遥感技术与应用, 2021, 36(4): 916-925 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0916

遥感应用

以“胡焕庸线”为界的中国东西部净初级生产力变化分析

周雷雷,1,2, 郑诗军2,5, 尹捷1,2, 张雅琼3, 黄文江2, 王心源2, 王岩2,5, 张赫林4, 陈俊杰1, 彭代亮,2

1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454003

2.中国科学院空天信息创新研究院 数字地球重点实验室,北京 100094

3.生态环境部卫星环境应用中心,北京 100094

4.北京市陆表遥感数据产品工程技术研究中心,北京师范大学地理科学学部,北京 100875

5.中国科学院大学,北京 100049

Analysis on the Change of Net Primary Productivity in the East and West of China Bounded by “The Hu Huanyong Line”

Zhou Leilei,1,2, Zheng Shijun2,5, Yin Jie1,2, Zhang Yaqiong3, Huang Wenjiang2, Wang Xinyuan2, Wang Yan2,5, Zhang Helin4, Chen Junjie1, Peng Dailiang,2

1.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China

2.Key Laboratory of Digital Earth Science,Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China

3.Center for Satellite Application on Ecology and Environment,Ministry of Ecology and Environment,Beijing 100094,China

4.Beijing Engineering Research Center for Global Land Remote Sensing Products,Institute of Remote Sensing Science and Engineering,Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

5.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 彭代亮(1980-),男,安徽安庆人,博士、研究员,主要从事植被生态遥感研究。E⁃mail:pengdl@radi.ac.cn

收稿日期: 2020-06-22   修回日期: 2021-07-06   网络出版日期: 2021-09-26

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42071329
中国科学院A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”.  XDA19090112.  XDA19080304

Received: 2020-06-22   Revised: 2021-07-06   Online: 2021-09-26

作者简介 About authors

周雷雷(1995-),男,河南商丘人,硕士研究生,主要从事生态遥感监测研究E⁃mail:1181482585@qq.com , E-mail:1181482585@qq.com

摘要

推动区域均衡协调与可持续发展是我国的重大战略之一,植被净初级生产力(NPP)对生态环境是否可持续发展起着重要作用。以“胡焕庸线”为界把我国分为东、西部,从像元尺度和县级行政单元研究分析我国NPP、人口以及人均NPP时空变化,尤其是东、西部的区域差异。结果表明:我国人口增长较快,从1982年的10.05亿增长到2017年的13.95亿,以“胡焕庸线”为界的西部占比由5.91%增长到6.42%;我国NPP整体呈现增长的趋势,总量由1982年的2.69 Pg C增长到2015年的3.24 Pg C,增长率为16.60 Tg C/a,其中东部增长率12.30 Tg C/a是西部(4.30 Tg C/a)的近3倍;西部人均NPP远大于东部与全国,1982、2000、2010、2017年西部与全国人均NPP持续处于下降的状态,但下降速率略有放缓,东部人均NPP则在2017年首次出现增长。据此可知我国整体生态环境处于恢复的状态,但不同区域之间差异较大,因此在相关政策制定方面应该充分考虑区域差异性,以实现我国生态环境的区域协调发展。

关键词: 人均NPP ; 胡焕庸线 ; 空间分布 ; 年际变化

Abstract

Promoting regional balanced, coordinated and sustainable development is one of the most important strategies in China. Net Primary Productivity (NPP) plays a significant role in indicating the sustainable development of Chinese ecological environment. This paper divides China into East and West based on the "Hu Huanyong Line". Then we studies and analyzes the spatio-temporal changes of NPP, population, and per capita NPP, especially the regional differences between east and west at pixel level and county level respectively. The results show that Chinese population has grown rapidly from 1.005 billion in 1982 to 1.395 billion in 2017. The proportion of population of the western region bounded by the "Hu Huanyong Line" has increasedfrom 5.91% to 6.42%; NPP has shown an overall growth trend among studying years, which increased from 2.69 Pg C in 1982 to 3.24 Pg C in 2015, with a growth rate of 16.60 Tg C/yr. The growth rate of NPP (12.30 Tg C/yr) in the east was nearly three times that (4.30 Tg C/yr) in the west; The per capital NPP in the West is much larger than that in the east and the whole China. In 1982, 2000, 2010, and 2017, the per capita NPP in the west and the whole China continued to decline, but the decline rate slowed down slightly. The per capita NPP in the east increased for the first time in 2017. Based on this, it can be seen that Chinese ecological environment is general in a state of restoration, while there are large differences between different regions. Therefore, regional differences should be fully considered in the formulation of relevant policies to achieve the coordinated development of Chinese ecological environment.

Keywords: NPP per capita ; The Hu Huanyong Line ; Spatial distribution ; Interannual change

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本文引用格式

周雷雷, 郑诗军, 尹捷, 张雅琼, 黄文江, 王心源, 王岩, 张赫林, 陈俊杰, 彭代亮. 以“胡焕庸线”为界的中国东西部净初级生产力变化分析. 遥感技术与应用[J], 2021, 36(4): 916-925 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0916

Zhou Leilei, Zheng Shijun, Yin Jie, Zhang Yaqiong, Huang Wenjiang, Wang Xinyuan, Wang Yan, Zhang Helin, Chen Junjie, Peng Dailiang. Analysis on the Change of Net Primary Productivity in the East and West of China Bounded by “The Hu Huanyong Line”. Remote Sensing Technology and Application[J], 2021, 36(4): 916-925 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.4.0916

1 引 言

陆地生态系统是人类赖以生存与发展的物质基础和空间条件,碳循环与该系统有着至关重要的联系,截至2021年,124个国家承诺到2050年或2060年实现碳中和1。植被作为该系统的第一生产者对系统的平衡起着重要的作用,通过探究植被净初级生产力(NPP)可更好地了解全球碳循环2。NPP是指绿色植物吸收光能后,在单位面积、时间内通过光合作用产生的有机物的总量减去自身呼吸所消耗的有机物的差值3,是确定全球生态系统是否可持续发展的几大核心指标之一4。近年来随着遥感技术的发展,可以实现对多尺度长时间序列NPP的准确估算,进而对环境的动态变化进行监测与预警5-8。研究表明,我国不同地理地貌与植被类型,NPP均呈现出不同程度的增长趋势。如善达克沙地各植被NPP值均增大5;孔河流域NPP在未来将呈增长趋势6;青藏高原植被NPP在2000~2015年西南部较东北部整体偏大7;我国NPP在2001~2014年间总量在3.02~3.49 Pg C间波动,植被NPP总量呈现出波动增长8

人口时空分布一直以来都是学者们的研究热点。我国是当前世界上人口最多的国家,由于地形复杂、环境多样、经济发展不平衡等原因,致使我国人口分布不均9。早在1935年著名地理学家胡焕庸先生就提出我国人口在空间分布上的不均衡性,即在黑龙江黑河(原瑷珲)到云南腾冲画一条倾斜约45° 的直线,后人称为“胡焕庸线”,明确指出96%的人口居住在“胡焕庸线”的东部。虽然“胡焕庸线”西部占我国国土面积的64%,但人口仅占总人口的4%10。2013年李克强总理提出来“胡焕庸线”该不该打破、能不能破、如何破,后被称为“总理三问”,使“胡焕庸线”再次被学界重点关注11

目前对NPP研究较多地存在于区域性时空动态变化监测与相关贡献率的分析5-8,对人口的研究更倾向于对人口变迁的定性与定量分析12-15。涉及人口分布与NPP之间响应关系的研究较少。然而人类的日常生活中,如衣食住行中的纤维、粮食、家具、燃料等,很大一部分都与植被净初级生产力存在密切的联系1617。并且我国人多地少资源相对匮乏,用占不到世界10%的耕地却要养活世界22%的人口18,农业用地的安全问题也日益严峻19。所以,对人均NPP的研究就显的尤为迫切。通过分析人均NPP能定量地对我国自然资源进行有效的管理与分配,政府和相关部门可据此进行相关政策的调整,避免资源的浪费使其利用率达到最大化。党的十九大明确指出我国的主要矛盾已转化为“人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”,推动均衡发展与区域协调发展是我国的重大战略之一,是人民对美好生活追求的期待20。以“胡焕庸线”为界我国东、西部在经济、教育、基础建设、城镇化等均呈现出西部“较轻”、东部“较重”的极不平衡状态21。在传统以重工业化为主的发展模式下,对西部资源过度开发致使西部生态环境相对较差。近年来在“绿水青山就是金山银山”的号召下,国家对西部生态环境越来越重视,生态的跨区域补偿逐渐被认可与实施22,NPP作为调节生态过程和估算区域生态质量的重要因素,与确定某区域为获取生态补偿区还是付出生态补偿区有着密切的联系23。因此,研究植被净初级生产力和人口的分布关系及人均NPP有着重要意义。

实验对我国1982~2015年NPP时空格局进行分析,并结合人口普查数据,研究我国整体和以“胡焕庸线”为界的东、西部地区的NPP、人口及人均NPP的时空变化,以求为国家人口政策与区域生态环境保护提供理论支撑和科学依据。

2 数据和方法

2.1 “胡焕庸线”两边生态环境概况

我国的地理环境复杂多样,整体地势呈现出西高东低的分布格局。“胡焕庸线”西部主要地理构造为高原、沙漠和戈壁滩等,东部以平原、丘陵和喀斯特地貌等为主24。自“胡焕庸线”提出以来就被学者们广泛接受,近年来为回答“总理三问”对“胡焕庸线”的研究也变得更加广泛。研究表明该线不仅是我国的人口分界线,实际上也将我国农区与牧区隔离开来,农区主要分布在“胡焕庸线”东侧,而牧区较多的分布在西侧25。此外“胡焕庸线”两侧的降雨、日照等也有着显著的差异,是我国半湿润与半干旱区域的分界线,并且基本和年400 mm降水线重合26。所以,以“胡焕庸线”为界把我国分为东、西部进行生态环境研究是非常有必要与合理的。

2.2 数据来源

人口数据共包括1982~2017年间的四期人口数据。其中1982、2000、2010年人口数据分别对应第三、五、六次全国人口普查数据,2017 年人口数据为全国户籍统计数据,数据来源于国家统计局的历年统计年鉴。

县级空间矢量数据,为中国科学院资源与环境科学数据中心提供的1∶100万分县行政边界数据。考虑到不同年份行政区域划分的不同进行相应处理,调整到当年人口统计数据所对应的县市行政区域。“胡焕庸线”的矢量数据则是以黑龙江黑河(原名瑷珲)向西南约45° 作一直线至云南腾冲之间涉及的县市连接后所形成的数据27

NPP数据是北京师范大学提出的基于全球地面卫星(GLASS)的Leaf Area Index (LAI)和Fraction of Photosynthetically Active Radiation(FPAR)产品,运用光能利用率模型估算得到28-29

2.3 研究方法

实验主要分析我国以“胡焕庸线”为界的东、西部地区净初级生产力、人口与人均NPP的时空变化,主要思路如下:

(1)NPP时空变化分析。1982~2015年我国整体和以“胡焕庸线”为界东、西部的NPP时空变化定量分析。首先进行1982~2015年NPP平均值的计算,并采用一元线性回归计算NPP随时间变化的斜率,当斜率为正值时,表示该像元NPP数据在1982~2015年这34 a间处于增加的状态,值越大则表示NPP增加速率越快;若斜率为负值时,则表示该像元NPP在研究期间处于下降的趋势,值越小表示NPP下降速率越快;当斜率为零时,则表示该像元NPP在研究期间无变化。同时,使用F检验判断其变化趋势的显著性。

(2)人口时空变化分析。原始人口数据为县级人口统计数据,利用ArcGIS连接到相对应年份的县级矢量图,通过计算几何分析工具得到县级行政区的面积(单位为km²),综合运用人口与面积数据计算人口密度(单位为人/km²)。

(3)人均NPP变化分析。利用预处理过的NPP数据、人口数据与县级矢量数据,通过ArcGIS空间分析工具,计算出县级行政区域的NPP总量。利用NPP总量与人口数据,统计人均NPP。并计算研究期间人均NPP的增减状况,即1982年人均NPP与2017年人均NPP差值。人均 NPP数据计算时为矢量数据,由于县级行政区的的细化导致1982年行政区域数量与空间位置都无法完全和2017年县级行政区域一一对应(1982年县级行政区域为1 989个、2017年县级行政区域为2 851个),故对县级尺度的人均NPP矢量数据进行转栅格化,得到1982年和2017年的人均NPP栅格数据,对其做差得到研究期间人均NPP增减。

3 结果与讨论

3.1 我国NPP空间分布特征

1982~2015年我国NPP均值为316.14 g C/m²/a,空间分布如图1(a)所示,由图可知,以“胡焕庸线”为界,东、西部差异非常明显,东部年均NPP为586.48 g C/m²/a,西部年均NPP为110.42 g C/m²/a。不同区间年均NPP东、西部差距较大,有49.67%的国土年均NPP小于200 g C/m²/a,涵盖西部各个省份,而东部较少,集中分布在长三角、珠三角、京津冀、重庆部分区域等;其次是年均NPP在400~ 600 g C/m²/a 这一区域;年均NPP大于1 000 g C/m²/a 的区域最少,仅占总国土面积的2.01%。造成我国NPP空间分布差异的原因,与区域水热条件的时空分布以及地物类型有着密切的联系。我国沙漠、戈壁滩、荒漠和高原等基本都分布在西部区域,相对而言更适合绿色植被生长的平原、丘陵、沼泽和原始森林等较多地分布在东部地区24

图1

图1   1982~2015年中国平均NPP分布与东、西部各区间占比

审图号:GS(2018)2700

Fig.1   Distribution of China's average NPP from 1982 to 2015 and the proportion of the eastern and western regions


3.2 我国NPP年际变化

对我国1982~2015年NPP 的趋势分析得到,我国整体和以“胡焕庸线”为界东、西部NPP都处于增加状态,我国整体与东、西部增加量分别为1.74g C/m²/a、2.98g C/m²/a、0.79g C/m²/a。NPP处于减少的区域占总国土面积的27.70%,东、西部差异较大;NPP处于增加状态的的区域占总国土面积的72.30%,大部分区域处于轻度增加(大于0g C/m²/a,小于5g C/m²/a)占国土面积的60.59%,东、西部分别占比为24.00%、36.59%。综合分析可知,东部NPP年际变化增加较为明显,尤其是河南、山东、湖北等我国粮食主产区均出现NPP增加量大于10g C/m²/a的区域,但严重减少的区域也集中出现在东部,主要分布在长三角、珠三角、京津冀等经济较为发达的区域。显著性变化(*p<0.05)的面积占变化区域的45.68%,其中东部占24.47%,西部占21.21%,产生此种情况的主要原因是经济的快速发展导致城市加速扩张和工业化加剧,使较多的农业用地转变成工业用地等原因30-31

我国NPP总量在1982~2015年间整体呈增长趋势,图2(b)为全国和东、西部NPP总量年际变化。由图可知,我国NPP总量由1982年的2.69 Pg C增长到2015年的3.24 Pg C,其中峰值在2004年NPP总量为3.27 Pg C,低值出现在1982年NPP总量为2.69 Pg C,34 a NPP总量的均值为3.00 Pg C,增长率为16.60 Tg C/a;东部增长率为12.30 Tg C/a;西部增长率较低为4.30 Tg C/a。其中东部区域用占我国40%左右的土地,常年对我国NPP总量的贡献率稳定在80%左右。

图2

图2   1982~2015年中国NPP年际变化率与NPP总值年际变化

(审图号:GS(2018)2700)

Fig.2   The interannual change rate of China's NPP and the interannual change of total NPP value from 1982 to 2015


3.3 我国人口时空变化

本研究涉及的人口数据主要有1982、2000、2010、2017四期人口数据,通过分析的到我国与东、西部年总人口、人口密度,东、西部历年人口占比等统计数据(本研究不包括港、澳、台)。

我国大陆人口在研究期间呈现出增长的趋势,由1982年的约10.05亿增加到2017年约13.95亿。图3为县级人口分布图,我国人口在1982~2000年增长2.33亿;2000~2010年10 a间增长0.91亿;2010~2017年增加了0.64亿。近年来随着区域发展的逐渐缩小“胡焕庸线”东、西部的人口占比也逐渐改变,西部人口占比逐渐增多,由1935年胡焕庸先生提出的西部人口占全国人口的4%,增长到2017年的6.42%,并且有持续增长的趋势。图6(b)为以“胡焕庸线”为界东、西部在人口占比在研究期间的变化。图4为研究期间我国人口数分级的分县单元数,1982年百万级人口城市为148个,0~20万这一区间的城市为617个,20~40万这一区间较其他区间最多达到709个,40~60万、60~80万、80~100万区间的城市数量依次为449、230、168个;2010年百万级人口城市达到峰值为325个,但在2017年随着行政区域的详细划分,百万级城市首次出现下降为260个,而0~20万这一区间的城市首次出现增加为592个。

图3

图3   中国县级人口历史空间分布

Fig.3   Historical spatial distribution of population at county level in China


图4

图4   人口数不同值域范围县级行政单元数

Fig.4   Number of county-level administrative units with different population ranges


图5

图5   中国县级人口密度历史空间分布

Fig.5   Historical spatial distribution of population density at county level in China


图6

图6   1982、2000、2010、2017年中国人口数量、东西部占比与人口密度

Fig.6   China's population in 1982, 2000, 2010, and 2017, proportion of east and west and population density


我国整体和东、西部人口密度均呈现出增加的趋势,我国人口密度在1982、2000、2010、2017年,依次为105.84、130.47、140.11、146.86人/km2。其中2010~2017年期间增长最慢每平方千米增加6.75人,同期东部每平方千米增加14.48人,西部每平方米增加0.81人。1982、2000、2010、2017年东、西部人口密度持续增长但增速明显放缓,东部区域人口密度依次为228.87、281.22、301.39、315.87人/km2,同期西部数据分别为11.08、14.36、15.88、16.70人/km2

3.4 人均NPP空间分布与年际变化

综合运用NPP与人口数据对我国人均NPP的历史空间分布进行分析。共四期数据其中,1982、2000、2010人均NPP为当年人口与NPP数据求得,2017年的人均NPP为2017年的人口与2015年NPP数据求得。

图7

图7   1982、2000、2010、2017年中国人均NPP空间分布

Fig.7   Spatial distribution of NPP per capita in China in 1982, 2000, 2010 and 2017


图8

图8   人均NPP不同值域范围县级行政单元数

Fig.8   Number of county-level administrative units in different value ranges of NPP per capita


图7为我国人均NPP的空间分布图。由图可知,我国人均NPP区域性差异较为明显,与NPP空间分布正好相反西部人均NPP高于东部区域。我国人均NPP从1982年的2.67 t C下降到2017年的2.32 t C;西部人均NPP在研究期间持续下降,由1982年8.81 t C下降到2017年的7.13 t C;东部人均NPP在1982、2000、2010年处于持续下降的趋势,由1982年的2.29 t C下降到2010年的1.99 t C,2017年出现首次增长为2.00 t C。这是由于我国主要的工业基地和高新技术行业集中分布在东部,交通用地与建筑用地等消耗巨大,东部人口较多,而西部人口较少居住分散,原始生态环境变化较小33-34。由人均NPP分级的分县单位个数可知,我国大多县级区域的人均NPP小于5 t C,1982年为1 643个县级行政区,占中国总县级行政区的70.78%,到2017年增长到2 214,占比增长到77.65%。空间分布来看,西部人均NPP小于5 t C 的区域主要集中在陕西、甘肃、宁夏与新疆部分区域,而东部广泛分布在各个省份。人均NPP大于25 t C的县市级行政区域的数量在1982、2000、2010、2017年间一直处于减少状态,分别为129、128、120、113个,占比也从1982年的5.55%下降到2017年的3.96%,下降幅度较大,一方面是行政区域的细化,另一方面的原因是人口的增加32-35

图9(a)为1982~2017年人均NPP差值增减的空间分布图,由于进行了栅格化处理与实际会稍有误差,但总的来看可较为正确的反映实际变化。由图可知我国人均NPP在研究期间有61.52%的区域处于下降状态,其中西部占38.48%,东部为23.04%;处于增加状态的区域东、西部较为平均,东部为18.26%西部为20.22%。这与近年来我国耕地面积整体呈现出减少的趋势、西部人口占比的增加与对西部生态环境的保护有着密切的联系31-32

图9

图9   1982和2017人均NPP差值与人均NPP

(审图号:GS(2018)2700)

Fig.9   Difference between NPP per capita in 1982 and 2017 and NPP per capita


4 结 语

实验基于NPP数据(1982~2015年)与人口数据(1982、2000、2010、2017年),对我国与以“胡焕庸线”为界的东、西部植被NPP、人口与人均NPP进行分析,结果表明:

中国整体植被NPP处于增加的状态,年总值在2.69 Pg C~3.27 Pg C之间,年平均值为3.00 Pg C。具有显著的空间分布差异性,“胡焕庸线”西部虽占有中国大半土地却常年只贡献我国NPP总量的20%左右。我国NPP在1982~2015年整体呈现出增加的趋势,增加量为1.74 g C/m²/a,东部较西部增加较快,增加量分别为2.98 g C/m²/a与0.79 g C/m²/a。

我国人口整体呈现出增长的趋势,从1982年的10.05亿增长到2017年的13.95亿,增长了近3.90亿,但增长速率有持续放缓的趋势。西部人口占全国总人口的比例也由首次提出“胡焕庸线”时的4%上升到2017年的6.42%,此结果说明人类活动在某种程度上逐渐打破自然环境的限制。

全国与西部人均NPP在研究期间变化较为一致,处于持续下降的状态但下降速率略有放缓;东部人均NPP在1982、2000、2010年处于持续下降的状态,随后在2017年首次出现增加的趋势,一方面是生态环境的逐年改善,另一方面和近年来人口增长较慢有着密切的联系。不同区域人均NPP差异较大,西部人均NPP是东部的3倍左右。

我国生态环境在研究期间整体呈现出变好的趋势,这与我国的重大生态工程建设的实施有着密切的联系。自我国成立以来,逐渐意识到生态环境保护的重要性,为恢复和保护森林生态、减轻水土流失、生物多样性、巩固耕地、防治荒漠化和改善草地生态,分区域进行多个重大工程的制定。从1978年的“三北”防护林工程到2015耕地质量计划,我国主要提出16个可持续性方案,涉及5亿多人, 投资3 785亿美元,占地6.239亿hm2 [36,随着这些生态工程的落实与完善,我国在未来会对全球生态环境的保护作出巨大贡献。

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