青海三江源試驗(yàn)區(qū)NPP時(shí)空特征及影響因素分析

張　馨，陳克龍，王　鋒，吳成永

(1.青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧　810008； 2.青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧　810008； )

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青海三江源試驗(yàn)區(qū)NPP時(shí)空特征及影響因素分析

張馨1，陳克龍2，王鋒2，吳成永1

(1.青海師范大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧810008； 2.青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧810008； )

青海三江源國(guó)家生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)是我國(guó)建立的第1個(gè)國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)，在我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)中有重要的地位，分析其植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)具有重要意義。利用三江源試驗(yàn)區(qū)的MODIS遙感影像等數(shù)據(jù)及其周邊地區(qū)的氣象資料，結(jié)合CASA模型，對(duì)三江源試驗(yàn)區(qū)2010～2013年的NPP進(jìn)行估算，并對(duì)其時(shí)空特征及影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。結(jié)果表明：三江源試驗(yàn)區(qū)2010年的NPP平均值最大，2010～2013年NPP呈波動(dòng)變化趨勢(shì)，先減少后增加；年均NPP總量為68.46 TgC/a (1 Tg=1012g)，年均NPP為144.29 gC/m2，NPP的季節(jié)變化明顯，7、8月的月NPP值最大；在空間分布上呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的特征，東側(cè)出現(xiàn)最高值，其值為418.94 gC/(m2·a)； NPP值高低分布情況與植被類(lèi)型、海拔、坡度、坡向有密切關(guān)系。

NPP；CASA模型；青海三江源；國(guó)家綜合試驗(yàn)區(qū)

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是植被在單位時(shí)間和單位面積上的總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)與自養(yǎng)呼吸(AR)之后所剩余的有機(jī)物數(shù)量之差，包含植物枝、葉、根等部分的生產(chǎn)量和植物枯落部分的量，是植被生長(zhǎng)和生殖的能量來(lái)源[1]。NPP是處于自然條件下的植被群落的凈初級(jí)生產(chǎn)能力的直觀體現(xiàn)，對(duì)判斷生態(tài)系統(tǒng)中碳源匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過(guò)程有著主導(dǎo)作用[2]。

青海三江源國(guó)家生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江3條重要河流的水源發(fā)源地和我國(guó)重要的淡水補(bǔ)給地，享有“中華水塔”的美譽(yù)[3]，是青藏高原生態(tài)安全屏障的重要部分，更是我國(guó)建立的第1個(gè)國(guó)家級(jí)生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)以及我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的先行區(qū)。然而近10年間，在環(huán)境變化、人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，青海三江源試驗(yàn)區(qū)的環(huán)境問(wèn)題也正不斷顯現(xiàn)。長(zhǎng)此以往，不僅影響本地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，也會(huì)影響長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江中下游地區(qū)的人類(lèi)的生存環(huán)境[4]。對(duì)三江源試驗(yàn)區(qū)的NPP狀況進(jìn)行研究，可以初步估測(cè)三江源試驗(yàn)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的健康狀況，并進(jìn)而為三江源試驗(yàn)區(qū)生態(tài)機(jī)制的建立和生態(tài)健康評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)[5]。目前，雖有學(xué)者對(duì)三江源地區(qū)NPP進(jìn)行估算，但其所用數(shù)據(jù)均采自2010年之前。因此，采用2010～2013年的三江源試驗(yàn)區(qū)植被及氣象數(shù)據(jù)，以期研究該區(qū)近期的NPP狀況。

三江源試驗(yàn)區(qū)范圍大、海拔高、地形復(fù)雜、交通不便，難以進(jìn)行實(shí)地NPP測(cè)量。在這種情況下，需要結(jié)合地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、參數(shù)模型來(lái)估算該地區(qū)的NPP狀況。主要的NPP估算模型有光能利用率模型、氣候生產(chǎn)力模型和生理生態(tài)過(guò)程模型3種。其中，光能利用率模型因其數(shù)據(jù)易獲取、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)而成為NPP估算最常用的方法，如以氣候、遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的CASA模型，已被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛采用并取得了大量成果[5]。故利用2010～2013年的遙感、氣象數(shù)據(jù)，依托CASA模型，對(duì)三江源試驗(yàn)區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)狀況進(jìn)行了估算，并對(duì)其時(shí)空分布特征及影響因素進(jìn)行了一定分析。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

三江源試驗(yàn)區(qū)地處青藏高原的腹地，青海省南部，位于N 31°39′～37°10′，E 89°24′～102°27′，總面積約39.5×104km2，占青海省總面積的54.6%。下轄玉樹(shù)、果洛、黃南、海南4個(gè)藏族自治州的21個(gè)縣和格爾木市唐古拉山鎮(zhèn)，共158個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，范圍比三江源地區(qū)多出5個(gè)縣(共和縣、貴德縣、尖扎縣、同仁縣、貴南縣)[4]。三江源試驗(yàn)區(qū)內(nèi)部地勢(shì)險(xiǎn)峻，山地是地貌的主體，地勢(shì)西北高、東南低，平均海拔4 000 m，屬典型的高原大陸性氣候[6]。全年平均氣溫-5.6～3.8 ℃，年平均降水量 200～500 mm，水資源豐富，湖泊眾多，代表性的有扎陵湖、鄂陵湖[7]。

圖1　研究區(qū)示意圖Fig.1　Sketch map of the study area

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源所用氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括2010～2013年青海省及周邊地區(qū)45個(gè)氣象站所測(cè)得的逐月月均溫、月降水量、日照百分率、相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)；所用遙感數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)網(wǎng)站，數(shù)據(jù)為2010～2013年的MOD15A2數(shù)據(jù)和MOD13A1數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用DEM高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。

1.2.2數(shù)據(jù)處理對(duì)于氣象數(shù)據(jù)，利用內(nèi)插法將2010～2013年的逐月月均溫、月降水量、日照百分率、相對(duì)濕度進(jìn)行空間插值，獲得統(tǒng)一像元和坐標(biāo)的氣象柵格數(shù)據(jù)，并利用ARCGIS 10.2的掩膜裁剪工具，裁剪出三江源試驗(yàn)區(qū)的氣象柵格圖，并在柵格計(jì)算器中進(jìn)行疊加計(jì)算；對(duì)于遙感數(shù)據(jù)，用MRT處理MODIS數(shù)據(jù)，使其坐標(biāo)、像元大小與氣象柵格數(shù)據(jù)保持一致，并在ARCGIS 10.2中進(jìn)行裁剪、提值，利用MOD15A2數(shù)據(jù)提取吸收的入射光合有效輻射的比例(FPAR)，利用MOD13A1數(shù)據(jù)提取歸一化植被指數(shù)(NDVI)；海拔、坡度、坡向數(shù)據(jù)的提取均在ARCGIS 10.2中完成。

1.3研究方法

1.3.1CASA模型CASA模型，由Potter等[8]于1993年提出，其參數(shù)隨地點(diǎn)(x)和時(shí)間(t)的變化而變化，并通過(guò)與之對(duì)應(yīng)的溫度和水分條件對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正：

NPP(x,t) =APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中：APAR(x,t)代表像元x在t月吸收的光合有效輻射；ε(x,t)代表像元x在t月的實(shí)際光能利用率。

1)APAR的計(jì)算

APAR(x,t) =SOL(x,t)×0.5×FPAR(x,t)

(2)

式中：SOL(x,t)代表像元x在t月所獲得的太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2)；FPAR(x,t)代表植被層所吸收的入射光合有效輻射的比例；常數(shù)0.5指植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射在太陽(yáng)總輻射中所占的比例。

2)ε的計(jì)算

ε(x,t) =Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×ε*

(3)

式中：Tε1(x,t)以及Tε2(x,t)代表光能利用率低溫和高溫脅迫因子；Wε(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)；ε*代表理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ)，筆者在最大光能利用率的取值上主要參考朱文泉等[9]的研究。

Tε1(x,t)代表在低溫及高溫時(shí)植物內(nèi)在生化作用對(duì)光合的限制。

Tε1(x,t) = 0.8+0.02Topt(x,t)-0.0005[Topt(x,t)]2

(4)

式中：Topt(x,t)代表植物生長(zhǎng)的最適宜溫度，即某區(qū)域年內(nèi)NDVI達(dá)最高值時(shí)的當(dāng)月氣溫均值，若月平均溫度小于或等于-10℃，Tε1(x,t)取0。

Tε2(x,t)代表環(huán)境溫度向高溫或低溫變化時(shí)植物光能利用率下降的趨勢(shì)。

Tε2(x,t) = (1.184/1+e(0.2×(Topt(x)-10-T(x,t))))×(1/1+e(0.3×(-Topt(x)-10+T(x,t))))

(5)

式中：T(x,t)為像元x在t月平均氣溫，當(dāng)某一月平均溫度T(x,t)比最適溫度Topt(x,t)高10℃或低13℃時(shí)，該月的Tε2(x,t)值等于月平均溫度T(x,t)為最適溫度Topt(x,t)時(shí)Tε2(x,t)值的一半。

水分脅迫影響系數(shù)Wε(x,t)代表植物能夠利用的有效水分條件對(duì)光能利用率的影響，環(huán)境中有效水分的增加，Wε(x,t)隨之增加，其取值范圍在0.5(在極端干旱條件下)到1(非常濕潤(rùn)條件下)之間。

Wε(x,t) = 0.5+0.5×EET(x,t)/EPT(x,t)

(6)

式中：EET(x,t)為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量；EPT(x,t)為區(qū)域潛在蒸散量。

1.3.2光合有效輻射的獲取月太陽(yáng)總輻射的計(jì)算采用和清華使用的我國(guó)西部地區(qū)計(jì)算公式[10]：

SOL(x,t) =Q×(a+bS)

(7)

式中：a和b是常數(shù)；S為日照百分率；Q表示最大晴天總輻射量，根據(jù)緯度、海拔、地面水汽壓進(jìn)行估算[11]：

Q= 0.0418675(C0+C1Φ+C2H+C3e)

(8)

式中：Q為最大晴天總輻射量；Φ為緯度；H為海拔高度；e為地面水汽壓；C0、C1、C2、C3為常數(shù)。地面水汽壓e[12-13]通過(guò)以下方法計(jì)算：

e=R×e=R×es0×10at/(b+t)

(9)

式中：R為相對(duì)濕度；t為近地面大氣溫度；es0、a、b為常數(shù)。

1.3.3水分脅迫系數(shù)的獲取利用高于0℃的年積溫∑θ、年降水量和濕潤(rùn)度來(lái)對(duì)水分脅迫影響系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)[14]，所得簡(jiǎn)化模型更便于計(jì)算：

BT≈Σθ/365

(10)

可能蒸散量(PET)的計(jì)算利用Holdridge[15]提供的計(jì)算公式：

PET=BT×58.93

(11)

實(shí)際蒸散量(EET)的計(jì)算利用[16]區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型，其公式為：

EET=P×Rn(P2+Rn+P×Rn)/(P+Rn)/(P2+Rn2)

(12)

式中：P=P(x,t)為象元x在t月的降水量；Rn=Rn(x,t)代表象元x在t月的太陽(yáng)凈輻射量(MJ)。

Rn= (PET×P)0.5×[0.369+0.598×(PET/P)0.5]

(13)

將上述公式代入到水分脅迫系數(shù)公式中。

2　結(jié)果與分析

2.1三江源試驗(yàn)區(qū)NPP的空間分布特征

2010～2013年三江源試驗(yàn)區(qū)年平均NPP總量為68.46 Tg/a (1 Tg=1012g)，區(qū)域內(nèi)NPP最高值為418.94 gC/(m2·a)，最低值0 gC/(m2·a)，單位面積年平均值為144.29 gC/(m2·a)。整體分析，三江源試驗(yàn)區(qū)NPP在空間分布上呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的特征(圖2)，這與各區(qū)域在植被、水熱條件上的差異有緊密關(guān)系。

2.2三江源試驗(yàn)區(qū)NPP的時(shí)間變化特征

三江源試驗(yàn)區(qū)月均NPP值呈拋物線型分布(圖3)，隨季節(jié)變化明顯。4～6月，隨溫度上升、水分增加，植被開(kāi)始生長(zhǎng)；7、8月為植被生長(zhǎng)旺季，NPP值達(dá)到最大，平均值達(dá)到37.92 gC/m2，占全年的70%；9月氣溫降低，植被進(jìn)入生長(zhǎng)末期，至10月NPP值則迅速降低。

三江源試驗(yàn)區(qū)年均NPP值呈現(xiàn)波動(dòng)變化(圖3)，最高值出現(xiàn)于2010年，最低值出現(xiàn)于2012年。2010～2012年，該區(qū)NPP值呈下降趨勢(shì)，2010～2011年的減幅為1.9%，2011～2012年的減幅為7.6%；2012～2013年，該區(qū)NPP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增幅為7.9%。年均NPP的變化幅度不大。年均NPP的波動(dòng)變化主要是因?yàn)镃ASA模型的參數(shù)主要為氣候與環(huán)境因子，氣候與環(huán)境因子在不同的年份會(huì)存在波動(dòng)變化，會(huì)使年均NPP值也存在波動(dòng)變化。

圖2　三江源試驗(yàn)區(qū)年均NPP空間分布Fig.2　Spatial distribution of annual NPP in the Qinghai three river source pilot region

圖3　三江源試驗(yàn)區(qū)NPP值的月變化與年變化Fig.3　The monthly and yearly change of NPP in the Qinghai three river source pilot region

2.3影響三江源試驗(yàn)區(qū)NPP的地形因素

不同的地形因素對(duì)NPP的大小有不同的影響(圖4)，就海拔而言，隨海拔升高，NPP值先增加后減少：在海拔3 500～4 000 m，NPP值達(dá)到最大，其值為264 gC/(m2·a)；海拔6 000 m以上，NPP值則接近0 gC/(m2·a)；隨坡度加大，NPP值先增加后減?。涸?°～25°坡度，隨坡度增加，NPP增加，最大值為184 gC/(m2·a)；坡度25°以上時(shí)，隨坡度增大，NPP值減小，大于35°時(shí)，NPP值最小，其值65 gC/(m2·a)；按坡向，南坡NPP值較低，僅為115 gC/(m2·a)，西北坡值最大，最大值為154 gC/(m2·a)，整體來(lái)看，NPP值隨坡向變化不大。

2.4NPP分布特征與植被的關(guān)系

三江源試驗(yàn)區(qū)針葉林的NPP總量為2.288×10-1TgC/a，年平均值為246.55 gC/(m2·a)；闊葉林的NPP總量為5.207×10-1TgC/a，年平均值為289.34 gC/(m2·a)；耕地的NPP總量為2.831×10-1TgC/a，年平均值為247.72 gC/(m2·a)；灌木的NPP總量為11.05 TgC/a，年平均值為101.85 gC/(m2·a)；草地的NPP總量為54.46 TgC/a，年平均值為183.77gC/(m2·a)；貧瘠及稀疏植被區(qū)NPP總量為9.461×10-1TgC/a，年平均值為18.92 gC/(m2·a)。此次所估算的植被NPP平均值與樸世龍等[17]估算的的青藏高原的植被NPP平均值對(duì)比，常綠針葉林、常綠闊葉林與灌木均低于其所估算的值，草地高于其所估算的值。

圖4　不同地形下三江源試驗(yàn)區(qū)NPPFig.4　 Impacts of landform on NPP in the Qinghai three river source pilot region

3　討論

因三江源試驗(yàn)區(qū)范圍大、海拔高、氣候惡劣，難以獲得與此次研究時(shí)段相匹配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故采用比對(duì)的方式進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證(表2)。所估算單位面積NPP年平均值144.29 g C/(m2·a)，與同樣利用CASA模型的研究相比，高于張鐿鋰等[18]估算的青藏高原的NPP值，低于張穎等[19]所估算的三江源NPP值，與沃笑[20]估算的結(jié)果相近；與利用其他模型的研究相比，此次的NPP估值低于黃玫等[21]所估算青藏高原NPP值，高于郭曉寅等[22]估算的三江源NPP值?？梢?jiàn)，不同的估算模型、區(qū)域、年份、所用數(shù)據(jù)精度都會(huì)導(dǎo)致估算的結(jié)果不一致。

對(duì)于FPAR的獲取，傳統(tǒng)方法是通過(guò)NDVI來(lái)反演FPAR[23]，但在計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。研究為提高估算精度，利用MOD15A2數(shù)據(jù)直接提取FPAR，但這也可能會(huì)導(dǎo)致部分水體或冰雪被誤歸入植被中，即在此類(lèi)NPP值本應(yīng)當(dāng)為0的無(wú)植被區(qū)域中產(chǎn)生了若干數(shù)值。這類(lèi)錯(cuò)誤主要是因遙感數(shù)據(jù)在空間分辨率上的不足而產(chǎn)生的。因此，在今后的NPP估算中，有必要使用空間分辨率較高的遙感影像數(shù)據(jù)替代MODIS影像來(lái)提取FPAR，從而提高NPP估算的精度。

2010～2013年，三江源試驗(yàn)區(qū)的NPP年平均值的波動(dòng)幅度不大，說(shuō)明此期間三江源試驗(yàn)區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力狀況及生態(tài)系統(tǒng)功能較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的惡化，這與國(guó)家近年來(lái)對(duì)該區(qū)采取的保護(hù)政策有一定的關(guān)系。但三江源試驗(yàn)區(qū)的保護(hù)與建設(shè)是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的任務(wù)，要想取得更加顯著的成效，還需長(zhǎng)期堅(jiān)持和加大保護(hù)力度。

表1　三江源試驗(yàn)區(qū)主要植被的NPP值

表2　與相關(guān)研究比對(duì)

4　結(jié)論

運(yùn)用CASA模型，估算青海三江源國(guó)家生態(tài)保護(hù)綜合試驗(yàn)區(qū)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)，并對(duì)其時(shí)空分布特點(diǎn)以及地形影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，得出結(jié)論，在空間上，三江源試驗(yàn)區(qū)的NPP由東南向西北逐漸遞減，NPP值為0～418.94 g C/(m2·a)；在時(shí)間上，3～10月的NPP值先增加后減少，在7、8月達(dá)到最大值；2010～2013年的年均NPP值呈現(xiàn)波動(dòng)變化；NPP值的大小與植被類(lèi)型、地形有密切的關(guān)系。

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Analysis of spatial-temporal characterstics of NPP and Its influencing factors in Three-river Headwater Area pilot region of Qinghai

ZHANG Xin1,2,CHEN Ke-long1,WANG Feng1,WU Cheng-yong1,2

(1.QinghaiProvinceKeyLaboratoryofPhysicalGeographyandEnvironmentalProcess,QinghaiNormalUniversity,Qinghai,Xining810008,China； 2.CollegeofLifeandGeographySciences,QinghaiNormalUniversity,Qinghai,Xining810008,China)

Three-river Headwater Area of Qinghai is the first nation ecological reserve pilot region.It plays an important role in the construction of ecological civilization in our country.Using the MODIS remote sensing image data and meteorological data,the Geographic Information System and CASA model were applied to estimate the NPP in the region during 2010～2013.The result showed that the region had the highest NPP in 2010,the value was increase and then decrease from 2010～2013.The total annual NPP was 68.46 Tg/a (1Tg = 1012g) and the annual average of NPP was 144.29 gC/(m2·a).The seasonal change of NPP was obvious,the maximum value appeared in July and August.The NPP gradually decreased from southeast to northwest in the region,the highest NPP value was 418.94 gC/(m2·a) at the eastern section.The distribution of NPP had a close relation with vegetation types,elevation,slope and aspect.

NPP；CASA model；Qinghai Three-river Headwater Area；nation ecological reserve pilot region

2016-01-11；

2016-06-14

國(guó)家哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(12BJY029)；青海省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013-Z-912)資助

張馨(1991-)，女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，在讀碩士研究生。

E-mail：zhangxin1991love@126.com

Q 948

A

1009-5500(2016)04-0021-07

陳克龍為通訊作者。