川西北江河源區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空動(dòng)態(tài)演變

劉寶鋒

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

川西北江河源區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空動(dòng)態(tài)演變

劉寶鋒1

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

基于CASA模型，采用MOD13A3衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)估算了2006～2009年川西北江河源區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的變化情況。研究結(jié)果表明，研究區(qū)年均植被NPP的空間分布基本呈由東向西逐級(jí)遞減趨勢(shì)，NPP的空間分布與水熱條件差別和不同植被類(lèi)型的地帶性分布關(guān)系緊密；研究區(qū)月均NPP基本呈正態(tài)分布，植被月均NPP呈先升后降的趨勢(shì)，且NPP值基本在7～8月達(dá)到峰值，在12月、1月降到最低；植被NPP積累時(shí)期主要是夏季，但秋季NPP積累量也存在上升趨勢(shì)。

CASA模型；植被NPP；MODIS數(shù)據(jù)；時(shí)空格局

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）指的是綠色植物在單位時(shí)間和單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后剩余的部分，是評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的基礎(chǔ)，也是生態(tài)安全和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。20世紀(jì)80年代，我國(guó)引進(jìn)氣候模型來(lái)反演NPP分布，在研究初期，因研究所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏以及對(duì)觀測(cè)對(duì)象及其計(jì)算方法缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，資料的可用性較差，有關(guān)研究成果相對(duì)滯后。2000年以后，利用衛(wèi)星遙感影像和氣候數(shù)據(jù)反演NPP的研究有了快速發(fā)展，研究文獻(xiàn)較多，如梁瑞等的《陜南地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力時(shí)空動(dòng)態(tài)演變》、周愛(ài)萍等的《廣西植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）時(shí)空演變及主要影響因素分析》等。

本文以CASA模型為基礎(chǔ)，使用MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)（MOD13A3）和氣象數(shù)據(jù)（2006～2009年）反演了川西北江河源區(qū)2006～2009年月均植被NPP，并根據(jù)反演結(jié)果對(duì)2006～2009年川西北江河源區(qū)植被NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)以及對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析，為川西北江河源區(qū)乃至中國(guó)氣候變化和碳循環(huán)等熱點(diǎn)問(wèn)題提供了一定的借鑒。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 遙感數(shù)據(jù)

本文采用的遙感數(shù)據(jù)為2006年、2007年、2008年和2009年每年1～12月MODIS 的NDVI月合成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品：MOD13A3（該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為30 d、空間分辨率為1 000 m）；所用的MODIS數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。首先使用MODIS Rejection Toll（MRT）投影工具軟件，將上述數(shù)據(jù)從Sindual投影轉(zhuǎn)換為我國(guó)常用的Albers Equal Area 投影，并將分辨率重采樣為1 000 m；再通過(guò)ArcGIS10.1掩膜，得到川西北江河源區(qū)的NDVI遙感影像。使用的所有數(shù)據(jù)均采用一致的投影參數(shù)。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

本文選用了6個(gè)氣象站點(diǎn)2006～2009年各月月均溫度、降水量、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)以及各月日照百分率。對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，獲得川西北江河源區(qū)的氣象數(shù)據(jù)分布圖。

2 技術(shù)方法

1）將從地理信息云下載的MOD13A3（NDVI）月產(chǎn)品數(shù)據(jù)在MRT中進(jìn)行投影變換，將其變?yōu)槲覈?guó)常用的Albers Equal Area投影。

2）在ArcGIS中使用掩膜工具（Mask），以該研究區(qū)邊界作為掩膜圖層，得到研究區(qū)的NDVI圖像；然后使用柵格計(jì)算器（Raster Calculator）計(jì)算該區(qū)域的FPAR，具體語(yǔ)句為con(“NDVI”＞ 0.075,”NDVI”* 1.16-0.0439,0)。

3）使用IDW對(duì)氣象數(shù)據(jù)中的月均溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行插值，得到每年1～12月的溫度和降水分布圖；然后基于溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)利用Raster Calculator計(jì)算得到2006～2009年每年1～12月的地面水汽壓。

4）利用水汽壓算出每年1～12月最大晴天總輻射。

5）對(duì)氣象數(shù)據(jù)中的日照百分率進(jìn)行插值，再結(jié)合最大晴天總輻射，計(jì)算PAR。

6）基于月均溫度利用Raster Calculator計(jì)算溫度影響系數(shù)。

7）在Excel中統(tǒng)計(jì)每年1～12月大于0℃，小于30℃的月均溫度，計(jì)算得到BT，進(jìn)而計(jì)算區(qū)域潛在蒸散量EP；再結(jié)合插值得到的川西北江河源區(qū)月降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算月太陽(yáng)凈輻射量RN。

8）結(jié)合RN和月降水量，利用Raster Calculator計(jì)算區(qū)域?qū)嶋H蒸散量E。

9）根據(jù)E和EP計(jì)算水分脅迫系數(shù)（水汽對(duì)光能利用率的影響因素）σE。

10）將得到的FPAR、PAR、σE與植被最大光能利用率相乘，得到川西北江河源區(qū)NPP。

11）將反演的NPP與其他NPP反演結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證反演結(jié)果的正確性。

需要注意的是，在計(jì)算過(guò)程中要確保插值生成的氣象數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)均是Albers等積投影，且空間分辨率均為1 000 m。

3 結(jié)果分析

3.1 NPP月變化特征

從2006～2009年的月均NPP值分布可知，6～9月NPP值呈現(xiàn)出較強(qiáng)的季節(jié)性。1～4月，由于水熱條件不好導(dǎo)致NPP值較低，NPP月積累量增加幅度較緩慢；從5月起，由于降水增多和溫度升高，NPP月積累量開(kāi)始快速增加，這一趨勢(shì)將在7、8月達(dá)到峰值后結(jié)束；從9月起，NPP月積累量開(kāi)始快速下降，整體表現(xiàn)出分明的季節(jié)特征，且在植被覆蓋較高的東部和東北部地區(qū)更為明顯。

3.2 NPP季節(jié)變化特征

如圖1所示，NPP在不同季節(jié)的積累量有明顯差異，其中春季（3～5月）為12%～16%，夏季（6～8月）為63%～69%，秋季（9～11月）為17%～20%，冬季（12 月～次年2月）為1%～2%，因此夏季是川西北江河源區(qū)NPP的主要積累時(shí)期。此外，由NPP的變化圖可以發(fā)現(xiàn)，2006～2009年秋季 NPP的積累量總體呈上升趨勢(shì)，而此現(xiàn)象很有可能是氣候變暖所引起的。全球性的溫度升高可能會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)物候期的延長(zhǎng)，故秋季NPP積累量總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。通過(guò)2006～2009年NPP月變化情況可以發(fā)現(xiàn)，2006 年、2007年和2009年NPP峰值幾乎都出現(xiàn)在每年的8 月，但2008年卻出現(xiàn)了NPP峰值前移的現(xiàn)象，其N(xiāo)PP峰值出現(xiàn)在7月，其原因可能是2008年4～7月降水量減少，由于氣象因子影響的滯后性，導(dǎo)致8月NPP值的大幅下降，而8月一般是NPP值最大的月，從而造成了2008年NPP峰值的前移和NPP總量的下降。

圖1 川西北江河源區(qū)NPP季節(jié)變化曲線

表1 四川及相鄰區(qū)域NPP估算結(jié)果比較/(gC/(m2?a))

表2 MOD17A3產(chǎn)品與本文計(jì)算結(jié)果對(duì)比表/(gC/(m2?a))

3.3 NPP年際變化特征

使用CASA模型計(jì)算得到川西北江河源區(qū)2006～2009年間1～12月的植被NPP值，提取研究區(qū)域內(nèi)植被每年的NPP均值來(lái)表示該年年均NPP值。NPP反演結(jié)果顯示：近4 a來(lái)，川西北江河源區(qū)的NPP值在297～314 gC/(m2?a)之間呈波動(dòng)變化。2006～2007年，NPP值略有下降，年均NPP值約下降了5 gC/(m2?a)；而與2007年相比，2008年川西北江河源區(qū)的NPP值再次下降，約下降了11 gC/(m2?a)；但2008～2009年，川西北江河源區(qū)NPP值有所回升，從297.56 gC/(m2?a)回升到了314.56 gC/(m2?a)。

將本文研究結(jié)果與大氣—植被相互作用模型（AVIM2）、基于改進(jìn)的CASA模型模擬四川地區(qū)NPP和基于CASA模型模擬西南喀斯特地區(qū)NPP反演的研究結(jié)果，以及與MOD17A3的NPP產(chǎn)品進(jìn)行比較，本文估算結(jié)果偏低（見(jiàn)表1、2）。其原因可能是由于川西北江河源區(qū)主要為草地、濕地、沼澤甚至荒地，而四川盆地則由大量的耕地、常綠闊葉林和農(nóng)田組成；且研究區(qū)海拔較高，溫度較低，水熱條件不好，其生態(tài)環(huán)境不適于植被生長(zhǎng)，因此川西北江河源區(qū)植被年均NPP比四川其他地區(qū)低。綜合考慮上述因素后，本文的反演結(jié)果與改進(jìn)后的CASA模型、AVIM2模型和CASA模型模擬四川及相鄰區(qū)域植被NPP的結(jié)果接近，說(shuō)明本文采用的CASA模型可以較準(zhǔn)確地模擬川西北江河源區(qū)植被的NPP值。

造成2006～2009年NPP值先減少后增加現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋?/p>

1）2008年夏秋兩季的平均溫度較其他年份來(lái)說(shuō)相對(duì)偏低，尤其是6月、8月、10月和11月，幾乎每個(gè)月的平均溫度都比往年同期低1～2℃。而夏季正是植被生長(zhǎng)的最佳季節(jié)，該季節(jié)的異常低溫導(dǎo)致了植被NPP的降低。

2）2008年4～7月降水量減少，導(dǎo)致8月NPP值的大幅下降，從而造成了2008年NPP峰值的前移和NPP總量的下降。

3）從2009年3月開(kāi)始，降雨量開(kāi)始回升，水熱條件充足，故2009年NPP值也隨之升高。

3.4 NPP空間分布特征

川西北江河源區(qū)植被NPP的分布呈現(xiàn)出明顯的空間差異。從總體布局來(lái)說(shuō)，NPP值呈由東面、東北面（若爾蓋、紅原等）向西、西北部（石渠、色達(dá)等）逐步遞減的趨勢(shì)。以川西北江河源區(qū)東部的若爾蓋和西部的石渠為例（見(jiàn)圖2），若爾蓋2006年、2007年、2008 年、2009年的年均NPP值分別為336.9 gC /(m2?a)、360.6 gC /(m2?a)、339.3 gC /(m2?a)和336 gC /(m2?a)，而石渠2006年、2007年、2008年、2009年的年均NPP值分別為269.82gC /(m2?a)、266.86 gC /(m2?a)、253.52 gC /(m2?a)和299.47 gC /(m2?a)。從川西北江河源區(qū)的地理空間分布來(lái)看，出現(xiàn)該分化的主要原因是川西北江河源區(qū)植被種類(lèi)、植被覆蓋度以及水熱條件的空間差異。

圖2 石渠、若爾蓋2006～2009年年均NPP變化趨勢(shì)圖

3.5 NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)

溫度和降水量是影響植被NPP的主要驅(qū)動(dòng)因子，本次反演分析了氣候因子與NPP之間的關(guān)系。通過(guò)分析2006～2009年川西北江河源區(qū)的氣候變化情況可以發(fā)現(xiàn)，由于地理?xiàng)l件原因，月平均氣溫較低，在1月、2月、11月、12月甚至低于0℃；3月左右溫度開(kāi)始上升，7～8月達(dá)到峰值，9月開(kāi)始逐漸下降。雖然該區(qū)域整體溫度較低，但存在較為明顯的季節(jié)變化，2006年、2007年、2008年、2009年總體變化趨勢(shì)相似，都呈正態(tài)分布；且4 a間月平均氣溫較相近。

川西北江河源區(qū)的月降水量總體呈正態(tài)分布，但偶有異常值出現(xiàn)，如2009年7月川西北江河源區(qū)出現(xiàn)較大的降雨，7月降水量達(dá)到168 mm，分別比2006年、2007年、2008年增加了71 mm、50 mm和70 mm，其他月份降水量保持在正常范圍內(nèi)。每年春冬兩季降水量較少，基本低于60 mm，而夏秋兩季降水較多。

為了反映氣象因子與NPP的相關(guān)關(guān)系，分析各種氣象因子對(duì)植被NPP的影響，將2個(gè)氣象因子（月均溫度、月均降水量）分別與反演得到的NPP值進(jìn)行相關(guān)性分析，采用多項(xiàng)式擬合的方法，得到各因子與NPP的R2。根據(jù)相關(guān)性分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，川西北江河源區(qū)月均NPP值變化與溫度的相關(guān)性明顯，在一定范圍內(nèi)NPP值隨著溫度的升高而升高，且與溫度幾乎同時(shí)達(dá)到峰值，而后開(kāi)始下降。2006～2009年的R2值分別為R2=0. 827 3，P<0.1；R2=0.716 8，P<0.1；R2=0.802 8，P<0.1；R2=0.754 3，P<0.1；說(shuō)明川西北江河源區(qū)NPP值隨溫度變化而變化，而溫度又是季節(jié)性的重要表征，即川西北江河源區(qū)NPP值的變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的季節(jié)性。

圖3 2006～2009年NPP隨月均降水量變化直方圖

由圖3可知，在一定范圍內(nèi)NPP值隨月均降水量的升高而升高，且與降水量幾乎同時(shí)達(dá)到峰值，而后開(kāi)始下降。2006～2009年川西北江河源區(qū)植被NPP值與月均降水量的R2分別為R2=0.833 3,P<0.1;R2=0.799 4, P<0.1;R2=0.893 9, P<0.1;R2=0.833 8,P<0.1；表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。散點(diǎn)圍繞在趨勢(shì)線上下，說(shuō)明降水量對(duì)NPP值具有較強(qiáng)的影響。NPP值與單個(gè)氣候因子的相關(guān)分析表明：降水量是植被NPP最主要的驅(qū)動(dòng)因子；NPP的制約因素是由水分脅迫因子引起的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)2006～2009年川西北江河源區(qū)的植被NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)和對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，2006～2009年川西北江河源區(qū)植被NPP的年均值為308.63 gC/(m2?a)，約在0～453 gC/(m2?a) 之間變化，該區(qū)域植被NPP總體呈正態(tài)分布。川西北江河源區(qū)植被NPP呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異，夏季NPP積累量占全年總積累量的63%～69%，NPP峰值也基本出現(xiàn)在夏季。因此，川西北江河源區(qū)2006～2009年植被NPP的變化基本是由植被生長(zhǎng)旺季（夏季）的變化所引起的。

川西北江河源區(qū)植被NPP在空間上呈從東向西遞減趨勢(shì)，2006～2009年西部年均NPP值在277.1～297.6 gC/(m2?a)間變化，東部年均NPP值在328.7～338.7 gC/(m2?a)間變化。2006～2009年川西北江河源區(qū)年均氣溫為2.33℃，年均降水量為51.17 mm。氣候因子（月均溫度、月均降水量）與川西北江河源區(qū)植被NPP相關(guān)分析結(jié)果顯示：溫度以及水分與光合有效輻射與NPP緊密相關(guān)；降水量是影響四川植被NPP變化的最主要驅(qū)動(dòng)因子。

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1672-4623（2017）05-0103-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0053.2

劉寶鋒，碩士研究生，高級(jí)工程師/講師，主要從事工程測(cè)量及3S技術(shù)的應(yīng)用研究工作。

2016-09-01。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41471305）；楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文研究基金資助項(xiàng)目。