基于FY-3C的海南橡膠林生長季凈初級生產力估算研究①

張明潔 張京紅 張亞杰 車秀芬

(1海南省氣候中心 海南海口 570203；2南海氣象防災減災重點實驗室 海南海口 570203)

植被的凈初級生產力(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[1]。凈初級生產力不僅直接反應植被群落在自然條件下的生產能力，表征陸地生態系統的質量狀況，而且是判定生態系統碳源(匯)和調節生態過程的主要因子，是全球碳循環的重要環節，在全球碳循環中扮演著重要角色[2-4]。海南島是我國熱帶森林的代表地區，碳匯作用顯著，其中，熱帶林和經濟林的碳儲量占整個海南島總碳儲量的80%～90%[5]。而橡膠林是最重要的一種人工經濟林，具有較大的碳匯價值[6]。估算其NPP對開展橡膠林碳匯功能評價具有重要意義，也為開展海南島熱帶森林的NPP估算做出了有益的探索。

光能利用率模型是基于資源平衡理論來估算NPP的，模型比較簡單，可直接利用遙感獲得全覆蓋數據，其中Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA)模型充分考慮了環境條件和植被本身的生理生態特征，是采用光能利用率估算NPP的代表模型，在全球和尺度區域的NPP估算中有著廣泛的應用。例如，Field等[7]、Tatea等[8]、樸世龍等[9]基于NOAA.AVHRR數據，采用CASA模型，分別對全球陸地生態系統、新西蘭和我國植被的NPP及其分布進行了研究。周秉榮[10]、吳文浩[11]、俞靜芳[12]、梁珂[13]分別對三江源區、江蘇省、浙江省、陜西省植被的凈初級生產力進行了估算。本研究以海南島天然橡膠林為研究對象，基于CASA模型，利用2016年4～12月橡膠林生長季的FY-3C VIRR數據和同期地面氣象觀測數據，估算了2016年4～12月海南島橡膠林的凈初級生產力分布狀況。

1 研究區域及研究方法

1.1 材料

海南島地理位置 18°20′N～20°10′N， 108°21′E～111°03′E，屬熱帶季風海洋性氣候，長夏無冬，降水豐沛，年平均氣溫24.5℃，年平均降水量1 802.7 mm，年太陽輻射平均為5 473 MJ/m2。2016年海南島橡膠年末面積54.09萬hm2，收獲面積37.94萬hm2，干膠產量35.14萬t，占全國總產量的43.07%，橡膠樹品系以RRIM600和PR107為主。

1.2 方法

1.2.1 數據來源及處理

遙感數據來源于海南省氣象局風云三號衛星二級區域接收站(三亞站)的FY-3C VIRR遙感圖像。風云三號是中國第二代極地軌道氣象衛星系列，FY-3C VIRR傳感器共有通道數10個，光譜范圍0.43～12.5 μm，地面分辨率1.1 km，掃描寬度為±55.4°，主要用于云圖、植被、泥沙、雪、冰、地表溫度、海表溫度、水汽總量等的監測。選擇FY-3C VIRR通道2紅光波段(0.84～0.89 μm)數據和通道6近紅外波段(1.55～1.64 μm)數據計算歸一化植被指數(NDVI)。根據2016年4～12月FY-3C VIRR晴空遙感資料，利用國家衛星氣象中心開發的衛星監測分析與遙感應用系統(smart)采用最大合成法提取了海南島植被的NDVI值，然后利用通過高分辨率衛星數據提取的海南島橡膠分布范圍，在ArcGIS中進行掩膜，得到海南島橡膠林的NDVI值(圖1)。地表溫度(LST)數據用平均值合成法逐日合成得到，空間分辨率為1 km，時間分辨率為月。

圖1 2016年4～12月海南橡膠林NDVI分布

續圖1 2016年4～12月海南橡膠林NDVI分布

氣象數據來源于海南省氣象局，包括2016年海南島18個氣象觀測站月平均氣溫、月降水量等。地理信息數據來源于海南省測繪局，包括海南省1∶50 000基礎地理信息數據；海南省1∶50 000數字高程圖(DEM)等。

太陽輻射資料：海南島進行太陽總輻射觀測的站點只有海口和三亞兩個。本研究利用ArcGIS 10.1空間分析工具箱中的區域太陽總輻射計算功能，輸入海南島的DEM柵格數據[13]，以分月計算的方式，計算了2016年海南島各月的太陽總輻射，再按1 km分辨率進行重采樣，得到海南島2016年4～12月逐月的大氣上界太陽總輻射，再利用海口和三亞的同期觀測值進行訂正，得到地面總輻射。

1.2.2NPP估算方法

在CASA模型中植被NPP是通過植被所吸收的光合有效輻射(APAR)與光能利用率兩個變量來實現的[9]，其中光合有效輻射參數可通過來遙感技術獲取。橡膠林NPP估算公式可表示為：

式中：NPP(x,t)為像元x在t時間的凈初級生產力(gC/m2)，APAR(x,t)為吸收的光合有效輻射(MJ/m2)，ε(x,t)為實際光能利用率(gC/MJ)。

1.2.2.1 橡膠林吸收的光合有效輻射

橡膠林吸收的光合有效輻射APAR由太陽總輻射量和橡膠林對入射光合有效輻射的吸收比例決定，即：

式中：SOL(x,t)為像元x在t時間的的太陽總輻射量(MJ/m2)，FPAR(x,t)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，常數0.5表示植被所能利用的光合有效輻射(波長范圍0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例[14-15]。

在一定條件下，FPAR可根據植被類型NDVI的最大值和最小值分別所對應的FPAR最大值和最小值來確定[16]，即：

式中，NDVI(i,max)和NDVI(i,min)分別對應第i種植被類型的NDVI最大值和最小值[16]。FPARmax和FPARmin的取值與植被類型無關，分別為0.95和0.001。進一步的研究表明，FPAR與比值植被指數(Simple Ratio)也存在良好的線性關系[6,16]，表示為：

SR(i,max)和SR(i,min)分別對應第i種植被類型的NDVI的95%和5%下側百分位數[6]。SR(x,t)可由下式計算得到：

將分別利用FPAR與NDVI、SR的關系估算的結果進行比較，發現用NDVI估算的FPAR比實測值高，用SR估算的FPAR比實測值低，但誤差小于用NDVI估算的結果[16-17]。Los將這兩種方法結合起來，取其平均值作為FPAR估算值，以使FPAR與實測值之間誤差達到最小[16,18]。本研究將(3)、(4)結合起來估算FPAR：

式中，FPARNDVI為FPAR與NDVI的線性關系計算得到的結果，FPARSR為SR與NDVI的線性關系計算得到的結果[14-15]，α為調整系數，取值0.5。

1.2.2.2 光能利用率

光能利用率是估算NPP模型中的重要參數，指植被層吸收入射光合有效輻射并將其轉化為有機碳的效率，主要受氣溫、土壤水分情況和理想條件下植被的最大光能轉化率等的影響，其計算公式如下：

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)為溫度脅迫系數；Wε(x,t)為水分脅迫系數，反應水分條件的影響；為理想條件下植被最大光能利用率[14]。最大光能利用率的取值因不同的植被類型而有所不同，CASA模型中采用的最大光能利用率0.389 gC×MJ并不適用于橡膠林[19]，本研究采用朱文泉等[19]對落葉闊葉林的模擬結果0.692gC×MJ作為橡膠林的最大光能利用率[20]。

Tε1(x,t)是低溫或高溫條件下植物的生化作用對光合作用限制的體現[18]，當林間氣溫＜5℃時，橡膠樹會出現不同程度的寒害，0℃時，樹梢和樹干枯死，因此：

當月平均溫度T(x,t)≤0℃時，認為光合生產為零，

當月平均溫度T(x,t)＞0℃時，

Topt(x,t)表示一年內NDVI值達到最大值時所對應月份的平均氣溫。

Tε2(x,t)表示氣溫從最適宜溫度Topt(x,t)向高溫或低溫變化時植物對光能利用率的影響[16]，這種情況下，光能利用率逐漸降低：

當某月均溫T(x,t)比最適宜溫度Topt(x,t)高104℃或低13℃時，該月的Tε2(x,t)值等于月平均氣溫為最適宜溫度Topt(x,t)時的Tε2(x,t)值的一半[14]。

水分脅迫因子W(x,t)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而逐漸增大，取值范圍為0.5(極端干旱)-1(非常濕潤)[9,18]，計算公式為：

式中，E(x,t)為實際蒸散量[21]，Ep(x,t)為潛在蒸散量[22]。

2 結果與分析

2.1 海南橡膠林NPP的空間分布

利用2016年4～12月的FY3C-VIRR遙感影像以及同期氣象數據，采用CASA模型，估算海南島橡膠林凈初級生產力，得到2016年海南島橡膠林NPP空間分布狀況(圖2)。結果表明，2016年海南島橡膠林NPP平均為556.32 gC/m2/a，儋州、白沙、澄邁、瓊海、萬寧、臨高、昌江、保亭等市縣是橡膠林NPP的高值區，NPP大部分在600 gC/m2/a以上，文昌、海口、東方、三亞、定安等市縣是橡膠林NPP的低值區，NPP大部分在400～500 gC/m2/a，部分地區低于400 gC/m2/a。橡膠林NPP大小的空間差異主要與水熱條件及其配合的好壞、林齡等因素有關。在各市縣范圍內，由于林齡等的差異，橡膠林NPP的大小也存在空間差異，有待于更細致的研究。橡膠林NPP大小的空間差異主要與水熱條件、林齡等因素有關。

圖2 2016年海南橡膠林凈初級生產力(gC·m-2·a-1)分布

圖3 2016年4～12月海南橡膠林凈初級生產力(gC·m-2·月 -1)分布

2.2 海南橡膠林NPP的季相變化

受氣候條件影響，橡膠樹每年都隨著季節的變化而有序地進行萌芽、分枝、開花、結果、落葉等生命活動。相對休眠期自冬季落葉起至翌年春季萌芽時止，生長期自春季萌芽開始至冬季落葉為止。在海南，1～3月天然橡膠樹處于落葉期，橡膠樹未開割，橡膠樹凈初級生產力不在研究范圍內。4～9月氣溫適宜、太陽輻射充足，橡膠樹經歷3個蓬葉期，生長迅速，其中6～8月是一年中橡膠樹生長的高峰期。與此對應，4～9月橡膠樹NPP保持在高值(圖3)，4月NPP為41.48 gC/m2/月，之后NPP迅速增大，5月NPP76.36 gC/m2/月，8月NPP最大，達到95.75 gC/m2/月。10月之后，隨著氣溫、太陽輻射等氣候條件的變化，葉片開始老化，橡膠林的NPP開始明顯下降，11和12月的分別為29.46、17.29 gC/m2/月，這些與天然橡膠樹的生物學特性、物候變化相一致，季節性規律明顯。其中，4～9月的NPP約占生長季總NPP的82.05%，表明橡膠林NPP的大小與水熱條件、林齡等因素有關，水熱條件的改善會直接影響天然橡膠林的NPP。

3 討論與結論

(1)本研究利用2016年FY-3C數據與光能利用率模型相結合的方法估算了海南島天然橡膠林的凈初級生產力，彌補了因地面氣象觀測數據稀缺所帶來的缺陷，為大中尺度上植被凈初級生產力研究做出了有益的探索。估算結果表明，海南橡膠林的凈初級生產力分布具有一定的地域差異和明顯的時間變化特征，這與氣溫、降水、太陽輻射等氣候條件的變化密切相關。遙感技術具有宏觀、動態、快速的特點，是獲得區域尺度植被生長分布及其動態變化的有效手段，以遙感數據作為數據源的植被NPP研究將會顯示出其越來越重要的作用。但由于實測數據的獲取和推廣存在困難，遙感估算模型的精度檢驗還有待于進一步的研究。

(2)雖然CASA模型充分考慮了環境和植被兩方面因素，且輸入的參數簡單，便于大中尺度植被NPP估算，但由于在一年不同環境中天然橡膠林的最大光能利用率是不同的，因此，估算結果與實際值會有偏差，如何根據天然橡膠林的林齡、環境因素等確定最大光能利用率也是后續研究的重點之一。