基于MODIS的典型區(qū)域生態(tài)功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量變化研究

馮彬 張小強(qiáng) 王志康 黃娟

摘要?利用2000—2016年的MODIS數(shù)據(jù)，對呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)環(huán)境質(zhì)量變化時空格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明，研究區(qū)光合有效輻射（FPAR）、葉面積指數(shù)（LAI）在過去17年間整體較穩(wěn)定，F(xiàn)PAR均值在0.7 W/m2附近波動，LAI均值在2.8附近波動。總初級生產(chǎn)力（GPP）、凈光合速率（PsnNet）整體上呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，最大值均出現(xiàn)在2014年，分別為0.044、0.035 kg C/m2;最小值均出現(xiàn)在2003年，分別為0.028、0.021 kg C/m2?？臻g格局上，F(xiàn)PAR、LAI、GPP和PsnNet的指標(biāo)值呈自西向東逐漸增加的趨勢。該研究為呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)草地退化遙感監(jiān)測提供技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞?呼倫貝爾;MODIS;生態(tài)功能區(qū);環(huán)境質(zhì)量;變化特征

中圖分類號?X82文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）02-0085-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.024

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Environmental Quality Change of Typical Regional Ecological Functional Zone Based on MODIS

FENG Bin1，ZHANG Xiao-qiang1，WANG Zhi-kang2 et al?（1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing，Jiangsu 210036;2.Anhui Construction Engineering Survey Design Institute，Hefei，Anhui 230000）

Abstract?Using the MODIS data from 2000 to 2016，the spatial-temporal pattern of environmental quality change in the Hulunbeir Ecological Function Zone was analyzed.The results showed that the photosynthetically active radiation（FPAR） and leaf area index（LAI） in the study area were generally stable over the past 17 years，the FPAR average fluctuate around 0.7 W/m2，and the LAI average fluctuate around 2.8.The gross primary production（GPP） and net photosynthesis（PsnNet） values showed a slowly increasing trend as a whole.The maximum values appeared in 2014，which were 0.044 and 0.035 kg C/m2 respectively;and the minimum values appeared in 2003，which were 0.028 and 0.021 kg C/m2，respectively.In terms of spatial structure，the values of FPAR，LAI，GPP and PsnNet gradually increased from west to east.This research would provide a technical method for monitoring of grassland degradation by remote sensing in the Hulunbuir ecological function area.

Key words?Hulunbuir;MODIS;Ecological functional area;Environmental quality;Changing characteristics

全球許多生態(tài)系統(tǒng)受到氣候變暖的影響，而植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是連接土壤和大氣的天然紐帶，在氣候變化研究中充當(dāng)“指示劑”作用[1]。呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)是歐亞大陸草原的重要組成部分，是世界著名的溫型半濕潤草原，也是我國迄今保護(hù)相對完好、緯度最高的天然草地，植被類型復(fù)雜多樣，有1 000多種草原植物資源，是歐亞草原的重要組成部分[2]。但由于氣候異常和超載過度放牧現(xiàn)象的存在，嚴(yán)重威脅貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)，該地區(qū)已然成為全球氣候變化過程中的生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)[3]。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)（GIS）等空間信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大規(guī)模遙感監(jiān)測和評估草原生態(tài)系統(tǒng)的研究。研究人員利用遙感視覺解譯、圖像分類、生物量估算和光譜指數(shù)計算等方法，在草地退化遙感監(jiān)測方面做了大量工作[4-6]。遙感技術(shù)具有時效性強(qiáng)、監(jiān)測范圍寬、數(shù)據(jù)訪問方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著成效。高清竹等[7-8]利用AVHRR、Spot-Vegetation、MODIS等多源遙感數(shù)據(jù)對藏北地區(qū)草地退化時空分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明長時間遙感監(jiān)測可以成為草地退化監(jiān)測的有效手段。筆者以生態(tài)學(xué)分析為基礎(chǔ)，以呼倫貝爾草地特征和實(shí)際數(shù)據(jù)情況

為依據(jù)，利用2000—2016年長時間序列的MODIS數(shù)據(jù)計算光合有效輻射（FPAR）、葉面積指數(shù)（LAI）、總初級生產(chǎn)力（GPP）、凈光合速率（PsnNet） 4個草地生態(tài)質(zhì)量指標(biāo)，對研究區(qū)域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，分析呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)近年來的生態(tài)環(huán)境變化，為重要生態(tài)功能區(qū)草地退化遙感監(jiān)測提供技術(shù)方法和研究案例。

1?資料與方法

1.1?研究區(qū)概況

呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)（115°31′～126°04′E、47°05′～53°20′N）地處中國東北邊疆，整個南北長630 km，東西寬700 km，面積25.34×104km2，下轄海拉爾區(qū)、滿州里市、牙克石市、扎蘭屯市、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗、陳巴爾虎旗、鄂溫克自治旗、鄂倫春自治旗、額爾古納市、根河市、阿榮旗、莫力達(dá)瓦達(dá)翰爾族自治旗13個旗（市、區(qū)）。年平均氣溫為-5～3 ℃，年平均降水量150～550 mm[9-10]。該區(qū)域是歐亞大陸草原的重要組成部分，是世界著名的溫型半濕潤草原，也是我國迄今保護(hù)相對完好、緯度最高的天然草地。區(qū)域內(nèi)水資源較豐富，可重復(fù)利用，污染小，是由森林、草地、濕地等有機(jī)組合形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。20世紀(jì)以來，受大興安嶺林區(qū)開發(fā)、氣候暖干化、人類活動加劇等因素的影響，呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)的環(huán)境呈退化趨勢。

1.2?數(shù)據(jù)來源與處理

研究中所用FPAR、LAI、GPP、PsnNet數(shù)據(jù)是通過美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）網(wǎng)站下載的全國MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時間分辨率為8 d，空間分辨率為1 km，時間跨度為2000—2016年。為減少云氣溶膠、云陰影、視角以及太陽高度角的影響，該研究采用最大值合成法（maximal valuecomposite，MVC）得到8 d的合成數(shù)據(jù)。首先，利用MRT（MODIS reprojection tools）軟件對MODIS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重投影、重采樣等轉(zhuǎn)換處理，然后再用呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)矢量邊界對研究區(qū)的FPAR、LAI、GPP、PsnNet等數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜處理。

1.3?基于MODIS的生態(tài)環(huán)境變化指數(shù)

1.3.1?光合有效輻射（FPAR）。

太陽輻射是地球表層上的物理、生物和化學(xué)過程的主要能量來源，也是生態(tài)系統(tǒng)過程模型、水文模擬模型和生物物理模型研究中的必要參數(shù)[11]。太陽輻射中波長位于400～700 nm，能被綠色植物利用進(jìn)行光合作用的太陽輻射能量稱為光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）[12]。被綠色植物冠層吸收并參與光合生物量累積的光合有效輻射部分稱為吸收性光合有效輻射（absorbed photosynthesis active radiation，APAR）[13-16]。

FPAR是指到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射，其一部分被作物冠層反射，一部分被作物吸收，還有一部分透射過冠層到達(dá)地表，并被地表吸收和反射，只有被作物冠層吸收的PAR才對作物的干物質(zhì)積累有貢獻(xiàn)。FPAR=APAR/PAR。FPAR是植被水分、能量及碳循環(huán)平衡的重要監(jiān)測指標(biāo)，是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力模型、氣候模型、水文循環(huán)模型等的重要參數(shù)，因此快速準(zhǔn)確獲取FPAR意義重大[17]。

1.3.2?葉面積指數(shù)（LAI）。

葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是生態(tài)系統(tǒng)研究中一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一項描述植被冠層幾何結(jié)構(gòu)的十分重要的植被特征參量。LAI可為植冠表面最初能量交換描述提供結(jié)構(gòu)化定量信息，不僅可以直接反映出多樣化尺度的植物冠層中的能量、二氧化碳以及物質(zhì)環(huán)境，還可以反映出植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況，是一個極其重要的植被特征，是景觀乃至全球尺度生物地球化學(xué)循環(huán)中重要的植被結(jié)構(gòu)參數(shù)[18-21]。

1.3.3?總初級生產(chǎn)力（GPP）。

總初級生產(chǎn)力（gross primary productivity，GPP）是指單位時間內(nèi)生物（主要是綠色植物）通過光合作用所固定的有機(jī)碳量，又稱總第一性生產(chǎn)[22]。測定和估算GPP的方法主要有產(chǎn)量收割法、O2測定法、CO2測定法、葉綠素測定法、放射性標(biāo)記法以及開頂式同化箱法（open-top chamber）和自由CO2施肥方法（free-air CO2 enrichment，F(xiàn)ACE）[23]。表示植被所固定的有機(jī)碳中扣除本身呼吸消耗的部分稱凈第一性生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）。NPP反映了植物固定和轉(zhuǎn)化光合產(chǎn)物的效率，也決定了可供異養(yǎng)生物（包括各種動物和人）利用的物質(zhì)和能量[24]。NPP估算的方法有Miami模型、Thornthwaite紀(jì)念模型、Chikugo模型和生態(tài)系統(tǒng)過程模型（包括TEM模型、CASA模型和生物地球化學(xué)循環(huán)BGC模型）[25]。凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（net ecosystem productivity，NEP）最早由Woodwell等（1978）提出，指凈初級生產(chǎn)力中減去異養(yǎng)生物呼吸消耗（土壤呼吸）光合產(chǎn)物之后的部分。

1.4?數(shù)據(jù)分析方法

利用2000—2016年的全球1 km MODIS FPAR、LAI、GPP、PsnNet衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，經(jīng)過裁切、投影變化和格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理步驟，運(yùn)用曲線擬合方法獲得2000—2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)時間和空間分布變化趨勢圖，并用ArcGIS處理數(shù)據(jù)，驗(yàn)證各個生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)空間變化趨勢。

2?結(jié)果與分析

2.1?植被FPAR、LAI、GPP、PsnNet年際變化趨勢

由圖1可見，呼倫貝爾地區(qū)總體上年均FPAR自2000年以來總體上變化不大，均值在0.7 W/m2附近波動，意味著呼倫貝爾地區(qū)在過去的17年中到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射的變化比較穩(wěn)定。最大值出現(xiàn)在2002年，為0.744 W/m2，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.573 W/m2。2004—2012年年均FPAR比較接近，顯示了這9年該地區(qū)到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射趨于穩(wěn)定，至2013年有下降的趨勢，2014年開始趨于穩(wěn)定。

呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)總體上年均LAI自2000年以來總體上變化不大，均值在2.80附近波動，這意味著呼倫貝爾地區(qū)在過去的17年中到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用植物冠層中的能量、二氧化碳以及植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況變化相對比較穩(wěn)定。最大值出現(xiàn)在2002年，為3.23，最小值出現(xiàn)在2003年，為2.06。2004—2012年年均LAI呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，顯示了這9年該地區(qū)到達(dá)植物冠層中的能量、二氧化碳以及植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況趨于緩慢下降趨勢，至2013年有顯著的下降，2014—2016年逐漸增加，恢復(fù)至3.00左右。

呼倫貝爾地區(qū)GPP年均值在2000—2016年整體上呈現(xiàn)緩慢的增加趨勢，揭示了該地區(qū)植被的光合作用能力的增加和植被固碳能力的增強(qiáng)。最大值出現(xiàn)在2014年，為0.044 kg C/m2，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.028 kg C/m2。2003年由于受雪災(zāi)等極端氣候事件的影響，GPP減少至最低值，2008—2011年比較穩(wěn)定，2012年開始顯著增加，至2014年增加至17年間的最大值，2015—2016年則略有下降。

呼倫貝爾地區(qū)PsnNet年均值變化在2000—2016年整體上呈現(xiàn)緩慢的增加趨勢，

最大值出現(xiàn)在2014年，為0.035 kg C/m2，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.021 kg C/m2。

2.2?植被FPAR、LAI、GPP、PsnNet空間變化特征

為進(jìn)一步研究2000—2016年呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)FPAR、LAI、GPP、PsnNet 的變化情況，采用ArcGIS 10.1進(jìn)行空間數(shù)據(jù)裁切、柵格計算、空間分析和統(tǒng)計等分析FPAR、LAI、GPP、PsnNet 的變化趨勢，結(jié)果顯示（圖2～5），2000—2016年呼倫貝爾生態(tài)功能區(qū)年均FPAR、LAI、GPP、PsnNet總體呈穩(wěn)定上升趨勢。

從圖2可以看出，2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)FPAR的空間分布具有一致的空間相似性，即年均FPAR值呈現(xiàn)自西部的溫性草原帶向中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶逐漸增加的趨勢。近17年中不同年份呈現(xiàn)不同的空間分布特征，顯示了不同年份中到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射的變化。2001年與2000年相比，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶的FPAR大面積增加，西部的溫性草原帶有減少的趨勢，總體上2002年FPAR均值增至過去17年間最大值，即到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射值達(dá)到最大值。2003年開始，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶呈現(xiàn)大面積減少的趨勢，至過去17年間的最小值，即到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用有效輻射值達(dá)到最小值，這種變化可能與2003年在該地區(qū)發(fā)生的極雪災(zāi)和冰凍極端氣候事件有關(guān)。從2004年開始，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原的年均FPAR又恢復(fù)了穩(wěn)定。2011—2013年北部的局部區(qū)域FPAR呈現(xiàn)減少趨勢，顯示了與2010年之前不同的空間分布特征，2016年中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原的年均FPAR恢復(fù)到了2004—2012年的穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖3可以看出，2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)LAI的空間分布具有一致的空間相似性，即年均LAI值呈現(xiàn)自西部的溫性草原帶向中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶逐漸增加的趨勢，呈現(xiàn)西低東高的分布特點(diǎn)。近17年中不同年份呈現(xiàn)不同的空間分布特征，顯示了不同年份中到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用植物冠層中的能量、二氧化碳以及植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況的變化。2002年與2000、2001年相比，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶的LAI大面積增加，西部的溫性草原帶有減少的趨勢，總體上2002年LAI均值增至過去17年間最大值，即到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用植物冠層中的能量、二氧化碳以及植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況達(dá)到最大值。2003年開始，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶則呈現(xiàn)大面積減少的趨勢，至過去17年間的最小值，即到達(dá)作物冠層上方的入射光合作用植物冠層中的能量、二氧化碳以及植物生長發(fā)育的特征動態(tài)和健康狀況達(dá)到最小值。從2004年開始，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原的年均LAI又恢復(fù)了穩(wěn)定。2011—2015年西部的溫性草原帶LAI呈現(xiàn)增加趨勢，顯示了這一地區(qū)植被生長狀態(tài)的轉(zhuǎn)好;2016年該趨勢則顯著減少，可能與當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓蛉藶榈恼咿D(zhuǎn)變有關(guān)。

從圖4可以看出，2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)GPP的空間分布呈現(xiàn)西低東高的分布特點(diǎn)，顯示了呼倫貝爾地區(qū)植被光合作用能力的增強(qiáng)，就生態(tài)系統(tǒng)類型而言，總體上呈現(xiàn)西部的溫性草原帶向中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶逐漸增加的趨勢。中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原的健康狀況總體上要優(yōu)于西部的溫帶性草原。2003年由于受極端氣候?yàn)?zāi)害時間的影響，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶的GPP比2000—2002年顯著減少，西部的溫性草原帶的GPP在2004年進(jìn)一步減少，2008—2011年則相對變化不大;2014年GPP均值增加至最大值，主要是由于中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶的GPP增加所致。整體上，呼倫貝爾地區(qū)的植被，尤其是草地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力在近17年間緩慢的增強(qiáng)，進(jìn)而反映了全球氣候變化對該地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的正反饋。

從圖5可以看出，2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)PsnNet的空間分布與GPP的分布很相似，總體分布趨勢呈現(xiàn)西低東高的特點(diǎn)。換言之，西部的溫性草原帶向中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原帶逐漸增加，植被顯示了更健康的生長趨勢。2003年由于受極端氣候?yàn)?zāi)害時間的影響，中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶的PsnNet比2000—2002年顯著減少，西部的溫性草原帶的PsnNet在2004年進(jìn)一步減少，2008—2011年則相對變化不大，2014年P(guān)snNet均值增加至最大值，2015—2016年則略微有所下降。

3?結(jié)論

（1）2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)生態(tài)功能區(qū)平均FPAR總體上較為穩(wěn)定，空間格局上呈現(xiàn)西低東高的地帶性差異。

（2）2000—2016年呼倫貝爾地區(qū)年均LAI在地帶性上呈現(xiàn)西低東高的分布特點(diǎn)，對局部的氣候極端事件或人為的政策很敏感。不同的草地類型和氣候帶的植被狀況也有顯著的差異?？傮w上中部的溫性草甸草原帶、山地草原帶和東部的低地草原的健康狀況要優(yōu)于西部的溫帶性草原。

（3）隨著全球氣候的變化，呼倫貝爾地區(qū)的生態(tài)環(huán)境在2000—2016年發(fā)生了較為明顯的改變：一方面，植被的光合作用能力、生長和健康狀況和固碳能力都呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢，可能與全球變暖和當(dāng)?shù)卣扇〉姆e極措施有關(guān);另一方面，受極端氣候事件的影響，局部區(qū)域的光合有效輻射、葉面積指數(shù)和初級生產(chǎn)力在某些年份有明顯的下降，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和人們的生活都造成了損失。

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