龐朝悅 劉玉婷 張齊飛 阿依努爾·買(mǎi)買(mǎi)提

(喀什大學(xué)，喀什，844000) (山西師范大學(xué)) (中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院)

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái),人類(lèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展,排放大量CO2,造成的“溫室效應(yīng)”致使全球氣候呈現(xiàn)氣溫逐漸升高的趨勢(shì),即全球氣候變暖[1]。植被是連接生態(tài)系統(tǒng)、大氣、土壤、水資源的橋梁[2],在全球氣候變暖的自然條件背景下,部分干旱地區(qū)降水量稀少,蒸散發(fā)量加劇,致使植被覆蓋面積降低,裸土面積增大,植被退化日益嚴(yán)重,植被生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞。如在1999—2008年間,由于溫度的持續(xù)升高(升高0.7 ℃),降水量減小,塔克拉瑪干沙漠邊緣植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]。目前,地球陸地面積中有40%屬于干旱地區(qū)面積,并貢獻(xiàn)全球40%的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力[3]。因此,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中扮演產(chǎn)能的重要角色,是維持陸地植被生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要的因素,同時(shí),也是保障干旱地區(qū)城市經(jīng)濟(jì)文化建設(shè)的重要前提條件。

20世紀(jì)以來(lái),眾多科學(xué)家使用不同的方法進(jìn)行植被凈初級(jí)生產(chǎn)力估值計(jì)算,估算方法由早期的野外實(shí)測(cè)估算發(fā)展到模型模擬估算,使用野外實(shí)測(cè)方法估算精確度較高,但是用于估算的大面積生物量測(cè)算方法復(fù)雜,實(shí)際應(yīng)用困難[4]。為了實(shí)現(xiàn)大面積生物量?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力的估算,光能利用模型(CASA模型)被越來(lái)越多的學(xué)者用來(lái)估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,焦偉等[5]通過(guò)CASA模型,將遙感數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)和植物生理數(shù)據(jù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)時(shí)空模擬。Zhang et al.[6]在對(duì)西北干旱地區(qū)植被資源的碳循環(huán)平衡的研究中,使用CASA模型估算研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,計(jì)算結(jié)果較為精確。使用CASA模型估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí),需要2個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)變量,即植被所需吸收的光合有效輻射和光能利用效率,相較于其他模型,需要輸入的參數(shù)較少,計(jì)算時(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單,且能有效避免因需要輸入變量過(guò)多而產(chǎn)生誤差[7]。

本試驗(yàn)研究區(qū)屬于典型干旱地區(qū),生態(tài)環(huán)境脆弱,植被生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來(lái),由于全球氣候變暖和人類(lèi)的一些不當(dāng)行為,例如擴(kuò)大建設(shè)用地、砍伐森林等,造成部分區(qū)域植被退化,打破植被生態(tài)系統(tǒng)平衡,從而引起水土流失、農(nóng)田沙化、沙塵天氣、洪澇災(zāi)害等一系列不良連鎖反應(yīng)[8]。因此,陸續(xù)有學(xué)者開(kāi)始關(guān)注干旱地區(qū)影響植被生態(tài)系統(tǒng)變化的相關(guān)因素。張仁平等[9]研究2001—2014年新疆地區(qū)草地凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣象因子的關(guān)系,研究表明,降水能促進(jìn)草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的增加,溫度對(duì)于草地凈初級(jí)生產(chǎn)力影響不大。陳麗梅等[10]在2000—2020年對(duì)和田河中上游植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候因子相關(guān)性的研究中表明,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水呈現(xiàn)正相關(guān),與氣溫的相關(guān)性不明顯。南疆三地州屬于典型的干旱地區(qū),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力水平低下,過(guò)往研究中很少有學(xué)者分析南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的演變特征,本研究以南疆三地州植被生態(tài)系統(tǒng)狀況為主線,通過(guò)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、植被歸一化指數(shù)(NDVI)、植被覆蓋度(FVC)3個(gè)不同的植被指數(shù)分析視角,推演近20 a植被生態(tài)系統(tǒng)的變化特征及未來(lái)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì),并通過(guò)氣象因子與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性分析,溯源植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化起因。

在我國(guó)2060年前實(shí)現(xiàn)雙碳中和的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是檢驗(yàn)自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要指標(biāo)之一,探索植被凈初級(jí)生產(chǎn)力未來(lái)的變化趨勢(shì)及影響其的主要?dú)夂蛞蜃泳哂兄匾饬x。本研究從植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、植被覆蓋度、歸一化植被指數(shù)3個(gè)方面出發(fā),探索研究區(qū)2001—2020年植被生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空演變特征,定量分析植被凈初級(jí)生產(chǎn)力未來(lái)的演變趨勢(shì),通過(guò)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與年均氣溫、年均降水的相關(guān)系數(shù)分析,揭示研究區(qū)不同地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力演變特征的差異化,為“一帶一路”南疆段綠洲經(jīng)濟(jì)文化建設(shè)[11]和提高干旱地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

按照我國(guó)行政區(qū)劃分,南疆三地州是指喀什地區(qū)、和田地區(qū)、克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?本研究中簡(jiǎn)稱(chēng)克州)及所屬的區(qū)域的總稱(chēng),轄區(qū)內(nèi)共有24個(gè)城鎮(zhèn),地理坐標(biāo)為73°20′～79°57′N(xiāo)、35°20′～40°45′E。根據(jù)國(guó)家地理2022年最新統(tǒng)計(jì),研究區(qū)現(xiàn)有面積427 600 km2,綠洲面積(本研究植被中等覆蓋度以上面積)為76 700 km2,占研究區(qū)總面積的17.94%(圖1)。研究區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏,80%以上的地區(qū)土地覆蓋類(lèi)型均為沙漠和戈壁,容易出現(xiàn)植被退化、土地沙化、鹽漬化等嚴(yán)重生態(tài)問(wèn)題,生態(tài)環(huán)境脆弱[12]。研究干旱地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空演變趨勢(shì),對(duì)提高南疆三地州生態(tài)環(huán)境承載能力和改善人類(lèi)生活環(huán)境質(zhì)量具有重大意義[13]。

圖1 研究區(qū)位置及高程分布圖

2 研究方法

數(shù)據(jù)來(lái)源：本研究使用的遙感數(shù)據(jù)由MODIS數(shù)據(jù)庫(kù)提供。其中,歸一化植被指數(shù)使用2001—2020年連續(xù)時(shí)間序列的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1,時(shí)間分辨率為16 d,空間分辨率為250 m。通過(guò)CASA模型估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力使用到光學(xué)遙感數(shù)據(jù)MOD13A1、MOD09A1、MOD15A2H,MOD17A3(具體參數(shù)見(jiàn)表1);使用的氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)信息中心(http：//data.cma.cn/)提供的研究區(qū)21個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水的年均值。

像元二分法計(jì)算植被覆蓋度：植被覆蓋度(Fvc)是植被的陰影面積和總面積的比值,本研究使用MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù),通過(guò)像元二分法計(jì)算植被覆蓋度。計(jì)算公式[14]如下：

Fvc=(INDV-INDV,s)/(INDV,v-INDV,s)。

(1)

式中：Fvc為南疆三地州的植被覆蓋度;INDV為南疆三地州歸一化植被指數(shù);INDV,s為南疆三地州純裸土像元?dú)w一化植被指數(shù),計(jì)算時(shí)取歸一化植被指數(shù)的最小值;INDV,v為純植被像元的歸一化植被指數(shù),計(jì)算時(shí)取歸一化植被指數(shù)的最大值。由于研究區(qū)屬于干旱地區(qū),依據(jù)高健健等[15]對(duì)干旱區(qū)植被覆蓋度的劃分規(guī)則,將研究區(qū)植被覆蓋度劃分5個(gè)等級(jí),具體分級(jí)情況見(jiàn)表2。

表1 使用數(shù)據(jù)及來(lái)源

表2 植被覆蓋度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)估算模型：植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是陸地植物提供自養(yǎng)和其他生物能量的生產(chǎn)力總和,能有效評(píng)估植被健康情況和干旱地區(qū)陸地碳循環(huán)情況[6]。本研究使用CASA模型的方法[5,9],考慮研究區(qū)歸一化植被指數(shù)、土地變化類(lèi)型、氣溫、降水等條件,引用RAPA(光合有效輻射)、ε(光合作用轉(zhuǎn)換)兩個(gè)變量估算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力,表達(dá)式為

PNP(x,m)=RAPA(x,m)×ε(x,m)。

(2)

式中：PNP(x,m)為像元x在m月的凈初級(jí)生產(chǎn)力;RAPA(x,m)為像元x在m月植被所吸收的光合有效輻射,單位為MJ/m2;ε為植被通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為碳能的效率,單位為g/MJ;ε(x,m)為像元x在m月植被的實(shí)際光能利用率。

趨勢(shì)分析與異常檢驗(yàn)：泰爾-森中值趨勢(shì)分析法(Theil-Sen Median)簡(jiǎn)稱(chēng)Sen趨勢(shì)分析法,具有計(jì)算效率高,對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)序列誤差數(shù)據(jù)不敏感的優(yōu)勢(shì),常被用來(lái)分析長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)趨勢(shì)[16]。曼-肯德?tīng)?Mann-Kendall)顯著性檢驗(yàn)法簡(jiǎn)稱(chēng)為M-K,是非參數(shù)時(shí)間序列顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn),常被用來(lái)檢驗(yàn)長(zhǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)的顯著性。使用Sen和Mann-Kendall相結(jié)合的方法,檢驗(yàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì),能夠有效降低噪聲干擾,提高檢驗(yàn)時(shí)間序列植被凈初級(jí)生產(chǎn)力趨勢(shì)準(zhǔn)確性和顯著性[17]。

Sen趨勢(shì)分析法計(jì)算研究區(qū)在研究時(shí)間段內(nèi)兩兩對(duì)數(shù)的中值,研究植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在一定空間一定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì),計(jì)算公式如下：

(3)

式中：IM為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力中值,IM的正負(fù)表示在研究序列中的趨勢(shì)。IM>0,表示上升趨勢(shì),IM<0,表示下降趨勢(shì)。xi、xj分別為時(shí)間序列中第i項(xiàng)和第j項(xiàng)的值。

使用M-k的方法來(lái)檢測(cè)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在2001—2020年時(shí)間序列顯著性變化。首先確定時(shí)間數(shù)據(jù)序列對(duì)應(yīng)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力值xi、xj,xi、xj為隨機(jī)變量分布,沒(méi)有固定的上升或下降趨勢(shì),檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量s的計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：s為檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量;n為組數(shù);sgn為符號(hào)函數(shù);Z為正太分布統(tǒng)計(jì)量;var(s)為方差。

Pearson相關(guān)性分析：Pearson相關(guān)性分析是研究?jī)蓚€(gè)變量之間的相關(guān)性關(guān)系,即已知一個(gè)變量,求另一個(gè)變量[18-19]。本研究將研究區(qū)21個(gè)氣象站點(diǎn)的年均氣溫與年均降雨生成與年均植被凈初級(jí)生產(chǎn)力像元大小相同的氣溫、降雨?yáng)鸥駭?shù)據(jù),采用Pearson相關(guān)性計(jì)算實(shí)現(xiàn)氣溫、降水與凈初級(jí)生產(chǎn)力的逐像元分析[20]。計(jì)算公式如下：

(8)

式中：R為兩個(gè)變量的相關(guān)系數(shù);Xi為第i年的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力;X為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力20 a均值;Yi為第i年的年均氣候因子值(氣溫、降水);Y為20 a平均氣候因子值。R取值范圍為[-1,1],根據(jù)陳春波等[21]對(duì)相關(guān)性的判定標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)|R|≥0.8時(shí),為高度相關(guān);當(dāng)0.5≤|R|<0.8時(shí),為中度相關(guān);當(dāng)0.2≤|R|<0.5時(shí),為低度相關(guān);當(dāng)|R|<0.2時(shí),為不相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 歸一化植被指數(shù)時(shí)空演變特征

從時(shí)間來(lái)看,根據(jù)2001—2020年研究區(qū)植被生長(zhǎng)季歸一化植被指數(shù)時(shí)空演變特征(圖2),在過(guò)去20 a間,全地區(qū)植被平均歸一化植被指數(shù)在0.13～0.19間波動(dòng),整體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),斜率為0.002 1,歸一化植被指數(shù)20 a均值為0.159。其中,2001—2010年歸一化植被指數(shù)均值為0.148,2011—2020年歸一化植被指數(shù)平均值為0.171,比2001—2010年歸一化植被指數(shù)均值增長(zhǎng)15.5%。在2001—2010年間,南疆三地州歸一化植被指數(shù)年均值增幅呈正增長(zhǎng)的有4年(2002、2005、2008、2010年),其余年份歸一化植被指均為負(fù)增長(zhǎng)。2011—2020年間,南疆三地州歸一化植被指數(shù)年均值呈正增長(zhǎng)的有5年(2012、2015、2017、2019、2020年),呈負(fù)增長(zhǎng)的有5年(2011、2013、2014、2016、2018年),研究區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值明顯高于過(guò)去10 a(2001—2010年)。

圖2 南疆三地州歸一化植被指數(shù)(NDVI)均值及同比變化

由南疆三地州20 a歸一化植被指數(shù)年均值的變化趨勢(shì)(圖3)可見(jiàn),喀什地區(qū)和克州的歸一化植被指數(shù)年均值在中低值范圍內(nèi)波動(dòng)(0.14～0.22),和田地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值在極低值范圍內(nèi)波動(dòng)(0.08～0.12)。2001—2010年間,喀什地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值增幅為17.7%(年末與年初的差值比年初的值),克州歸一化植被指數(shù)年均值增幅為18.8%,和田地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值增幅為18.4%。2011—2020年間,喀什地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值增幅為15.5%,克州地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值增幅為13.0%,和田地區(qū)歸一化植被指數(shù)年均值增幅為14.0%。2001—2010年歸一化植被指數(shù)年均值增幅最大的是克州,增幅最小的是喀什地區(qū),2011—2020年歸一化植被指數(shù)年均值增幅最大的是喀什地區(qū),增幅最小的是克州。

南疆三地州遠(yuǎn)離海洋,屬于溫帶大陸氣候類(lèi)型,近年來(lái),在全球氣候變暖的背景下,植被的歸一化植被指數(shù)變化與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。根據(jù)2001—2020年南疆三地州歸一化植被指數(shù)均值空間分布圖(圖4),歸一化植被指數(shù)中高值區(qū)域(0.6

和田地區(qū)線性擬合方程為y1=0.001 3x1+0.093 0,喀什地區(qū)線性擬合方程為y2=0.002 7x2+0.156 0,克州地區(qū)線性擬合方程為y3=0.002 2x3+0.164 3。

圖4 2001—2020年南疆三地州歸一化植被指數(shù)(NDVI)年均值空間分布圖

3.2 南疆三地州植被覆蓋度(FVC)時(shí)空演變特征

由2001、2010、2015、2020年南疆三地州植被覆蓋度空間分布圖(圖5)可見(jiàn),南疆三地州植被覆蓋度整體呈上升趨勢(shì)。在2001—2020年間,研究區(qū)植被覆蓋度均值為0.194,增幅為24.9%(2020年植被覆蓋度均值與2001年的差比2001年植被覆蓋度均值)。其中,喀什地區(qū)植被覆蓋度均值為0.236,增幅為25.2%;克州植被覆蓋度均值為0.239,增幅為24.1%;和田地區(qū)植被覆蓋度均值為0.163,增幅為25.6%。總體而言,喀什和克州植被中、高覆蓋度面積明顯高于和田地區(qū),且較低覆蓋度、中覆蓋度植被沿城鎮(zhèn)邊緣及喀拉喀什河流域、葉爾羌河流域、和田玉龍河流域兩側(cè)向外擴(kuò)張,說(shuō)明水資源和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于干旱地區(qū)植被覆蓋度具有顯著正向作用。

根據(jù)研究區(qū)各植被覆蓋度區(qū)域面積占比變化趨勢(shì)(表3)分析,在2001—2020年間,研究區(qū)植被覆蓋度以較低覆蓋度和中覆蓋度為主,兩者之和占總面積的80%左右。生長(zhǎng)植被主要為芨芨草(Achnatherumsplendens)、駱駝刺(AlhagicamelorumFisch)等[23]。低覆蓋度、較低覆蓋度面積占比呈現(xiàn)降低趨勢(shì),中覆蓋度、較高覆蓋度、高覆蓋度面積占比表現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì),降速最快的為低覆蓋度面積占比,斜率為-0.002 6,增速最快的為中覆蓋度面積,斜率為0.001 8。高覆蓋度面積占比在2%～6%范圍內(nèi)波動(dòng),2020年,高覆蓋度面積比2001年擴(kuò)張達(dá)103.97%,主要分布在各地區(qū)的城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi);植被中覆蓋度區(qū)域分布在喀什地區(qū)葉爾羌河流經(jīng)的縣、市,喀什地區(qū)與克州交界處喀拉喀什河流經(jīng)的縣城,和田地區(qū)玉龍喀什河流經(jīng)縣、市,且有沿縣城邊緣向外擴(kuò)張的趨勢(shì),擴(kuò)張面積達(dá)到25.83%;較低覆蓋度、低覆蓋度分布山區(qū)、戈壁、沙漠,面積逐年下降,其中,較低覆蓋度面積降幅為9.25%(2020年植被較低覆蓋度面積與2001年植被較低覆蓋度面積的差與2001年相比),低覆蓋度面積降幅為22.08%。一方面是由于全球氣候變暖,雪山融化,河流徑流量加大,流域兩側(cè)土壤水分增加,對(duì)植被有利好因素;二是因?yàn)槿祟?lèi)近年來(lái)實(shí)施的環(huán)境保護(hù)措施,如人工造林、輸水灌溉、開(kāi)墾荒地等,取得成效顯著,由植被覆蓋度空間分布圖(圖5)可見(jiàn),城鎮(zhèn)邊緣植被覆蓋度由較低覆蓋度向中覆蓋度轉(zhuǎn)變,城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)部由較高覆蓋度向高覆蓋度過(guò)渡,干旱地區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)植被覆蓋度具有重大影響。

表3 南疆三地州不同年份的各等級(jí)植被覆蓋度區(qū)域面積占比

3.3 南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)時(shí)空演變特征

3.3.1 南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)序分布特征

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力是評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,是陸地植物生命的動(dòng)力源泉,是陸地生態(tài)碳循環(huán)的主要生產(chǎn)力[18-20]。根據(jù)研究區(qū)2001—2020年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值變化趨勢(shì)圖顯示(圖6),研究區(qū)2001年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值為2.93 g/m2,2020年均值為2.73 g/m2,以-0.018 5的斜率下降,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力水平低于全國(guó)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值(74.19 g/m2)[24]。在2015年,凈初級(jí)生產(chǎn)力均值達(dá)到最高值3.66 g/m2,2016年為最低值2.54 g/m2。其中,喀什地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值最高,在4～6 g/m2范圍內(nèi)波動(dòng),克州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值僅次于喀什地區(qū),喀什地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值在2013年達(dá)到最高值5.38 g/m2,克州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值在2015年達(dá)到最高值5.07 g/m2,和田地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值最低,在1.6～2.7 g/m2范圍內(nèi)上下波動(dòng),和田地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值在2014年達(dá)到最高值2.65 g/m2。

植被覆蓋度年均值結(jié)果顯示,研究區(qū)低覆蓋度和較低覆蓋度區(qū)域面積占總面積的70%以上,尤其是較低覆蓋度區(qū)域面積占總面積的60%以上,因此,較低植被覆蓋度的變化趨勢(shì)直接影響植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化趨勢(shì),較低覆蓋度區(qū)域面積占比表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),較高覆蓋度和高覆蓋度植被雖然擴(kuò)張趨勢(shì)明顯,但是覆蓋度占比太低,對(duì)于植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值無(wú)明顯影響。

圖6 南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年際變化趨勢(shì)圖

3.3.2南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力空間演變趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)南疆三地州植被2001—2020年凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布情況(圖7),研究區(qū)植被20 a均值在0.18～25.47 g/m2范圍內(nèi)波動(dòng),喀什地區(qū)和克州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值較高,喀什地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力較高的區(qū)域主要分布在喀什中部葉爾羌河流經(jīng)的城市,克州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值較高的地區(qū)分布在喀什地區(qū)和克州交界的城鎮(zhèn),和田地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值最低,僅為2.12 g/m2,且90%以上的土地類(lèi)型是沙漠和戈壁,凈初級(jí)生產(chǎn)力較高的地區(qū)分布在喀拉喀什河和玉龍喀什河流經(jīng)的城鎮(zhèn)。在南疆三地州所屬區(qū)域中,和田地區(qū)植被固碳能力和釋氧能力最弱[6,25],植被生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力差,是近年來(lái)需要采取積極保護(hù)措施提高植被凈初級(jí)生產(chǎn)力水平的地區(qū)。

圖7 南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值分布

使用Sen的方法分析南疆三地州過(guò)去20 a植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的發(fā)展趨勢(shì),在過(guò)去20 a間,研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加的面積占總面積的10.18%(s>0),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著減少的面積占總面積的54.85%(s<0)。結(jié)合曼-肯德?tīng)?Mann-Kendall)顯著性檢驗(yàn),將Sen趨勢(shì)分析的結(jié)果與顯著性相結(jié)合,參考石智宇等[18]對(duì)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果的劃分方法,將研究區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著性檢驗(yàn)結(jié)果劃分為4種情況(表4),分別是不顯著減少、顯著減少、不顯著增加、顯著增加。由南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)分布情況(圖8)可見(jiàn),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加的區(qū)域主要分布在喀什地區(qū)葉爾羌河和喀什噶爾河經(jīng)過(guò)的市、縣,克州與吉爾吉斯斯坦交界地區(qū)的縣城,和田地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加的區(qū)域零星分布在喀拉喀什河和玉龍喀什河流域上游及這兩條河流交匯處的市、縣;植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著減少的區(qū)域分布在南疆三地州無(wú)人居住的沙漠、戈壁以及南疆地區(qū)西南部喀喇昆侖山以北的高原、雪山區(qū)域。未來(lái)10 a內(nèi),伴隨2030年全球“碳達(dá)峰”的到來(lái),全球氣溫逐漸升高,研究區(qū)內(nèi)大片的沙漠、戈壁區(qū)域持續(xù)荒漠化,植被退化嚴(yán)重,凈初級(jí)生產(chǎn)力水平逐年降低,而研究區(qū)內(nèi)葉爾羌河、喀什噶爾河、玉龍喀什河和喀拉喀什河流域周邊的綠洲城市,伴隨溫度升高和城市周?chē)行У娜祟?lèi)活動(dòng)(開(kāi)墾荒漠、荒漠造林等),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力水平未來(lái)還具有顯著增加的趨勢(shì),研究區(qū)南部的高原地區(qū),雪山融化灌溉土壤,植被得到有效的生長(zhǎng)條件,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力水平具有持續(xù)增加趨勢(shì)。以上結(jié)果表明,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加趨勢(shì)的原因是近年來(lái)暖濕氣流以及人類(lèi)對(duì)植被的保護(hù)措施的共同作用,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著減少趨勢(shì)是由于荒漠地帶溫度升高,蒸散發(fā)量加劇導(dǎo)致。

表4 南疆三地州凈初級(jí)生產(chǎn)力變化判定標(biāo)準(zhǔn)

3.3.3 氣候變化對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力驅(qū)動(dòng)分析

本研究使用Pearson相關(guān)性分析的方法探索凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候因子的相關(guān)性,采用數(shù)據(jù)是2001—2020年氣候因子(氣溫、降水)均值與研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值,使用相關(guān)性分析方法逐像元計(jì)算二者之間相關(guān)性,結(jié)果如圖9所示。研究區(qū)高度相關(guān)的像元極少,可以忽略不計(jì),氣溫與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)在-0.792～0.875之間波動(dòng),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫正相關(guān)性較高的區(qū)域分布在研究區(qū)人口密度較高的地區(qū)和研究區(qū)西南部的高原地區(qū),研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫呈正相關(guān)性地區(qū)的分布面積占總面積的43.7%;植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫負(fù)相關(guān)性較高的區(qū)域分布在喀什噶爾河流域、葉爾羌河流域、喀拉喀什河及玉龍喀什河流域兩側(cè),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣溫呈負(fù)相關(guān)性的面積占比為23.0%。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.810～0.860之間波動(dòng),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水正相關(guān)性較高的區(qū)域分布在研究區(qū)西北的高原地區(qū)以及流經(jīng)喀什地區(qū)喀什噶爾河、葉爾羌河、喀拉喀什河及流經(jīng)和田地區(qū)的玉龍喀什河兩側(cè),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水呈正相關(guān)性分布的面積占總面積的50.3%,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水負(fù)相關(guān)性較高的區(qū)域分布在和田地區(qū)塔里木盆地中心沙漠地帶以及喀什地區(qū)中部的戈壁和荒漠,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水呈負(fù)相關(guān)性分布的面積占總面積的19.2%?？傮w而言,在研究區(qū)中部干旱地區(qū),降水與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的正相關(guān)性(50.3%)明顯高于溫度與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的正相關(guān)性(43.7%),而研究區(qū)西南部的高原地帶,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與溫度、降水都呈正相關(guān)性,是因?yàn)闇囟壬呤寡┥饺诨娣e增加,導(dǎo)致河流徑流量增大,干旱地區(qū)得到水源澆灌,利于高原植被生長(zhǎng)[26-27],研究區(qū)中部喀什噶爾河、葉爾羌河、喀拉喀什河、玉龍喀什河流域兩側(cè)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力都與氣溫呈明顯負(fù)相關(guān),這是由于氣溫升高,降水量不足,導(dǎo)致蒸散發(fā)量加大,造成植被退化,植物凈初級(jí)生產(chǎn)力水平降低[28-29]。

圖8 南疆三地州植被凈初級(jí)生產(chǎn)力變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)分布

圖9 氣候因子與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

在2001—2020年間,研究區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)整體以每年0.002 1的速率增長(zhǎng),2011—2020年歸一化植被指數(shù)增速明顯高于2001—2010年。歸一化植被指數(shù)中高值區(qū)域主要分布在喀什地區(qū)中部及喀什地區(qū)和克州交界地帶,研究區(qū)90%的區(qū)域?yàn)榈椭?INDV≤0.2)區(qū)域。植被覆蓋度(FVC)增速最快的為中覆蓋度區(qū)域,主要分布在喀什地區(qū)葉爾羌河流經(jīng)的縣、市,喀什地區(qū)與克州交界處喀拉喀什河流經(jīng)的縣、市,和田地區(qū)玉龍喀什河流經(jīng)縣、市,且植被覆蓋面積有沿縣城邊緣擴(kuò)張的趨勢(shì),擴(kuò)張面積達(dá)到25.83%,這一結(jié)果表明干旱地區(qū)水資源和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)于植被覆蓋度有正向驅(qū)動(dòng)作用?？κ驳貐^(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)年均值最高,在4～6 g/m2范圍內(nèi)波動(dòng),和田地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力年均值最低,在1.6～2.7 g/m2范圍內(nèi)上下波動(dòng)。通過(guò)曼-肯德?tīng)?Mann-Kendall)顯著性檢驗(yàn),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加的區(qū)域主要分布在喀什地區(qū)葉爾羌河和喀什噶爾河經(jīng)過(guò)的市、縣,克州與吉爾吉斯斯坦交界地區(qū)的縣城,和田地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著增加的區(qū)域零星分布在喀拉喀什河和玉龍喀什河流域上游及這兩條河流交匯處的市、縣,顯著增加的面積占研究區(qū)總面積的10.18%;植被凈初級(jí)生產(chǎn)力顯著減少的區(qū)域主要分布在研究區(qū)無(wú)人居住的沙漠、戈壁地帶,顯著減少的面積占總面積的54.85%。由于植被顯著減少的面積遠(yuǎn)大于顯著增加的面積,研究區(qū)未來(lái)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì);氣溫與植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)系數(shù)在-0.792～0.875之間波動(dòng),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的相關(guān)系數(shù)在-0.810～0.860之間波動(dòng),3條流域周邊的綠洲地區(qū)呈現(xiàn)出與降水有較強(qiáng)的正相關(guān)性,沿西南邊境喀喇昆侖山脈的高原地區(qū)呈現(xiàn)出與氣溫有較強(qiáng)的正相關(guān)性,研究區(qū)中東部塔克拉瑪干沙漠地帶植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候條件無(wú)明顯相關(guān)性。

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化與氣溫、降水和人類(lèi)活動(dòng)緊密相關(guān),植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的大小與氣溫和降水的分布關(guān)系密切。本研究通過(guò)對(duì)研究區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),研究區(qū)流域兩側(cè)區(qū)域的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與降水的正相關(guān)性最強(qiáng)。當(dāng)降水量增加時(shí),研究區(qū)50.3%的區(qū)域呈現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加趨勢(shì),當(dāng)溫度升高時(shí),研究區(qū)43.7%的區(qū)域呈現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加趨勢(shì),說(shuō)明干旱地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)降水量的增加更為敏感。近年來(lái),受全球氣候變暖的影響,研究區(qū)近20 a的年均氣溫有逐步升高的趨勢(shì),但是西南部有喀拉昆侖山脈阻斷了印度洋暖濕氣流進(jìn)入,中部80%的區(qū)域被塔克拉瑪干沙漠覆蓋,降水量沒(méi)有顯著增加,高溫導(dǎo)致蒸散發(fā)量增大[30],土壤水分流失加速,部分地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力出現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān),尤其以研究區(qū)內(nèi)流域兩側(cè)植被最為顯著。值得關(guān)注的是,研究區(qū)西南部喀喇昆侖山脈高原地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與溫度呈現(xiàn)較為明顯的正相性,這是因?yàn)殡S著高原區(qū)域溫度增高,高原雪山融化加速,一些流域上游的河流徑流量增大,土壤水分增加,因此植被凈初級(jí)生產(chǎn)力增加。劉杰等[31]在2000—2020年西藏高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與氣候關(guān)系的研究結(jié)果中也表明,高原地區(qū)氣溫對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響更為顯著。

本研究的研究區(qū)是按照南疆三地州行政區(qū)進(jìn)行劃分,研究區(qū)內(nèi)具有高原、沙漠、綠洲等多種地貌,本研究使用21個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水年均值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)Pearson相關(guān)性分析逐柵格計(jì)算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)與氣溫、降水的相關(guān)性分布,較為準(zhǔn)確的體現(xiàn)了植被凈初級(jí)生產(chǎn)力在不同環(huán)境對(duì)氣候條件適應(yīng)的差異化。例如,綠洲地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)降水的適應(yīng)情況較為敏感,而高原地區(qū)氣溫條件對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響顯著,沙漠地區(qū)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力則呈現(xiàn)出與氣溫、降水沒(méi)有顯著相關(guān)性。但是本研究在進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算時(shí),采用的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)為年均值數(shù)據(jù),計(jì)算結(jié)果中氣溫與凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)最高僅達(dá)到0.875,降水與凈初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)最高僅達(dá)到0.860,沒(méi)有呈現(xiàn)高度相關(guān)性,如果按照四季不同的氣候條件和凈初級(jí)生產(chǎn)力柵格數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析是否能更好的體現(xiàn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)氣候因子的適應(yīng)情況,還需進(jìn)一步深入分析。另外,各種氣候條件對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響具體有多大,還有量化的空間。