPP.θslope＞0，表示该像元多年之间呈增加趋势，反之，为减小趋势.

采用F检验来检验变化趋势的显著性.P＜0.01为极显著变化，0.01＜P＜0.05为显著变化，P＞0.05为不显著变化.

结合θslope和F检验结果，将NPP变化趋势分为5个等级：θslope＜0，P＜0.01为极显著减少；θslope＜0，0.01＜P＜0.05为显著减少；P＞0.05为变化不显著；θslope＞0，0.01＜P＜0.05为显著增加；θslope＞0，P＜0.01为极显著增加.

1.2.2 NPP与气候因子的相关系数计算

计算NPP与气温、降水和地温的相关系数.计算公式如下：

式中，R为相关系数，Ni为第i年的NPP为多年平均NPP值，Mi为第i年的某种气候因子值，M为多年平均的某种气候因子值.

根据计算结果，对相关系数划分如下：｜R｜＞0.8为高度相关，｜R｜＜0.3为低度相关，其他为中度相关.

2 结果与讨论

2.1 NPP值分布范围所占比例分析

河北省2001—2010年NPP值分布范围所占比例见表1.由表1可以看出，河北省2001—2010年均NPP绝大部分集中在200～400g／（m2·a），除2004年以外，200～400g／（m2·a）所占比例全部为70%以上.400～500g／（m2·a）的比例2004年明显较其他年份高，为33.47%.

表1 河北省2001—2010年NPP值分布范围所占比例Tab.1 Proportion of NPP values'distribution in Hebei Province from 2001to 2010

2.2 NPP年际变化分析

图1 2001—2010年河北省年均NPP值变化Fig.1 Interannual variability of annual average NPP values in Hebei Province from 2001to 2010

2001—2010年河北省NPP年均值和最大值见图1.由图1可以看出，河北省2001—2010年10年间NPP年均值和最大值呈现出一定的波动性变化，并呈下降趋势.10年间NPP年均值在2004年最大，为356.42g／（m2·a），其次是2008年，为314.87g／（m2·a），2001年最小，为225.13g／（m2·a）.2001—2004年呈上升趋势，2005年有所下降，2006年有小幅度增加，为301.03g／（m2·a），2007年下降，2008年上升，达到一个小高峰，为314.87g／（m2·a），2008年到2010年呈下降趋势.2004年和2008年的NPP最大值分别达到731.40g／（m2·a）和704.20g／（m2·a）.

2.3 NPP空间分布格局

2001—2010年间河北省植被NPP均值的空间分布见图2a.可以看出，河北省植被NPP分布符合地理分异规律.河北省北部（包括张家口、承德、秦皇岛及唐山）年均NPP值呈现从东向西递减的趋势，符合经向地带性分异规律.该地区的东部形成一个NPP的高值区，主要在秦皇岛市.高值区的年均NPP大多数年份在500g／（m2·a）以上.由该地区向西，NPP值逐渐降低，到河北省的西北部形成一个NPP的低值区，包括张家口的大部分地区.低值区的年均NPP大多数年份在300g／（m2·a）以下.河北省西部（包括邯郸、邢台、石家庄、保定及张家口各市的部分县市）年均NPP值呈现从南向北递减的趋势，符合纬向地带性分异规律.以保定和张家口的市界为界线，以南地区NPP值较高，大部分地区在300～400g／（m2·a），以北地区NPP值较低，低于300g／（m2·a）.该趋势在年均NPP值较高的年份如2004年表现得比较明显（图2b）.河北省中部太行山东部分布有一个NPP高值带，该高值带上的NPP值大多在300g／（m2·a）以上，因为该地区位于太行山的夏季东南季风迎风坡，在植被生长旺盛的季节降水较多，利于植被生长.

图2 河北省10aNPP均值和2004年NPP空间分布Fig.2 Spatial distribution of average values of NPP in 10years and NPP of 2004in Hebei Province

2.4 10a间NPP变化率

通过公式（1）计算得到河北省2001—2010年10年间NPP逐个像元的年际变化率θslope，并对θslope进行显著性检验（F检验），得到检验结果如图3所示.根据图3，统计不同检验水平的像元数，可得：2001—2010年10年间河北省植被NPP变化趋势中，发生极显著增加的植被面积占全区植被面积的1.68%，显著增加的占43.86%，无显著变化的占5.67%，显著减少的占48.79%，没有出现极显著减少的地区.NPP减少的区域（48.79%）大于增加的区域（45.54%），可见10年间河北省植被NPP在0.01检验水平下大部分地区呈减少趋势.从空间分布来看，植被NPP极显著增加和无显著变化的地区在全省零星分布；显著增加的地区主要分布在秦皇岛、张家口中南部、沧州东部、衡水中北部及邢台、邯郸西部；显著减少的地区主要分布在张家口北部、承德、唐山、廊坊、保定、石家庄中北部、沧州西部和廊坊等地.

图3 2001—2010年10年间河北省NPP变化趋势的显著性检验Fig.3 Significant test of annual NPP change trends in Hebei Province from 2001to 2010

2.5 NPP与气候因子的相关性分析

图4 多年平均NPP与气温、降水、地温的相关系数分布Fig.4 Spatial distribution of correlation coefficients of multi-year average NPP to air temperature，precipitation and ground temperature

多年平均NPP与气温、降水、地温的相关系数的空间分布见图4.由图4可见，在张家口、保定、石家庄、邢台、邯郸、衡水大部分及沧州西部，NPP与气温主要为负相关而与降水为正相关（图4a，4b）.在邢台、邯郸、秦皇岛、唐山、廊坊及沧州中东部，NPP与气温主要为正相关而与地温为负相关（图4a，4c）.在石家庄、衡水中北部、沧州、廊坊、保定以及张家口大部分地区，NPP与降水主要为正相关而与地温为负相关（图4b，4c）.根据图4，统计NPP与3种气候因子不同相关性水平的像元数，计算其所占研究区面积的比例，可得：NPP与气温和地温呈负相关关系的区域分别占植被总面积的76.17%和82.33%，NPP与降水呈正相关关系的区域占植被总面积的81.63%.可见，NPP与气温和地温主要为负相关，与降水主要为正相关.NPP与气温为低度相关的区域占植被总面积的74.00%，NPP与降水和地温为中度相关的区域分别占植被总面积的54.40%和61.48%.可见，总体上看NPP与地温的相关性最高，与气温的相关性最低，但在局部地区并非如此.比如，在石家庄和邢台交界处，NPP与降水的相关性是最高的，而不是与地温相关性最高.NPP与气温主要表现为中低度负相关（面积比例为76.17%），与降水主要为中低度正相关（面积比例为80.48%），与地温主要为中低度负相关（面积比例为81.44%）.

3 结论

本文基于MODIS数据和气候数据，应用遥感图像处理软件ENVI和GIS软件ArcGIS对数据进行处理，得到如下结论：

1）河北省2001—2010年均NPP绝大部分集中在200～400g／（m2·a）.

2）河北省2001—2010年10年间NPP年均值和最大值呈现出一定的波动性变化，并有小幅下降趋势.10年间NPP年均值在2004年最大，为356.42g／（m2·a），其次是2008年，为314.87g／（m2·a），2001年最小，为225.13g／（m2·a）.

3）河北省植被NPP分布符合地域分异规律.河北省北部年均NPP值呈现从东向西递减的趋势，符合经向地带性分异规律.河北省西部年均NPP值呈现从南向北递减的趋势，符合纬向地带性分异规律.河北省中部太行山的夏季东南季风迎风坡，在植被生长旺盛的季节降水较多，分布有NPP高值带.

4）2001—2010年10年间河北省植被NPP变化趋势中，发生极显著增加的植被面积占全区植被面积的1.68%，显著增加的占43.86%，无显著变化的占5.67%，显著减少的占48.79%，没有出现极显著减少的地区.NPP减少的区域（48.79%）大于增加的区域（45.54%），10年间河北省植被NPP在0.01检验水平下大部分地区呈减少趋势.

5）NPP与气温和地温主要为负相关，与降水主要为正相关.总体上看NPP与地温的相关性最高，与气温的相关性最低，但在局部地区会不同.NPP与气温主要表现为中低度负相关（76.17%），与降水主要为中低度正相关（80.48%），与地温主要为中低度负相关（81.44%）.

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（责任编辑：赵藏赏）

Analysis of spatiotemporal changes of vegetation net primary productivity and correlation between NPP and climate factors in Hebei province from 2001to 2010

ZHANG Sha1，2，YUAN Jinguo1，2，ZHANG Yujia1，2，WU Xifang1，2
（1.College of Resource and Environmental Sciences，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China；2.Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，Shijiazhuang 050024，China）

MOD17A3products of MODIS data and meteorological data were used in this paper to make analysis on spatial and temporal change of vegetation net primary productivity（NPP）and the correlation between NPP and climate factors by the methods of linear regression and correlation coefficient in Hebei province from 2001to 2010.The results showed that the values of vegetation NPP in Hebei province were mostly 200—400g／（m2·a）.The change of annual average NPP and maximum NPP values showed some volatility change and slightly downward trend from 2001to 2010.The maximum annual average NPP of vegetation in Hebei province was 356.42g／（m2·a）in 2004，the next was 314.87g／（m2·a）in 2008，and the minimum NPP was 225.13g／（m2·a）in 2001.From the point of spatial distribution，the average annual NPP values in northern Hebei province presented a decrease trend from east to west.The average annual NPP values in western Hebei province presented a decrease trend from south to north.A high NPP values zone distributed in the east of Taihang mountain located in the middle of Hebei province.The vegetation NPP in most areas in Hebei province tended to decrease under 0.01test level from 2001to 2010.The area of NPP decrease accounted for 48.79%of the whole vegetation area，while that of NPP increase accounted for 45.54%.Correlations of NPP to air temperature and ground temperature were mainly negative，while correlation of NPP to precipitation was mainly positive.In general，the correlation of NPP to ground temperature was the highest，while the correlation of NPP to air temperature was the lowest，it was not completely like this in some local areas.

net primary productivity（NPP）；MODIS data；Hebei province；spatiotemproal changes；climate factors

TP79

A

1000 -1565（2014）05 -0516 -08

10.3969／j.issn.1000 -1565.2014.05.013

2013 -11 -20

河北省自然科学基金资助项目（D2012205084）；河北师范大学博士基金资助项目（L2008B15）；河北师范大学重点基金资助项目（L2009Z08）；河北省自然地理学省级重点学科项目

张莎（1988-），女，河北安平人，河北师范大学在读硕士研究生.Email：hebzhangsha＠126.com

袁金国（1972 ），女，河北故城人，河北师范大学副教授，博士，主要从事遥感图像处理及遥感应用研究.Email：yuanjinguo8＠163.com