陳興鵑，李翔翔，徐 爽，聶志強，黃淑娥*

（1.江西省生態(tài)氣象中心，江西 南昌 330096；2.江西省氣象科學研究所，江西 南昌 330096；3.河北省邢臺市氣象局，河北 邢臺 054000）

森林植被生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性很強，兩者的相關(guān)性一直以來都是國內(nèi)外的研究熱點［1-4］。森林植被凈的初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指林區(qū)綠色植物通過光合作用在單位時間、單位面積內(nèi)所產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量與自養(yǎng)呼吸之差［5-6］。NPP是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的最基本特征量之一，可以直觀地反映出植被系統(tǒng)在其各自生存環(huán)境下的生產(chǎn)能力［7-9］。

目前，國內(nèi)外學者對全球森林NPP的分布特征已有較多研究。Del等［10］指出全球森林NPP呈現(xiàn)了從寒冷氣候區(qū)向溫暖氣候區(qū)呈逐漸增大的趨勢，熱帶氣候區(qū)明顯高于溫帶氣候區(qū)。焦翠翠等［11］也指出，全球森林的NPP滿足“緯度越高，NPP越低”的規(guī)律，且從全球角度研究，相較于年降水量，年均氣溫與森林NPP有更強的相關(guān)性。根據(jù)中國地勢和森林系統(tǒng)的分布，對森林NPP的研究以我國東北和東南林區(qū)為主。毛德華等學者分別對東北地區(qū)、東南地區(qū)植被NPP的分布特征以及氣候影響關(guān)系做了初步的探討［12-14］。李登秋等［15］研究了東南地區(qū)森林NPP在氣候變化、林齡、CO2濃度和氮沉降等不同因子驅(qū)動下的變化趨勢。

江西省是全國生態(tài)文明試驗區(qū)之一［16］，作為我國南方重點林區(qū)，丘陵和山地占全省國土面積的60%以上，森林植被生態(tài)是影響江西省生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素。因此開展江西省森林NPP的空間格局、動態(tài)變化及驅(qū)動因子的研究和學術(shù)探討，對江西省生態(tài)示范區(qū)建設(shè)和生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測與評價具有重要的指導作用和重大的現(xiàn)實意義。本文采用遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），針對近20年江西森林NPP的演變規(guī)律開展了精細化分析和討論，通過構(gòu)建氣候因子立體分布模型，對氣候變化的響應(yīng)情況進行分析，旨在了解近幾十年來江西省森林植被的分布格局、穩(wěn)定性特征和變化趨勢，為江西省生態(tài)文明建設(shè)、生態(tài)質(zhì)量評價、森林資源的合理開發(fā)利用等提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究中涉及的歸一化植被指數(shù)（NDVI）、土地利用分類和森林植被類型數(shù)據(jù)主要采用2000 ～2019年的EOS/MODIS資料，來源于美國USGS網(wǎng)站（https：//lpdaac.usgs.gov）提供的1 km空間分辨率的月合成產(chǎn)品（MOD13A3）和500 m空間分辨率的年合成產(chǎn)品（MCD12Q1）。依據(jù)IGBP全球植被分類方案，選取常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林、灌木叢等6種森林植被類型開展研究［17］。

NPP計算及氣候要素影響分析所用到的氣象數(shù)據(jù)來自江西省氣象局2000～2019年87個氣象站的逐日降水、氣溫、濕度、輻射等資料。

1.2 研究方法

1.2.1 NPP計算 基于光能利用率原理，根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型TEC［8，18］計算植被NPP，公式如下：

式中，NPP：當月的植被凈初級生產(chǎn)力；GPP：當月的總初級生產(chǎn)力；R：當月的呼吸消耗量［g C/（m2·月）］，包含生長呼吸和維持呼吸2個部分；ε：實際光能利用率，可根據(jù)植被類型、空氣溫度和地表濕潤指數(shù)等數(shù)據(jù)進行計算； FPAR：植被吸收光合有效輻射的比例，可利用逐月歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）進行估算；PAR：入射光合有效輻射［MJ/（m2·月）］，其占太陽總輻射的比例為0.48。

以月植被NPP為基礎(chǔ)，對各個月植被NPP進行累加，可得到江西省2000～2019年各年度1 km分辨率的植被NPP數(shù)據(jù)。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)處理 降水數(shù)據(jù)基于2000～2019年全省氣象臺站逐日氣象資料，采用反距離權(quán)重插值法獲得與NPP空間分辨率一致的降水柵格數(shù)據(jù)。江西省以丘陵山地為主，氣溫隨海拔的變化會發(fā)生明顯變化。省內(nèi)87個氣象站點大部分位于海拔較低的平坦地區(qū)，僅廬山和井岡山為高山氣象觀測站，且站點間隔各不相同，直接插值計算氣溫網(wǎng)格數(shù)據(jù)，不能準確反映各網(wǎng)格點氣溫隨海拔變化的真實情況。為客觀地反映江西省內(nèi)氣溫的立體分布特征，根據(jù)區(qū)域地形特點，分區(qū)域分年度建立精細化氣溫高程模型。江西省全境共分為贛東北武夷山區(qū)（Ⅰ區(qū)）、贛西北廬山區(qū)（Ⅱ區(qū)）、贛西井岡山區(qū)（Ⅲ區(qū)）、贛南南嶺山區(qū)（Ⅳ區(qū)）這4個氣候區(qū)（圖1），根據(jù)各區(qū)域內(nèi)各氣象站點氣溫與海拔的關(guān)系模型和全省數(shù)字高程模型（DEM），計算出江西省2000～2019年各年度氣溫1 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

圖1 江西省氣候分區(qū)示意圖

根據(jù)每個區(qū)域內(nèi)氣象站點的歷史觀測數(shù)據(jù)，利用線性回歸方法，分別建立各年度氣象要素與海拔的關(guān)系模型。以2019年為例，表1列出的是2019年度不同分區(qū)內(nèi)年平均氣溫的高度模型。根據(jù)計算，各年度不同區(qū)域年平均氣溫高度模型的相關(guān)系數(shù)均大于0.9，相關(guān)性顯著。

表1 2019年平均溫度不同區(qū)域的高度模型

1.2.3 林區(qū)信息提取 根據(jù)土地利用分類數(shù)據(jù)，將NPP數(shù)據(jù)、氣象要素數(shù)據(jù)與森林類型數(shù)據(jù)進行集成，提取得到2000～2019年森林植被NPP數(shù)據(jù)和林區(qū)氣象要素（氣溫、降水）數(shù)據(jù)。

1.2.4 趨勢分析 采用一元線性回歸分析法，利用方程斜率（θslope）計算NPP隨時間的變化趨勢，其值的大小反映NPP增加或減小的傾向程度［19］。

一元線性回歸方程斜率計算公式為：

式（3）中：n為研究年數(shù)；i代表第i年；NPPi為第i年的NPP值。θslope即可表示NPP隨年份的變化趨勢。

1.2.5 穩(wěn)定性分析 變異系數(shù)（Coefficient of variation， CV）是反映樣本波動的常用指標。本文計算了2000～2019年江西省森林植被NPP的變異系數(shù)，通過變異系數(shù)的變化來描述森林植被NPP年際間的穩(wěn)定性。

變異系數(shù)計算公式為：

式（4）中：n為研究年數(shù)；i代表第i年；NPPi為第i年的NPP值；NPP為NPP的n年平均值。CV值越小，代表植被穩(wěn)定性越高。

1.2.6 相關(guān)性分析 氣象因子與森林植被NPP的相關(guān)性，采用Pearson相關(guān)分析法進行分析。

相關(guān)系數(shù)計算公式為：

式（5）中：Rxy為相關(guān)系數(shù)；n為研究年數(shù)；i代表第i年；x為自變量（氣溫、降水），y為因變量（NPP）。

2 結(jié)果與分析

2.1 江西省森林植被NPP的時空變化特征

從江西省森林植被NPP年際變化曲線圖可知（圖2A），近20年來江西省森林植被生產(chǎn)力整體呈波動增長的趨勢，平均增加量為3.63 g C/（m2·a）。其中，2003年和2019年的森林植被NPP較其他年份顯著偏小。這主要是因為江西省2003年夏季出現(xiàn)了歷史罕見的大范圍高溫干旱，2019年則出現(xiàn)了特大夏、秋、冬3季連旱，森林植被的光合機能減弱，所累積的有機物數(shù)量明顯減小。

不同森林類型的NPP值有所不同（圖2B），常綠針葉林和常綠闊葉林的年均NPP要明顯高于其他森林類型，其中常綠針葉林近20年平均NPP為1050.4 g C/（m2·a），常綠闊葉林近20年平均NPP為1043.1 g C/（m2·a）。落葉針葉林年均NPP值最低。趨勢計算結(jié)果表明，近20年各森林類型NPP變化趨勢率均大于0，呈現(xiàn)向上的趨勢。其中落葉闊葉林最大，為4.14；其次矮樹灌叢，為4.11；常綠闊葉林最小，為2.92。

圖2 2000～2019年江西省森林植被NPP（A）及不同類型森林植被NPP（B）的年際變化趨勢

從空間分布上來看（圖3A），近20年江西省森林植被年均NPP值主要分布在800～1200 g C/（m2·a）之間，NPP平均值為1007 g C/（m2·a），其中NPP值大于1000 g C/（m2·a）的林區(qū)占森林總面積的64.4%。NPP值大于1200 g C/（m2·a）的林區(qū)主要分布在贛南南部及贛東部分地區(qū)。在空間領(lǐng)域，NPP值表現(xiàn)出由外圍向中間遞減、南高北低的特征，這主要受江西省東、西、南三面環(huán)山、熱量資源南多北少、中部地區(qū)主要為耕地、人類活動干擾較多等因素影響。

由于2019年為特大高溫干旱年，NPP值發(fā)生斷崖式降低，因此采用2000～2018年度數(shù)據(jù)進行NPP變化趨勢分析。從變化趨勢空間分布來看（圖3B），近20年江西省大部分林區(qū)NPP呈增加趨勢，占林區(qū)總面積的95.7%，說明絕大部分林區(qū)植被生產(chǎn)能力變好，植被生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量正在穩(wěn)步提升。其中，增加趨勢十分明顯的區(qū)域主要分布在贛南和贛西等地。NPP呈減小趨勢的林區(qū)很少，僅占林區(qū)總面積的4.3%，減少趨勢十分明顯的區(qū)域多分布在與設(shè)區(qū)市轄區(qū)（如新余、萍鄉(xiāng)、南昌、上饒、景德鎮(zhèn)）的交會處，原因主要在于城鎮(zhèn)發(fā)展和人類活動對森林植被的破壞。

圖3 江西省森林植被年均NPP的空間分布（A）及其變化趨勢（B）

2.2 江西省森林植被NPP的穩(wěn)定性分析

采用變異系數(shù)來描述森林植被NPP變化的穩(wěn)定性，并利用自然斷點法［20］，將穩(wěn)定性分為5個等級，分級標準見表2。從空間分布特征（圖4）來看，江西省森林植被NPP穩(wěn)定性呈現(xiàn)出從贛東南向贛西北增強的趨勢，幕阜山、九嶺山、羅霄山、懷玉山等山脈處的森林植被NPP穩(wěn)定度較高。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，較高穩(wěn)定度以上林區(qū)面積占比約為48.8%，中穩(wěn)定度林區(qū)面積占比約為44.6%，較低穩(wěn)定度以下林區(qū)面積占比約為6.6%?？梢?，2000年以來江西省大部分林區(qū)處于中等以上穩(wěn)定性水平，森林植被生態(tài)系統(tǒng)的光合生產(chǎn)能力良好。但較高穩(wěn)定以上水平的林區(qū)所占比例不高，而且個別區(qū)域穩(wěn)定度很低，植被生產(chǎn)能力波動性較大，這主要由于江西省人工林面積大，森林生態(tài)總體還比較脆弱，應(yīng)改善人工林結(jié)構(gòu)，加強天然林保護制度的建設(shè)，從整體上提高人工林和天然林的光合生產(chǎn)能力。

圖4 江西省森林NPP穩(wěn)定性的空間分布

表2 江西省森林植被NPP穩(wěn)定性分級表

2.3 NPP與氣候因子的相關(guān)性分析

氣溫和降水量是對植被生長起主要作用的氣候因子，直接影響植被NPP積累量。對2000～2019年江西省森林植被NPP與年平均氣溫、年降水量逐像元計算相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，相關(guān)性空間分布差異較明顯（圖5）。江西省大部分林區(qū)植被NPP與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，占林區(qū)總面積的80.9%；相關(guān)系數(shù)集中分布在0～0.6之間，占林區(qū)總面積的78.4%。大部分林區(qū)植被NPP與降水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，占林區(qū)總面積的90.4%；相關(guān)系數(shù)集中分布在0～0.5之間，占林區(qū)總面積的87.9%。說明氣溫和降水量的增加均有利于江西省森林植被NPP的提升。

圖5 江西省逐年森林植被NPP與年平均氣溫、年降水量的相關(guān)性分析

NPP與降水量達到顯著性正相關(guān)（P＜0.05）的區(qū)域較少，僅占林區(qū)總面積的6.1%，主要分布于贛西北的幕阜山等地。NPP與氣溫達到顯著性正相關(guān)（P＜0.05）的區(qū)域占林區(qū)總面積的14.5%，主要分布于贛西的武功山、羅霄山和贛南部分地區(qū)。顯著性分析表明，相比于降水量，氣溫是影響江西省森林植被NPP變化更為顯著的氣象因子。

3 結(jié)論

利用衛(wèi)星遙感和氣象數(shù)據(jù)等，對近20年江西省森林植被NPP的時空變化及氣候影響進行了定量分析，研究發(fā)現(xiàn)：在年際變化上，江西省森林植被NPP整體呈波動增加的趨勢，平均增加量為3.6 g C/（m2·a），增加的區(qū)域占林區(qū)總面積的95.7%，其中贛南、贛西部分地區(qū)NPP增加更為明顯。在空間分布上，大部林區(qū)的NPP年均值大于800 g C/（m2·a），大 于1000 g C/（m2·a）的 區(qū) 域占森林總面積的64.4%，其中贛南南部及西部等地的NPP值最高，森林植被凈初級生產(chǎn)力最強；NPP值在空間上體現(xiàn)出由外圍向中間遞減、南高北低的特征。相較于其他森林植被類型，常綠針葉林和常綠闊葉林年均NPP值最高；近20年各森林類型NPP變化均大于0，NPP呈增加的趨勢。

對NPP和氣候因子的逐像元相關(guān)分析結(jié)果表明，年平均氣溫和年降水量與江西省森林植被NPP具有較高的相關(guān)性，其中氣溫與NPP的相關(guān)性更為顯著且區(qū)域分布更廣。

近年來，中央和地方政府加大了山水林田湖草生態(tài)環(huán)境保護與修復的力度，尤其是實施了劃分森林保護區(qū)、退耕還林等政策，江西省植被生態(tài)得到很好的恢復，森林植被NPP穩(wěn)步提升。本文僅開展了氣候因素對森林植被NPP的影響分析，未將人類活動對植被生態(tài)變化的影響加以分析。今后將在本研究基礎(chǔ)上，綜合人為因素和地形地貌等因素進一步研究森林植被生態(tài)變化的多因子驅(qū)動機制，定量評估各因子的貢獻率，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的建設(shè)與評價、資源的開發(fā)利用等提供科學參考依據(jù)。