近55 a新疆植被净初级生产力的时空变化

黄秉光，杨 静*，黄 玫

（1. 新疆气象服务中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101）

新疆生态系统属于高度脆弱状态，对新疆丝绸之路沿线经济的开发面临着严峻的生态环境考验。关于新疆气候变化下植被净初级生产力的分布有不少学者进行过研究[1-4]，而利用大气植被相互作用模型AVIM2（Atmosphere-Vegetation Interaction Model 2）来研究新疆植被净初级生产力（NPP）的时空变化较为少见。

在新疆开展气候变化对植被净初级生产力的影响研究，不但可以促进关键区域气候与生态相互作用研究的发展，而且可为区域经济的可持续发展提供根本保障。本研究通过选取新疆近55 a的105个站点气象要素，通过气象要素插值获得0.05°×0.05°分辨率的栅格数据，采用模型AVIM2对新疆植被净初级生产力的时空演变特征进行了重点分析，其成果为新疆合理开发和利用自然资源、保护脆弱的生态环境可提供科学指导。

1 资料来源

选取新疆105个气象站点1961—2015年7要素（平均气温、降水量、风速、相对湿度、云量、气压、土壤温度）逐日平均数据，采用澳大利亚Anusplin 4.2软件对各气象要素进行插值，获得分辨率为0.05°×0.05°的栅格数据作为模型气象输入数据，模型中的土壤质地数据来源于张时煌[5]，植被分类数据取自ARCVIEW平台，其融合了2010年卫星遥感土地覆盖数据和中国科学院植物研究所编制的1：100万中国植被图[6]。而模式运行所需的0.05°×0.05°经纬度网格则是应用了GIS进行重采样的结果[7]。

2 分析方法

采用线性趋势倾向率法来分析新疆NPP总量的时间趋势变化，用Mann-Kendall非参数检验法进行气候突变检测[8]；通过计算每个格点NPP与时间序列之间的趋势系数来得到空间趋势变化[8]。

3 AVIM2模型验证

AVIM2模型主要由3个模块组成[9]：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；土壤有机碳转化和分解子模块。目前，AVIM2已被广泛应用到植被净初级生产力的模拟[10-13]。利用中国科学院地理科学与资源研究所在新疆北部阿尔泰山区的森林实测NPP数据，对AVIM2模拟效果进行验证效果令人满意[7]。

4 结果与分析

4.1 新疆NPP的时间动态变化特征

有研究表明，新疆年均气温明显升高、年降水量大部地区明显增加[14-20]，在此气候背景下，近55 a新疆NPP总量的时间动态变化总体呈缓慢增大趋势（P＜0.01）。平均每10 a递增速率约为1.8 gC·m-2，近55 a NPP平均值为92.4 gC·m-2，其中1993年最高为107.1 gC·m-2，2014年最小为79.0 gC·m-2（图1a）。

对1961—2015年NPP总量进行M-K检验（图1b）。UF线在进入20世纪70年代后均大于0，说明NPP总量一直呈缓慢上升，到2003年UF线突破了0.05水平的显著性检验，2005年突破了0.01水平的显著性检验，表明2005年到2015年间NPP总量升高趋势异常显著。UF和UB线在0.05水平的置信区间内有一个交点于1980年，说明1980年是NPP总量的一个升高突变点。

图1 NPP时间动态变化（a）及M-K检验结果（b）

4.2 净初级生产力的空间动态变化特征

4.2.1 年分布特征

图2反映的是近55 a新疆植被年净初级生产力的空间平均分布状况，其中天山山脉、阿尔泰山脉和塔城山区多分布着常绿针叶林、落叶针叶和阔叶林、高山草地等，NPP值较高，为300～750 gC·m-2，大致占新疆总面积的8% ；而伊犁河谷、北疆沿天山一带、塔城和阿勒泰的平原地区、塔里木盆地周边绿洲平原地带是自然植被与农作物混杂区，NPP值也相对较高，为150～300 gC·m-2，该区占新疆总面积的16% ；而其他区域多以沙漠和戈壁地带为主，NPP值相对较低，值在150 gC·m-2以下，占新疆总面积的76% 。

图2 多年平均NPP空间分布特征

图3给出了1961—2015年新疆NPP变化趋势的空间分布特征。新疆NPP呈下降趋势的地区占23% 。其中呈显著（P<0.05）下降的地区占11% ，主要分布在伊犁河谷、博州、塔城、吐鲁番盆地、阿克苏、克州以及巴州的西部地区。一般下降的地区主要有石河子、昌吉州的大部地区以及乌鲁木齐、南疆盆地的沙漠腹地的部分地区。综合来看，NPP的下降分布区域多是在人类生活动聚集的区域，这很可能与人类对自然植被的不合理利用有关，有待进一步的研究考证。新疆NPP呈上升趋势的地区占新疆总面积的77% ，其中55% 的区域呈现显著（P<0.05）上升趋势，NPP上升区域多分布在人烟稀少的山区。

图3 NPP变化趋势的空间分布特征

4.2.2 四季分布特征

净初级生产力的季节变化最能反映一个地区气候的季节变化对净初级生产力影响的一般规律。选取1、4、7、10月分别代表冬、春、夏、秋季来看净初级生产力季节变化。图4为春、夏、秋、冬四季净初级生产力季节变化。从NPP的季节变化来看，秋季和春季变化较为一致，夏季则是NPP最大的季节，冬季NPP值接近于零。

春季（4月）平原植被进入积极生长期，山区部分植被开始生长，NPP逐渐增大。NPP值在51～75 gC·m-2的比例占整个面积的1% ；NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，主要位于伊犁河谷、北疆沿天山一带和博州、塔城、阿克苏的部分地区（图4a）。

夏季（7月）由于气温最高，降雨明显增多，NPP达到最大值。特别是位于西天山和中天山山脉、阿勒泰山脉和塔城山区的NPP值的最大值增至126～175 gC·m-2，NPP在101～175 gC·m-2的比例占整个面积的2% ；NPP在51～100 gC·m-2的占15% ；NPP在25～50 gC·m-2的比例占7% ；NPP低于25 gC·m-2的比例占76% ，多为沙漠戈壁地带（图4b）。

秋季（10月）和春季（4月）的NPP的分布特征较为相似，NPP值在26～50 gC·m-2的比例占6% ，NPP值在51～75 gC·m-2之间的比例占整个面积的3% ，高于春季的1% 。秋季南疆的NPP值在26～50 gC·m-2之间的比例比春季大（图4c）。

冬季（1月）是新疆隆冬时节，植被少、气温低、太阳辐射量少，NPP值接近于零（图4d）。

4.3 NPP与气温、降水的关系

4.3.1 相关性分析

有研究表明，中国北方地区NPP基本受降水量变化的控制，与气温的相关性不明显，而在南方很多地方，NPP受气温的影响更大一些[21]。对近55 a NPP与气温、降水的时间变化分别做相关对比分析，得到新疆NPP的时间变化与气温相关不显著（P＞0.05）（图5a），而与降水量呈现显著的正相关，相关系数达到0.78（P＜0.05）（图5b）,说明新疆NPP对降水量的变化较敏感，而对气温的变化影响不大。

4.3.2 空间分布分析

图4 多年平均NPP四季空间分布特征

图5 NPP与气温（a）、降水量（b）的相关性分析

气温和降水对NPP的影响具有区域性差异。新疆NPP与年平均气温相关性的空间分布情况来看（图6a），各地区分布不一致，正相关的地区占到新疆总面积的75% ，其中23% 的地区呈现显著正相关，主要分布在天山、阿尔泰山和昆仑山区地带；负相关的地区为25% ，仅6% 的地区呈现显著负相关，主要分布在海拔较低、气温较高的人口聚集的城市周边和准葛尔各盆地及谷地，究其原因主要是由于气温越高，HR释放碳量就高于植被固定的碳量。新疆NPP与降水的空间变化（图6b）显示绝大多数（98% ）地区呈正相关，其中51% 的地区呈现显著正相关,说明降水量是影响新疆NPP的主导气候因子，降水量增多对新疆NPP的变化具有积极的影响意义。

图6 NPP与气温（a）和降水量（b）的空间相关性分析

5 结论

（1）近55 a新疆NPP平均值为92.4 gC·m-2，其中1993年最高为107.1 gC·m-2；2014年最小为79.0 gC·m-2。NPP总量的时间动态变化总体以1.8 gC·m-2/10 a的速率呈显著（P＜0.01）递增的趋势，并于1980年发生突变。

（2）夏季是NPP最大的季节，其次是秋季，春季列第三位。山区NPP值较平原高。

（3）NPP的时间变化与气温相关性不显著，与降水量呈显著正相关;而空间变化与气温相关性不显著，但与降水相关性极好。说明降水的增加对NPP的变化有着积极的影响。

（4）新疆NPP对降水量变化呈较为显著的正相关，气温的变化对NPP的影响呈不显著的正相关，说明降水的增加相对气温的升高，对新疆植被净初级生产力的变化有着更加积极的影响。