川西北江河源區植被凈初級生產力時空動態演變

劉寶鋒

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

川西北江河源區植被凈初級生產力時空動態演變

劉寶鋒1

（1.楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100）

基于CASA模型，采用MOD13A3衛星數據和氣象數據估算了2006～2009年川西北江河源區植被凈初級生產力（NPP）的變化情況。研究結果表明，研究區年均植被NPP的空間分布基本呈由東向西逐級遞減趨勢，NPP的空間分布與水熱條件差別和不同植被類型的地帶性分布關系緊密；研究區月均NPP基本呈正態分布，植被月均NPP呈先升后降的趨勢，且NPP值基本在7～8月達到峰值，在12月、1月降到最低；植被NPP積累時期主要是夏季，但秋季NPP積累量也存在上升趨勢。

CASA模型；植被NPP；MODIS數據；時空格局

植被凈初級生產力（NPP）指的是綠色植物在單位時間和單位面積上所產生的有機物質總量中扣除自養呼吸后剩余的部分，是評估生態系統碳平衡的基礎，也是生態安全和風險評價的重要指標。20世紀80年代，我國引進氣候模型來反演NPP分布，在研究初期，因研究所需實測數據的匱乏以及對觀測對象及其計算方法缺乏統一的評價標準，資料的可用性較差，有關研究成果相對滯后。2000年以后，利用衛星遙感影像和氣候數據反演NPP的研究有了快速發展，研究文獻較多，如梁瑞等的《陜南地區植被凈第一性生產力時空動態演變》、周愛萍等的《廣西植被凈初級生產力（NPP）時空演變及主要影響因素分析》等。

本文以CASA模型為基礎，使用MODIS衛星數據（MOD13A3）和氣象數據（2006～2009年）反演了川西北江河源區2006～2009年月均植被NPP，并根據反演結果對2006～2009年川西北江河源區植被NPP的時空動態以及對氣候變化的響應進行了分析，為川西北江河源區乃至中國氣候變化和碳循環等熱點問題提供了一定的借鑒。

1 數據資料

1.1 遙感數據

本文采用的遙感數據為2006年、2007年、2008年和2009年每年1～12月MODIS 的NDVI月合成的數據產品：MOD13A3（該數據時間分辨率為30 d、空間分辨率為1 000 m）；所用的MODIS數據來自于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）。首先使用MODIS Rejection Toll（MRT）投影工具軟件，將上述數據從Sindual投影轉換為我國常用的Albers Equal Area 投影，并將分辨率重采樣為1 000 m；再通過ArcGIS10.1掩膜，得到川西北江河源區的NDVI遙感影像。使用的所有數據均采用一致的投影參數。

1.2 氣象數據

本文選用了6個氣象站點2006～2009年各月月均溫度、降水量、相對濕度數據以及各月日照百分率。對各數據進行空間插值，獲得川西北江河源區的氣象數據分布圖。

2 技術方法

1）將從地理信息云下載的MOD13A3（NDVI）月產品數據在MRT中進行投影變換，將其變為我國常用的Albers Equal Area投影。

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

3）使用IDW對氣象數據中的月均溫度和相對濕度進行插值，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濕度數據利用Raster Calculator計算得到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）對氣象數據中的日照百分率進行插值，再結合最大晴天總輻射，計算PAR。

6）基于月均溫度利用Raster Calculator計算溫度影響系數。

7）在Excel中統計每年1～12月大于0℃，小于30℃的月均溫度，計算得到BT，進而計算區域潛在蒸散量EP；再結合插值得到的川西北江河源區月降水量數據，計算月太陽凈輻射量RN。

8）結合RN和月降水量，利用Raster Calculator計算區域實際蒸散量E。

9）根據E和EP計算水分脅迫系數（水汽對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NPP。

11）將反演的NPP與其他NPP反演結果進行比較，驗證反演結果的正確性。

需要注意的是，在計算過程中要確保插值生成的氣象數據與MODIS數據均是Albers等積投影，且空間分辨率均為1 000 m。

3 結果分析

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值呈現出較強的季節性。1～4月，由于水熱條件不好導致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月積累量開始快速增加，這一趨勢將在7、8月達到峰值后結束；從9月起，NPP月積累量開始快速下降，整體表現出分明的季節特征，且在植被覆蓋較高的東部和東北部地區更為明顯。

3.2 NPP季節變化特征

如圖1所示，NPP在不同季節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NPP的主要積累時期。此外，由NPP的變化圖可以發現，2006～2009年秋季 NPP的積累量總體呈上升趨勢，而此現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導致植物生長物候期的延長，故秋季NPP積累量總體呈增長趨勢。通過2006～2009年NPP月變化情況可以發現，2006 年、2007年和2009年NPP峰值幾乎都出現在每年的8 月，但2008年卻出現了NPP峰值前移的現象，其NPP峰值出現在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NPP季節變化曲線

表1 四川及相鄰區域NPP估算結果比較/(gC/(m2?a))

表2 MOD17A3產品與本文計算結果對比表/(gC/(m2?a))

3.3 NPP年際變化特征

使用CASA模型計算得到川西北江河源區2006～2009年間1～12月的植被NPP值，提取研究區域內植被每年的NPP均值來表示該年年均NPP值。NPP反演結果顯示：近4 a來，川西北江河源區的NPP值在297～314 gC/(m2?a)之間呈波動變化。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)。

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

造成2006～2009年NPP值先減少后增加現象的主要原因為：

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

2）2008年4～7月降水量減少，導致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月開始，降雨量開始回升，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

川西北江河源區植被NPP的分布呈現出明顯的空間差異。從總體布局來說，NPP值呈由東面、東北面（若爾蓋、紅原等）向西、西北部（石渠、色達等）逐步遞減的趨勢。以川西北江河源區東部的若爾蓋和西部的石渠為例（見圖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)。從川西北江河源區的地理空間分布來看，出現該分化的主要原因是川西北江河源區植被種類、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變化趨勢圖

3.5 NPP對氣候變化的響應

溫度和降水量是影響植被NPP的主要驅動因子，本次反演分析了氣候因子與NPP之間的關系。通過分析2006～2009年川西北江河源區的氣候變化情況可以發現，由于地理條件原因，月平均氣溫較低，在1月、2月、11月、12月甚至低于0℃；3月左右溫度開始上升，7～8月達到峰值，9月開始逐漸下降。雖然該區域整體溫度較低，但存在較為明顯的季節變化，2006年、2007年、2008年、2009年總體變化趨勢相似，都呈正態分布；且4 a間月平均氣溫較相近。

川西北江河源區的月降水量總體呈正態分布，但偶有異常值出現，如2009年7月川西北江河源區出現較大的降雨，7月降水量達到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。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的相關關系，分析各種氣象因子對植被NPP的影響，將2個氣象因子（月均溫度、月均降水量）分別與反演得到的NPP值進行相關性分析，采用多項式擬合的方法，得到各因子與NPP的R2。根據相關性分析的結果可以發現，川西北江河源區月均NPP值變化與溫度的相關性明顯，在一定范圍內NPP值隨著溫度的升高而升高，且與溫度幾乎同時達到峰值，而后開始下降。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；說明川西北江河源區NPP值隨溫度變化而變化，而溫度又是季節性的重要表征，即川西北江河源區NPP值的變化趨勢具有較強的季節性。

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NPP值隨月均降水量的升高而升高，且與降水量幾乎同時達到峰值，而后開始下降。2006～2009年川西北江河源區植被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；表現出較強的相關性。散點圍繞在趨勢線上下，說明降水量對NPP值具有較強的影響。NPP值與單個氣候因子的相關分析表明：降水量是植被NPP最主要的驅動因子；NPP的制約因素是由水分脅迫因子引起的。

4 結 語

本文對2006～2009年川西北江河源區的植被NPP的時空動態和對氣候變化的響應進行了分析。分析結果表明，2006～2009年川西北江河源區植被NPP的年均值為308.63 gC/(m2?a)，約在0～453 gC/(m2?a) 之間變化，該區域植被NPP總體呈正態分布。川西北江河源區植被NPP呈現出明顯的季節性差異，夏季NPP積累量占全年總積累量的63%～69%，NPP峰值也基本出現在夏季。因此，川西北江河源區2006～2009年植被NPP的變化基本是由植被生長旺季（夏季）的變化所引起的。

川西北江河源區植被NPP在空間上呈從東向西遞減趨勢，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）與川西北江河源區植被NPP相關分析結果顯示：溫度以及水分與光合有效輻射與NPP緊密相關；降水量是影響四川植被NPP變化的最主要驅動因子。

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P237

B

1672-4623（2017）05-0103-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.0053.2

劉寶鋒，碩士研究生，高級工程師/講師，主要從事工程測量及3S技術的應用研究工作。

2016-09-01。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41471305）；楊凌職業技術學院人文研究基金資助項目。