粤北山地城市植被净初级生产力时空分布特征分析

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2000—2015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］2000—2015年韶关市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539.15～698.88 g/（m2·a），其中，NPP在>500～600 g/（m2·a）占比最高，为30.72%。2000—2015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、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 Q 948  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）03-0062-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.014

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Vegetation Net Primary Productivity in Mountainous Cities in Northern Guangdong—A Case Study of Shaoguan City

CHEN Bin1，2，XU Shang-zhao1，2，ZHOU Yang-yang1，2  et al

（1.Research Institute No.290， CNNC， Guangdong Provincial Key Laboratory of Environmental Protection and Nuclear Radiation Tracking Research，Shaoguan，Guangdong 512029;2.Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center of Radioactive Eco-environmental Protection，Shaoguan，Guangdong 512029）

Abstract ［Objective］To explore the relationship between the carbon sequestration capacity of mountainous cities in northern Guangdong and topographical factors.［Method］Based on 30 m DEM data of Shaoguan City and MOD17A3H long time series vegetation net primary productivity （NPP） data from 2000 to 2015， the temporal and spatial change characteristics of Shaoguan NPP in recent 16 years were analyzed by using difference method， change rate analysis method and GIS spatial analysis method.［Result］From 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 658.71 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 interval values between >500-600 g/（m2·a） was 30.72%. From 2000 to 2015， the overall NPP in Shaoguan City showed an increasing trend.The average NPP of the vegetation in Shaoguan City increased first and then decreased with the elevation and slope. It reached the minimum value in the range of the vertical slope （>50°） in the high mountains （>1 500 m）， which were 324.19，484.48 g/（m2·a）. 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 elevations and slopes. ［Conclusion］The research results can provide important theoretical references for revealing the carbon sequestration capacity of urban ecosystems in Danxia Mountain， comprehensive assessment of regional ecological environment quality and ecological sustainable development.

Key words 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）；核工业二九〇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 2022-04-06

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2000—2011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］利用光能利用率CASA模型对疏勒河流域2001—2010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2000—2015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（112°50′～114°45′E、23°05′～25°31′N），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1.84×104 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。研究区属于中亚热带季风气候，雨热同期，年平均气温19.5 ℃，无霜期达290～320 d，年降水量1 800 mm左右，降雨多集中在3—8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。

1.2 数据来源

研究区2000—2015年植被NPP时间序列数据来源于美国国家航天航空局（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：//www.gscloud.cn/），空间分辨率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

1.3.1 NPP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=n×ni=1（i×NPPi）-ni=1ini=1NPPin×ni=1i2-（ni=1i）2（2）

式中，n为研究时段总年数；NPPi为第i年的NPP值（i＝1，2，3，…，n）；v为NPP在时间序列上的变化斜率，当v＞0，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v＜0时，表明NPP变化率呈下降趋势，数值越小，减少趋势越明显。