陳曉杰, 張長(zhǎng)城, 張金亭, 王 靜

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì), 武漢 430051)

植被是連接大氣、土壤和水分的自然“紐帶”，在調(diào)節(jié)全球氣候和碳平衡等方面具有至關(guān)重要的作用[1-3]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量扣除自身呼吸所需要有機(jī)物后的剩余部分[4-5]。它是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的關(guān)鍵因素，也是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要角色[6]。因此，探討區(qū)域植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空演變格局和驅(qū)動(dòng)因素有助于了解氣候變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)狀況，同時(shí)對(duì)該于區(qū)域內(nèi)自然資源的合理利用以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。

伴隨著全球變化研究的不斷開展，通過植被NPP研究氣候變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)得影響已成為熱點(diǎn)內(nèi)容[8]。實(shí)地測(cè)量是植被NPP最早的測(cè)定方法，例如葉綠素測(cè)定法和生物量調(diào)查法等，由于受到多種因素的影響，這類方法很難開展[9-10]。同時(shí)，實(shí)地測(cè)量的方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)植被NPP在不同尺度尤其是大尺度上變化特征的分析，因此基于遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型估算植被NPP已經(jīng)成為一種重要的研究方法[11-12]。NPP估算模型主要有生態(tài)過程模型、氣候統(tǒng)計(jì)模型以及光能利用率模型等。生態(tài)過程模型由于需要采集多種復(fù)雜的參數(shù)而很難實(shí)現(xiàn)[13]。氣候統(tǒng)計(jì)模型由于僅考慮氣候因子卻忽視其他因素的影響，從而產(chǎn)生了很大的誤差。相比較而言，光能利用率模型的計(jì)算結(jié)果精度較高，不需要繁雜的野外試驗(yàn)測(cè)算步驟，數(shù)據(jù)獲取難度小，逐漸被廣泛應(yīng)用于NPP的模擬估算研究中[14]。其中CASA模型運(yùn)用氣象和遙感數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺度區(qū)域NPP的模擬，其不需要采集復(fù)雜的參數(shù)而得到廣泛應(yīng)用[15-16]。

同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空格局、演變規(guī)律和影響機(jī)制等開展了一系列研究。張仁平等[17]對(duì)新疆地區(qū)的草地凈初級(jí)生產(chǎn)力及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行研究，得出不同草地類型的NPP存在明顯差異，降雨可以促進(jìn)新疆草原NPP的增加，溫度對(duì)新疆地區(qū)草地NPP影響不大。Nemani等[18]開展了全球植被NPP與氣候因素的相關(guān)性研究，表明在研究期內(nèi)全球氣候變化導(dǎo)致植被NPP總量增加6%。劉旻霞等[9]采用簡(jiǎn)單差值和Hurst指數(shù)等方法，分析了青海省NPP的時(shí)空變化特征及其影響因素，結(jié)果表明青海省植被年均NPP在研究期間表現(xiàn)為由東到西、由南到北遞減的趨勢(shì)，在土地利用變化中，草地面積減少是導(dǎo)致NPP減少的主要原因。張?bào)薜萚19]利用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)研究水熱波動(dòng)和土地覆蓋變化對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，表明與土地覆蓋變化的貢獻(xiàn)相比，水熱波動(dòng)對(duì)該地區(qū)不同土地覆蓋類型NPP總量變化的貢獻(xiàn)更大。歐陽玲等[20]基于土地覆被數(shù)據(jù)和改進(jìn)CASA模型分析內(nèi)蒙古東部草地NPP時(shí)空變化，發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)草地植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的干擾程度在下降。在全球氣候變化背景下，植被生長(zhǎng)過程中受到水熱條件的影響日益明顯。以往研究有助于我們對(duì)某一特定區(qū)域植被NPP的認(rèn)識(shí)和理解，然而氣候變化對(duì)植被NPP的影響具有明顯的地域差異性。因此，針對(duì)不同地區(qū)研究植被NPP的時(shí)空演變規(guī)律及其影響機(jī)制具重要意義。

目前關(guān)于湖北省植被NPP的研究并不多，相關(guān)學(xué)者如趙林等[21]分析干旱對(duì)湖北省森林植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響，發(fā)現(xiàn)在干旱嚴(yán)重的年份，森林NPP的低值面積明顯增加，同時(shí)干旱面積分布越廣，森林NPP均值越低。車風(fēng)等[22]利用MOD17A3H NPP時(shí)序數(shù)據(jù)，分析了2004—2015年湖北省植被NPP時(shí)空分布特征以及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，但并未對(duì)植被NPP的重心分布以及遷移軌跡進(jìn)行分析。王翠翠等[23]基于2000—2010年湖北武漢城市圈NPP數(shù)據(jù)和土地覆蓋數(shù)據(jù)，分析研究武漢城市圈建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其對(duì)NPP的影響。李慶君等[24]分析了湖北省2000—2012年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征并借助多元統(tǒng)計(jì)分析方法定量探究自然因素和人為因素對(duì)NPP變化的影響，但是沒有分析土地利用變化對(duì)植被NPP的影響量及貢獻(xiàn)率。以往關(guān)于湖北省植被NPP的研究主要分析植被NPP對(duì)單一因素的響應(yīng)，很少同時(shí)關(guān)注氣候因子和土地利用變化對(duì)植被NPP的影響。本文以湖北省為研究對(duì)象，基于改進(jìn)CASA模型、重心引力模型以及貢獻(xiàn)率指數(shù)等方法，結(jié)合氣候因子和土地利用變化分析2000—2018年湖北省植被NPP時(shí)空演變格局及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究成果有望為湖北地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于我國(guó)中部地區(qū)，地理位置介于29°01′—33°06′N，108°21′—116°07′E，東西長(zhǎng)約740 km，南北寬約470 km，總面積18.59萬km2，占中國(guó)總面積的1.94%(圖1)。湖北省地勢(shì)表現(xiàn)為中間低平，而東、西、北三面環(huán)山，總體為向南敞開的不完整盆地。湖北省內(nèi)地勢(shì)高低相差懸殊，其中東部平原的監(jiān)利縣譚家淵附近，地勢(shì)較低，地面高程為零；而西部地勢(shì)較高，其中神農(nóng)架最高峰神農(nóng)頂，海拔高達(dá)3 105 m。在全省總面積中，山地面積最大，占比56%，其次為丘陵占24%，而平原湖區(qū)占20%，屬長(zhǎng)江水系。湖北省除高山地區(qū)外，大部分為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，雨熱同季，降水充沛，光能充足，無霜期長(zhǎng)。區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫為15～17℃，多年平均降水量在800～1 600 mm。區(qū)域內(nèi)具有獨(dú)特的地形特征，隨著海拔的上升，降水量、溫度以及植被類型等呈現(xiàn)出不同程度的變化差異。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 土地覆蓋數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)為L(zhǎng)and use and land cover change(LUCC)分類體系，分為兩級(jí)，一級(jí)為6類，二級(jí)為25類。將土地利用數(shù)據(jù)重分類為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、水域和未利用土地。植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westdc.westgis.ac.cn/)。NDVI數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km，時(shí)間分辨率為2000—2018年。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，主要包括2000—2018年逐月平均氣溫、月累積降水、太陽總輻射等數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲得性，氣溫和降雨數(shù)據(jù)選取湖北省及周邊省份總計(jì)116個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，輻射數(shù)據(jù)是選取包括湖北省在內(nèi)的中國(guó)中東部2 422個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在ArcGIS環(huán)境下，對(duì)上述數(shù)據(jù)采用Kriging插值方法進(jìn)行空間插值，并統(tǒng)一定義為Albers投影，經(jīng)過柵格計(jì)算、重采樣和掩膜提取等方法獲得空間分辨率為1 km的氣象分布空間柵格數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 植被NPP的估算方法

本研究運(yùn)用朱文泉等改進(jìn)的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型估算植被NPP[25]。其計(jì)算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中:NPP(x,t)為植物在像元x處t月份的有機(jī)物質(zhì)累積總量[g C/(m2·month)];APAR(x,t)為在像元x處t月份所吸收的有效光合輻射[MJ/(m2·month)];ε(x,t)表示植物在像元x處t月份的實(shí)際光能利用率。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中:SOL(x,t)表示太陽在像元x處t月份的總輻射量[MJ/(m2·month)];FPAR(x,t)為植被在像元x處t月份吸收有效光合輻射比;0.5表示光合有效輻射和太陽總輻射之比。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中:Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別為低溫和高溫脅迫影響系數(shù);Wε(x,t)表示水分脅迫影響系數(shù);εmax為理想狀態(tài)下最大光能利用率(%)。

2.2 變化趨勢(shì)分析

本文利用一元線性回歸方法分析2000—2018年湖北省每個(gè)柵格的年均植被NPP、年降水和年均溫的變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式如下[26-27]：

(4)

式中:θslope是趨勢(shì)斜率;NPPi為第i年的NPP[g C/(m2·a)];i為年變量;n為監(jiān)測(cè)年數(shù)(n=19)。

2.3 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析用于反映要素之間的相關(guān)方向和相關(guān)程度，本文通過Pearson相關(guān)系數(shù)法分析植被年NPP與氣溫、降水量的相關(guān)性及其顯著性水平，其計(jì)算公式如下[27-28]：

(5)

2.4 重心模型

重心模型是通過重心點(diǎn)、重心移動(dòng)距離和重心移動(dòng)方向等指標(biāo)描述區(qū)域地理現(xiàn)象空間差異及其動(dòng)態(tài)演變規(guī)律的方法。本文運(yùn)用重心模型分析植被NPP的重心軌跡，分析其變化程度和變化特征。其計(jì)算公式如下[29-30]：

(6)

式中:X,Y分別表示區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的重心坐標(biāo);Gi為區(qū)域內(nèi)某一屬性的值(NPP);xi,yi為次級(jí)區(qū)域單元的地理中心坐標(biāo);n為次級(jí)單元的數(shù)量。

年際間區(qū)域重心空間區(qū)位移動(dòng)距離和方向的計(jì)算公式[31-32]：

(7)

(8)

式中:Di-j與θi-j表示兩個(gè)不同年份間空間現(xiàn)象重心移動(dòng)的距離與方向;xi和yi表示第i年研究區(qū)域重心的地理坐標(biāo);xj和yj表示第j年研究區(qū)域重心的地理坐標(biāo);i,j表示兩個(gè)不同的年份。

2.5 貢獻(xiàn)指數(shù)

本文通過Hick等[33]提出的貢獻(xiàn)率指標(biāo)分析2000—2010年，2010—2018年土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)植被NPP的影響。土地利用變化對(duì)植被NPP的相對(duì)貢獻(xiàn)(Rlucc)表示土地利用類型不變的情況下估算的NPP與實(shí)際NPP之間的差異，具體公式如下：

(9)

式中:S0為研究初期土地利用類型的面積;NPP0為研究初期的NPP值;ΔS為研究期內(nèi)不同土地利用類型面積的變化量;ΔNPP為研究期內(nèi)土地利用類型的NPP變化量;ΔS×NPP0為土地利用變化對(duì)區(qū)域內(nèi)NPP總量的影響量。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被NPP時(shí)空演變特征

3.1.1 年均植被NPP空間分布格局 湖北省2000—2018年近19 a植被NPP表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間分異規(guī)律(圖2)，整體表現(xiàn)出由西北向東南遞減的趨勢(shì)，區(qū)域內(nèi)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值為598 g C/(m2·a)。2000—2018年植被NPP的高值區(qū)分布在湖北省的西部，平均植被NPP高于950 g C/(m2·a)，主要包括神農(nóng)架林區(qū)、十堰、恩施和宜昌等地區(qū)，這些地區(qū)海拔相對(duì)較高，且植被覆蓋度較高。在湖北省東南部以武漢市為中心形成了包括鄂州、黃岡等地區(qū)在內(nèi)的低值區(qū)域，平均植被NPP小于350 g C/(m2·a)。湖北省大部分區(qū)域植被NPP介于350～750 g C/(m2·a)，其主要分布在湖北省中部江漢平原地區(qū)，主要包括荊門、潛江以及荊州東部等地區(qū)。植被NPP的空間分布差異特征與該地區(qū)的植被類型、氣候、海拔和人類活動(dòng)等影響因素息息相關(guān)。湖北省東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為迅速，人類活動(dòng)頻繁，植被覆蓋率較低，因此植被NPP較低。湖北省西部地區(qū)主要為海拔較高的林區(qū)或山區(qū)，植被類型豐富，植被NPP相對(duì)較高。

圖2 2000-2018年湖北省植被NPP年平均值的空間分布

3.1.2 年均植被NPP空間演變特征 由于研究期較長(zhǎng)，本文以5 a或3 a為時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析湖北省年植被NPP的變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2000—2018年湖北省NPP空間變化趨勢(shì)整體為由西到東、由北到南呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，然而不同時(shí)段的植被NPP有不同的空間變化特征。2000—2005年，植被NPP增加區(qū)域主要分布在湖北省北部地區(qū)，主要包括襄陽、隨州和黃岡等地區(qū)，NPP增加值最高達(dá)到379 g C/m2。植被NPP減少區(qū)域主要分布在湖北省西部和南部地區(qū)，主要包括神農(nóng)架林區(qū)和恩施等地區(qū)。2005—2010年，湖北省植被NPP的增加區(qū)域主要為十堰北部地區(qū)、恩施西部地區(qū)和咸寧地區(qū)。而湖北省北部地區(qū)的植被NPP表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其減少的NPP值最高為529 g C/m2。2010—2015年，湖北省東部如黃石、黃岡和咸寧等區(qū)域植被NPP表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，最大增加值為473 g C/m2。然而十堰、襄陽以及中部江漢平原地區(qū)的植被NPP表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。2015—2018年，神農(nóng)架林區(qū)、潛江以及荊門北部成為植被NPP減少較多的區(qū)域，而一場(chǎng)北部地區(qū)、武漢東部地區(qū)以及鄂州地區(qū)呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，增加值最高達(dá)到555 g C/m2。

重心模型可以有效的描述區(qū)域地理現(xiàn)象空間差異以及動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，本文通過2000—2018年各年植被NPP重心和19 a平均植被NPP重心，分析湖北省植被NPP空間分布的偏向性和不均衡性。由于研究年數(shù)較多，為了使重心點(diǎn)的分布以及遷移軌跡能清晰表達(dá)出來，本文以3 a為間斷點(diǎn)，繪制湖北省2000—2018年植被NPP重心軌跡遷移圖(圖3)。湖北省植被NPP的重心主要分布在襄陽、宜昌和荊門交界處，即湖北省偏西部地區(qū)，表明湖北省西部地區(qū)的植被NPP高于東部地區(qū)，與前文年均植被NPP空間分布結(jié)果相一致。湖北省植被NPP重心遷移可分為2000—2003年、2003—2006年、2006—2012年及2012—2018年4個(gè)階段，不同時(shí)期植被NPP的遷移方向和路徑不盡相同，遷移路徑總體呈現(xiàn)為M型。2000—2003年植被重心向西北方向遷移，表明該時(shí)間段內(nèi)西北地區(qū)植被NPP的增量和增速高于東南部地區(qū)。而2003—2006年植被NPP的重心又向東南方向遷移，表明東南地區(qū)植被NPP的增量有所提升。2006—2012年植被NPP的重心在6 a間持續(xù)向東北方向遷移，表明東北地區(qū)植被NPP的增量和增速高于西南地區(qū)。2012—2018年植被NPP的重心又返回西南方向，說明該時(shí)期西南區(qū)域的植被NPP增速高于東北區(qū)域。

圖3 2000-2018年湖北省植被NPP空間變化

本文運(yùn)用極坐標(biāo)系分析湖北省逐年植被NPP重心到19 a植被NPP均值重心原點(diǎn)的偏移距離(極半徑)和偏移角度(極角)(圖4)。4個(gè)象限重心數(shù)目所占的百分比分別為東北象限(26.31%)、西北象限(31.58%)、西南象限(21.05%)和東南象限(21.05%)，由此可見植被NPP在西北地區(qū)的增量和增速較大。而湖北省西北部地區(qū)主要為神農(nóng)架是十堰地區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度較高，可以有效的解釋上一現(xiàn)象。按照南北象限劃分，位于坐標(biāo)軸北部的重點(diǎn)占比為57.89%，可見北部地區(qū)植被NPP的增量和增速高于南部地區(qū)。同時(shí)，2001年、2004年、2010年、2014年植被NPP重心距原點(diǎn)偏移距離較小，表明這些年份植被NPP的變化情況相似。而2002年、2003年、2011年、2012年植被NPP與原點(diǎn)的偏移距離較大，說明這些時(shí)期的植被NPP的增量顯著。

圖4 2000-2018年湖北省植被NPP重心遷移軌跡

3.1.3 植被NPP時(shí)間演變特征 2000—2018年湖北省植被NPP均值整體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)(圖5)，NPP值的波動(dòng)幅度達(dá)124.30 g C/(m2·a)。其中2008年出現(xiàn)最大值為656.49 g C/(m2·a)，2001年出現(xiàn)最小值為532.19 g C/(m2·a)。對(duì)年均植被NPP的整體變化趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，2000—2004年、2006—2008年、2012—2015年年均植被NPP表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢(shì)，2004—2006年、2008—2012年、2015—2018年年均植被NPP表現(xiàn)為波動(dòng)下降趨勢(shì)。上述現(xiàn)象與區(qū)域水熱條件相關(guān)，例如降水是區(qū)域植被所需水分的主要來源，同時(shí)降水也是植被生長(zhǎng)的主要限制因子，研究區(qū)降水充沛，則有助于植被的恢復(fù)和生長(zhǎng)，降水減少和氣候干旱將會(huì)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)植被NPP降低。

圖5 2000-2018年湖北省植被NPP重心分布比例

3.2 植被NPP主要影響因素分析

3.2.1 氣候因子對(duì)植被NPP的影響 本文對(duì)湖北省的年平均氣溫和年累計(jì)降水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而分析氣象因子與植被NPP的相關(guān)性。由圖6—7可以看出，湖北省2000—2018年平均氣溫在16.24～17.35℃，多年均值為16.85℃，其中最大值在2006年，最小值在2012年。湖北省2000—2018年年降水量在854.02～1 334.51 mm，多年均值為1 138.37 mm，年降水量最大值出現(xiàn)在2002年，最小值在2001年?？傮w看來，近19 a來湖北省氣溫呈緩慢上升趨勢(shì)，變化率為0.01℃/a，空間上表現(xiàn)為東南地區(qū)溫度較高，西北地區(qū)溫度較低；年降水量呈上升趨勢(shì)，變化率為2.57 mm/a，在空間上表現(xiàn)出由西北向東南遞增的趨勢(shì)。

圖6 2000-2018年湖北省植被NPP均值年際變化

圖7 湖北省氣候因子年際變化特征

水熱波動(dòng)對(duì)植被生長(zhǎng)起到關(guān)鍵作用，本文從像元角度出發(fā)，對(duì)2000—2018年湖北省植被NPP與氣象因子的相關(guān)性進(jìn)行分析(圖8)。結(jié)果表明，湖北省植被NPP與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.71～0.80，平均數(shù)為0.02。湖北省年均NPP與年均氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域面積為54.49%，主要分布在荊門、荊州地區(qū)以及宜昌東南部地區(qū)，這些區(qū)域溫度相對(duì)適中，適當(dāng)范圍的溫度增加可以延長(zhǎng)植物的生長(zhǎng)季節(jié)，提高光合作用效率以及植物的生產(chǎn)力。負(fù)相關(guān)區(qū)域占總面積的45.51%，主要分布在湖北省東部武漢城市圈地區(qū)以及西部神農(nóng)架林區(qū)，隨著氣溫的升高，植物的蒸騰以及呼吸作用得到了促進(jìn)，加快了植物養(yǎng)分的分解并縮短了葉片的壽命，最終導(dǎo)致地表干旱不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育?？傮w而言，對(duì)植被NPP與平均氣溫的相關(guān)性進(jìn)行分析，研究表明呈正負(fù)相關(guān)的區(qū)域面積基本持平，可見植被NPP與平均氣溫的相關(guān)性不顯著。湖北省植被NPP與年降雨量的相關(guān)系數(shù)范圍為-0.78～0.79，平均值為0.26。年均NPP與年降水量呈正相關(guān)的面積高達(dá)87.65%，主要分布在隨州、襄陽和孝感北部地區(qū)，該區(qū)域是農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，耕地?cái)?shù)量排在全省前列，由于植被根系較短，其對(duì)降水變化非常敏感，因此降水成為該地區(qū)植被生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵制約因素。年均NPP與降雨量呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)面積為12.35%，主要集中在武漢、鄂州仙桃等東南經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好、受人類活動(dòng)干擾較多的區(qū)域。同時(shí)十堰西北部地區(qū)植被NPP與降雨量呈負(fù)相關(guān)，該地區(qū)的主要植被類型為草地和森林，而降雨量卻是湖北省最低的區(qū)域，因此其植被NPP與降雨量的相關(guān)性較低?？傮w來看，植被NPP與降雨量在絕大部分區(qū)域表現(xiàn)出正相關(guān)，表明湖北省植被NPP與降雨量的相關(guān)性較為顯著。

圖8 湖北省植被NPP與年均溫度和降水相關(guān)系數(shù)空間分布格局

3.3.2 土地利用變化對(duì)植被NPP的影響 土地利用變化是人類活動(dòng)在地理空間上強(qiáng)度大小的直觀變現(xiàn)，土地利用方式在人類生產(chǎn)和生活過程中發(fā)生了改變，這直接影響了植物的呼吸作用和光合作用，從而使得植被NPP也受到影響。

分析湖北省土地利用面積變化情況，結(jié)果表明(圖9)：研究期內(nèi)來耕地面積減少最多，面積總計(jì)減少4 287 km2，變化率為-6.16%，由于建設(shè)用地占用耕地以及國(guó)家實(shí)施退耕還林等導(dǎo)致耕地面積大幅減少。其次面積減少較多的用地類型是林地和草地，其中林地面積減少了612 km2，變化率為-0.66%；草地面積減少了207 km2，變化率為-2.94%，主要是由于耕地開墾、建設(shè)占用等因素，導(dǎo)致草地面積大幅銳減。水域面積增加較為明顯，研究期內(nèi)水域面積增加了1 420 km2，變化率為12.95%，主要是由于受降雨等影響，湖北省內(nèi)湖泊的面積在不斷擴(kuò)大。建設(shè)用地為增加面積最多的地類，總計(jì)增加了3 737 km2，變化率為75.25%，可見19 a來湖北省經(jīng)歷了大規(guī)模的城鎮(zhèn)擴(kuò)張使得大量的耕地、林地和草地都轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。未利用地面積也有多減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地和水域用地。

圖9 2000年和2018年湖北省土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)2000—2018年研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化，對(duì)其引起的NPP損益情況進(jìn)行分析，從NPP總量變化矩陣可以看出(表1)，地類由林地、草地和耕地等NPP較高的土地類型向水域和建設(shè)用地等NPP較低的土地利用類型轉(zhuǎn)變時(shí)，NPP總量大多表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)；相反，NPP總量則表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。其中，地利用變化如耕地轉(zhuǎn)林地(26.32×10-2Tg C)、耕地轉(zhuǎn)草地(2.03×10-2Tg C)等地類轉(zhuǎn)換使得NPP在不同程度上有所增加。這是由于國(guó)家實(shí)施“退耕還草”和“退牧還草”政策以來，該地區(qū)植被的覆蓋度有所提高。而其他地類轉(zhuǎn)為建設(shè)用地或水域等使得NPP總量表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，例如耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地(-26.60×10-2Tg C)以及林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地等(-1.18×10-2Tg C)等。主要是由于隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，大量占用耕地、林地和草地面積，致使NPP總量降低?？傮w而言，在地類轉(zhuǎn)化的背景下，2000—2018年研究區(qū)域內(nèi)NPP總量增加19.86×10-2Tg C，主要由其他土地類型向林地、耕地和草地轉(zhuǎn)換引起。

不同時(shí)期土地覆蓋變化對(duì)NPP總量的影響量和貢獻(xiàn)率見圖10，2000—2010年，大部分土地覆蓋類型的NPP總量均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，其中林地NPP減少量最多，為-1.26 Tg C，其次為耕地NPP減少0.87 Tg C；而建設(shè)用地和水域面積有所增加，其相應(yīng)地類NPP也表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，分別增加0.25，0.35 Tg C。2010—2018年，由于退耕還林政策的廣泛實(shí)施，耕地NPP呈現(xiàn)減少趨勢(shì)(-1.87 Tg C)，而林地NPP增加了2.13 Tg C。同時(shí)隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，建設(shè)用地NPP增加了1.34 Tg C。2000—2010年不同土地覆蓋變化對(duì)各土地利用類型NPP變化的貢獻(xiàn)有所差異，其中建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率最高，為53.81%，其次是耕地(43.53%)和水域(47.59%)。2010—2018年，土地利用變化對(duì)各土地利用類型NPP變化的貢獻(xiàn)與上一時(shí)期比較有增有減，其中耕地和林地的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，而其他土地利用類型的貢獻(xiàn)率均表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。耕地的貢獻(xiàn)率由53.53%增加到61.53%，而建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率由53.81降低到47.25%?？傮w而言，由于耕地和建設(shè)用地面積較大，從而耕地和建設(shè)用地的地類變化對(duì)其NPP的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高。

表1 湖北省2000-2018年土地類型轉(zhuǎn)移下NPP總量變化矩陣 10-2 Tg C

圖10 2000-2018年湖北省不同土地利用變化對(duì)NPP總量的影響量和貢獻(xiàn)率

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本文選擇湖北省為研究對(duì)象，基于CASA模型估算湖北省2000—2018年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，利用重心模型以及相關(guān)性分析等方法分析植被NPP時(shí)空演變格局以及驅(qū)動(dòng)因素，探討氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被NPP的影響。2000—2018年湖北省植被NPP整體表現(xiàn)出由西北向東南遞減的趨勢(shì)，植被NPP的高值區(qū)分布在湖北省的西部，主要包括神農(nóng)架林區(qū)、十堰、恩施和宜昌等地區(qū)，這些地區(qū)水熱條件好，生物多樣性非常豐富，遍布常綠落葉闊葉混交林，其植被覆蓋度較高。湖北省中部江漢平原以及鄂東南地區(qū)的植被NPP普遍低于其他地區(qū)，主要是由于這些地區(qū)年降水量相對(duì)較低，并且土地利用類型多以耕地為主，其生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性偏低，容易受到人類活動(dòng)的影響。

從氣候因素變化對(duì)植被NPP產(chǎn)生的影響來看，湖北省年均NPP與年均氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域主要分布在鄂西南以及鄂中部的荊門、荊州以及宜昌東南部地區(qū)。分析原因，主要是由于如鄂西南的恩施土家族苗族自治州等地區(qū)屬于植被覆蓋度較高的山區(qū)，適當(dāng)范圍的溫度升高可以延長(zhǎng)植物的生長(zhǎng)季節(jié)，提高光合作用效率以及植物的生產(chǎn)力，因此這些地區(qū)的植被NPP與氣溫呈正相關(guān)。對(duì)于湖北省東部武漢城市圈地區(qū)以及西部神農(nóng)架林區(qū)，隨著氣溫的升高，植物的蒸騰以及呼吸作用得到了促進(jìn)，最終導(dǎo)致地表干旱不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育，因此這些地區(qū)的植被NPP與氣溫呈負(fù)相關(guān)。湖北省年均NPP與年降水量呈正相關(guān)的地區(qū)主要分布在隨州、襄陽和孝感北部地區(qū)，該區(qū)域是農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，土地類型以耕地為主，由于農(nóng)作物根系較短，其對(duì)降水變化非常敏感，因此降水成為該地區(qū)植被生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵制約因素。年均NPP與降雨量呈負(fù)相關(guān)的地區(qū)主要集中在武漢、鄂州仙桃等東南經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好、受人類活動(dòng)干擾較多的區(qū)域。

從土地利用變化對(duì)植被NPP產(chǎn)生的影響來看，在地類轉(zhuǎn)化的背景下，2000—2018年研究區(qū)域內(nèi)NPP總量增加19.86×10-2Tg C，主要由耕地以及其他土地類型向林地和草地轉(zhuǎn)換引起。這是由于國(guó)家實(shí)施“退耕還草”和“退牧還草”政策以來，該地區(qū)的植被固碳能力有所增強(qiáng)；但隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建設(shè)用地大幅擴(kuò)張，大量占用耕地、林地和草地面積，致使NPP總量降低。不同時(shí)期土地覆蓋變化對(duì)NPP總量的貢獻(xiàn)率有所差異，2000—2010年建設(shè)用地貢獻(xiàn)率最高為53.81%，2010—2018年耕地貢獻(xiàn)率最高為61.53%。因此土地利用變化對(duì)植被NPP的影響可分為積極效應(yīng)和消極效應(yīng)，積極效應(yīng)表現(xiàn)為退耕還林還草政策有助于提高植被NPP，而消極效應(yīng)表現(xiàn)為城市擴(kuò)張以及人類不合理利用方式導(dǎo)致植被NPP降低的現(xiàn)象。

4.2 結(jié) 論

(1) 2000—2018年湖北省植被NPP年均值空間分布上總體表現(xiàn)為由西北向東南遞減的趨勢(shì)。19 a來年均植被NPP的空間變化過程中，NPP減少的區(qū)域按照西北、西南、東南又向西北遷移的順序。

(2) 2000—2018年湖北省植被NPP重心遷移軌跡呈M型，在極坐標(biāo)系中可以看出，植被NPP在西北地區(qū)的增量和增速較大高于東南地區(qū)。在年際變化上，近19 a來植被NPP總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在2006年波動(dòng)幅度最大。

(3) 湖北省植被NPP與氣象因子相關(guān)性具有一定的局域差異性，其中植被NPP與氣溫顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布在荊門、荊州地區(qū)以及宜昌東南部地區(qū)，而植被NPP與氣溫顯著相關(guān)的區(qū)域主要分布隨州、襄陽和孝感北部地區(qū)?？傮w來看，湖北省植被NPP與降雨的相關(guān)性比與氣溫的相關(guān)性更為顯著。

(4) 地類由林地、草地和耕地等NPP較高的土地類型向水域和建設(shè)用地等NPP較低的土地利用類型轉(zhuǎn)變時(shí)，NPP總量大多表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)；相反，NPP總量則表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。土地覆蓋變化對(duì)各土地利用類型NPP變化的貢獻(xiàn)中，耕地和建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率最高。