秦巴山地NPP及对气候变化响应的多维地带性与暖温带-亚热带界线

赵 芳, 张久阳, 刘思远, 王增艳,*, 王黎欢, 顾浩婷, 李万隆

1 河南大学环境与规划学院, 开封 475004

2 黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室, 开封 475004

秦岭-大巴山(秦巴山地)地处我国中部,承接青藏高原与东部平原,连接长江流域与黄河流域,是我国的南北过渡带。作为连接中国东西部的唯一一条大尺度生态廊道,秦巴山地影响我国生态地理格局、生物区系演化、自然资源分布[1]。受地理位置、山系分布等综合作用,秦巴山地形成了复杂多样且具有过渡性质的植被体系和气候类型[2-4],导致植被对气候变化响应的复杂性。

植被净第一性生产力(Net Primary Productivity, NPP),是在单位面积单位时间上绿色植被固定的总能量与自身呼吸消耗掉的有机物之差,反映了自然环境条件下植被群落的生产能力[5-6]。研究发现,秦巴山地地表NPP分布及气候响应随经度、纬度等的变化在不同地段呈现一定的规律性[7-8],可表征秦巴山地复杂的生态地理格局。秦岭山地气候和植被区系由南向北发生了明显的变化,气候由亚热带向暖温带过渡,地带性植被从常绿阔叶林逐渐转变为落叶阔叶林[9-13],而地表植被NPP呈现减少的趋势,其中南段大巴山区雨水丰沛、气候适宜,为NPP高值区[14]。秦巴山地植被NPP数值呈现出西高东低的分布,年际变化以上升趋势为主,且大部分地区在波动中表现出较为显著的增长趋势[15-17]。伏牛山NPP东部数值较小,中西部数值较大,随时间推移数值增大[18]。秦巴山地NPP及气候响应随纬度、经度、高度、坡向等多种分异因素的变化呈现的规律性也叫做多维地带性,体现了秦巴山地复杂的地域分异,是造成我国南北分界线位置存在争议,比如秦岭主脊[10, 19]、秦岭南坡[9, 13]和秦岭北坡[11, 20-21]的因素之一。

但是现有关于秦巴山地NPP及其气候响应的研究多集中在单一山体、单一流域,如蒋冲等对陕南汉江流域及大巴山植被NPP变化的分析[14]、李敏等对神农架林区生态系统NPP的估算[22]及陈志超等对伏牛山两侧NPP的分析[18]等,冠名秦巴山地的文献几乎都局限于陕西境内的秦巴山地[23-24],极少将其作为整体进行分析,导致对秦巴山地植被NPP的变化认识不够全面。实际上秦巴山地是一个完整的、由南向北过渡的地域单元,其南部是亚热带,北部是暖温带,植被具有天然的南北过渡性质,研究秦巴山地NPP时空分异及其对气候变化响应的多维地带性,对探索秦巴山地复杂的生态地理格局、评价中国陆地生态系统的复杂性和多样性具有重要的意义[25-26],也可为解决亚热带与暖温带分界线具体位置在哪里的问题提供新的研究思路。

近年来,随着现代对地观测、GIS和遥感技术的发展,秦巴山地的生物地理研究由过去的样点和样区的调查逐渐发展到使用遥感技术对整个区域生物生产力和生物量的调查。基于此,本文使用2000—2015年秦巴山地地表植被NPP遥感数据和气象站点数据,从经度、纬度、高度和坡向等角度分析秦巴山地地表植被NPP及其对气候变化的响应的多维地带性,深入讨论我国南北过渡地带的复杂生态地理格局,为暖温带-亚热带界线的界定提供新的佐证。

1 数据和方法

1.1 数据及处理

1.1.1DEM数据

本研究采用的数字高程模型(DEM)数据(来源于https://earthexplorer.usgs.gov/)空间分辨率为30m,分块下载获取秦巴山地不同区域数据,将原始DEM拼接为一幅完整的秦巴山地高程数据,如图1所示。

图1 秦巴山地DEM和气象站点的分布

1.1.2NPP数据

研究采用的2000—2015年植被NPP数据源于美国NASA EOS/MODIS的MOD17A3产品(http://www.nasa.gov/)。该数据基于的BIOME-BGC生态模型,将卫星获得的土地覆盖、部分光合有效辐射(FPAR)和叶面积指数(LAI)数据作为输入的地表植被信息,模拟获得的全球年NPP数据。该数据与同期MODIS NDVI数据的对比分析显示,二者整体变化趋势一致,且相关性较强,证明该NPP数据和NDVI数据一样具有反映区域内植被覆盖状况和生长情况的能力。其时间分辨率为年,空间分辨率为1km×1km[27]。该数据已在不同区域NPP估算、植被长势、环境评价等研究中得到验证和广泛应用[28-30]。在MRT软件的支持下,将MOD17A3数据进行格式转换(HDF转化为TIFF)、重投影、裁剪、比例换算等,得到单位为gC/m2的年均NPP数据。不过需要说明的是该NPP模拟数据只包括植物地上生产力部分而未包含地下生产力部分,未来仍需要进一步修订。

1.1.3气象站点数据

气象数据来自国家气象信息中心(http://data.cma.cn/)的秦巴山地1951—2017年118个气象站点每日气温和降水数据,经过月均计算得到月均温、月均降水数据,舍去数据缺测的部分站点,实际使用93个气象站点数据,气象站点主要分布在甘肃、陕西、河南、四川、湖北、重庆6个省市(如图1)。

1.2 方法

1.2.1相关分析

相关性分析方法可以直观反映要素间的相关关系。将NPP与气温和降水进行相关分析,根据每个像元的NPP值与气象因子的相关系数Rxy确定NPP与气温和降水之间的关系：

(1)

1.2.2趋势分析

通过一定时间段内(2000—2015年)NPP像元的数值变化,建立基于像元的一元线性回归方程,NPP年际变化速率可以通过该方程的趋势线斜率K来确定,其中：

(2)

K为趋势线斜率,即NPP的年际变化速率,单位为gC m-2a-1；yi表示第i年的NPP值；i=1, 2, 3, …,16；n=16为监测年数。当K>0时,表示秦巴山地NPP呈增加趋势,反之则呈减少趋势。

1.2.3地形因子分析

为了展示秦巴山地NPP与经纬度和地形的关系,本研究选取33.95°N(经过迭山、太白山、蟒岭、伏牛山)、32.67°N(经过雪宝顶、米仓山、十堰市等地区),107.81°E(经过米仓山、汉江、太白山)和110.53°E(经过神农架、武当山、汉江等地区)4条剖面线(如图1)对应像元点的DEM数据和NPP数据,制作出秦巴山地NPP典型剖面线分布图,反映NPP随地形和经纬度的变化。

1.2.4空间统计分析

对气象站点数据进行Kriging空间插值,获得与植被NPP栅格大小一致(1km×1km)、投影方式(D_WGS_1984)相同的气象栅格数据,与秦巴山地NPP进行相关分析研究秦巴山地2000—2015年NPP变化与气温、降水的关系。

为了分析NPP与海拔关系,将秦巴山地DEM数据基于不同海拔进行重分类,分为0—500、500—1000、1000—1500、1500—2000、2000—2500、2500—3000、3000—3500、>3500m共8个级别,统计各分段NPP均值,研究NPP沿海拔梯度的变化。

为了分析秦巴山地NPP及气候响应的地域分异,基于秦岭、大巴山主山脊线和主要河流(嘉陵江、汉江)的位置,将秦巴山地划分为秦岭南坡、秦岭北坡、大巴山南坡、大巴山北坡、西秦岭,分区统计秦巴山地NPP及与气温和降水的相关在秦岭南坡、秦岭北坡,大巴山南坡和大巴山北坡的变化(由于西秦岭复杂的地理结构,本文不做讨论),为南北分界线的确定提供佐证。

2 结果与分析

2.1 秦巴山地地表植被NPP时空格局

根据2000—2015年多年年均NPP分布图(图2),秦巴山地NPP值存在明显的区域差异,总体表现为南高北低,中部高,东西低的特征。其中在岷山以东104°E—105°E之间达到最高值(约700—900 gC/m2),在秦巴山地中部105°E—107°E之间NPP值出现高值集聚区,而在秦岭山脉以东的华山、崤山、伏牛山、熊耳山等地区NPP值仅为100—300gC/m2,以及西部的羊拱山、岷山、迭山等地区NPP值也较低(约200—400gC/m2)。时间尺度上,秦巴山地NPP值随时间变化如表1所示,2000—2015年以轻微变动、基本不变及中度增长为主,占比达92.5%。NPP值中度减少和严重减少的区域主要分布在东部的豫西山地、神农架、武当山地区,而NPP值增加区域主要在秦岭山脉的中段地区。

图2 秦巴山地多年年均NPP的分布图

表1 秦巴山地NPP年变化率分级统计

2.2 秦巴山地地表NPP及其对气候响应的纬向分异

为了更加突出表现NPP及其对气候响应的纬向分异,本文选取两条穿越秦岭大巴山主要山脊线的典型经线107.81°E(西线)和110.53°E(东线),分析秦巴山地NPP的纬向变化,结果如图3所示,NPP总的趋势为：从北向南,随着纬度的降低而逐渐增加。具体来说,西线从34.13°N降低到31.46°N,NPP值由442gC/m2增加到647gC/m2；东线从34.51°N降低到31.03°N,NPP值由220gC/m2增加到576gC/m2。

图3 秦巴山地107.81°E、110.53°E剖面线NPP变化图

沿东西两条经线分别提取NPP与气温、降水的相关系数,其纬向变化如图4、图5所示,西线(107.81°E)从北向南,随着纬度的降低,NPP与降水的相关性逐渐减弱,NPP与气温的关系由负相关逐渐转变为正相关,分界点位于汉江地区,这与汉江两侧山地垂直带结构、类型和分布模式的变化有关[31]。东线(110.53°E)NPP与气温和降水分别呈现弱负相关和正相关,但是在神农架南坡NPP与降水的关系突变为负相关,气温突变为正相关关系。

图4 秦巴山地107.81°E降水、气温与年均NPP的相关系数变化图

图5 秦巴山地110.53°E降水、气温与NPP相关系数变化图

2.3 秦巴山地NPP及对其气候响应的经向分异

为了突出秦巴山地NPP与气候响应的经向分异,本文对秦巴山地沿33.96°N和32.67°N两条纬线的年均NPP与经度的关系进行了研究,由图6可以看出,随着经度的升高,NPP值先增加后减少,在白水江处(105°E)达到峰值,最低值则出现在极高山区、秦岭和大巴山东部。根据两条剖面线上NPP与气温、降水的相关系数分布图,在大巴山一线(图7),除大巴山的西部以及东部的十堰市部分地区,NPP与降水呈正相关,与气温相关性较弱,其中85.0%地区的相关系数都在0.2以下。秦岭一线(图8)除伏牛山以东和西秦岭的部分地区以外,NPP与降水在大部分地区(78.26%)呈正相关,相关性先增加后减少,在蟒岭附近达到峰值(0.49)。而NPP与气温的相关系数随着经度升高由正相关逐渐变为负相关,转折点位于两当县。

图6 秦巴山地年均NPP沿32.67°N和33.96°N剖面线的变化

图7 秦巴山地NPP与降水和气温的相关系数沿32.67°N的变化

图8 秦巴山地NPP与降水和气温的相关系数沿33.96°N 的变化

2.4 秦巴山地NPP及其对气候响应的高程分异

对NPP值按不同海拔进行重分类,发现各海拔分区的年均NPP值随高程的增加,呈现先增加后降低的趋势,NPP均值从453.96gC/m2增加到海拔3000—3500m处达到最大值,为539.87gC/m2,而后开始逐渐降低,至海拔3500—5528m处达到最小值,为435.32gC/m2。将秦巴山地各海拔NPP年均变化率(K)值进行统计分析,发现NPP值在各海拔均呈升高趋势,并且随着海拔升高K值先升高后降低,在海拔0—1500m内K值为1.87gC m-2a-1—3.01gC m-2a-1,在1500—2000m达到最大值(5.07gC m-2a-1),2500m以上K值降低至1.50—2.62gC m-2a-1。

表2 秦巴山地NPP均值和变化率随海拔变化统计

2.5 秦巴山地NPP及其对气候响应的坡向分异

对秦岭南北坡和大巴山南北坡年均NPP值随高度分布的统计结果表明,在不同坡向NPP值随高程的变化存在明显的差异,如图9所示。随高度的增加,大巴山年均NPP值呈现先增加后降低的趋势。比如,大巴山南坡年均NPP值先由500m以下的530.72gC/m2增加到500—1000m的568.70gC/m2,再降低至2000m以上的450—460gC m-2a-1；大巴山北坡先由470.20gC/m2增加至503.47gC/m2再降低至426.33gC/m2；秦岭则呈现更复杂趋势。秦岭NPP先由0—500m的373.96—421.71gC/m2降低至1000—1500m的307.84—384.33gC/m2,再增加到437.44—478.01gC/m2,再降低至274.27—422.72gC/m2。

在海拔2000m以下,从大巴山南坡到秦岭北坡,NPP呈现递减趋势,由494.59—568.70gC/m2降低至373.96—307.84gC/m2；2000m以上,秦岭与大巴山之间的NPP值差异明显减少,比如2000—2500m,大巴山南北坡分别为454.75、429.32gC/m2,秦岭南坡和北坡分别为444.91、379.09gC/m2,各坡向之间NPP值较为相近。

为了突出秦巴山地NPP值的坡向分异,将各坡向NPP变化率均值进行统计,结果如图9所示,2000—2015年秦巴山地各坡向NPP值均呈增加趋势但存在明显的差异,大巴山南北坡增长率分别为2.63、1.72gC m-2a-1,秦岭南北坡增长率分别为3.45gC m-2a-1、2.03gC m-2a-1,秦岭增长较大巴山更为明显。

图9 大巴山和秦岭的NPP变化率分坡向统计

在海拔2000m以下,大巴山北坡增长率明显高于南坡,其中北坡为1.29—3.34gC m-2a-1,南坡为0.12—2.29gC m-2a-1；秦岭南坡增长率明显高于北坡,其中南坡为2.58—6.59gC m-2a-1,北坡为1.34—6.32gC m-2a-1。在海拔2000—3000m,大巴山南北坡差异明显,南坡为1.59—1.85gC m-2a-1,北坡为2.66—3.34gC m-2a-1；但秦岭南北坡的差异较小,南坡为6.02—6.59gC m-2a-1,北坡为6.32—6.45gC m-2a-1。

对NPP与气候因子的相关系数按海拔进行分坡向统计得到图10,结果表明,1000m以下,大巴山地表NPP和气温呈现正相关；在1000—2500m范围内,秦岭地表NPP值与气温呈现负相关,大巴山地区NPP值和气温相关性较弱。秦岭和大巴山地表NPP与降水均呈正相关的关系,且秦岭地区NPP值与降水的相关性整体强于大巴山地区。

图10 秦巴山地年均NPP与气温和降水相关系数按海拔分坡向统计图

3 讨论

3.1 秦巴山地地表NPP及对气候变化响应的多维地带性

秦巴山地地表NPP时空分布及对气候变化的响应在纬向、经向、海拔和坡向等方面具有多维地带性。2000m以下,由南向北,从大巴山南坡到秦岭北坡地表NPP呈现逐渐递减规律,存在明显的纬度地带性。这主要是由于由南向北秦巴山地基带由大巴山南坡的常绿阔叶林,逐渐过渡到大巴山北坡的常绿—落叶阔叶混交林、秦岭北坡的落叶阔叶林[32-33],生物量与叶面积指数的关系在一定范围内成比例正相关,常绿林NPP值一般大于落叶林NPP值[34]。自西向东随经度的增加,NPP值先增加后减少,在白水江自然保护区达到顶峰,呈现经度地带性规律。这与白水江自然保护区的位置有关,这一区域位于青藏高原高寒区、中国东部季风湿润区和西北干旱区三大地理分区的过渡带,既具有亚热带特征带—亚热带常绿阔叶林,又具有青藏高原东缘成分如岷江冷杉为主的暗针叶林及高山灌丛草甸[31,35],加上自然历史的变迁,该地区物种极为丰富,使得秦巴山地白水江自然保护区是山地垂直带分带最多的地区。

随海拔增加,秦巴山地整体NPP值和变化率整体呈先增大后减少的规律,呈现垂直地带性。这与植被垂直分异有关。秦巴山地1000m以下的地区大多被开垦为农耕植被带,植被NPP较少,1000—3500m为山地森林带,植被NPP增多,到3500m以上以高山灌丛、矮曲林和草甸为主[31],植被稀少,植被NPP减少。2000—2015年,秦巴山地各坡向NPP均呈增加趋势,但是秦岭增长较大巴山更为明显。2000m以下,秦岭南坡增长率明显高于北坡,但是大巴山北坡增长率明显高于南坡,2000—3000m,秦岭南北坡差异较小,但是大巴山南北坡差异明显,这与赵芳等[31]提出的大巴山比秦岭对秦巴山地植被的地带性分异的影响更强的结论一致。

3.2 暖温带-亚热带界线问题

以汉江为界,秦岭和大巴山无论是NPP均值分布、南北坡对比,还是对气候因子的响应都呈现明显的差异。中山地区(1000—2500m),秦岭NPP与气温呈负相关,而大巴山则呈现正相关或弱相关；秦岭地区NPP与降水的相关性整体强于大巴山地区。这与先前蒋冲[14]、李敏[22]、陈志超[18]等作者在陕南、神农架、伏牛山等地的研究结果对应。汉江作为中山地区NPP与气温相关性由正相关性到负相关的转折点,降水由弱相关到正相关的转折点,是秦巴山地极为重要的界线,即暖温带-亚热带界线。这就意味着一方面全球变暖将对中山地区秦岭植被产生不利影响,而对大巴山有利,另一方面降水的增多则更有助于秦岭植被的生长。这也暗示了降水是秦岭植被的限制性因子,降水对秦岭的影响强于温度,这与方精云等[36]提出的秦岭是因为降水的不足而形成的假定的南北分界线的结果一致。这也使得汉江成为气温影响的重要界限,汉江以南气温变暖有利于植被生长,汉江以北则相反,而降水的增多则对汉江以北植被生长起到较大的促进作用。

之前的研究者多使用气候和植被来界定这一界线问题,而本文则为其提供了一种新的方法、新的佐证。由于地带性是大尺度问题,先前的研究常使用大尺度指标,比如水平地带的植被和气候的分异来界定,而本文将地表植被NPP值引入秦巴山地气候响应研究,从多维角度分析NPP的时空格局与气候变化的关系,揭示秦巴山地地理和生态的过渡性和复杂性,为暖温带-亚热带分界线的确定提供了一种新的方法和新的论据。未来还需要结合南北过渡地带不同尺度植被、气候和土壤等分异进行系统的研究。

4 结论

本研究基于GIS与遥感技术,利用MODIS遥感影像及气象站点数据,对秦巴山地2000—2015年NPP时空变化进行动态监测,利用气温、降水数据对秦巴山区NPP的时空特征进行分析,以此研究秦巴山区NPP对气候变化的多维响应,主要研究结论如下：

(1)秦巴山地地表NPP存在明显区域差异,整体表现为南高北低,中部高东西低。2000—2015年秦巴山地NPP在秦岭山脉中段的大部分地区增加明显,而在豫西山地、神农架、武当山地区NPP存在一定程度的减少。

(2)自南向北随着纬度的增加,秦巴山地地表NPP值呈递减趋势,其中2000m以下的中低山地区表现更为显著,呈现纬度地带性。地表NPP与温度的关系由负相关变为正相关,转折点出现在汉江。自西向东随经度的增加,NPP值先增加后减少,秦岭一线地表植被NPP与温度由正相关变为负相关,与降水主要呈正相关,相关性先增加后减少。

(3)随海拔增加,秦巴山地NPP值和变化率均呈先增大后减少的趋势,但秦岭和大巴山不同坡向地表NPP时空分布及对气候变化的响应呈现明显的差异。2000—2015年,秦巴山地各坡向NPP均呈增加趋势,但是秦岭增长较大巴山更为明显。2000m以下,秦岭南坡增长率明显高于北坡,大巴山北坡增长率明显高于南坡；2000—3000m,秦岭南北坡差异较小,但是大巴山差异明显。中山地区(1000—2500m),秦岭NPP与气温呈负相关,而大巴山则呈现正相关或弱相关；秦岭地区NPP与降水的相关性整体强于大巴山地区。