粤北山地城市植被净初级生产...布特征分析——以韶关市为例_陈斌.pdf
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1、粤北山地城市植被净初级生产力时空分布特征分析 以韶关市为例陈 斌1,2,徐尚昭1,2,周阳阳1,2,徐锋良1,2,王晨光1,2(1.核工业二九研究所广东省环境保护核辐射追踪研究重点实验室,广东韶关 512029;2.广东省放射性生态环境保护工程技术研究中心,广东韶关 512029)摘要 目的探究粤北山地城市植被固碳能力与地形因子之间的耦合关系。方法基于韶关市 30 m DEM 数据及 20002015 年MOD17A3H 长时间序列植被净初级生产力(NPP)数据,采用差值法、变化率分析法和 GIS 空间分析方法,对近 16 年来韶关市 NPP 时空变化特征进行分析。结果20002015 年韶关
2、市 NPP 整体呈现出东北西南走向高、东南和西北偏低的空间分布态势,其中翁源县植被 NPP 年均值最高,为 658.71 g/(m2 a),新丰县和南雄市次之,而乳源瑶族自治县 NPP 年均值最低,仅为 507.47 g/(m2 a)。16 年间韶关市植被 NPP 年际均值在 539.15698.88 g/(m2 a),其中,NPP 在500600 g/(m2 a)占比最高,为 30.72%。20002015 年韶关市植被 NPP 整体呈现增加态势。韶关市植被 NPP 均值随海拔和坡度升高呈现先增加后减小的态势,在高山(1 500 m)、垂直坡(50)区域范围到达最小值,分别为 324.19、
3、484.48 g/(m2 a)。韶关市植被 NPP 在不同高程、坡度区域呈现出较大差异性,这表明 NPP 受到不同高程和坡度条件下的气温和降水等地理要素影响较为显著。结论该研究成果可为揭示丹霞山地城市生态系统植被固碳能力、区域生态环境质量综合评价和生态可持续发展提供重要理论参考。关键词 MOD17A3H;植被;净初级生产力;时空分布特征;粤北山地中图分类号 Q948 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2023)03-0062-05doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.014 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Spatial and Temp
4、oral Distribution Characteristics of Vegetation Net Primary Productivity in Mountainous Cities in Northern Guang-dongA Case Study of Shaoguan CityCHEN Bin1,2,XU Shang-zhao1,2,ZHOU Yang-yang1,2 et al(1.Research Institute No.290,CNNC,Guangdong Provincial Key Laborato-ry of Environmental Protection and
5、 Nuclear Radiation Tracking Research,Shaoguan,Guangdong 512029;2.Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center of Radioactive Eco-environmental Protection,Shaoguan,Guangdong 512029)Abstract ObjectiveTo explore the relationship between the carbon sequestration capacity of mountainous ci
6、ties in northern Guangdong and topographical factors.MethodBased on 30 m DEM data of Shaoguan City and MOD17A3H long time series vegetation net primary productivi-ty(NPP)data from 2000 to 2015,the temporal and spatial change characteristics of Shaoguan NPP in recent 16 years were analyzed by using d
7、ifference method,change rate analysis method and GIS spatial analysis method.ResultFrom 2000 to 2015,the NPP in Shaoguan City showed a distribution trend of high northeast-southwest trend and low southeast and northwest.Among them,the annual average NPP of Wengyuan County was the highest,being 658.7
8、1 g/(m2 a),followed by Xinfeng County and Nanxiong City,while Ruyuan Yao Autonomous County had the lowest average annual NPP,only 507.47 g/(m2 a).During the 16 years,the interannual mean value of vegetation NPP in Shaoguan City was 539.15-698.88 g/(m2 a).Among them,the largest proportion of NPP inte
9、rval values between 500-600 g/(m2a)was 30.72%.From 2000 to 2015,the overall NPP in Shaoguan City showed an increasing trend.The average NPP of the vegetation in Sha-oguan City increased first and then decreased with the elevation and slope.It reached the minimum value in the range of the vertical sl
10、ope(50)in the high mountains(1 500 m),which were 324.19,484.48 g/(m2a).The vegetation NPP in Shaoguan City showed great differences in different elevations and slopes,which indicated that NPP was significantly affected by geographical factors such as temperature and precipitation under different ele
11、vations and slopes.ConclusionThe research results can provide important theoretical references for re-vealing the carbon sequestration capacity of urban ecosystems in Danxia Mountain,comprehensive assessment of regional ecological environ-ment quality and ecological sustainable development.Key words
12、 MOD17A3H;Vegetation;Net primary productivity(NPP);Spatial and temporal distribution characteristic;Northern Guangdong Mountains基金项目 广东省海洋遥感重点实验室(中国科学院南海海洋研究所)基金项目(2017B030301005-LORS2009);核工业二九研究所科研创新项目(202003)。作者简介 陈斌(1992),男,安徽桐城人,工程师,硕士,从事土地利用/覆被变化与景观生态学研究。通信作者,高级工程师,从事土地利用及国土空间规划研究。收稿日期 2022-04
13、-06 植被净初级生产力(NPP)是指绿色植物在单位时间、单位面积上由光合作用所产生的有机物质总量中减去自养呼吸消耗之后剩下的部分1-3,它是植被固碳能力的最直观反映,是生态系统物质和能量的来源,也是生物地球化学碳循环过程的重要组成部分4-6。NPP 在不同时空尺度上存在一定差异,这种差异会影响区域乃至全球生态系统碳循环过程7-8,因此探讨区域植被 NPP 时空变化特征已成为区域生态环境质量综合评价中的重要研究内容。随着地理学遥感技术的快速发展,利用遥感卫星数据开展植被 NPP 估算及时空变化特征分析的研究并不少见。在NPP 估算研究方法上,多以生产力潜力模型、生态系统过程模型和光能利用率模型
14、 3 种为主5,9-11,如孙成明等12-13利用归一化植被指数和气候数据,对我国草地 NPP 进行了综合估算;冯益明等14利用 CASA 生态系统过程模型对我国干旱区生态系统 NPP 进行了估算;史晓亮等15基于光能利用率模型对松嫩平原玉米单产进行了估算;周磊等16基于光能利用率模型对河南省冬小麦单产产量进行了估算。在研究尺度上,多集中以较大空间范围和较短时间序列 NPP 时空变化分析为主17-19,且对植被 NPP 时空变化分析也多集中在 2010 年前后,如李燕丽等20利用光能利用率模型对广西 20002011 年植被 NPP 进行估算,并对其时空变化特征进行了系统分析;潘竟虎等21利用
15、光能利用率 CASA 模型对疏勒河流域 20012010 年陆地生态系统 NPP 时空变化特征与气候因子之间的关系进行了探讨。从研究对象上来看,现 安徽农业科学,J.Anhui Agric.Sci.2023,51(3):62-66,71有研究多集中在黄土高原、青藏高原和内蒙古等地区22-26,对珠三角地区尤其是粤北山地城市植被 NPP 开展长时间序列和系统性研究尚较缺乏。韶关市是我国典型的丹霞山地城市,位于粤湘赣交界处,也是粤北重要的生态文明建设试点区和保护区。韶关境内主要以山地丘陵为主,发育有世界规模第一的丹霞山,土壤主要以红色砂砾岩为主,由于境内春夏雨季时间长,水土流失较为严重,生态环境相
16、对脆弱。基于上述分析,该研究基于MOD17A3H 产品数据和 DEM 地形数据,借助变化率分析方法及相关分析法对韶关市20002015 年植被NPP 时空变化特征及其与地形因子之间的关系进行深入探讨,以期能为粤北地区生态环境质量综合评价和资源可持续发展提供借鉴和参考。1 资料与方法1.1 研究区概况韶关市位于广东省北部(11250 11445E、23052531N),辖三区七县(图 1),外接湘赣,内联珠三角,是我国南方重要的交通要塞,素有广东省“北大门”之称。辖区总面积 1.84104 km2,地形以山地丘陵为主,位于南岭山脉南侧,全境在大地构造上处于华厦活化陆台的湘粤褶皱带。研究区属于中亚
17、热带季风气候,雨热同期,年平均气温 19.5,无霜期达 290320 d,年降水量 1 800 mm左右,降雨多集中在 38 月。韶关境内河网纵横,分布有浈江、武江、南水、滃江等河流,韶关作为粤北重要的生态文明建设保护区,不仅是国家级园林城市和生态文明建设试点地区,也是粤北重要的生态文明建设保护区和生态发展区,更是全国交通枢纽城市之一。此外,由于韶关境内有着丰富的铀、铅、锌、铜等矿产资源,故韶关市也享有“有色金属之乡”的美誉。图 1 研究区高程Fig.1 Elevation of study area1.2 数据来源 研究区 20002015 年植被 NPP 时间序列数据来源于美国国家航天航空
18、局(NASA)的陆地过程分布式数据档案中心,其中 NPP 数据为 MOD17A3H 产品数据集,空间分辨率为 500 m,时间分辨率为 1 年。该数据借助了新的生物调查表和全球模型融合气象数据对 NPP 进行模拟,相比于传统空间分辨率 1 km 的 MOD17A3H 产品分辨率更高。研究区 DEM 地形数据来源于地理空间数据云平台(https:/ 30 m,利用 GIS 空间分析工具从 DEM 中提取地形起伏度和坡度等地形因子,以便与研究区长时间序列 NPP 数据进行空间叠加分析。1.3 分析方法1.3.1NPP 时空变化分析。采用差值法比较研究区 NPP的年际间变化。差值法是将同一区域不同时
19、段的栅格图像相减,用差值来表征 NPP 年际间变化特征,计算公式如下:Dij=NPPt2ij-NPPt1ij(1)式中,Dij表示第 i 行第 j 列像元亮度的差值;NPPt1ij和 NPPt2ij分别表示 t1、t2这 2 个时相的第 i 行 j 列像元的 NPP 值;t1、t2为前后 2 个时间点;i、j 为第 i 行 j 列像元的位置。采用最小二乘法分析研究区 NPP 变化率,它能反映研究区连续时间段内 NPP 变化速率,计算公式如下:v=nni=1(iNPPi)-ni=1ini=1NPPinni=1i2-(ni=1i)2(2)式中,n 为研究时段总年数;NPPi为第 i 年的 NPP
20、值(i=1,2,3,n);v 为 NPP 在时间序列上的变化斜率,当 v0,表明NPP 年变化速率呈增大趋势,数值越大,增加趋势越明显,当v0 时,表明 NPP 变化率呈下降趋势,数值越小,减少趋势越明显。韶关市近 16 年间 NPP 变化程度用百分比表示,计算公式如下:NPPchange=vNPPn100%(3)式中,NPPchange表示 NPP 变化百分比;v 为公式(2)计算得到的 NPP 变化斜率;NPP 为研究区 16 年间 NPP 均值;n 为 16。1.3.2 NPP 与地形因子相关性分析。为进一步探讨韶关市植被 NPP 与地形(高程和坡度)因子之间的耦合关系,参照研究区高程和
21、坡度的划分标准(表 1),计算各高程和坡度分级内植被 NPP 均值、总量和标准差。不同分级下的 NPP 平均值计算公式如下:ANPPi=nj=1ANPPijn(4)在此基础上,通过上式可进一步计算得到各分级内植被NPP 的标准差:Si=nj=1(ANPPij-ANPPi)2n-1(5)式中,i 为高程或坡度的第 i 个分级;n 为该分级的像元数目;ANPPij为第 i 个分级中第 j 个像元对应的多年平均 NPP 值。2 结果与分析2.1 韶关市植被 NPP 空间分布特征 借助 ArcGIS 空间分析工具对 20002015 年韶关市 MOD17A3H 数据进行均值分析,得到近 16 年间研究
22、区植被 NPP 均值空间分布图(图 2)。从图 2 可以看出,近 16 年间研究区植被 NPP 均值在空间上3651 卷 3 期 陈 斌等 粤北山地城市植被净初级生产力时空分布特征分析呈现出较大的差异性,这一特征在沿江地区尤为明显,浈江为北江上游的主要支流,呈东北西南流向,沿江两岸年NPP 均值明显高于周边地区,且 NPP 均值整体呈现东北、东南高,中部和西部偏低的态势。其中 NPP 均值低值区多集中分布在韶关市中心城区,而高值区多集中分布在南雄市、乳源瑶族自治县等多山县(市、区)。这主要与研究区气候、地形、降水和人为活动密切相关,高山高海拔地区,由于人类活动影响较小,气候垂直地带性差异明显,
23、降水较多,故 NPP均值高值区多分布于此;而平原低海拔地区,由于人类活动开发强度大,植被丰度低,故 NPP 低值分布于此。总之,NPP均值在空间上的差异性是气候、降水、地形以及人类活动综合影响下的产物。表 1 地形因子区间划分Table 1 Division of terrain factor intervals地形因子Topographical factor区间划分Interval division划定名称Designation 划定依据Delineation basis高程 Altitude5001 000 m低山地区1 0001 500 m中山地区1 500 m高山地区坡度 Slope5
24、15斜坡地区1525陡坡地区2535急坡地区3550急陡坡地区 50垂直坡地区图 2 20002015 年韶关市植被 NPP 均值空间分布Fig.2Spatial distribution of NPP mean value of vegetation in Shaoguan City from 2000 to 2015 由研究区行政边界矢量数据分区统计得到 20002015年韶关市各县(市、区)植被 NPP 均值(表2),由表2 可知,近16 年 间 韶 关 市 各 县(市、区)植 被 NPP 均 值 均 在500.00 g/(m2 a)以上,其中翁源县、新丰县和南雄市 NPP 均值较高,分
25、别为 658.71、637.20 和 633.09 g/(m2 a),而乳源瑶族自治县 NPP 均值最低,仅为 507.47 g/(m2 a),其次为浈江区和武江区,NPP 均值分别为 558.84、569.81 g/(m2 a)。这是由于翁源县、南雄市等地山地较多,且呈集中连片分布,植被长势较为茂盛,故 NPP 均值偏高,而浈江区和武江区位于韶关市中心城区,土地开放强度较大,植被受人类活动影响显著,故年 NPP 均值低于其他片区。表 2 20002015 年韶关市各县(市、区)植被 NPP 年均值Table 2 Annual mean NPP of vegetation in countie
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