劉 鳳,曾永年,*

1 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083 2 中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心, 長(zhǎng)沙 410083

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP, Net Primary Productivity)直接反映植物在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,是理解全球變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響及響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù),也是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容[1- 4]。因此,植被NPP的準(zhǔn)確估算、時(shí)空分布與動(dòng)態(tài)變化分析,NPP與環(huán)境因子相關(guān)性的定量分析,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量定量評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境治理、區(qū)域碳循環(huán)研究和自然資源合理開(kāi)發(fā)利用均具有重要的理論與實(shí)踐意義[5- 7]。

青海高原作為青藏高原的重要組成部分,生態(tài)環(huán)境脆弱,是氣候及環(huán)境變化的敏感區(qū)域[8]。近年來(lái),受氣候因素變化與人類(lèi)活動(dòng)的共同影響,青海高原生態(tài)環(huán)境退化問(wèn)題突出,并已引起科學(xué)界及社會(huì)各界的廣泛重視。因此,作為衡量生態(tài)系統(tǒng)功能與狀況的定量指標(biāo)——植被NPP的時(shí)空變化及其氣候響應(yīng)機(jī)制也成為研究熱點(diǎn)。衛(wèi)亞星等(2012)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),估算并分析了2006年青海草地NPP空間分布與季相變化特征[9]；陳卓奇等(2012)基于MODIS數(shù)據(jù)分析了青藏高原植被NPP,并探討了氣象因素對(duì)NPP的影響機(jī)制[10]；張鐿鋰等(2013、2015)分析了青藏高原高寒草地NPP,并基于NPP數(shù)據(jù)和樣區(qū)對(duì)比法對(duì)青藏高原自然保護(hù)區(qū)保護(hù)成效進(jìn)行了分析[11-12]。與此同時(shí),為緩解青海高原生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化的態(tài)勢(shì),近年來(lái)在青海高原的三江源區(qū)、青海湖流域、祁連山地開(kāi)展了一系列生態(tài)環(huán)境保護(hù)與重建工程,為了科學(xué)全面的掌握生態(tài)保護(hù)與重建設(shè)工程的成效,開(kāi)展了許多有關(guān)植被NPP時(shí)空變化特征的研究。李英年等(2007、2008)采用野外氣象站觀測(cè)資料,分析長(zhǎng)江源、黃河源區(qū)氣候變化對(duì)植被生產(chǎn)力的影響[13- 14]；張景華等(2008)基于草地資源調(diào)查及牧業(yè)氣象站監(jiān)測(cè)資料,分析青海祁連山地及環(huán)青海湖區(qū)NPP分布規(guī)律與變化特征[15]。上述基于野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的NPP估算及分析研究,受觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)量、分布的限制,研究建立的NPP估算模型難以有效推廣到較大的區(qū)域,研究結(jié)果也限于局部區(qū)域。為此,基于遙感數(shù)據(jù)與模型的區(qū)域NPP估算研究得到較多的應(yīng)用。張鐿鋰等(2007)以NOAA_8 km分辨率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了三江源地區(qū)植被指數(shù)的空間變化特征及地理背景[16]；王軍邦等(2009)采用GLOPEM-CEVSA模型及1 km分辨率遙感數(shù)據(jù),模擬1988—2004 年青海三江源區(qū)NPP時(shí)空格局及其控制機(jī)制[17]；肖桐等(2009)利用GLOPEM模型模擬三江源地區(qū)1988—2008年NPP時(shí)空分布及特征[18]；邵全琴等(2013,2016)采用GLOPEM模型利用Spot—NDVI數(shù)據(jù),估算三江源草地NPP,評(píng)估了2005—2009年、1970—2012年兩個(gè)時(shí)段三江源區(qū)生態(tài)保護(hù)建設(shè)工程的生態(tài)成效[19-20]；Chen等(2011)基于MODIS數(shù)據(jù)模擬青海湖流域植被NPP,并分析植被碳儲(chǔ)量[21]；DENG等(2017)基于遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析了青海省植被NPP與畜牧生產(chǎn)之間的相互影響[22]；張穎等(2017)借助CASA模型和氣候生產(chǎn)力模型,結(jié)合土地利用變化,定量分析了2001—2012年氣候變化、土地利用和草地管理措施對(duì)三江源草地NPP變化的影響[23]。上述研究為闡明青海高原植被生態(tài)系統(tǒng)NPP的時(shí)空分布特征、動(dòng)態(tài)變化奠定了基礎(chǔ),并為NPP估算模型的選取、參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證等提供了參考。然而,這些研究多數(shù)集中在三江源區(qū),并主要針對(duì)草地植被的研究,有關(guān)青海高原區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列、高分辨率NPP估算及時(shí)空演化研究尚顯不足。因此,采用高時(shí)空分辨率遙感數(shù)據(jù),估算青海高原長(zhǎng)時(shí)間序列植被NPP的時(shí)空分異格局與變化規(guī)律,分析植被NPP與氣候因素、人為因素的相關(guān)關(guān)系,對(duì)于全面系統(tǒng)地分析青海高原植被生態(tài)系統(tǒng)狀況以及區(qū)域碳循環(huán)的研究具有重要的意義。

為此,本研究采用2000—2015年青海高原MODIS13Q1—250 m分辨率NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)氣象、地形數(shù)據(jù),利用CASA改進(jìn)模型及ArcGIS空間分析方法,估算并分析了近16年來(lái)青海高原植被NPP時(shí)空分布規(guī)律、變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候因素變化響應(yīng),探究重大生態(tài)保護(hù)工程對(duì)區(qū)域NPP的影響,以期為青海高原植被生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的評(píng)估、動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè),以及重大生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施提供科學(xué)參考與決策依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖1 青海高原位置及區(qū)域分區(qū)圖 Fig.1 Location and different zone partition in Qinghai Plateau

青海高原位居我國(guó)西部,地處東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原三大地理區(qū)域的交匯處,地理位置介于89°25′—103°04′E,31°40′—39°19′N(xiāo)之間。青海高原土地總面積72.23萬(wàn)km2,約占青藏高原總面積的30%,境內(nèi)地勢(shì)西高東低,南北高中間低,平均海拔3000 m以上,地形復(fù)雜,地貌多樣[24]。屬大陸性高原氣候,年降水量為15—750 mm,降水量時(shí)空分布不均,從西北到東南漸增。年均溫為-5.1—9.0℃,氣溫的垂直變化明顯。主要植被類(lèi)型有常綠針葉林、落葉闊葉林、高寒灌叢、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原等,植被水平與垂直地帶性分異顯著。根據(jù)自然條件、資源稟賦、環(huán)境容量和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展基礎(chǔ)及潛力,將研究區(qū)劃分為柴達(dá)木地區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)、東部地區(qū)和三江源地區(qū)四個(gè)區(qū)域[25](圖1)。位于青海高原西北部的柴達(dá)木地區(qū)植被稀疏、種類(lèi)單一；環(huán)青海湖地區(qū)分布有草甸草地、高寒草甸、沼澤濕地等,祁連山地區(qū)屬青海高原森林資源聚集區(qū)；三江源地區(qū)典型的植被類(lèi)型為高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠草原；東部地區(qū)位于青海高原的東部,是主要的農(nóng)業(yè)區(qū),主要的植被類(lèi)型有常綠針葉林、落葉闊葉林、溫性草原等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)及處理

歸一化植被指數(shù)(NDVI)來(lái)自NASA官網(wǎng)(http://lpdaac.usgs.gov),遙感數(shù)據(jù)采用MOD13Q1—16 天合成NDVI數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的空間分辨率為250 m×250 m,時(shí)間范圍為2000—2015年,每年共23期影像。整個(gè)研究區(qū)域由5幀MOD13Q1數(shù)據(jù)覆蓋,行列號(hào)分別是h24v04、h24v05、h25v04、h25v05、h26v05。首先,利用MRT軟件,將原始影像的正弦曲線投影轉(zhuǎn)換為Albers Equal Area Conic/WGS84投影,再拼接同期影像獲得覆蓋研究區(qū)的影像數(shù)據(jù)；其次,利用ArcGIS軟件,依據(jù)青海高原行政區(qū)界線完成影像的裁剪；最后,利用ENVI軟件,進(jìn)行MOD13Q1數(shù)據(jù)最大值合成處理,以進(jìn)一步消除云、大氣、太陽(yáng)高度角等部分干擾,并對(duì)2000—2015年逐月的NDVI序列數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理,剔除異常值,獲得2000—2015年逐月NDVI數(shù)據(jù)集。

1.2.2 氣象及其他數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn/)提供的2000—2015 年青海高原及周?chē)?9 個(gè)氣象站點(diǎn)的月降水量、月平均氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù),以及8 個(gè)太陽(yáng)輻射站點(diǎn)的月太陽(yáng)總輻射量。DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:www.gscloud.cn/)。利用DEM數(shù)據(jù)及各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度信息、降水與氣溫?cái)?shù)據(jù),借助SPSS及ArcGIS軟件,采用多元線性回歸法,空間插值獲得250 m空間分辨率的氣溫與降水空間化柵格數(shù)據(jù)。

土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://spacescience.data.ac.cn/)提供的2005年青海高原1∶25萬(wàn)土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集的精度為80%—90%,包括森林、草地、農(nóng)田、建設(shè)用地、其他用地5 個(gè)一級(jí)類(lèi)及20 個(gè)二級(jí)類(lèi)。青海高原行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。

2 模型與方法

2.1 NPP估算模型

基于CASA改進(jìn)模型[26- 27],依據(jù)青海高原的特點(diǎn)構(gòu)建適用的模型參數(shù),估算并分析不同植被NPP。CASA模型通過(guò)植被吸收的光合有效輻射和光能利用率兩個(gè)驅(qū)動(dòng)因子估算植被NPP,其模型如式1所示：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)表示像元x在t月的實(shí)際光能利用率(gC/MJ)。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中,SOL(x,t)表示像元x在t月份的太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2)；0.5表示植被光合作用利用的太陽(yáng)有效輻射量占太陽(yáng)總輻射的比例,FPAR(x,t)表示植被層對(duì)光合有效輻射PAR的吸收比例,具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[28]。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中,Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示高溫或低溫對(duì)光能利用率的脅迫系數(shù),Wε(x,t)為水分對(duì)光能利用率的脅迫程度,計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[29],εmax表示不同植被類(lèi)型理想狀態(tài)下的最大光能利用率,本研究參考朱文泉估算中國(guó)陸地植被NPP及青海高原已有相關(guān)研究[9,27-28],確定研究區(qū)不同植被類(lèi)型的最大光能利用率。

2.2 NPP模擬精度評(píng)價(jià)

目前較為常用的NPP精度評(píng)價(jià)方法有兩類(lèi)：一類(lèi)是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)；另一類(lèi)是根據(jù)其他研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)價(jià)。由于研究區(qū)范圍廣,開(kāi)展大范圍的植被NPP驗(yàn)證數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)較為困難,而且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間較難與模型模擬時(shí)間相匹配,且二者由于氣候因素變化及其他因素的影響存在一定程度的不可比性?；谝陨峡紤],本研究利用研究時(shí)段內(nèi)相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其他研究結(jié)果,綜合評(píng)估模擬結(jié)果的可靠性。

在分析研究區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)野外站點(diǎn)植被NPP實(shí)測(cè)值、地上凈初級(jí)生產(chǎn)量、野外樣地生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為利用地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得植被NPP值,首先,確定地上生物量與地下生物量的比率關(guān)系(即根冠比,R/S),本文選用的R/S為5.8[30]；其次,根據(jù)根冠比計(jì)算出相應(yīng)植被的地下生物量,并計(jì)算得到總生物量；然后根據(jù)生物量與NPP的換算比率將生物量轉(zhuǎn)換成碳單位,本文選用0.45[30- 31]的比率將生物量轉(zhuǎn)換成碳單位。NPP估算精度分析中,相對(duì)于NPP實(shí)測(cè)值中有站點(diǎn)位置信息的數(shù)據(jù),提取對(duì)應(yīng)位置、時(shí)間的NPP模擬值；對(duì)于僅有所在縣級(jí)單位的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),提取對(duì)應(yīng)年份、月份,同一縣級(jí)單元模擬結(jié)果平均值。最后,利用SPSS軟件分析模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性,并檢驗(yàn)其顯著性。同時(shí),整理統(tǒng)計(jì)其他模型模擬的NPP結(jié)果、提取與本研究對(duì)應(yīng)時(shí)間、相同植被類(lèi)型的NPP值進(jìn)行對(duì)比分析與評(píng)價(jià)分析。

2.3 時(shí)空變化分析方法

2.3.1 NPP年際變化率

采用一元線性回歸法分析植被NPP的年際波動(dòng)規(guī)律與動(dòng)態(tài)變化[32],計(jì)算研究區(qū)逐像元多年回歸趨勢(shì)線斜率,用于反映NPP年際變化率。計(jì)算公式如下：

(4)

式中，θslope表示趨勢(shì)斜率，n表示估算年數(shù)，NPPi表示第i年的植被NPP，利用NPP值與時(shí)間序列的相關(guān)關(guān)系表示NPP年際變化的顯著性，θslope>0表示增加，反之減少。

2.3.2 NPP與氣候因素相關(guān)性

采用基于像元的空間分析法,分析NPP與氣候因素的相關(guān)性,確定氣候因素與NPP的相關(guān)系數(shù)(式(5)),以及偏相關(guān)系數(shù)(式(6))。

(5)

式中，Rxy表示x、y變量間的相關(guān)關(guān)系；xi為第i年的NPP；yi表示第i年變量y的值；xp為多年NPP的平均值；yp為變量y多年平均值；n為樣本數(shù)。

(6)

式中，rxy，ryz，rxz分別表示變量x與y，y與z，及x與z的相關(guān)系數(shù)，rxy·z指變量z固定后,變量x與y之間的偏相關(guān)系數(shù)。

采用T檢驗(yàn)法對(duì)各相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[33],顯著性水平取α=0.05。依據(jù)相關(guān)性系數(shù)將研究區(qū)劃分為顯著正相關(guān)(r>0,P<0.05)、不顯著正相關(guān)(r>0,P≥0.05)、顯著負(fù)相關(guān)(r<0,P<0.05)和不顯著負(fù)相關(guān)(r<0,P≥0.05)不同的區(qū)域。

3 結(jié)果與分析

3.1 NPP估算精度評(píng)價(jià)

圖2 NPP模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 Fig.2 Comparison of simulated values with measured values of vegetation NPP

根據(jù)研究區(qū)2000—2015年野外站點(diǎn)植被NPP實(shí)測(cè)值[30,34-36]、地上凈初級(jí)生產(chǎn)量、地上生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[14,37],換算獲得的觀測(cè)站點(diǎn)的植被NPP值,與本研究NPP估算值的相關(guān)性分析及顯著性檢驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果表明,本文模擬結(jié)果與統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.86(P<0.01),R2=0.736(n=26),模擬值與實(shí)測(cè)值呈顯著相關(guān),說(shuō)明遙感估算結(jié)果的可靠性。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文模擬結(jié)果的可靠性,將本文結(jié)果與其他模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明,青海高原范圍內(nèi),本文估算結(jié)果與王莉雯等[34]采用光能利用率模型估算相接近,草地NPP差17 gC m-2a-1左右；本研究在三江源地區(qū)估算的植被NPP略高于祁威等[38]基于CASA模型的模擬的同期結(jié)果,相差值在16—20 gC m-2a-1之間?？傊?本文估算結(jié)果與同期、同一區(qū)域的其他模擬結(jié)果比較接近。

3.2 青海高原植被NPP空間分布格局

2000—2015年青海高原植被NPP多年平均值242.50 gC m-2a-1,NPP空間分布格局呈現(xiàn)東高西低,南高北低,由西北向東南逐漸遞增趨勢(shì)。NPP多年平均值的高值區(qū)集中于青海高原的三江源區(qū)的東南部、環(huán)青海湖地區(qū)以及東部地區(qū),低及較低值分布在柴達(dá)木地區(qū)及三江源地區(qū)的西北部(圖3)。青海高原不同區(qū)域NPP多年平均值的空間分異特征如下：

I.柴達(dá)木地區(qū)：該區(qū)氣候干旱少雨,主要的植被類(lèi)型為荒漠草地與低地草甸類(lèi)草地,周邊有冰川、永久積雪,以及大面積的裸地、裸巖,區(qū)內(nèi)土壤沙化、鹽漬化嚴(yán)重,植被覆蓋度低。該區(qū)植被NPP多年平均值為89.49 gC m-2a-1,是青海高原NPP低值分布區(qū)。區(qū)內(nèi)NPP由西北向東南遞增,西北部分布著大面積的荒漠,NPP偏低,最高值僅20 gC m-2a-1；東部區(qū)域?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)區(qū),NPP多年平均值大于50 gC m-2a-1；而柴達(dá)木盆地南部的荒漠草地與高寒草原區(qū)是本區(qū)NPP的高值區(qū),NPP多年平均值在50—200 gC m-2a-1之間。

II.環(huán)青海湖地區(qū)：水熱組合條件相對(duì)較好,草地、沼澤濕地、森林資源豐富。該區(qū)NPP多年平均值約269.34 gC m-2a-1。其中,祁連山地森林資源及草地資源豐富,NPP多年平均值在45—500 gC m-2a-1之間,空間上由西北向東南遞增,少數(shù)區(qū)域NPP高于500 gC m-2a-1；環(huán)湖周邊NPP多年平均值在20—700 gC m-2a-1之間,呈從湖區(qū)向周邊遞減的趨勢(shì)?？傮w上,該區(qū)NPP空間差異性顯著,呈東高西低,中部高邊緣低的分布格局。

III.三江源地區(qū)：位于青藏高原腹地,是我國(guó)面積最大的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),該區(qū)山脈綿延,湖泊密布,生物多樣性豐富,生態(tài)環(huán)境脆弱,草地退化嚴(yán)重[39]。植被NPP多年平均值為267.83 gC m-2a-1,區(qū)內(nèi)NPP呈西北向東南遞增的趨勢(shì)。其中,黃河源區(qū)NPP多年平均值分布在300—400 gC m-2a-1之間,少數(shù)區(qū)域大于600 gC m-2a-1,NPP多年平均值呈西北向東南遞增態(tài)勢(shì)；長(zhǎng)江源區(qū)的西北部分布著大面積荒漠與雪山,兼有沼澤與河湖灘地零星分布,NPP多年平均值總體較低,多分布在300 gC m-2a-1以下,僅其東南部草地分布區(qū)達(dá)到300 gC m-2a-1以上。

IV.東部地區(qū)：東部地區(qū)地處黃土高原向青藏高原過(guò)渡的鑲嵌地帶,屬暖涼溫半干旱氣候,境內(nèi)水資源較為豐富,是青海高原自然條件最為優(yōu)越的地區(qū)[40],具備植被及農(nóng)作物生長(zhǎng)的水熱與光照條件,區(qū)內(nèi)近一半的耕地分布在河湟谷地。該區(qū)NPP多年平均值達(dá)346.89 gC m-2a-1,是青海高原NPP多年平均值高值分布區(qū)。其中,北部大通河流域NPP多年平均值在300—600 gC m-2a-1之間,部分區(qū)域高于600 gC m-2a-1；中部湟水谷地海拔低、氣候溫和、環(huán)境適宜,植被NPP多年平均值在150—300 gC m-2a-1之間波動(dòng)；南部黃河谷地NPP多年平均值大多在300 gC m-2a-1以上,呈由北向南遞增態(tài)勢(shì)。

圖3 青海高原多年平均NPP、降水量、太陽(yáng)總輻射量、氣溫空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of the annual average NPP, precipitation, solar radiation, and temperature in Qinghai Plateau

3.3 青海高原NPP年際變化特點(diǎn)

2000—2015年,青海高原年NPP在53.24—96.56 TgC之間,平均值79.39 TgC。16年間,年NPP呈平穩(wěn)增加,年增長(zhǎng)率1.32 TgC/a,并存在明顯的階段性變化特征(圖4)。其中,2000—2002年,年NPP呈快速上升趨勢(shì),與該時(shí)段年降水量、年平均氣溫顯著增加趨勢(shì)一致,適宜的水熱條件有利于該時(shí)段植被的生長(zhǎng)發(fā)育與NPP增加；2003—2009年,年NPP在波動(dòng)中平穩(wěn)增加,與區(qū)域水熱條件年際差異顯著相關(guān)；2010—2011年,年NPP再次快速上升,并達(dá)到研究時(shí)段的最大值,其對(duì)應(yīng)年份及前一年降水量顯著增加,氣溫高于多年平均水平,適宜的水熱條件適合植被生長(zhǎng)及NPP的累積；2012—2013年,年NPP呈下降態(tài)勢(shì),與該時(shí)段氣溫與降水錯(cuò)位相關(guān)；2014—2015年,年NPP平穩(wěn)上升,2014年降水量充足、氣溫偏高,年NPP增加；2015年雖降水量欠缺但氣溫適宜,同時(shí)受降水對(duì)植被生長(zhǎng)的累積與滯后效應(yīng),年NPP仍有增加。

2000—2015年,年NPP總體變化趨勢(shì)分析表明,2000、2010、2011、2013年年NPP變化較為明顯,其中,2000年,全年平均NDVI指數(shù)偏低,年降水量、年均溫異常偏低,年NPP偏低與欠佳的植被自然狀況、低溫少雨的氣候因素導(dǎo)致的植被長(zhǎng)勢(shì)欠佳有關(guān)；2010、2011年是青海高原生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施的后期,植被得到恢復(fù),覆蓋度增加,生態(tài)工程的效應(yīng)逐步得到體現(xiàn),且年降水量與年均溫均較高或處于多年平均水平之上,較好的植被生長(zhǎng)本底輔之豐水、適溫的氣候因素,使得2010、2011年年NPP達(dá)到研究時(shí)段最大值；2013年,年NPP主要受氣候因素變化的影響,高溫少雨的氣候條件不利于植被NPP累積,導(dǎo)致該年年NPP稍低。

基于以上分析,2000—2015年青海高原植被NPP的年際波動(dòng)與區(qū)域水熱組合條件的波動(dòng)基本一致,水熱條件是植被NPP變化的重要驅(qū)動(dòng)因子。2010、2011、2015年,植被NPP與當(dāng)年及前一年降水、氣溫的變化分析表明,降水、氣溫對(duì)植被的生長(zhǎng)存在累積與滯后效應(yīng)。

圖4 2000—2015年青海高原年NPP總值、降水量、氣溫年際變化Fig.4 Inter-annual variation of NPP, precipitation, temperature in Qinghai Plateau from 2000—2015

3.4 青海高原年NPP變化趨勢(shì)分析

2000—2015年,青海高原植被NPP年際增長(zhǎng)率0.70 gC m-2a-1,年降水量與年均溫變化率分別為：(-1—22.1) mm/a和(0.01—0.086)℃/a(圖5)。依據(jù)植被NPP變化程度將其劃分為：明顯變差(θslope<-10)、輕微變差(-10≤θslope<-5)、基本穩(wěn)定(-5≤θslope<2)、輕微好轉(zhuǎn)(2≤θslope<5)、明顯好轉(zhuǎn)(θslope≥5)5種情況,其所占的青海高原面積百分比分別為：0.38%、1.11%、57.28%、9.18%、6.96%。

圖5 2000—2015年青海高原年NPP、降水量、氣溫時(shí)空變化格局Fig.5 Temporal and spatial variation patterns of NPP, precipitation and temperature in Qinghai Plateau from 2000 to 2015

NPP明顯好轉(zhuǎn)、輕微好轉(zhuǎn)區(qū)域主要分布于柴達(dá)木地區(qū)的東部與南部,環(huán)青海湖地區(qū)的祁連山地北部、青海湖區(qū)周邊,三江源地區(qū)的東部,以及東部地區(qū)的河湟谷地,占青海高原總面積的16.14%。這一變化趨勢(shì)反映了近年來(lái)在這些地區(qū)開(kāi)展的一系列生態(tài)保護(hù)與重建工程所取得的生態(tài)成效。同時(shí),年NPP與年降水量、年均溫變化的相關(guān)分析表明,植被NPP好轉(zhuǎn)的區(qū)域,氣溫與降水逐年增加,氣候向暖濕化的過(guò)渡,促使植被返青期提前、枯黃期推遲,從而利于NPP的積累與逐年增加；NPP變差的區(qū)域零星地分布于環(huán)青海湖地區(qū)的祁連山地東南部、東部地區(qū)的北部,以及長(zhǎng)江源區(qū)、黃河源區(qū)的少數(shù)區(qū)域,NPP的退化可能與過(guò)度的人類(lèi)活動(dòng)影響有關(guān),此外,也可能與生態(tài)保護(hù)工程效應(yīng)的相對(duì)滯后有一定的關(guān)系[20,41]。NPP基本穩(wěn)定的區(qū)域主要位于柴達(dá)木地區(qū)中部、環(huán)青海湖地區(qū)的祁連山地、青海湖區(qū)附近,以及青南高原的治多縣、曲麻萊縣一帶的荒漠草地、草甸草地、高寒草甸分布區(qū)。綜上所述,青海高原植被生態(tài)環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)好,局部區(qū)域仍處于退化狀態(tài)。植被NPP的年際變化與水熱條件的變化基本同步,降水量的增加、氣候的變暖,有利于植被生長(zhǎng)及植被NPP的增加。而局部地區(qū)由于自然與人類(lèi)活動(dòng)影響導(dǎo)致的草地退化,使部分區(qū)域NPP有下降的趨勢(shì)。

3.5 青海高原NPP與氣候因素的相關(guān)性

植被NPP與降水量、氣溫及太陽(yáng)總輻射量的相關(guān)性分析表明,平均相關(guān)系數(shù)分別為0.059、0.099和0.018(圖6)。呈正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)總面積的比例分別為26.17%,30.45%和20.5%,其中,顯著正相關(guān)的區(qū)域占研究區(qū)總面積比分別為25.16%、29.77%、13.87%；呈負(fù)相關(guān)面積比分別為9.49%、5.22%和15.17%,顯著負(fù)相關(guān)面積為8.53%、4.58%和13.87%,說(shuō)明隨著青海高原氣候向暖濕化演化,適宜的水分與溫度條件、加之充足的光照條件,是青海高原植被NPP增加的主要驅(qū)動(dòng)因素。

植被NPP與降水量、氣溫偏相關(guān)性的進(jìn)一步探討表明(圖6),當(dāng)溫度條件不變的情況下,降水量與NPP呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域上升6.51%,呈顯著正相關(guān)的區(qū)域下降近7%,說(shuō)明一定溫度范圍內(nèi),降水量的增多可能會(huì)導(dǎo)致植被生長(zhǎng)受限,這是由于連續(xù)的低溫、陰雨天氣減少了植被接受的日照時(shí)數(shù),不利于植被光合作用,阻礙了植被NPP的積累；而在降水條件不變的情況下,氣溫與NPP的相關(guān)性存在一定的波動(dòng),但仍以顯著正相關(guān)為主,說(shuō)明降水量一定時(shí),小范圍的溫度升高并不會(huì)對(duì)植被生長(zhǎng)及NPP的積累有明顯作用。

不同區(qū)域相關(guān)性分析結(jié)果表明(表1),在柴達(dá)木地區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)及三江源地區(qū),溫度是區(qū)域NPP積累的關(guān)鍵因素,而東部地區(qū)降水量是影響NPP積累的主要因素。

3.6 青海高原NPP時(shí)空間變化與生態(tài)工程效應(yīng)

根據(jù)青海高原各區(qū)域生態(tài)保護(hù)與重建工程實(shí)施類(lèi)別、年份差異[25],將研究時(shí)段劃分為A、B兩個(gè)階段(表2),以此分析各區(qū)域不同階段的植被年NPP變化及生態(tài)工程效應(yīng)。

表1 NPP與氣候因素相關(guān)性面積百分比

*代表偏相關(guān)關(guān)系

表2 青海高原各區(qū)域生態(tài)工程實(shí)施階段劃分

I.柴達(dá)木地區(qū)：2000—2015年,該區(qū)年NPP在4.91—8.79 TgC之間(圖7),占青海高原總值的7.72%—10.56%,屬青海高原年NPP最低的區(qū)域。研究時(shí)段,年NPP呈增加趨勢(shì),年際增長(zhǎng)率0.09 TgC/a,總體生態(tài)環(huán)境趨于轉(zhuǎn)好。生態(tài)工程實(shí)施A階段(2000—2008年)是“三北防護(hù)林工程”及鞏固退耕還林工程的實(shí)施期,期間年NPP呈顯著增加,年際增長(zhǎng)率達(dá)0.22 TgC/a,高于整個(gè)研究時(shí)段；生態(tài)工程實(shí)施B階段(2009—2015年)為省級(jí)生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目及小型生態(tài)項(xiàng)目實(shí)施的階段,相對(duì)于A階段,年NPP呈遞減趨勢(shì),年際變化率-0.11 TgC/a。

圖7 不同區(qū)域年NPP變化趨勢(shì)Fig.7 Changes of annual NPP in different regions

II.環(huán)青海湖地區(qū):2000—2015年,該區(qū)年NPP在9.45—16.89 TgC間,約占青海高原總值15.09%—20.98%。16年間,年NPP呈增加趨勢(shì),年際增加率0.13 TgC/a,植被生態(tài)系統(tǒng)得到一定程度恢復(fù)與改善。生態(tài)工程實(shí)施A階段(2000—2007年)是該區(qū)國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)建立與實(shí)施期,以及“三北防護(hù)林”、“天然林資源保護(hù)”工程實(shí)施階段,大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設(shè)促使植被生態(tài)系統(tǒng)的好轉(zhuǎn)、植被年NPP呈顯著增長(zhǎng),年際變化率達(dá)0.31 TgC/a,高于16年平均增長(zhǎng)水平；生態(tài)工程實(shí)施B階段(2008—2015年)是“青海湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理”規(guī)劃的實(shí)施期,年際增長(zhǎng)率僅0.12 TgC/a。

III．三江源地區(qū):該區(qū)作為青海高原生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施與建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域,2000—2015年,年NPP在37.97—66.88 TgC之間波動(dòng),占青海高原總值的67.27%—79.16%,是青海高原年NPP最高的地理單元。16年間,年NPP增長(zhǎng)率0.87 TgC/a,屬青海高原增長(zhǎng)率最高的區(qū)域,說(shuō)明生態(tài)工程建設(shè)取得一定的成效,區(qū)域生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)好,植被生長(zhǎng)狀況得到改善。生態(tài)工程實(shí)施A階段(2000—2004年)為生態(tài)工程前期,這一時(shí)期年NPP呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),年際增長(zhǎng)率2.73 TgC/a,顯著高于整個(gè)研究階段；生態(tài)工程實(shí)施B階段(2005—2015年)實(shí)施了三江源生態(tài)保護(hù)工程一期,年NPP增加,年際增長(zhǎng)率0.14 TgC/a。其中,2005—2012年,年NPP顯著高于2000—2004年,并在2010—2012年度達(dá)到顯著高于往年水平。16年間,三江源地區(qū)年NPP的變化與一系列生態(tài)保護(hù)規(guī)劃的實(shí)施以及前期保護(hù)工程實(shí)施的累積效應(yīng)密切相關(guān),“生態(tài)移民”、草原有害生物防控及減畜工作的實(shí)施[42],使區(qū)內(nèi)植被退化得到一定程度的控制、退化草地得以恢復(fù),生態(tài)系統(tǒng)向良性方向發(fā)展。與此同時(shí),氣候的暖濕化使植被生長(zhǎng)期延長(zhǎng)。因此,在自然與人為有利因素的影響下,植被NPP得到有效積累與提高。

IV.東部地區(qū)：2000—2015年,年NPP在5.02—9.64 TgC之間,占青海高原總值9.42%—12.63%。16年間,年NPP年際波動(dòng)不大,呈平穩(wěn)增加態(tài)勢(shì),年際增長(zhǎng)率0.10 TgC/a,表明生態(tài)工程以及區(qū)域水熱組合條件的改善,有利于植被NPP的累積。生態(tài)工程實(shí)施 A階段(2000—2004年)為大規(guī)模退耕還林工程實(shí)施的重要時(shí)段,年NPP年際增長(zhǎng)率達(dá)0.83 TgC/a,生態(tài)保護(hù)工程的成效顯著；生態(tài)工程實(shí)施B階段(2005—2015年),年NPP基本保持穩(wěn)定態(tài)勢(shì),增長(zhǎng)率為0.001 TgC/a?？傊?“三北防護(hù)林工程”、“天然林資源保護(hù)工程”、“鞏固退耕還林成果專(zhuān)項(xiàng)工程”、“青海三江源自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)和建設(shè)”等一系列生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施,有效改善了青海高原生態(tài)環(huán)境,但受氣象因素的影響,年NPP年際波動(dòng)較大,且受生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施的規(guī)模與力度的影響,不同區(qū)域年NPP分布及年際變化趨勢(shì)差異顯著。三江源地區(qū)年NPP上升趨勢(shì)最為明顯,環(huán)青海湖地區(qū)、東部地區(qū)次之,柴達(dá)木地區(qū)是青海高原年NPP增長(zhǎng)最慢的區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)2000—2015年,青海高原植被NPP多年平均值242.50 gC m-2a-1,呈東高西低,南高北低,由西北向東南逐漸遞增分布趨勢(shì)。

(2)2000—2015年,青海高原年NPP分布在53.24—96.56 TgC。年NPP呈平穩(wěn)增加,年際增長(zhǎng)率1.32 TgC/a,年際變化特征顯著。

(3)2000—2015年,青海高原植被NPP年際增長(zhǎng)率0.70 gC m-2a-1,植被生態(tài)環(huán)境逐步好轉(zhuǎn),局部區(qū)域仍處于退化狀態(tài)。年NPP呈明顯變差、輕微變差、基本穩(wěn)定、輕微好轉(zhuǎn)、明顯好轉(zhuǎn),所占的青海高原總土地面積比分別為：0.38%、1.11%、57.28%、9.18%、6.96%。

(4)近年來(lái),氣候的暖濕化有利于植被生長(zhǎng)與NPP增加,降水、氣溫的耦合作用是青海高原植被NPP年際波動(dòng)的重要因子。氣象因素對(duì)不同區(qū)域植被NPP影響存在一定的差異,溫度是影響柴達(dá)木地區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)及三江源地區(qū)植被NPP的關(guān)鍵因素,而降水是影響東部地區(qū)植被NPP的關(guān)鍵因素。

(5)生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施,對(duì)不同區(qū)域NPP空間格局、年變化趨勢(shì)存在不同程度的影響。研究期間,三江源地區(qū)年NPP年際上升趨勢(shì)最為明顯,環(huán)青海湖地區(qū)、東部地區(qū)次之,柴達(dá)木地區(qū)是青海高原年NPP增長(zhǎng)最慢的區(qū)域。

本研究?jī)H對(duì)植被NPP對(duì)氣候因素變化、生態(tài)保護(hù)工程實(shí)施的效應(yīng)做了分析,而NPP的變化是自然與人為因素綜合作用的結(jié)果,是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的植物生理過(guò)程。因此,在后續(xù)的研究中,將進(jìn)一步詳細(xì)分析植被NPP與氣候、人為因素之間的相關(guān)關(guān)系,以便更加準(zhǔn)確探究NPP時(shí)空變化的成因機(jī)制。