近51年来祁连山植被净初级生产力对气候变化的响应

刘亚荣，贾文雄＊，黄 玫，李悦悦，武正丽，张禹舜，李燕飞

（1 西北师范大学 地理与环境科学学院，兰州730070；2 中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3 湖北大学 资源环境学院，武汉430062）

植被净初级生产力作为地表碳循环的重要组成部分，不仅可以直接反映植物群落在自然环境条件下的生产能力，而且也是生态系统功能对气候变化响应的重要指标［1］。净初级生产力（NPP）是指绿色植被在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，是由光合作用所产生的有机质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分。目前，在不同尺度上估算植被净初级生产力主要以模型研究为主，如陶波等［2］基于CEVSA 模型、朴世龙等［3］基于CASA 模型、何勇等［4－6］基于AVIM 模型、朱文泉等［7］基于遥感模型分别在不同时段模拟估算了中国陆地植被净初级生产力。孙睿等［8］利用改进的光能利用模型、黄珏等［9］利用CENTURY 模型对不同时段中国区域植被净初级生产力进行模拟，并就气候变化对中国陆地植被净初级生产力影响作了研究。以上相关研究都是在宏观大尺度上进行的，也有学者在一些区域尺度上对植被NPP 变化与气候变化的关系做了相关研究。发现在全球气候变暖的背景下，区域植被NPP变化对气候变化的响应存在区域差异。袁博等［10］、德吉央宗等［11］、赵鲁青［12］在植被变化对气候变化响应的研究中表明：秦岭山地、青藏高原、雅鲁藏布江中下游植被变化对气温响应敏感，而王国成等［13］、李建新［14］、张艺等［15］在植被净初级生产力对气候变化的研究中指出：内蒙古草地、普宁市、北京山区刺槐林植被变化对降水响应敏感。由于区域生态环境和气候条件的差异，植被净初级生产力对气候变化的敏感性有所不同。因此，开展祁连山地区植被净初级生产力对气候变化响应的研究是十分必要的。

祁连山是中国西北干旱区著名的大山系，孕育了河西走廊疏勒河、黑河、石羊河等三大水系56条内陆河，其植被具有涵养水源的生态功能，对遏止荒漠化发展和维护河西走廊绿洲生态系统的平衡具有重要作用，由于受大气环流和地势格局的共同作用，其植被分布呈现独特的垂直地带性特征［16］。程瑛等［17］利用8km 分辨率的NDVI数据分析了1982～2003年祁连山地区植被的变化特征，邓少福［18］用MODIS NDVI数据对2000～2011祁连山气候变化对植被的影响作了研究，但利用模型在较长时间序列上对祁连山地区植被NPP 对气候变化的响应的研究尚未开展。本研究利用大气－植被相互作用模型（AVIM2）模拟了祁连山1958～2008年植被净初级生产力的空间分布格局和年际动态变化特征，并在此基础上分析了祁连山植被NPP 变化对气候变化的响应。

1 研究区域和方法

1．1 研究区域

祁连山（图1）位于青藏高原东北边缘（94°～104°E，36°～40°N），地处黄土、蒙新、青藏三大高原交汇地带，东西长约1 000km，南北最宽处约300 km，东起乌鞘岭，西至当金山口，北邻河西走廊，南接柴达木盆地，由一系列西北－东南走向的平行山脉和谷地组成［19］。祁连山地区海拔大部分在4 000m以上，自然条件复杂，水热条件差异较大，年均温0．6℃，年降水400～700mm，具有典型的高原大陆性气候特征［20］。植被类型主要有农田、草原、荒漠化草原、针叶林、阔叶林、亚高山灌丛草甸、高山草甸、灌丛等。

1．2 数据来源及处理方法

1．2．1 气候数据 研究所用的气候资料是1958～2008年的全球气候数据，来自美国普林斯顿大学，空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为3h，即51年温度、降水、相对湿度、风速及太阳长短波辐射数据。在对其格式进行转换（NC 格式转换为DAT 格式）后，利用Fortran语言编写程序提取出研究区域的气候数据，然后把提取的气象数据插值程序镶嵌到AVIM2模型中，用反距离插值法得到模式运行所需的分辨率为0．1°×0．1°的气候数据。

图1 祁连山概况示意图Fig．1 The sketch map of Qilian Mountains

1．2．2 植被分类数据 研究所用植被分类数据是从GLC2000（Global Land Cover 2000）的全球土地覆被数据中提取的，GLC2000 数据是根据SPOT4的植被仪器采集的数据制作而成，植被共分为22类，分别为常绿阔叶林、封闭阔叶落叶林、开放阔叶落叶林、常绿针叶林、落叶针叶林、混交林、淡水浇灌林、林和非林自然植被、过火森林、郁闭／开放常绿灌木、郁闭／开放落叶灌木、郁闭／开放草地、稀疏草地或灌木、合理浇灌灌木或草地、管理的农田、农田／森林／其它自然植被混合、农田／灌木／草地混合、裸地、水体、冰雪及人工区。在用ArcGIS 对植被分类数据进行重采样后，提取获得模式运行所需的0．1°×0．1°经纬度网格的植被分类数据。根据GLC2000的植被类型标准，将祁连山地区植被分为常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木和农田，分别用常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木和农田的区域平均值来代表该类植被NPP的变化，以此来研究不同类型植被NPP对气候变化的响应。

1．2．3 土壤质地数据 研究所用土壤质地数据是从空间分辨率为0．5°×0．5°的全球土壤质地数据（http：／／www．isric．org／data／data－download wise soil 0．5×0．5（v3．0））中提取的，并用ArcGIS进行重采样处理，得到空间分辨率为0．1°×0．1°的研究区域土壤质地分类数据。

1．3 模型简介

大气－植被相互作用模型AVIM2（Atmosphere－Vegetation Interaction Model 2）是在AVIM 模型基础上经发展和改进而形成的动态陆地生态系统模型，主要由三个模块组成：描述植被－大气－土壤之间辐射、水、热交换过程的陆面物理过程模块、基于植被生态生理过程（如光合、呼吸、光合同化物的分配、物候等）的植被生理生长模块和土壤有机碳转化和分解子模块［21］。陆面物理模块的详细结构和过程参数化在Cassardo等［22］和Ji等［23］的文章中已有详细描述，植物生长过程子模块详见文献［24－25］，土壤有机碳转化和分解模块的详述见文献［26］。在站点尺度上，AVIM 模型对草地、农作物、森林等生态系统净初级生产力的模拟结果与观测数据有较好的一致性［27－30］。在区域尺度上，对全球生态系统、中国区域、青藏高原、西南地区的净初级生产力做了模拟，取得了很好的模拟结果［21，31－32］，可见AVIM 模型在区域尺度的研究上有较好的适用性。因此，本研究的NPP数据也是可信的。

2 结果与分析

2．1 祁连山植被净初级生产力空间分布格局

图2为祁连山1958～2008年平均净初级生产力（NPP）的空间分布格局。图中显示祁连山植被NPP从西北向东南呈递增趋势，区域内植被NPP最高值是650g·m－2·a－1，平均值为127g·m－2·a－1。祁连山植被NPP 空间分布存在一定空间差异，大致以黑河干流为界，中东部地区植被NPP 值较高，中西部地区植被NPP 值较低，这与贾文雄［19］、陈志昆［33］对祁连山降水的空间分布格局的研究结果是一致的。祁连山中东部地区东南部水热条件较好，植被NPP 较大，大多在300g·m－2·a－1以上，中东部地区西北部广泛分布着草地和稀疏灌木，这些地区植被NPP大致在200～300g·m－2·a－1左右；中西部地区西南部多为裸地、冰雪，也有一些稀疏灌丛，植被NPP 在100～200g·m－2·a－1之间；中西部地区西北部为冰雪和少量稀疏灌丛，植被NPP在50～100g·m－2·a－1之间；中西部地区西部大面积为裸地，植被稀少，植被NPP多在50g·m－2·a－1以下，一些荒漠地区接近0。

图2 祁连山多年平均的植被NPP空间分布Fig．2 The spatial distribution of the annual average vegetation NPP in Qilian Mountains

2．2 祁连山植被净初级生产力的年际变化

2．2．1 祁连山植被年净初级生产力的年际变化 图3，A～C 分别为1958～2008年祁连山地区年平均气温、降水量和NPP 总量的年际变化趋势。近51年来，祁连山区域平均气温为2．932℃，年平均气温在1958～1967年10年间呈小幅降低趋势，1967年降至最低，年均温仅为1．55℃；1968～2008年41年间呈持续增加趋势，其中1968～1982年和1983～1994年2个时段增温幅度较小，上升速率分别为0．025℃·a－1和0．081℃·a－1，1995～2008年增温幅度较大，上升速率为0．132℃·a－1。在社会科学统计软件（statistical program for social sciences，SPSS）中统计计算得知，上升速率均通过信度为0．01的置信度检验。

近51年来，祁连山地区年平均降水量为207 mm，年平均降水量最低年份是1962年，仅为139 mm，最高年份是1989年，降水量为297mm。1958～2008年平均降水量呈缓慢波动增加趋势，增加速率为1．355mm·a－1，通过信度为0．01的置信度检验。其中1958～1962年呈减少趋势，到1962年减至最低，1962～1989年呈增加趋势，在1989年达到最高，1989～2001年又呈减少趋势，2001～2008再次呈增加趋势。

图3 祁连山气候及植被净初级生产力的多年变化趋势Fig．3 The trend of climate and vegetation NPP change in Qilian Mountains for many years

近51年祁连山地区NPP 总量的平均值为127 g·m－2·a－1，其中1998年的NPP 总量最高，为155g·m－2·a－1，1960年为NPP 总量最低年，NPP仅为90g·m－2·a－1。在气温明显增加和降水量缓慢波动增加的气候背景下，祁连山地区近51年植被NPP也呈现波状增加趋势，年际变化速率为0．718g·m－2·a－1，通过信度为0．01的置信度检验。其中1958～1960年大幅度降低，1961～2008年呈波状增加趋势，期间经历了1961～1970年、1971～1976年、1977～1984年、1985～1993年、1994～2008年五次小的波状起伏。

2．2．2 祁连山不同植被类型净初级生产力的年际变化 图4分别为常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木及农田NPP 总量多年变化情况。随气温上升和降水量的增加，常绿针叶林NPP呈明显上升趋势（图4，A），其上升速率为2．138g·m－2·a－1，NPP总量每年增加0．38%，其中2003年常绿针叶林NPP最高，为707．93g·m－2·a－1。落叶针叶林区域NPP也呈明显地上升趋势（图4，B），其上升速率为1．377g·m－2·a－1，NPP总量每年增加0．42%，落叶针叶林NPP最高年为2003年，NPP达416．50 g·m－2·a－1。草地NPP也呈明显的上升趋势（图4，C），其上升速率为1．241g·m－2·a－1，每年NPP的增加量为0．69%，其中NPP 最高年份为1998年，NPP 达260．33g·m－2·a－1。灌木区NPP也呈明显的上升趋势（图4，D），其上升速率为0．855g·m－2·a－1，每年NPP的增加量为0．71%，其中2005年灌木的NPP最高，为181．16g·m－2·a－1。农田NPP 总量也呈明显的上升趋势（图4，E），其上升速率为2．275g·m－2·a－1，NPP 总量每年增加0．43%，2003年为农田NPP最高年，NPP达683．25g·m－2·a－1。在SPSS中统计计算知，上升速率均通过信度为0．01 的置信度检验。从NPP的增长速率来看，农田的增长速率是最快的，其次是常绿针叶林，再次是落叶针叶林和草地，灌木的增长速度最小。从NPP每年的增加量来看，灌木增加量的比例是最大的，其次是草地，再次是落叶针叶林和农田，而针叶林增加量的比例是最小的。

2．3 祁连山植被净初级生产力对气候变化的响应

通过在SPSS中统计计算，表1列出了近51年祁连山植被净初级生产力与气温和降水量的相关系数。表中显示，常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木及农田净初级生产力的变化与区域年平均气温和降水量的变化均呈正相关关系，也就是说随着气温和降水量的增加，祁连山植被净初级生产力也随之增加。其中，常绿针叶林NPP 与气温的相关系数为0．616，与降水量的相关系数为0．485；落叶针叶林NPP与气温的相关系数为0．669，与降水量的相关系数为0．545；草地NPP 与气温的相关系数为0．720，与降水量的相关系数为0．534；灌木NPP与气温的相关系数为0．783，与降水量的相关系数为0．422；农田NPP与气温的相关系数为0．660，与降水量的相关系数为0．535。从相关系数的大小可以看出，常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木和农田净初级生产力与气温的相关性均大于与降水量的相关性。由此可见，气温变化对祁连山地区植被净初级生产力的影响大于降水量变化，也表明祁连山地区植被生长对气温变化的响应比降水量变化更为敏感。从单因子来考虑，气温变化对草地和灌木净初级生产力的影响大于对常绿针叶林、落叶针叶林和农田的影响，而降水量的变化对落叶针叶林、草地和农田净初级生产力的影响大于对常绿针叶林和灌木的影响。

图4 祁连山不同植被类型NPP总量的年际变化Fig．4 The total NPP annual variation of different vegetation types in Qilian Mountains

表1 祁连山不同植被NPP与气温和降水的相关系数Table 1 The correlation coefficient of different vegetation NPPs with temperature and precipitation in Qilian Mountains

戴声佩等［20］基于GIS的祁连山植被NDVI对气候变化的分析结果表明：祁连山植被NDVI对气温变化的响应大于降水，与本研究结果一致；邓少福［18］利用MODIS NDVI做的祁连山气候变化对植被的影响研究发现：2000～2011年间祁连山植被改善区植被生长受控于5～8月降水量和4～8月平均气温，退化区植被生长受控于4～9月平均气温，与本研究结果也基本一致。这说明AVIM2模型在小区域尺度上也有较好的适用性。

3 结 论

本研究利用AVIM2模型模拟了祁连山1958～2008年植被NPP 的空间分布和年际变化情况，对祁连山地区植被NPP 的空间分布和不同植被类型NPP进行统计，并分析了NPP 变化对气温和降水量变化的响应特征，得到如下初步结论：

（1）1958～2008年祁连山地区年NPP 平均为127g·m－2·a－1，变化范围是90～155g·m－2·a－1，其中NPP 最高年份是1998年，最低年份为1960年。近51年来祁连山地区的NPP 呈现波动增加趋势，年际增加率为0．718g·m－2·a－1。

（2）5种典型植被常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木及农田的年NPP 总量均值分别为615、362、211、143、585g·m－2·a－1，其变化范围分别在517～708、294～417、160～254、119～177、487～683 g·m－2·a－1之间。

（3）在区域温度和降水量逐年增加的气候背景下，5种典型植被常绿针叶林、落叶针叶林、草地、灌木及农田年NPP均呈增加趋势，且增加速率依次为农田＞常绿针叶林＞落叶针叶林＞草地＞灌木，年增加量的比例依次为灌木＞草地＞落叶针叶林＞农田＞针叶林。

（4）近51年来，祁连山地区植被NPP的变化与年平均气温和降水量的变化均呈正相关关系，且与气温的相关性大于降水量，表明NPP变化对气温变化的响应比降水量变化更为敏感。

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