蘭小麗 孫慧蘭 曹麗君 張樂樂 盧寶寶 劉天弋
(新疆師范大學(xué),烏魯木齊,830054)
植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)被定義為綠色植物在單位時(shí)間和空間通過光合作用從大氣吸收的二氧化碳凈量[1-3],它等于光合作用吸收的碳與自養(yǎng)呼吸釋放的碳的差值[4-7]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在全球氣候變化及陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡中扮演著重要的角色,并直接與全球氣候變化的關(guān)鍵問題密切相關(guān)[8-10]。因此,估算區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、定量分析植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征以及研究植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候變化的關(guān)系是全球氣候變化背景下研究的核心內(nèi)容之一[11-12],也是各國(guó)政府高度重視的問題。
目前,在全球氣候變化背景下,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響因素的研究取得了重要成果。如Tian et al.[13]基于TEM模型研究干旱背景下亞馬遜熱帶雨林植被的生長(zhǎng)影響,研究結(jié)果表明干旱會(huì)使熱帶雨林植被生產(chǎn)力下降;朱瑩瑩等[14]對(duì)中國(guó)西北地區(qū)2000—2014年植被NPP進(jìn)行了因子分析,結(jié)果表明植被NPP對(duì)降水和氣溫的響應(yīng)具有空間差異,楊紅飛等[15]基于CASA模型模擬了新疆近10 a草地生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力,表明受氣候、土壤等條件的影響,新疆各年NPP均呈北高南低的分布趨勢(shì);秦景秀等[16]以植被初級(jí)生產(chǎn)力為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析了2001—2016年影響新疆植被恢復(fù)與退化的氣候因子,認(rèn)為氣溫與降水都是影響植被生長(zhǎng)的重要?dú)夂蛞蜃?,氣溫與植被NPP呈弱負(fù)相關(guān),降水是該研究區(qū)植被NPP的重要限制因子。因此,氣溫、降水是導(dǎo)致植被NPP變化的重要因素,其影響具有兩面性,在全球氣候變暖背景下,對(duì)黃土高原中部及東南部地區(qū)的植被NPP具有促進(jìn)作用,但對(duì)西北干旱區(qū)的植被NPP卻是不確定的[17]。
在全球氣候變暖背景下,研究影響新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵氣候因子以及未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)具有重要意義。本文運(yùn)用植被指數(shù)、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù),對(duì)新疆1985—2016年的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行估算,分別以年、季節(jié)為時(shí)間單位,計(jì)算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水、溫度之間的相關(guān)系數(shù),分析植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候的關(guān)系,了解不同季節(jié)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的年際變化與氣候的相互關(guān)系,揭示植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化的發(fā)生時(shí)間和形成機(jī)制,有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來氣候變化條件下的生產(chǎn)力格局和潛力。
新疆維吾爾自治區(qū)(34°25′~48°10′N,73°40′~96°18′E)是我國(guó)面積最為遼闊的省級(jí)行政區(qū)(見圖1)。在緯度、海陸位置和地形等綜合影響下,新疆形成了明顯的溫帶大陸性氣候。氣溫晝夜溫差大,日照時(shí)間長(zhǎng),年日照時(shí)間2 500~3 500 h[18];降水偏少,年平均降水量為150 mm左右;水汽蒸發(fā)旺盛,氣候干燥[19]。遠(yuǎn)離海洋的地理位置導(dǎo)致新疆地區(qū)水汽來源不足,全年降水量占全國(guó)的降水量的23%[20],具有干旱、半干旱氣候特征[21-23]。植被覆蓋率較低且不均,使新疆地區(qū)成為我國(guó)荒漠化和沙化面積最大、分布最廣、風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的地區(qū)[24]。
圖1 研究區(qū)概況圖
植被數(shù)據(jù)來源全球變化數(shù)據(jù)學(xué)報(bào)[25],收集1985—2016年區(qū)間內(nèi)的中國(guó)逐月氣象數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)以及基于MODIS、AVHRR遙感影像的土地覆蓋類型和植被指數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、空間尺度匹配等統(tǒng)一在同一尺度系列內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,再將其輸入到CASA模型。CASA是由遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽(yáng)輻射、植被類型和土壤類型共同驅(qū)動(dòng)的光能利用率模型,經(jīng)由CASA模型模擬計(jì)算獲得北緯18°以北中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)逐月植被凈初級(jí)生產(chǎn)力1 km柵格數(shù)據(jù)集。經(jīng)驗(yàn)證,該數(shù)據(jù)集準(zhǔn)確性較好。
為確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性,篩選出新疆52個(gè)氣象站點(diǎn),截取1985—2016年的每日平均氣溫和逐日降水?dāng)?shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/user/toLogin.html)。
所有圖像數(shù)據(jù)均采用GCS-WGS-1984投影,由ArcGIS10.2軟件做進(jìn)一步的處理分析。
運(yùn)用柵格計(jì)算多年平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行變化分析,計(jì)算公式為:
植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候要素間的分析,主要采用空間偏相關(guān)分析方法,通過計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù),反映兩個(gè)因子間的相關(guān)程度。
Hurst指數(shù)(H)的取值范圍(0
由圖2、圖3可知,新疆多年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力平均值為154.71 g·m-2·a-1,最大值出現(xiàn)在1987年(176.3 g·m-2·a-1),最小值出現(xiàn)在2008年(120.87 g·m-2·a-1)。整體看來,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在1998年之前處于高位震蕩,而在1999—2008年呈持續(xù)下降趨勢(shì),在2008年之后基本上保持上升趨勢(shì)。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力髙值區(qū)主要分布于氣候濕潤(rùn)的北疆地區(qū)(伊犁河谷、阿克蘇河流域、天山、阿爾泰山等地區(qū)),主要是因?yàn)楸苯貐^(qū)天然植被豐富(如雪嶺云杉、西伯利亞落葉松林等);植被凈初級(jí)生產(chǎn)力低值區(qū)主要分布于炎熱干旱的南疆地區(qū)(準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地)的荒漠、荒漠草原、梭梭荒漠等類型;植被凈初級(jí)生產(chǎn)力中值區(qū)分布于髙值區(qū)與低值區(qū)的過渡地帶,該區(qū)以高寒草原、草甸草原為主。呈減少趨勢(shì)的有伊犁河谷地區(qū)、烏魯木齊、阿克蘇、和田、喀什等地區(qū)。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力下降地區(qū)多是在人類活動(dòng)頻繁區(qū)域,這是否與人類對(duì)土地的不合理利用有關(guān),還需進(jìn)一步的研究考證。新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的增長(zhǎng)區(qū)域多分布在山麓、盆地邊緣地區(qū),由于全球氣候變暖,新疆地區(qū)氣候呈現(xiàn)増溫增濕現(xiàn)象,改善了植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)所需的氣候條件。
圖2 研究區(qū)年平均NPP與變化趨勢(shì)斜率
圖3 研究區(qū)多年植被NPP年際變化
由于新疆地區(qū)冬季氣候嚴(yán)寒,植被生長(zhǎng)活動(dòng)基本停止,因此本文以春、夏、秋3個(gè)季節(jié)為研究時(shí)段。
由圖4、圖5可知,多年春季平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力為204.43 g·m-2·a-1,分布在伊犁河谷地區(qū)、葉爾羌河和喀什噶爾河等水源充足的河源地區(qū);夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在春季基礎(chǔ)上開始擴(kuò)散,整體呈現(xiàn)出天山以北植被凈初級(jí)生產(chǎn)力明顯高于天山以南地區(qū),平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力為372.81 g·m-2·a-1;秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力分布于塔里木盆地北緣綠洲區(qū)域、伊犁河谷地區(qū)、天山中段,平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力為113.41 g·m-2·a-1。1985—2016年夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力減少明顯的地區(qū)集中在阿爾泰山南部、天山、昆侖山脈;準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地變化不明顯;增加區(qū)域在阿爾泰山和天山西段以及塔里木盆地北緣。多年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力春季和夏季變化較大,秋季其次。春季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力最高增加41.33 g·m-2·a-1(主要處于伊犁河谷地帶、天山南部等地區(qū)),減少102.67 g·m-2·a-1;夏季最高增加91 g·m-2·a-1,減少104 g·m-2·a-1;秋季最高增加32.67 g·m-2·a-1,減少37.33 g·m-2·a-1。由此可見,夏季為新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)季節(jié),春、秋兩季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)下降趨勢(shì)。
圖4 研究區(qū)多年季節(jié)平均NPP分布與變化趨勢(shì)
圖5 研究區(qū)多年季節(jié)平均NPP線性趨勢(shì)
以年為時(shí)間單位,計(jì)算各像元與年均氣溫、年降水量的偏相關(guān)系數(shù),根據(jù)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與年平均溫度和年降水量的偏相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。由圖6可知,降水與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力主要表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),主要分布在天山與喀喇昆侖山一帶;氣溫與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系主要為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),以點(diǎn)狀分布在整個(gè)研究區(qū)。對(duì)研究區(qū)1985—2016年的平均氣溫進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在全球氣候變暖的大背景下,研究區(qū)氣溫呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),多年氣溫平均值為8.17 ℃,平均氣溫最小值出現(xiàn)于1985年(7.17 ℃),最大值出現(xiàn)于2015年(9.14 ℃)。
新疆地形復(fù)雜,導(dǎo)致南北疆氣候差異較大。北疆西部伊犁河谷地區(qū)地形呈喇叭狀向西敞開,西部缺口有利于來自大西洋和北冰洋的濕潤(rùn)氣流深入,而南疆相對(duì)北疆閉塞,進(jìn)入南疆的水汽較少,因而形成降水北疆多于南疆,西部多于東部的格局。且降水對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加主要表現(xiàn)為促進(jìn)作用,氣溫對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加主要表現(xiàn)為抑制作用,這兩種作用形式正是干旱脅迫的表現(xiàn),從而形成北疆植被凈初級(jí)生產(chǎn)力高于南疆。這也說明降水是限制新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)的重要因子。
圖6 研究區(qū)多年植被NPP與氣溫、降水相關(guān)性檢驗(yàn)
由圖7可知,不同季節(jié)背景下,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水偏相關(guān)系數(shù)為-0.6~0.6。春季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的正相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)面積的53.66%,春季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水極顯著正相關(guān)的區(qū)域分布于阿爾泰山、西天山、喀喇昆侖山等山區(qū),占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的9.29%;夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的正相關(guān)區(qū)域占68.11%,夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水極顯著正相關(guān)的區(qū)域分布于阿爾泰山、天山、喀喇昆侖山等山區(qū),占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的14.28%;秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水正相關(guān)區(qū)域占57.05%,秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域主要分布于塔里木盆地南緣,占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的6.75%。
圖7 研究區(qū)季節(jié)性NPP與降水的相關(guān)性系數(shù)與檢驗(yàn)
由圖8可知,春季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫的正相關(guān)區(qū)域分別占研究區(qū)面積的44.39%,春季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫呈極顯著正相關(guān)性,主要區(qū)域分布于天山區(qū),占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的6.04%;夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫的正相關(guān)區(qū)域占30.18%,呈極顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地西部、塔里木盆地南緣,占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的9.67%;秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫的正相關(guān)區(qū)域占49.99%,呈極顯著正相關(guān)的區(qū)域分布天山以北地區(qū),占全區(qū)顯著性檢驗(yàn)面積的6.96%??傊?,春季與秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)較為一致,均以降水為主要驅(qū)動(dòng)力。由于夏季高溫會(huì)影響植被光合作用,阻礙植被的生長(zhǎng),降水為夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因子。
圖8 研究區(qū)季節(jié)NPP與氣溫相關(guān)系數(shù)與檢驗(yàn)
由圖9可知,新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)范圍為0.038 49~0.964 54,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力反持續(xù)性序列占區(qū)域總植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的70%,持續(xù)性序列占區(qū)域總植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的30%。其中,強(qiáng)反持續(xù)、弱反持續(xù)、弱持續(xù)和強(qiáng)持續(xù)的面積分別為30%、40%、28%和2%,反持續(xù)性序列區(qū)域主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地西部、塔里木盆地、吐魯番盆地,持續(xù)性序列區(qū)域主要分布于額爾齊斯河流域、天山北部、塔里木河流域和喀喇昆侖山北麓。
為進(jìn)一步明確新疆植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì)及未來可持續(xù)特征,將植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的趨勢(shì)顯著性檢驗(yàn)值與Hurst指數(shù)的計(jì)算結(jié)果在ArcGIS10.2中進(jìn)行疊加分析,得到新疆植被植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加、減少與未來可持續(xù)性的耦合圖(見圖10)。由圖10可知,新疆未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力反持續(xù)性的序列所占比例為48.07%,持續(xù)性的序列所占比例為51.93%。強(qiáng)-弱反持續(xù)減少組合所占面積的比例為37.8%,主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、天山東段、塔里木盆地南緣;強(qiáng)-弱反持續(xù)性增加組合零星分散于強(qiáng)-弱反持續(xù)減少組合的區(qū)域,所占面積的比例為10.27%;強(qiáng)-弱持續(xù)性減少組合所占比例為44.93%,主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地北部、天山山脈、葉爾羌河-塔里木河流域、昆侖山脈等降水較少區(qū)域。凈初級(jí)生產(chǎn)力的Hurst指數(shù)在該類區(qū)域中呈現(xiàn)出持續(xù)性減少的趨勢(shì),預(yù)示著未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力將有持續(xù)性減少的可能。強(qiáng)-弱持續(xù)性增加組合所占比例為7%,零星分散于喀什河流域、阿拉套山、博格達(dá)山和阿爾金山東部等氣候較為濕潤(rùn)的區(qū)域。因此,新疆地區(qū)未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)以持續(xù)性減少為主。
圖9 Hurst指數(shù)與NPP未來變化趨勢(shì)
圖10 Hurst指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布
1985—2016年新疆平均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力于1998年之前在高位震蕩,在1999—2008年呈持續(xù)下降趨勢(shì),在2008年之后基本上保持上升趨勢(shì),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力北疆高于南疆。降水與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力主要表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),主要分布在天山與喀喇昆侖山一帶;氣溫與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)系主要為極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),以點(diǎn)狀分布在全疆范圍;不同季節(jié)背景下,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水、氣溫的偏相關(guān)系數(shù)-0.6~0.6;春、秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)較為一致,降水驅(qū)動(dòng)力稍高于氣溫,降水為夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要?dú)夂蝌?qū)動(dòng)因子。新疆未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力反持續(xù)性的序列所占比例為48.07%,持續(xù)性的序列所占比例為51.93%。其中,強(qiáng)-弱反持續(xù)減少組合所占面積的比例為37.8%,強(qiáng)-弱反持續(xù)性增加組合所占面積的比例為10.27%;強(qiáng)-弱持續(xù)性減少組合所占面積的比例為44.93%,強(qiáng)-弱持續(xù)性增加組合所占面積的比例為7%。新疆未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)以持續(xù)性減少為主。
氣溫和降水是影響植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的兩個(gè)重要?dú)夂蛞蜃覽26]。在過去的15 a中,新疆地區(qū)降水量和氣溫整體呈增加趨勢(shì),這對(duì)植被生產(chǎn)力產(chǎn)生了有利影響,整體上促進(jìn)了植被的恢復(fù)[27-30]。分析發(fā)現(xiàn)1985—2016年降水為新疆地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的重要限制因子,這一結(jié)論與秦景秀等[16]對(duì)新疆2001—2016年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究結(jié)果相一致。春、秋季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù)較為一致,均以降水為主要驅(qū)動(dòng)力。降水為夏季植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要?dú)夂蛴绊懸蜃?,該結(jié)論與龍慧靈等[31]對(duì)內(nèi)蒙古草原區(qū)季節(jié)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫、降水的相關(guān)關(guān)系的研究結(jié)果一致。因?yàn)檠芯繀^(qū)都處于干旱半干旱地區(qū),植被生長(zhǎng)對(duì)氣候的響應(yīng)機(jī)制趨同。
人類活動(dòng)對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化的影響也十分深刻且具有兩面性。研究發(fā)現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在1998年之前在高位震蕩,1999—2008年呈持續(xù)下降趨勢(shì),2008年之后基本上保持上升趨勢(shì)。西部大開發(fā)和“一帶一路”促進(jìn)了西部經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,也使得新疆地區(qū)植被覆蓋面積減少,由于人們逐漸認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性,開始退耕還林、還草,近年來植被覆蓋度有所增加。土地利用變化是人類活動(dòng)影響植被等地表自然生態(tài)系統(tǒng)最直接的表征[32],結(jié)合新疆地區(qū)土地利用類型空間分布,對(duì)各土地利用類型進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)1985—2016年期間,林地、草地、未利用地面積小幅度下降;建設(shè)用地、耕地及水域面積增加,增加區(qū)域大致與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力減少區(qū)域相符,主要集中在人類活動(dòng)頻繁的城市帶(如天山北坡經(jīng)濟(jì)帶、伊犁地區(qū)和南疆主要城市群等),其土地利用類型分布變化影響研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力空間格局變化。
凈初級(jí)生產(chǎn)力Hurst指數(shù)在該類區(qū)域呈現(xiàn)出持續(xù)性減少的區(qū)域,預(yù)示著未來凈初級(jí)生產(chǎn)力將有持續(xù)性減少趨勢(shì),新疆未來植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)以持續(xù)性減少為主,其次為反持續(xù)性減少,與潘竟虎等[33]對(duì)西北干旱區(qū)植被植被凈初級(jí)生產(chǎn)力趨勢(shì)性與持續(xù)性研究結(jié)果一致。中持續(xù)性和強(qiáng)持續(xù)性的減少區(qū)是應(yīng)當(dāng)引起生態(tài)保護(hù)部門關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域,對(duì)新疆未來生態(tài)環(huán)境的管理與規(guī)劃具有重要作用。