1994—2008年河南省植被凈第一性生產(chǎn)力及其時空變化

李軍玲，陳懷亮，鄒春輝，劉忠陽，郭其樂，郭鵬

1. 河南省氣象科學研究所，河南 鄭州 450003；2. 中國氣象局農業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室，河南 鄭州 450003

全球變化研究的是地球系統(tǒng)的整體行為。它把地球的各個圈層（如大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈）作為一個整體，研究地球系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來的變化規(guī)律和控制這些變化的原因和機制，從而建立全球變化預測的科學基礎，并為地球系統(tǒng)的管理提供依據(jù)。今天，全球環(huán)境問題的嚴重性主要在于人類本身對環(huán)境的影響已經(jīng)接近并超過自然變化的強度和速率，正在并將繼續(xù)對未來人類的生存環(huán)境產(chǎn)生長遠的影響。這些重大全球環(huán)境問題已經(jīng)遠遠超過了單一學科的范圍，迫切要求從整體上來研究地球環(huán)境和生命系統(tǒng)的變化，從而提出了地球系統(tǒng)的概念，即由大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈組成的一個整體。同時，觀測技術的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感技術，提供了對整個地球系統(tǒng)行為進行監(jiān)測的能力；計算機技術的發(fā)展為處理大量的地球系統(tǒng)的信息，建立復雜的地球系統(tǒng)的數(shù)值模式提供了工具。

植被是陸地生物圈的主體，它不僅在全球物質與能量循環(huán)中起著重要作用，而且在調節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護全球氣候穩(wěn)定等方面具有不可替代的作用。植被凈第一性生產(chǎn)力（NPP）指綠色植物在單位時間和單位面積上所積累的有機干物質總量，它不僅是碳循環(huán)原動力，而且是判定碳匯以及調節(jié)生態(tài)過程的主要因子[1]。

有關植被凈第一性生產(chǎn)力及其與全球變化的研究很多，但大多集中在全球變化影響下未來植被凈第一性生產(chǎn)力變化的預測[2-5]，由于資料獲取等原因，對過去植被凈第一性生產(chǎn)力的變化的研究不多。Tian等應用TEM（terrestrial ecosystem model）模型估算了1900年至1994年的美國植被凈第一性生產(chǎn)力[6]，并對時空變化進行了分析；Peng等利用簡單的統(tǒng)計模型推算了 13000年來歐洲古植被生產(chǎn)力及其變化[7]。樸世龍等基于地理信息系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感技術，利用植被、氣候和土壤等地面空間數(shù)據(jù)，應用CASA模型估算了1982—1999年間我國植被年凈第一性生產(chǎn)量及其時空變化。肖桐等[8]基于凈初級生產(chǎn)力對三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性特征進行了分析。龍慧靈等[9]對凈初級生產(chǎn)力遙感估算模型進行改進的基礎上對內蒙古地區(qū)1982—2006年的NPP進行了估算，并分析了NPP和氣候的關系。但河南省植被NPP的研究較少，為了了解近年來河南省植被在碳循環(huán)中的作用，本文應用改進的CASA模型，估算從1994—2008年間每月河南省植被凈第一性生產(chǎn)量，并探討它們的年變化趨勢及其原因。

1 研究區(qū)自然概況

河南位于我國中部偏東、黃河中下游，處在東經(jīng) 110°21′～116°39′，北緯 31°23′～36°22′之間，與冀、晉、陜、鄂、皖、魯6省毗鄰，東西長約580 km，南北跨約550 km。全省土地面積16.7萬km2，在全國各省市區(qū)中居第 17位。河南地處北亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，氣候溫和，日照充足，降水豐沛，適宜于農、林、牧、漁各業(yè)發(fā)展。

河南屬亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，具有四季分明、雨熱同期、復雜多樣和氣象災害頻繁的特點。全省由南向北年平均氣溫為15.7～9.5 ℃，年均降水量1380.6～532.5 mm，6—8月降水量占年總量的 45%～67%，年均日照1140.1～2525.5 h；全年無霜期189～240 d。河南省由于氣候、地貌、水文等自然條件的影響，加以農業(yè)開發(fā)歷史悠久，因而土壤類型繁多，主要有黃棕壤、棕壤、褐土、潮土、砂疆黑土、鹽堿土和水稻土7種。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

（1）NDVI數(shù)據(jù) 1994—2008年全年逐旬AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率8 km×8 km，進行重采樣獲得分辨率為1 km×1 km的圖像數(shù)據(jù)。

（2）氣象數(shù)據(jù)。地面氣象數(shù)據(jù)來源于河南省氣象局，時間為1994年1月到2008年12月，包括月平均氣溫、月降水量以及118個氣象站點的經(jīng)緯度和海拔高度；太陽輻射值采用曹雯等[10]對我國太陽日總輻射的計算方法。計算NPP需要柵格化氣象數(shù)據(jù)，從空間上與遙感數(shù)據(jù)相匹配。本研究根據(jù)各氣象站點的經(jīng)緯度信息，通過對氣象數(shù)據(jù)進行IDW插值，獲得像元大小與NDVI數(shù)據(jù)一致、投影相同的1 km×1 km氣象要素柵格圖。

（3）其它相關數(shù)據(jù)。本文用到的河南省土地利用圖來源于1∶25萬的河南省基礎地理信息系統(tǒng)。

2.2 研究方法

NPP的研究方法很多，有關學者從不同角度及學科對NPP的估算進行了深入細致的研究，取得了豐碩成果。在區(qū)域或全球尺度上，人們無法直接和全面地測量，因此利用模型估算NPP已成為一種重要而廣泛接受的研究方法[11-12]。目前國內外關于植被凈第一性生產(chǎn)力的模型很多。1994年，Ruimy等把這些模型概括為 3類，即統(tǒng)計模型（Statistical mode），參數(shù)模型（Parameter mode）和過程模型（Process-based model）。

本文在 GIS的支持下，利用地面氣象數(shù)據(jù)和AVHRR數(shù)據(jù)，考慮到最大光利用率在不同植被類型中的差異，在CASA模型的基礎上構建了一個區(qū)域陸地植被NPP估算模型，以1994—2008年的河南省植被為例，對植被的凈初級生產(chǎn)力進行了估算，并對其進行時空分布的分析。

2.2.1 CASA模型

CASA模型[13]中植被凈第一性生產(chǎn)力主要由植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與光能轉化率（ε）兩個變量來確定，其估算公式如下：

2.2.1.1 APAR的估算

植被吸收的光合有效輻射（APAR）取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例，估算公式為：

式中：SOL(x,t)表示t月份在像元x處的太陽總輻射量(MJ·m-2)；FPAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射（PAR）的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.38～0.71 μm)占太陽總輻射的比例。

對于FPAR的計算采用Ruimy等[14]提出的如下計算公式：

2.2.1.2 光利用率（ε）的估算

Potter等認為在理想條件下植被具有最大光利用率，而在現(xiàn)實條件下的最大光利用率主要受溫度和水分的影響，其計算公式如下：

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)為低溫和高溫對光利用率的脅迫作用，Wε(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)，反映水分條件的影響，εmax是理想條件下的最大光利用率。Tε1(x,t)反映在低溫和高溫時植物內在的生化作用對光合的限制而降低凈第一性生產(chǎn)力。用下式計算：

式中：Topt(x)為某一區(qū)域一年內NDVI值達到最高時的當月平均氣溫。已有許多研究表明，NDVI的大小及其變化可以反映植物的生長狀況，NDVI達到最高時，植物生長最快，此時的氣溫可以在一定程度上代表植物生長的最適溫度。Tε2(x,t)表示環(huán)境溫度從最適溫度Topt(x)向高溫和低溫變化時植物光利用率逐漸變小的趨勢[15]，這是因為低溫和高溫時高的呼吸消耗將會降低光利用率，生長在偏離最適溫度的條件下，其光利用率也會降低。用（6）式計算：

當某一月平均溫度T(x,t)比最適溫度Topt(x)高10 ℃或低13 ℃時，該月的Tε2(x,t)值等于月平均溫度T(x,t)，為最適溫度Topt(x)時Tε2(x,t)值的一半。

CASA模型所用的土壤水分子模型用到大量的土壤物理參數(shù)，較難獲取且精度不能保證，本文采用了周廣勝和張新時建立的區(qū)域實際蒸散模型求水分脅迫系數(shù)(Wε)[16]，該模型主要利用的是氣象數(shù)據(jù)，容易獲取和計算。水分脅迫影響系數(shù)(Wε)反映了植物所能利用的有效水分條件對光利用率的影響。隨著環(huán)境中有效水分的增加,Wε逐漸增大。它的取值范圍為 0.5(在極端干旱條件下)到 1(非常濕潤條件下)，由公式(7)計算：

其中，EET(x,t)(mm)為區(qū)域實際蒸散量，根據(jù)周廣勝和張新時建立的區(qū)域實際蒸散模型求?。ü?）；PET(x,t) (mm)為區(qū)域潛在蒸散量，可根據(jù)Bouchet提出的互補關系求取。

式中：r(x,t)為像元x在t月的降水量，Rn(x,t)為像元x在t月份的太陽凈輻射量（mm）。

其中：BT=365t/∑或12T/∑；t為大于0 ℃與小于30 ℃的日均溫；T為大于0 ℃與小于30 ℃的月均溫。

本文根據(jù)河南省的實際植被分布及地理情況，對最大光利用率（εmax）進行了相應的改進。由于CASA模型所采用的固定最大光利用率0.389 g·MJ-1并不適用于中國的植被[17-18]，Running等根據(jù)生態(tài)生理過程模型BIOME-BGC模擬的結果，賦予不同的植被覆蓋類型不同的最大光利用率[19]，通過植被類型所賦予的最大光利用率的值更接近我國的實際情況。河南省森林植被相對少且單調，主要以落葉闊葉林為主，經(jīng)調整后具體取值如表1所示。

3 結果分析

3.1 15年來河南省植被凈第一性生產(chǎn)力及其變化

對1994—2008年河南省陸地植被年均NPP的模擬顯示，河南省陸地各類植被的年均NPP變化范圍（以C計）為0～633 g·m-2·a-1，整個河南省平均值（以 C 計）在 208.6～262.2 g·m-2·a-1之間，15 年平均（以 C 計）為 228.4 g·m-2·a-1，1994—2008 年年均NPP呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，年均NPP最大值出現(xiàn)在2004年，最小值出現(xiàn)在2003、1996年，年均增加值（以C計）為0.0764 g·m-2·a-1，增加趨勢不明顯。

河南省植被類型主要為農田和森林，其中森林主要分布在西部山區(qū)。其它植被類型灌叢、草地等分布很少（圖2）。圖3為1994—2008年15年平均的陸地植被年均NPP的分布特征，模擬結果顯示：河南省陸地植被年均 NPP較大的區(qū)域主要分布于西部山區(qū)以及部分省界森林覆蓋區(qū)，年均NPP（以C 計）>400 g·m-2·a-1（藍色區(qū)域）；NPP 最小值主要分布于城市及周邊區(qū)域，大部分小于（以C計）200 g·m-2·a-1（橙色區(qū)域），其它區(qū)域植被年均 NPP（以C計）介于 200～400 g·m-2·a-1之間，主要為農田或草地覆蓋區(qū)域。對比圖 2和圖 3可以看出，植被NPP和植被類型分布極為一致，森林NPP最大，然后依次為灌叢、草地、農田、其它植被和無植被覆蓋區(qū)。

圖1 1994—2008年間河南省NPP均值變化Fig.1 Change in annual NPP in Henan during 1994－2008

圖2 河南省陸地植被分布圖Fig.2 Terrestrial vegetation distribution in Henan

圖3 1994—2008年平均NPP分布圖Fig.3 Annual average NPP distribution in Henan during 1994－2008

15年來河南省植被年總第一性生產(chǎn)力變化如圖 1?？梢钥闯觯幽鲜≈脖粌舻谝恍陨a(chǎn)力在一定范圍內波動，總體呈緩慢增加趨勢。15年來河南省植被年凈第一性生產(chǎn)量為38.16 Mt C。變化曲線中有4個明顯的峰（1998、2001、2004、2007年）和3個明顯的谷（1996、2000、2003年），其中2004年的植被凈第一性生產(chǎn)力最大，達到43.75Mt C。

表1 不同植被類型的最大光利用率Table 1 The maximum light use efficiency (εmax) of different vegetation types

圖4、圖5和圖6給出河南省年平均氣溫、年降水量和年均太陽輻射在這 15年中的變化趨勢?？梢钥闯觯?5年來河南省溫度變化趨勢不明顯，總體呈上升趨勢；降水在波動中呈現(xiàn)略微上升趨勢；太陽輻射在波動中呈現(xiàn)明顯下降趨勢。河南省植被年凈第一性生產(chǎn)力和年平均溫度之間相關系數(shù)為0.57，顯著相關（r=0.57，P>0.05，n＝15），從折線圖中可以看到其變化趨勢較為一致。1996、2000、2003年的溫度折線圖上呈明顯的谷，和植被年凈第一性生產(chǎn)力折線圖完全一致。1998、2004年在折線圖上呈現(xiàn)的峰也完全一致。2003年，雖然年降水量最大，但年平均溫度最低（14.2 ℃），同時年均太陽輻射也最低，不利于植被生長，年凈第一性生產(chǎn)力為15年來最低。

圖4 1994—2008年間河南省年平均溫度的變化Fig.4 Changes in annual average temperature in Henan during 1994－2008

圖5 1994—2008年間河南省年平均降水量的變化Fig.5 Changes in annual precipitation in Henan during 1994－2008

圖6 1994—2008年間河南省年平均太陽輻射的變化Fig.6 Changes in annual solar radiation in Henan during 1994－2008

河南省植被年凈第一性生產(chǎn)力與年降水量和年均太陽輻射的相關性很差。這主要是因為河南省為農業(yè)大省，其中耕地面積占總面積的65%左右，而耕地屬于主要受人為影響的植被，水量受澆灌影響很大；太陽輻射分布不均或波動范圍滿足植被的基本需求，因此太陽輻射也不成為凈第一性生產(chǎn)力的限制因子，沒有明顯相關性。

3.2 不同植被類型的年凈第一性生產(chǎn)力及其變化

為分析不同植被類型的凈第一性生產(chǎn)力對氣候變化的響應，對應于CASA模型中植被類型的劃分方法，將河南省1∶25萬的土地利用圖上的植被類型劃分為林地（河南省內主要為落葉闊葉林）、灌叢及稀樹草原、草地、耕地及其它植被類型。

圖7為5種植被類型年均凈第一性生產(chǎn)力的年際變化。可以看出，15年來河南省各類主要植被類型的凈第一性生產(chǎn)力沒有明顯變化。5種植被類型變化趨勢基本一致，都在1998、2001年，2004和2007年出現(xiàn)明顯的峰值。

圖7 1994—2008年間河南省5種植被類型的NPP年變化Fig.7 Interannual changes in annual NPP of different vegetation types in Henan during 1994－2008

林地是年凈第一性生產(chǎn)力最高的植被類型，15年的平均值（以 C 計）達到 457.10 g·m-2·a-1，然后依次是灌叢（299.10 g·m-2·a-1）、耕地（224.65 g·m-2·a-1）、草地（220.35 g·m-2·a-1）、其它植被（143.75 g·m-2·a-1）。其中耕地和草地的值非常接近。

為了對比 15年來不同植被年凈第一性生產(chǎn)力的平均變化幅度，先對每一種植被類型的每年平均生產(chǎn)力進行標準化，即15年來最大值取1，最小值取0，然后求每個植被類型NPP隨年份變化的趨勢方程。

森林NPP = 0.0106x+ 0.3847

灌叢NPP = 0.0014x+ 0.4328

草地NPP = 0.0073x+ 0.2814

耕地NPP = 0.0015x+ 0.4163

其它植被NPP = 0.0028x+ 0.4519

式中：x為年份。從上列方程可以看出5種植被類型NPP隨時間呈上升趨勢，但趨勢不明顯。在5種植被類型中，森林植被NPP上升趨勢最為明顯，然后依次為草地植被、其它植被、耕地、灌叢。

4 結論

基于 GIS和衛(wèi)星遙感應用技術，利用改進的CASA模型估算了 1994—2008年間河南省植被的凈第一性生產(chǎn)力，結果表明：

（1）15年來河南省植被凈第一性生產(chǎn)力波動中沒有明顯變化趨勢，15年來的平均值為37.96 Mt C，其中 2004年的植被凈第一性生產(chǎn)力最大，達到43.75 Mt C。

（2）河南省植被年凈第一性生產(chǎn)力與年均溫度的相關性好于植被年凈第一性生產(chǎn)力與年降水量和年均太陽輻射之間的相關性，15年來年均溫度沒有明顯上升或下降趨勢，和植被凈第一性生產(chǎn)力的變化較為一致。

（3）15年來，河南省主要植被類型的凈第一性生產(chǎn)力林地最大，然后依次為灌叢、耕地草地和其它植被，它們隨時間的變化趨勢極為一致。

（4）5種植被類型NPP隨時間呈上升趨勢，但趨勢不明顯。在5種植被類型中，森林植被NPP上升趨勢最為明顯，然后依次為草地植被、其它植被、耕地、灌叢。

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