大湾区外围生态屏障区域植被净初级生产的时空动态与调控机制

《Biological Diversity》：Spatiotemporal Dynamics and Controls of Vegetation Net Primary Production at Greater Bay Area Outer Ecological Barrier

粤港澳大湾区外围生态屏障2001-2022年植被净初级生产力（NPP）时空特征研究表明，研究区NPP是核心区的2.29倍，东部最优但受人口压力影响局部下降，北部西区因低降水和采矿成为薄弱点，生态修复项目显著提升NPP。

　　本研究聚焦于粤港澳大湾区外围生态屏障区域，探讨了该区域植被净初级生产力（NPP）的时空变化特征。粤港澳大湾区作为中国重要的经济和人口聚集区，其外围生态屏障在维持区域生态安全方面发挥着关键作用，但同时也面临着高强度开发带来的压力。通过整合植被遥感数据、土地利用数据和气象数据，研究分析了2001年至2022年间该区域植被NPP的变化趋势，揭示了其在生态系统服务功能、碳汇能力及生态稳定性方面的核心价值。

研究结果表明，生态屏障区域的植被NPP水平显著高于粤港澳大湾区核心区域（即珠三角地区）。具体而言，生态屏障区域的平均NPP为1193.50±40.32 gC m?2 a?1，而珠三角地区的平均NPP仅为520.20±26.52 gC m?2 a?1，两者相差约2.29倍。这一结果凸显了生态屏障在区域生态功能中的重要性，尤其是在碳汇和生态稳定性方面。生态屏障区域的NPP水平不仅反映了植被的生长能力，也体现了该区域对生态环境的承载力和恢复力。进一步的分析显示，生态屏障区域内的四个子区（东区、东北区、西北区和西区）在NPP水平上存在显著差异，其中东区的NPP最高，达到1281.66±49.90 gC m?2 a?1，而西北区和西区由于降水较少和人类活动干扰，NPP水平相对较低。特别值得注意的是，北部西区的NPP水平（1048.47±257.33 gC m?2 a?1）明显低于整个生态屏障区域的平均水平，因此被视为生态屏障中的薄弱环节。

从空间分布来看，生态屏障区域的植被NPP呈现出明显的区域差异。东区由于光照、温度和降水条件较为优越，其NPP水平居于区域首位。然而，随着人口密度的上升，东区部分区域的NPP出现了下降趋势，表明人类活动对该区域植被生产力的影响不容忽视。相比之下，西北区和西区由于降水条件较差以及露天采矿活动的增加，植被NPP受到较大抑制。但令人鼓舞的是，近年来通过生态修复工程和绿色矿山建设，西北区和西区的NPP出现了回升，这说明生态恢复措施在改善植被生产力方面具有积极作用。同时，人口密度的下降也促进了西北区耕地的废弃和自然恢复，进一步推动了植被生产力的提升。

研究还发现，植被NPP的变化与多个环境因素密切相关。例如，叶面积指数（LAI）和年均总太阳辐射对NPP的空间分布具有显著影响。LAI作为植被光合作用能力的核心指标，其增加与NPP的提升呈正相关，而太阳辐射的减少则可能导致NPP的下降。此外，降水和温度虽然在某些情况下对NPP有影响，但在年尺度上并非主要限制因素。相反，太阳辐射的不足成为制约亚热带植被生产力的关键因素。这种环境因素的差异进一步解释了生态屏障区域内部NPP水平的不均衡分布。

在时间变化方面，研究发现生态屏障区域整体的NPP变化率（B值）为?0.86±6.33 gC m?2 a?1，表明该区域的植被生产力在2001年至2022年间呈现出一定程度的下降趋势。然而，不同子区的变化情况各不相同。例如，东区的NPP变化率最低，达到?3.12±5.26 gC m?2 a?1，表明该区域的植被生产力受到较大影响。东区的NPP下降主要与气候变化和人类活动有关，尤其是人口密度的上升对植被生产力造成压力。相反，西北区和西区的NPP变化率相对较高，显示出较强的恢复能力。此外，部分区域的NPP变化趋势并不显著，这表明在某些地方，植被生产力的波动较小，生态系统的稳定性较强。

研究进一步分析了土地利用类型对NPP变化的贡献。在2020年，生态屏障区域中森林用地占比较高（90.64%），其次是耕地（6.43%）、草地（2.16%）和建设用地（0.83%）。从2000年到2020年，森林用地、耕地和草地的比例略有下降，而建设用地的比例有所上升。这反映出随着城市化进程的加快，生态屏障区域的土地利用结构发生了变化，部分生态空间被城市建设所侵占。因此，保护和恢复森林植被、草地和耕地成为提升生态屏障功能的重要途径。

为了增强生态屏障的连通性和稳定性，研究提出了一系列建议。首先，应加强生态屏障区域内的生态保护措施，特别是在北部西区，由于露天采矿活动频繁，该区域的植被生产力受到较大影响。通过实施绿色矿山建设，可以有效减少采矿活动对生态环境的破坏，促进植被的自然恢复。其次，应将分散的保护区整合为一个更大的生态系统网络，以提高保护效率，增强生态屏障的韧性。此外，建议将废弃耕地和矿山转化为接近自然的植被覆盖，以提升生态屏障区域的生态功能，保护生物多样性，并改善区域生态安全格局。

研究还强调了植被NPP在评估区域生态环境质量中的重要性。植被NPP不仅反映了植被的生长能力和生态系统的健康状况，还对碳汇功能和生态稳定性具有直接关联。因此，加强植被NPP的监测和评估，有助于更好地理解和管理生态屏障区域的生态功能。特别是在城市化和经济发展过程中，如何平衡经济增长与生态保护，成为当前面临的重要课题。

在方法上，本研究采用了缓冲区分析法，通过建立20公里的缓冲区，比较生态屏障区域与大湾区核心区域的NPP差异，从而评估生态屏障的生态功能和空间异质性。此外，利用线性趋势估计方法，分析了NPP的年际变化趋势，并通过F检验评估了变化的显著性。这些方法为理解生态屏障区域的植被生产力变化提供了科学依据。

研究的局限性在于所使用的MODIS NPP数据存在一定的不确定性。MODIS NPP产品基于植被净初级生产力的计算，其准确性受到GPP和生态系统呼吸的差异影响。已有研究表明，MODIS标准GPP产品可能存在低估的情况，这可能影响NPP的计算结果。此外，MODIS卫星数据由于受云层影响，其观测质量在某些情况下不够理想，特别是在亚热带地区。未来的研究可以结合静止卫星数据，如风云四号A星，以实现更高频率的观测，提高植被生产力评估的精度和可靠性。

综上所述，本研究揭示了粤港澳大湾区外围生态屏障区域植被NPP的时空变化特征，强调了生态屏障在区域生态安全中的关键作用，并提出了相应的生态保护和恢复策略。这些策略包括加强生态屏障区域的保护、整合分散的保护区、推动绿色矿山建设以及恢复废弃耕地和矿山等。通过这些措施，可以有效提升生态屏障的生态功能，增强其对气候变化和人类活动的适应能力，从而为粤港澳大湾区的可持续发展提供坚实的生态基础。