半干旱稀树草原保护区植被净初级生产力对气候因子的响应——以南非林波波省为例

《Frontiers in Environmental Science》：Climatic factors influencing vegetation net primary productivity in semi-arid savanna reserves of Limpopo Province, South Africa

　　

稀树草原生态系统是陆地碳循环的重要组成部分，但其植被生产力对气候变率高度敏感，尤其在半干旱环境中。本研究评估了2001至2025年间南非林波波省半干旱稀树草原保护区植被净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）的时空动态及其气候驱动因子。研究分析了Landsat衍生的增强型植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI）以刻画长期植被绿度变化，同时利用MODIS产品评估年度NPP及季节性生产力。气候变量包括降水、土壤湿度、潜在蒸散（Potential Evapotranspiration, PET）、太阳辐射和温度，分别获取自CHIRPS、南非气象局观测数据及ERA5-Land数据集。地理空间处理在Google Earth Engine和ArcGIS Pro中完成，而Theil–Sen、Mann–Kendall、变异系数、相关分析及地理探测器（Geo-detector）在Google Colab中实现。结果显示，尽管存在强烈的年际变率，NPP年均值仍呈正向趋势，为4.94 g C m^-2 yr^-1。NPP趋势大多方向为正，但统计上多不显著；86.72%的景观表现出高度或相对高度稳定性。降水表现出强烈的年际变率和微弱的上升趋势，而温度在研究期内逐渐升高。基于生态季节气候汇总的相关分析显示，NPP与降水和土壤湿度呈正相关，与太阳辐射、PET和温度呈负相关，突显了生长季水分可利用性的主导作用。时间窗口分析进一步表明，近期气候–NPP敏感性增强，尤其对土壤湿度、降水、PET和太阳辐射的敏感性增强。地理探测器结果揭示了气候与地形变量之间的强烈交互作用，尤其是坡度–降水、坡度–PET和坡度–温度。这些发现表明，受保护的半干旱稀树草原保护区植被生产力同时受水分可利用性和空间环境梯度的影响，为气候适应规划和稀树草原生态系统管理提供了有价值的见解。

**研究背景与问题**

气候变化加剧了陆地生态系统的生态压力，重新塑造了植被功能、碳交换和生态系统恢复力，尤其是在气候敏感的半干旱地区。稀树草原生态系统是陆地碳循环的重要组成部分，其植被结构和生产力受气候因子、土壤、食草动物及局部环境条件的复杂交互作用影响。在半干旱稀树草原中，植被生长强烈受水分可利用性制约，因此生产力对气候变率极为敏感。降雨、温度和太阳辐射的变化会影响光合作用、蒸散、生物量积累和生态系统稳定性。净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）是评估植被生产力、生态系统状况和陆地碳汇能力的常用指标，但野外测量耗时、昂贵且空间覆盖有限，难以在异质性景观中一致应用。卫星遥感和地理空间技术的进步使得大尺度、长时序的NPP监测成为可能，其中MODIS NPP产品被广泛使用。然而，保护区尺度的半干旱稀树草原NPP气候控制机制尚未得到充分记录。南非林波波省拥有大面积稀树草原生物群系，其中的Atherstone、Makuya和Messina自然保护区代表了典型的半干旱稀树草原环境，具有强烈的降雨季节性和年际变率，且受直接土地利用干扰较少，为研究气候–植被关系提供了理想条件。

**研究目的**

本研究利用多源地理空间数据和统计分析方法，评估2001—2025年间这三个保护区的NPP时空动态及其气候驱动因子，通过相关分析和地理探测器（Geo-detector）评价降水、温度、太阳辐射、潜在蒸散（PET）和土壤湿度对NPP的解释力及交互作用，以期增进对半干旱稀树草原保护区植被生产力气候响应模式的理解，为气候适应规划和生态系统管理提供科学依据。

**主要研究方法**

研究人员使用了多源遥感与再分析数据集：MODIS MOD17A3HGF产品提供年度NPP，MOD17A2HGF提供8天季节性生产力，Landsat地表反射率数据计算增强型植被指数（EVI），CHIRPS v2.0提供降水，ERA5-Land提供温度、土壤湿度、PET和太阳辐射，SRTM DEM提供高程和坡度。研究时段为2001—2025年，研究对象为南非林波波省三个半干旱稀树草原保护区。数据处理在Google Earth Engine和ArcGIS Pro中完成，统计分析在Google Colab中实现，包括Theil–Sen斜率估计、Mann–Kendall趋势检验、变异系数（CV）、Pearson相关分析以及地理探测器因子与交互作用检测。生态季节定义为前一年7月1日至当年6月30日。

**研究结果**

*3.1 草原植被指数时空趋势*：Landsat EVI显示2001—2025年三个保护区植被绿度整体上升，但存在显著年际波动和空间不均。Atherstone平均EVI从0.161升至0.274，Makuya从0.213升至0.269，Messina从0.118升至0.172。2017、2021和2025年出现明显峰值，显示绿度对气候和环境条件的非平稳响应。

*3.2 净初级生产力时空变率*：年均NPP呈波动上升趋势，增长率为4.94 g C m^-2 yr^-1，但线性拟合优度低（R²=0.120），表明年际波动主导了生产力信号。低值出现在2002、2015和2024年，高值出现在2014、2017、2021和2025年。Sen's斜率范围从?39.17到43.54 g C m^-2 yr^-1，方向为正的区域占主导，但73.44%的区域为不显著增加，显著和极显著增加分别占9.08%和1.43%，减少区域不足2%。生产力最高的月份为1—3月，2月最高达72.038 g C m^-2 month^-1，10月最低为17.840 g C m^-2 month^-1。

*3.3 变异系数稳定性*：CV分析显示86.72%的区域属于高稳定（53.51%）或相对高稳定（33.21%）等级；中等波动占11.99%，高波动仅占0.002%，表明保护区生产力长期相对稳定。

*3.4 气候因子与NPP关系*：生态季节相关分析显示，NPP与降水（r=0.8741，p<0.001）和土壤湿度（r=0.6834，p<0.001）呈显著正相关，与太阳辐射（r=?0.5730，p=0.0034）和PET（r=?0.5417，p=0.0063）呈显著负相关，与温度（r=?0.3222，p=0.1247）为负相关但不显著。空间相关表明显著降水正相关区域占78.92%，显著温度负相关区域占89.26%。月滞后分析发现1月降水（r=0.795）、土壤湿度（r=0.731）与NPP正相关，1月温度（r=?0.680）和太阳辐射（r=?0.759）与NPP负相关。近期（2014—2025）气候–NPP相关系数较早期（2002—2013）全面增强，尤其是土壤湿度、太阳辐射和PET。

*3.5 地理探测器因子与交互作用*：高程的平均q值最高（0.813），其次为太阳辐射（0.669）、温度（0.644）、降水（0.512）、PET（0.492）、坡度（0.451）和土壤湿度（0.366）。交互检测显示，变量组合的解释力普遍高于单因子，其中坡度–降水、坡度–PET、坡度–温度、高程–坡度、高程–降水等交互在多个年份（2001、2005、2010、2015、2020、2025）反复出现高q统计量，表明气候与地形变量的空间分层异质性交互作用对NPP空间分异有重要贡献。

**讨论与结论**

讨论部分指出，观测到的绿度和生产力增加可能部分反映木本植物增稠或灌丛入侵等生态过程，而非草层条件的普遍改善。上升的大气CO₂浓度可能通过增强光合作用和水分离利用效率促进木本植物扩张，从而增加绿度和碳吸收。保护区内的食草动物压力、火灾管理、承载能力限制等因素也可能与气候共同塑造植被模式。MODIS NPP产品在异质性稀树草原景观中仍存在不确定性，混合木本–草本覆盖和粗空间分辨率可能影响估算精度。

研究结论可归纳为：2001—2025年，Landsat EVI显示三个保护区植被绿度整体增加，但空间不均且年际波动强。MODIS NPP呈正向趋势（4.94 g C m^-2 yr^-1），但线性趋势仅解释12.0%的变率，年际气候波动主导了生产力信号。大部分区域NPP趋势不显著，86.72%的区域保持稳定。降水与NPP呈正相关，温度、太阳辐射和PET与NPP呈负相关，生长季水分可利用性是主要控制因子。地理探测器表明气候–地形交互作用（特别是坡度相关组合）对NPP空间分布有较强的解释力。这些发现证明，受保护的半干旱稀树草原植被生产力与水分可利用性、增温条件、季节性气候变率和空间环境梯度密切相关，为气候适应规划和稀树草原生态系统管理提供了科学依据。