中国植被总初级生产力的时空分布特征及驱动力研究

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植被总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)决定着进入陆地生态系统的初始能量,是研究碳循环和气候变化的一个关键性指标。中国近年来经历了严重的吸收性气溶胶污染,高负荷的吸收性气溶胶可以显著降低地表太阳直接辐射(Direct Radiation,DIRR),而地表太阳辐射的衰减势必会引起植被GPP变化,吸收性气溶胶还可延缓甚至抑制对流云的形成和发展,显著影响降水的发生,从而间接影响区域植被生产力,此外,气候变化也是影响植被种类和分布的重要因子。因此,为探讨中国植被GPP的时空变化规律,本研究利用植被GPP数据,从时间变化和空间分布上分析了2005—2019年中国植被GPP时空变化特征、稳定性和聚集特征,为揭示吸收性气溶胶和气候变化对植被GPP的影响,本文利用吸收性气溶胶指数(Absorbing Aerosols Index,AAI)和一氧化碳(Carbon Monoxide,CO)数据通过阈值法识别不同类型吸收性气溶胶的主导区域,并结合气温和降水数据剖析了吸收性气溶胶、不同吸收性气溶胶类型以及气候变化对中国植被GPP的影响。主要结果如下:(1)GPP时间分布特征,2005—2019年中国植被GPP的平均值为697.4 g C m-2,总体呈波动上升态势,年平均变化率为8.52 g C m-2 a-1。东南部GPP年均值在四个区域中最大1141.69 g C m-2,且增长率最高13.72 g C m-2 a-1;西北部的GPP年均值和年增长速率最小分别为374.86 g C m-2和6.38 g C m-2 a-1;植被生长季中GPP月际日均值变化速率为0.747 g C m-2 a-1,这表明中国植被GPP变化保持着向好的发展态势。(2)GPP空间分布特征,整体呈西北向东南部递增的分布特征,GPP显著增加区域占总面积的38.45%,远远大于显著减少区域。显著增加区域成片出现;显著减少区域成点或成条出现,主要分布在中国西部、河套平原、锡林浩特和东北平原的部分区域。GPP稳定性差和较差的区域占中国总面积的8.64%,分布在黄土高原、河套平原、四川盆地等地。春季植被GPP月均值以中低值为主,月均值<150g C m-2的区域面积占总面积的91.88%。由春入夏,GPP由中低值贡献主导转化为中高值主导,东南部大部、辽东丘陵、大兴安岭、东北平原、黄土高原、天山山脉附近以及四川盆地的中值区域显著扩增。秋季GPP月均值>75 g C m-2的区域显著减少,在气温回落后,云南省、海南省、台湾和东南沿海的部分区域重达高值。生长季中植被GPP低值区占比为60.30%,分布在胡焕庸线以西和胡焕庸线以东的经济水平较为发达的区域。(3)胡焕庸线为我国碳质气溶胶与沙尘气溶胶的分界线,胡焕庸线以东为碳质气溶胶分布区,胡焕庸线以西为沙尘气溶胶分布区。碳质和沙尘气溶胶主导区中AAI和DIRR均呈显著负相关(P<0.01),R~2分别为0.57和0.49。中国大部区域中AAI与植被GPP呈负相关:就四个区域而言,东北部吸收性气溶胶对GPP的负面影响最为显著;就不同类型吸收性气溶胶主导区域而言,沙尘气溶胶主导区域AAI对GPP的负影响略大于碳质气溶胶主导区域;就不同植被类型而言,吸收性气溶胶对草地的负影响更甚;就吸收性气溶胶对不同覆盖度草地类型的影响而言,吸收性气溶胶对中高覆盖度(覆盖度>20%)的草地影响更大。(4)黄土高原和天山北部,GPP自然增长受降水量控制;大兴安岭、秦岭和长江流域以南的GPP受过多降水影响,且与降水呈负相关;长江中下游以南区域高温对GPP增益抵消了降水的部分负影响;青藏高原充沛的降水加剧了地表水分蒸发从而失热,使得植被受低温胁迫影响,GPP显著减少;辽东丘陵、山东半岛、汾渭平原、四川盆地、长江中下游流域和珠江三角洲等地对水热条件的响应低。
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