科尔沁地区植被净初级生产力时空动态特征

龚相文，李玉强，王旭洋，牛亚毅， 连 杰，罗永清，余沛东

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

植被净初级生产力(NPP)是指植物在单位时间、单位面积上经过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[1]。作为陆地生态系统碳循环和气候变化研究核心部分的NPP[2]，既反映地表植被在自然条件下的生产能力[3]，也表征陆地生态系统的质量状况，某种程度上在气候变化研究中具有指示器的作用[4]，是判定陆地生态系统健康和可持续发展水平的重要指标[5]。全球气候变化是驱动植被NPP发生年际变化的主要因素[6]。近年来气候呈现变暖为特征的变化[7]，中国北方植被受气候变化的影响显著[8]，成为研究植被活动与气候变化关系的关键区域，该区域植被NPP的时空动态特征及气候变化的驱动机制成为研究的热点问题之一[9-11]。

科尔沁地区位于中国北方半干旱-半湿润带和农牧交错带的交汇区，属于我国典型的生态脆弱区。植被盖度低和土壤基质不稳定，易受环境退化和荒漠化的影响[12]，对气候变化非常敏感。近年来，受全球气候变化和人类活动的影响，科尔沁地区出现草地退化、土地沙漠化、地下水位下降等一系列严重的生态问题[13]，植被退化使当地荒漠化加剧，对居民生产生活产生诸多不利影响，因此，从植被NPP的角度提高对科尔沁地区的认识和研究气候变化对植被NPP的影响具有十分重要的意义。目前，国内外关于不同地区气候对植被NPP驱动机制的研究成果众多，有研究发现气候变化促进植被NPP增加[14-16]，NPP受降水影响高于气温[3,17-18]，也有研究表明气候变化抑制NPP增加，降水增加抑制NPP增长[12,19]。可见，当前的研究结果仍然存在诸多不确定性，气候变化对植被NPP的影响表现出明显的时空异质性，研究的时间尺度以及研究区域的差异可能导致得出结果相差很大。因此，针对特定时间、特定区域水平的NPP气候影响因子的研究需进一步加强。本研究选择2000-2010年科尔沁地区植被为研究对象，进一步研究科尔沁地区植被NPP的时空动态特征及不同沙地植被类型对降水和气温变化的响应，旨在为制定适宜当地生态环境的区域植被恢复及相关保护政策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

科尔沁地区位于中国东北部西辽河冲积平原地区，处在内蒙古高原向东北平原的过渡地带，海拔在120～800 m，位于117°49′-123°42′ E，41°41′-46°05′ N[20]。本研究选取科尔沁地区14个旗县为研究对象，主要包括霍林郭勒市、科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗、阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、科尔沁左翼中旗、科尔沁左翼后旗、科尔沁区、开鲁县、库伦旗、奈曼旗、敖汉旗、翁牛特旗、巴林右旗。目前，年干燥指数(AI，aridity index)是划分干湿地带性分异的常用指标[21]，ArcGIS中的标准分类方法中的自然间断法(nature breaks)是基于数据中固有的自然分组，将对分类间隔加以识别，可对相似值进行最恰当地分组，并可使各类之间的差异最大化，因此，本研究利用划分干湿区的指标及其标准[21]和自然间断法，结合科尔沁地区实际情况将研究区域划分为半湿润区Ⅰ(1.007≤AI<1.300)、半湿润区Ⅱ(1.300≤AI<1.500)和半干旱区Ⅲ(1.500≤AI≤1.702)三大地带性区域(图1a)。该区域属于温带大陆性季风气候，大部分地区年均降水量在300～400 mm，降水主要集中在7-9月，约占全年降水量的70%～80%，多年平均气温3～7 ℃。土壤类型主要以风沙土为主，研究区植被大类涉及草原、栽培植被、阔叶林、灌丛、草甸、针叶林、草丛(图1b)，其中草原、栽培植被、阔叶林和灌丛的总面积之和占区域总面积的91.87%(表1)。

图1 研究区概况(a)及植被类型(b) Fig. 1 Study area (a) and vegetation type (b)

数据来源：中国气象背景数据集(http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx?DOIid=39)和中国1︰100万植被类型空间分布数据(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 科尔沁地区不同植被类型定义Table 1 Definition of different vegetation types in Horqin region

1.2 数据来源与研究方法

1.2.1数据来源 NPP、年降水量、年均气温、干燥指数和植被类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。中国科学院资源环境科学数据中心的温度、降水量等气候要素采用ANUSPLIN插值法，插值结果优于协同克里格法(Cokriging)和反距离加权法(IDW)[22]。NPP、年降水量和年均气温数据集时间跨度为2000-2010年，时间分辨率为年，空间分辨率为1 km。植被类型主要参考侯学煜院士主编的全国1∶100万植被类型数据集，以植被大类进行基准分类，然后进行投影、数据转换等处理，在ArcGIS中通过重采样获取空间分辨率为1 km栅格数据。

1.2.2分析方法

1)趋势分析

以像元为基本单位，采用多年植被NPP数据进行平均计算，得到研究区多年植被NPP的空间分布特征。其计算公式：

(1)

以像元为基本单位，通过一元线性回归分析方法分析2000-2010年植被NPP的变化趋势。其计算公式：

(2)

式中：n表示研究年份数，i代表是从2000年开始的第i年，NPPi表示某像元第i年的NPP值。Slope表示研究时段内某像元在该时段内总的变化趋势，Slope>0表示该像元内的植被NPP具有增加的趋势，Slope<0则表示该像元内的植被NPP具有下降趋势，Slope=0表示NPP处于稳定状态。

2)相关性分析

偏相关分析也称净相关分析，能够在控制其他变量的线性影响的条件下，分析两变量间的线性相关性。相关系数能够表征两个变量之间相关程度，一般用r表示，其计算公式：

(3)

(4)

式中：rxy,z表示控制变量z后x、y之间的偏相关系数。通过t检验进行统计学上的显著性检验，计算公式：

(5)

式中：n表示计算样本量；m表示自变量的个数。

3)回归分析

利用数据统计原理，建立植被NPP与气温和降水之间的关系，采用一元线性回归方程分别探讨气温和降水对科尔沁地区植被NPP变化的单因子驱动关系(6)、(7)，采用二元线性回归方程探讨气温和降水对植被NPP变化的双因子驱动关系(8)，计算公式：

NPPi=a1T+b1；

(6)

NPPi=a2P+b2；

(7)

NPPi=a3T+a4P+b3。

(8)

式中：T和P分别表示研究区域年平均气温(℃)和年降水量(mm)，a1、a2、a3、a4表示回归方程的待定系数，b1、b2、b3表示回归方程的常数。

2 结果与分析

2.1 科尔沁地区植被NPP的空间分布特征

对科尔沁地区2000-2010年植被NPP的计算结果显示，11年年平均NPP为121.32 g·(m2·a)-1，表现出明显的空间异质性。多年平均NPP以科尔沁地区腹地为中心整体沿周边增加(图2)，具体表现为：半湿润区Ⅰ[167.40 g·(m2·a)-1]>半干旱区Ⅲ[133.61 g·(m2·a)-1]>半湿润区Ⅱ[83.80 g·(m2·a)-1]，受区域干湿状况的影响，科尔沁地区植被表现出地带性分异，半湿润区Ⅰ主要以阔叶林为主，半干旱区Ⅲ主要以草原和栽培植被为主，半湿润区Ⅱ主要以草原、栽培植被为主(图1)。

2000-2010年科尔沁地区植被NPP的Slope介于-40.03～39.59g·(m2·a)-1，以0.53g·(m2·a)-1的速率增长，总体呈上升趋势(图3a)。NPP地带性规律变化趋势表现为：半干旱区Ⅲ[2.82 g·(m2·a)-1]>半湿润区Ⅱ[0.71 g·(m2·a)-1]>半湿润区Ⅰ[-0.82 g·(m2·a)-1]，表明半干旱区Ⅲ植被恢复程度高于半湿润区Ⅰ和半湿润区Ⅱ，其中主要增加的县域植被NPP集中在科尔沁区[7.46 g·(m2·a)-1]和库伦旗[5.09 g·(m2·a)-1]等地，减少的县域植被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。科尔沁地区97.53%的植被NPP变化不明显(图3b)，植被NPP显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)增加区域分别占总面积的0.76%和0.09%，主要集中在巴林左旗、巴林右旗的北部等部分区域；显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)减少区域分别占总面积的1.56%和0.23%，主要集中在敖汉旗、奈曼旗、库伦旗、开鲁县等部分区域。

图2 2000-2010年间科尔沁地区NPP均值空间分布格局Fig. 2 Spatial distribution pattern of average NPP in Horqin region from 2000 to 2010

图3 2000-2010年科尔沁地区NPP年际趋势变化(a)和显著性分布(b)Fig. 3 Interannual change trends (a) and significant distribution (b) of NPP in the Horqin region from 2000 to 2010

2.2 科尔沁地区植被NPP的年际动态特征

2000-2010年，科尔沁地区植被NPP年际间波动明显(图4)，最大、最小值分别出现在2005年[194.15 g·(m2·a)-1]和2009年[57.36 g·(m2·a)-1]，对应年份的降水量分别为429.03和290.23 mm。研究期间NPP变化主要分为两阶段(图4a)，2000-2005年为第1阶段，2006-2010年为第2阶段，11年间植被NPP变化的趋势表现出显著差异性，第1阶段增加的趋势极显著(P<0.01)，线性增长22.11 g·(m2·a)-1，第2阶段变化表现较为平稳的线性降低趋势(P>0.05)，以2.21 g·(m2·a)-1的速率降低。

主要植被类型之间NPP差异明显(图4b)，NPP多年均值表现为：阔叶林[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]>灌丛[103.78 g·(m2·a)-1]，基于植被净生产力速率[5]，表明该地区阔叶林的固碳能力最强，其次是栽培植被，灌丛最弱。研究期间不同植被NPP变化波动差异明显，其中阔叶林波动范围最大，栽培植被次之，草原、草甸和灌丛年际间变化幅度相对较小，NPP变化基本稳定。

图4 2000-2010年科尔沁地区植被(a)和主要植被类型NPP(b)的年际变化Fig. 4 Interannual variation of vegetation (a) and main vegetation NPP (b) in Horqin region from 2000 to 2010

2.3 科尔沁地区植被NPP与降水和气温分析

2.3.1科尔沁地区植被NPP与降水和气温的偏相关分析 以栅格像元为研究对象，对2000-2010年科尔沁地区内植被NPP与年降水量和年均气温进行偏相关分析并进行t检验(图5)。植被NPP年均值与年降水量的相关系数介于-0.37～0.99(图5a)，正相关系数占总面积的99.96%，其中呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)区域占总面积的比例分别为20.85%、52.38%，主要集中在除巴林左旗、巴林右旗、翁牛特旗和敖汉旗等以外的县域。植被NPP年均值与年均气温的相关系数介于-0.96～0.94(图5b)，不显著相关区域占总面积的91.10%，其中正、负相关的研究区域为54.99%和36.11%，显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关区域分别占总面积的3.55%和1.96%，主要集中在开鲁县、科尔沁区和科尔沁左翼中旗等县域，而显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)负相关区域分别占总面积的2.43%和0.96%，主要集中在奈曼旗、库伦旗和科尔沁左翼后旗的南部区域。科尔沁地区植被NPP与年降水量、年均气温的偏相关系数的平均值分别为0.68、0.24，表明该地区植被NPP与降水和气温关系密切，整体呈正相关性的特征明显，增加降水和气温总体上对该区域植被起促进作用，同时降水对植被NPP的影响作用高于气温。

2.3.2科尔沁地区植被NPP与降水和气温的回归分析 基于像元为单位，对科尔沁地区对不同植被类型NPP与年降水量和年均气温进行回归分析(表2、3)。总体植被NPP与年降水量的拟合优度(R2)为0.82(P<0.01)，通过99%的显著性检验，与年均气温的拟合优度为0.03(P>0.05)，未通过95%的显著性检验。年降水量对该地区不同植被年均NPP的解释率在71.50%～92.30%，均通过99%的显著性检验，年均气温对该地区不同植被的解释率在0.80%～3.80%，均未通过95%的显著性检验，表明该地区不同植被NPP受年降水量的驱动高于气温。年降水量和年平均气温的协同作用对不同植被(草丛除外)NPP变化的解释率为72.60%～94.70%，均比单一因子对NPP的解释有所提高，其中拟合优度表现为草甸(0.95)>阔叶林(0.88)>草原(0.86)>栽培植被(0.85)>灌丛(0.76)，同时均通过99%的显著性检验，表明年降雨量和年均气温的协同作用高于单一因子对植被NPP的驱动。

图5 植被NPP与年降水量和年均气温的偏相关系数(a和b)和显著性检验(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

植被类型 Vegetation type 降水PrecipitationR2气温TemperatureR2栽培植被Cultivated vegetationNPP=0.829P-159.1180.715**-0.038阔叶林 Broad-leaved forestNPP=1.121P-248.7990.860**-0.037灌丛 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 主要植被类型NPP与年降水量和年均气温的双因子分析Table 3 Double factor analysis of NPP with precipitation and temperature in main vegetation types

3 讨论

通过遥感(RS)和GIS的技术手段进行植被NPP估算[23]，已成为当前研究植被生产能力的主要手段[10,24-26]。植被NPP多年均值与研究期间科尔沁周边研究区域的研究结果近似[8,10,27]。研究期间，科尔沁地区NPP以0.53 g·(m2·a)-1的增长率增加，植被整体上呈恢复趋势，恢复面积占科尔沁地区的48.77%，其中半干旱区Ⅲ植被恢复程度高于半湿润区Ⅱ，半湿润区Ⅰ呈退化趋势，与辛良杰等[28]对内蒙古防沙带草地植被呈现“整体改善，局部退化”和姜汇等[29]发现科尔沁地区草原目前处于生态恢复的早期阶段的研究结果基本一致。植被NPP受到植被类型、气候环境变化和人类生产活动等诸多因素的影响[30]，其空间分布与植被类型及密度分布密切相关，不同植被之间的固碳能力存在差异[31-32]。植被NPP分布出现地带性分异，半湿润区Ⅰ[167.40 g·(m2·a)-1]>半干旱区Ⅲ[133.61 g·(m2·a)-1]>半湿润区Ⅱ[83.80 g·(m2·a)-1]，是由于半干旱区Ⅲ主要以栽培植被为主且比较集中，人类的农业行为导致该地区植被密度高于水分条件较好的半湿润区域，半湿润区Ⅰ主要以针叶林和阔叶林为主，且以山地丘陵为主，对光能利用效率较高，半湿润区Ⅱ属于科尔沁地区的核心区域，植被类型主要以灌丛、草甸和草原为主，植被裸露或覆盖度很低[22]，因此，该地区植被NPP最低。

温度和降水等气象要素是植物生长过程中必要条件，气候变化会影响植物的生存环境，导致植物内部的光合作用和呼吸作用过程发生改变[33-34]，因此，气候变化是导致植被NPP发生变化的重要外界影响因子。科尔沁地区NPP与年降水量的偏相关系数均值(0.69)高于年均气温(0.24)，NPP与年降水量呈极显著的正相关关系，而与年均气温无显著相关关系，研究结果与内蒙古典型草原[35]、浑善达克沙地等[8]和呼伦贝尔沙地等[11]的研究一致。不同植被NPP与气象的偏相关分析表明在该地区植被NPP受年降水量的驱动更强，由于科尔沁地区属于典型的半湿润半干旱交错区，水分成为当地植被生长的主要限制因子，降水是当地主要的水分供给来源，降水量的增加会改善该地区的生境，使水分对当地植被生长的胁迫作用降低，植被对水分的利用效率增加，促进光合作用，进而提高植被生产力[6,36]。此外，11年间NPP的最大值[194.15 g·(m2·a)-1]和最小值[57.37 g·(m2·a)-1]分别发生在2005年和2009年，发生的年份恰好是降雨量的最大值(419.03 mm)和最小值(290.23 mm)，气温最大值和最小值分别发生在2007年(7.41 ℃)和2010年(5.20 ℃)，进一步说明降水是科尔沁地区大部分植被生长的重要影响因素，但降水与温度之间存在密切关系。气温和降水的协同作用对不同植被类型NPP变化的解释高于单因子作用(表2、3)，表明研究该地区不同植被类型NPP变化需考虑气温与降水的协同作用。

不同类型的植被对热量和水分变化的利用效率存在很大差异[25,27]，造成不同植被NPP对温度和降水量的依赖程度不一致，产生不同植被NPP的地带性差异[10]。植被NPP与气象的回归分析表明科尔沁地区不同植被NPP对降水的依赖高于气温[27,33]，这是由于该地区干旱少雨，气温升高将造成潜在蒸发量增加，导致土壤水分散失，该地区植被对水分的生理需求高于温度。不同植被NPP受降水和温度的影响程度存在差异，这是由于不同植被生长的适应能力受地形因素、区域水热组合状况和水热需求等多重影响[30]，研究结果与代子俊等[37]对不同植被类型对气候变化的响应研究一致。

4 结论

1)2000-2010年科尔沁地区植被年平均NPP为121.32 g·(m2·a)-1，科尔沁地区NPP以0.53 g·(m2·a)-1增加，整体呈恢复趋势，恢复面积占科尔沁地区的48.77%，其中半干旱区Ⅲ植被恢复程度高于半湿润区Ⅱ，半湿润区Ⅰ呈退化趋势。科尔沁地区植被NPP年际变化受降水和气温波动影响明显，在年际尺度上对降水的影响高于气温，同时气温和降水的协同作用均大于单一影响因子，草甸受降水和气温的影响最高，其次为阔叶林、草原和栽培植被等，灌丛受降水和气温的影响最小。因此，气温和降水的协同作用对植被NPP变化的影响不容忽视。

2)基于植被净生产力速率，固碳能力在不同气候区划和植被类型之间存在差异。不同气候区划NPP多年均值大小依次为半湿润区Ⅰ>半干旱区Ⅲ>半湿润区Ⅱ，表明半湿润区Ⅰ植被固碳能力最强，其次是半干旱区Ⅲ，半湿润区Ⅱ。不同植被NPP多年均值大小依次为阔叶林>栽培植被>草原>草甸>灌丛，表明阔叶林固碳能力最强，其次是栽培植被，灌丛最弱。