基于CASA模型的甘肃省草地净初级生产力研究

魏靖琼，柳小妮，任正超，王红霞，潘冬荣

（1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学 经济管理学院，甘肃 兰州 730070）

植被净初级生产力（NPP）是指植物在单位时间、单位面积由光合作用产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后剩余部分［1，2］。NPP作为陆地碳循环的重要部分，不仅反映了植物群落在自然环境条件下的生产能力，而且是判定碳汇以及调节生态过程的主要因子［2］，开展NPP研究具有十分重要的意义［3，4］。因无法直接、全面的测量大区域或全球尺度的NPP，利用模型估算成为重要的手段［4，5］。如李秀芬等［6］采用光能利用率模型，反演了黑龙江省森林NPP，谷晓平等［7］利用大气－植被相互作用模型（AVIM2）模拟了西南地区植被净初级生产力［7］，朴世龙等［8］、陈福军等［9］分别应用CASA模型估算了中国陆地生态系统NPP，陈斌等［10］利用C－Fix模型估算了2003年中国生态系统NPP，并对其空间格局进行分析。

随着遥感技术发展，卫星数据模型已经成为评估陆地生态系统NPP最有力手段［11］。在众多模型中，基于遥感数据的光能利用率模型—CASA（Camegie－Ames－Stanford Approach）模型以资源平衡为理论基础，能较好地模拟区域尺度NPP的空间分布及变化，被广泛应用于各种尺度的NPP监测［12］。刘勇洪等［13］利用CASA模型估算了2007年华北植被NPP，并对其时空格局进行了分析。高清竹等［14］在应用CASA模型模拟藏北地区草地NPP时空变化时指出，其NPP呈有规律性的水平地带分布［14］。朱文泉等［15］基于CASA模型，并以2002年的中国内蒙古为例，研究了植被净初级生产力及其时空分布。

草地生态系统是我国最重要的陆地生态系统类型之一，在全球碳循环和气候调节中占据很重要的位置。开展草地NPP研究，可为合理开发、利用草地资源提供科学依据。陈斌等［10］基于CASA模型估测了内蒙古典型草原1982～2002年植被净初级生产力。李刚等［11］利用改进的CASA模型，计算了2003年内蒙古草地生长季的生产力。韦莉等［16］利用温度和地面水汽压差影响的遥感模型，估算了2003年黄土高原地区草地净初级生产力。王莺等［17］、杨东辉等［18］分别以CASA模型为基础，对甘南草地NPP进行遥感模拟。以上研究大多集中在内蒙古、东北、青藏高原、黄土高原、甘肃的甘南等地区或整个中国区域，对甘肃省草地NPP研究较少，笔者利用气象资料和卫星遥感数据，在CASA模型的基础上，修正了部分参数，估算了2005年甘肃省草地NPP并分析了其时空分布格局及影响因子。旨在为甘肃省草地资源的可持续发展利用、草地生态环境的改善和保护提供基础数据。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

甘肃地处黄河上游黄土高原、内蒙古与青藏高原交汇地区，位于E 92°13′～108°46′，N 32°31′～42°57′，东西长为1 655km，南北宽为530km。面积约4.54×105km2，地形复杂狭长，由山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交错分布，地势自西南向东北倾斜。甘肃深居内陆，具有明显的温带大陆性季风气候。气候类型十分复杂，大致由陇南的北亚热带与暖温带湿润区，渐向陇中暖温带半湿润与温带半干旱区，河西温带、暖温带干旱区及祁连山地高寒半干旱、半湿润区，甘南高寒湿润区过渡。年均温在0～16℃，温差较大。年降水量在36.6～734.9mm，从东南向西北递减，降水集中在6～8月。甘肃光能资源丰富，年日照时数1 700～3 300h。全省无霜期在48～228d［19］。甘肃省是草原资源大省，天然草原面积1 790万hm2，主要分布在青藏高原东部的甘南州、祁连山、阿尔金山山地及河西走廊和蒙甘宁西部的风沙沿线［20］。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 NDVI数据 遥感数据为美国宇航局/中分辨率成像辐射计（NASA/MODIS）数据，来自于NASA对地 观 测 系 统 数 据 共 享 平 台 （https：//wist.echo.nasa.gov/api/）。

使用2005年甘肃及周边地区1km分辨率植被指数产品MOD13A3，下载的原始影像为HDF格式，应用MODISTOOL工具转换为Tif格式，在ArcGIS中对多幅影像进行拼接，利用甘肃省行政区域数据裁切、利用GIS平台中的（Resample）重采样为90m×90m分辨率的NDVI数据。将投影系统定义为UTM，椭球体为WGS－84，投影带为47带。

1.2.2 气象数据 气象数据来自中国气象科学数据共享服务网。包括2005年甘肃省41个气象站点的月平均温度（℃）和月降水量（mm），以及甘肃及周边15个台站的月太阳辐射（MJ/m2）。

在ArcGIS 9.3平台上，利用优化的插值方法－“AMMRR”，并加入坡度、坡向因子，将月均温、月降水量、月太阳辐射数据插值成空间分辨率为90m的栅格数据。投影与遥感数据相同。

1.2.3 DEM数据 数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）来源于国际农业研究磋商小组下设的空间信息组织（CGIAR－CSI）（图1）。

图1 甘肃省气象站点分布Fig.1 Distribution pattern of meteorological stations in Gansu Province

数据经过拼接、裁剪等预处理后，在ArcMap平台上提取甘肃省90m分辨率的经纬度、坡度、坡向栅格数据。地形要素的划分见表1。

表1 地形要素分类Table 1 Classification of topographic factors

1.2.4 实测数据 实测数据由农业部草原监理中心提供，数据观测时间是2005年7月的草地地上生物量（风干重）数据。利用其和朴世龙等［22］确定的我国草地植被地下与地上生物量比例系数转换为NPP实测值［23］，在转化为碳单位时乘以0.475的系数［24］。

1.3 模型构建

Potter等［24］1993年建立的光能利用模型－CASA模型，提出理想状态下植被存在最大光能利用率，不同植被类型的月值为0.389gC/MJ。实际上，不同植被类型的光能利用率存在很大差异［26］，根据不同的植被类型对光能利用率进行修正能够提高模型的估算精度［27］。

草地NPP主要由草地植被所吸收的光合有效辐射（APAR）与光能利用率（ε）两个变量确定，其公式如下：

式中，APAR（x，t）表示空间位置x上的植被在t时间内所吸收的光合有效辐射；ε（x，t）为实际光能利用率；SOL（x，t）表示太阳总辐射量（MJ/m2）；常数0.5为植被所能利用太阳有效辐射（波长为0.38～0.71um）占太阳总辐射的比例；FPAR（x，t）为植被层对入射光合有效辐射（PAR）的吸收比例，它取决于植被类型和植被覆盖状况；ε（x，t）表示实际光能利用率，主要受温度和水分的影响，具体算法详见文献［24］。

由于不同的植被类型月最大光能利用率Wεmax的取值不同，依据Running等对草地的模拟结果，最大光能利用率为0.608gC/MJ［28］。

由于模型中Wε（x，t）为水分胁迫系数较复杂，数据获取难度大，因此将模型中的实际蒸散量（EET）和可能蒸散量（PET）进行改进。

EET可由周广胜和张新时建立的区域实际蒸散模型求取，公式如下［29］。

式中，P（x，t）为象元x在t月的降水量（mm），Rn（x，t）是象元x在t月的太阳净辐射量（mm）。

PET利用 Holdridge的方法计算可得［30］。计算公式为：

式中，BT为月平均生物温度，T为＜30℃且＞0℃的月均温。

最终的水分胁迫系数为：

1.4 草地NPP估算

在GIS中利用空间分析的建模工具（Map Algebra），编写CASA模型相关运算程序，然后输入气象栅格数据和处理好的NDVI数据，得到2005年甘肃省NPP图，然后与草地资源调查图叠加，得出2005年甘肃省草地NPP图。

1.5 模型验证

对区域NPP模型的验证，一般采用两种方法：一是与实测数据对比，二是与其他模型的模拟结果进行对比。研究选用实测数据进行对比。

2 结果与分析

2.1 模型的验证

将2005年甘肃各地7月的32组实测草地生物量数据，利用公式转换成草地NPP值，与CASA模拟的NPP数据进行比较验证（图2）。

模拟值与实测值之间的相关性达到显著水平（R2＝0.81，P＜0.05），因此，修正参数后的CASA模型可以用来模拟甘肃草地的NPP（图2）。

图2 甘肃省草地NPP模拟值与实测值的比较Fig.2 Comparison of the simulated grass NPP with field observations in Gansu Province

2.2 甘肃省草地NPP的空间分布

根据估算结果（图3），2005年甘肃省草地NPP最高值790.56g/（m2·a），年均值139.15g/（m2·a），总量为3.76×1013g/（m2·a）。

NPP空间分布格局与水热条件的分布规律紧密相关。甘肃草地NPP空间分布特征是由西南向东北逐渐减少，其中NPP的高值区集中在甘南高原，低值区分布在北山山地（图3）。

甘南高原受来自孟加拉湾西南季风气候的影响，降水充沛，且太阳辐射充足，土壤肥沃［31］。草地类型以高寒草甸类、山地草甸类、沼泽类为主，NPP在400～800g/m2·a，多集中在500～600g/（m2·a）。

陇南属东亚季风气候区，区内气候复杂多样，分布独特。由东南向西北，依次从亚热带湿润气候向暖温带湿润气候、温带半湿润气候和高寒阴湿气候过渡［18］。主要为山地草甸类、暖性灌草丛类、暖性草丛类草地，NPP在400～600g/m2·a，这个地区草地面积分布不大，呈星状分布。

陇中黄土高原地处黄土高原西部、甘肃省中东部，属温带半干旱半湿润区，是我国干旱气候区和湿润区之间的重要过渡带。草地类型为温性草甸草原类、暖性灌草丛类、温性草原类，草地NPP分布纬度地带性明显，从西北到东南部NPP在0～400g/（m2·a）。

祁连山地位于中纬度北温带，属于大陆性高寒半湿润山地气候［33］。东部主要是高寒草甸类、山地草甸类草地，NPP大多集中在300～400g/（m2·a）。西部主要是高寒荒漠类、高寒草原类、低地草甸类草地，NPP在0～200g/（m2·a）。河西走廊属干旱半干旱气候，草地类型主要有温性草原类、低地草甸类、温性荒漠类、温性草原化荒漠类、温性荒漠草原类，NPP在0～400g/（m2·a）。

北山山地、河西走廊西部地区，气候极端干旱，降水稀少，蒸发量大大超过降水量，植被稀疏［34］。北山山地主要是温性荒漠类和低地草甸类草地，植被覆盖率极低，有些地区甚至寸草不生，NPP大多在0～50 g/（m2·a）。

甘肃多沙漠、戈壁和裸露土地，植被覆盖低，NPP较低［35］。Odum将生态系统总生产力划分为4个等级：最低［＜82g/（m2·a）］、较低［82～493g/（m2·a）］、较高［493～1 643g/（m2·a］和最高［1 643～3 285g/（m2·a）］［36］，甘肃草地生态系统属于较低生产力的生态系统。

2.3 甘肃省草地NPP的季节变化

甘肃省气候冬季寒冷干燥、夏季暖热稍润，降水量年内分布不均，主要集中在6～9月。受气候的影响，甘肃省草地NPP在不同季节变化很大（图4），在1.16～27.37g/m2·a波动，这与温度、降水以及太阳辐射的季节变化有很高的相关性。

4月开始，植被进入生长期，NPP迅速增加，7月时达到高峰，然后逐渐下降，10月以后基本停止生长（图4）。夏季（6～8月）太阳辐射丰富，水热条件良好，适于植被生长；9月进入秋季，气温下降，草地开始枯黄，NPP开始急剧下降；冬季植物停止生长，NPP较低；1月草地NPP最低。

2.4 地形因素对甘肃省草地NPP的影响

甘肃省境内地形复杂，山脉纵横交错，海拔相差悬殊，是山地型高原地貌，地势自西南向东北倾斜［18］。不同的海拔高度、坡度、坡向，草地NPP也不同（图5）。

由图5－a可知，在1 500～2 000m的海拔，草地分布面积最大（约占草地总面积的30%）。随着海拔高度的升高，草地NPP先升高后降低，海拔3 000～3 500 m最高，为362.42g/m2·a；海拔＞5 000m 时，草地面积（0.04%）和 NPP值最低，为2.46g/m2·a。

王莺等［17］在研究甘南草地NPP分布格局与地形关系时发现，草地NPP年均值在海拔3 000～3 500m最高，与此次的研究结果一致。

图3 2005年甘肃省草地NPP空间分布Fig.3 Spatial distribution of grassland NPP in Gansu Province

图4 甘肃省平均NPP的季节变化Fig.4 Seasonal changes of mean NPP in Gansu Province

图5－b表明，草地在1～5°坡度的区域草地面积最大（约占36.7%），随着坡度的升高，草地面积逐渐减少；坡度＜1°的草地 NPP最小，为56.96g/（m2·a），NPP随着坡度的升高逐渐上升，在25～30°坡度NPP达到峰值，为309.48g/（m2·a），随着坡度的进一步升高，草地NPP下降，与邹德福等［37］在甘南地区的研究结果一致。

图5－c说明不同坡向草地的变化，草地在平地面积最小（约占草地总面积的1.6%），而其他各个坡向草地面积基本在10.4%～15.4%。平地的草地NPP最低，为66.74g/（m2·a），其他坡向 NPP变化较小，在121.49～164.47g/（m2·a）。坡度＜1°的平坦地和平地由于受人类活动的影响，因此NPP相对降低，这与高清竹等［14］在研究藏北地区地形对草地NPP影响的结果基本一致。

3 结论

利用修正的CASA模型，对甘肃省2005年草地植被的NPP进行了估算，并分析其空间分布格局以及与地形因子之间的关系。

（1）原CASA模型中，水分胁迫系数（Wε）由土壤水分子模型计算得到，其中，涉及的众多土壤参数则是从土壤质地图提取所得到的，精度难以保证［26］。研究对CASA模型的水分胁迫系数进行修正，对参数进行了简化，仅使用气象数据，并结合区域实际蒸散模型计算水分胁迫因子，增强了实际操作性。利用2005年7月的实测生物量数据对模型进行精度验证，发现模拟效果较好。

（2）2005年甘肃省草地 NPP年均值为139.15g/（m2·a），变化是0～790.56g/（m2·a），其总体分布趋势是由西南向东北逐渐减少，空间分布地域性差异明显。其中甘南高原、陇南山地、祁连山地是甘肃省草地NPP高值区，河西走廊、北山山地为草地NPP的低值区。

（3）甘肃省草地NPP的季节变化也非常明显，夏季水热条件较好，NPP达到最大值；冬季植物基本停止生长，草地NPP值最低。

（4）地形因素中，草地NPP随着海拔先升高后降低呈正态分布，在1 500～2 000m海拔分布面积最大，但在海拔高度3 000～3 500m的NPP最高，达到了362.42g/（m2·a）；除＞30°的坡度外，草地 NPP随坡度增加呈现上升趋势；研究区平地的草地NPP最小，且占总面积的比例最小，其他坡向对草地生产力及分布影响不大。

图5 海拔、坡度、坡向影响的甘肃省草地NPPFig.5 Impacts of elevation，slope and aspect on grassland NPP in Gansu Province

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