東北地區(qū)主要森林植被NPP時空動態(tài)研究

◎崔 花 丁 寧 朱衛(wèi)紅

東北地區(qū)主要森林植被NPP時空動態(tài)研究

◎崔 花1,2丁 寧2朱衛(wèi)紅1,2

本文基于簡化的CASA模型，研究1992～2012年間東北地區(qū)主要森林植被的NPP時空動態(tài)特征，這不但是今后東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡研究基礎(chǔ)，而且對全球氣候變化也起著重要的作用。結(jié)果表明：1992～2012年間落葉針葉林的年均NPP值為358.7gCm-2a-1、落葉闊葉林的年均NPP值為424.99gCm-2a-1。總體來說，21年來落葉針葉林和落葉闊葉林的NPP呈現(xiàn)遞增趨勢；落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)出遞增趨勢，集中分布在大小興安嶺山區(qū)。落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢，集中分布在長白山地區(qū)及遼東半島。

森林植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，簡稱NPP)是森林植被通過植被光合作用在單位面積和單位時間所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量與自養(yǎng)呼吸之差。森林生態(tài)系統(tǒng)的NPP是地表碳循環(huán)的重要組成部分，它不僅是判定森林生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯及調(diào)節(jié)森林生態(tài)過程的主要因素，而且是在自然環(huán)境前提下所反映的森林植被的生產(chǎn)力，其表示陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài)，對碳平衡和全球氣候變化具有不可替代的作用。探究東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)不但在生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及全球變化研究中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且對正確認(rèn)識該區(qū)域主要森林植被碳源/匯的時空格局變化的動態(tài)特征也起著重要作用，并可作為今后評估東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究基礎(chǔ)。

研究區(qū)概況

我國東北地區(qū)處于歐亞大陸東岸的中高緯度地區(qū)，是我國最高維度地區(qū)，位于11532-13509E﹑3842-5355N。分布面積為1.24×106km2，占全國國土面積的15.32%。東北地區(qū)蘊(yùn)育著豐富的地貌類型，且各種地貌都有一定的規(guī)律性分布特征，主要地貌有平原﹑高平原﹑低山﹑中山和丘陵。東北地區(qū)的氣候特點(diǎn)主要是四季分明，溫度帶跨度長和雨熱同季，東北地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候。東北地區(qū)是我國重要的森林覆蓋地帶和重點(diǎn)林區(qū)，以大小興安嶺和長白山嶺北段為主，森林總蓄積量約占全國的1/3，林業(yè)用地面積為3875萬公頃，占全國的14.7%，森林覆蓋率為39.6%，大大超過了全國目前森林覆蓋率21.63%的平均水平。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

(1)遙感數(shù)據(jù)：本研究選取由NOAAAVHRR/NDVI數(shù)據(jù)集作為源數(shù)據(jù)。對NDVI數(shù)據(jù)集的處理工作主要是通過IDL編程語言實(shí)現(xiàn)，先讀入HDF數(shù)據(jù)之后利用最大值合成法(MVC)處理數(shù)據(jù)，然后用定義投影及重投影完成的影像進(jìn)行裁剪及配準(zhǔn)。

(2)氣象數(shù)據(jù)：主要有1992年1月～2012年12月的東北地區(qū)各站點(diǎn)的月平均氣溫﹑月累計降水﹑月太陽總輻射量，屬于中科院青藏高原研究所開發(fā)的數(shù)據(jù)集。

(3)土地覆蓋數(shù)據(jù)：本研究所用的東北地區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)是基于多源信息復(fù)合利用隨機(jī)森林方法得出來的。

NPP估算

作為典型的光能利用率模型及區(qū)域植被NPP估算模型，CASA模型主要通過遙感(RS)的技術(shù)方法，借助于主要的驅(qū)動因子，包括氣溫﹑降水量﹑太陽輻射量等等，從而計算植被NPP值。

植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射和光能利用率計算得出，計算公式如下：

式中：x表示空間位置，t表示時間，NPP為植被凈初級生產(chǎn)力，APAR為植被吸收的光合有效輻射，ε為光能利用率。

光合有效輻射(APAR)的確定

APAR的正確估算不僅是NPP估算研究的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而且對CASA模型獲得較大精確度有重要影響，并且是通過植被的光合作用得出的有機(jī)物中的化學(xué)能量值多少的重要前提。光合有效輻射的影響因素有月太陽輻射總量(SOL)，光合有效輻射吸收比例FPAR以及表征植被利用的太陽有效輻射(波長是0.4-0.7μm)占植被吸收的太陽總輻射的比例參數(shù)(在實(shí)際應(yīng)用中，一般取常數(shù)值0.5)。計算公式為：

式中x為像元所處位置，t為月份，F(xiàn)PAR由植被類型和植被覆蓋情況而定。研究表明，利用遙感數(shù)據(jù)所計算的NDVI可以有效反應(yīng)植被覆蓋狀況,并且兩者具有一定的線性關(guān)系。

光能利用率ε的確定。光能利用率一般指在一定時期內(nèi)單位面積上通過光合作用所生產(chǎn)的有機(jī)物中的化學(xué)能與同一時刻入射到該面積上的光合有效輻射能的比值。通常

用gC/MJ來表示。其計算公式如下：

Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別表示低溫和高溫條件下光能轉(zhuǎn)化率的脅迫系數(shù);Wε(x,t)表示水分脅迫影響系數(shù),定義為植物利用有效水分對光能利用率的脅迫作用;εmax表示植被理想生長條件下的最大光能利用率。

由于東北地區(qū)屬于溫帶濕潤﹑半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候，四季分明﹑雨熱同期。因此本文不考慮水分脅迫系數(shù)對NPP值的影響，即水分對研究區(qū)NPP的影響可以通過溫度影響系數(shù)反映，水分脅迫系數(shù)取值為1。

結(jié)果與分析

落葉針葉林NPP時間動態(tài)特征

1992～2012年間落葉針葉林NPP動態(tài)變化趨勢總體上是增長的趨勢。每年平均值變化范圍為235.51～439.11gCm-2a-1，多年均值為373.45gCm-2a-1。NPP年總量和年均值的變化趨勢大體相同，年總量的變化范圍為4.62×106tCa-1～16.33×106tCa-1，總量的多年均值為10.91×106tCa-1。1992～1997年間的年均NPP與年總量NPP具有相似的變化趨勢，雖波動幅度大小不一樣，但變化趨勢基本上相同。NPP年總量的波動較大，其1996年的NPP總量出現(xiàn)最小值，這可能是由于該年NDVI值偏小的原因?qū)е碌摹?998年，NPP總量值達(dá)到了最高峰，該年的NPP平均值雖不是最大值，但該年水熱條件充足，適宜植被生長，導(dǎo)致植被NPP總量偏大。1998～2000年的NPP平均值與總量值的變化趨勢大致相同，但波動幅度有所差距；2000～2002年的NPP平均值與總量值有相反的變化趨勢；2002年之后的年均NPP值的變化趨勢基本上與年NPP總量的變化趨勢相同。

落葉闊葉林NPP時間動態(tài)特征

1992～2012年間落葉闊葉林NPP動態(tài)變化主要呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。落葉闊葉林的年均NPP值變化范圍為237.94～435.38gCm-2a-1，多年均值為454.32gCm-2a-1。每年植被NPP總量值的波動范圍在2.69～9.55×106tCa-1之間，年總量均值為5.80×106tCa-1，比落葉針葉林的年總量均值約小兩倍。NPP年總量的波動較大，最小值出現(xiàn)在1996年，這可能是該年的NDVI值較低以及植被覆蓋面積偏低等原因引起的，最大值出現(xiàn)在2006年，這可能是由植被覆蓋面積偏高且氣候條件適宜而導(dǎo)致的。1992～1999年間落葉闊葉林的年均NPP值與年總量NPP值的變化趨勢大致相同，其NPP平均值遞增或遞減時，NPP總量值也隨之變化，且NPP平均值的變化幅度很小，基本上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢，但是總量值的波動較大；1999年之后，當(dāng)NPP平均值增加或減少時NPP總量值有相反的變化趨勢；2008～2012年間NPP平均值和總量值的變化趨勢較穩(wěn)定。

落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征

落葉針葉林NPP值的空間分布大小具有明顯的區(qū)域特性，落葉針葉林NPP年最大值為784.5gCm-2a-1，年均NPP值為373.45gCm-2a-1，整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)遞增的趨勢，集中分布在西北部。大興安嶺以及小興安嶺北端到中部的區(qū)域，NPP值跨越4個等級，但主要是分布在100～300gCm-2a-1的區(qū)間內(nèi)，只有在大興安嶺的西北部和南部出現(xiàn)了300～400gCm-2a-1的區(qū)間值，且數(shù)量較少。

落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征

落葉闊葉林的空間區(qū)域分布差異較明顯，與落葉針葉林的空間分布特征有較大差異。整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢，且主要集中分布在東南部。落葉闊葉林NPP年最大值為780.73gCm-2a-1，年均NPP值為454.32gCm-2a-1。落葉闊葉林多年NPP均值在0～500gCm-2a-1的范圍內(nèi)變動，對于落葉闊葉林來說，這個取值區(qū)間有點(diǎn)偏低。

(1)1992～2012年間落葉針葉林的年均NPP值為358.7gCm-2a-1﹑落葉闊葉林的年均NPP值為424.99gCm-2a-1，從年均值來看，落葉闊葉林的年均NPP值大于落葉針葉林；落葉闊葉林的年NPP總量為5.51×106tCa-1，落葉針葉林的年NPP總量為10.94×106tCa-1，從總量來看，落葉針葉林NPP總量值比落葉闊葉林NPP總量值將近大兩倍。總體來說，21年來落葉針葉林和落葉闊葉林的NPP呈現(xiàn)遞增趨勢。

(2)研究區(qū)21年來2種林型NPP整體空間變化特征如下：落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)出遞增趨勢，集中分布在大小興安嶺山區(qū)。大興安嶺以及小興安嶺北端，落葉針葉林NPP多年均值主要分布在100～300gCm-2a-1；大興安嶺的西側(cè)，NPP多年均值主要分布在300～400gCm-2a-1；此外其他研究區(qū)NPP值基本是介于0～200gCm-2a-1，且大量分布在0～100gCm-2a-1。落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢，集中分布在長白山地區(qū)及遼東半島。大興安嶺﹑內(nèi)蒙古高原以及東北三大平原，落葉闊葉林NPP多年均值主要分布在0～100gCm-2a-1；小興安嶺和張廣才嶺北端，NPP多年均值主要分布在0～200gCm-2a-1；從張廣才嶺到遼東半島上的長白山余脈以及完達(dá)山系，NPP多年均值主要分布在0～100gCm-2a-1和300～400gCm-2a-1。

目前存在的不足有：在NPP估算時，忽略了水分脅迫系數(shù)，之后的研究應(yīng)該收集相關(guān)的數(shù)據(jù)將水分因子的影響考慮在內(nèi)；NPP估算中用到的相關(guān)參數(shù)，有些無法直接從已有數(shù)據(jù)獲取，因此參考了前人的研究成果，之后的研究應(yīng)該根據(jù)本區(qū)域及研究數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將參數(shù)更合理和實(shí)踐化。

(作者單位：1.長白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(延邊大學(xué))；2延邊大學(xué)理學(xué)院地理系)