全 文 ：第 49 卷 第 5 期
2 0 1 3 年 5 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 5
May，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20130502
收稿日期: 2013 － 02 － 27; 修回日期: 2013 － 04 － 09。
基金项目: 973 国家重点基础研究发展计划(2012CB955403) ; 贵州龙里县水利局项目。
* 王静爱为通讯作者。
气候变化背景下中国南方喀斯特地区 NPP时空变化*
黄晓云1，2 林德根1，3 王静爱1，4 常 晟1，4
(1．北京师范大学地理学与遥感科学学院 北京 100875; 2．贵州大学经济学院 贵阳 550025;
3．浙江师范大学地理与环境科学学院 金华 321004; 4．北京师范大学区域地理研究实验室 北京 100875)
摘 要: 基于中国南方 8 省区喀斯特地区卫星遥感和地面气象观测资料，分析气候变化背景下中国南方喀斯特
地区 2000—2011 年间的 NPP 时空变化规律，及不同土地利用类型 NPP 变化。结果表明: 在气候变化背景下，
2000—2005 年间，研究区 NPP 值总体呈上升趋势，在 2005 年发生转折，2006—2011 年间，NPP 值总体呈下降趋势;
喀斯特地区 NPP 的变化幅度明显大于非喀斯特区; 农田、低密度灌木林、混合用地等土地利用类型对石漠化反应
敏感。
关键词: 气候变化; NPP; 土地利用; 石漠化; 喀斯特地区
中图分类号: S717. 19; TP79 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)05 － 0010 － 07
Temporal and Spatial NPP Variation in the Karst Region in South
China under the Background of Climate Change
Huang Xiaoyun1，2 Lin Degen1，3 Wang Jing’ai 1，4 Chang Sheng1，4
(1 ． School of Geography，Beijing Normal University Beijing 100875; 2 ． School of Economics，Guizhou University Guiyang 550025;
3 ． School of Geography and Environmental Science，Zhejiang Normal University Jinhua 321004;
4 ． Key Laboratory of Regional Geography，Beijing Normal University Beijing 100875)
Abstract: Based on remote sensing and ground meteorological observation data，this article analyzes the temporal and
spatial variation pattern of the net primary productivity (NPP) in the karst area of eight provinces in the southern China
from 2000 to 2011 under the background of the climate change，and the NPP variation in different land use types． The
results showed that under the climate change background，the region NPP showed an ascendant trend during 2000 － 2005，
and there was a turning point in 2005; During 2006 － 2011，the region NPP showed declined; The change amplitude of
NPP in the karst region was significantly greater than other landforms; Farmland，low density shrubbery，mixed land and
other land use types were sensitive to rocky desertification． This study would provide a thought in risk evaluation of the
karst rocky desertification，and provide a scientific basis for the ecosystem environment risk management．
Key words: climate change; NPP; land use; rocky desertification; karst region
气候变化对区域生态环境的影响是全球变化研
究的热点问题之一。联合国政府间气候变化委员会
( IPCC)在 2007 年公布的第四次评估报告中指出，
过去 100 年，全球地表平均温度升高了 0. 74 ℃，海
平面升高了 0. 18 m( IPCC，2007)。气候变化反映
了生态系统主要外在自然驱动力的改变，对区域土
地生产力和生命承载力都会产生一系列的影响。发
展过程中必须重视由气候变化导致的灾害风险管理
(DRM)和气候改变适应(CCA) ( IPCC，2012)。中
国南方以贵州为中心的喀斯特地貌区，山高坡陡，地
形破碎，其特殊的地质、气候背景和尖锐的人地矛盾
使该区域生态环境脆弱、敏感、环境容量低、稳定性
差。以严重水土流失———石漠化为主要特征的生态
灾害严重威胁着区域社会经济可持续发展和 2. 2 亿
人口赖以生存的空间。因此，气候变化背景下中国
南方喀斯特生态环境风险备受学术界及政府关注。
地表植被净初级生产力(NPP)作为生态系统功
能对气候变化响应的指标(郝永萍等，1998; 肖文
发等，1999; 谷晓平等，2007)，其对植物的长势、健
康状况及光合作用的强弱反应灵敏，反映了植物固
第 5 期 黄晓云等: 气候变化背景下中国南方喀斯特地区 NPP 时空变化
定和转化光合产物的效率。全球地圈生物圈研究计
划( IGBP)、全球变迁与陆域生态系统(GCTE)和京
都议定书(UNFCCC)等都将 NPP 列为研究的重要
目标之一 ( IGBP terrestrial carron working group，
1998)。NPP 受太阳辐射、气温、降水等的时空格局
影响，众多学者在区域或全球的空间尺度上采用气
候模型 ( Leitch，1972 )、遥感模型 ( Steven et al．，
1999)计算 NPP。NPP 空间变化与植被类型分布、土
地利用类型密切相关 (周广胜等，1995; 1998 )。
Zhao 等 ( 2012 ) 应用改进的 FORCCHN 算法计算
NPP，分析中国东北不同森林地区 NPP 的空间差异，
发现贡献率最大的是落叶阔叶林。Zhao 等(2009)
研究发现东南亚、非洲、南美等热带雨林地区以占全
球 13%的植被，产生了全球 28. 92% 的 NPP。NPP
的时间变化主要表现在生物量季节间( Pei，2012;
Zhang et al．，2012)和年际间(侯英雨等，2007; 王玉
娟等，2008)的变化。研究 NPP 的时空变化对于南
方喀斯特地区地表植被估产、生态环境保护与资源
开发利用有重要的指导意义。本研究以气象观测资
料和遥感产品为基础，综合分析气候变化背景下研
究区 12 年间 NPP 的时空变化和波动趋势，探索喀
斯特地区生态系统演变过程，分析 NPP 与土地利用
类型、石漠化等级的关系，为喀斯特地区生态环境风
险评价提供参考。
1 研究区概况
中国南方喀斯特地区指 8 省区(贵州、云南、四
川、重庆、广西、广东、湖南和湖北)的碳酸盐岩出露
区，该区位于热带 － 亚热带季风气候区，热量充足，
降水丰沛，植被类型多样。研究区内碳酸盐岩分布
广泛，面积高达 62 万 km2，是世界三大喀斯特连片
分布区之一，也是中国喀斯特地貌分布面积最大的
地区，中国 70%以上的石漠化发生在这个区域。
2 研究方法
本研究基本数据有 3 种类型: 1)气象数据 是
全国 752 个站点地面气候资料日值数据集，来自中
国气象科学数据共享服务网( http:∥ cdc． cma． gov．
cn / home． do)，从中筛选出 1971—2010 年时间序列
完整的 597 个气象站点，经过数据质量检测，择站处
理; 2)NPP 数据 是以 8 天为周期、1 km 空间分辨
率的 MOD17A3 数据为基础，并采用 Zhao 等(2010)
的算法得到研究区域 2000—2011 年 1 km 网格的
NPP 遥感数据产品(Zhao et al．，2010); 3)其他数据
30 m 分辨率的数字高程数据(DEM)来自美国地
质调查局(USGS)，土地覆盖数据采用 IGBP 分类体
系下 2000 年的 1 km 网格的土地覆盖数据，喀斯特
研究区空间数据来自于 The Carbonate Rock Outcrops
come from World Map of Carbonate Rock Outcrops
v3. 0 ( http: ∥ www． sges． auckland． ac． nz / sges _
research / karst． shtm); 石漠化等级空间信息来自于
中国地质科学院岩溶地质研究所 ( http:∥ www．
karst． ac． cn /)。
在 2000—2011 的研究时段内，对研究区的年均
NPP、年均降水量、年均气温进行逐像元计算，得到
每一像元的时空变化趋势。通过地学空间分析软件
ArcGIS，采用空间插值及图像裁切和掩膜处理计算
得到南方 8 省区、喀斯特地区、非喀斯特地区的
2000—2011 年 NPP 时空变化数据。将 2000—2011
年的 NPP 数据分 2000—2005 时段和 2006—2011 时
段做平均趋势剔除处理，再对 2 个时段的结果进行
差值分析，从而获得研究区域 2000—2011 年像元的
空间变化趋势。通过分析像元上 NPP 的标准差，得
到喀斯特地区和非喀斯特地区的变化幅度。
结合研究区范围内的 128 个气象站点年平均气
温、年降水量、气象站点的 NPP 值等信息，研究其像
元的变化趋势和波动情况。
对不同土地利用类型和石漠化类型的 NPP 波
动变化进行动态分析。计算研究区不同土地利用类
型和不同石漠化程度下 NPP 近 12 年的变化情况，
并分析各土地利用类型 NPP 动态变化特点。
3 结果与分析
3. 1 气候变化
从研究区长时间序列的气象数据可以看出:
1970—2010 年研究区气温和降水变化(图 1)有 3 个
基本特点: 一是气温在波动中呈升高趋势，且波动
的低值年增加幅度大于高值年增加幅度，前者为
1. 25 ℃，后者为 1. 00 ℃。这与全球变暖存在同步
性; 二是降水在波动中呈现略有下降的趋势，且波
动幅度远大于气温; 三是气温与降水组合呈现出由
暖湿向暖偏干转变，转折点大至在 2005 年。
从本研究区的研究时段 2000—2010 年气象数
据来分析，研究区气温整体呈上升趋势，降水量呈下
降趋势(图 1)，但东中西差异变化显著，气温西部明
显增高，中部降低，东部稍有增长(图 2)，其中，气温
增幅最大的地区是云南北部和四川西部，降幅最大
的地区是广西北部、贵州中南部和云南东部。降水
量变化呈自西向东递减的趋势(图 2)，西部增幅最
大，东部明显减少，中部次之。
11
林 业 科 学 49 卷
图 1 研究区气温和降水量的时间变化(1970—2010)
Fig． 1 Change of precipitation and air temperature in study area from 1970 to 2010
图 2 研究区气温和降水量的空间变化(2000—2011)
Fig． 2 Spatial change of precipitation and air temperature in study area from 2000 to 2011
21
第 5 期 黄晓云等: 气候变化背景下中国南方喀斯特地区 NPP 时空变化
3. 2 NPP 空间变化
在前述的气候变化背景下，研究区 NPP 的变化
也具有明显东西差异(图 3)。应用移动平均趋势剔
除法得到 NPP 空间变化结果，然后对每个像元上
NPP 的变化幅度进行分类，大于 10 gC·m － 2 a － 1的值
为 NPP 明显增加，小于 － 10 gC·m － 2 a － 1为 NPP 明显
减少，介于 － 10 gC·m － 2 a － 1和 10 gC·m － 2 a － 1之间的
像元看作无变化或变化很小。2000—2011 年 NPP
呈现出自西向东递减的趋势。其中四川南部和云南
北部 NPP 有明显增加，而两广北部、湖南西部和贵
州东部 NPP 有明显下降，贵州及其周边地区和四川
盆地的边缘区域变化相对较小。同时贵州东南部、
湖南南部、广西东北部和广东北部形成了 NPP 低值
带，而在云南西部、四川西部区则形成了高值区。
NPP 模拟结果与陈福军等 (2011)关于中国陆地生
态系统 NPP 的研究成果基本一致。
NPP 与气温、降水的空间分布规律显著相关，均
呈现出自西向东递减的趋势。总体来看 NPP 变化趋
势与气温更为接近，即与气温的相关性高于降水。在
空间变化上呈现 4 种模态: 气温上升、降水量上升，
NPP 上升; 气温下降、降水量下降，NPP 上升; 气温上
升、降水量下降，NPP 上升; 气温下降、降水量上升，
NPP 下降。通过上述对比，可以说年平均气温和年降
水量是影响 NPP 变化的主要因素。这一结果与众多
学者研究结论基本一致。陈福军等(2011)研究发现
在中国大部分地区，气温上升对植被生长有利，NPP
与气温显著正相关。陈旭等(2008)以中国南部区域
为研究对象，提出影响 NPP 的主要因素为年最低气
温和年均降雨量。王玉娟等(2008)研究发现贵州喀
斯特地区 NPP 与当地气温和地表太阳辐射的季节变
化规律基本相同。郑元润等(1997)对云南地区研究
表明温度是制约 NPP 的主导因素。
图 3 研究区 NPP 空间变化(2000—2011)
Fig． 3 Spatial change of NPP in study area from 2000 to 2011
在 NPP 高值区，气温、降水均增加显著，主要原
因为云南西部、四川西部的纵向岭谷地貌特点，加强
了来自印度洋的西南季风带来的暖湿气流，这种通
道作用使得植被生长良好，易于 NPP 累积。在 NPP
低值区，年平均气温、年降水量均呈现下降趋势，主
要原因有三方面: 一是广东广西北部、湖南西部、贵
州东南地区气候变化背景下，水热因子的胁迫作用
显著; 二是地形起伏且破碎，特别是高海拔山地使
得温度对于植物的有效性也大大降低，加之喀斯特
构造形成的漏斗结构使降水大部分流入地下暗河，
降水也对植物的有效性较差; 三是人类活动强度
大，石漠化现象严重，土地贫瘠。
3. 3 NPP 时间变化
从时间变化情况上看(图 4): 2000—2011 年研
究区 NPP 为 610 ～ 680 gC·m － 2 a － 1，呈现先增后减的
波动变化，以 2005 年为转折点，约为620 gC·m － 2 a － 1。
2000—2005 年，研究区 NPP 总体呈波动上升趋势，
上升的原因可能与西南地区的退耕还林还草有关。
31
林 业 科 学 49 卷
2005 年出现的极低值可能与旱灾有关。自 2003 年
起中国南方地区降雨偏少，江南、华南地区为 1961
年以来降雨最少年，夏季遭受罕见高温袭击，夏秋季
均出现大范围干旱。2009—2012 年，云南、四川南
部降水量连续 4 年持续偏少，严重旱灾是造成研究
区 NPP 减少的原因之一。故研究区内 NPP 受气候
影响明显，在太平洋季风和印度洋季风的双重作用
下，旱涝交替，在陡峻而破碎的地貌格局下(张殿发
等，2002)，广布的碳酸盐在温暖潮湿环境中易溶
蚀，抑制植被生长。
图 4 研究区 NPP 时间变化(2000—2011)
Fig． 4 Temporal change of NPP in study area from 2000 to 2011
从 NPP 标准差变化来看(图 5)，南方 8 省喀斯特
地区 NPP 的变化幅度明显大于非喀斯特区，最大差
值于 2003 年达 82 gC·m － 2 a － 1，平均达 70 gC·m － 2 a － 1。
说明喀斯特区域 NPP 比非喀斯特区域敏感度高，离
散程度大。这一方面是由碳酸盐岩致密、环境容量
低、抗干扰能力弱、稳定性差、易水土流失等脆弱的
生态地质环境所决定; 另一方面由强烈的人类活动
所驱动，特别是陡坡开荒、乱砍滥伐导致水土流失加
重，形成“土层变薄→生产力下降→植被覆盖率下
降→地表水涵养力降低→旱涝灾害频繁发生→人畜
饮水困难→区域贫困”的生态灾害链，胁迫作用增
强，抑制植被生长。
图 5 研究区 NPP 标准差(SD)时间变化(2000—2011)
Fig． 5 Temporal change of NPP standard deviation ( SD) in study area from 2000 to 2011
3. 4 各土地利用类型的 NPP
从图 6 可以得出: 林木类 NPP 相对较高，其中
落叶阔叶林、常绿针叶林、高密度灌木林 50% 的样
本范围集中，波动平缓，极值差异大，样本中有异常
值。常绿阔叶林与其他林木相反，50%的样本范围
相对分散，极值差异相对小。主要原因是常绿阔叶
林的高大乔木受降雨和温度变化影响小，自我修复
能力强，抗旱抗涝。例如，云南、四川西部地区山地
广布，植被类型以热带、亚热带森林为主，光能利用
率高，近 10 年来呈现明显的增长趋势。然而，常绿
阔叶林分布的海拔相对较低，易受人类活动影响，变
率较大。
农田和混合用地 50%的样本范围相对分散，极
值差异相对小，中位数偏大，说明受人类影响波动相
对较大。例如，贵州省喀斯特地区植被类型多以农
田及其与草地、灌丛混合用地为主，在脆弱的生态环
境背景下，光能利用率低加之人类不合理的农业生
产活动和社会经济活动，水分匮缺、土壤贫瘠等恶劣
条件叠加，导致了植被类型 NPP 变化幅度和增加值
的不同(董丹等，2011)。石漠化是自然和人为双重
因素作用的结果，许多地方人为因素占主导地位，其
中过度樵采、过度开垦、乱砍滥伐占很大比例(宋维
41
第 5 期 黄晓云等: 气候变化背景下中国南方喀斯特地区 NPP 时空变化
峰，2007)。
低密度灌木林和草地 50% 的样本范围相对集
中，极值差异相对大，中位数偏小，变化幅度比较明
显，介于林木类与农田类之间。NPP 极小值明显，中
位数偏小，波动不明显，反映了土地退化的趋势———
潜在石漠化的进程。
3. 5 NPP 与石漠化等级的关系
从图 7 可以看出，NPP 随石漠化等级的递增而
减小，重度石漠化地区 NPP 明显小于其他地区。石
漠化等级越高 NPP 波动越剧烈。
图 6 不同土地利用类型的 NPP(2000—2011)
Fig． 6 NPP of different land use types from 2000 to 2011
图 7 不同等级石漠化区域的 NPP(2000—2011)
Fig． 7 NPP under different rocky desertification grades from 2000 to 2011
不同石漠化等级区域上的 NPP 值不同，NPP 可
以用来表征石漠化情况。在 NPP 低值的贵州西南
部等重度石漠化地区，春旱频繁发生; 在 NPP 较高
的东部轻微石漠化地区，夏旱频繁发生。同时，不同
石漠化等级的生态系统也不同，由于石漠化地区特
殊的水文地质结构，植被的生长不仅受到水分影响，
同时受到土壤条件的制约，在长期的适应过程中，形
成了石生性、旱生性的特点。以草丛、灌木等为主的
低覆盖度植被根系短小，不能利用深层水分，当干旱
发生时，只能利用土壤浅层水分，进而加快了水分蒸
散，加剧地表干旱。而非石漠化地区土壤状况相对
良好，高大的乔木根系能汲取地下水，受降雨变化影
响很小，能很好地抵御干旱。因此，石漠化削弱了喀
斯特生态系统抵制干旱的能力，石漠化等级越高
NPP 对干旱的敏感性越强。若该过程中加入人为因
素的影响，石漠化程度则会加剧。例如，在贵州毕节
地区，海拔较高，陡坡开荒较为严重，土壤侵蚀强烈，
成为贵州喀斯特地区 NPP 的低值中心和石漠化重
灾区。该区域人口密度大，人类活动强烈，土地垦殖
率高，分布有大面积的农田，植被多以农作物和稀疏
灌丛草坡为主，NPP 受人地关系影响较大，尤其是受
到农业作物物候期的影响，呈逐年减少的趋势 (张
素红等，2008)。
4 结论与讨论
研究表明，研究区的气温在波动中呈现升高趋
51
林 业 科 学 49 卷
势，降水在波动中呈现略有下降的趋势，气候变化由
暖湿向暖偏干转变，转折点大至在 2005 年。在此气
候变化格局中，NPP 与气温、降水显著相关，且 3 者
都呈现相同的东西空间递变规律，NPP 与水热变化
有高度的正相关关系，其气温胁迫作用强于降水胁
迫。从不同石漠化等级区域上的不同 NPP 值看出，
NPP 可以用来表征石漠化情况，其变化趋势在一定
程度上可以表征石漠化的环境风险程度。
喀斯特区的 NPP 变化幅度明显大于非喀斯特
区，前者敏感度高，变异大。各植被类型的 NPP 由
高到低排列依次为林地等高密度植被覆盖区域、农
田和混合用地等人地关系影响较大区域、低密度灌
木林和草地等低密度植被覆盖区、裸地; NPP 波动
程度从大到小依次为农田和混合用地等人地关系影
响较大区域、低密度灌木林和草地等低密度植被覆
盖区、林地等高密度植被覆盖区域、裸地。
为遏制和防治喀斯特地区土地石漠化，亟需建
立气候变化背景下的石漠化风险评价模型和指标体
系，通过对喀斯特地区土地利用变化的 NPP 响应机
制研究，探寻恢复和重建退化喀斯特土地生态系统
的理论和方法，提高喀斯特区域风险防范意识和能
力，构建喀斯特地区生态安全条件下的土地利用格
局和土地利用模式，实现喀斯特生态脆弱区土地资
源可持续利用。
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