秦嶺山地NPP遙感估算及其時(shí)空變化特征研究

張善紅,丁小松

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

秦嶺山地NPP遙感估算及其時(shí)空變化特征研究

張善紅1,丁小松2

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院, 上海 201306)

基于2000～2013年的MODIS-NDVI數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),利用CASA模型對(duì)秦嶺山地植被凈第一生產(chǎn)力(NPP)進(jìn)行了模擬估算。結(jié)果表明:2000～2013年秦嶺山地植被年均NPP為833.87 g C/(m2·a);不同類型植被的NPP表現(xiàn)為栽培植被<草叢<草甸<針葉林<灌叢<闊葉林；各季植被的NPP表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季;秦嶺山地植被NPP與當(dāng)月氣溫及前1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月氣溫均呈顯著正相關(guān),但受當(dāng)月氣溫的影響最大。

秦嶺山地;植被；NPP;遙感估算；時(shí)空變化

植被凈第一生產(chǎn)力(NPP)是指單位面積植被在單位時(shí)間內(nèi)積累的有機(jī)干物質(zhì)總量,反映植被在一定時(shí)段內(nèi)的生產(chǎn)能力,是生態(tài)系統(tǒng)演變的指示器及碳循環(huán)研究中的一個(gè)重要參數(shù)[1],對(duì)分析碳循環(huán)過程對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)具有非常重要的意義[2-3]。自20世紀(jì)70年代以來,人們開始廣泛對(duì)全球的NPP進(jìn)行研究；自20世紀(jì)80年代以來,隨著RS和GIS技術(shù)的迅速發(fā)展,各國(guó)學(xué)者對(duì)NPP的研究取得了重大進(jìn)展[4-5]。我國(guó)學(xué)者對(duì)NPP的研究也取得了顯著成果，如方精云等[6]利用森林蓄積量獲得森林凈生物量和生物量的方法,研究了森林植被生物生產(chǎn)力;孫睿等[7-8]利用AVHRR-NDVI數(shù)據(jù)集對(duì)我國(guó)的NPP進(jìn)行了模擬,指出全國(guó)植被年NPP空間分布總體上呈從東南向西北遞減的趨勢(shì);柯金虎等[9]根據(jù)遙感數(shù)據(jù)、氣象資料及植被類型以及土壤數(shù)據(jù),利用CASA模型對(duì)長(zhǎng)江流域植被的NPP進(jìn)行了模擬;張繼平等[10]基于MODIS GPP數(shù)據(jù)對(duì)三江源地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明基于該數(shù)據(jù)能夠支撐較大尺度草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究,比傳統(tǒng)方法更便捷有效;王鈞等[11]基于AWHRR GLOPEM NPP數(shù)據(jù)集及相應(yīng)時(shí)段的氣候數(shù)據(jù)集,研究了1981～2000年內(nèi)蒙古中部地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)量退化的狀況及其對(duì)各氣候因子的響應(yīng)。

秦嶺山地位于東經(jīng)105°30′～110°5′,北緯32°40′～34°35′,是我國(guó)劃分南北自然地理的一條重要的分界線,同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境的過渡極敏感區(qū),其氣候的空間分布差異大,北坡氣候類型為暖溫帶半濕潤(rùn)氣候帶,南坡氣候類型為亞熱帶濕潤(rùn)氣候帶。開展秦嶺山地植被NPP變化及其對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究,不僅可以揭示全球變暖大趨勢(shì)下秦嶺山地森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度,為氣候變化對(duì)陸地植被生態(tài)系統(tǒng)影響的研究提供典型案例,而且可以為秦嶺山地的生物多樣性保護(hù)和水源地的保護(hù)提供理論支撐和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 NPP估算模型

采用Potter等[12]提出的光能利用率模型(CASA模型),估算NPP,其估算公式為:

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)=PAR(x,t)×FPAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式(1)中:APAR(x,t)為像元x在t月吸收的光合有效輻射;ε(x,t)為實(shí)際光能利用率;FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收分量,其計(jì)算公式如下[12]:

(2)

(3)

(4)

FPAR(x,t)=0.5FPARNDVI(x,t)+0.5FPARSR(x,t)

(5)

上式中：NDVI(i,max)和NDVI(i,min)分別表示第i種植被類型NDVI的最大值和最小值;SR(i,max)和SR(i,min)分別代表第i種植被類型NDVI在95%和5%下側(cè)百分位數(shù);FPARmax和FPARmin的取值與植被類型無(wú)關(guān),分別為0.95和0.01。

光能利用率由溫度、水分和最大光能利用率決定,其計(jì)算公式為:

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(6)

式(6)中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)為溫度脅迫系數(shù),均可采用Potter等[12]提出的方法估算;εmax為最大光能利用率,其取值因植被類型不同而不同,本文利用朱文泉等[13]研究確定的中國(guó)典型植被類型最大光能利用率模擬結(jié)果；Wε(x,t)為水分脅迫系數(shù),由公式(7)計(jì)算:

Wε(x,t)=0.5+0.5×E/Ep

(7)

式(7)中：E為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量,可根據(jù)周廣勝和張新時(shí)的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型求得；Ep為潛在蒸散量，可根據(jù)Boucher提出的互補(bǔ)關(guān)系[14-15]求取。

1.2 SPSS偏相關(guān)分析法

本研究中NPP與氣溫的相關(guān)系數(shù)計(jì)算采用如下公式[16]:

(8)

利用如下公式[17],計(jì)算以降水為控制變量的NPP和氣溫間的偏相關(guān)系數(shù):

(9)

式(9)中:r12、r13、r23分別表示變量V1與V2、V1與V3、V2與V3間的相關(guān)系數(shù)；r12.3是定變量V3后變量V1與V2間的偏相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦嶺山地植被NPP的空間分布特征

2.1.1 年均NPP的空間分布特征 根據(jù)NPP估算模型,得到2000～2013年秦嶺山地植被平均NPP分布圖(見圖1),將NPP值分為5個(gè)等級(jí)(<500,500～700,700～900,900～1300,>1300)。在14年間,秦嶺山地植被NPP的平均值為833.87 g C/m2,最高值為1511 g C/m2。上述5個(gè)等級(jí)植被面積占研究區(qū)總面積的百分比分別為5.55%、39.02%、15.02%、34.31%和6.08%. 由此可以看出,秦嶺山地植被的NPP主要集中在500～1300 g C/m2范圍內(nèi),該范圍植被面積占研究區(qū)總面積的88.36%。其中,低值區(qū)(<700 g C/m2)主要位于漢中、安康和商洛市中心及其周邊,以及研究區(qū)北部邊界，在這些區(qū)域植被比較稀疏,且耕地較多,受人類活動(dòng)的影響較大,因此NPP值較低。高值區(qū)(>1300 g C/m2)分布比較零散,主要位于人類活動(dòng)影響較小的常綠闊葉林、灌叢等區(qū)域。

2.1.2 不同植被類型NPP的分布特征 利用秦嶺山地植被類型圖對(duì)2000～2013年年均NPP進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明,秦嶺山地不同植被類型植被的NPP存在明顯差異。其中闊葉林的年均NPP最高,14年平均NPP達(dá)1229.69 g C/(m2·a)；其次是灌叢，年均NPP為879.75 g C/(m2·a)；然后是針葉林，為643.89 g C/(m2·a)；排在第四位的是草叢，為597.81 g C/(m2·a)；然后依次是栽培植被540.62 g C/(m2·a)、草甸530.46 g C/(m2·a)。不同植被的年均NPP基本上表現(xiàn)為栽培植被<草叢<草甸<針葉林<灌叢<闊葉林。

2.2 秦嶺山地植被NPP的變化特征

2.2.1 在年際上的變化特征 在2000～2013年期間,秦嶺山地植被NPP值在781.53～883.02 g C/(m2·a)之間波動(dòng),平均值為835.71 g C/(m2·a)。其中最大值出現(xiàn)在2008年,為883.02 g C/(m2·a)；最小值出現(xiàn)在2001年,為781.53 g C/(m2·a)。從年均NPP波動(dòng)曲線(圖2)可以看出,秦嶺山地植被NPP在2000～2013年間呈不顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì),其變化可以分為2個(gè)階段：2000～2008年為上升階段,從2000年的826.053 g C/(m2·a)上升到2008年的883.02 g C/(m2·a)；但在2008年之后,秦嶺山地植被NPP呈微弱下降趨勢(shì)。2001年的植被NPP值最低,可能與當(dāng)年降水量偏少,無(wú)法滿足植被生長(zhǎng)需求有關(guān)。2008年NPP值最高,是因?yàn)楫?dāng)年的水、熱條件良好,植被的生長(zhǎng)狀況好。

圖1 近14年秦嶺山地植被年均NPP的空間分布

圖2 秦嶺山地植被NPP的年際變化

2.2.2 在月份上的變化特征 圖3為秦嶺山地植被NPP在各月份的變化情況。由于水熱組合的不同,植被在不同月份的生長(zhǎng)狀況不同,因此各月份對(duì)應(yīng)的NPP也會(huì)有所不同.其中最高值在7月(164.43 g C/m2),最低值在1月(13.49 g C/m2)。1～3月植被NPP值較低,這主要是由于氣溫較低,多數(shù)植被基本上處于停止生長(zhǎng)狀態(tài)。從4月份開始,隨著氣溫回升,太陽(yáng)輻射增加,植被生長(zhǎng)加速,因此植被NPP值快速增加。6～8月是植被生長(zhǎng)的鼎盛時(shí)期,月均NPP值在7月達(dá)到最高。進(jìn)入9月后,隨著太陽(yáng)輻射減少、氣溫逐漸下降,植被生長(zhǎng)變緩,植被NPP逐漸減少。該地區(qū)的植被生長(zhǎng)季為4～9月,這6個(gè)月的NPP占全年總NPP的85.06%。在這段時(shí)間內(nèi),氣溫較高,降水豐富,太陽(yáng)輻射強(qiáng),有利于植被的生長(zhǎng)和能量的累積[4]。10月過后,秦嶺山地植被NPP值迅速減少,到12月份減少到13.51 g C/m2。

圖3 秦嶺山地各月份植被NPP的變化

2.2.3 在季節(jié)上的變化特征 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12～2月)四個(gè)季節(jié)多年平均NPP值分別為221.45、431.32、139.21、42.35 g C/(m2·月)；各季對(duì)全年NPP的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為夏季(51.52%)>春季(26.45%)>秋季(16.96%)>冬季(5.06%)。不同季節(jié)NPP的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出：從2000年至2013年，秦嶺山地春、秋兩季植被NPP總體上在波動(dòng)中增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速度較小,其中春季增長(zhǎng)較快,增長(zhǎng)速度為2.0843 g C/m2,秋季的增長(zhǎng)速度為0.1264 g C/m2；夏季NPP總體上呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì),下降速度為0.6483 g C/m2；冬季由于氣溫較低,植被基本上停止生長(zhǎng),因此冬季NPP在研究時(shí)段內(nèi)基本保持不變,僅有細(xì)微的變化。

圖4 秦嶺山地各季節(jié)植被NPP的變化

2.3 秦嶺山地植被NPP對(duì)氣溫變化的響應(yīng)

圖5反映了秦嶺山地植被月均NPP與月均氣溫

的時(shí)間序列變化趨勢(shì),從圖5中可以看出:秦嶺山地植被月均NPP與月均氣溫呈現(xiàn)明顯的一致性。采用SPSS 16.0對(duì)秦嶺山地月均NPP與月均氣溫進(jìn)行相關(guān)分析,相關(guān)系數(shù)為0.902,相關(guān)性達(dá)極顯著水平(P<0.01)。以降水為控制變量,對(duì)秦嶺山地植被月均NPP與月均氣溫進(jìn)行偏相關(guān)分析,偏相關(guān)系數(shù)為0.809(P<0.01),同樣表現(xiàn)出顯著的正相關(guān),說明秦嶺山地植被NPP在月時(shí)間序列上與氣溫存在顯著的正相關(guān)。

植被的生長(zhǎng)狀況不僅與當(dāng)月氣溫有關(guān),可能與前1個(gè)月、前2個(gè)月、前3個(gè)月的氣溫都有關(guān)系。因此,對(duì)前1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月的氣溫與當(dāng)月植被NPP進(jìn)行相關(guān)分析,研究氣溫對(duì)NPP的滯后影響,結(jié)果見表1。由表1可以看出：滯后1個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.731(P<0.01)和0.667(P<0.01);滯后2個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.371(P<0.01)和0.491(P<0.01);滯后3個(gè)月的相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)分別為0.082和0.332(P<0.05)。說明當(dāng)月植被NPP與提前1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月的月均氣溫在0.01或0.05水平上呈顯著正相關(guān)。但提前1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月的相關(guān)系數(shù)均小于當(dāng)月的相關(guān)系數(shù),這說明當(dāng)月氣溫對(duì)當(dāng)月植被NPP的影響是最大的。

圖5 秦嶺山地植被月均NPP與月均氣溫的變化

滯后月份數(shù)相關(guān)性相關(guān)系數(shù)顯著性(P值)偏相關(guān)性相關(guān)系數(shù)顯著性(P值)00．902<0．010．809<0．0110．731<0．010．667<0．0120．371<0．010．491<0．0130．082<0．050．332<0．05

3 結(jié)論

2000～2013年秦嶺山地植被年均NPP為833.87 g C/(m2·a),最高值為1511 g C/(m2·a),研究區(qū)植被NPP主要集中在500～1300 g C/m2范圍內(nèi),該范圍植被面積占研究區(qū)總面積的88.36%;秦嶺山地不同植被類型的NPP存在明顯差異,基本上表現(xiàn)為栽培植被<草叢<草甸<針葉林<灌叢<闊葉林。

秦嶺山地植被年均NPP值波動(dòng)范圍在781.53～883.02 g C/(m2·a)之間,平均值為835.71 g C/(m2·a)。其中最大值在2008年,最小值在2001年。秦嶺山地植被NPP在2000～2013年間的變化分為2個(gè)階段：2000～2008年為上升階段；2008～2013年為微弱下降階段。

秦嶺山地植被NPP的季節(jié)變化不是很明顯,春、秋兩季植被NPP在波動(dòng)中增長(zhǎng),但增長(zhǎng)速度較小,其中春季增長(zhǎng)較快;夏季NPP呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì);冬季NPP僅有細(xì)微的變化。

秦嶺山地植被月均NPP與同月氣溫、提前1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月的月均氣溫均呈顯著正相關(guān),偏相關(guān)系數(shù)分別為0.809、0.667、0.491、0.332,表明秦嶺植被NPP受當(dāng)月氣溫及前1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月氣溫的綜合影響,但受當(dāng)月氣溫的影響最大。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Remote-sensing Estimation of NPP and Its Spatial-temporal Change Characteristics in Qinling Mountainous Region

ZHANG Shan-hong1, DING Xiao-song2

(1. College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China; 2. College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Based on the MODIS-NDVI data and meteorological data from 2000 to 2013, the net primary productivity (NPP) of vegetation in the Qinling mountainous region was estimated by using CASA model. The results showed that the average annual NPP of vegetation in the Qinling mountainous region during 2000～2013 was 833.87 g C/(m2·a). The NPP of various types of vegetation revealed the following sequence: cultural vegetation< grass cluster< meadow< coniferous forest< bushwood< broad-leaved forest. The NPP of vegetation in different seasons had the order of summer> spring> autumn> winter. The average monthly NPP of vegetation in the Qinling mountainous region had a significantly positive correlation with the average air temperature in the current month, before one month, before two months, and before three months, but it was influenced most greatly by the average air temperature in the current month.

Qinling mountainous region; Vegetation; NPP; Remote-sensing estimation; Spatial-temporal change

2017-04-08

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201304309);商洛學(xué)院科研基金項(xiàng)目(14SKY017)。

張善紅(1983─),女,山東日照人,講師,碩士,主要從事全球變化生態(tài)學(xué)研究。

S771.8

A

1001-8581(2017)08-0124-05