河南省植被总初级生产力时空变化格局研究

2022-07-28崔亚琰

农村科学实验 2022年14期

崔亚琰郑辉

（河南大学地理与环境学院，河南开封 475000）

1.引言

全球气候变化与陆地生态系统响应是当前全球变化研究的重要内容,有关地表植被覆盖与环境演变的关系是全球变化中最复杂、最具活力的研究内容。作为生态系统的重要组成部分，植被在保持水土流失、调节大气、维持气候及整个生态系统稳定等方面具有重要的作用。作为连接大气、土壤和水分的自然“纽带”，近年来，植被已逐渐成为全球气候变化研究的敏感指标。植被总初级生产力（Gross primary productivity，GPP）是指单位时间内绿色植物通过光合作用途径所固定的有机碳总量，表征了进入陆地生态系统的初始物质和能量。它是陆地表面固碳的主要驱动力，在全球碳循环中起着重要作用。科学研究地表植被GPP变化特征，对深入理解陆地生态系统与大气之间的碳交换机理、评价陆地生态系统的环境质量以及预估未来气候变化的生态效应等具有重大意义。

河南省位于我国的中原地带，南北过渡性气候明显、地势差异较大河，流众多，故分布着丰富的植被类型。本文以河南省为研究区域，在2001-2018年GOSIF GPP数据的基础上，采用趋势分析、F检验等方法，研究河南省植被总初级生产力分异特征，以期为了解气候变化背景下区域植被生长状况和生物固碳能力、掌握区域生态环境质量、促进生态环境可持续发展提供科学基础和参考依据。

2.材料与方法

2.1 研究区概况

河南省位于华北平原南部的黄河中下游地区。地理坐标：31°23′-36°22′N，110°21′-116°39′E。东连山东、安徽，西邻陕西，北与河北、山西相接，南临湖北；全省总面积16.7万平方公里。河南省地势西高东低，北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏山、大别山沿省界呈半环形分布；中、东部为黄淮海冲积平原；西南部为南阳盆地。河南省南北过渡型气候具有明显特征，南部属亚热带季风气候，中部为温带季风气候。河流众多，以黄河和淮河为主体的水系发达，径流资源丰富。由于河南省地势差异较大，流域分布丰富，故分布的植被种类丰富多样。

2.2 数据来源

本文所用的GPP数据来自美国新罕布什尔大学地球系统研究中心（Earth Systems Research Center University of New Hampshire）发布的2001-2018年的全球GOSIF GPP数据产品（下载网址为：http://globalecology.unh.edu/data/GOSIF-GPP.html），空间分辨率为0.05°，数据格式为GeoTIFF，投影格式为WGS84投影，比例系数为0.1。该数据基于OCO-2的全球SIF产品(GOSIF)以及SIF(太阳诱导叶绿素荧光)和GPP之间的线性关系，以0.05的空间分辨率和8天的时间步长绘制了2001年至2018年期间的全球GPP地图。该数据有助于研究光合作用、碳循环、农业生产和生态系统对气候变化和干扰的反应，为生态系统管理提供信息，并为陆地生物圈和地球系统模型设定基准。本研究通过对该数据进行格式转换、影像裁剪等处理，得到河南省2001-2018年GOSIF GPP年值数据集。

2.3 研究方法

2.3.1 趋势分析

趋势分析法是通过对一组随时间变化的变量进行线性回归分析，从而预测其变化趋势的方法。根据趋势分析法对研究区2001-2018 年GPP数据进行拟合，得到研究区在时间序列上GPP变化趋势Slope。当Slope> 0 时说明处于增加趋势，值越大说明增加的越明显，当Slope< 0 时说明处于减少趋势。

式中：Slope为像元植被GPP回归方程的斜率；GPPi为第i年的年均植被 GPP值；n为研究总年数，本文n=18；i为研究时间段内年份的序号。

2.3.2 F检验

为进一步评价植被覆盖变化状况，采用F检验对GPP变化趋势进行显著性分析，用于表示趋势变化置信水平的高低。

式中：n为研究总年数，本文n=18；i为研究时间段内年份的序号；U为误差平方和；Q为回归平方和；为拟合回归值；为n年平均值；为第年的值。

3.结果分析

3.1 植被GPP空间分布特征

图1显示了2001-2018年河南省植被覆盖区多年平均GPP的空间分布情况。由图可知，河南省植被覆盖分布不均，GPP总体上看，南部高北部底，由南向北递减。GPP的最大值为65535 gC·m-2·yr-1，最小值为2832 gC·m-2·yr-1，整体的均值为12502.47 gC·m-2·yr-1。GPP 较大的区域主要位于豫西山地和河南省的南部，此外中东部的部分地区GPP值也相对较大。GPP较小的区域主要分布在河南省北部及中部地区，这些地区经济发展较快，城市化水平较高，植被覆盖度相对较低。

图1 2001-2018年河南省年均GPP空间分布

3.2 植被GPP时间变化特征

区域内GPP总量的年际变化如图2所示，18年来河南省GPP总体呈波动增长趋势，年增长率为209.63 gC·m-2·yr-1，说明18年中河南省植被情况得到改善。最小值出现在2001年，为9954.70 gC·m-2·yr-1，与平均值相比降低2547.77 gC·m-2·yr-1；最大值出现在2017年，为14554.41 gC·m-2·yr-1，与平均值相比增加2051.94 gC·m-2·yr-1。

图2 2001-2018年河南省GPP年际变化

3.3 植被GPP空间变化特征

为揭示研究期内河南省GPP的空间演变情况，采用Slope趋势分析法计算2001-2018年河南省GPP的变化趋势斜率，如图3所示。由图可知，全省GPP由北向南呈增加趋势。其中，河南省南部、东部和西部部分地区是GPP增长集中区域，这些区域植被增加得益于国家退耕还林、荒山造林、封山育林等政策的实施；中部、北部、东南部以及西南部是GPP减少集中区，这些区域植被资源本底较差、人口密度大、经济发展较快，城市化水平相对较高。根据F检验法得到GPP显著变化情况，如图4所示。由图可以看出，不显著增加零星分布于河南省北部和中部；不显著减少分布于河南省北部、中西部、西南部和东南部的部分地区；显著减少主要集中于河南省中部；全省大部分地区均为显著增加。由显著性检验的结果可知，不显著增加和显著增加分别占全省总面积的2.47%和86.60%；不显著减少和显著减少分别占全省总面积的9.63%和1.30%。