劉忠陽， 李夢(mèng)夏， 李軍玲， 延昊， 錢拴

(1.中國(guó)氣象局 河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003;2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003; 3.國(guó)家氣象中心， 北京 100081)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是全球變化的敏感指示器[1]。獲取地表植被特征及其變化信息，了解植被變化對(duì)環(huán)境、資源和氣候的反饋?zhàn)饔茫瑢?duì)揭示地表空間變化規(guī)律，分析評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的植被動(dòng)態(tài)研究一般以野外觀測(cè)為主，研究區(qū)域較小[2]。當(dāng)前遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大范圍地表信息進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，已成為大尺度乃至全球尺度植被監(jiān)測(cè)的主要手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)不同尺度下植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析[3-7]。MYNENI等[8]發(fā)現(xiàn)1981—1991年北半球高緯度地區(qū)的植被呈增加趨勢(shì)。許翔馳[9]研究表明，中國(guó)地區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)呈現(xiàn)東南地區(qū)高西北地區(qū)低，其余地區(qū)表現(xiàn)為居中趨勢(shì)，且2001—2016年NDVI上升趨勢(shì)明顯。對(duì)內(nèi)蒙古、西北地區(qū)、汾河流域的植被時(shí)空演變特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)果表明研究區(qū)域的植被生長(zhǎng)也有增加趨勢(shì)[10-13]。植被生長(zhǎng)受氣候變化的影響，其影響機(jī)制是相對(duì)復(fù)雜的[14]。北半球中、高緯地區(qū)的植被增長(zhǎng)與溫度升高有關(guān)[15]，而亞馬遜雨林的植被冠層對(duì)降水量的波動(dòng)非常敏感[16]。國(guó)內(nèi)的研究也表明，降水、熱量、光照等氣候因子共同控制植被生長(zhǎng)活動(dòng)過程，其中氣溫與降水兩者對(duì)植被生長(zhǎng)影響更大[17]。但是，不同氣候因子在各地作用不同，在西北地區(qū)，植物生長(zhǎng)受水分制約，在東北和青藏高原一帶，溫度起主導(dǎo)作用，而華東和華南大部分地區(qū)則主要受光照脅迫[18]。

綜上所述，植被的空間變化差異性較大，且氣候因子對(duì)植被的影響也具有空間異質(zhì)性。近年來對(duì)植被變化特征的研究主要集中在生態(tài)環(huán)境較脆弱的地區(qū)，而河南省作為重要的糧食生產(chǎn)地，也是國(guó)家東西部地區(qū)的連接樞紐和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的主要承載地，針對(duì)性的相關(guān)研究較少。不同季節(jié)氣候因子對(duì)植被變化的影響機(jī)制有所不同，而以往對(duì)植被與氣候因子相互關(guān)系的研究主要是以年為尺度進(jìn)行分析的。植被具有垂直分布差異，與當(dāng)?shù)貧夂蚰Ｊ接幸欢ǖ南嚓P(guān)性，但目前從垂直高度上定量評(píng)估氣候變化對(duì)植被影響的工作較少，研究不同海拔高度下降水和氣溫與植被相互作用對(duì)未來植被生長(zhǎng)情況預(yù)測(cè)具有重要意義。因此，利用2000—2018年河南省植被NPP數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)資料，采用趨勢(shì)分析、MK檢驗(yàn)、相關(guān)分析等方法分析了植被NPP時(shí)空變化特征，在像元尺度上識(shí)別了年及不同季節(jié)的溫度和降水對(duì)植被的影響，分析了不同海拔高度下植被與氣候因子的相關(guān)作用，以期為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。全省由北向南年平均氣溫為12.0～15.5 ℃，年均降雨量500～1 300 mm，適宜于多種農(nóng)作物生長(zhǎng)，是全國(guó)小麥、玉米、棉花、油料、煙葉等農(nóng)產(chǎn)品重要的生產(chǎn)基地之一。河南省植被類型多種多樣，其中地帶性植物分布在西部山地丘陵區(qū)，以伏牛山淮河一線為界，以北為溫暖帶落葉闊葉林帶，以南為北亞熱帶落葉闊葉與常綠闊葉混交林地帶。河南省黃淮平原以耕地植被為主。在丘陵區(qū)分布有面積較大的灌叢和灌草叢，河流兩側(cè)河漫灘地段分布有草甸或沼澤植被。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.2.1 NPP數(shù)據(jù) 2000—2018年河南省逐月NPP數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km×1 km，來源于河南省生態(tài)氣象與衛(wèi)星遙感中心和國(guó)家氣象中心。NPP估算模型加入了新定義的水分脅迫因子，并考慮了C3和C4植物的光合作用差異，利用部分通量站(林、農(nóng)、草)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，表明估算結(jié)果優(yōu)于BESS和MOD17產(chǎn)品[19-20]。對(duì)NPP估算精度進(jìn)行評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，該產(chǎn)品是基于光能利用模型GLM_PEM計(jì)算獲取的。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 來源于河南省大氣探測(cè)中心，選取2000—2018年河南省119個(gè)逐日氣溫、降水和日照資料，對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，形成逐月氣候變化數(shù)據(jù)。結(jié)合氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，利用反距離權(quán)重插值方法，獲取與NPP數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的氣象柵格圖像。

1.2.3 數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù) DEM數(shù)據(jù)采用美國(guó)航天局(NASA)與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)共同推出的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)投影為UTM WGS84，空間分辨為30 m×30 m?；贓NVI，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重采樣等處理，獲取與NPP數(shù)據(jù)像元大小一致、投影相同的DEM柵格圖像。

1.2.4 土地覆蓋類型數(shù)據(jù) 選擇MCD12Q1中的植物功能型分類數(shù)據(jù)，采用監(jiān)督?jīng)Q策樹分類方法將地表覆蓋類型分為水、常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、灌木、草地、谷類作物、闊葉作物、城市和建筑區(qū)、雪和冰，空間分辨率為500 m×500 m。按照實(shí)際需求將研究區(qū)的常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和灌木重分類為林地，將谷類作物和闊葉作物重分類為農(nóng)田。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析 通過擬合一條適當(dāng)?shù)内厔?shì)線來分析長(zhǎng)期變化是常用的時(shí)間序列分析方法[21]。采用一元線性回歸分析法，逐個(gè)像元計(jì)算植被NPP年際變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式為

(1)

式中：θslope為植被NPP的變化速率，若其為負(fù)值表示研究區(qū)內(nèi)NPP年際變化為下降趨勢(shì)；若其為正，則有上升趨勢(shì)。n為監(jiān)測(cè)植被的累計(jì)年數(shù)，i為年份。

對(duì)植被NPP變化進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(F檢驗(yàn))，計(jì)算公式為：

(2)

1.3.2 MK檢驗(yàn) 曼-肯德爾(Mann-Kendall)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，不需要待檢序列服從某一概率分布，可用于分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，確定變化中產(chǎn)生突變現(xiàn)象的位置[22]。

對(duì)時(shí)間序列x(x具有n個(gè)樣本量)，構(gòu)造一個(gè)秩序列：

其中

因此，秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值的個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量

(3)

式中：UF1=0；E(sk)，var(sk)是累計(jì)數(shù)sk的均值和方差；UFi是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按時(shí)間序列x順序x1，x2，…，xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，根據(jù)顯著性水平α，如果|UFi|>Uα，則說明給定的時(shí)間序列數(shù)據(jù)有著明顯的趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n，n-1，…，1)，UB1=0。

將計(jì)算出的序列繪制成圖，若UBk或UFk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)量超過顯著性水平直線時(shí)，表明序列上升或下降趨勢(shì)顯著。若統(tǒng)計(jì)量超出顯著性水平直線且持續(xù)一段時(shí)間，則這段時(shí)間為發(fā)生突變的時(shí)間區(qū)域。如果兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量曲線在研究時(shí)間范圍內(nèi)產(chǎn)生交點(diǎn)，且交點(diǎn)在顯著性水平直線之間，那么可確定序列發(fā)生突變的時(shí)間，即為產(chǎn)生交點(diǎn)的時(shí)刻。

1.3.3 相關(guān)性分析 利用相關(guān)分析探討植被對(duì)影響因子的響應(yīng)關(guān)系，計(jì)算公式如下[23]：

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2010年河南省植被NPP估算精度

通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或其他模型估算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比從而評(píng)價(jià)植被NPP估算精度，但由于NPP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取困難，試驗(yàn)站點(diǎn)數(shù)據(jù)難以推廣到區(qū)域及全球尺度，研究將利用GLM_PEM模型估算結(jié)果和部分實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于GLM_PEM模型估算的NPP數(shù)據(jù)時(shí)間序列較短且不考慮稀疏植被地區(qū)(建設(shè)用地、水域用地、其他用地等)，研究將選擇2000—2010年相同空間范圍的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由表1可知，模擬結(jié)果與GLM_PEM模型估算結(jié)果差異較小，且林區(qū)與農(nóng)田多年平均模擬值(林區(qū)：716.7 g·m-2；農(nóng)田：635.9 g·m-2)在實(shí)測(cè)范圍(林區(qū)：164.0～798.0 g·m-2；農(nóng)田：239.0～760.0 g·m-2)之內(nèi)，因此研究所估算的NPP結(jié)果合理，該數(shù)據(jù)可適于河南省植被NPP變化研究。

表1 模擬NPP年均值與GLM_PEM估算結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between the simulated NPP and the estimated results of GLM_PEM model g·m-2

2.2 2000-2018年河南植被NPP時(shí)空變化特征

河南省植被NPP時(shí)空變化特征如圖1所示。全省植被NPP總體呈緩慢增加趨勢(shì)，平均每年增加4.8 g·m-2(圖1a)。其中，2001年植被NPP最低，為496.2 g·m-2，之后顯著增加，平均每年增加74.4 g·m-2，至2004年增加至最高值，為733.6 g·m-2。

注：(a)2000-2018年河南省植被NPP時(shí)間變化序列圖(b)2000-2018年平均植被NPP空間分布圖(c)2000-2018年河南省植被NPP變化趨勢(shì)率空間分布(d)2000-2018年河南省植被NPP變化速率顯著性檢驗(yàn)。

2005—2010年，植被NPP增加緩慢。2010—2013年期間植被NPP減少明顯，平均每年減少25.7 g· m-2。此后，植被NPP呈增加趨勢(shì)。從空間分布來看，河南省2000—2018年年平均NPP為642.8 g·m-2，高于全國(guó)均值，植被生態(tài)狀況較好(圖1b)。受植被、地形因素、氣候等綜合作用的影響，植被NPP空間分布具有明顯的地域性差異，西部伏牛山區(qū)和南部大別山區(qū)以落葉闊葉林為主，植被NPP大于800 g·m-2。中東部地區(qū)是主要的糧食生產(chǎn)地，其主要農(nóng)作物為玉米和小麥，植被NPP較高。沿黃及以北地區(qū)城市化水平較高，植被NPP偏低。利用一元線性回歸分析方法，計(jì)算NPP多年變化趨勢(shì)(圖1c)，結(jié)果表明，2000—2018年間，研究區(qū)82.8%的植被NPP呈增加趨勢(shì)，南部地區(qū)增加明顯，部分地區(qū)超過15 g·m-2·a-1。植被NPP呈減少趨勢(shì)的區(qū)域較少，主要分布在沿黃及以北地區(qū)，該區(qū)域工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，不透水面面積增加，植被覆蓋減少。此外，南陽盆地和伏牛山區(qū)核心地帶的植被NPP也呈下降趨勢(shì)。對(duì)河南省植被NPP變化進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其中極顯著減少和顯著減少區(qū)域分別占總面積的0.9%和1.2%，主要分布在鄭州、開封、許昌和焦作等地。

圖2 2000-2018年不同季節(jié)河南省植被NPP時(shí)間變化序列圖Fig.2 Time series of NPP in different seasons from 2000 to 2018

不顯著增加所占比例較大，為47.9%，顯著增加和極顯著增加區(qū)域占比34.9%，主要分布在省內(nèi)南部地區(qū)。

植被NPP的積累與生長(zhǎng)季節(jié)密切相關(guān)。圖2為2000—2018年河南省不同季節(jié)植被NPP時(shí)間變化序列圖。四季植被生長(zhǎng)狀況均呈改善趨勢(shì)，其中春季改善明顯，平均每年增加3.7 g·m-2。春季平均NPP為194.0 g·m-2，最小值和最大值分別出現(xiàn)在2000(94.9 g·m-2)和2015(257.6 g·m-2)年。夏季水熱條件較好，NPP積累量有所增加，平均NPP為285.0 g·m-2，占全年NPP積累總量的44.3%，植被NPP以每年0.1 g·m-2的速率增加，變化趨勢(shì)不明顯。秋季植被NPP呈略微增加趨勢(shì)，平均每年增加0.5 g·m-2，其最小值和最大值出現(xiàn)年份與全年一致。冬季植被NPP值在9.9～42.4 g·m-2之間波動(dòng)，變化速率為0.3 g·m-2·a-1，冬季NPP積累量?jī)H占全年的3.1%。春夏兩季的植被處于生長(zhǎng)階段，有利于植被NPP的積累。

同時(shí)，不同植被類型的NPP變化規(guī)律有所不同。河南是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)田是其最主要的土地利用類型，對(duì)河南省農(nóng)田植被NPP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，年均值在484.5～723.6 g·m-2之間波動(dòng)，其中在2001年出現(xiàn)最小值，2004年達(dá)到最大值，2000—2018年的平均NPP為635.9 g·m-2，增長(zhǎng)速率為每年4.8 g·m-2，與全省植被NPP變化基本一致(圖3a)。林區(qū)植被NPP增長(zhǎng)趨勢(shì)較快，平均每年增加6.1 g·m-2。對(duì)河南省林區(qū)不同植被類型NPP進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，常綠闊葉林的2000—2018年年均最高，為882.5 g·m-2，常綠針葉林、灌木、落葉針葉林和落葉闊葉林的年均植被NPP分別為738.3，649.5，572.3和785.2 g·m-2(圖3b)。林區(qū)各類植被類型NPP均出現(xiàn)波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，常綠闊葉林、常綠針葉林、灌木、落葉針葉林和落葉闊葉林的NPP增長(zhǎng)率分別為18.6，10.4，6.7，6.2和5.6 g·m-2·a-1。

圖3 2000-2018年河南省農(nóng)田(a)和林區(qū)(b)植被NPP時(shí)間變化序列圖Fig.3 Time series of NPP in farmland(a) and forest districts(b) of Henan from 2000 to 2018

2.3 2000—2018年河南省植被變化的氣候驅(qū)動(dòng)力

2.3.1 2000—2018年河南省氣候因子時(shí)空分布特征 河南省2000—2018年年平均降雨量和氣溫的空間分布及M-K檢驗(yàn)如圖4所示。省內(nèi)降水量變化范圍為513.7～1 342.2 mm，從南向北呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。降水量在2007年前呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，之后持續(xù)下降(UF<0)，下降趨勢(shì)不明顯(未超過α=0.05顯著性水平線)，最小值和最大值分別出現(xiàn)在2001年和2003年，2000—2018年平均降水量比常年平均(737 mm)偏多30 mm。氣溫的空間分布與降水量基本一致，但西部伏牛山區(qū)溫度較低。年平均氣溫大致呈上升趨勢(shì)，最小值和最大值分別出現(xiàn)在2003年和2017年。結(jié)果表明，河南省的氣候條件趨于暖干發(fā)展。

圖4 河南省2000—2018年年平均降雨量(a，c)和氣溫(b，d)的空間分布及M-K檢驗(yàn)Fig.4 Spatial distributions and M-K tests of annual average rainfall (a, c) and temperature (b, d) in Henan province from 2000 to 2018

2.3.2 植被NPP與氣候因子的相互關(guān)系 植被NPP不僅受植被本身理化性質(zhì)的影響，同時(shí)也受氣候變化的影響。以年為時(shí)間尺度，分別計(jì)算植被NPP與降水量和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)，進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明植被NPP與降水量和氣溫有較弱的相關(guān)關(guān)系，未達(dá)到顯著性水平。從相關(guān)關(guān)系空間分布上可以看出，植被NPP與年降水的偏相關(guān)系數(shù)為-0.66～0.89，植被NPP與降水量表現(xiàn)為正相關(guān)，占整個(gè)研究區(qū)域的94.3%(圖5a)。其中極顯著和顯著正相關(guān)主要分布在林草區(qū)和豫東北地區(qū)，分別占總面積的8.0%和23.2%，產(chǎn)生顯著性正相關(guān)主要有以下兩個(gè)原因：一是林區(qū)受人類活動(dòng)影響較小，二是與南部地區(qū)相比，北部地區(qū)多年平均降水量較少，在未達(dá)到植被所需最適濕度時(shí)，降水量的增加使土壤濕度變大，改善土壤水分的供給，增加光合速率，有利于植被生長(zhǎng)。呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布在平頂山漯河駐馬店交界一帶和商丘東部。全省68.7%的植被NPP與降水量相關(guān)性不顯著，此區(qū)域土地利用類型主要為農(nóng)業(yè)用地，受其他環(huán)境因素和人為因素(作物灌溉等)干擾較大。植被與年均溫的偏相關(guān)系數(shù)為-0.75～0.82，正相關(guān)區(qū)域占總面積的86.3%(圖5b)。由于省內(nèi)日照充足，氣溫適宜，氣溫對(duì)植被NPP影響較小，全省僅9.6%區(qū)域超過顯著水平，呈負(fù)相關(guān)的主要分布在伏牛山腹地和各地市城區(qū)?？偟膩碚f，氣溫和降水量的變化對(duì)植被NPP具有一定的影響，與年均溫相比，植被NPP與年降水量之間存在比較緊密的相關(guān)性，說明降水量是影響河南省植被NPP的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

各季植被NPP與降水量和氣溫的偏相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)空間分布如圖6所示。由于河南省春季干旱比較嚴(yán)重，降水增多，土壤濕度增加，有利于植被生長(zhǎng)，因此春季降水量與植被NPP存在正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性顯著(圖6a)。由圖6b可知，全省77.2%的區(qū)域春季氣溫與植被NPP呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著，因此，降水量是影響春季植被生長(zhǎng)的主要因子。夏季降水與植被NPP呈顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布在省內(nèi)北部地區(qū)及南陽盆地，而商丘、平頂山、漯河、駐馬店、信陽等地的部分地區(qū)出現(xiàn)降水與NPP的負(fù)相關(guān)分布(圖6c)。夏季氣溫與植被NPP相關(guān)系數(shù)的分布與降水相反，北部主要呈負(fù)相關(guān)分布，呈負(fù)相關(guān)分布的面積占比46.8%，夏季高溫使北部地區(qū)土壤蒸發(fā)較快，土壤水分減少，抑制植被生長(zhǎng)，影響了植被NPP的積累(圖6d)。秋季降水與植被NPP相關(guān)系數(shù)的分布與夏季基本一致，三門峽、洛陽、平頂山、南陽大部地區(qū)的氣溫與植被NPP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6e，f)。

圖5 植被NPP與降水(a)和氣溫(b)的偏相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)空間分布圖Fig.5 T tests of partial correlation coefficient between NPP and precipitation (a) and temperature(b)

注：(a,b)春季；(c,d)夏季；(e,f)秋季；(g,h)冬季。

冬季降水量和氣溫與植被NPP分別呈相關(guān)性不顯著和顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6g，h)。冬季降水量偏多將導(dǎo)致地表溫度降低和太陽輻射減少，從而影響植被的生長(zhǎng)，因此，全省南部大部分地區(qū)冬季降水與植被NPP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；而降水量的小幅減少對(duì)植被生長(zhǎng)具有一定的積極影響。與降水量相比，冬季溫度與植被NPP相關(guān)性顯著，是影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃?，溫度升高有利于植被的生長(zhǎng)。

以上分析可知，不同季節(jié)降水量和氣溫對(duì)植被NPP的影響機(jī)制有所不同。分析不同季節(jié)植被NPP與降水、氣溫時(shí)間序列的偏相關(guān)關(guān)系，結(jié)果(表2)表明，春季植被NPP與降水量呈顯著正相關(guān)，與溫度相關(guān)性不顯著。春季降水量增加，平均每年增加4.0 mm，因此，植被NPP增加明顯。夏季植被NPP與降水、氣溫分別存在顯著性正相關(guān)和不顯著正相關(guān)，降水量減少和氣溫升高導(dǎo)致植被NPP變化趨勢(shì)不明顯。秋季相關(guān)關(guān)系與夏季基本一致，降水和氣溫分別以2.5 mm·a-1和0.03 ℃·a-1的速率增加，引起植被NPP緩慢增加。冬季，氣溫是影響植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣候因子，氣溫的略微增加以及降水量的減少引起植被NPP的緩慢增加?？偟膩碚f，四季降水和氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)的不同影響相互疊加，使得植被NPP每年以4.8 g·m-2的速率增加。由圖1a和圖7a可知，全年植被NPP變化趨勢(shì)與春季降水變化趨勢(shì)較為一致，省內(nèi)植被NPP最低值出現(xiàn)在2001年，與2001年降水量急劇減少為最低值有關(guān)。

表2 不同季節(jié)植被NPP與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 2 Partial correlation coefficients between NPP and climate factors in different seasons

圖7 不同季節(jié)降水量(a)和氣溫(b)的時(shí)間序列變化圖Fig.7 Time series of precipitation(a) and temperature(b) in different seasons from 2000 to 2018

表3 不同植被類型的植被NPP與氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)Table 3 Partial correlation coefficients between NPP and climate factors for different vegetation types

對(duì)不同植被類型的年平均NPP與降水量和氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析，得出不同植被類型NPP與降水和氣溫均呈正相關(guān)關(guān)系，但對(duì)氣候因子的響應(yīng)程度有所不同(表3)。如農(nóng)田受其他環(huán)境因素和人為因素干擾較大，一般農(nóng)作物生長(zhǎng)受降水和氣溫影響較小。灌木與降水和氣溫均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，常綠針葉林和落葉針葉林受降水影響較大，常綠闊葉林主要受氣溫的影響，而落葉闊葉林受氣候因子影響較小。分季節(jié)來講，對(duì)于不同植被類型，春夏秋三季降水和植被NPP的相關(guān)性高于氣溫，而在冬季，氣溫是影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

除水平分布外，植被具有垂直分布差異，農(nóng)田和林草區(qū)的植被垂直分布如圖8a所示。在600 m以下，農(nóng)作物為主要植被類型，在600 m高度上，農(nóng)田和森林面積占比相當(dāng)，而在600 m以上，則以森林分布為主，草地覆蓋面積在整個(gè)垂直高度上較少，在800 m高度上達(dá)到最大值，為16.0%。植被NPP隨高度變化而變化，呈現(xiàn)減少-增加-減少的趨勢(shì)，其最大值和最小值分別出現(xiàn)在1 700～1 800 m和400～500 m的高度上。植被在0～500 m高度上以農(nóng)作物為主，農(nóng)田植被NPP的變化速率為每100 m減少42.6 g·m-2，高于林草區(qū)植被的增長(zhǎng)速率，因此植被NPP總量在此高度上呈減少趨勢(shì)，在500 m高度上減少至最低值。在500～1 400 m高度上，農(nóng)田和林草區(qū)植被NPP均呈增加趨勢(shì)。隨著海拔高度的上升，植被覆蓋度急劇下降，因此植被NPP積累總量在1 800 m以上呈減少趨勢(shì)。分析不同季節(jié)植被NPP垂直分布表明，夏季水熱條件較好有利于植被NPP積累，變化趨勢(shì)與全年基本一致，而春、秋、冬三季植被NPP在整個(gè)垂直高度上呈波動(dòng)變化趨勢(shì)(圖8b)。

為了揭示植被NPP在垂直分布上與氣候因子的相關(guān)關(guān)系，每隔100 m計(jì)算相關(guān)系數(shù)的平均值，結(jié)果如圖8c所示。隨著高度的變化，降水和氣溫對(duì)植被NPP的影響差異越來越大，在整個(gè)垂直分布上，影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃邮墙邓俊Ｖ脖籒PP與降水呈正相關(guān)關(guān)系，特別是1 800 m以上，土地利用類型以林區(qū)為主，植被受人為影響較小，相關(guān)性較為顯著。氣溫與植被NPP的相關(guān)性在垂直分布上較低，在1 500 m以上植被類型以落葉闊葉林為主，氣溫升高的同時(shí)，潛在蒸散量增加，土壤水分散失加劇，植被生長(zhǎng)受到脅迫，因此在此高度上植被NPP與氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。分季節(jié)來看，春夏秋三季降水和植被NPP的相關(guān)性高于氣溫，但氣溫對(duì)不同海拔高度的植被NPP影響較為不同，主要因?yàn)闅鉁仉S高度升高變化顯著。而在冬季，氣溫是影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

3 結(jié)論與討論

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被NPP變化對(duì)研究生態(tài)環(huán)境和自然資源變化具有重要意義。研究利用2000—2018年河南省植被NPP和氣象站點(diǎn)資料，分析了植被NPP變化特征，探討了植被NPP與氣象因素的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，河南省植被NPP呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)，平均每年增加4.8 g·m-2，空間分布具有明顯的地域性差異，與之前研究結(jié)果[24]相一致。得益于持續(xù)開展的退耕還林還草、植樹造林等生態(tài)保護(hù)舉措，2000—2018年河南省植被NPP呈增加趨勢(shì)的區(qū)域占比較大，占河南省總面積的82.8%，特別是南部地區(qū)植被NPP增加顯著，與該地區(qū)充足的水熱條件有關(guān)。不同植被類型的生長(zhǎng)季有所差異，以及自身不同的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性均會(huì)影響植被的固碳能力和效率，因此不同植被類型NPP變化規(guī)律有所不同[25]，其中林區(qū)植被NPP增長(zhǎng)趨勢(shì)較快。

注：(a)河南省年平均植被NPP垂直分布圖(柱狀圖為各類型植被面積百分比，折線圖為植被NPP累積量)(b)不同季節(jié)植被NPP的垂直分布圖；年平均(c)和不同季節(jié)(d)植被NPP與降水量、氣溫的偏相關(guān)系數(shù)垂直分布圖

氣候環(huán)境中的水熱條件是決定植被動(dòng)態(tài)變化的主要因素。河南省日照充足，氣溫適宜，降水為減少趨勢(shì)，氣候條件逐漸趨于暖干發(fā)展，從植被年變化規(guī)律上來看，氣溫和降水量的變化對(duì)植被NPP均有一定的影響，主要表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，而降水對(duì)植被活動(dòng)的影響高于溫度。同樣的，王新闖等[21]認(rèn)為降水為影響河南省植被NPP變化的主要?dú)夂蛞蜃?，在西北地區(qū)植被NPP研究中也得到相同結(jié)論，表明在干旱地區(qū)這一特征更加明顯，充足的降水可促進(jìn)植被光合作用，增加有機(jī)干物質(zhì)的積累[12,26]。但學(xué)者對(duì)江漢平原植被NPP變化進(jìn)行研究，因該地區(qū)降水充沛，植被NPP對(duì)溫度響應(yīng)比較敏感[27]。不同季節(jié)降水量和氣溫對(duì)植被NPP的影響機(jī)制有所不同。春季，省內(nèi)旱情較為嚴(yán)重，植被活動(dòng)受到水分限制，降水的增加促進(jìn)植被生長(zhǎng)。夏季，植被NPP與降水呈顯著正相關(guān)，受氣溫影響較小。但由于夏季水熱條件較好，在降水量減少的情況下，植被仍呈小幅波動(dòng)增加趨勢(shì)。秋季氣候條件趨于干濕發(fā)展，有利于植被NPP的積累。 冬季，降水量偏多將導(dǎo)致地表溫度降低和太陽輻射減少，從而影響植被的生長(zhǎng)，因此省內(nèi)降水量的減少和氣溫的增加促進(jìn)了植被NPP的增加。四季降水和氣溫對(duì)植被生長(zhǎng)的不同影響相互疊加，使得植被NPP 在2000—2018年間呈緩慢增加趨勢(shì)。

從垂直分布來看，氣溫與植被NPP的相關(guān)性較低，在1 500 m以上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生這種現(xiàn)象的可能原因是氣溫升高的同時(shí)，潛在蒸散量增加，土壤水分散失加劇，植被生長(zhǎng)受到脅迫。分季節(jié)來看，春夏秋三季降水和植被NPP的相關(guān)性高于氣溫，但氣溫對(duì)不同海拔高度的植被NPP影響較為不同，而在冬季，氣溫是影響植被生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

本研究結(jié)果為河南省植被NPP的定量研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為研究河南省氣候變化對(duì)植被生態(tài)的影響提供參考。但植被的地帶性差異和人類活動(dòng)都會(huì)對(duì)植被NPP造成影響，本研究?jī)H僅探討了植被NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征，其他影響因素還需進(jìn)一步探究，從而為持續(xù)推動(dòng)河南省生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供信息支撐。