2004-2015年湖北省植被NPP时空分布特征及其与气候因素关系

车 风, 黄国清, 刘 韬, 田艳红, 徐庆华, 邹秀琼, 聂 荔

(1.湖北省航测遥感院, 武汉 430074; 2.湖北省测绘工程院, 武汉 430074)

植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)指绿色植物在单位时间、单位面积内，所累积的有机干物质总量，是在光合作用下，产生的有机质总量(Gross Primary Productivity,GPP)扣除自养呼吸(Autotrophic respiration,RA)所消耗的部分有机质后剩余的部分[1]。植被净初级生产力作为陆地生态系统中物质循环与能量流动的重要组成部分[2]，不仅反映了植被在自然条件下的生产能力，同时在生态变化、碳循环中扮演了重要角色，是评价生态系统可持续发展、生态系统服务价值，反映气候变化与人类活动对植被协同作用的关键指标[3-5]。

近年来，随着遥感观测技术和数据处理能力的迅猛发展，国内外学者在全球范围内对区域植被生长状况、生物量估算、环境监测等领域进行广泛应用和验证，取得了较好的效果。在全国、省域等空间尺度上，国内学者利用GLO-PEM，MOD17A3等数据集对植被NPP与气候、地形等要素之间的响应关系也进行了模拟研究。国志兴等[6]基于EOS MODIS卫星遥感资料，分析了2000—2006年东北地区植被年NPP的时空特征及其影响因素，认为降水是影响东北地区植被NPP变化的主要因素。李登科等[7]利用2000—2006年MOD17A3数据集定量分析了陕西省植被NPP的时空变化特征，陕西省呈现北低南高，关中、陕南呈现西高东低的趋势，全省NPP线性变化趋势以增加为主。崔林丽等[8]分析了2001—2010年中国东南部植被NPP的时空变化格局以及与气候要素的关系，总体上呈现从南往北、由东到西逐渐递减的格局，植被NPP与气候要素表现出明显的地域差异性。上述研究提高了对区域植被NPP与碳循环影响机制的认识，深入研究在不同因素(植被类型、气候、地形条件等)影响下植被NPP的差异变化，能够为植被NPP与陆地生态系统碳循环研究提供科学依据和理论参考。

近年来，国内多位学者对湖北全省范围或范围内不同地区、不同时期的植被NPP变化进行了探索研究，但对其影响因素的研究却较少见。赵林等[9]分析了2001—2010年干旱对湖北省森林植被净初级生产力的影响，认为湖北省气象干旱范围和强度对森林生态系统净初级生产力影响显著。陈涛等[10]基于CASA模型对武汉市生态系统净初级生产力进行了遥感估算。这些研究缺少对湖北省植被NPP影响因素的系统性分析。鉴于此，本文利用MOD17A3H数据、湖北省及其周边省份气象站点气温、降水和地形数据，对湖北省植被NPP时空变化特征以及与各驱动因素之间的相互关系进行分析研究，以期为湖北省区域生态环境评价、发展和可持续发展规划提供参考借鉴。

1 研究区概况

湖北省介于北纬29°05′—33°20′，东经108°21′—116°07′，地处长江中游，地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备，西、北、东三面被武陵山、巫山、大巴山、武当山、桐柏山、大别山、幕阜山等山地环绕，山前丘陵岗地广布。汉江自西北向东南，汇入长江，在湖北中南部形成江汉平原，与湖南洞庭湖平原连成一片。全省地势呈三面高起、中间低平、向南敞开、北有缺口的不完整盆地区域。全省年均降水量为800～1 600 mm，年平均气温为15～22℃。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及预处理

NPP数据和地表覆盖数据均来自美国国家航空航天局(NASA)的陆地过程分布式数据档案中心，其中NPP数据为2004—2015年MOD17A3H数据集，空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 a。MOD17A3H数据集是6.0版的NPP年度数据，相较于5.5版的MOD17A3数据集，该数据集采用了新的生物属性调查表(BPLUT)和新版的全球模型与融合室(GMAO)的日值气象数据对NPP数值进行模拟，提高了NPP的估算精度[11]。该数据集已广泛应用于不同地区的植被NPP和碳循环研究中[12-14]。地表覆盖数据为土地覆盖类型产品MCD12Q1，空间分辨率为500 m。本文选用马里兰大学(UMD)植被分类方案，分类准确性在65%～80%[15-16]，本文将该方案中14种土地类型进行适当合并，即将常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、郁闭灌丛、开放灌丛合并为林地，多树的草原、稀树草原、草原合并为草地，作物归为耕地，城市和建成区归为城市用地，裸地或低植被覆盖地、未分类区和填充值合并为其他。为降低研究区内土地覆盖类型年际变化对植被NPP分析的影响，本文选用2004—2015年的中间年份2010年的土地覆盖类型图(图1)对12年间的植被NPP进行分析。

图1 2010年湖北省土地覆盖类型

气象数据采用中国气象科学数据共享服务平台提供的覆盖湖北省及其周边地区在内的72个站点的2004—2015年年均气温、年降水量数据，在ArcGIS中，经过Kriging空间插值获得与NPP数据投影、分辨率一致的栅格数据。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析 一元线性回归分析法可以模拟逐个栅格像元的变化趋势，通过长时间序列的单个像元的空间变化特征，综合反映一定区域内植被NPP随时间变化的趋势及空间格局演变规律[17-18]。

(1)

式中：Slope为线性倾向值；n为研究时间跨度，n=12；NPPi为第i年的NPP值。当Slope>0时，表明随时间i的变化，植被NPP呈上升趋势，区域植被趋于正向发展，反之，植被NPP呈下降趋势。Slope值的大小反映了上升或下降的倾向程度。

植被NPP的趋势显著性检验采用F检验，检验结果只代表趋势变化可置信程度，与变化速率无关。F检验公式为：

(2)

2.2.2 相关分析法 相关分析法即计算两个或两个以上随机变量之间的相关关系的统计分析方法，以探讨两者之间的相关性强弱，相关系数越大相关性越强[19-20]。植被NPP与气象因子的相关系数计算公式如下:

2.3.4 课前安排案例情景剧，每周一演 学生收集有关护理安全、医疗纠纷的案例，设置简单场景和道具，课前安排10分钟时间进行表演和讨论，教师点评。使学生融入案例氛围，感同身受，增强其法律意识和风险防范意识。

(3)

2.2.3 地形要素重分类 为了更加深入地了解植被NPP对不同地形条件的响应，本文综合考虑湖北省域内不同高程、坡度和坡向上植被NPP的分布规律，结合前人研究方法[21-22]，将高程、坡度和坡向3个地形要素进行了重分类(表1)。

表1 湖北省地形要素的重分类

3 结果与分析

3.1 湖北省植被NPP的时空变化格局

3.1.1 湖北省植被NPP时间变化特征 对全省范围内植被NPP的逐年平均值进行统计可知(图2)，2004—2015年湖北省植被NPP年均值的总体表现为上升趋势，波动范围集中在446.1～553.7 g C/(m2·a)，平均值为495.1 g C/(m2·a)。整体来看，湖北省植被NPP变化分为3个阶段：2004—2005年为快速下降阶段，从2004年的525.8 g C/(m2·a)快速下降到2005年的446.1 g C/(m2·a)，降幅达15.16%；2005—2012年为缓慢上升阶段，增幅为6.37%；2012—2015年为快速上升阶段，从474.5 g C/(m2·a)快速上升到553.7 g C/(m2·a)，增幅达16.69%。以上植被年均NPP值和变化趋势与崔林丽等[8]分析的2001—2010年中国东南部植被NPP年际变化特征以及李登科等[23]分析的2000—2015年中国陆地植被NPP湖北地区植被NPP年均值基本一致。

图2 2004-2015年湖北省年均NPP变化

3.1.2 湖北省植被NPP空间分布格局 2004—2015年湖北省植被NPP的空间分布具有较强的空间分异性规律，大体呈东、西部山区高，中部略低的状态(图3)。全省植被NPP大部介于400～600 g C/(m2·a)，占总面积的65.84%；小于400 g C/(m2·a)区域占总面积13.53%，主要位于武汉市中西部、鄂州市中部、孝感市中部和南部、荆州市大部地区、天门市和仙桃市大部地区以及黄石市、黄冈市、咸宁市、潜江市、荆门市、襄阳市、十堰市局部地区；神农架林区大部地区、十堰市大巴山区、襄阳市荆山地区、恩施土家族苗族自治州建始县和鹤峰县部分地区、宜昌市兴山县、五峰县部分地区、随州市大洪山和桐柏山地区、咸宁市中东部地区、黄冈市大别山区等地植被NPP介于600～800 g C/(m2·a)，占总面积14.50%；仅有0.43%的面积植被NPP大于800 g C/(m2·a)，分别位于神农架林区中部、宜昌西北部和十堰市西南部部分地区。

3.1.3 湖北省植被NPP的变化趋势 为进一步分析研究区域总体的植被NPP变化趋势，本文利用一元线性拟合的方法，得到2004—2015年研究区植被NPP的变化趋势(图4)，湖北省大部地区植被NPP增加趋势明显，占全省总面积的79.22%，其中增加趋势特别明显的区域主要位于咸宁市东北部，十堰市东北部和宜昌市北部地区；植被NPP减少区域占13.99%，主要分布在恩施土家族苗族自治州大部地区、以及以荆门市为中心的周边地市；变化不明显地区集中在水域以及植被NPP减少区域周边，仅占6.79%。经F检验，湖北省植被NPP的整体变化趋势不显著，这可能受气温、降水以及人为活动等因素影响，植被NPP值处于剧烈波动状态，难以与时间变化做回归分析。

图3 2004-2015年湖北省植被NPP平均值空间分布

图4 2004-2015年湖北省NPP变化线性趋势

3.2 植被NPP与气候因素的相关性分析

气温、降水是影响区域植被覆盖特征变化的两个主要自然因素，在一定程度上直接或间接地影响植被NPP的累积。本文对2004—2015年湖北省植被NPP与年均气温、年降水量进行逐像元相关性分析，结果如图5所示。

图5 2004-2015年湖北省植被NPP与年均气温和年降水量相关系数分布情况

全省植被NPP和年均气温主要呈正相关性，占全省面积的79.28%，其中有16.38%和9.23%的面积分别通过了p<0.10和p<0.05检验，恩施土家族苗族自治州、宜昌西南部、神农架林区、十堰市西南部大巴山区、随州市大洪山和桐柏山区、咸宁市南部等地区正向相关性较为显著；与年均气温呈负相关性，占总面积的20.70%，其中有0.38%和0.11%的面积通过了p<0.10和p<0.05检验；

全省植被NPP和年降水量主要呈正相关性，占全省面积的59.07%，其中有14.85%和7.39%的面积分别通过了p<0.10和p<0.05检验，十堰市中部、襄阳市中部和西南部、宜昌市东南部、荆门市东部和西南部、孝感市西南部、天门市、潜江市、仙桃市西北部、荆州市中部和西北部以及黄冈市西北部等地区正向相关性较为显著；与年降水量呈负相关性，占总面积的40.91%，其中5.03%和2.43%的面积通过了p<0.10和p<0.05检验。

可见，湖北省植被NPP与年均气温、年降水量的相关性呈现一定的地域差异性，在空间分布上，两者之间具有明显的互补性。在鄂西、鄂西南、鄂西北和鄂东南地区，植被生长主要受气温影响；而鄂中江汉平原以及鄂东南沿江平原受降水量的影响更为明显；以荆门市、随州市和孝感市北部为主的鄂北区域，受气温和降水的影响均十分明显。

3.3 不同土地利用类型植被NPP对气候的响应

本文重点研究林地、草地、耕地3种不同土地利用类型植被NPP与年降水量、年均气温的相关关系，分析气候因子对3种不同土地利用类型植被NPP的影响，结果表明：耕地受年降水量的影响明显，约有79.16%的面积与年降水量呈正相关；林地、草地对年均气温的响应高于其他土地利用类型，呈正相关性的面积分别占90.53%，90.54%。

进一步比较不同土地利用类型与年降水量、年均气温的相关系数平均值可以发现(表2)，不同土地利用类型与年均气温的相关系数平均值大小顺序为：林地>草地>耕地，与年降水量的相关系数平均值大小顺序为：耕地>草地>林地，主要是因为湖北省受亚热带季风性湿润气候影响，年均气温呈现南部高于北部、东部高于西部的特点，年降水量鄂东南、鄂西南向鄂西北呈现逐步递减的趋势。林地主要分布于鄂西、鄂西南、鄂西北、鄂北大洪山区和桐柏山区、鄂东北大别山区、鄂东南幕阜山区，降水相对充沛，林地又具有较强的水源涵养能力，降水对林地的影响并不突出，林地植被生长对气温变化相对敏感，气温成为影响林地NPP变化的主要驱动因子；草地多分布在林地周边区域，与林地表现出相同的相关性特征；湖北省耕地大部分位于鄂北丘岗至鄂东南沿江平原和江汉平原一带，区域内16个气象站点的12 a平均气温的变化幅度介于±1.0℃以内，12 a平均降水量基本上高于900 mm，个别站点在800 mm，降水量的充沛，有利于耕地中植物的生长。

表2 3种土地利用类型植被NPP的比较

3.4 不同地形条件植被NPP对气候的响应

湖北省不同高程带的植被NPP与年均气温的平均相关系数主要表现为随高程的增加，先增加后降低的趋势(表3)，平均相关系数的峰值出现在1 500～2 000 m区域，最小值在<50 m地区。这可能是1 500～2 000 m区域的气温更适宜植物生长，随着高程的逐步升高，气温逐渐下降，反而影响了植物对碳的积累；高程<50 m地区，气温较高，抑制了植物的生长。与年降水量的平均相关系数表现为随高程的增加，逐步降低的趋势。低于500 m区域表现为正相关性，最大值出现在高程小于100 m区域，高于500 m区域表现为负相关性，这主要是因为高程<200 m区域土地利用类型以耕地为主，与年降水量相关性较强，随着高程增加，土地利用类型发生改变，从耕地逐步向林地转变，与年降水量的相关性也逐渐降低。

表3 湖北省不同高程带的植被NPP与气候因子相关性比较

植被NPP随坡度的变化总体上和NPP随高程的变化模式类似。从表4中可以看出，植被NPP与年均气温的平均相关系数随坡度的增加，呈现先增加后下降的趋势，在坡度25°～35°达到峰值，坡度<2°地区平均相关系数最小；坡度<2°地区，植被NPP与年降水量的平均相关系数最大，其他坡度级上，相关性并不明显。这与植被NPP在不同坡度上的分布趋势基本相似，主要是由于坡度较大区域位于鄂西地区，人为活动少，土地侵蚀强度小，土地类型以林地为主，林地与气温的相关性较强；随着坡度的增加，水分和营养物质易流失，碳积累受到限制，NPP较低，因此，在坡度较小区域，植被NPP与降水量的相关性反而更显著。

表4 湖北省不同坡度带的植被NPP与气候因子相关性比较

除平坦地外，植被NPP与年均气温和年降水量的相关性在不同坡向上都表现为正相关性，但各坡向间差异不明显(表5)。与年均气温相关性较显著，与年降水量相关性不明显。在平坦地上，与年均气温的平均相关系数最小，为-0.10；与年降水量的平均相关系数较显著，为0.33。

表5 湖北省不同坡向的植被NPP与气候因子相关性比较

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本研究利用MOD17A3H时间序列数据分析湖北省植被NPP时空变化特征以及在不同土地利用类型、地形条件上植被NPP对年均气温和年降水量的响应，植被NPP的波动趋势、均值与崔林丽[8]、李登科[23]等的研究基本相符。从植被NPP的空间分布特点来看，江汉平原、鄂东南沿江平原和汉江中游平原的植被NPP普遍低于其他地区，这些地区年降水量偏低，土地利用类型以耕地为主，多种植季节性较强的农作物，如水稻、小麦等，这些作物的生态结构稳定性较弱，受人类活动的影响较大，植被NPP低于全省平均水平；在神农架林区，水热条件好，森林覆盖率高，完好保存了我国北亚热带的常绿落叶阔叶混交林，孕育了丰富的生物多样性，自1986年神农架国家级自然保护区建立，我国对神农架林区实行了严格的保护，神农架林区的固碳能力取得了显著的成效[24]。

从气候要素对植被NPP的影响来看，分析结果与崔林丽等[25]探讨的气候要素、厄尔尼诺/拉尼娜(El Nio/La Nia)事件对中国植被NPP的影响的相关研究结果相近，即在鄂西、鄂西南、鄂西北和鄂东南地区，植被NPP与气温呈现正相关性，与降水呈现负相关性。分析原因，可能是因为受气温较明显的区域，如恩施土家族苗族自治州、神农架林区、咸宁市南部等地区均为山区，植被覆盖度高，年降水量为800～2 000 mm，气温的升高有利于提高微生物降解氮、磷速率，因此这些区域的植被NPP与气温具有较好的相关性；对于鄂中江汉平原以及鄂东南沿江平原一带，其年均气温明显高于西部地区，气温已不是限制植被生长的主要限制因素，这些地区，耕地面积大，多为季节性较强的农作物种植区，作物主要是水稻、小麦，因此，降水对江汉平原和鄂东南沿江平原的植被生长至关重要，是主要的气候影响因素；相比之下，以荆门市、随州市和孝感市北部为主的鄂北区域，水热条件并不理想，从其周边的气象站点观测数据也可以看出，2004—2015年年均降水量为564～1 486 mm，年均气温为15.5～17.8℃，降水和气温分布不均匀，波动范围较大，成为了该地区植被生长的两个主要限制因子。

对比本研究与前人相关研究结果，说明MOD17A3H数据能够应用于植被净初级生产力监测，为陆地生态系统碳平衡、生态环境监测与评价等提供科学参考。

但本研究也存在一些不足：(1) 未考虑人为活动对植被NPP的影响。植被NPP变化是自然因素和人为因素综合作用的结果，在经济快速发展的背景下，城市不断扩张，不合理的用地方式，植被覆盖类型的转变，加剧了水土流失，导致了植被碳积累的损失，人为活动也是影响植被NPP变化的重要因素；(2) 植被NPP的监测是一个长期动态的过程，往往需要几十乃至上百年的时间，受数据源所限，本研究仅选用2004—2015年植被NPP作为研究对象，时间序列较短，在一定程度上制约了植被NPP演变规律的发现。获取更长时间序列的植被NPP数据，科学、合理地揭示气候变化、人类活动对植被NPP影响规律和作用变化机理，为生态环境规划与治理提供参考借鉴是未来研究的重点。

4.2 结 论

(1) 从时间上分析，湖北省植被NPP年均值总体呈上升趋势，2005年植被NPP年均值最小，最大值出现在2015年；从空间上分析，湖北省植被NPP的空间分布大体呈东、西部山区高，中部略低的态势，全省植被NPP值大部介于400～600 g C/(m2·a)；全省植被NPP主要呈增加趋势，占全省总面积的79.22%，主要分布在咸宁市东北部，十堰市东北部和宜昌市北部地区。

(2) 植被NPP与年均气温、年降水量的相关性呈现一定的地域差异性，在空间分布上，两者之间具有明显的互补性。

全省植被NPP和年均气温主要呈正相关性，占总面积的79.28%，呈负相关性区域占总面积的20.70%；全省植被NPP和年降水量主要呈正相关性，占总面积的59.07%，呈负相关性区域占总面积的40.91%。

(3) 年降水量与耕地呈明显的正相关性，年均气温与林地、草地呈明显的正相关性。与年均气温的平均相关系数大小顺序为：林地>草地>耕地，与降水量的平均相关系数大小顺序为：耕地>草地>林地。

(4) 在不同高程带，植被NPP与年均气温的平均相关系数表现为随高程的增加，先升后降的趋势，平均相关系数的峰值出现在1 500～2 000 m区域，最小值在<50 m地区；与年降水量的平均相关系数表现为随高程的增加，逐步降低的趋势。

(5) 植被NPP在坡度上的变化与其在高程上的变化类似。植被NPP与年均气温的平均相关系数随坡度的增加，呈现先增加后下降的趋势，坡度25°～35°达到最大，坡度<2°地区平均相关系数最小；在坡度<2°地区，植被NPP与年降水量的平均相关系数最大，其他坡度级上，二者相关性并不明显。

(6) 除平坦地外，植被NPP与年均气温和年降水量的相关性在不同坡向上都表现为正相关性，与年均气温相关性较显著，而与年降水量相关性不明显。