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，1975)、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。

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。

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 Outcropscome from World Map of Carbonate Rock Outcropsv3.0(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。

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。

	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

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。

	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

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。

	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

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。

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。

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。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

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。

	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

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。

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 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)。

研究表明，研究区的气温在波动中呈现升高趋势，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。