2.2 研究区NPP时间变化及其影响因子
2001—2018年锡林郭勒草原生长季NPP呈增加趋势,但年际波动较大,NPP的离散度较高,年际变化趋势受温度和降水的共同作用。NPP低于200 gC/(m2·a)发生在2001年、2007年、2009年,分别为191.448,174.922,198.87 gC/(m2·a); 这几年的降水量都低于历年平均水平,而温度却比较高,除2009年没有达到峰值外,2001年、2007年生长季的平均温度远高于相邻年份。18 a里NPP共出现4次最大值,除2008年相对较低外,2003年、2012年、2018年都高于280 gC/(m2·a),2012年达到极大值,为316.29 gC/(m2·a); 这些年份生长季累积降水量都比较高,平均温度较低。2008年NPP较低的原因可能与这一年生长季的平均温度较高,降水量虽然高于相邻年份,但蒸散发强度较大,植被可利用水分相对较低有一定的关系。可见,生长季降水的增加有利于植被的生长,而温度太高时区域的蒸发强度也会增加,在一定程度上限制了植被的生长(图2)。
图2 锡林郭勒草原生长季NPP与降水量、温度的年际变化趋势
过去18 a研究区草甸草原多年平均NPP为455.99 gC/(m2·a),每年以5.07 gC/m2的速度显著增加(R2=0.22,p=0.05),植被生产力高于研究区总体水平。最小值出现在2007年为311.80 gC/(m2·a),远高于研究区最小值; 最大值出现在2013年为554.23 gC/(m2·a),大约是研究区最大值的1.75倍; 其他年份的NPP都大于400 gC/(m2·a)。草甸草原NPP与生长季平均温度呈负相关关系(r=-0.477,p<0.05),与累积降水量正相关(r=0.78,p<0.01)(图3)。
典型草原大多数年份的NPP值都介于220~280 gC/(m2·a),NPP的波动幅度与研究区整体水平一致,受降水温度的影响个别年份容易出现极大值或极小值。通过分析典型草原生长季NPP与累积降水量和平均温度的相关性发现,温度虽然会对NPP产生影响,但二者的相关性不显著(r=-0.409,p=0.09)。而降水则是影响典型草原生长季植被NPP的主要因素,相关系数为0.92(p<0.01)。
受降水影响,荒漠草原是4种植被类型中NPP相对最低的植被类型,过去18 a植被生产能力介于63.50~148.90 gC/(m2·a)。当生长季累积降水量较大时,植被生产能力较高,反之植被生产能力较低,NPP与生长季累积降水量呈显著性正相关关系(r=0.715,p<0.01)。当温度较高时,植被生产力会随之下降,NPP与温度呈负相关关系(r=-0.647,p<0.01)。如2001年荒漠草原生长季累积降水量高于2002年,理论上植被生产能力应高于2002年,但由于2001年的平均温度也比较高,蒸散发量大于2002年的,所以2001年的植被NPP较低。
沙地植被的生产力高于典型草原和荒漠草原,仅次于草甸草原。NPP的波动范围在192.40~291.53 gC/(m2·a),最大值和最小值出现的年份与降水量最大值和最小值出现的年份一致,NPP的年际变化特征和降水量的年际变化趋势一致,NPP与温度的变化趋势并没有形成完全相反的态势。从相关性和显著性来看,NPP和降水相关系数为0.823,呈显著性相关; NPP与温度的相关系数为-0.293,但二者的相关性不显著。
2.3 NPP空间分布特征及其影响因子
根据图4A,过去18 a锡林郭勒草原植被净初级生产力最大值和最小值分别出现在东部草甸草原和西部荒漠草原地区,分别为638.668,30.906 gC/(m2·a),东西差异明显,从东向西呈递减。对比图1和图4可以发现,NPP的空间分布特征与植被类型的分布有较大关系。从东向西植被类型依次为草甸草原、典型草原、沙地植被、荒漠草原,植被生产能力也大致被划为4个梯度:(1)NPP介于0~100 gC/(m2·a)荒漠草原区,主要位于研究区西部;(2)NPP介于101~200 gC/(m2·a)的荒漠草原、典型草原、沙地植被的结合区,主要位于研究区的中西部;(3)NPP介于201~400 gC/(m2·a)的典型草原和沙地植被结合区,主要位于研究区中部,包括典型草原中西部和沙地植被东部;(4)NPP大于400 gC/(m2·a)的东部典型草原和草甸草原地区。
根据图4B,过去18 a研究区生长季平均温度的变化趋势从东向西递增,与植被NPP的空间变化趋势相反。研究区东部平均温度较低,植被生产力较高; 西部温度高而植被NPP却比较低。参考图4C,生长季累积降水的空间分布特征与温度的变化趋势相反,与NPP的空间分布特征基本吻合,东部降水较多、温度较低、蒸散发强度较低,植被可以利用水资源较高,生产力高于其他区域; 西部降水较少且温度较高,蒸散发量较大,植被可利用水资源较少,植被生产力最低。随着温度的增加,研究区蒸散发强度也会从东向西逐渐增加,植被可利用水之源从东向西递减,再加上降水量的空间差异,必然会导致植被NPP的空间分布呈现出从东向西逐渐递减的趋势,这也是导致研究区植被生产能力存在巨大差异的主要原因,也再次证明了温度太高可能会对植被的正常生长产生抑制作用,与本文2.2部分的分析结果一致。
图3 2001-2018年锡林郭勒4种植被生长季NPP及影响因子变化趋势
在IDL中,分别对NPP和温度、降水的时间序列值做相关分析,根据分析结果绘制NPP与温度、降水相关系数空间分布图。根据图4D锡林郭勒草原大部分地区生长季的平均温度与NPP的相关系数为负数,只有南部和中东部地区的NPP与温度的相关系数为正; 根据图4E,研究区90%以上的植被NPP与生长季累积降水量的相关系数为正。意味着锡林郭勒草原NPP与降水呈正相关系,与温度呈负相关关系。在ArcGIS中提取NPP与温度、降水呈显著性相关的区域,并做叠加分析,获得呈显著影响植被生产力变化的因素空间分布图(图4F)。锡林郭勒草原植被净初级生产力的变化主要受降水影响,植被类型包括大部分典型草原、沙地植被东部以及部分草甸草原; 受温度和降水共同影响的区域主要位于研究区西部、中间北部、东北部分区域,植被类型主要为荒漠草原和小部分典型草原; 仅受温度影响的草地面积极小,甚至少于其他因素起主导作用的草地面积所占的比例。
图4 2001-2018年锡林郭勒草原生长季平均NPP(A),平均温度(B),累积降水量(C),NPP与温度的相关系数(D),NPP与降水的相关系数(E),显著影响NPP的因素(F)空间分布
根据图3和图4,2001—2018年锡林郭勒草原NPP的年际波动比较大,生长季大部分地区植被NPP的变化主要受降水的影响,部分地区受温度和降水的共同作用,仅受温度影响的区域较小,受其他因素影响的区域零星的分布在研究区各地。对于不同植被类型而言,植被净初级生产力受降水和温度的影响程度也存在较大的差异。草甸草原、荒漠草原受温度和降水的共同影响,且温度造成的影响相对较低。典型草原、沙地植被主要受生长季累积降水量的影响,虽然温度也会造成一定的影响,但影响程度较小。