應用CASA模型估算浙江省植被凈初級生產力

俞靜芳，余樹全，2，張 超，李土生

（1.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 臨安 311300；2.浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300；3.浙江省林業廳 生態中心，浙江 杭州 310020）

植被的凈初級生產力（NPP，net primary productivity）是指植物在單位時間、單位面積上由光合作用產生的有機物質總量中扣除自養呼吸后的剩余部分，它是地表碳循環的重要組成部分，直接反映了植物群落在自然環境條件下的生產能力，表征陸地生態系統的質量狀況，是評價生態系統結構與功能協調性，以及生物圈人口承載力的重要指標[1]，因此，開展區域尺度上生態系統凈初級生產力的研究具有十分重要的意義。傳統上對于植被凈初級生產力的估算常采用抽樣調查和定點觀測的方法，但是由于調查成本和觀測范圍的限制，很難開展大尺度、動態的凈初級生產力研究。因此，利用模型估計陸地植被的生產力已經成為一種重要且被廣泛接受的研究方法[2-3]。目前，基于資源平衡理論的以CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型為代表的光能利用率模型因涉及參數相對簡單且與遙感技術緊密聯系，已成為凈初級生產力模型研究的一個主要發展方向[4-6]。CASA模型考慮了氣溫、降水、太陽輻射、土壤蒸發等因素，并通過遙感途徑獲取所需的植被吸收的光合有效輻射參數，已被廣泛用于區域陸地凈初級生產力及全球碳循環的評估研究。陳正華等[7]利用CASA模型，結合多光譜遙感數據和氣候數據，模擬了干旱半干旱典型區黑河流域1998-2002年植被凈初級生產力的時空分布，并分析和探討了上、中、下游凈初級生產力的驅動因子；劉勇洪等[8]在CASA模型的基礎上，建立了利用NOAA/AVHRR 1B衛星資料和氣象資料估算植被凈初級生產力的技術方法，并利用該方法對2007年華北地區的凈初級生產力分布格局進行了分析；宋國寶等[9]利用CASA模型對北京范圍內的植被凈初級生產力進行了模擬，并對其季節性變化和空間格局進行了分析。浙江省作為中國的經濟強省，自20世紀90年代以來，快速的城市化進程將城市周邊的耕地、草地以及未利用地等土地利用類型轉化為城市建筑用地，其中耕地的大面積衰減是建筑用地的主要來源。而另一方面，浙江省又非常重視林業建設及保育工作，經過幾十年來的封山育林及近10年的生態公益林建設工作，該省的森林覆蓋率已達60.92%，位居全國前列。耕地資源的衰減和林地資源的增加，無疑對浙江省植被凈初級生產力產生了一系列的影響，目前這類研究尚未見報道。本研究以中分辨率成像光譜儀（MODIS）遙感數據和氣象數據為基礎，采用CASA模型估算浙江省植被NPP情況，并對浙江省凈初級生產力的時空分布以及土地利用類型的凈初級生產力差異等方面進行了研究。

1 研究區域概況

浙江省位于中國東部，處于歐亞大陸與西北太平洋的過渡地帶，屬典型的亞熱帶季風氣候區。地勢由西南向東北傾斜，西南、西北部地區群山峻嶺，中部、東南地區以丘陵和盆地為主，東北地區地勢較低，以平原為主。受東亞季風影響，四季分明，氣溫適中，光照較多，雨水豐沛，空氣濕潤，雨熱季節變化同步。年平均氣溫為15.0～18.0℃，平均降水量為980～2000mm，平均日照時數為1710～2100 h。土壤類型主要為紅壤、紅黃壤和黃壤。原生植被為亞熱帶常綠闊葉林，歷史上經多次破壞及近幾十年的天然更新和人工更新后，現在的植被為人工植被和天然次生植被的混合體，主要類型有常綠闊葉林、常綠闊葉混交林、針闊混交林、松林和竹林等。

2 基本理論與研究方法

2.1 CASA模型

CASA模型中凈初級生產力（PNP）主要由植被所吸收的光合有效輻射（PAR）和光能利用率（ε）這2個變量來確定，而這2個變量又分別通過太陽輻射，歸一化植被指數（INDV），土壤水分，降水量以及平均氣溫等指標來體現。其估算公式如下：

式（1）中：x表示具體空間位置，t表示時間。

式（2）中：SOL為月太陽總輻射（MJ·m-2），常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例，FPAR為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例，取決于植被類型和植被覆蓋狀況。本研究采用朱文泉等提出的利用歸一化植被指數和比值植被指數的方法來估算FPAR，具體算法詳見文獻[5]。

式（3）中： Tε1（x，t）和 Tε2（x，t）均為溫度對光能利用率的脅迫系數， 可采用 Potter等[10]提出的方法進行估算。最大光能利用率εmax的取值因不同的植被類型而有所不同，對凈初級生產力的估算結果影響很大。本研究利用了朱文泉等[5]確定的中國典型植被類型的最大光能利用率模擬結果。Wε（x，t）為水分脅迫系數，反映了植物所能利用的有效水分條件對光能利用率的影響，隨著環境中有效水分的增加，Wε（x，t）逐漸增大，它的取值范圍為0.5（在極端干旱條件下）～1（非常濕潤條件下），其估算公式為：

式（4）中： E（x，t）為區域實際蒸散量，可根據周廣勝等[11]建立的區域實際蒸散模型求取，EP（x，t）為區域潛在蒸散量（mm），可根據Boucher提出的互補關系求取[12]。

2.2 數據資料及其預處理

歸一化植被指數數據來源于2006年16 d合成的MODIS植被指數產品MOD13Q1（分辨率250 m）數據集。該數據集統一采用SIN GRID投影并已進行去云、輻射校正、大氣校正等處理，共計23個時相的數據，利用MODLAND提供的MRT（MODIS REPROJECTION TOOL）投影轉換工具，對數據進行拼接和投影轉換，轉換為等經緯度坐標投影，基準面為WGS-84坐標系，最終利用最大值合成法（MVC）生成12個波段逐月最大NDVI值數據。氣象數據來自國家氣象局，選擇浙江省及其周邊地區共計32個氣象站臺觀測得到的2006年逐月平均氣溫、降水量和日照時數資料。由于浙江省進行太陽輻射長期觀測的臺站只有2個，太陽輻射資料遠遠不能滿足科研需要，因此，我們使用經驗公式進行估算[13]：

式（5）中： Q 為實際總輻射（MJ·m-2）， Q0為天文總輻射（MJ·m-2）， s為日照百分率， a和 b為經驗系數，根據李夢潔等[14]的研究結論，取a為0.14，b為0.59，Q0的計算詳見文獻[15]。使用ArcGIS軟件對各月太陽總輻射量、月均氣溫、月均降水量進行Kringing空間插值，獲取像元大小與MODIS數據一致、投影相同的柵格數據。另外，本研究使用的植被分類圖來自中國科學院植物研究所編制的1∶100萬植被圖（中國科學院中國植被圖編輯委員會，2001）；1996年和2005年1∶25萬浙江省土地利用數據來源于浙江省國土資源廳。因2006年與2005年間隔較短，我們將2006年土地利用情況等同于2005年進行分析。

2.3 研究流程與方法

①使用IDL編程計算浙江省2006年植被凈初級生產力數據；②利用土地利用數據與凈初級生產力時間序列進行空間分析，研究不同土地利用類型的凈初級生產力季節變化規律；③以浙江省11個地市為統計單位，對凈初級生產力年總量、不同土地利用類型的凈初級生產力貢獻率及差異進行分析；④分析浙江省各地市生態公益林的凈初級生產力分布特征；⑤分析1996-2006年間浙江省林地及耕地面積變化對凈初級生產力年總量的影響。

3 結果與分析

3.1 凈初級生產力時空分布特征分析

3.1.1 凈初級生產力空間分布格局 估算結果表明：2006年浙江省植被凈生產力平均約為625.68 g·m-2·a-1。如圖1所示：浙江省植被凈初級生產力總體上呈現出隨著海拔的增高而逐漸增大的分布趨勢，即從水域到城市地區，再從平原農田區到山體地區，凈初級生產力逐漸增大。綜合來看，千島湖、各江河入海口和泥質灘地等水系周邊區域植被凈初級生產力最低值區，凈初級生產力值大部分在200 g·m-2·a-1以下；城市建成區由于不透水面比例較高，綠地面積相對較低，成為凈初級生產力中低值區域，凈初級生產力值為200～300 g·m-2·a-1；杭嘉湖平原、寧紹平原、溫黃平原以及金衢盆地等農田區為凈初級生產力中高值區，凈初級生產力值多集中在460 g·m-2·a-1左右；浙西北、浙西南山地以及浙東南低山地林區是浙江省林木資源最為豐富，植被覆蓋度相對較高的區域，整個地區凈初級生產力值較高，大于600 g·m-2·a-1。

3.1.2 凈初級生產力季相變化特征 總體來看，浙江省植被凈初級生產力季相變化明顯，月均凈初級生產力為19.33～100.93 g·m-2。浙江省地處亞熱帶季風氣候區，季風交替規律顯著。冬季氣溫偏低，降水量偏少，植物的光合作用受到限制，植被的凈初級生產力也偏小，1月和2月的平均凈初級生產力較小， 分別為 19.33和 20.13 g·m-2·月-1。 從 3月初春開始至8月末，氣溫升高，降水量以及太陽輻射強度逐漸增加，從而有利于植物的生長和有機物的積累，期間由于6-7月持續性的陰雨天氣降低了太陽有效輻射，影響植被的光合作用，因此凈初級生產力最大值出現在8月，為100.93 g·m-2·月-1。

另外，根據2006年植被凈初級生產力月統計數據和土地利用數據，對林地、耕地、水域、城鎮用地、其他用地等5種用地類型的凈初級生產力進行逐月統計，比較了不同土地利用類型凈初級生產力的季節變化特點。從圖2中可以看出：各土地利用類型的凈初級生產力季相變化趨勢都與全省凈初級生產力變化類似，而不同土地利用類型之間的凈初級生產力存在明顯的差異，其中以林地凈初級生產力最高， 約為 25.0～113.57 g·m-2·月-1， 耕地次之，約為 11.13～76.29 g·m-2·月-1， 水域最低， 約為 2.79～21.06 g·m-2·月-1。 綜合來看， 2006年不同土地利用類型的年凈初級生產力大小依次為林地（764.10 g·m-2·a-1）＞耕地（468.47 g·m-2·a-1）＞其他用地（444.52 g·m-2·a-1）＞城鎮用地（279.58 g·m-2·a-1）＞水域（128.32 g·m-2·a-1）。

3.2 不同土地利用類型對凈初級生產力貢獻率分析

不同的土地利用類型具有不同的植被類型、植被組成及植被覆蓋度，因此也就具有不同的光能利用率，進而影響到凈初級生產力的估算。如表1所示，浙江省2006年植被凈初級生產力年總量為6451.24萬 t·a-1，林地和耕地凈初級生產力占全省年總量的88.86%，其中林地面積約為619.96×104hm2，其凈初級生產力年總量為4763.27萬t·a-1，占全省年總量的73.83%；耕地面積約為187.54萬hm2，其凈初級生產力年總量為969.17萬t·a-1，占全省年總量的15.02%；城鎮用地、水域以及其他用地類型面積約為223.59萬hm2，其凈初級生產力年總量為718.80萬t·a-1，占全省年總量的11.14%。

3.2.1 各地市土地利用及凈初級生產力貢獻率分析 ①以11個地市凈初級生產力均值為統計單位，使用歐氏距離-組間連接法進行聚類分析，將其分為5類。第1類為麗水市（790.68 g·m-2·a-1），第2類包括杭州市、溫州市、衢州市和湖州市等地（平均值為663.35 g·m-2·a-1），第3類包括金華市、臺州市、紹興市和寧波市等地（平均值為 564.75 g·m-2·a-1）， 第 4 類為舟山市（353.78 g·m-2·a-1）， 第 5 類為嘉興市（279.53 g·m-2·a-1）。②以11個地市凈初級生產力年總量為統計單位，使用歐氏距離-組間連接法進行聚類分析，將其分為5類。第1類為麗水市（1336.05萬t·a-1），第2類為杭州市（1094.38萬t·a-1），第3類包括金華市、溫州市和衢州市等地（平均值為683.45萬t·a-1），第4類包括臺州市、寧波市、紹興市和湖州市等地（平均值為453.38萬t·a-1），第5類包括嘉興市和舟山市等地（平均值為78.47萬t·a-1）。

圖1 2006年浙江省凈初級生產力空間分布Figure1 Spatial distribution of NPP of Zhejiang in 2006

圖2 2006浙江省不同土地利用類型凈初級生產力月動態變化Figure2 Monthly change of NPP in different land use of Zhejiang in 2006

結合前文可知：林地和耕地對凈初級生產力具有較高的貢獻率，如表1所示。與浙江省平均水平相比，麗水市、杭州市和衢州市等地林地凈初級生產力年總量所占比例較高，分別為86.79%，78.34%和78.15%，合計2513.14萬t·a-1；舟山市因面積較小，且受人為活動及海洋環境影響較大，雖然林地凈初級生產力年總量所占比例為57.40%，但也僅有27.08萬t·a-1；嘉興市林地凈初級生產力年總量全省最低，為14.56萬t·a-1，占該市凈初級生產力年總量的13.27%，不過其耕地凈初級生產力總量所占比例全省最高，為60.56%。

表1 2006年浙江省及各地市土地利用及凈初級生產力貢獻率Table1 Land use and contribution for NPP between each city and Zhejiang Province in 2006

表1 （續）

3.2.2 生態公益林凈初級生產力貢獻率分析 生態公益林有維護國土生態安全、生物多樣性和經濟社會可持續發展的重要作用，包括以提供森林生態和社會服務產品為主要經營目的的防護林和特種用途林。浙江省人民政府自1999年開始，先行在江河源頭、重點林區的21個縣（市、區）開展了生態公益林建設試點。在此基礎上，2001年開始全面實施200萬hm2重點公益林建設，并于2004年完成了《浙江省國家級重點公益林區劃界定成果報告》，對浙江省森林植被的恢復起到較大的促進作用。如表2所示：2006年浙江省生態公益林面積約為200萬hm2，占浙江省林地面積的31.46%，生態公益林凈初級生產力年總量為1590.23萬t·a-1，占浙江省植被凈初級生產力年總量的24.65%，其凈初級生產力均值為815.28 g·m-2·a-1， 高于浙江省林地凈初級生產力平均水平 （625.68 g·m-2·a-1），體現了與其他林地相比生態公益林在固碳方面的優勢。綜合來看，麗水市和杭州市的生態公益林面積較大，其凈初級生產力年總量也較高，分別為 334.28萬t·a-1和 315.49萬 t·a-1， 湖州市、 舟山市和嘉興市的生態公益林面積較小，其凈初級生產力年總量也較低，分別為67.00， 25.24， 和3.68 萬 t·a-1。 經統計，各地市植被凈初級生產力年總量與其生態公益林凈初級生產力年總量呈極顯著正相關 （相關系數為0.991， P＜0.01）。

表2 2006年浙江省各地市生態公益林面積及凈初級生產力統計Table2 Statistics of NPP and area of ecological service forests of each city in Zhejiang Province in 2006

3.3 1996－2006年林地及耕地凈初級生產力變化分析

隨著浙江省針對山地陡坡地區開展的退耕還林工程，以及杭嘉湖平原和寧紹平原地區城鎮化進程的加快，1996-2006年間浙江省林地增加了18.89萬hm2，耕地減少了20.50萬hm2，建設用地增加了19.00萬hm2，2006年林地的凈初級生產力平均值為768.32 g·m-2·a-1，耕地的凈初級生產力平均值為516.78 g·m-2·a-1。按此標準計算，相比1996年，2006年浙江省因林地面積增加導致凈初級生產力年總量提高了145.14萬t·a-1，耕地面積減少導致凈初級生產力年總量降低了105.92萬t·a-1。

如表3所示：就林地的變換情況來看，臺州市、麗水市和寧波市的林地凈初級生產力年總量增長較大，分別為42.47，33.47，和25.60萬t·a-1；嘉興市和湖州市的林地面積有所降低，其凈初級生產力年總量分別減少了8.92和4.98萬t·a-1。就耕地的變化情況來看，除湖州市耕地凈初級生產力年總量增加了1.06萬t·a-1外，其他10個地市的耕地凈初級生產力年總量均有不同程度的降低，其中寧波市和杭州市的耕地凈初級生產力年總量減少較多，分別為24.82和17.57萬t·a-1。綜合來看，土地利用類型的變化導致10 a間浙江省植被凈初級生產力年總量增加了52.96萬t·a-1，由此可知：浙江省植被凈初級生產力年總量基本保持了相對穩定的態勢。

表3 1996－2006年浙江省各地市土地利用面積及凈初級生產力年總量變化統計Table3 Statistics of land use and NPP yearly change of each city in Zhejiang between 1996-2006

4 結論和展望

4.1 結論

本研究以中分辨率成像光譜儀遙感數據和氣象數據為基礎，采用CASA模型估算浙江省植被凈初級生產力情況，并對浙江省凈初級生產力的空間分布格局、季相變化以及土地利用類型對凈初級生產力差異的影響等方面進行了研究。結果表明：①2006年浙江省凈初級生產力平均約為625.68 g·m-2·a-1；全省植被凈初級生產生產力空間分異明顯，總體上呈現出隨著海拔的增高而逐漸增大的分布趨勢；凈初級生產力季節變化明顯，月平均凈初級生產力為11.13～65.59 g·m-2·月-1；所有時相，不同土地利用類型的植被凈初級生產力同樣存在差異，其中林地凈初級生產力最高，為25.0～113.57 g·m-2·a-1，耕地次之，為11.13～76.29 g·m-2·a-1， 水域周邊最低， 為 2.79～21.06 g·m-2·a-1， 各土地利用類型植被凈初級生產力的季相變化趨勢較為一致，1月為最低值，8月達最高值。②浙江省全年凈初級生產力總量為6451.24萬t·a-1，林地和耕地凈初級生產力占全省年總量的88.86%，其中林地凈初級生產力年總量為4763.27萬t·a-1，占全省年總量的73.83%。以11個地市為統計單位，就凈初級生產力年總量來看，麗水市最高，為1336.05萬t·a-1，舟山市最低，為47.18萬t·a-1。生態公益林凈初級生產力年總量為1590.23萬t·a-1，占浙江省植被凈初級生產力年總量的24.65%，其凈初級生產力均值為815.28 g·m-2·a-1，高于浙江省林地凈初級生產力平均水平（764.10 g·m-2·a-1），體現了與其他林型相比生態公益林在固碳方面的優勢。③相比1996年，2006年浙江省因林地面積增加導致凈初級生產力年總量提高了145.14萬t·a-1，耕地面積減少導致凈初級生產力年總量降低了105.92萬 t·a-1。土地利用類型的變化導致10 a間浙江省植被凈初級生產力年總量增加了52.96萬t·a-1，由此可知：浙江省植被凈初級生產力年總量基本保持了相對穩定的態勢。

4.2 存在問題、展望與建議

快速的城鎮化進程及工業建設導致以嘉興市、寧波市為中心的杭嘉湖平原和寧紹平原等地植被覆蓋狀況出現衰退現象[16]，植被凈初級生產力年總量大幅下降。對于浙江省來說平原地區土地極其寶貴，在經濟發展的背景下，能夠做到“加強耕地資源保護，嚴格控制耕地轉為非耕地”已實屬不易，更不要奢望將現有農田或草地轉為林業用地，建設大面積人工林的做法。因此，加強城鎮林網化建設，提升農田林網建設密度及規模，依托現有快速干道兩側林帶構建貫通性主干森林廊道，建立以核心片林為節點，農田林網、道路林網以及河道林網為主體的森林網絡結構，是提升浙江省平原地區植被凈初級生產力的有效措施。

針葉林是浙江省森林中面積最大、分布最廣的植被類型，總面積238.9萬hm2，其中，馬尾松Pinus massoniana林與杉木Cunninghamia lanceolata林面積約占全省喬木林面積的一半以上，且多為層次單一的常綠針葉純林。自20世紀70年代大規模造林至今，許多針葉林面臨著林分結構單一、林木老化、生態多樣性降低的問題，樹勢較弱，病蟲危害較嚴重。根據劉其霞等[17]的研究，浙江省生態公益林常綠闊葉林喬木層生物量最大值接近中國亞熱帶東部成熟常綠闊葉林喬木層生物量的一半，常綠闊葉林作為高碳儲量森林，將會是浙江省甚至整個亞熱帶東部地區的森林碳儲量的主要貢獻者。而沈琪等[18]的研究表明，浙江省常綠闊葉林恢復可以不必經歷松林階段，在生境條件較好的地方通過封育改造、擇伐補闊、以灌促闊等人工管理干預措施，加速常綠闊葉林恢復。因此，通過闊葉林化改造工程，形成異齡、復層、混交的健康森林，是提升浙江省山區植被凈初級生產力的有效途徑。

以安吉、臨安等地為代表的浙西北山地是中國著名的竹產業基地，發展筍竹兩用林，具有較高的經濟效益。雖然竹林凈初級生產力高于常綠闊葉林[1，19]，但由于經營強度較大，常年的松土施肥作業，勢必會造成一定的水土流失現象，因此，要選擇緩坡深土地段實行小塊狀整地的集約經營方式，對坡度較大的竹林一定要放棄深挖墾翻的管理方式，從而實現竹林資源的可持續利用。

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