基于MODIS數(shù)據(jù)的2002～2006年中國陸地NPP分析

王李娟，牛 錚，曠 達

(中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101)

基于MODIS數(shù)據(jù)的2002～2006年中國陸地NPP分析

王李娟，牛 錚，曠 達

(中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室，北京 100101)

對2002～2006年MODIS數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)計得出5 a間全國年均陸地植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)為1．5 PgC;5 a全國NPP組成分析顯示，NPP絕大部分集中在0～300 gC/m2區(qū)間，所占比例約為70% ～85%;全國大部分地區(qū)年NPP呈現(xiàn)出減少的趨勢，受城市擴張、新增工業(yè)用地等人類活動影響顯著。

MODIS;凈初級生產(chǎn)力;BIOME－BGC模型;中國

0 前言

陸地植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)指植物在單位時間、單位面積上由光合作用產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余成分［1］。NPP不僅是生態(tài)系統(tǒng)過程的關(guān)鍵調(diào)控因子，而且是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要決定因子［2］。隨著全球變化研究的不斷深入，植被凈初級生產(chǎn)力在研究全球變化對生態(tài)系統(tǒng)的影響，響應(yīng)和決策中，成為一項不可或缺的指標(biāo)以及核心內(nèi)容［3］。掌握NPP年際間的變化規(guī)律，對評價陸地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，調(diào)節(jié)生態(tài)過程以及估算陸地碳匯具有重要的理論和實際意義［4，5］。

本文利用美國國家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS的TERRA衛(wèi)星提供的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MOD17A3)，對全國陸地2002～2006年共5 a的NPP狀況進行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究所用遙感數(shù)據(jù)為NASA的EOS/MODIS提供的2002～2006年共5 a的MOD17A3數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)分辨率為1 km，可根據(jù)BIOME－BGC模型計算出全球NPP年際變化，目前已經(jīng)在全球不同區(qū)域?qū)χ脖簧L狀況、生物量的估算、環(huán)境監(jiān)測和全球變化等研究中得到驗證和廣泛應(yīng)用［6－9］。BIOME－BGC模型如圖1所示。

圖1 年NPP估算流程圖Fig．1 The estimation of annualmean NPP

主要的輸入?yún)?shù)有:土地覆蓋類型數(shù)據(jù)(Land Cover)，為MOD12Q1產(chǎn)品;植被光合有效輻射吸收分量(FPAR)和葉面積指數(shù)(LAI)，從MOD15產(chǎn)品中獲得;最大光能利用率(εmax)，根據(jù)Land Cover數(shù)據(jù)確定植被類型，然后從NASA提供的生物屬性查找表(Biome Parameter Look－Up Table BPLUT)中獲取;吸收光合有效輻射(PAR)，由單位時間太陽總輻射(SWRad)計算求得;SWRad，由NASA數(shù)據(jù)同化辦公室(Data Assimilation Office DAO)提供;比葉面積(SLA)，從NASA提供的生物屬性查找表中獲取;日均蒸汽壓差標(biāo)量(VPD)和日最低溫度標(biāo)量(Tmin)，呼吸指數(shù)形狀參數(shù)(Q10)和日均溫度(Tavg)由NASA數(shù)據(jù)同化辦公室提供。

年NPP主要是對一年內(nèi)凈光合作用的時間積分，簡單原理如下:

式中，GPP為總初級生產(chǎn)力;APAR為植被所吸收的光合有效輻射;PAR為植被所能利用的太陽總輻射;FPAR為植被光合有效輻射吸收分量;SWRad為單位時間太陽總輻射;常數(shù)0．45表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0．4～0．7μm)占太陽總輻射的比例;ε是光能利用率，是由各種植被類型最大光能利用率εmax受環(huán)境中的溫度Tmin和水汽壓VPD因子影響的結(jié)果;Rml和Rmr分別是枝葉和根部用于呼吸所消耗的能量;Rmo是除枝葉和根以外其余部分呼吸消耗的能量;Rg為自身生長呼吸消耗的能量［10］。

研究中，為了便于統(tǒng)計計算，將MODIS數(shù)據(jù)利用IDL投影轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成適合中國地區(qū)的Albers投影，然后進行拼接裁剪等預(yù)處理，最后對2002～2006年全國大陸植被凈初級生產(chǎn)力進行統(tǒng)計計算。

另外，由于數(shù)據(jù)缺失，本文只處理了2002年和2004年的MOD12Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品，得出全國土地分類圖。

2 結(jié)果分析

2．1 2002～2006年年NPP總量變化

圖2為2002－2006年全國NPP統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 2002～2006年全國年NPP分布Fig．2 Changes of annual NPP in China from 2002 to 2006

計算結(jié)果表明，2002～2006年全國總NPP年平均值為1．5 PgC(1 Pg=1015g)。這一結(jié)果與樸世龍等［11］在2001年利用CASA模型計算的結(jié)果(1．95 PgC)接近。同時驗證了該BIOME－BGC模型估算全國NPP結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，該方法適宜于全國區(qū)域。2002～2006年5 a間，全國年NPP總量呈下降趨勢，其中在2004年下降最顯著。

2．2 2002～2006年年NPP空間分布格局

2002～2006年全國年NPP空間分布格局如圖3所示。

圖3 2002～2006年全國年NPP空間分布Fig．3 Spatial distribution of annual NPP in China from 2002 to 2006

從圖中可以看出，全國年NPP總體分布呈現(xiàn)出從東南沿海向西北部逐漸減小的趨勢，其中西北荒漠地區(qū)最小，這與陳斌等［12］分析的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP分部相吻合。海南島、臺灣、云南西南部、青藏高原東南部地區(qū)以及華南地區(qū)的年NPP明顯高于其他地區(qū)，年NPP值在700～2 000 gC/m2之間，這是由于這些地區(qū)的植被以熱帶亞熱帶常綠闊葉林為主。大興安嶺、小興安嶺、太行山、秦嶺山區(qū)以及四川東南部等地區(qū)的年NPP也在400～600 gC/m2之間，高于全國平均水平，這是由于這些地區(qū)植被覆蓋主要以森林為主。西部塔克拉瑪干沙漠地區(qū)植被稀疏，NPP幾乎為零。2002～2006年5 a全國NPP的組成分析統(tǒng)計如表1所示。

表1 2002～2006年全國NPP分布統(tǒng)計Tab．1 National NPP distribution characteristics from 2002 to 2006 (gC/m2)

從表中可以發(fā)現(xiàn)，全國植被年NPP絕大部分集中在0～300 gC/m2區(qū)間，所占百分比達到了70% ～85%;300～500 gC/m2所占比例也約為10% ～20%;大于500 gC/m2的地區(qū)很少，僅約為5% ～10%。

2．3 2002～2006年5 a間NPP空間變化

圖4為2002～2006年全國年NPP空間變化情況。

圖4 2002～2006年5 a間NPP空間變化Fig．4 Spatial change of annual NPP in China from 2002 to 2006

從圖4中我們發(fā)現(xiàn):2002～2006年5 a間，總體上全國大部分地區(qū)呈降低趨勢，其中有約11%地區(qū)減少顯著(＜－100 gC/m2)，這些地區(qū)主要包括臺灣地區(qū)、大陸東部地區(qū)和東北部地區(qū);大部分地區(qū)(約78%)減少不明顯(－100～0 gC/m2);有約11%的地區(qū)呈增長趨勢，其中僅有2%顯著增長(大于100 gC/m2)，主要分布在青藏高原東南部，而其余約9%增長不明顯(0～100 gC/m2)。

由于數(shù)據(jù)缺失，本研究只比較2002年和2004年的土地利用數(shù)據(jù)。如圖5所示，1～6值代表植被覆蓋區(qū)域，7、8值藍色區(qū)域代表無植被覆蓋地區(qū)或者城市地區(qū)。將土地利用情況與年NPP空間變化情況結(jié)合分析可以發(fā)現(xiàn)，年NPP減小區(qū)域主要分布在中東部地區(qū)。這些地區(qū)的土地利用變化情況主要表現(xiàn)為城市化或者無植被覆蓋面積增大。表明這些地區(qū)城市擴張，工業(yè)用地劇增等頻繁人類活動在較大程度上破壞或者影響了植被正常生長條件，導(dǎo)致NPP的降低。

圖5 2002年與2004年土地利用變化Fig．5 Land －use change in 2002 and 2004

3 結(jié)論

(1)本文統(tǒng)計得到全國2002～2006年5 a的平均年 NPP 為1．5 PgC，這與樸世龍等［11］在 2001 年利用CASA模型計算的結(jié)果(1．95 PgC)接近，說明本結(jié)果具有較高的可靠性。

(2)2002～2006年，全國植被NPP絕大部分集中在0～300 gC/m2區(qū)間，所占百分比約為70% ～85%。

(3)2002～2006年5 a間，全國大部分地區(qū)年NPP呈現(xiàn)出減少的趨勢，減小區(qū)域達到89%，其中11%顯著減少，約78%減小微弱。減小地區(qū)主要分布在中東部地區(qū)，結(jié)合土地利用變化分析可知，這些地區(qū)城市擴張，新增工業(yè)用地等人類活動在較大程度上破壞或者影響了植被正常生長的條件，導(dǎo)致NPP降低。

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(責(zé)任編輯:李 瑜)

An Analysis of the Terrestrial NPP from 2002 to 2006 in China Based on MODIS data

WANG Li－juan，NIU Zheng，KUANG Da
(State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

In this paper，MODIS data from 2002 to 2006 were processed，the terrestrial NPP in China were calculated through statistic analysis，and then the results were analyzed．The results show that，from 2002 to 2006，the average terrestrial NPP was1．5 PgC．The five－year national terrestrial NPP composition analysis indicates that most of the national NPP concentrated in 0～300 gC/m2，the percentage of NPP was about70% ～85%，and the annual NPP inmost parts of China showed a downward trend，which was significantly affected by urban expansion，new industrial land and other human activities．

MODIS;Net Primary Production;BIOME－BGC model;China

王李娟(1984－)，女，碩士生，主要從事遙感應(yīng)用方面的研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0113－04

2010－01－25;

2010－04－30

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(編號:2007CB714406)、國家科技支撐計劃(編號:2008BAC34B03)、國家自然科學(xué)基金(編號:40971202)以及歐盟項目CEOP－AEGIS(編號:FP7－ENV－2007－1 Grant nr．212921)共同資助。