崔亞琰 鄭 輝

（河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南 開封 475000）

1.引言

全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)是當(dāng)前全球變化研究的重要內(nèi)容,有關(guān)地表植被覆蓋與環(huán)境演變的關(guān)系是全球變化中最復(fù)雜、最具活力的研究內(nèi)容。作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，植被在保持水土流失、調(diào)節(jié)大氣、維持氣候及整個生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等方面具有重要的作用。作為連接大氣、土壤和水分的自然“紐帶”，近年來，植被已逐漸成為全球氣候變化研究的敏感指標(biāo)。植被總初級生產(chǎn)力（Gross primary productivity，GPP）是指單位時間內(nèi)綠色植物通過光合作用途徑所固定的有機碳總量，表征了進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始物質(zhì)和能量。它是陸地表面固碳的主要驅(qū)動力，在全球碳循環(huán)中起著重要作用。科學(xué)研究地表植被GPP變化特征，對深入理解陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的碳交換機理、評價陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量以及預(yù)估未來氣候變化的生態(tài)效應(yīng)等具有重大意義。

河南省位于我國的中原地帶，南北過渡性氣候明顯、地勢差異較大河，流眾多，故分布著豐富的植被類型。本文以河南省為研究區(qū)域，在2001-2018年GOSIF GPP數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用趨勢分析、F檢驗等方法，研究河南省植被總初級生產(chǎn)力分異特征，以期為了解氣候變化背景下區(qū)域植被生長狀況和生物固碳能力、掌握區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、促進生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

2.材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

河南省位于華北平原南部的黃河中下游地區(qū)。地理坐標(biāo)：31°23′-36°22′N，110°21′-116°39′E。東連山東、安徽，西鄰陜西，北與河北、山西相接，南臨湖北；全省總面積16.7萬平方公里。河南省地勢西高東低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大別山沿省界呈半環(huán)形分布；中、東部為黃淮海沖積平原；西南部為南陽盆地。河南省南北過渡型氣候具有明顯特征，南部屬亞熱帶季風(fēng)氣候，中部為溫帶季風(fēng)氣候。河流眾多，以黃河和淮河為主體的水系發(fā)達，徑流資源豐富。由于河南省地勢差異較大，流域分布豐富，故分布的植被種類豐富多樣。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用的GPP數(shù)據(jù)來自美國新罕布什爾大學(xué)地球系統(tǒng)研究中心（Earth Systems Research Center University of New Hampshire）發(fā)布的2001-2018年的全球GOSIF GPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品（下載網(wǎng)址為：http://globalecology.unh.edu/data/GOSIF-GPP.html），空間分辨率為0.05°，數(shù)據(jù)格式為GeoTIFF，投影格式為WGS84投影，比例系數(shù)為0.1。該數(shù)據(jù)基于OCO-2的全球SIF產(chǎn)品(GOSIF)以及SIF(太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?和GPP之間的線性關(guān)系，以0.05的空間分辨率和8天的時間步長繪制了2001年至2018年期間的全球GPP地圖。該數(shù)據(jù)有助于研究光合作用、碳循環(huán)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和干擾的反應(yīng)，為生態(tài)系統(tǒng)管理提供信息，并為陸地生物圈和地球系統(tǒng)模型設(shè)定基準(zhǔn)。本研究通過對該數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、影像裁剪等處理，得到河南省2001-2018年GOSIF GPP年值數(shù)據(jù)集。

2.3 研究方法

2.3.1 趨勢分析

趨勢分析法是通過對一組隨時間變化的變量進行線性回歸分析，從而預(yù)測其變化趨勢的方法。根據(jù)趨勢分析法對研究區(qū)2001-2018 年GPP數(shù)據(jù)進行擬合，得到研究區(qū)在時間序列上GPP變化趨勢Slope。當(dāng)Slope> 0 時說明處于增加趨勢，值越大說明增加的越明顯，當(dāng)Slope< 0 時說明處于減少趨勢。

式中：Slope為像元植被GPP回歸方程的斜率；GPPi為第i年的年均植被 GPP值；n為研究總年數(shù)，本文n=18；i為研究時間段內(nèi)年份的序號。

2.3.2 F檢驗

為進一步評價植被覆蓋變化狀況，采用F檢驗對GPP變化趨勢進行顯著性分析，用于表示趨勢變化置信水平的高低。

式中：n為研究總年數(shù)，本文n=18；i為研究時間段內(nèi)年份的序號；U為誤差平方和；Q為回歸平方和；為擬合回歸值；為n年平均值；為第年的值。

3.結(jié)果分析

3.1 植被GPP空間分布特征

圖1顯示了2001-2018年河南省植被覆蓋區(qū)多年平均GPP的空間分布情況。由圖可知，河南省植被覆蓋分布不均，GPP總體上看，南部高北部底，由南向北遞減。GPP的最大值為65535 gC·m-2·yr-1，最小值為2832 gC·m-2·yr-1，整體的均值為12502.47 gC·m-2·yr-1。GPP 較大的區(qū)域主要位于豫西山地和河南省的南部，此外中東部的部分地區(qū)GPP值也相對較大。GPP較小的區(qū)域主要分布在河南省北部及中部地區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快，城市化水平較高，植被覆蓋度相對較低。

圖1 2001-2018年河南省年均GPP空間分布

3.2 植被GPP時間變化特征

區(qū)域內(nèi)GPP總量的年際變化如圖2所示，18年來河南省GPP總體呈波動增長趨勢，年增長率為209.63 gC·m-2·yr-1，說明18年中河南省植被情況得到改善。最小值出現(xiàn)在2001年，為9954.70 gC·m-2·yr-1，與平均值相比降低2547.77 gC·m-2·yr-1；最大值出現(xiàn)在2017年，為14554.41 gC·m-2·yr-1，與平均值相比增加2051.94 gC·m-2·yr-1。

圖2 2001-2018年河南省GPP年際變化

3.3 植被GPP空間變化特征

為揭示研究期內(nèi)河南省GPP的空間演變情況，采用Slope趨勢分析法計算2001-2018年河南省GPP的變化趨勢斜率，如圖3所示。由圖可知，全省GPP由北向南呈增加趨勢。其中，河南省南部、東部和西部部分地區(qū)是GPP增長集中區(qū)域，這些區(qū)域植被增加得益于國家退耕還林、荒山造林、封山育林等政策的實施；中部、北部、東南部以及西南部是GPP減少集中區(qū)，這些區(qū)域植被資源本底較差、人口密度大、經(jīng)濟發(fā)展較快，城市化水平相對較高。根據(jù)F檢驗法得到GPP顯著變化情況，如圖4所示。由圖可以看出，不顯著增加零星分布于河南省北部和中部；不顯著減少分布于河南省北部、中西部、西南部和東南部的部分地區(qū)；顯著減少主要集中于河南省中部；全省大部分地區(qū)均為顯著增加。由顯著性檢驗的結(jié)果可知，不顯著增加和顯著增加分別占全省總面積的2.47%和86.60%；不顯著減少和顯著減少分別占全省總面積的9.63%和1.30%。

圖3 2001-2018年河南省植被GPP變化趨勢

圖4 2001-2018年河南省植被GPP變化趨勢顯著性檢驗

4.結(jié)論

本研究采用Slope趨勢分析法研究2001-2018年河南省植被GPP，并對結(jié)果進行顯著性檢驗。分析了河南省GPP時空變化特征，主要結(jié)論如下：

4.1 河南省植被覆蓋不均，GPP整體上呈現(xiàn)北低南高的空間分布特點。2001-2018年河南省GPP平均值介于2832～65535 gC·m-2·yr-1之間?？臻g差異性較為明顯，源于不同植被類型分布、不同地形特征、地理氣候特征差異較大。

4.2 2001 -2018 年河南省GPP總體呈波動增長趨勢，年增長率為209.63 gC·m-2·yr-1。

4.3 GPP不顯著增加區(qū)域和顯著增加區(qū)域分別占全省總面積的2.47%和86.60%，河南省南部、東部和西部部分地區(qū)是GPP增長集中區(qū)域；不顯著減少和顯著減少分別占全省總面積的9.63%和1.30%，主要位于河南省中部、北部、東南部以及西南部。