北方农牧交错带NPP的时空变化及其成因分析

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植被是陆地生态系统的重要组成成分,在传递全球物质循环与能量流动,调节全球碳平衡、减缓全球变暖起着至关重要的作用。植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)的大小反映了植被生长状况,表征某一生态系统结构和功能的好坏。影响植被NPP变化的因素复杂多样,其中气候变化和人类活动是最为主要的因素。中国北方农牧交错带(Agricultural pastoral ecotone of Northern,APENC)作为典型的农、牧业系统过渡带,地理位置比较特殊,生态环境脆弱,对气候变化和人类活动的干扰敏感。深入研究这一区域植被NPP的时空变化及其与驱动因子的关系,不仅可以揭示气候变化、人类活动与植被变化的相互作用机制,还可为改善区域生态环境提供参考。本文以VEGETATION-NDVI数据、气象数据及植被类型数据等为基础,参考MODIS-NPP等数据,采用CASA模型,对研究区的NPP进行了估算和对比验证,并且借助于GIS与RS等技术,采用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall显著性检验(M-K)、偏相关分析、残差分析等方法探讨植被NPP的多年时空变化特征,研究气候变化和人类活动对植被NPP的影响。得到以下几点结论:(1)将CASA模型估算的NPP与已有研究和MODIS-NPP数据进行对比分析,发现虽有差异,但基本一致。根据像元尺度的相关分析结果,发现估算的NPP与MOD17A3产品数据具有较好的相关性,表明CASA模型适用于北方农牧交错带植被NPP估算。(2)研究时段内,研究区的植被NPP时空异质性显著,且因植被类型而异。总体而言,1998-2016年间,研究区的NPP年均值空间上总体呈现西南、东北高,中间低的特点,时间上具有夏季高冬季低的特征。NPP年均值主要集中分布在200-500gC·m-2·a-1;不同植被类型的NPP年均值和年总量差异明显,落叶阔叶林的年均值最高,而草地的年总量最高;落叶阔叶林7月的净初级生产力最多,草地7月的NPP总量最大。研究区植被NPP均值在年际和季节变化上均呈增加趋势,2012年和2013年的显著上升趋势尤为显著;夏季的NPP增长速度最快,其次为秋季和春季,冬季几乎没有变化。落叶阔叶林的增加趋势最强,草地最弱。植被NPP增加的区域明显大于植被NPP减少的区域,突变频率以一次为主,突变时间以2012年和2013年居多,突变类型主要为显著改善。NPP显著增加趋势的区域占总面积的32.07%,主要分布在研究区中、西部的偏南地区及东北平原的零星地区。NPP显著减少的区域占总面积的0.85%,分散分布于研究区的东北边缘。NPP发生一次突变的区域较多,其次是三次突变。(3)研究区内气象要素(降水和气温)的分布具有明显的时空差异,且在研究时段内均呈增加趋势。空间上,年降水量呈东南高、西北低分布,而年平均气温分布呈现南高北低、东高西低。时间上,降水和气温呈现雨热同期的特点,夏季降水最多,平均气温也最高;研究区时段内,年降水量整体呈增加趋势,大部分地区的年平均气温也呈上升趋势;秋季的降水量变化速率最大,夏季的平均气温增温速率最快。(4)植被NPP与降水量之间存在正相关关系,而与年平均气温具有较弱的负相关关系。97.70%像元的NPP年均值和年降水量呈正相关,宁夏回族自治区南部和内蒙古自治区东南部尤为显著;NPP与平均气温呈负相关的像元占比50.49%,相对集中分布在研究区的东南部、西南部边缘;NPP与平均气温的偏相关性低于其与降水量的偏相关性,且两种偏相关性都呈现出显著的空间差异。不同季节,研究区植被NPP变化对气象要素变化的响应各异。春季(3、4和5月),植被对水热的变化最为敏感,春季降水对研究区内NPP促进作用最大,其次是夏季、秋季和冬季;NPP与气温变化呈正相关的区域面积最多的也是春季,其次是秋季、夏季和冬季;冬季,大部分地区的植被停止生长,植被继续生长且有机物不断积累的区域仅占总面积的15.27%。(5)研究时段内,气候变化和人类活动对植被恢复的积极贡献明显大于其对植被恢复的消极作用,气候变化、人类活动以及气候变化和人类活动共同作用造成植被恢复的面积分别占恢复总面积的59.28%、2.68%、38.04%;其三者造成植被退化的面积,分别占退化总面积的2.87%、89.96%、7.17%。此外,不同植被类型受气候变化、人类活动以及二者共同作用所引起的恢复和退化程度不同。
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