基于遥感和CASA模型的西江流域NPP时空分布特征研究

张永领,郝成元

（河南理工大学,河南焦作 454000）

陆地植被净初级生产力(Net Primary Production,简称NPP)是陆地植物通过光合作用固定的太阳能,在单位面积、单位时间内所获得的生物量的净增加量,通常以干物质重量表示。陆地植被NPP通常用gC/m2来表示,它是陆地植被碳固定能力的重要表征,是地球生命能量循环和生物地球化学循环的开端,是全球碳循环的重要环节,在全球碳循环中扮演着重要角色,而且任何自然的和人文的波动如土地利用方式的变化、管理方式的变更以及气候变动等都能影响到陆地生态系统NPP的变化[1]。

对植被NPP的研究国外起步较早[2],但是由于技术手段落后对植被NPP的估算精度不高。自20世纪80年代以来,随着RS和GIS技术的快速发展,对NPP的研究也取得了重大突破[3-4],并且使对全球净初级生产力的估计成为可能。我国学者尽管对植被NPP的研究起步相对较晚,但是近年来也得到了深入发展,如陈正华等利用CASA模型结合多光谱遥感数据和气候数据,研究了干旱半干旱典型区黑河流域净第一性生产力的时空分布,并分析了黑河流域上、中、下游NPP的驱动因子[5]。高清竹等采用CASA模型分析了藏北地区草地植被NPP的时空变化特征指出,受水热条件的制约,藏北地区的植被NPP的分布规律受水热条件的制约,呈有规律性的性的水平地带分布[6]。

基于GIS和 RS技术的CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型在考虑了水分、温度和养分的胁迫作用条件下,通过遥感技术获取FPAR,以得到植被吸收的光合有效辐射APAR,进而估算植被NPP[7-8]。

西江是珠江水系的主干流,流域面积占珠江总流域面积的77.83%。西江流域属于典型的亚热带季风区,多年平均降水量在1 500 mm左右,地貌类型复杂,由高原山地、丘陵和平原组成。植被类型和植被覆盖差异显著。然而对西江流域单元的净第一生产力(NPP)的研究尚未见报道。本文则以 EOS/MODIS遥感数据和气象数据为基础,采用CASA模型分析西江流域植被NPP的季节变化特征以及空间分布特点。

1 资料与方法

在GIS 9.1和ENVI 4.1软件的支持下,对于MODIS影像以及植被通过统一转换为我国常用的Albers等圆锥准投影。对于气象站点数据,按照气象站点的经纬度,利用GIS软件转化为矢量格式,然后按照气象站点的经纬度直接对气候数据进行Kriging插值成气象要素栅格图,赋予投影信息,并使其投影参数与遥感数据保持一致,以便进一步计算。

1.1 数据资料

1.1.1 遥感资料 所用的遥感数据为美国国家航空航天局(NASA)就开始计划建立地球观测系统(Earth Observing System-EOS)的MODIS遥感图像的前7个波段的数据,在7个波段的数据中,第1,2波段的空间分辨率为250 m,其他5波段的分辨率为500 m,前2个波段通过重采样得到分辨率为500 m数据。

首先根据对于未完全覆盖西江流域的影像进行镶嵌处理,根据图像接近星下点无云或者对西江流域来说云量较少等特点,每月选取8～10景,分别经过处理后计算NDVI植被指数,并用严格视角的最大合成法(CV-MVC)求出每个月份西江流域的NDVI指数,即当无云像元数小于5 d时,选择视角最小的2 d的资料,计算植被指数,取其大者,也就是所谓的严格视角的最大合成方法。这样就尽可能减少残云、暗影、大气气溶胶以及二相反射(BRDF)对NDVI的影响,同时又能保证合成资料的质量和一致性[9]。

1.1.2 气象及植被资料 所需要的气象数据均来自国家气候中心。所需的气象数据包括:2005年4月至2006年3月西江流域各个气象台站的逐日降水量(mm)、逐日平均气温(℃)、逐日平均相对湿度(%)、逐日10 m高平均风速(m/s)、逐日日照时数(h),以及全国93个台站1970-2003年的逐日太阳辐射资料(MJ◦m-2◦d-1)、逐日日照时数资料(h)。植被类型数据来自1∶100万中国植被图(中国科学院中国植被图编辑委员会,2001)。

1.2 模型简介

在光能利用率模型CASA中,陆地植被净第一性生产力主要由植被所吸收的光合有效辐射APAR与光能转化率ε两个变量来确定:

式中:NPP(x,t)——空间位置x上的植被在t时间内的净第一性生产力;APAR(x,t)——空间位置上的植被在t时间内所吸收的光合有效辐射(APAR);ε(x,t)——像元x在t时间的实际光利用率.

植被吸收的光合有效辐射APAR用下列公式表示:

式中:APAR(x,t)——植被冠层对入射光合有效辐射的吸收分量;Rs(x,t)——t月份像元x处的太阳总辐射量(MJ/m2);FPAR(x,t)——植被层对入射光合有效辐射(PAR)的吸收比例,FPAR取决于植被类型和植被覆盖状况,而通过遥感数据得到的归一化植被指数(NDVI)能很好地反映植被覆盖状况[7];常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(即光合有效辐射,波长范围0.4～0.7 μ m)占太阳总辐射的比例。

式中 :Tε1(x,t),Tε2(x,t)——温 度 胁 迫 系数 ;Wε(x,t)——水分胁迫系数;ε*——理想条件下植被的最大光能利用率。

归一化植被指数NDVI是计算植被对太阳有效辐射的吸收比例(FPAR)的重要参数,它是MODIS数据产品经“Bow tie effect”、几何校正、计算地物反射率、大气校正之后,通过下列公式计算出来的:

式中:Bnir——MODIS数据第2通道的近红外波段;Bred——MODIS数据第1通道的红光波段。

2 结果分析

2.1 西江流域净初级生产力的季节变化

图1给出了西江流域各个月份(2005年4月至2006年3月)植被平均NPP的变化情况,从图可知,西江流域月平均NPP在7～83 gC/m2之间波动,表明西江流域植被NPP有显著的季节差别。冬季气温偏低,降水量偏少,植物的光合作用受到限制,植被的NPP也偏小,如1月份和2月份西江流域的平均NPP分别为7 gC/m2和9 gC/m2左右。夏季气温高、降水量丰富,有利于植物的生长和有机质的积累,NPP最高。在一年中,西江流域植被的NPP最大值出现在7月,约为80～90 gC/m2,其次是5月、8月和9月,这3个月平均NPP的值相差不大,分别为 56.2 gC/m2、57.3 gC/m2和53.2 gC/m2。在我国华南地区,夏季的6月通常是降水丰沛而气温高,有利于植物的生长,但是在2005年的6月西江流域的NPP却明显低于5月和 7-9月,仅为 49.8 gC/m2,其主要原因是2005年6月西江流域出现了持续性的阴雨天气,虽然降水量丰富,但持续的阴雨天气减少了太阳有效辐射直接影响植被的光合作用,使净初级生产力偏小。

总的来说,西江流域的NPP有显著的季节性周期变化,夏季植被的NPP最大,约为190.1 gC/m2,春、秋季节次之,分别为 95.4 gC/m2和 117.5 gC/m2,冬季最小,植被 NPP约为18.1 gC/m2。

图1 西江流域平均NPP的季节变化

2.2 西江流域植被NPP的空间变化

图2给出了西江流域2005年4月至2006年3月逐月净初级生产力空间分布特征。从图可知,无论哪个月份,NPP在西江流域分布并不一致,主要是因为水热条件、太阳辐射以及植被覆盖等因素的空间不均匀分布造成的。

2005年4月的西江流域植被NPP的空间分布特征是,左右江流域植被NPP明显高于其他地区,为30～50 gC/m2,而其他地区相对较少,为20～30 gC/m2,只有少数地方植被NPP在10 gC/m2以下。导致这种分布格局的主要原因是2005年4月左右有江流域降水偏多,有利于植被的生长。

2005年5-10月西江流域植被NPP的空间分布比较相似,其分布特征是西江上游地区植被NPP较少,而中下游地区较多。西江上游地区植被NPP为10～30 gC/m2,但不同的月份又有很大差别,比如5月为15 gC/m2左右,6月低于10 gC/m2,水热条件配合较好的7月最高,可达到40 gC/m2。但是西江的中下游地区植被NPP则明显较高,尤其是7月份,部分区域的NPP可达100～150 gC/m2左右。

西江流域植被NPP空间特征还表现在汛期的各个月植被NPP的空间形态与非汛期明显不同,如在1-3月份,西江上游地区尤其是南盘江流域的植被NPP较高,西江中下游地区尤其是中游的广大地区植被NPP明显较少。4月西江流域NPP的空间分布又与其它月份有所不同,NPP高值区出现在左、右江流域,而其它地区偏少。而11月和12月西江流域植被NPP的基本分布特征是流于南部植被NPP相对较高,而北部地区植被NPP则相对较低。汛期的5-10月份则表现为典型的上游植被NPP低而中下游植被NPP高的空间分布形态。另外,西江流域植被NPP的空间差别夏季最大,上游地区一般为10～30 gC/m2,而中下游地区一般为50～100 gC/m2,部分地区NPP可达150 gC/m2,而冬季各月整个流域的NPP都很低,一般不超过20 gC/m2,差别也就相对较小。1月的西江流域植被NPP最低,大部分地区的NPP低于5 gC/m2。

2.3 西江流域植被NPP总量特征

西江流域年平均NPP的分布特征为,西江上游地区比其他地区偏低,为200～300 gC/m2,而中下游地区平均为500～600 gC/m2,部分地区可达到800 gC/m2以上。就整个流域来说,年平均NPP 400～500 gC/m2。西江流域全年植被NPP总量为1.501×1014gC(表1),其中80%集中在高温多雨的5-10月。在所研究的各个月份中,7月植被NPP总量最大,为 2.95×1013gC,约占全年植被 NPP总量的19.7%,其次是5月和8月、9月,NPP总量分别为1.89×1013gC、2.02×1013gC和1.87×1013gC,分别占全年植被NPP总量的12.6%、13.5%和12.5%。1-3月NPP总量偏低,其中 1月最低,为0.29×1013gC,仅仅占全年NPP总量1.9%。

图2 西江流域各个月份的NPP空间格局

表1 西江流域各个月份(2005年4月至2006年 3月)及全年植被NPP总量

3 结论

西江流域植被NPP有显著的季节变化,夏季植被NPP最高,约为190.1 gC/m2,春、秋季节次之,分别为95.4 gC/m2和 117.5 gC/m2,冬季最小,植被NPP约为18.1 gC/m2。西江流域植被NPP有显著的空间变异特征。4月西江流域植被NPP的空间分布特征是,左右江流域植被NPP明显高于其他地区。5-10月西江流域植被NPP的空间分布比较相似,其分布特征是西江上游地区植被NPP较少,而中下游地区较多。在1-3月,西江上游地区尤其是南盘江流域的植被NPP较高,西江中下游地区尤其是中游的广大地区植被NPP明显较少。而11月和12月西江流域植被NPP的基本分布特征是流于南部植被NPP相对较高,而北部地区植被NPP则相对较低。西江流域植被NPP的空间差别夏季最大,上游地区一般为10～30 gC/m2,而中下游部分地区NPP可达150gC/m2,而冬季各月整个流域的NPP都很低,一般不超过20 gC/m2,差别也就相对较小。1月的西江流域植被 NPP最低,大部分地区的 NPP低于5 gC/m2。

西江流域平均植被NPP为400～500 gC/m2,上游地区比其他地区偏低,为200～300 gC/m2,而中下游地区平均500～600 gC/m2,部分地区可达到800 gC/m2以上。

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