中国潜在植被净初级生产力的空间分布模拟

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摘要

在对1980年以来气候要素进行空间化的基础上，利用分类回归树模型CART计算中国的潜在归一化植被指数(NDVI)，采用改进的光能利用率模型(CASA)和潜在NDVI数据对中国的潜在植被净初级生产力(NPP)进行模拟。结果表明：中国潜在NDVI和潜在NPP均呈现出南高北低、东高西低的格局，低值多分布在沙漠、戈壁等干旱地带，高值多出现在低、中山平原区；400mm等降水量线是潜在NDVI和潜在NPP高值与低值的分界线；全国潜在NDVI和潜在NPP的平均值分别为0.396和319.31gC・m-2；夏季潜在NPP的平均值最大，其次是春季，冬季最小；依据潜在NPP与2015年现实NPP的差异，可将中国植被恢复区划分为西部高潜力区、北部低潜力区和南部非潜力区3部分；潜在NDVI和潜在NPP的空间模拟可以将人类活动对自然生态系统的直接影响与气候变化的影响分离，量化了外界压力下真实的生态状况和潜在生态状况的差异，为制定差别化的生态恢复对策提供了科学依据。

关键字：潜在NPP；潜在NDVI；潜在植被；分类回归树；CASA模型

引言

随着工业化、城镇化的推进，人类对生态系统的干扰不断加剧，持续恶化的生态环境状况与人民日益增长的优美生态环境需要间的矛盾愈发突出。另一方面，随着人类活动对自然生态系统的直接影响越来越显著，气候变化对自然生态系统的影响也越来越难以从中分离出来。过去几十年来，气候变化对中国自然生态系统分布、生产力、服务功能等已经造成了可辨识的影响。揭示气候变化和人类活动背景下中国自然生态系统的响应，成为地理学、生态学和环境科学研究的热点。党的“十九大”指出建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，提出要实施重要生态系统保护和修复重大工程。只有掌握了人类对生态系统带来的损害和区域生态修复面临的压力，才能提出针对性的政策措施，确保将人为的影响控制在生态承载能力限度之内，实现真正的可持续发展。在这种背景下，作为分离人类活动，寻求气候模式下真实植被发育状况的潜在植被研究，越来越得到学术界的重视。潜在自然植被的净初级生产力(potentialNPP,PNPP)是指在没有人类干扰的情况下盛行植被的净初级生产力。目前，PNPP已经成为国内外学者新的关注点，PNPP的模拟也成为植被—气候关系研究中的重要内容。PNPP的研究可为合理预测未来气候变化和人类活动对自然生态系统的不利影响，进而有针对性地采取措施以减缓、适应这种变化，保护和恢复自然生态系统提供科学参考。

研究内容

01

潜在NDVI的空间分布

由图1可知，潜在NDVI值整体呈现出南高北低、东高西低的格局。与中国地貌区划进行叠置分析发现：全国潜在NDVI的平均值为0.396。潜在NDVI的最低值(<0.088)主要分布在塔里木盆地、柴达木盆地的西北部和新甘中平原的北部。次低值(0.088~0.132)多集中在柴达木盆地外围、新甘中平原大部和帕米尔高原、喀喇昆仑山及昆仑山沿线。最高值(<0.709)集中在粤贵低山平原、浙闽低中山、小兴安岭低山、贵湘赣低中山、长江中游平原低山的中东部、华东低平原南部、滇西南高中山南部和雅鲁藏布江大峡谷。次高值(0.692~0.709)主要位于秦岭大巴山高中山、滇西南高中山及华北华东低平原。第三层级(0.648~0.691)占据整个四川盆地、川西南大部和滇中中高盆地、鄂黔滇中山和粤贵低山平原。由此可知，良好的气候条件控制下的低、中山平原地区植被恢复的可能性较大，而对于自然荒漠地带，恶劣的气候条件仍然促使其植被覆盖度向低发育，自然恢复难度极大。由于NDVI可表征植被覆盖度，强降水、高气温和低蒸散有利于植被的发育，只决定于气候因素的潜在NDVI对50mm、400mm和1400mm等降水量线表现出了很强的关联度（图1）。由图1可知，除华北、华东低平原中南部地区外，其余的最高值均出现在降水量大于1400mm以上的地区，降水量低于50mm以下的区域几近包括潜在NDVI的全部最低值(<0.088)。总体来看，从大兴安岭到喜马拉雅山脉的中国400mm等降水量线也恰好是高潜在NDVI区和低潜在NDVI的分界线。

图1 年潜在NDVI空间分布图

02

潜在NDVI与2015年实际NDVI的差异分析

如何才能区分在正常的气候条件下各区域植被可恢复性的空间差异（人类活动给植被带来的正／负影响）？为便于分析，本文选择了最近年份2015年的现实NDVI值，试图从潜在NDVI与现实NDVI的差异来剖析这一问题。定义潜在NDVI值与现实NDVI值的差值与现实NDVI值的比值为“差异率”。依据差异率，可将正常气候条件下植被恢复的可能性划分为７个等级：不可恢复区(差异率<-30%)、极难恢复区(-30%~-20%)、难恢复区(-20%~-10%)、无效区(-10%~10%)、易恢复区(10%~20%)、极易恢复区(20%~30%)和完全可恢复区(>30%)。从图2可以看出，不可恢复区基本上与沙漠、戈壁的空间分布高度吻合。塔克拉玛干沙漠外缘和河西走廊的斑块状不可恢复区与水浇灌溉地高度吻合，绿洲丰富的水资源浇灌人为地改善了植被覆盖状况，而仅凭自然条件难以做到。青藏高原、祁连山区、青藏高原外缘地区亦有零星的不可恢复区，其地表覆盖主要是冰川、永久积雪和裸岩石砾地。极难恢复区多环绕在不可恢复区周边且大部位于西北地区、青藏高原的四川部分和内蒙古高原等气候较恶劣的地区，若只依赖气候对植被的自然发育，显然很难恢复。难恢复区在全国范围内呈无规律性的均匀分布。无效区在东南沿海分布较多，在西部则呈现不规则的斑块状。易恢复区在中国南部形成了横贯云贵高原 — 长江中下游平原西南部的带状区域，还零散分布在鲁东南山地丘陵、长白山西麓、阴山，这些区域可能是由于潜在蒸散略小带来的高潜在NDVI值所致。完全可恢复区主要集中于内蒙古高原的西缘、昆仑山脉及天山山脉和阿尔金山沿线、准噶尔盆地，这些沙漠边缘地带存在大规模的滥垦现象，土壤肥力不高且很难得到精耕细作，产量低下，部分撂荒土地很快被沙化。滥牧也使牧草植株变稀矮化，牲畜踩踏造成地表结构风蚀沙化。珠三角地区成为南方地区唯一一块完全可恢复区。极易恢复区零星分布于青藏高原、完全可恢复区的外围和小兴安岭与长白山山麓。

图2 潜在NDVI与2015年实际NDVI的差异率分布图

03

潜在NPP的空间分布

由图3可知，气候发育而来的PNPP值在整个季风区几乎都能达到400gC・m-2以上。以内蒙古阿尔山—西藏错那一线为界，东侧的PNPP值基本都大于400gC・m-2，而西侧的PNPP值则多小于400gC・m-2。PNPP最高值(800gC・m-2)主要分布在降水丰裕、气温较高、蒸散略低的季风气候控制下的东北平原、华北平原、长江中下游平原和粤桂低山平原以及云南高原。同处季风区的贵州高原和四川盆地却受制于阴雨连绵所致的日照不足带来的低植被光合有效辐射吸收比，PNPP值难以达到800gC・m-2以上。此外，位于东北地区西拉木伦河流域内的科尔沁沙地PNPP值较其周围地区要低(200~400gC・m-2)，形成了较为明显的黄色低值斑块。

全国PNPP的平均值为468.94gC・m-2。大量的低生产力土地使得中国西北地区和青藏高原的PNPP值整体偏低(<400gC・m-2)，然而，新疆伊犁河谷“三山夹两谷”的特殊地形，降水量较高，从而导致其PNPP值明显高于周边地区。天山、阿尔金山和昆仑山脉沿线PNPP值甚至低于1gC・m-2。塔克拉玛干沙漠中西部、柴达木盆地沙漠中西部和巴丹吉林沙漠北部等地的PNPP值也低于1gC・m-2。其他戈壁、沙地或因人类活动形成或扩张(如古尔班通古特沙漠西缘、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地)，或只有不到200mm的少量降水(如古尔班通古特沙漠东部、柴达木盆地沙漠东部等)，在潜在气候条件下，这些地区被认为可能发育少量的旱生植被，但其生产力并不高，只可能产生100gC・m-2以下的NPP值。400mm等降水量线西部地区的PNPP空间分布比较规律，从无PNPP分布的沙漠地区逐步向南北方向增加，有明显的层次性。

图3 PNPP空间分布图

由图4可以看出，夏季PNPP的平均值最大，为554.08gC・m-2，其次是春季(177.72gC・m-2)，再次是秋季(165.62gC・m-2)，冬季PNPP的平均值最小，仅57.78gC・m-2。潜在气候条件下，有机质的积累时期仍以夏季为主，且东北地区尤为明显。冬季中国大部分地区植被枯萎，叶绿素消失或降到很低，植被光合利用率达到最低，PNPP积累量最少，主要的贡献量来自云贵高原和海南岛。在气温的控制下，大部分区域的PNPP有显著的变化，即春夏增加，秋冬减少，只有西北地区、青藏高原西部、云南高原、海南岛的PNPP并未随季节变迁产生明显变化，这与它们所处地区的气候条件密切相关。

图4 不同季节PNPP空间分布图

04

潜在NPP与2015年实际NPP的差异分析

将模拟的PNPP与2015年现实NPP进行对比分析，从表1可以看出，PNPP面积占比最多的层级为高值区和极高值区，可达42.7%，最少为非植被区和极低值区，约为16.1%，其值整体偏高；而2015年现实NPP在高值区与极高值区占比最少，只有15%，2015年大面积的低生产力土地完全无NPP产生，非植被区和中低值区成为占比最多的两个层级(合计占46.5%)，其值整体偏低。

表1 PNPP与2015年NPP不同层级面积占比

绘制110°E经线的剖面图(图5)来分析PNPP与2015年现实NPP在各植被分区内的变化情况，以便更详细地了解不同植被在潜在情况下的发育差异。从图5可以看出，沿着110°E经线，植被自北向南从草原、阔叶林逐渐过渡到雨林，NPP值也随之增加。其中，温带草原分布范围最小，其NPP值也最低，均低于300gC・m-2，PNPP值自北向南无较大变化，而现实NPP值略有增加，说明温带草原植被的生产能力相对偏低。暖温带草原NPP值自北向南逐渐增加，在500km以南增长的趋势较为明显。暖温带落叶阔叶林带自北向南持续缓慢增长，现实NPP较PNPP增幅更为显著，在800km左右，现实NPP值出现一个不同于PNPP的明显的低谷，主要原因是延安东南部存在大量的灌丛。亚热带东部湿润常绿阔叶林分布面积最大，现实NPP值自北向南先降低后增加，PNPP值先增加后在500gC・m-2上下波动，在1300~1800km(云贵高原)之间两者相近，部分区域的PNPP值甚至超过现实NPP值。NPP和PNPP的最大值均出现在热带东部偏湿性季雨林、雨林，PNPP值的增幅显著大于现实NPP值，在110°E最南端(海南岛)达到峰值。由此可知，暖温带落叶阔叶林的固碳能力并不高，其潜在植被固碳也最低，在气候控制下，这些地区的潜在植被长势并不会更好。而温带草原和暖温带草原发育潜力也不大，亚热带东部湿润常绿阔叶林和热带东部偏湿性季雨林、雨林的潜在植被固碳空间则较大。从另一方面也反映出，固碳能力高的植被类型比较容易受到干扰，其发育潜力比固碳能力低的植被要大。

图5 基于110°E剖面线的NPP和PNPP比较图

从图6来看，以贺兰山—云岭和秦岭—淮河为界，依据差异率可将全国划分为3大部分：西部高潜力区，北部低潜力区和南部非潜力区。西北干旱区及青藏高寒区生态系统脆弱，大面积低生产力土地在单纯气候影响下，被认为可能产生1~400gC・m-2不等的NPP值，相较2015年0~100gC・m-2 的NPP有显著的增长。南部非潜力区除珠三角地区由于建成区扩张带来的现实NPP下降外，大部分区域现实NPP略高于或等于PNPP，人类活动并未降低该区域植被的固碳能力。北部低潜力区虽不及西部，但大部分区域，尤其是人类活动规模较大的区域仍存在一定的植被固碳潜能。差异率最低(<-50%)的区域集中分布在河西走廊、柴达木盆地西南部以及新疆的绿洲地带，灌溉会改变当地植被的生长条件，有利于植物的生长和有机质的积累。云贵高原、四川盆地和雅鲁藏布江大峡谷的差异率略低。四川盆地分布有大面积肥沃的耕地，其现实NPP值虽不及周围林草地，但仍相对较高，而该地的PNPP在适宜植物的气候条件下却因较低的日照而大打折扣，植物固碳能力降低。云贵高原本身潜在NDVI值较低，雅鲁藏布江大峡谷的PNPP只有200~400gC・m-2不等，而其现实NPP可达800gC・m-2以上，究其原因是蒸散发的影响，该地区实际蒸散量只有0~400mm不等，潜在蒸散量却可达1000mm，致使该地区的水分胁迫因子较大，PNPP值略低。

图6 PNPP与实际NPP的差异率空间分布图

结语

中国PNPP的研究起步较晚，尚缺少统一、规范、普适化的方法，全国范围的研究案例亦鲜见报道。本文运用空间模型进行了潜在NDVI和PNPP的空间模拟，实现了将人类活动对自然生态系统的直接影响与气候变化的影响分离，有利于定量分析气候变化和人类活动对自然生态系统的影响，量化了外界压力下真实的生态状况和潜在生态状况的差异，为制定差异化的生态恢复和重建对策提供了科学依据。

本文发表于《生态学杂志》2020年第39卷第3期，欢迎阅读、引用。

封面照片：大花猫摄于兰州市榆中县官滩沟。

引用：潘竟虎，徐柏翠. 中国潜在植被 NPP 的空间分布模拟 [J]. 生态学杂志，2020,39（3）：DOI：10.13292/j.1000-4890.202003.030.

策划：大花猫

编辑：徐柏翠、赵诚诚

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