陳 亮，王學(xué)雷，楊 超，呂曉蓉

(1.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測評估湖北省重點實驗室，武漢 430077；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

陸地總初級生產(chǎn)力(gross primary productivity，GPP)即綠色植物單位時間通過光合作用途徑固定有機碳的總量[1-2].它是陸地表面固碳的主要驅(qū)動力[3]，影響碳循環(huán)中其他變量以及陸地—大氣之間的碳交換量[4-5]，是陸地碳平衡的重要組成部分，也是表征生態(tài)系統(tǒng)過程的一個重要參數(shù)[6].GPP估算及其變化的研究一直是生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點之一[7].但GPP難以直接獲取，常通過模型計算得到，例如BIOME-BGC[8-9]、TEM[10]等生態(tài)過程模型以及CASA[11-13]、VPM[13]等光能利用率模型.結(jié)合遙感數(shù)據(jù)的GPP估測模型為大尺度、長時序的植被GPP估測提供了有效手段，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用[14-15].其中，MOD17是第一套全球尺度長時間序列的中分辨率植被生產(chǎn)力產(chǎn)品，采用BIOME-BGC模型計算，數(shù)據(jù)已經(jīng)過大量的地面驗證和地面校準(zhǔn)工作，在大尺度區(qū)域GPP的時空變化研究中應(yīng)用價值較高[16-17].

研究表明，人類活動引起的土地利用/土地覆蓋變化(LUCC)是影響GPP變化的突出因素[18-20].土地利用變化對植被GPP變化的影響表現(xiàn)為：一方面，未利用地、建筑用地等較低土地利用類型轉(zhuǎn)移為林地等等具有較高GPP的土地利用類型使GPP增加；另一方面，林地等具有較高GPP的土地利用類型轉(zhuǎn)移為未利用地、建筑用地等較低土地利用類型導(dǎo)致GPP降低[21-22].

長江干流全長近6 400 km，為中國第一、世界第三大河[23].長江流域從青藏高原東部一直延伸到東海，橫跨中國東部、中部和西部三大經(jīng)濟區(qū)，具有氣候變化范圍廣，人類活動強烈，生態(tài)系統(tǒng)多樣等特點[24].該區(qū)在我國生態(tài)安全格局與社會經(jīng)濟發(fā)展中戰(zhàn)略地位顯著，2000年以來實施的退耕還林、天然林保護等一系列生態(tài)保護工程卓有成效[25]，但氣候波動及高強度的開發(fā)建設(shè)活動也給流域植被帶來巨大影響[26].分析該區(qū)GPP在人類活動和當(dāng)前氣候變暖背景下的時空變化規(guī)律，對于掌握長江流域GPP現(xiàn)狀及未來的發(fā)展軌跡，以及采取科學(xué)的流域管理政策等均具有重要意義.因此，本文基于MODIS GPP數(shù)據(jù)，運用一元線性回歸趨勢分析方法對2000年—2015年長江流域GPP時空變化趨勢進行了研究，并探討了其對氣象要素以及土地利用變化的響應(yīng)機制.

1 研究區(qū)概況

長江流域涵蓋我國東部、中部和西部三大經(jīng)濟區(qū)共計19個省、市、自治區(qū)，是世界第三大流域，面積約180萬km2，占全國總面積的18.75%，包含金沙江石鼓以上等12個二級流域(圖1).長江源頭位于青藏高原地區(qū)，為高原山地氣候，其余地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤.年平均氣溫呈東高西低、南高北低的分布趨勢.由于地域遼闊，地形復(fù)雜，季風(fēng)氣候十分典型，年降水量和暴雨的時空分布很不均勻.流域地勢西高東低，跨越中國地勢的三大階梯，由河源至河口，總落差5 400 m左右.

圖1 長江二級流域位置及范圍Fig.1 The location and scope of the tributary watersheds of the Yangtze

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及處理

GPP數(shù)據(jù)來源于美國蒙大拿大學(xué)NTSG(Numerical Terradynamic Simulation Group)實驗室提供的2000年—2015年全球年均GPP遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17，空間分辨率為1 km，時間分辨率為1 a.2000年、2010年、2015年土地利用類型數(shù)據(jù)(圖2)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)，該土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品是以Landsat TM/ETM/OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)過影像融合、幾何校正、圖像增強與拼接等處理后，通過人機交互目視解譯的方法獲得，空間分辨率為1 km，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級土地類型以及25個二級類型[27-28].

圖2 2000年、2010年、2015年長江流域土地利用類型圖Fig.2 Land use map of the Yangtze in 2000，2010 and 2015

以上所有數(shù)據(jù)均經(jīng)裁剪、重采樣、投影為與GPP數(shù)據(jù)具有相同分辨率和投影的柵格數(shù)據(jù).

2.2 趨勢分析

用一元線性回歸法對研究區(qū)各類遙感影像分別作逐像元處理，以方程斜率表征每個柵格在研究時段內(nèi)的變化趨勢[29-30].斜率為負(fù)表示該像元GPP在過去16 a呈下降趨勢，反之則表示GPP呈上升趨勢.計算公式如下：

(1)

式中，θslope為趨勢斜率，n為監(jiān)測時間段的年數(shù)，GPPi為第i年的GPP值.

本文采用F檢驗法檢驗GPP斜率趨勢變化的顯著性，顯著性僅代表趨勢性變化可置信程度的高低，與變化快慢無關(guān)，其計算公式為：

(2)

2.3 馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣模型

用馬爾科夫轉(zhuǎn)移模型來定量描述2000年—2015年長江流域土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化，以及由此帶來的GPP損益[31].其公式為：

(3)

式中，Cij是第i種和j種土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換量.

3 結(jié)果與分析

3.1 GPP空間分布格局

為了解長江流域GPP的空間分布情況，逐像元計算長江流域2000年—2015年年均GPP(圖3)，整體上，長江流域GPP整體上呈現(xiàn)西低東高的空間分布格局.具體表現(xiàn)為：巴顏喀拉山脈以西GPP很低，一般在200 g C·m-2·a-1以下，部分區(qū)域甚至低于100 g C·m-2·a-1.該區(qū)位于我國地勢第一階梯上，海拔在4 000 m以上，結(jié)合圖2可知土地利用類型以未利用地、草地為主.巴顏喀拉山脈和橫斷山脈之間區(qū)域自西向東GPP由200 g C·m-2·a-1逐漸上升至800 g C·m-2·a-1.該區(qū)主要位于我國地勢第一至第二階梯交界處，海拔大都在2 500 m以上，土地利用類型以草地為主.橫斷山脈以東的廣大區(qū)域GPP高低相間分布，大都在800 g C·m-2·a-1以上，局部高于2 000 g C·m-2·a-1.該區(qū)位于我國地勢第二、三階梯，海拔相對較低，土地利用類型豐富多樣，GPP整體較高.

圖3 2000年—2015年長江流域年均GPP空間分布Fig.3 Annual mean GPP of Yangtze River Basin from 2000 to 2015

3.2 GPP時空變化特征

由圖4可以看出，2000年—2015年長江流域GPP平均值圍繞985.11 g C·m-2·a-1上下波動，最小值為2000年的919.90 g C·m-2·a-1，最大值為2013年的1 051.48 g C·m-2·a-1.2000年、2001年、2005年、2011年、2012年GPP偏低，2003年、2013年、2015年GPP相對較高.

為揭示研究期內(nèi)長江流域GPP的空間演變情況，采用一元線性回歸趨勢分析算法，逐像元分析2000年—2015年長江流域GPP的變化趨勢斜率，如圖5(a)，并根據(jù)上述的F檢驗法和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)得到GPP顯著變化情況，如圖5(b).結(jié)果顯示，32.69%的像元變化斜率為負(fù)值，67.31%為正值.反映了16 a 年間長江流域大部分區(qū)域GPP都在增加，其中，流域北部和西南部是GPP增加集中區(qū)；流域東部、南部以及中部部分區(qū)域是GPP減少集中區(qū).由顯著性檢驗的結(jié)果可知，輕微增加和顯著增加區(qū)域分別占流域總面積的2.59%和2.10%，主要集中分布在甘肅省南部、陜西省南部、河南省西南部、湖北省西北部、云南省和貴州省交界地帶等.這些區(qū)域植被改善主要得益于國家的退耕還林、封山育林政策實施、南水北調(diào)中線工程開展、以及水土保持工程對云貴高原喀斯特石漠化地區(qū)進行的治理和保護等.輕微減少和顯著減少區(qū)域分別占流域總面積的0.62%和0.66%，該區(qū)域斑塊狀分散鑲嵌于整個流域，主要集中分布在長江入海口周圍的蘇南地區(qū)、上海市，長江沿線的大城市，如重慶市、武漢市及其周圍地區(qū)GPP退化也比較顯著.這些區(qū)域往往具有植被資源本底較差、人口密度大、經(jīng)濟發(fā)展迅速、城市化進程快等特點.

圖4 2000年—2015年長江流域GPP年際變化Fig.4 Annual variation of GPP in the Yangtze River Basin from 2000 to 2015

圖5 2000年—2015年長江流域GPP變化趨勢(a)及顯著性檢驗(b)Fig.5 Trend of GPP change (a)and its significant test (b)of the Yangtze River Basin

為了解長江各二級流域GPP在研究期內(nèi)的空間變化差異，本文結(jié)合長江二級流域圖分別統(tǒng)計了各二級流域GPP發(fā)生顯著性變化趨勢(p<0.01)的面積并計算其面積差(表1).可以看出，各二級流域GPP顯著增減面積差差異較大，12個二級流域中，有7個(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江、漢江、宜賓至宜昌、烏江、鄱陽湖水系)的顯著增減面積差為正值，表明這些區(qū)域16a間植被呈改善態(tài)勢.其中漢江、金沙江石鼓以下、嘉陵江3個二級流域的面積差明顯大于其他子流域，面積差分別為10 123 km2、9 702 km2、8 850 km2.而剩余5個二級流域(金沙江石鼓以上、金沙江石鼓以下、嘉陵江、漢江、宜賓至宜昌、烏江、鄱陽湖水系)的顯著增減面積差則為負(fù)值，反映了這些區(qū)域16 a間植被有所退化.其中，太湖水系和湖口以下干流區(qū)域GPP退化嚴(yán)重，面積差分別為-3 883 km2、-1 995 km2.

3.3 LUCC對GPP變化的影響

對2000年—2015年長江流域土地利用變化數(shù)據(jù)(圖2)分別進行轉(zhuǎn)移面積矩陣分析(表2)，結(jié)果顯示，林地、耕地和草地是長江流域最主要的3種土地利用類型.2000年—2010年，長江流域土地利用轉(zhuǎn)移總面積為1.63萬km2，占流域總面積的0.91%.其中，耕地轉(zhuǎn)出面積最大，凈轉(zhuǎn)出面積為0.879萬 km2，主要轉(zhuǎn)化為建筑用地、水域和林地，分別占其轉(zhuǎn)出比例的60.66%、16.62%和14.51%.建筑用地轉(zhuǎn)出的面積最小，僅0.008萬 km2.2010年—2015年，長江流域土地利用轉(zhuǎn)移總面積為1.02萬km2，占總面積的0.57%.耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地依然是所有土地利用轉(zhuǎn)移中轉(zhuǎn)出面積最大的，轉(zhuǎn)移面積達0.550萬 km2.總體來看，2000年—2015年，長江流域土地利用轉(zhuǎn)移總面積為2.63萬km2，占總面積的1.46%.耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地；林地轉(zhuǎn)化為草地和建筑用地；草地轉(zhuǎn)化為林地，水域轉(zhuǎn)化為建筑用地和耕地；建筑用地轉(zhuǎn)化為水域；未利用地轉(zhuǎn)化為草地分別是其各自最主要的轉(zhuǎn)出方式.

表1 2000年—2015年長江二級流域GPP顯著變化面積Tab.1 Significant change area of GPP tributary watersheds of the Yangtze River Basin km2

表2 2000年—2015年長江流域土地利用變化轉(zhuǎn)移面積矩陣Tab.2 Land use type transfer area matrix of the Yangtze River Basin 104 km2

根據(jù)2000年—2015年長江流域土地利用變化得到不同土地利用類型轉(zhuǎn)化下的GPP損益矩陣(表3).由于本研究旨在探討不同土地利用類型轉(zhuǎn)化下的GPP損益，故未對同一土地利用類型不同年份之間的GPP差異進行探討.由表3可知，2000年—2010年長江流域GPP的損失以耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地和水域為主，分別為-82 035.6 t·a-1和-52 808.3 t·a-1.草地、耕地轉(zhuǎn)化為林地是使GPP增加的主要土地利用轉(zhuǎn)移方式，分別為115 260.1 t·a-1和22 972.0 t·a-1.2010年—2015年長江流域GPP的損失以耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地為主，為-149 017.8 t·a-1.未利用地轉(zhuǎn)化為水域是該階段GPP增加的主要土地利用轉(zhuǎn)移方式，為31 646.5 t·a-1.整體上，2000年—2015年長江流域GPP的損失以耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地和水域，以及林地轉(zhuǎn)化為建筑用地和草地為主.其中，耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地帶來的GPP損失明顯大于其他土地利用轉(zhuǎn)移方式，達到-52 808.3 t·a-1，反映了城鎮(zhèn)化的持續(xù)擴張是長江流域GPP損失的重要驅(qū)動力.草地轉(zhuǎn)化為林地和耕地，以及耕地轉(zhuǎn)化為林地是使GPP增加的主要土地利用轉(zhuǎn)移方式.其中，草地轉(zhuǎn)化為林地帶來的GPP收益為79 969.5 t·a-1，明顯高于其他土地利用轉(zhuǎn)移方式，是長江流域GPP增加的重要驅(qū)動力.

表3 2000年—2015年長江流域不同土地利用類型轉(zhuǎn)化下的GPP損益矩陣Tab.3 The GPP profit and loss matrix under the transformation of different land use types of the Yangtze River Basin t·a-1

4 結(jié)論

1)長江流域GPP整體上呈現(xiàn)西低東高的空間分布特點.2000年—2015年長江流域GPP平均值介于919.90～1 051.48 g C·m-2·a-1之間.

2)GPP輕微增加和顯著增加區(qū)域分別占流域總面積的2.59%和2.10%，主要集中分布在甘肅省南部、陜西省南部、河南省西南部、湖北省西北部、云南省和貴州省交界地帶等.輕微減少和顯著減少區(qū)域分別占流域總面積的0.62%和0.66%，主要集中分布在長江入?？谥車奶K南地區(qū)、上海市，長江沿線的大城市例如重慶市、武漢市及其周圍地區(qū)GPP退化也比較顯著.漢江、金沙江石鼓以下、嘉陵江3個二級流域GPP增加明顯，太湖水系和湖口以下干流區(qū)域GPP則降低明顯.

3)長江流域土地利用類型變化主要表現(xiàn)為耕地、林地、草地的轉(zhuǎn)出和建筑用地、林地、水域的轉(zhuǎn)入.耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地是GPP損失的主要土地利用轉(zhuǎn)移方式，草地轉(zhuǎn)化為林地是GPP增加的主要土地利用轉(zhuǎn)移方式.