河南省陸地植被凈第一性生產(chǎn)力估算及其時空分布

李軍玲，鄒春輝，劉忠陽，郭其樂，郭 鵬

（1．中國氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南 鄭州450003；2．河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州450003）

植被凈第一性生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內(nèi)所累積的有機物數(shù)量［1］。NPP作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子［2］，在全球變化及碳平衡中扮演著重要的作用。

NPP的研究方法很多，但在區(qū)域或全球尺度上，人們無法直接、全面地測量，因此利用模型估算NPP已成為一種重要且被廣泛接受的研究方法［3－4］。目前國內(nèi)外關(guān)于NPP的模型很多。Ruimy和Saugier［5］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）。統(tǒng)計模型也稱為氣候相關(guān)模型，以 Miami模型、Thornthwaite Memorial模型等為代表。統(tǒng)計模型是利用氣候因子來估算NPP，因此大部分統(tǒng)計模型估算的結(jié)果是潛在植被生產(chǎn)力。過程模型是在參數(shù)模型上的引申，其中最為普通的處理方式是在參數(shù)模型基礎(chǔ)上加上溫度、水分及養(yǎng)分等參數(shù)，代表性的模型有TEM（terrestrial ecosystem model）模 型、BIOME－BGC（biome bio－geochemical cycles model）模型等。這些過程模型是從植被機理出發(fā)而建立的NPP模型，因此在大尺度NPP和全球循環(huán)研究中被廣泛應(yīng)用。隨著遙感和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用遙感模型進行NPP估算已深入到許多領(lǐng)域。遙感作為唯一能重復(fù)連續(xù)獲取地表環(huán)境數(shù)據(jù)的手段克服了以往以點代面尺度推繹過程中的累積誤差［6］，使將實地測量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感信息相結(jié)合，聯(lián)系植物生理生態(tài)學(xué)過程和環(huán)境因子的NPP模型研究成為當(dāng)前研究的熱點［7］?；谫Y源平衡理論的光利用率過程模型在遙感技術(shù)的支持下更容易實現(xiàn)區(qū)域及全球尺度的NPP估算［8－9］。在小區(qū)域 NPP估算方面，王鶯等［10］通過建立干物質(zhì)遙感反演模型，采用干物質(zhì)轉(zhuǎn)碳率來估算甘南草地NPP，為提高小區(qū)域NPP的估算精度提供了參考。衛(wèi)亞星和王莉霞［11］為提高NPP的估算精度，對NPP的空間尺度效應(yīng)進行了研究。

本研究在GIS的支持下，利用地面氣象數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，考慮到最大光利用率在不同植被類型中的差異，構(gòu)建了一個區(qū)域陸地植被NPP估算模型，以2008年的河南省植被為例，對NPP進行了估算，并對其進行時空分布的分析。

1 數(shù)據(jù)來源

所用的EOS／MODIS數(shù)據(jù)為河南省氣象科學(xué)研究所接收并預(yù)處理的數(shù)據(jù)。整個預(yù)處理過程使用的算法及對此數(shù)據(jù)集的討論和分析在文獻［12］中有詳細介紹。數(shù)據(jù)選取2008年1－12月的月最大值合成歸一化植被指數(shù)（NDVI）。

地面氣象數(shù)據(jù)來源于河南省氣象局，時間為2008年1－12月，包括氣溫、降水、太陽輻射以及118個氣象站點的經(jīng)緯度和海拔。計算NPP需要柵格化的氣象數(shù)據(jù)，并從空間上與遙感數(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Kringing插值和基于數(shù)字高程模型（DEM）的插值，獲取像元大小與NDVI數(shù)據(jù)一致、投影相同的氣象要素柵格圖［13］。

2 研究方法

采用CASA模型對NPP（以C計）進行估算，由植物吸收的光合有效輻射（APAR）和光利用率（ε）表示，其估算公式如下：

式中，t為時間，x 為空間位置；APAR（x，t）為像元x在t月份吸收的光合有效輻射［14－15］；ε（x，t）為像元x在t月份的實際光利用率。

2．1 APAR的估算 植物吸收的APAR取決于太陽總輻射和植物本身的特征，估算公式為：

式中，SOL（x，t）為t月份在像元x處的太陽總輻射量（MJ／m2）；FPAR（x，t）為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0．5為植被所能利用的太陽有效輻射（波長0．38～0．71μm）占太陽總輻射的比例。

對于FPAR的計算采用Ruimy和Saugier［5］提出的如下計算公式：

2．2 光利用率的估算 Potter等［15］認為理想條件下植被具有最大光利用率，而現(xiàn)實條件下的最大光利用率主要受溫度和水分的影響，計算如公式為：

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為理想條件下的最大光利用率。Tε（x，t）反映在低溫和高溫時植物內(nèi)在的生化作用對光合的限制而降低NPP［16］。

式中，Topt（x）為某一區(qū)域一年內(nèi)NDVI值達到最高時的當(dāng)月平均氣溫。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。Tε1（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，這是因為低溫和高溫時高的呼吸消耗必將降低光利用率，生長在偏離最適溫度的條件下，其光利用率也一定會降低。

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

由于CASA模型所用的土壤水分子模型涉及到大量的土壤物理參數(shù)，比較難以獲取而且精度難以保證，本研究采用了周廣勝和張新時［17］建立的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型來求取Wε，該模型主要利用的是氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較容易獲取且計算簡便。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1．0（非常濕潤條件下）。

式中，EET（x，t）為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量（mm），根據(jù)周廣勝和張新時［17］建立的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型求取；PET（x，t）為 區(qū) 域 潛 在蒸散 量 （mm），可 根 據(jù)Bouchet提出的互補關(guān)系求?。?8］。

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）。

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

根據(jù)河南省的實際植被分布及地理情況，對εmax進行了相應(yīng)的改進。由于CASA模型所采用的固定最大光利用率0．389g／MJ并不適用于中國的植被［19－20］，Running 等［21］根 據(jù) 生 態(tài) 生 理 過 程 模 型BIOME－BGC模擬的結(jié)果，賦予不同的植被覆蓋類型以不同的最大光利用率，這樣通過植被類型所賦予的最大光利用率的值就更接近中國的實際情況。河南省森林植被相對少且單調(diào)，主要以落葉闊葉林為主，經(jīng)調(diào)整后具體取值如表1所示。

表1 不同植被類型的最大光利用率 （εmax） g／MJ

3 結(jié)果與分析

先對2008年1－12月逐月進行NPP的計算，然后將12個月的NPP累加起來得到2008年全年的NPP總量分布圖。

3．1 模型精度評價 區(qū)域及全球尺度的NPP精度評價一直是一個非常困難的問題，也引起了很多的爭議，評價的方法一般有兩種：一是與實測數(shù)據(jù)對比，二是與其他模型所估算的結(jié)果進行對比［22］。NPP的實測數(shù)據(jù)獲取比較困難，試驗點上所得到的數(shù)據(jù)也很難推廣到區(qū)域及全球的尺度，而且往往存在NPP獲取的時間與模型所模擬的時間不一致的情況，所以在進行NPP驗證時，二者之間因為環(huán)境變化異常而存在著一定程度的不可比性。本研究通過兩種方法對模型進行驗證。

3．1．1 與其他模型對比驗證 把本研究模擬結(jié)果和Miami模型、Montreal模型、Chinkugo模型的計算結(jié)果進行對比（表2），可以看到本研究結(jié)果和Miami模型結(jié)果最為接近。與Miami模型反映的趨勢較為一致，除耕地外，從大到小的順序為森林、灌叢、草地、其他植被，主要差別在耕地，Miami模型結(jié)果較大。再從其他兩個模型的趨勢來看，也與本研究所得模型一致，耕地小于有森林，和草地差別不大。說明該模型對區(qū)域陸地植被NPP的模擬效果較好。

3．1．2 通過與實測數(shù)據(jù)進行對比驗證 河南省主要植被類型是森林植被和農(nóng)田植被。森林植被NPP通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)下載的站點數(shù)據(jù)對比進行驗證。數(shù)據(jù)庫里河南省境內(nèi)的點只有4個可用，數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，有一定誤差，但是在可接受的范圍內(nèi)。

農(nóng)田植被NPP由歷年糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行驗證。河南省耕地主要為一年兩熟作物，分別是夏玉米（Zea mays）和冬小麥（Triticum aestivum）。選取主要農(nóng)作物為一年兩熟（夏玉米＋冬小麥）的50個縣，以2007年為例，通過作物收獲指數(shù)（表4）和糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)（表5）對農(nóng)田NPP進行驗證。

NPP＝（玉米產(chǎn)量×0．433＋小麥產(chǎn)量×0．361）×0．475［23］。

再從整體通過糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)對河南省農(nóng)田NPP進行驗證。1997－2008年河南省農(nóng)田NPP均值和糧食數(shù)據(jù)均值顯示，驗證數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)非常接近。

表2 各生態(tài)系統(tǒng)年平均凈第一性生產(chǎn)力與國內(nèi)其他研究以及實測數(shù)據(jù)的比較 g／（m2·a）

表3 凈第一性生產(chǎn)力實測值和模型值對比

表4 中國各類作物谷草比和收獲指數(shù)［25］

表5 2007年凈第一性生產(chǎn)力驗證過程數(shù)據(jù)

表6 12年來糧食產(chǎn)量驗證數(shù)據(jù)和模型估算數(shù)據(jù)對比

驗證結(jié)果表明，CASA模型最適合河南省植被凈NPP的估算研究。

3．2 河南省凈第一性生產(chǎn)力的空間分布 計算結(jié)果表明，2008年河南省NPP生產(chǎn)量為34．87 Mt／a。NPP在不同植被類型間的差異是很明顯的（表2）。其中，森林植被的平均年NPP最高，達429．48g／（m2·a）；然后依次為灌叢、草地和耕地。河南省植被類型分布比較明顯，林區(qū)主要分布在西部山區(qū)、北部和山西交界地區(qū)以及南部與湖北交界地區(qū)，這些地區(qū)的NPP最高（圖1）；同時河南是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)作物為主要植被類型，遍布在村莊和城鎮(zhèn)周圍，由于農(nóng)作物自身特殊的生長周期，從收獲到出苗是無植被覆蓋的，因此全年平均NPP值最低。另外，灌木林地在河南省分布較少，主要分布在森林植被邊緣地帶，其值僅次于森林植被；而草地分布也并不多，在冬季地上部分干枯，NPP全年平均值和耕地基本持平。同時，從圖1（a）和（b）的對比可以看出，河南省植被類型分布和NPP分布幾乎完全一致。

3．3 河南省NPP的季節(jié)變化 河南省NPP的季節(jié)變化情況有2個峰值，分別是5和8月（表7）。從表7計算所得，5和8月的NPP值分別占全年的18．98%和19．36%；5、7和8月的和占全年總量的56．84%，超過了全年的一半。河南省是農(nóng)業(yè)大省，冬季過后天氣轉(zhuǎn)暖，經(jīng)過返青恢復(fù)期之后，5月植物生長茂盛，森林、灌叢等植被的NPP均值達到全年最大值，同時主要農(nóng)作物冬小麥正值快速生長期；7、8月太陽輻射豐富，水熱條件適合植物生長，其中8月農(nóng)田植被NPP均值達到全年最大，農(nóng)作物玉米集中在這段時間生長，同時森林、灌叢、草地等植被NPP均值接近全年最大值。由于6月處于冬小麥?zhǔn)斋@和秋作物播種期，耕地作為河南省的主要植被類型基本無植被覆蓋，因此形成一個NPP低值；10月－次年3月，由于氣溫較低，植物生長緩慢，12月－次年2月植物基本停止生長，因此這段時期內(nèi)植被的NPP只占全年的1．38%。

圖1 河南省2008年凈第一性生產(chǎn)力分布圖（a）和植被分布圖（b）

表7 河南省2008年凈第一性生產(chǎn)力分布及季節(jié)變化

4 結(jié)論

本研究是首次對河南省NPP進行模擬，在GIS和RS的支持下，利用地面氣象數(shù)據(jù)和MODIS數(shù)據(jù)，同時考慮河南省自身實際地理和植被覆蓋情況，在對最大光利用率和水分脅迫系數(shù)的獲取進行相應(yīng)地改進的基礎(chǔ)上，利用CASA模型對河南省植被凈第一性生產(chǎn)力進行了估算，并分析了其時空分布。結(jié)論如下：

通過改進，在模型數(shù)據(jù)的獲取上更加容易，所用到的地面數(shù)據(jù)有降水量、氣溫、太陽輻射等常規(guī)站點數(shù)據(jù)，以及MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)。但是這種改進并沒有影響該模型原有的植物生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，同時在參數(shù)上的簡化使其實際可操作性得到進一步加強。

本研究模擬結(jié)果和Miami模型結(jié)果相似，它們反映的趨勢也較為一致，除耕地外，從大到小的順序為森林、灌叢、草地、其他植被，主要差別在耕地，Miami模型結(jié)果較大。再從其他模型的趨勢來看，也和本研究模型一致。

從空間分布來看，河南省NPP分布和植被類型分布幾乎完全一致，森林植被最大，然后依次是灌叢、草地、耕地等。從時間分布來看，12、1和2月NPP最小，植物基本停止生長，這段時期內(nèi)植被的NPP只占全年的1．38%；5、7和8月的NPP最大，占全年總量的56．84%。

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