田振興，昝梅，汪進(jìn)欣

1. 中國電子科技集團第二十八研究所，江蘇 南京 210007；2. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；3. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044

生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力是定量描述生態(tài)系統(tǒng)固碳（生產(chǎn)）能力的指標(biāo)，它的變化也是表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的重要指標(biāo)。生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力主要分為總總初級生產(chǎn)力（GPP）和凈初級生產(chǎn)力（NPP）。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量，決定著進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始能量和物質(zhì)量；NPP是指植被所固定的有機碳中除去其自身呼吸所消耗掉的部分（方精云等，2001；陳廣洲等，2017）。GPP和NPP是全球碳循環(huán)研究中的重要參數(shù)（李登科等，2018），研究GPP和NPP變化趨勢對氣候變化的響應(yīng)機制是全球變化研究的熱點問題（吳曉全等，2016）。因此，掌握生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空變化規(guī)律，對評價陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，調(diào)節(jié)生態(tài)過程以及估算陸地碳循環(huán)具有重要的意義（侯英雨等，2007）。

生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的模型研究先后經(jīng)歷了簡單統(tǒng)計模型、基于遙感數(shù)據(jù)過程模型、動態(tài)全球植被模型等多個發(fā)展階段（袁文平等，2014）。其中，基于遙感數(shù)據(jù)的光能利用率模型逐漸成為估算生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要方法，主要包括CASA模型（樸世龍等，2001）、MODIS-GPP模型（Wang et al.，2013；Ryu et al.，2011）、GLO-PEM 模型和 GEOLUE模型（高志強等，2008）等。MODIS-GPP產(chǎn)品屬于MODIS的陸表產(chǎn)品，是當(dāng)前被應(yīng)用得最為廣泛的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)品，可每隔8天提供1次全球500 m分辨率的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力信息。MODIS數(shù)據(jù)在全球不同地區(qū)的氣候變化、環(huán)境評估、植被生長情況和生產(chǎn)力估算等不同研究中得到了驗證及廣泛應(yīng)用（Zhao et al.，2005）。

近年來，受全球氣候變化的影響，中國極端氣候發(fā)生的頻率較以前明顯增加（蔡文香，2016）。預(yù)測到 21世紀(jì)末，全球降水格局會發(fā)生改變，全球氣溫也可能會升高1.4～5.8 ℃（IPCC，2001），然而這些變化很有可能使陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)發(fā)生變化。以往的文獻(xiàn)資料研究分析表明，增加降水量和升高氣溫會促進(jìn)植被的生長發(fā)育，也會使陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量增加，減少降水量則會引起相反的效應(yīng)（Andersonteixeira et al.，2011；Wu et al.，2011a；Wu et al.，2011b）。有關(guān)災(zāi)害性天氣以及氣象因子的變化對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，目前已有一些研究，如趙志平等（2015）以西南地區(qū)旱災(zāi)為例，研究了植被凈初級生產(chǎn)力和蒸散量、降水量、濕潤指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系；柳藝博等（2016）以江西森林生態(tài)系統(tǒng)為例，基于MODIS數(shù)據(jù)研究了GPP、NPP和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）的時空變化特征及其對氣象干旱的響應(yīng)；根據(jù)近幾十年中國生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化和降水、溫度的關(guān)系分析表明，中國大部分地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（GPP和NPP）與年均溫呈正相關(guān)關(guān)系，青藏高原和東北地區(qū)的NPP與年降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（陳福軍等，2011）。不同的覆被類型的植被生產(chǎn)力也是不同的，高艷妮等（2012）分析了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的時間變化及對未來氣候變化的響應(yīng)特征，估算了不同植被類型下的NPP總量，結(jié)果表明不同植被類型的NPP總量總體表現(xiàn)為農(nóng)作物和草地位居前兩位。另外，不同時間尺度，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與氣象要素之間的關(guān)系也是不同的，例如龍慧玲等（2010）研究了在不同的時間尺度下NPP與溫度和降水的關(guān)系，結(jié)果表明，在季節(jié)尺度下，春秋季節(jié)的NPP與氣溫顯著相關(guān)，在年尺度下，NPP與降水量顯著相關(guān)。

鄱陽湖流域處于亞熱帶地區(qū)，森林覆蓋率高達(dá)60%以上，屬于全國森林覆蓋率最高的地區(qū)之一（黃麟等，2010）。建設(shè)江西省鄱陽湖流域生態(tài)經(jīng)濟區(qū)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略的區(qū)域性發(fā)展規(guī)劃（徐婷婷等，2010）。鄱陽湖在調(diào)節(jié)長江水位、涵養(yǎng)水源、改善當(dāng)?shù)貧夂蚝途S護(hù)周圍生態(tài)平衡等方面都起著重大的作用。因此，本研究以江西省鄱陽湖流域為研究區(qū)，利用MODIS遙感數(shù)據(jù)和氣象站點數(shù)據(jù)，分析2000—2014年鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)GPP和NPP的時空變化特征，評價氣象因子對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，為氣候變化背景下中國典型生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響和適應(yīng)研究提供理論支撐，在保護(hù)環(huán)境的同時，為有序利用生態(tài)資源、促進(jìn)人類社會發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖作為中國第一大淡水湖，位于長江中下游南岸（24°07′～29°09′N，114°02′～117°97′E），總面積16.22×104km2，跨江西、湖南、安徽福建、浙江和廣東 6個省，其在江西省境內(nèi)的流域面積為15.7×104km2，占全流域的 96.9%（金斌松等，2012）。因此，本研究以江西省鄱陽湖流域代表鄱陽湖流域作為研究區(qū)域（圖 1）。鄱陽湖流域年均降水量為1340～1930 mm，一般為南部地區(qū)多北部地區(qū)少，東部多西部少，山區(qū)較多盆地較少。年平均氣溫為16.4～19.8 ℃（聶昊等，2011）。該流域氣候溫暖，日照充裕，降水量充沛，無霜期較長，由于地處亞熱帶地區(qū)，植被種類繁多，植被類型主要有常綠闊葉林、常綠落葉林、針葉林、矮林和灌林等，森林覆蓋率達(dá)60%以上，居全國第二（黃麟等，2010）。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)資料及預(yù)處理

1.2.1 GPP 和NPP數(shù)據(jù)

本研究所使用的 GPP和 NPP數(shù)據(jù)為 2000—2014年全球的MODIS產(chǎn)品，由MODIS數(shù)據(jù)中心下載（ftp://ftp.ntsg.umt.edu/pub/MODIS/）。運用ArcGIS 10.2軟件對MODIS的GPP和NPP數(shù)據(jù)分別進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換（Albers）、裁剪、重采樣（463 m×463 m，與地表覆被數(shù)據(jù)空間分辨率保持一致）和剔除異常值等處理。

1.2.2 氣象要素數(shù)據(jù)（氣溫、降水和輻射）

對所獲取的鄱陽湖流域16個氣象站點2000—2014年的逐日氣溫、降水和輻射數(shù)據(jù)采用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，生成463 m×463 m的溫度、降水和輻射場數(shù)據(jù)（Liu et al.，2015）。在此基礎(chǔ)上，運用ENVI IDL進(jìn)行波段運算生成年平均溫度、降水量和輻射量，用于分析生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 GPP和NPP的相關(guān)關(guān)系。在進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)插值時，假設(shè)海拔高度每上升1 km，氣溫下降6 ℃。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（GPP和NPP）的估算方法

基于遙感數(shù)據(jù)的光能利用率模型是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要估算方法。光能利用率模型假設(shè)在相對適宜的環(huán)境狀態(tài)下（水分、溫度和養(yǎng)分等不變），葉片吸收太陽輻射的量決定了植物光合作用的強弱，而且植物以一個固定的比例將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。然而，在現(xiàn)實環(huán)境下，潛在光能利用率一般會受到水分、溫度和其他環(huán)境因子的限制。所以，生態(tài)系統(tǒng)初級總生產(chǎn)力GPP可用下式表示：

式中，PAR為入射的光合有效輻射；FPAR表示植被冠層所吸收的有效光合輻射的比例；εmax為潛在光能利用率；f為各種環(huán)境因素對光能利用率的脅迫作用；FPAR×PAR為植物冠層所吸收的有效光合輻射；εmax×f表示現(xiàn)實環(huán)境條件下的光能利用率。不同的研究模型所考慮的環(huán)境限制因子之間存在較大差異。

用于估算生態(tài)系統(tǒng) NPP的光能利用率模型為CASA模型：

式中，T1，T2和W表示兩個溫度和水分脅迫對光能利用率產(chǎn)生的限制作用。理想狀況下的εmax值為全球統(tǒng)一的 0.389 g·MJ-1（以 C 計）（Friedl et al.，2010）。

1.4 分析方法

1.4.1 GPP 和NPP以及氣象因素變化趨勢分析方法

通過線性擬合方法（y=ax+b）分析生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（GPP、NPP）和氣象要素2000—2014年的變化趨勢，即：

式中，n代表年數(shù)，等于15；xi代表年份（1, 2,3, …, 15）；yi為第i年的GPP、NPP和氣象要素。當(dāng)a＞0時，表示GPP、NPP和氣象要素呈上升趨勢，a＜0時，表示GPP、NPP和氣象要素呈下降趨勢（張繼平等，2015）。

1.4.2 GPP 和NPP與氣象要素相關(guān)性的分析

采用偏相關(guān)系數(shù)r（coefficient of correlation）分析GPP、NPP與氣象要素（降水、溫度、輻射）之間的相關(guān)關(guān)系。偏相關(guān)系數(shù)r的值在-1～1之間，當(dāng)相關(guān)系數(shù)r＞0時，兩個變量呈正相關(guān)，r＜0時，兩個變量呈負(fù)相關(guān)。

式中，n為15年；xi代表第i年的GPP、NPP；yi表示第i年的氣象要素（降水、溫度、輻射）。根據(jù)顯著性檢驗表，當(dāng)n=15，p=0.05時，相關(guān)系數(shù)顯著性的臨界值為 0.514，若＞0.514，就可以認(rèn)為此相關(guān)系數(shù)在0.05水平上顯著相關(guān)。越趨近于1，說明GPP和NPP與氣象要素的偏相關(guān)性越強趨近于0時，表示兩者幾乎不存在線性相關(guān)關(guān)系。偏相關(guān)系數(shù)是在排除了其他變量的影響下計算變量間的相關(guān)系數(shù)的，如式（5）中的r12.3表示剔除第3個要素的影響后，要素1和2之間的相關(guān)性，式（6）中的r12.34表示剔除第3和第4個要素的影響后，要素1和2之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 GPP和NPP的空間分布特征及變化

2000—2014 年鄱陽湖流域 GPP年均值空間分布如圖 2a所示，鄱陽湖流域GPP平均值約為1300 g·m-2·a-1（以 C 計），最高值為 2512 g·m-2·a-1。2000—2014 年鄱陽湖流域 NPP 年均值空間分布圖如圖 2b所示，NPP平均值約為 580 g·m-2·a-1，最高值為 1210 g·m-2·a-1。鄱陽湖流域的GPP、NPP的高值主要集中分布在南部地區(qū)，該地區(qū)地表覆被以常綠闊葉林為主；低值主要集中在鄱陽湖流域的北部地區(qū)，呈放射狀分布，GPP、NPP低值地區(qū)的主要地表覆被類型為水體、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)作物等。

圖3所示為2000—2014年鄱陽湖流域GPP和NPP的年際變化趨勢。2000—2014年間鄱陽湖流域GPP量與 NPP隨時間的變化特征大體相同。2000—2014年鄱陽湖流域GPP的年際波動幅度比較大，整體略呈上升趨勢，GPP平均值為1365.0 g·m-2·a-1，2000年GPP為15年中的最低值（1247.2 g·m-2·a-1），2004 年 GPP 達(dá) 1471.6 g·m-2·a-1，為 15 年中的最高值（圖3a）。NPP的年際變化幅度也較大，整體略呈下降趨勢，NPP 平均值為 601.7 g·m-2·a-1，2004年的 NPP值最高，達(dá) 692.4 g·m-2·a-1，2000年的NPP 值最低，為 545 g·m-2·a-1（圖 3b）。

圖2 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP（b）均值空間分布Fig. 2 The spatial distribution of GPP (a) and NPP (b) in the Poyang Lake basin in the past 2000-2014 years

圖3 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP年平均值（b）變化趨勢Fig. 3 Variation trend of GPP (a) and NPP (b) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

圖4所示為鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)GPP和NPP在 2000—2014年的空間變化趨勢圖。流域內(nèi)接近65%的地區(qū)的GPP在15年里表現(xiàn)出增長趨勢，大約10%地區(qū)GPP的增長速度超過了10 g·m-2·a-1，主要分布在北部地區(qū)，零星地區(qū)的增長速度接近20 g·m-2·a-1；GPP減少的區(qū)域主要分布在東北部地區(qū)，下降速度超過 10 g·m-2·a-1，占研究區(qū)總面積的10%，個別地區(qū)的下降速度超過30 g·m-2·a-1。接近40%的地區(qū)NPP在2000—2014年呈上升趨勢，增長速度超過5 g·m-2·a-1的地區(qū)僅占5%，零星地區(qū)的增長速度超過了 10 g·m-2·a-1；下降速度超過 5 g·m-2·a-1的地區(qū)占20%，部分地區(qū)的下降速度超過15 g·m-2·a-1，主要分布在北部地區(qū)。

2.2 氣象因子的空間分布特征及變化

鄱陽湖流域 2000—2014年的平均年降水量空間分布特征表現(xiàn)為自東向西逐漸降低（圖5），鄱陽湖流域年平均降水量為1656 mm，最小值為1446 mm，最大值為1926 mm。2000—2014年年降水量整體上呈上升趨勢，以4.2 mm·a-1的速率增加。年降水量增加地區(qū)主要集中于北部地區(qū)，東北部小部分地區(qū)的降水量增長速度超過20 mm·a-1。

鄱陽湖流域 2000—2014年均氣溫為 18 ℃左右，均溫大于20 ℃的地區(qū)主要集中在南部（圖6a）。研究期內(nèi)，鄱陽湖流域年均溫整體呈上升趨勢，平均氣溫增加速率約為 0.014 ℃·a-1。2000—2014年鄱陽湖流域有近60%的地區(qū)年均溫呈上升趨勢，主要集中在中部地區(qū)，年均溫升高的最大速率達(dá)0.045 ℃·a-1（圖 6b）。

圖4 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP（b）變化趨勢空間分布Fig. 4 Spatial Distribution of GPP and NPP in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

圖5 2000—2014年鄱陽湖流域平均年降水量空間分布（a）和年變化率空間分布（b）Fig. 5 Spatial distribution of average annual precipitation (a) and spatial distribution of annual change rate (b) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

如圖7a所示，鄱陽湖流域2000—2014年的年均輻射量為 10.4～12.7 MJ·m-2·a-1，輻射高值集中分布在南部地區(qū)，低值分布在中東部。鄱陽湖流域年均輻射量整體呈上升趨勢，年均輻射量增加速率約為 0.0039 MJ·m-2·a-1（圖 7b），增加速率較快的區(qū)域主要集中在南部地區(qū)，較慢的區(qū)域主要集中在東北部地區(qū)。

2000—2014 年鄱陽湖流域年均降水量、年均溫、年均輻射量均呈上升趨勢（圖8），其中，年均輻射的上升趨勢較弱。

圖6 2000—2014年鄱陽湖流域平均氣溫空間分布（a）和年變化率空間分布（b）Fig. 6 Spatial distribution of mean temperature (a) and annual change rate (b) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

圖7 2000—2014年鄱陽湖流域平均輻射空間分布（a）和年變化率空間分布（b）Fig. 7 Spatial distribution of mean radiation (a) and annual change rate (b) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

2.3 GPP 和NPP與氣象因子的偏相關(guān)性

偏相關(guān)性分析結(jié)果顯示，鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)GPP和NPP與年降水量呈正相關(guān)關(guān)系（圖9），與平均氣溫也呈正相關(guān)關(guān)系（圖10），且GPP與平均氣溫的相關(guān)性強于NPP與平均氣溫的相關(guān)性。

GPP與年均輻射量間不存在顯著相關(guān)性，而NPP與輻射呈正相關(guān)（圖 11）。綜上所述，NPP與年降水量的相關(guān)性最強，與氣溫的相關(guān)性次之，與輻射的相關(guān)性較弱，這與谷曉平等（2007）的研究結(jié)果相符。

圖8 2000—2014年鄱陽湖流域年降水量（a）、年均溫（b）和年均輻射（c）變化趨勢Fig. 8 The variation trend of annual precipitation (a), average annual temperature (b) and annual radiation (c) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

圖9 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP（b）與年降水量的偏相關(guān)性空間分布特征Fig. 9 Spatial distribution characteristics of partial correlation between GPP and annual precipitation (a), and between NPP and annual precipitation (b)in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

3 討論

圖10 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP（b）與平均氣溫的偏相關(guān)性空間分布特征Fig. 10 Spatial distribution characteristics of partial correlation between GPP and mean temperature (a) and between NPP and mean temperature (b)in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

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，具有較高應(yīng)用意義（林尚榮等，2018）。MODIS GPP/NPP算法的基礎(chǔ)為光能利用率（LUE）模型，利用LUE和環(huán)境因素包括溫度、水汽壓、光照三者之間的關(guān)系模擬生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Running et al.，2004）。自公布以來，已有很多學(xué)者在全球不同區(qū)域?qū)?MODIS GPP/NPP產(chǎn)品進(jìn)行了評估（Jung et al.，2007；He et al.，2013；Liu et al.，2014），研究表明，該產(chǎn)品在不同區(qū)域的可靠性存在差異。如 Jiang et al.（2016）利用FLUXNET2015數(shù)據(jù)集中超過 140個通量站，共12種地表覆蓋類型的通量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雖然GPP產(chǎn)品在 8 d時間尺度的 R2達(dá) 0.68以上；Liu et al.（2014）和He et al.（2013）分別利用通量站數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，表明MODIS GPP產(chǎn)品在中國和東亞都有不同程度的低估現(xiàn)象。

圖11 2000—2014年鄱陽湖流域GPP（a）和NPP（b）與輻射量的偏相關(guān)性空間分布特征Fig. 11 Spatial distribution characteristics of partial correlation between GPP and radiation (a), and between NPP and radiation (b) in Poyang Lake Basin from 2000 to 2014

偏相關(guān)性分析表明，GPP和 NPP與氣象要素（降水量、氣溫、輻射量）均呈正相關(guān)關(guān)系。2000—2014年鄱陽湖流域GPP整體略有上升，而NPP略呈下降，主要原因可能是 2000—2014年間鄱陽湖流域大部分地區(qū)呈現(xiàn)降水減少、溫度升高（柳藝博，2016），而鄱陽湖流域地理環(huán)境特殊，水分資源相對充足，溫度升高在一定程度上會增加呼吸消耗，使得NPP下降。

由于各種條件限制，本研究還存在一些不足之處。首先，直接對氣象站點數(shù)據(jù)利用插值生成的數(shù)據(jù)存在誤差。其次，雖然經(jīng)過相關(guān)性分析，GPP和NPP與氣象要素（降水量、氣溫、輻射量）都呈正相關(guān)關(guān)系，但是研究期內(nèi)GPP和NPP整體變化趨勢并不明顯。由于資料所限，本研究未開展MODISGPP/NPP產(chǎn)品在鄱陽湖流域的評價工作。最后，本文未綜合各種氣象因子對GPP、NPP的共同影響作用，也未考慮氣象災(zāi)害可能對 GPP和 NPP造成的影響，這些不足將在以后的研究工作中予以改進(jìn)。

4 結(jié)論

利用 MODIS遙感數(shù)據(jù)和地面觀測氣象數(shù)據(jù)等對鄱陽湖流域 2000—2014年生態(tài)系統(tǒng) GPP、NPP空間分布、變化趨勢及其與對該地區(qū)的降水量、溫度、輻射以及地表覆被等變化的關(guān)系，得出結(jié)論如下：

（1）2000—2014年鄱陽湖流域 GPP的年總量為 202.3～238.7 Tg·a-1，平均年總量為 221.4 Tg·a-1；NPP的年總量為88.4～112.2 Tg·a-1，平均年總量為97.6 Tg·a-1。2000—2014年GPP的年總量變化略呈上升趨勢，NPP年總量略呈下降趨勢，但變化趨勢不明顯。

（2）鄱陽湖流域 2000—2014年間年降水量、年均溫、年均輻射整體上均呈上升趨勢，年降水量增長速率為 4.2 mm·a-1，年均溫平均增加速率為0.014 ℃·a-1，年均輻射的平均增加速率為 0.0038 MJ·m-2·a-1。

（3）鄱陽湖流域2000—2014年GPP、NPP與年降水量、年均溫和輻射均呈正相關(guān)關(guān)系，其中，年降水量、平均氣溫與GPP和NPP的相關(guān)性較強，輻射與GPP和NPP的相關(guān)性較弱。