朱小聰

（1渭南市臨渭規(guī)劃管理中心，陜西渭南 714000；2太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，太原 030002）

0 引言

IPCC[1]（Intergovernmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化專門委員會(huì)）第五次評(píng)估報(bào)告指出，人類活動(dòng)使地球原始累積的碳大量釋放是全球氣候變化的重要原因。全球氣候變化正在深刻地改變陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，2009年哥本哈根世界氣候大會(huì)以及后來(lái)的“未來(lái)地球”計(jì)劃都提出在未來(lái)低碳技術(shù)發(fā)展和推廣之前，通過(guò)增加生態(tài)系統(tǒng)的碳固存來(lái)補(bǔ)償社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放，并加強(qiáng)預(yù)判全球變化的臨界點(diǎn)的能力[2]。生態(tài)碳排放與碳吸收良性循環(huán)，在維持全球碳循環(huán)平衡的同時(shí)，滿足人類社會(huì)的發(fā)展需求，資源供給永續(xù)不斷，是探索全球碳平衡的熱點(diǎn)之一。

植被是生態(tài)系統(tǒng)中重要的敏感因素，植被總初級(jí)生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity,GPP)和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP)是植物光合作用生成的有機(jī)物質(zhì)量，其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)能有效監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化，能夠反應(yīng)陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，同時(shí)也是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳匯或碳源的重要指標(biāo)[3-4]。植被碳利用率(Carbon Use Efficiency,CUE)反映了生態(tài)系統(tǒng)中植被固定并儲(chǔ)存大氣碳的效率，是研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要參數(shù)[5-6]。GPP、NPP和CUE已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)和評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)和核心內(nèi)容[7]。流域是陸地水生態(tài)系統(tǒng)的基本空間單元，也是人類活動(dòng)相對(duì)密集的區(qū)域，流域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題在生態(tài)文明建設(shè)中的地位日益突出[8]。以往對(duì)于植被生產(chǎn)力的研究主要集中在全球和全國(guó)尺度，而針對(duì)區(qū)域尺度的流域植被生產(chǎn)力變化則相對(duì)較少。

山西省是全國(guó)重要的煤炭和重工業(yè)基地，過(guò)去由于過(guò)度開(kāi)發(fā)導(dǎo)致土地退化和環(huán)境污染等生態(tài)問(wèn)題突出，而汾河流域是全省經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最密集的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境壓力較大[9]。同時(shí)，汾河流域是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，流域內(nèi)地形破碎，水土流失嚴(yán)重，是全國(guó)水土流失治理和防風(fēng)固沙的重點(diǎn)區(qū)域。為推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，實(shí)現(xiàn)山水林田湖草統(tǒng)籌治理，山西省致力于經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境保護(hù)，實(shí)施了以汾河為重點(diǎn)的流域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程[10]。隨著汾河流域生態(tài)環(huán)境的明顯改善，汾河流域的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是植被生產(chǎn)力變化逐漸成為生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。本研究以汾河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)分析植被生產(chǎn)力的時(shí)空變異，掌握汾河流域植被和生態(tài)系統(tǒng)變化情況。在揭示2000—2015年汾河流域植被生產(chǎn)力變化的基礎(chǔ)上，深入分析地形、氣候、植被類型和土壤侵蝕等環(huán)境因子對(duì)植被生產(chǎn)力的影響，以期為汾河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾河是黃河的第二大支流，山西省境內(nèi)最大的河流，流經(jīng)忻州、太原、呂梁、晉中、臨汾和運(yùn)城等6市，水資源利用程度極高[11]，被譽(yù)為山西的“母親河”（圖1）。汾河流域位于黃土丘陵溝壑區(qū)，是黃土高原典型生態(tài)脆弱區(qū)獨(dú)立的流域，面積約為39.7×103km2，占山西省總面積的25%，也是山西省重要的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，人口集中且經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁。汾河流域地貌復(fù)雜多樣，包含山地、丘陵、平原和盆地等，海拔在364～2764 m之間，相對(duì)高差較大。流域內(nèi)植被類型以分布在汾河谷地的栽培植物為主，同時(shí)包含闊葉林、針葉林、草地和灌叢等植被類型，主要分布在流域兩側(cè)山地和丘陵地帶。汾河流域土壤侵蝕強(qiáng)度高的區(qū)域主要分布在汾河上游的山地和汾河入黃口附近，汾河谷地土壤侵蝕強(qiáng)度較弱（圖2）。

圖1 汾河流域區(qū)位分布和高程示意圖

圖2 汾河流域主要植被類型和土壤侵蝕等級(jí)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本次研究所使用的遙感數(shù)據(jù)GPP和NPP數(shù)據(jù)來(lái)自于MODIS系列產(chǎn)品MOD17A2和MOD17A3。原始GPP和NPP數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮CO2對(duì)光合作用的影響，而增加了溫度的負(fù)效應(yīng)，導(dǎo)致GPP和NPP的增長(zhǎng)趨勢(shì)被低估。此次研究選取的GPP和NPP數(shù)據(jù)是由蒙大拿大學(xué)地表數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬組經(jīng)改進(jìn)后集成的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)(http://files.ntsg.umt.edu/)，空間分辨率為1 km，數(shù)據(jù)格式為TIF，時(shí)間跨度為2000—2015年。通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、裁剪和剔除無(wú)效值等預(yù)處理，得到研究區(qū)GPP和NPP的年值數(shù)據(jù)。CUE可利用NPP與GPP的比值進(jìn)行估算[12]，其表達(dá)式如式(1)所示。

其中，CUE表示植被碳利用率；NPP表示植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；GPP表示植被總初級(jí)生產(chǎn)力。

利用趨勢(shì)分析法分析研究區(qū)植被生產(chǎn)力變化趨勢(shì)。一元線性回歸用于計(jì)算GPP、NPP和CUE每個(gè)柵格點(diǎn)的趨勢(shì)計(jì)算各像元的變化率，并在置信度為0.05水平上對(duì)GPP、NPP和CUE的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，顯著性水平設(shè)置為顯著增加(Slope＞0，P＜0.05)，顯著減少(Slope＜0，P＜0.05)。

一元線性回歸計(jì)算方式如式(2)所示。

其中，Slope表示年GPP、NPP或CUE的變化斜率；n為相應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度；i表示時(shí)間序列號(hào)(i=1～16)；xi表示第i年GPP、NPP或CUE的值。Slope＞0表示GPP、NPP和CUE為增長(zhǎng)趨勢(shì)，Slope＜0表示GPP、NPP和CUE為降低趨勢(shì)。

氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)是由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。本研究利用汾河流域及周邊34個(gè)站點(diǎn)的2000—2015年日均氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，剔除無(wú)效值后計(jì)算得到各站點(diǎn)年均氣溫和降水量，并利用克里金插值法生成分辨率為1km的時(shí)間序列年均氣溫和降水面數(shù)據(jù)。通過(guò)相關(guān)性分析計(jì)算GPP、NPP、CUE和氣溫、降水的關(guān)系，其表達(dá)方式如式(3)所示。

其中，rxy表示x和y之間的相關(guān)系數(shù)，和表示變量x和y的均值。

水系及流域數(shù)據(jù)和植被類型數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.crensed.ac.cn/)提供的全國(guó)1:25萬(wàn)三級(jí)水系流域數(shù)據(jù)集和中國(guó)1:100萬(wàn)植被數(shù)據(jù)集，水系及流域數(shù)據(jù)包含三級(jí)流域分區(qū)邊界、流域分區(qū)名稱及流域編碼信息，是常用的全國(guó)水資源分區(qū)資料[13]。?。ㄊ校┬姓^(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心發(fā)布的1:400萬(wàn)比例尺的矢量數(shù)據(jù)集。DEM數(shù)據(jù)集來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)環(huán)境信息中心(NCEI，https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)提供的中國(guó)土壤侵蝕空間分布數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 汾河流域GPP、NPP和CUE時(shí)空分布特征

2.1.1 汾河流域GPP、NPP和CUE空間分布 汾河流域地貌多樣，生態(tài)環(huán)境差異較大，導(dǎo)致流域內(nèi)植被生產(chǎn)力有明顯的空間異質(zhì)性。2000—2015年，汾河流域年均GPP、NPP和CUE的空間分布具有較大差異（圖3）。汾河流域植被年均GPP值范圍在80.9～1405.2 g C/(m2·a)之間，年均值為 665.88 g C/(m2·a)。從空間分布格局來(lái)看，GPP高值區(qū)[700～800、＞800 g C/(m2·a)]主要分布在流域邊緣兩側(cè)的山地，低值區(qū)[0～500、500～600 g C/(m2·a)]則主要分布在汾河上游的山地以及汾河谷地。GPP 在值區(qū)段 0～500、500～600、600～700、700～800、＞800 g C/(m2·a)的面積占整個(gè)值區(qū)段總面積的比例分別為27.93%、30.26%、22.81%、11.38%、7.61%，即GPP主要集中分布在低值區(qū)。

圖3 汾河流域平均GPP、NPP和CUE空間分布

汾河流域年均NPP與GPP空間分布格局不一致。流域內(nèi)植被年均NPP值范圍在0.8～1307.9 g C/(m2·a)之間，年均值為252.77 g C/(m2·a)。NPP高值區(qū)[300～350、＞350 g C/(m2·a)]主要集中分布在流域南部，低值區(qū)[0～200、200～250 g C/(m2·a)]則主要分布在汾河上游以及流域邊緣兩側(cè)的山地。NPP在值區(qū)段0～200、200～250、250～300、300～350、＞350 g C/(m2·a)的面積占整個(gè)值區(qū)段總面積的比例分別為9.83%、18.25%、30.81%、25.29%、15.83%，即NPP主要集中分布在中、高值區(qū)。

汾河流域CUE值范圍在0.001～0.952之間，年均值為0.36。從空間分布格局來(lái)看，CUE高值區(qū)(0.4～0.5、＞0.5)在流域內(nèi)分布相對(duì)均勻且集中，包括汾河上游山地和汾河谷地區(qū)域，低值區(qū)(0～0.2、0.2～0.3)則主要分布在流域邊緣兩側(cè)的山地。CUE在值區(qū)段0～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、＞0.5的面積占整個(gè)值區(qū)段總面積的比例分別為3.29%、5.72%、6.12%、15.64%、69.23%，即CUE主要集中分布在高值區(qū)。

2.1.2 汾河流域GPP、NPP和CUE年際變化 2000—2015年間，汾河流域GPP、NPP與CUE的年際變化趨勢(shì)空間分布不一致（圖4）。除流域內(nèi)GPP呈現(xiàn)下降趨勢(shì)零星分布的中部汾河谷地及邊緣兩側(cè)山地外，其余區(qū)域GPP均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。從整體空間格局來(lái)看，流域內(nèi)GPP以顯著增加為主，顯著減少的區(qū)域則主要集中分布在汾河沿岸的中部盆地。NPP的年際變化趨勢(shì)空間分布與GPP相似，流域內(nèi)NPP也是以顯著增加為主，汾河沿岸的中部盆地是顯著減少區(qū)域。CUE的年際變化空間分布與GPP、NPP相反，除流域內(nèi)CUE呈現(xiàn)增加趨勢(shì)零星分布的中部汾河谷地及邊緣兩側(cè)山地外，其余區(qū)域CUE均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從整體空間格局來(lái)看，流域內(nèi)CUE以顯著減少為主，說(shuō)明汾河流域植被碳利用率有所減弱。

圖4 汾河流域GPP、NPP和CUE變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)

2000—2015年汾河流域GPP、NPP和CUE年際變化趨勢(shì)有較大差異（圖5）。GPP年際變化呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均增量約為9.91 g C/m2，平均變化斜率約為10.62。年均GPP從2000年的554.92 g C/m2增長(zhǎng)到2015年的713.5 g C/m2，增長(zhǎng)幅度達(dá)到28.58%。GPP的最高值742.84 g C/m2出現(xiàn)在2012年，最低值499.57 g C/m2出現(xiàn)在2001年。

圖5 汾河流域GPP、NPP和CUE距平年際變化趨勢(shì)

相對(duì)于GPP，NPP的年際變化波動(dòng)上升趨勢(shì)較弱，年均增量約為1.44 g C/m2，平均變化斜率約為0.97。年均NPP從2000年的247.4 g C/(m2·a)增長(zhǎng)到2015年的270.49 g C/(m2·a)，增長(zhǎng)幅度約為9.33%，低于GPP的增幅。NPP的最高值341.85 g C/(m2·a)出現(xiàn)在2004年，最低值190.01 g C/(m2·a)與GPP最低值年份相同，均出現(xiàn)在2001年。

CUE與GPP、NPP的年際變化趨勢(shì)相反，呈現(xiàn)較弱的波動(dòng)下降趨勢(shì)，年均下降約0.002，平均變化斜率為-0.003。年均CUE從2000年的0.393逐漸降低到2015年的0.356，下降幅度約為9.41%。CUE的最高值0.444與NPP最高值年份相同，均出現(xiàn)在2004年，最低值0.333出現(xiàn)在2013年。從長(zhǎng)期來(lái)看，GPP的增幅以及平均變化率均高于NPP，因此CUE呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)，汾河流域植被碳利用率逐漸減弱。

2.2 汾河流域植被生產(chǎn)力與環(huán)境因子相關(guān)性

汾河流域2000—2015年GPP、NPP、CUE與氣溫、降水的相關(guān)性空間分布存在差異（圖6）。在流域北部，GPP、NPP、CUE與氣溫主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在流域南部，GPP與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，NPP、CUE與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。流域北部NPP與氣溫相關(guān)性高于流域南部，CUE與溫度相關(guān)性則是南部高于北部。流域內(nèi)大部分區(qū)域GPP、NPP與降水主要呈正相關(guān)關(guān)系，流域中部汾河沿線及流域邊緣兩側(cè)山地呈零星分布的負(fù)相關(guān)關(guān)系，CUE與降水主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。流域北部GPP、NPP與降水的相關(guān)性均高于流域南部。

圖6 汾河流域GPP、NPP、CUE與氣溫、降水相關(guān)性

汾河流域2000—2015年氣候整體呈微弱的暖濕趨勢(shì)（圖7）。氣溫呈現(xiàn)較弱的波動(dòng)上升趨勢(shì)，最高值11.39℃出現(xiàn)在2013年，最低值10.08℃出現(xiàn)在2012年，最大年均溫差為1.31℃，年均增幅大于0.01℃，變化相對(duì)穩(wěn)定。汾河流域降水變化總體趨勢(shì)與氣溫相似，呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，最高值633.62 mm出現(xiàn)在2003年，最低值368.14 mm出現(xiàn)在2001年，最大年降水量相差265.48 mm，年均增幅約3 mm。

圖7 汾河流域氣溫和降水距平年際變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

本研究基于MOD17系列數(shù)據(jù)集，結(jié)合氣溫、降水等數(shù)據(jù)，評(píng)估了2000—2015年汾河流域植被生產(chǎn)力(GPP、NPP)以及碳利用率(CUE)的時(shí)空變化狀況，并探討了影響流域內(nèi)GPP、NPP和CUE變化的主要影響因素。結(jié)果表明汾河流域整體上GPP和NPP呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而CUE則表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，GPP、NPP和CUE南部高于北部地區(qū)，流域邊緣兩側(cè)山地與其它區(qū)域明顯不同。汾河流域植被生產(chǎn)力狀況主要受降水的影響較大，汾河流域氣溫和降水的增加導(dǎo)致了CUE降低。北部GPP、NPP、CUE與氣溫主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在流域南部，GPP與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，NPP、CUE與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且流域北部對(duì)水熱條件變化比南部更加敏感。

4 討論

整體上看，汾河流域2000—2015年植被生產(chǎn)力呈增加趨勢(shì)，植被狀況得到改善，與以往對(duì)于汾河流域[10,14]、太行山地區(qū)[15]、山西省境內(nèi)[16]以及黃土高原區(qū)域[17-18]植被生產(chǎn)力的研究結(jié)果相同。汾河流域地貌類型多樣，自然環(huán)境差異較大，導(dǎo)致流域內(nèi)GPP、NPP和CUE分布具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性。本研究結(jié)果表明，汾河流域南部植被生產(chǎn)力高于北部，與全國(guó)植被生產(chǎn)力分布總體趨勢(shì)相一致，基本從東南向西北逐漸減少，主要原因是受水熱條件的影響[19]。以往研究往往忽略農(nóng)作物對(duì)于植被生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)，秦景秀[20]研究認(rèn)為人類活動(dòng)是影響植被生產(chǎn)力的重要影響因素，農(nóng)作物對(duì)于植被生產(chǎn)力的增加比重相對(duì)較大。王軼虹[21]通過(guò)整合實(shí)測(cè)與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，估算認(rèn)為黃河流域農(nóng)田有較高的生產(chǎn)力，在碳循環(huán)中具有重要作用。汾河流域是重要的農(nóng)業(yè)基地，植被類型以栽培植物為主，占比約60.7%，主要集中在汾河谷地以及流域南部的盆地。以NPP為例，本研究中汾河流域NPP平均值為252.77gC/(m2·a)，高于全國(guó)平均NPP的176gC/(m2·a)[19]，表明流域內(nèi)植被固碳能力相對(duì)較強(qiáng)。

氣候變化是流域植被和土壤變化的重要驅(qū)動(dòng)力[22]。植物對(duì)于水分和熱量的相互配合十分敏感，水熱條件的變化直接影響植物的光合作用，進(jìn)而影響碳平衡[23]。流域內(nèi)氣溫的上升和降水的減少會(huì)抑制植被的生長(zhǎng)發(fā)育，影響植被生產(chǎn)力和碳利用率[24]。氣溫和降水對(duì)GPP和NPP的脅迫作用主要取決于植被生長(zhǎng)的溫度和水分閾值范圍，在一定范圍內(nèi)，氣溫上升會(huì)提高植被GPP和NPP，隨著溫度的不斷上升或降低，植被的蒸騰作用變化導(dǎo)致水分失衡，使得GPP和NPP降低[25]。王軼虹[21]研究表明在黃淮海流域由于春旱導(dǎo)致植被生產(chǎn)力受降水因素的制約，田惠文[10]研究發(fā)現(xiàn)汾河流域NPP與氣溫、降水均為正相關(guān)關(guān)系，并且受降水的影響較大，與本研究的結(jié)果一致。本研究的結(jié)果還表明，流域北部植被生產(chǎn)力與氣溫、降水的相關(guān)性比南部更高，對(duì)于水熱條件的變化更加敏感。

植被生產(chǎn)活動(dòng)受不同水熱組合狀況的影響，引起植被碳利用率的變化[26]。已有的研究表明，中國(guó)絕大多數(shù)區(qū)域CUE與氣溫負(fù)相關(guān)，與降水正相關(guān)[27]，這與本研究在汾河流域的研究結(jié)果不完全一致。本研究結(jié)果表明，汾河流域GPP增幅高于NPP，CUE呈現(xiàn)波動(dòng)降低趨勢(shì)，并且CUE與氣溫、降水主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣溫升高會(huì)導(dǎo)致植被呼吸作用增強(qiáng)，植被消耗更多能量以維持自身生長(zhǎng)，進(jìn)而引起CUE降低[28]。一般情況下，降水的增加會(huì)減弱植被根系活動(dòng)和呼吸作用，自養(yǎng)呼吸作用降低，導(dǎo)致CUE增加[29]。而汾河流域相對(duì)水資源緊缺，干旱缺水地區(qū)降水的增加可能會(huì)增強(qiáng)植被的水吸收能力，植被組織生長(zhǎng)加快，同時(shí)消耗的能量也同步加快[30-31]，從而導(dǎo)致降水增加引起CUE降低的現(xiàn)象。