劉雪佳, 趙 杰, 杜自強(qiáng), 張 紅

(1.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 山西 太原 030006; 2.山西大學(xué) 黃土高原研究所, 山西 太原 030006)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)是指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上通過(guò)光合作用所積累的有機(jī)干物質(zhì)的總量，代表著包括人類在內(nèi)的地球生物實(shí)體的食物能源的凈主要來(lái)源[1]，是陸地碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的關(guān)鍵組成部分[2]。陸地NPP將氣候，生態(tài)和人為因素對(duì)全球碳循環(huán)的影響進(jìn)行了獨(dú)特的整合，其變化極大地影響了土地與大氣之間的CO2交換與全球氣候變化[3]。定量估算區(qū)域到全球尺度的NPP對(duì)于了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化、生態(tài)系統(tǒng)管理和碳循環(huán)研究、確定可持續(xù)利用自然資源等有著十分重要的意義[1]，因此也一直受到學(xué)術(shù)界和政府機(jī)構(gòu)的高度重視[2]。此外，NPP對(duì)溫度、降水和太陽(yáng)輻射等要素的變化較為敏感，其對(duì)氣候因子的響應(yīng)也一直是全球氣候變化研究的焦點(diǎn)之一[2-3]。

中國(guó)草地的分布地區(qū)主要有北方溫帶大陸干旱氣候區(qū)、青藏高原高寒氣候區(qū)以及受季風(fēng)氣候控制的暖溫帶和熱帶小而不連續(xù)的地區(qū)[4]，這些草地分布遼闊的區(qū)域多處于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，對(duì)全球氣候變化十分敏感，因此也往往成為植被對(duì)氣候變化響應(yīng)研究的理想場(chǎng)所。

研究表明，中國(guó)的年平均氣溫自1980年開始顯著上升(增暖趨勢(shì)為0.26 ℃/10 a)，年降水量在1960年出現(xiàn)由濕潤(rùn)到干旱的突變(變化率為-6.7 mm/10 a)[5]。而太陽(yáng)總輻射在1990—2000年略有上升，2001—2014年又有下降[6]。1993—2015年，中國(guó)草地分布區(qū)域的年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)(變化率為0.23 ℃/10 a，p<0.05)、年降水量在波動(dòng)中增加(變化率為4.9 mm/10 a，p>0.05)、年太陽(yáng)總輻射量波動(dòng)式下降(變化率為-3.25 MJ/a，p>0.05)。這些變化都會(huì)對(duì)陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生不同的影響。針對(duì)中國(guó)草地NPP的模擬以及其與水熱因子的關(guān)系分析，多年來(lái)學(xué)者們已經(jīng)開展了廣泛研究[7-10]，但是由于數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，研究時(shí)段和研究區(qū)域等方面的差異，草地NPP的模擬結(jié)果及其對(duì)氣候水熱因子的響應(yīng)也具有明顯的差異性[11]。本文擬采用新一代的遙感時(shí)間序列數(shù)據(jù)，模擬近23 a來(lái)的草地植被生產(chǎn)力狀況以及氣候因子對(duì)其的影響，以期對(duì)前人研究案例進(jìn)行有益補(bǔ)充，進(jìn)一步理解氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被動(dòng)態(tài)的作用機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 遙感數(shù)據(jù)及處理 遙感數(shù)據(jù)是美國(guó)國(guó)家航天航空局(NASA)全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(GIMMS)提供的新一代NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)(NDVI 3g)。時(shí)間序列為1982—2015年，空間分辨率約為8 km，時(shí)間分辨率為15 d，該數(shù)據(jù)集是目前最長(zhǎng)時(shí)間序列的NDVI數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集消除了太陽(yáng)高度角、傳感器靈敏度隨時(shí)間變化等的影響，并結(jié)合交叉輻射定標(biāo)的方法，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的精度，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域與全球尺度植被覆蓋研究中。進(jìn)一步采用最大值合成法[12]消除了一部分云、大氣的干擾，并減少月內(nèi)物候循環(huán)的影響，得到了每月的NDVI數(shù)據(jù)集。

1.1.2 氣象數(shù)據(jù)及處理 太陽(yáng)總輻射、月平均氣溫、月降水量等氣象數(shù)據(jù)采用的是中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。通過(guò)反距離權(quán)重法[13]對(duì)各個(gè)氣象因子進(jìn)行空間插值，生成氣象柵格數(shù)據(jù)，與NDVI數(shù)據(jù)具有相同的空間分辨率和投影方式。

1.1.3 植被類型數(shù)據(jù) 植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心《1∶100萬(wàn)中國(guó)植被類型圖集》。該植被分類圖集包含11個(gè)植被類型組，54個(gè)植被型的796個(gè)群系和亞群系植被單位的分布狀況，水平地區(qū)性和垂直地區(qū)性分布規(guī)律。根據(jù)此植被圖集，草地包括了草甸、草叢和草原3種植被類型，這3種植被類型的面積占中國(guó)有植被區(qū)域的30.82%。

1.2 研究方法

1.2.1 草地NPP的估算 凈初級(jí)生產(chǎn)力很難在區(qū)域或全球尺度上進(jìn)行直接測(cè)量，因此NPP預(yù)測(cè)模型已經(jīng)成為調(diào)查凈初級(jí)生產(chǎn)力規(guī)模和地域分布的有力工具[14]。在所有模擬NPP的模型中，基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的NPP模擬模型提供了一種有效的方法來(lái)探索NPP在不同尺度上的動(dòng)態(tài)變化[4]。其中，基于光能利用率原理的CASA(carnegie-ames-stanford approach)模型被認(rèn)為是一個(gè)較為符合實(shí)際的模型，因此也被廣泛應(yīng)用于草地生產(chǎn)力的估算[3,7-14]。

本文利用CASA模型來(lái)估算中國(guó)草地1993—2015年的年NPP。該模型主要涉及2個(gè)變量，分別為植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)。公式如下：

NPP(x,t)=APAP(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)——t月份像元x處吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)——t月份像元x處的實(shí)際光能利用率(g/MJ，以C計(jì))。

光合有效輻射計(jì)算如下：

APAP(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中：SOL(x,t)——t月份像元x處的太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2)； FPAR(x,t)——植被層對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例； 0.5——植被能利用的太陽(yáng)有效輻射(波長(zhǎng)0.4～0.7 μm)占太陽(yáng)總輻射的比例。

FPAR由NDVI和植被類型來(lái)表示，并不超過(guò)0.95。

(3)

式中：SR(x,t)——t月份像元x處的比值指數(shù)； SRmin取值為1.08，SRmax的大小與植被類型相關(guān)，取值范圍在4.14～6.17之間。SR(x,t)由NDVI(x,t)求得：

(4)

光能利用率(ε)受溫度和水分條件的影響，它指的是植被將吸收到的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率，計(jì)算公式如下：

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(5)

式中：Tε1(x,t)，Tε2(x,t)——溫度對(duì)光能利用率的影響(無(wú)單位)；Wε——水分對(duì)光能利用率的影響(無(wú)單位)；εmax——理想狀態(tài)下的最大光能利用率(g/MJ，以C計(jì))。

(1) 溫脅迫因子的估算。Tε1(x,t)和Tε2(x,t)反映溫度對(duì)光能利用率的影響。

Tε1(x,t)= 0.8+0.02×Topt(x)-

0.0005×〔Topt(x)〕2

(6)

式中：Topt(x)——某一區(qū)域一年內(nèi)NDVI值達(dá)到最高時(shí)的當(dāng)月平均氣溫(℃)，當(dāng)某月的平均氣溫小于或等于-10 ℃時(shí)，Topt(x)取0。

(7)

如果某月的平均溫度T(x,t)高于最適溫度Topt(x)10° C或低于Topt(x)13°C時(shí)，則這月的Tε2(x,t)值是月平均溫度T(x,t)為Topt(x)時(shí)Tε2(x,t)的1/2。

(2) 水分脅迫因子的估算。Wε(x,t)反映的是水分對(duì)植物光能利用率的影響，隨著環(huán)境中有效水分的增加，Wε(x,t)逐漸增大，它的取值范圍為0.5(在極端干旱條件下)到1(非常濕潤(rùn)條件下)。

Wε(x，t)=0.5+0.5×E(x,t)×Ep(x,t)

(8)

式中：E(x,t)——區(qū)域?qū)嶋H蒸散量(mm)，可根據(jù)周廣勝和張新時(shí)建立的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型求取[15]；EP(x,t)——區(qū)域潛在蒸散量，可根據(jù)Boucher提出的互補(bǔ)關(guān)系求取[16]。

(3) 最大光能利用率的確定。朱文泉[17]根據(jù)誤差最小原則，利用中國(guó)的NPP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬了各植被類型的最大光能利用率，該研究成果在估算中國(guó)植被NPP時(shí)得到廣泛應(yīng)用。本文εmax的取值也參照這一成果，其中草地εmax為0.542 g/MJ。

1.2.2 草地NPP變化趨勢(shì)分析 采用最小二乘法擬合凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)間序列變化速率，即凈初級(jí)生產(chǎn)力y隨時(shí)間t變化的線性回歸系數(shù),可采用一元一次方程表示[14]：

y=at+b

(9)

式中：t——時(shí)間序列的年份；a——回歸系數(shù)，表示NPP的年變化率；b——回歸常數(shù)項(xiàng)。通過(guò)t檢驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)線性回歸系數(shù)的顯著性；p<0.05表示回歸系數(shù)顯著；p<0.01表示回歸系數(shù)極顯著。采用一元線性回歸方法，基于1993—2015年草地NPP每一像元逐年均值，逐像元計(jì)算凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化率；并根據(jù)同期草地NPP年總量，計(jì)算NPP總量的年變化率。

1.2.3 NPP與水熱因子的關(guān)系分析 采用二階偏相關(guān)分析法，消除其他變量的干擾來(lái)研究水熱因子對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響[13]?；诓莸豊PP，太陽(yáng)總輻射、氣溫和降水的逐像元年均值，逐像元計(jì)算NPP與太陽(yáng)總輻射、氣溫和降水的二階偏相關(guān)系數(shù)。其中，通過(guò)限制太陽(yáng)總輻射和降水計(jì)算凈初級(jí)生產(chǎn)力和氣溫的二階偏相關(guān)系數(shù)；限制太陽(yáng)總輻射和氣溫計(jì)算凈初級(jí)生產(chǎn)力和降水的二階偏相關(guān)系數(shù)；限制氣溫和降水量計(jì)算凈初級(jí)生產(chǎn)力和太陽(yáng)總輻射的二階偏相關(guān)系數(shù)。

二階偏相關(guān)系數(shù)通過(guò)一階偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到，而計(jì)算一階偏相關(guān)系數(shù)需要首先計(jì)算相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(10)

一階偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(11)

二階偏相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(12)

式中：x，y——需要進(jìn)行偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算的要素； 1,2——控制變量。偏相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，一般采用t檢驗(yàn)法，p<0.05表示相關(guān)性顯著，p<0.01表示相關(guān)性極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)草地NPP的時(shí)空格局

2.1.1 中國(guó)草地NPP的空間分布特征 1993—2015年中國(guó)草地NPP年總量分布在7.17×1014～8.18×1014g/a之間，年際波動(dòng)較大。其中1993，1994，1998，2002，2013年的NPP總量值較高，分別為7.95×1014，8.01×1014，8.18×1014，7.86×1014，7.95×1014g/a。

1993—2015年中國(guó)草地NPP年均總量為7.60×1014g/a，單位面積年均NPP為296.76 g/(m2·a)。沈海華等[12]基于文獻(xiàn)資料得到中國(guó)天然草地NPP為89～320 g/(m2·a)，本文結(jié)果與之類似。周偉等[7]、朱文泉[17]、高艷妮等[18]運(yùn)用CASA模型估算的中國(guó)草地NPP單位面積年平均值分別為282.0，231，217.90 g/(m2·a)，本文估算結(jié)果與其相近，差異可能是由于采用的草地分類標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)來(lái)源和研究時(shí)段不同造成的。空間上，中國(guó)草地NPP呈現(xiàn)從東部到西部、從南部到北部逐漸減少的分布特征(附圖14)。從單位面積年均NPP的分布狀況看，NPP低于100 g/(m2·a)的區(qū)域約占中國(guó)草地面積的30.85%，主要集中在青藏高原西北部、昆侖山及阿爾金山等高海拔山地。常年氣溫很低、熱量條件不足、生長(zhǎng)季很短是這些區(qū)域草地生產(chǎn)力形成的主要限制因素。NPP介于100～300 g/(m2·a)的區(qū)域占中國(guó)草地總面積的26.17%，主要位于蒙古高原的內(nèi)蒙古中部，鄂爾多斯高原，西藏和青海中部地區(qū)，大致與中國(guó)400 mm等降雨量線重合，處于中國(guó)季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)的分界地區(qū)。NPP介于300～500，500～700 g/(m2·a)的區(qū)域沿中國(guó)西南—東北走向依次分布，其面積分別占中國(guó)草地總面積的20.06%，15.73%，分布在中國(guó)的呼倫貝爾高原、天山北麓、青藏高原東南部、大興安嶺西側(cè)、小興安嶺以及山西省、內(nèi)蒙古東部四盟市地區(qū)，這些地區(qū)水熱組合條件較好。NPP介于700～900 g/(m2·a)的區(qū)域主要分布在南嶺、云貴高原東北部、江西和川西高原部分地區(qū)，面積占中國(guó)草地總面積的4.87%，這些地區(qū)位于中國(guó)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，月平均氣溫普遍在0 ℃以上，降水豐富，干濕差別不大，有利于草地的生長(zhǎng)；平均NPP介于900～1 300 g/(m2·a)的草地集中分布在云南省，面積僅占中國(guó)草地總面積的2.3%。

2.1.2 中國(guó)草地NPP的時(shí)間變化特征 1993—2015年中國(guó)草地年均NPP總量總體上呈現(xiàn)波動(dòng)式降低態(tài)勢(shì)(年變化率-1.415×1012g/a，p>0.05)。其中，1993—2010年草地NPP總量呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)(年變化率-2.312×1012g/a，p<0.05)，而2011—2015年草地NPP總量則在波動(dòng)中有所增加(年變化率0.700×1012g/a，p>0.05)(圖1)。除人為因素影響外，NPP年際變化可能由于影響草地生長(zhǎng)的自然因子(如氣溫、降水、太陽(yáng)輻射、植被生長(zhǎng)狀況等)的年際變化所致[2,7,11,17]。除去2011—2015年時(shí)間段的NPP年際波動(dòng)可能受偶然因素影響外，1993—2010年草地NPP的顯著降低趨勢(shì)跟同期的水熱因子變化密切相關(guān)。比如，除了降水量以-0.59 mm/a的線性速率波動(dòng)式降低外，和同期的NPP年際變化趨勢(shì)相似，1993—2010年太陽(yáng)總輻射以-12.28 MJ/a的線性速率顯著減少(p<0.01)(圖1)。而且，統(tǒng)計(jì)分析表明同期草地NPP與年太陽(yáng)總輻射的二階偏相關(guān)系數(shù)為0.664(p<0.01)，與年降水量的二階偏相關(guān)系數(shù)為0.745(p<0.01)，而與年平均氣溫沒有表現(xiàn)出顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這說(shuō)明在水熱因子中，這一時(shí)期草地NPP的變化主要受太陽(yáng)輻射和降水量變化的影響，溫度對(duì)其的影響并不顯著。當(dāng)然，鑒于數(shù)據(jù)的可獲得性和本文討論范圍的局限，本文并未分析引起草地NPP的變化的其他眾多原因。厘清草地生產(chǎn)力變化的原因是草地管理的基礎(chǔ)，這方面的研究還有待于深入討論[11]。

2.1.3 中國(guó)草地NPP的空間變化特征 1993—2015年中國(guó)草地NPP年際變化速率的空間分布顯示：近23 a來(lái)草地NPP的年變化速率在-24.67～37.62 g/m2之間，平均減少速率為-0.55 g/m2。

NPP年際變化率的顯著性檢驗(yàn)顯示：草地NPP呈現(xiàn)降低態(tài)勢(shì)的區(qū)域占草地總面積的61.04%。其中，NPP極顯著減少(p<0.01)的面積占草地總面積的17.46%，主要集中分布在大興安嶺以西渾善達(dá)克沙地以北、西藏中部和青海高原、天山、阿爾泰山地區(qū)；NPP呈顯著減少(p<0.05)的面積僅占草地面積的9.76%，分布范圍與NPP呈極顯著減少的分布范圍類似，除此之外，在江西省東南部和川西高原也有分布；NPP降低不顯著的面積占草地總面積的33.82%。草地NPP呈增加態(tài)勢(shì)的區(qū)域占草地總面積的38.96%。其中NPP呈極顯著增加(p<0.01)的面積占草地總面積的8.06%，主要集中分布在鄂爾多斯高原、山西省和西藏北部；NPP呈顯著(p<0.05)增加的面積占草地總面積的5.12%，零星分布在西藏、云貴高原、鄂爾多斯高原等地區(qū)；NPP增加不顯著的面積占中國(guó)草地總面積的25.78%。40.40%的中國(guó)草地NPP變化具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性，59.60%的草地變化沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?？傮w上1993—2015年，中國(guó)草地NPP減少的面積多于NPP增加的面積，表明近23 a來(lái)中國(guó)草地植被生產(chǎn)力呈現(xiàn)總體下降，局部上升的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2.2 草地NPP與水熱因子的關(guān)系

從草地NPP與年太陽(yáng)總輻射相關(guān)性的空間分布來(lái)看，NPP與年太陽(yáng)總輻射的相關(guān)系數(shù)為-0.79～0.96。NPP與年太陽(yáng)總輻射呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域集中分布在大興安嶺以西陰山燕山以北、青海省西南部和鄂爾多斯高原西南部。其中，NPP與年太陽(yáng)總輻射呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)的區(qū)域僅占草地面積的0.14%。NPP與年太陽(yáng)總輻射呈正相關(guān)的區(qū)域主要集中布在新疆伊寧、阿爾泰山、天山、內(nèi)蒙古的呼倫貝爾高原和鄂爾多斯高原以及阿爾山、青海、祁連山、西藏和青海大部分地區(qū)，零星分布在山西省、陜西省、云南省、廣西、四川省、江西省和貴州南部。其中，NPP與年太陽(yáng)總輻射呈顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)相關(guān)的比例占到草地總面積的15.94%，略高于NPP和年降水呈顯著和極顯著相關(guān)的比例。作為驅(qū)動(dòng)光合作用過(guò)程的能量來(lái)源，太陽(yáng)總輻射是NPP的重要資源[19]，但近23 a來(lái)降水的增加會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)總輻射的減少，這可能會(huì)削弱太陽(yáng)輻射對(duì)植被的影響。

從草地NPP與年降水量相關(guān)性的空間分布來(lái)看，NPP與年均降水的相關(guān)系數(shù)在-0.72～0.93之間。NPP與年降水量呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在青海省南部和西藏東北部。原因可能是這些區(qū)域?qū)儆诟吆０蔚睦錆癍h(huán)境，且近23 a來(lái)降水量增加，降水量的增加意味著溫度的降低，從而抑制植被的生長(zhǎng)，因而NPP與降水量之間負(fù)相關(guān)關(guān)系的真正作用機(jī)制是受溫度的影響。其中，NPP與年降水量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)的區(qū)域不足草地總面積的0.02%。NPP與年降水量呈正相關(guān)的區(qū)域集中分布在內(nèi)蒙古的呼倫貝爾高原、西藏中西部、大興安嶺以西陰山燕山以北、鄂爾多斯高原、甘肅省和青海省交界處、阿爾泰山、新疆伊寧和天山地區(qū)，山西省、陜西省、云南省、廣西和江西省也有分布。其中，NPP與年降水量呈顯著和極顯著正相關(guān)的的區(qū)域占草地總面積的15.48%?？傮w來(lái)看，草地NPP與年降水量顯著和極顯著相關(guān)的面積比例明顯多于NPP與氣溫的相關(guān)性比例，即降水對(duì)草地NPP的影響比氣溫的影響區(qū)域更為廣泛。草地NPP與降水呈正相關(guān)的主要原因在于降水增加改善了土壤水分供給條件，增強(qiáng)了光合速率，從而提高了生產(chǎn)力，同時(shí)高原山地地區(qū)較低的溫度能夠減少蒸散，從而減少可利用水分的散失，有利于植被生長(zhǎng)[20]。

從草地NPP與年均氣溫相關(guān)性的空間分布來(lái)看，NPP與年均氣溫的偏相關(guān)系數(shù)在-0.81～0.82之間。NPP與年均氣溫呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古錫林浩特北部、云南省、江西省、準(zhǔn)格爾盆地周邊、西藏西南部和青海中西部地區(qū)。這些區(qū)域可能由于其本身年均氣溫較高，使土壤蒸發(fā)加劇，植被可利用水分減少，植物生長(zhǎng)受到抑制，從而影響植被NPP的積累速度。其中，極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)和顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)的區(qū)域僅占草地總面積的0.14%。NPP與年均氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域主要集中分布在新疆中部、青藏高原東北部西南部、內(nèi)蒙古阿拉善以東、鄂爾多斯高原北部、青海東部和西藏北部地區(qū)。這些區(qū)域可能是由于氣候相對(duì)較為濕潤(rùn)，土壤水分條件較好，溫度成為植物生長(zhǎng)的主要限制因子[21]。其中，極顯著正相關(guān)(p<0.01)和顯著正相關(guān)(p<0.05)的區(qū)域僅占草地總面積的0.89%?？傮w來(lái)看，草地NPP與氣溫呈不顯著相關(guān)的比例占到了中國(guó)草地總面積的98.97%。這也表明空間上，氣溫對(duì)草地NPP的影響普遍較小，不是NPP變化的主要制約因素[22]。盡管溫度會(huì)隨著太陽(yáng)輻射能量的積累而升高，但本文的年均氣溫和年太陽(yáng)總輻射并沒有顯著的相關(guān)性(p>0.05)。另外，太陽(yáng)輻射是葉片白天能量輸入的主要來(lái)源。其中光合有效輻射是植被生產(chǎn)力構(gòu)成的直接因子，而溫度主要通過(guò)季節(jié)性變化影響草地植的生理生化過(guò)程從而改變草地NPP，而且不同草地類型對(duì)溫度變化的敏感性也不同。本文采用年際尺度上的平均氣溫和草地植被的平均生產(chǎn)力可能會(huì)消弱溫度對(duì)草地植被的影響。這些都可能是草地NPP受太陽(yáng)輻射影響較大，而溫度對(duì)其影響較小的原因。

總體上，從草地NPP與水熱因子關(guān)系的空間分布來(lái)看，NPP與太陽(yáng)總輻射和年降水量的偏相關(guān)性通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的面積遠(yuǎn)大于與溫度偏相關(guān)性的面積。這也從另一個(gè)方面印證了草地NPP年際變化的可能原因，即近23 a來(lái)草地NPP的變化與太陽(yáng)輻射和年降水量的年際變化密切相關(guān)，而與年均氣溫的關(guān)系甚微。當(dāng)然，由于研究時(shí)段、研究數(shù)據(jù)、模型的選取和參數(shù)的界定等原因，得到草地NPP與氣候要素的關(guān)系也會(huì)有所差異[11,18]。因此，量化不同因素對(duì)NPP的影響仍然是未來(lái)氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響研究的挑戰(zhàn)[4]。

3 結(jié) 論

(1) 1993—2015年，中國(guó)草地NPP年均總量為7.595×1014g，單位面積NPP均值為296.76 g/(m2·a)。草地NPP呈現(xiàn)從東部到西部、從南部到北部逐漸減少的空間分布特征。

(2) 從年際變化來(lái)看，1993—2015年中國(guó)草地NPP總體以-1.415×1012g/a的線性速率(p>0.05)波動(dòng)式下降。其中，1993—2010年草地NPP總量以-2.312×1012g/a的線性速率(p<0.05)顯著降低，2011—2015年草地NPP總量在以7.00×1011g/a的線性速率(p>0.05)波動(dòng)式上升。從空間變化來(lái)看，40.40%的草地NPP變化具有統(tǒng)計(jì)顯著性，59.60%的草地呈現(xiàn)不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的波動(dòng)性變化；總體上，同期中國(guó)草地NPP呈現(xiàn)普遍下降、局部改善的變化特征。盡管未來(lái)隨著環(huán)境變化和人為原因，草地的面積會(huì)發(fā)生變化[11]，但從2011年以來(lái)的氣溫、降水和太陽(yáng)輻射的波動(dòng)式上升態(tài)勢(shì)來(lái)看，草地的生產(chǎn)力也可能會(huì)隨之提高。

(3) 從草地NPP與水熱因子的關(guān)系來(lái)看，年際變化上，除去草地NPP的波動(dòng)性變化，草地NPP與太陽(yáng)總輻射和降水量的二階偏相關(guān)性具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與年平均氣溫沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系。具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著意義的偏相關(guān)性的空間分布上，與太陽(yáng)輻射偏相關(guān)性的面積比例>與降水偏相關(guān)性的面積比例>與氣溫偏相關(guān)性的面積比例。這從2個(gè)方面印證了最近23 a中國(guó)草地NPP的變化主要受到太陽(yáng)總輻射和降水量的影響，而受溫度變化的影響相對(duì)較弱。

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