中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素_涂海洋.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 ，：基金项目：第三次新疆综合科学考察项目（）；中国科学院 类战略性先导科技专项（）；青海省科技成果转化专项（）收稿日期：；网络出版日期：通讯作者 ：涂海洋，古丽加帕尔，于涛，李旭，陈柏建中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素生态学报，（）：，（）：中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素涂海洋，古丽加帕尔，于 涛，李 旭，陈柏建，中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 中国科学院中亚生态与环境研究中心，乌鲁木齐 中国科学院大学，北京 摘要：为揭示气候变化背景下我国各陆地生态系统净初级生产力（）的时空分布特征与驱动机制，引入重心模型分析 年我国 的空间分布格局变化，并利用相关分析方法结合 模型定量区分气候变化与人类活动影响 的相对作用。结果表明：（）年全国 均值为 ，整体呈现出南方高北方低，东南向西北逐渐递减的特点。（）近 年全国与各陆地生态系统 均呈现增长趋势，全国 增长速率为 ，总净增加约 。空间上全国与森林、草地、荒漠生态系统的 重心向东北方向移动，农田与城市生态系统的 重心向西北方向移动，表明 在该方向上的增速和增量最大。（）全国 在华北、西北地区与四川盆地主要受降水的影响，在青藏高原与云贵高原的东部主要受气温的影响，各陆地生态系统之间城市生态系统 对降水响应的敏感度相对最高，荒漠生态系统 对温度响应的敏感度相对最高。（）气候变化和人类活动对全国 变化的贡献分别约占 和，各陆地生态系统的 也表现为受气候变化的影响大于人类活动的影响。此外气候变化对荒漠生态系统 的影响最大，对森林生态系统的影响最小，人类活动对各陆地生态系统 的影响大小则相反。研究结果可为我国生态环境保护、资源的合理配置以及制定环境、社会经济发展等战略决策提供科学依据。关键词：陆地生态系统；净初级生产力；重心模型；模型；驱动机制 ，：（），：（），：，（），（），（），：；植被作为陆地生态系统的主体，对气候变化具有很重要的反馈作用。净初级生产力（，）是指单位时间、单位面积上绿色植物通过光合作用产生的有机质总量减去自身呼吸消耗后所储存下来的部分，即绿色植物所积累的有机干物质总量，它受降水、温度、沉降、浓度等诸多因素共同作用影响。能够用于判定生态系统的健康状况和可持续发展水平，其时空变化能够直接体现区域陆地碳循环的变化，是揭示区域碳源 汇过程的重要指标。近年来，随着遥感观测技术的快速发展以及对生态系统过程机理认识的不断加深，已成为表征生态系统受全球变化影响的重要指标和核心内容。部分学者借助 揭示区域生态环境质量的变化情况，还有一些学者利用 对生态系统服务价值进行评价。但目前 的研究多集中于区域、省份和生态脆弱区，侧重于分析 的时空分布特征和趋势，并且大多没有区分或只是针对单一的生态系统进行分析，对于全国尺度和多个生态系统的定量研究以及 在空间与时间上的变化轨迹研究较少。同时全国尺度上也仅研究 的空间分布格局或探讨 对气候变化与人为活动的响应机制，没有将两者有机结合起来。此外，气候变化与人类活动被认为是影响生态环境质量的主要因素，传统的方法主要从统计学的角度分析生态环境质量变化的原因，没有基于生态过程考虑其变化的机理。是反映生态系统功能的重要参数，目前研究通过比较潜在（）与实际（）之间的差异分析气候变化与人类活动影响 的相对作用，进而区分气候变化与人类活动对生态环境质量的影响。该方法不仅考虑到植被的生理生态过程，并能够在像元尺度体现出气候变化与人类活动对 的影响，利于为下一步的生态系统管理提供指导。本研究通过重心模型，结合趋势分析方法分析全国及各陆地生态系统（农田、森林、草地、城市、荒漠）大生 态 学 报 卷：尺度、长时间序列的 时空变化特征和变化轨迹，利用相关性分析与 模型定量区分 变化的驱动机制。结果有利于全面掌握我国各陆地生态系统的健康状况，为生态治理工程效益的验证提供参考。同时分析在全球气候背景下气候变化与人类活动对我国陆地生态系统 的影响，进而为我国生态环境保护、资源的合理配置以及制定环境、社会经济发展等战略决策提供科学依据。数据源 产品来源于 数据集（：），该数据集已通过第三阶段的验证，空间分辨率为。由于该数据集在研究区域内有填充值，不具有 数值大小的意义，因此本研究将其设置为空值，不作考虑。此外，已有研究论证 产品在我国东南部地区、黄土高原和天山中段等区域的应用是可靠的，本研究也利用前人的实测 数据对该产品进行验证，发现两者之间、，综上说明 产品用于本文研究可行。因此本文基于该 产品进行了后续的分析。中国土地利用现状遥感监测数据来源于“国家青藏高原科学数据中心”（：），空间分辨率为 ，是我国目前运用精度较高的土地利用遥感监测产品，产品缺少南海部分岛屿数据。本研究涉及、年共四期监测数据，并根据一级类的范围划分农田、森林、草地、城市、荒漠五类生态系统。为排除土地利用类型变化对研究结果的影响，后续分析仅考虑 年间土地利用类型没有发生改变的区域。通过与 数据集叠加，去除 空值所在区域的土地利用现状数据，得到剩余所有土地利用类型的面积约为 万，其中土地利用类型没有发生改变的区域面积约为 万，占比约。中国省级行政边界矢量数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（：）。年降水量与平均气温数据来源于国家科技基础条件平台国家地球系统科学数据中心（：）。时间分辨率为月，空间分辨率 ，数据经 个独立气象观测点数据进行验证，结果可信。为保证数据的一致性，便于后续分析，以上数据均统一为以 为基准面的 等面积圆锥投影，空间分辨率 。研究方法 重心模型“重心”在地理学中被定义为使得区域诸多要素在空间上平衡的点，重心坐标能够清晰的反映出地理现象在空间与时间上的变化轨迹、程度以及趋势。通过研究 重心的移动轨迹，一方面能够反映 的空间分布在时间上发展的不均衡性和偏向性，另一方面，通过进一步探讨发展不均衡的原因，能够辅助区域生态环境保护相关的决策制定。由此引入区域重心的概念。假设区域由 个平面空间单元所组成，为第 个空间单元的属性值，（，）为该单元的重心坐标，那么这一区域 个空间单元的重心坐标的均值就构成了区域的重心坐标（，），公式如下：（）（）期 涂海洋 等：中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素：趋势分析使用最小二乘法逐像元计算从起始年到终止年，各年同一时段的 在该时段内随年份变化的一元线性方程的斜率。一般认为斜率为正表示多年来 增加，斜率为负表示 减少，斜率等于 表示 不变。相关性分析由于各陆地生态系统净初级生产力（）往往受到以降水、气温等为主的气候因子的影响。因此本研究将降水、气温作为 的气候影响因素，并运用偏相关与复相关分析方法，逐像元探讨全国与各陆地生态系统 与降水、气温的相关性和显著水平，从而揭示 对气候因子的响应情况。以、为临界值划分 与降水、气温之间的偏相关、复相关系数区间，表示高度线性相关，表示中度线性相关，表示低度线性相关，表示两者不呈线性相关。为区分不同区域、陆地生态系统的 受年降水量、气温因子的影响，在前人研究基础上，定义降水、气温因子影响 的相对作用的四种类型（表）：表 降水、气温因子影响 的相对作用类型 驱动因子 强共同作用 弱共同作用 降水作用 气温作用 ：净初级生产力 ；：与降水、气温之间复相关系数的 显著性检验结果 ；：与降水之间偏相关系数的 显著性检验结果 ；：与气温之间偏相关系数的 显著性检验结果 模型 模型考虑的气候因素较为简单且能够较好反映影响植物生长发育的关键因子，其利用潜在蒸散模型对 模型进行改进，与气候变化作用的潜在（）拟合效果更好，因此被广泛用于计算潜在。目前国内利用 模型估算潜在 的相关工作已开展较多，且均取得了较好的结果，表明其在中国区域适用性较好。其计算公式如下：（）（）其中：（）（）式中，是年均实际蒸散量（）；是年均降水量（）；是年均最大蒸散量（）；是年均温度（）。人为（）是指受人类活动影响产生的，一般用潜在 与实际 的差值来表示。（）年 的变化量由 表示，其计算公式如下：（）式中，是 时间序列的斜率，包括（实际）、（潜在）、（人为），为除基准年外的总年份数。本研究利用、，区分气候变化与人类活动对全国与各陆地生态系统 的影响。其中：表生 态 学 报 卷：明 逐年增加，表明 逐年减少；表示气候变化促进植被生长，表示气候变化导致植被退化；表示人类活动导致植被退化，表示人类活动促进植被生长。根据各 的斜率组合，定义 变化的 种情景，（表）。表 气候变化与人类活动对 增加 减少的相对作用情景 变化情况 情景影响因素的贡献率 气候变化 人类活动 增加情景 （）情景 情景 减少情景 （）情景 情景 ：实际 的斜率 ；：潜在 的斜率 ；：人为 的斜率 ；：年潜在 的变化量 ；：年人为 的变化量 结果与分析 空间变化特征图 年全国平均 空间分布 年全国平均 空间分布特征 年全国 分布具有明显的区域分异规律，整体呈现出南方高北方低，东南向西北逐渐递减的特点（图）。近 年全国平均 为 。小于 的面积最大，占比为，主要分布在我国的西北和青藏高原地区，该地区很大一部分面积常年被沙漠或积雪覆盖，土地贫瘠、植被稀疏，大多低于 。之间的面积占比为，主要分布在我国的东北、华北、华中以及华东地区北部的部分省份。的区域占比，主要分布在华东地区的南部、西南地区的东北部、华南地区以及海南岛的北部。大于 的区域占比为，主要分布在台湾的东部、海南岛的南部、云南省的西南部以及青藏高原的东南部。年 时空分布迁移特征本研究按照时间序列连接 年各年 重心，构建重心演变曲线（图）。整体上看，年全国 重心由湖北省十堰市西南部迁移至陕西省安康市东北部，呈现出向东北方向移动的趋势，共移动 。农田生态系统 重心向西北方向移动 ，森林生态系统 重心向东北方向移动，草地生态系统 重心向东北方向移动 ，城市生态系统 重心向西北方向移动，荒漠生态系统 重心向东北方向移动 。可以看出 年农田与城市生态系统 期 涂海洋 等：中国陆地生态系统净初级生产力时空变化特征及影响因素：在西北方向的增速和增量最大，全国与森林、草地、荒漠生态系统 在东北方向的增速和增量最大。图 全国与各陆地生态系统 空间分布格局变化 图 年全国 变化趋势空间分布 时间变化特征 年全国 增加的区域面积占比达到了，减少的区域仅占，增加的区域在全国分布较广，而减少的区域主要分布在我国南方地区（图）。此外，年全国 表现为净的增加，其净增加量约为 ，平均每年净增加 ，期间 总的增加量为 ，总的减少量为 。各陆地生态系统 增加与减少的区域占比分别为：农田（，）、森林（，）、草地（，）、城市（，）、荒漠（，）。且各陆地生态系统 近 年来均表现为净增加，其中农田生态系统 净增加 （），森林生态系统 净增加 （），草地生态系统 净增加 （），城市生态系统 净增加 （），荒漠生态系统 净增加 （）。由此说明在不改变土地利用类型的情况下全国植被状况具有明显的改善趋势，全国 的增长主要是由农田、森林、草地生态系统贡献的（共占全国 增加量的）。近 年来全国与各陆地生态系统的 增长速率从大到小依次为农田（）、全国（）、城市（）、森林（）、草地（）、荒漠（）。平均 的变化也表明（图），年全国与各陆地生态系统的 整体上生 态 学 报 卷：均呈现上升的趋势，平均 的最低值均出现在 年，除农田与城市生态系统的最高值出现在 年之外，其余最高值均出现在 年。单位面积 均值范围从大到小依次为：森林（）、农田（）、全国（）、城市（）、草地（）、荒漠（），该结果与前人研究结果一致。图 年全国与各陆地生态系统平均 年际变化趋势 与气候因子相关性分析 全国及各陆地生态系统 与降水、气温因子相关性图 结果显示，年全国 与降水呈正相关的区域占比，主要分布于我国东北地区的中部、华北、华中和西北地区以及四川盆地、华南地区的西部和华东地区的北部；呈负相关的区域占比，主要分布于我国西南地区以及华东地区南部、东北地区的北部、南部等地，这些地区由于降水、土壤水分较为充沛或是冷湿地区