基于MODIS的三江源地區(qū)不同類型草地草產(chǎn)量的遙感監(jiān)測

， ，

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.國家海洋信息中心，天津 300171)

草地不僅是畜牧業(yè)經(jīng)濟的飼料來源，也是大部分野生動物生活的場所，對于全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)具有重要作用，是重要的國土資源[1]。三江源自然保護區(qū)是青藏高原腹地，是我國生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重要保證，三江源強大的生態(tài)功能是其生物多樣性以及植被豐富度的重要保證[2]。

我國對草地的遙感研究始于20世紀80年代初，至今已取得了多方面研究成果。周鑫等[3]針對新疆伊犁地區(qū)的植被指數(shù)建立了回歸模型，分析了地上生物量的空間分布；趙強[4]基于遙感技術(shù)反演了呼倫貝爾草原草產(chǎn)量；董建軍[5]以內(nèi)蒙古錫林河流域的典型草原草場為對象，通過建模與比較，探討了多源遙感數(shù)據(jù)在典型草原植被估產(chǎn)方面的潛力；方金[6]利用回歸分析模擬出甘南草地生草場物量遙感模型，反演出甘南地區(qū)的草地生物量；Kawamura等[7]研究了中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)歸一化植被指數(shù)與內(nèi)蒙古草地生物量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者存在顯著的相關(guān)性；Field等[8]利用卡內(nèi)基艾姆期坦福方法(Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA)模型估算出全球陸地年均凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)值為56.4 Pg/a，其中草地占4.3%；Nayak等[9]通過CASA模型估算印度的草地NPP為267 gC/m2·a，占總NPP的1.2%；Peterson等[10]利用Landsat/TM數(shù)據(jù)區(qū)別道格拉斯草地類型，得出7月遙感數(shù)據(jù)的評價精度高達81.8%。以上模型大都應(yīng)用SPSS等軟件進行實測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)回歸分析，利用最優(yōu)模型反演研究區(qū)草地生物量，泛化性較差，同時沒有對海拔高、高差大的草原地區(qū)草產(chǎn)量遙感估算研究。因此，本文利用三江源地區(qū)2000—2010年MODIS數(shù)據(jù)，借助氣象、太陽輻射數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，基于改進的CASA模型反演草地畝產(chǎn)量，為高海拔、高差大的三江源地區(qū)草地生物量遙感監(jiān)測、草場資源的可持續(xù)利用和畜牧業(yè)發(fā)展等相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 研究區(qū)概況

表1 數(shù)據(jù)列表

三江源自然保護區(qū)位于我國西北部，平均海拔在4 800 m左右。地理位置為31°39′～36°12′N，89°45′～102°23′E[11]。屬于大陸性氣候，由于海拔高，地形復(fù)雜，氣候變化多樣，年際溫差小，降雨年際變化大，太陽輻射強，造成三江源地區(qū)東西植被分布差別大。三江源地區(qū)是世界上海拔最高，分布植被類型最多的典型高寒地帶，是我國的高寒生物自然種質(zhì)資源庫[12]。三江源地區(qū)的代表草種類型有草甸、草原、沼澤及水生草地、墊狀和稀疏草地等。三江源地區(qū)草地草場生長期集中在每年4—9月份，因此，本文選擇4—9月為草場生物量累積時間。

1.2 數(shù)據(jù)源獲取

采用遙感數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法獲取數(shù)據(jù)，然后將反演結(jié)果與平臺提供數(shù)據(jù)進行驗證(表1、表2)。

注：西藏草場屬性數(shù)據(jù)參考自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺

1.2.1 MODIS凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)——MOD13A1

MOD13A1遙感影像是MODIS數(shù)據(jù)的L3級產(chǎn)品，數(shù)據(jù)類型為柵格，其中包括歸一化植被指數(shù)(normadized differential，NDVI)和增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，EVI)，提供時間分辨率為16天、幾何分辨率為500 m的3級產(chǎn)品。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)主要包括青海省SOL(太陽總凈輻射量，total net radiation of solar)，2000—2010年4—9月份平均溫度和降雨量數(shù)據(jù)。根據(jù)CASA模型需要，提取植被最適宜溫度和水分脅迫因子。三江源地區(qū)溫度和降雨分布成反比，海拔高的地區(qū)溫度偏低，降雨偏多；太陽輻射量分布從東到西呈逐漸增多的趨勢，與海拔呈正比。

1.2.3 高程數(shù)據(jù)

因為三江源地區(qū)以山地地形為主，地勢復(fù)雜，數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)顯得尤為重要，尤其在土地覆蓋類型劃分過程中。本文運用航天飛機雷達地形測繪使命-全球數(shù)字高程模型(shuttle radar topography mission-global digital elevation model，SRTM3-GDEM)數(shù)據(jù)，對應(yīng)的分辨率精度為90 m。

2 NPP模型的建立與計算

改進的CASA模型[13]中植被凈第一性生產(chǎn)力NPP由牧草的光合有效輻射(APAR，absorbed photosynthetic active radiation)和實際光能利用率(ε)來決定，其估算公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)。

(1)

APAR是指在單位時間內(nèi)牧草吸收的有效輻射能量，gC·m-2·month-1；ε表示在單位時間內(nèi)實際的光能利用率，gC·MJ-1。

2.1 光和有效輻射APAR的估算

牧草的太陽有效輻射和對光合有效輻射的吸收系數(shù)決定APAR的大小，進而決定著NPP的變化。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5。

(2)

其中，SOL表示牧草的太陽總輻射量，gC·m-2·month-1；FPAR(fraction of absorbed photosynthetically active radiation，光合有效輻射系數(shù))表示牧草對入射光合有效輻射的吸收比例，式中的0.5表示這一類型牧草所能利用的太陽有效輻射占太陽在這一區(qū)域總輻射的比例。

2.2 光合有效輻射系數(shù)FPAR的估算

光合有效輻射系數(shù)的變化和植被歸一化指數(shù)NDVI之間存在如下關(guān)系：

(3)

其中，NDVImax和NDVImin分別為三江源內(nèi)不同草場類型的NDVI最大值和最小值。

光合有效輻射系數(shù)(FPAR)和比值植被指數(shù)(simple ratio index，SR)也存在著一定關(guān)系：

(4)

其中，F(xiàn)PARmax和FPARmin為常數(shù)，與草場類型無關(guān)，分別為0.001和0.95[14]；SRmax和SRmin分別對應(yīng)三江源地區(qū)牧草的NDVI的95%和5%下側(cè)百分位數(shù)，SR可以通過NDVI得到：

(5)

因為NDVI和SR對牧草的FPAR估算均有其優(yōu)缺點，為了彌補兩種指數(shù)的不足，取其加權(quán)平均值作為FPAR的估算值：

FPAR(x,t)=αFPARNDVI+(1-α)FPARSR。

(6)

一般取α為0.5[14]。

2.3 光能利用率ε的估算

光能利用率是指在單位時間單位面積上生產(chǎn)的生物量與單位時間內(nèi)照到該面積上的光合有效輻射能量的比值。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax，

(7)

其中，Tε1和Tε2為溫度脅迫系數(shù)，表示溫度變化對光能利用率的影響；Wε為水分脅迫系數(shù)，表示環(huán)境的濕度變化對光能利用率的影響；εmax是牧草生長最適宜條件下的最大光能利用率。

2.4 溫度脅迫因子的估算

Tε1的估算：只有在適宜溫度下植被才能最大化進行光合作用，而溫度過高或者過低都會抑制光合作用的進行，溫度脅迫因子Tε1的估算：

Tε1(x,t)=0.8+0.02×Topt(x)-0.000 5×[Topt(x)]2，

(8)

其中，Topt是三江源草地牧草生長的最適宜溫度，是指一年內(nèi)NDVI達到最高時月份的平均氣溫。溫度脅迫因子Tε2的估算：表示牧草在溫度變化的影響，溫度向過高或者過低變化，光能利用率都會下降，因此對偏離最適宜溫度的影響因素進行估算：

(9)

當(dāng)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。

2.5 水分脅迫因子的估算

水分脅迫系數(shù)Wε表示周圍環(huán)境濕度變化對牧草生長的影響，進而對光能利用率的影響，取值范圍為0.5～1，0.5代表最干旱的情況，1為最濕潤的情況。

用全年降水量P和>0 ℃年積溫∑θ之比表示濕潤度指標(biāo)K，

(10)

為適應(yīng)改進的CASA模型，保證牧草反演的精度，采用月降雨量和>0 ℃月積溫之比估算濕潤度指標(biāo)K，

(11)

根據(jù)上面式子計算水分脅迫因子W(x,t):

(12)

2.6 CASA模型的優(yōu)化

最大光能利用率εmax定義為0.389 gC·MJ-1[15]，取值受到溫度、水分、土壤和植物個體發(fā)育等因素的顯著影響，將其作為一個常數(shù)在全球范圍內(nèi)使用會引起很大的誤差，εmax還和草場類型有關(guān)，不同草場的優(yōu)勢草種也不同。

三江源地區(qū)植被光能利用率與植被分布和地形有關(guān)，其分布特征具有明顯地帶性，呈由西北向東南逐漸遞增的規(guī)律，隨季節(jié)變化明顯，本次研究基于三江源氣象因素(溫度、降水、太陽輻射等數(shù)據(jù))和地形因素，同時參考衛(wèi)亞星等[16]對三江源地區(qū)草場植被的研究，利用加權(quán)平均值計算平均最大光能利用率為0.096 gC·MJ-1。

根據(jù)得到的全年NPP和三江源植被覆蓋類型計算每種類型草場的畝產(chǎn)量分布圖，與國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺提供的牧草畝產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行精度驗證，并做進一步分析。

3 NPP時空分析

基于改進的CASA模型，應(yīng)用MOD13A1遙感影像和氣象數(shù)據(jù)計算得到2000—2010年三江源地區(qū)NPP分布，從11年NPP分布可以看出，中南部玉樹藏族自治州、果洛藏族自治州和黃南藏族自治州等地區(qū)NPP值普遍在150 gC/m2以上，西部海西蒙古藏族自治州等地區(qū)普遍在50 gC/m2。圖1為2008年NPP平均值分布圖。

圖1 2008年NPP平均值分布圖

3.1 NPP均值空間分布

三江源地區(qū)草地草場NPP平均值空間變化呈東南—西北遞減規(guī)律，高寒牧草地NPP值較低，河密集、海拔較低的林地NPP值相對較高。其中，研究區(qū)西部地區(qū)NPP值偏低，如治多縣和格爾木市等地區(qū)，NPP值50～70 gC/m2；研究區(qū)中部70～120 gC/m2；研究區(qū)東南部的囊謙縣、玉樹縣，以及東部的達日縣、甘德縣、久治縣等地區(qū)NPP值大于150 gC/m2。從空間分布特征得出，NPP分布與地形、海拔、河流及植被類型等自然因素相一致。

3.2 NPP均值時間分布

圖2展示了三江源地區(qū)NPP年平均值變化，2000—2010年的變化區(qū)間為133.03～191.91 gC/m2，整體趨勢為逐年增加，尤其在2007—2010年，增加速度很快。從2000—2001年三江源地區(qū)NPP增速較快，約為18 gC/m2；從2001—2007年相對較穩(wěn)定，為140～150 gC/m2；從2007—2010年增速大幅上升，尤其在2009—2010年，增速達40 gC/m2。這種改善得益于三江源地區(qū)在2000年之后實施的各種生態(tài)工程項目，尤其在2007年之后效果明顯。

3.3 NPP均值變化趨勢

根據(jù)NPP均值年際變化折線圖回歸分析，分別得到線性、二次多項式和三次多項式模型(表3)，其中線性和二次多項式誤差較大，其R2分別為0.44和0.58，三次多項式模型很好地模擬出變化趨勢，R2達0.91?？梢钥闯觯瑥?010年往后的趨勢為持續(xù)增加。

圖2 2000—2010年NPP均值變化圖

模型R2線性模型 Y=2.91X+133.570.44二次多項式模型Y=0.6X2-4.25X+149.080.58三次多項式模型Y=0.335X3-5.44X2+25.99X+112.470.91

3.4 草場類型劃分

三江源草地草場劃分主要依據(jù)國家科技資源共享服務(wù)平臺數(shù)據(jù)實體草場植被覆蓋度[17]要素和每種草場優(yōu)勢草種的生長海拔兩個基本條件，結(jié)合優(yōu)勢草種生長的溫度和降雨要素，利用決策樹對三江源草地進行分類，得到圖3三江源草地草場分布圖。

畝產(chǎn)量最高的湖盆河灘草甸草場分布在中南部和東部地區(qū)；山地稀疏森林草場、高原寬谷草原草場和山地灌叢草場畝產(chǎn)量中等分布在中部地區(qū)；高山草甸草場畝產(chǎn)量中等偏少，分布在西南地區(qū)；高原寬谷荒漠草場、山地荒漠草場和山地草原草場畝產(chǎn)量最低，分布在西部地區(qū)。

圖3 三江源地區(qū)草場類型分布圖

3.5 草地畝產(chǎn)量驗證與分析

如圖4所示，分別顯示了8種草場2000—2010年畝產(chǎn)量的變化，可以看出各類草場的畝產(chǎn)量相對穩(wěn)定，變化不大。

表4顯示了遙感反演畝產(chǎn)量與國家生態(tài)系統(tǒng)觀測平臺的實際監(jiān)測畝產(chǎn)量數(shù)據(jù)，從表4反演準確性看，反演畝產(chǎn)量與實際畝產(chǎn)量相比：高山草甸草場、山地稀疏森林草場和山地灌叢草場非常吻合；山地草原草場基本吻合；湖盆河灘草甸草場產(chǎn)量偏低，原因是NDVI對于植被覆蓋度太高的牧草產(chǎn)生了過飽和現(xiàn)象，對湖盆河灘草甸草場畝產(chǎn)量造成過低估計；高原寬谷荒漠草場和山地荒漠草場產(chǎn)量偏高，原因是NDVI對于低覆蓋植被出現(xiàn)過高估計現(xiàn)象。

圖4 2000—2010年三江源草地畝產(chǎn)量變化圖

草場類型反演畝產(chǎn)量/kg實際畝產(chǎn)量/kg吻合程度變化趨勢高山草甸草場110～13035～125非常吻合相對穩(wěn)定湖盆河灘草甸草場160～180200～300產(chǎn)量偏低略有上升高原寬谷草原草場70～80相對穩(wěn)定山地草原草場48～565～50基本吻合很穩(wěn)定高原寬谷荒漠草場39～4510產(chǎn)量偏高很穩(wěn)定山地稀疏森林草場130～160>125非常吻合略有下降山地荒漠草場40～5020產(chǎn)量偏高很穩(wěn)定山地灌叢草場128～160>125非常吻合略有下降

注：實際畝產(chǎn)量數(shù)據(jù)參考自國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺

圖5 2000—2010年三江源草地總產(chǎn)量變化圖

從畝產(chǎn)量變化趨勢上看，山地草原草場、山地荒漠草場和高原寬谷荒漠草場等低產(chǎn)量草場畝產(chǎn)量很穩(wěn)定；高山草甸草場和高原寬谷草原草場屬中等產(chǎn)量草場相對穩(wěn)定；湖盆河灘草甸草場畝產(chǎn)量逐年增加；山地稀疏森林草場和山地灌叢草場略有下降。

由圖5可以看出，從2000—2007年三江源草地總產(chǎn)量先增加后穩(wěn)定又下降，從2007—2010年快速增長，這一改善與三江源地區(qū)管理部門對三江源保護區(qū)的治理密不可分。自從三江源草地出現(xiàn)草地退化現(xiàn)象，管理部門就開始大力投資退牧換草、圍欄放牧等措施，2007年開始效果逐步體現(xiàn)。

4 結(jié)論

基于改進的CASA模型，利用2000—2010年三江源地區(qū)MOD13A1植被指數(shù)3級數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)，計算得到三江源地區(qū)不同類型草場的畝產(chǎn)量分布，得出以下結(jié)論：

1) 空間上，草場畝產(chǎn)量分布特征呈東南—西北逐漸降低，西部地區(qū)畝產(chǎn)量偏低，40～60 kg/畝，中部地區(qū)60～120 kg/畝，東部地區(qū)畝產(chǎn)量一般大于120 kg/畝。高值出現(xiàn)在東南地區(qū)海拔偏低、地勢平坦的濕潤地區(qū)，低值一般出現(xiàn)在西北地區(qū)海拔高的干旱高寒地區(qū)。進一步說明了三江源地區(qū)NPP的分布東西差異大，受海拔、地勢及環(huán)境濕潤程度影響大。

2) 時間上，不同類型草地畝產(chǎn)量整體變化不大，高產(chǎn)量草場畝產(chǎn)量一般在120～180 kg/畝，低產(chǎn)量草場畝產(chǎn)量一般在40～60 kg/畝，2000—2010年草場整體狀況比較穩(wěn)定，草場總產(chǎn)量整體呈上升趨勢，說明對草場的保護措施明顯改善。

3) 三江源草場草產(chǎn)量變化的主要驅(qū)動力是人類活動，管理部門采取退牧換草、圍欄放牧等措施大大提高了草產(chǎn)量，改善了三江源草場生態(tài)環(huán)境。

4) 基于改進的CASA模型對三江源地區(qū)2000—2010年草地畝產(chǎn)量的遙感反演結(jié)果非常理想，不同類型草場的畝產(chǎn)量基本在給定的實測范圍內(nèi)，有望在以后代替落后人工實測，節(jié)省大量的人力、物力和財力，實現(xiàn)快速有效的產(chǎn)量評估。