基于改進(jìn)casa模型的中國西南喀斯特植被凈第一性生產(chǎn)力估算

基于改進(jìn)casa模型的中國西南喀斯特植被凈第一性生產(chǎn)力估算

凈第一性生產(chǎn)力（ep）是生態(tài)系統(tǒng)功能的一個重要因素，也是研究不同模型的必要因素。這也是30多年來全球變化研究中不同模型輸入的條件?；谝巴庥^察、遙感數(shù)據(jù)和植被模型的全球和區(qū)域模型以及年、季節(jié)和季節(jié)變化的估計(jì)一直是國際生態(tài)學(xué)和地理學(xué)的研究熱點(diǎn)。森林生態(tài)系統(tǒng)因其廣闊的面積和巨大的碳儲量與碳生產(chǎn)能力,在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用,但由于森林的空間異質(zhì)性和野外觀測的困難性,量化大尺度森林生產(chǎn)力的變化受到了很大限制,這就對區(qū)域和全球尺度上NPP的估算提出了挑戰(zhàn)。利用遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動生態(tài)學(xué)模型在區(qū)域和全球尺度上模擬NPP是其中的重要方法之一,尤其是遙感數(shù)據(jù)具有時間序列長和覆蓋面廣的特點(diǎn),可估算不同地區(qū)生產(chǎn)力的年際和季節(jié)動態(tài)變化,得到國內(nèi)外研究者的廣泛重視。在眾多基于遙感數(shù)據(jù)估算生產(chǎn)力的統(tǒng)計(jì)模型、參數(shù)模型和過程模型中,Carnegie-AmesStanfordApproach(CASA)是基于光能利用率(LightUseEfficiency,LUE)的一個過程模型,在全球以及區(qū)域生產(chǎn)力的估算中有著廣泛的應(yīng)用。光能利用率的準(zhǔn)確估算是利用CASA模型模擬生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素之一,模型作者提出在理想狀態(tài)下植被存在著最大光能利用率,不同植被類型的月值為0.389gCMJ-1。事實(shí)上,不同植被類型的光能利用率存在著很大差異,受到溫度、水分、土壤、植物個體發(fā)育等因素的顯著影響,把它作為一個常數(shù)在全球范圍內(nèi)使用會引起很大的誤差。因此,利用光能利用率過程模型模擬植被生產(chǎn)力,關(guān)鍵在于對光能利用率的準(zhǔn)確估算。CASA模型在全球植被NPP模擬和碳循環(huán)研究中應(yīng)用廣泛,在我國和區(qū)域植被生產(chǎn)力的模擬中也發(fā)揮了很大作用,但因?yàn)樯婕暗膮?shù)多,不同植被類型LUE的準(zhǔn)確賦值困難,因此該模型依然缺乏廣泛和細(xì)致的應(yīng)用,尤其是在區(qū)域尺度或者一些特殊地貌類型上,比如我國的喀斯特景觀地區(qū)。我國西南山地的喀斯特地貌主要分布于貴州、廣西和云南等8個省區(qū),特殊的碳酸鹽巖基質(zhì)不僅造就了當(dāng)?shù)氐耐寥理敇O植被類型———常綠落葉闊葉混交林,與亞熱帶典型的常綠闊葉林氣候頂極有很大區(qū)別,同時也造成了基巖裸露、土壤稀薄、水分易滲漏等脆弱的環(huán)境,加上人為活動劇烈,導(dǎo)致該地區(qū)的森林植被一旦破壞即難以恢復(fù),水土流失,基巖大面積出露,形成嚴(yán)酷的石漠化景觀,嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為揭示石漠化的生態(tài)學(xué)機(jī)理,恢復(fù)與重建該地區(qū)的石漠化生態(tài)系統(tǒng),就需要對喀斯特植被的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性進(jìn)行詳盡研究;然而,喀斯特生境的嚴(yán)酷使得野外生物量的取樣觀測極其困難,以往喀斯特地區(qū)生物量的估算僅局限于極少樣點(diǎn)的野外植物收獲,無法進(jìn)行區(qū)域生產(chǎn)力的監(jiān)測,更不可能估算整個西南地區(qū)喀斯特植被的生產(chǎn)力。遙感方法在喀斯特地區(qū)主要用于石漠化的監(jiān)測和土地利用的研究,估算大尺度植被生產(chǎn)力的工作比較局限,研究區(qū)域集中在云貴廣三省,還沒有利用遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動的生態(tài)學(xué)模型模擬喀斯特植被生產(chǎn)力的工作。本研究使用CASA模型,通過改進(jìn)其最大光能利用率的估算,修正模型參數(shù),利用近期高分辨率的遙感數(shù)據(jù),對西南喀斯特地區(qū)1999—2003年的植被NPP進(jìn)行模擬,旨在探討該地區(qū)植被生產(chǎn)力的年際和季節(jié)變化及其空間分布,討論不同植被類型的NPP變化特征,以及喀斯特植被和非喀斯特植被之間的差異,為喀斯特植被的保護(hù)和石漠化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1研究區(qū)域和方法1.1云南和四川西部我國西南地區(qū)的喀斯特地貌主要分布在貴州、廣西、云南、廣東、湖北、湖南、四川和重慶8省市自治區(qū),面積為60.223×104km2,占該地區(qū)總面積的27.2%(圖1)。整個地區(qū)地域遼闊,南北跨15個經(jīng)度,東西跨21個經(jīng)度,氣候類型為熱帶及亞熱帶季風(fēng)氣候,地貌主要為山地和高原,除云南和四川西部的青藏高原東南邊緣海拔達(dá)3000—7000m外,其它地區(qū)為3000m以下,喀斯特地貌主要分布在海拔為0—5835m的地區(qū)(圖1a),是我國乃至世界亞熱帶錐狀喀斯特分布面積最大、發(fā)育最強(qiáng)烈的高原山區(qū)。該地區(qū)的優(yōu)勢植被類型為亞熱帶常綠落葉闊葉混交林和亞熱帶針葉林,主要分布在四川南部、云南西部、湖南西部以及貴州、重慶、湖北和廣西的大部分地區(qū);高寒植被和山地針葉林分布在云南、四川西部青藏高原邊緣地帶和四川盆地邊緣的高海拔地區(qū);熱帶季雨林、熱帶雨林和熱帶針葉林主要零星分布在廣西西南部、云南北部和四川中南部;亞熱帶常綠闊葉林和亞熱帶/熱帶草叢在8個省都有分布,較集中分布在云南、貴州和廣西以及四川南部和重慶東北部;亞熱帶/熱帶灌叢主要分布在貴州,以及重慶與湖南接壤地帶和廣西西部;山地溫帶草原和溫帶落葉闊葉/針葉林分布在四川與云南接壤地帶以及四川中部和北部;熱帶和亞熱帶農(nóng)業(yè)植被在各省區(qū)成片或斑塊狀分布(圖1b)。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1模型方法及計(jì)算CASA是由遙感、氣象、植被以及土壤類型數(shù)據(jù)共同驅(qū)動的光能利用率模型。NPP主要由植被所吸收的光合有效輻射(APAR)與光能利用率(ε)兩個變量確定,APAR由光合有效輻射(PAR)和植物吸收分量(fPAR)確定,而參數(shù)ε由最大光能利用率(ε*)和體現(xiàn)氣候因子對植被光能利用率影響的溫度(Tε1和Tε2)及水分脅迫系數(shù)(Wε)共同確定的。因此,NPP可以表示為下式:式中,fPAR取決于植被類型和植被覆蓋,研究證明,歸一化差異植被指數(shù)(NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI)能很好地反映植被覆蓋狀況,CASA模型即使用NDVI代替fPAR對NPP進(jìn)行估算(圖2,公式2—5),PAR通過太陽輻射乘以常數(shù)0.5得到,Tε1表示在低溫和高溫時植物體內(nèi)在的生化作用對光合的限制而降低凈第一性生產(chǎn)力,Tε2表示環(huán)境溫度從最適宜溫度向高溫和低溫變化時植物的光能轉(zhuǎn)化率逐漸變小的趨勢,Tε1和Tε2的計(jì)算參照模型文獻(xiàn),Wε反映了植物所能利用的有效水分條件對光能轉(zhuǎn)化率的影響,計(jì)算參考樸世龍等。模型的具體算法參見模型文獻(xiàn)。式中,SR代表比值植被指數(shù),fPARSR和fPARNDVI分別代表根據(jù)SR和NDVI估算得到的PAR,fPARmin和fPARmax的取值與植被類型無關(guān),fPARmin=0.001,fPARmax=0.95,NDVImin和NDVImax分別對應(yīng)某種植被類型NDVI的5%和95%處的百分位數(shù)。原模型中的水分脅迫系數(shù)(Wε)經(jīng)由土壤水分子模型計(jì)算得到的,其中涉及的眾多土壤參數(shù)則是從土壤質(zhì)地圖提取得到的,精度難以保證,研究中使用改進(jìn)后的CASA模型,即排除眾多土壤參數(shù),僅使用氣象數(shù)據(jù),并結(jié)合區(qū)域蒸散模型對水分脅迫因子進(jìn)行估算(圖2),這樣不僅保持了原模型中植物生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ),還在一定程度上對輸入?yún)?shù)進(jìn)行了簡化。1.2.2光能利用率模型的計(jì)算為準(zhǔn)確獲取不同植被類型的最大光能利用率,以西南地區(qū)各植被的NPP實(shí)測值來模擬和改進(jìn)ε*值。首先計(jì)算所有像元的APAR、溫度和水分脅迫系數(shù),然后挑選研究區(qū)范圍內(nèi)的NPP實(shí)測數(shù)據(jù),最后模擬得到各種植被類型的最大光能利用率(圖2,公式6):森林NPP的實(shí)測值來源于1989—1993年間的全國森林資源清查的木材蓄積量,提取西南地區(qū)的數(shù)據(jù),按照蓄積量—生物量的轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算森林生物量和生產(chǎn)力,草地NPP的計(jì)算依據(jù)1991年結(jié)束的全國草業(yè)資源清查所獲取的干草產(chǎn)量。因缺少實(shí)測NPP,熱帶、亞熱帶和溫帶的農(nóng)業(yè)植被的ε*分別利用同溫度帶的自然植被值估算獲得;熱帶/亞熱帶灌叢的ε*等同于溫帶農(nóng)業(yè)植被;無植被地段利用國際通用值(表1)。1.3數(shù)據(jù)收集1.3.1ndvi規(guī)范及預(yù)處理NDVI數(shù)據(jù)來自SPOT-VEGETATION空間分辨率為1km的全球觀測值(中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,),圖像預(yù)處理包括大氣矯正、輻射矯正、幾何校正,以及利用最大值合成法(MVC)獲得逐旬NDVI數(shù)據(jù)。本研究選用1999年1月—2003年12月共180幅逐旬圖像,對每月的三旬?dāng)?shù)據(jù)再次進(jìn)行最大值合成,得到逐月數(shù)據(jù)集,并將圖像投影為經(jīng)緯網(wǎng)投影(Geographiclat/lon)。1.3.2dem模型和高程模型1999年1月—2003年12月的氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象局,包括176個臺站的月均氣溫和月總降水、31個臺站的月總太陽輻射。以高分辨率STRM30數(shù)字高程模型(DEM)(圖1a)為基礎(chǔ),采用薄盤光滑樣條法,將氣象數(shù)據(jù)插值為1km的經(jīng)緯網(wǎng)投影的柵格數(shù)據(jù)。通過計(jì)算獲得,研究區(qū)內(nèi)1999—2003年的年均溫為3.3—24.0℃,年累積降水為570.3—1896.1mm以及年總太陽輻射為3280.3—6629.3MJ/m2。1.3.3數(shù)據(jù)匹配模塊使用比例尺為1∶1000000的矢量格式中國植被圖,通過歸類合并,將西南喀斯特地區(qū)的植被分為19類(表1),用于模擬植被的最大光能利用率,并將矢量圖轉(zhuǎn)化成1km空間分辨率、經(jīng)緯網(wǎng)投影的柵格圖層,以與其它數(shù)據(jù)匹配。為探討喀斯特地區(qū)典型植被NPP的空間分布,在分析時將植被又合并為6類,即熱帶森林(包括熱帶雨林、熱帶季雨林和熱帶針葉林)、亞熱帶森林(亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠落葉闊葉混交林和亞熱帶針葉林)、溫帶森林(溫帶落葉闊葉/針葉林)、灌叢(熱帶/亞熱帶灌叢和亞高山灌叢)、草地(熱帶/亞熱帶草地和溫帶草地)和農(nóng)業(yè)植被(熱帶農(nóng)業(yè)植被、亞熱帶農(nóng)業(yè)植被和溫帶農(nóng)業(yè)植被)。1.3.4卡斯特地形分布2結(jié)果與分析2.1區(qū)域植被的代表性較差亞熱帶/熱帶山地針葉林、亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠落葉闊葉混交林和亞熱帶針葉林這4種植被NPP實(shí)測樣點(diǎn)較多,但與改進(jìn)后CASA模型模擬結(jié)果的點(diǎn)對點(diǎn)相關(guān)性較差,均未達(dá)到顯著水平,原因可能是:(1)野外取樣存在一定誤差,樣地內(nèi)成年樹與幼年樹分布不均,或者對整個區(qū)域植被的代表性較差;(2)實(shí)測NPP與遙感數(shù)據(jù)的年代不匹配,前者為20世紀(jì)90年代初期,后者是1999—2003年,在這段時間內(nèi)植被發(fā)生變化。然而,不同植被類型的平均NPP實(shí)測值與模擬值具有較好的吻合性(表1),除農(nóng)業(yè)植被、灌叢和無植被外,其他14種植被類型的NPP實(shí)測值與模擬值相關(guān)性顯著(R2=0.9953,P<0.001,n=14),說明CASA模型可較好模擬中國西南喀斯特植被的NPP。但模型的模擬值均略高于實(shí)測NPP,原因是:(1)實(shí)測NPP是20世紀(jì)90年代初期的數(shù)值,而CASA模型模擬的是1999—2003年的值,考慮到植被的生長,CASA模型模擬值高于實(shí)測值符合北半球陸地光合作用加強(qiáng)的趨勢;(2)模型中輸入的氣象數(shù)據(jù)是通過臺站的觀測值插值得到,插值過程會造成一定的偏差;(3)CASA模型本身對植物生理生態(tài)過程模擬的不準(zhǔn)確,也會影響大尺度NPP的估算精度。2.2營養(yǎng)成分空間變化整個西南8省區(qū)NPP低值區(qū)(<285gCm-2a-1)主要分布在四川中西部的山地及其它零星地區(qū),四川盆地和重慶、貴州全省、湖南和湖北的中部地區(qū)以及云南和廣西北部、廣東東南沿海的生產(chǎn)力屬于中等(285—480gCm-2a-1),而高值區(qū)(>480gCm-2a-1)主要分布在湖北西部以及云南、廣西和廣東的中南部地區(qū)、四川盆地邊緣,但各年度之間有變化(圖3)。1999—2000年NPP值有輕度增加,但空間變化不顯著;2001年存在降低趨勢,尤其是低值區(qū)范圍輕度擴(kuò)大;2002年NPP高值區(qū)的范圍明顯擴(kuò)大,原先的中值區(qū)部分?jǐn)U大為高值區(qū);隨后在2003年NPP降低,但仍高于2001年(圖3)?？λ固氐貐^(qū)1999—2003年NPP空間變化趨勢與西南地區(qū)總趨勢相同,1999—2001年間相對變化不大,大部分喀斯特地區(qū)2002年NPP升高,2003年降低;而廣西中部、西南部和湖南南部地區(qū)2002年NPP值卻要低于前3a,2003年則升高。從喀斯特地區(qū)5a平均NPP空間分布來看(圖3),NPP低值區(qū)分布在貴州、云南東北部和湖南中部,高值區(qū)主要分布于湖北西部、云南和廣西的南部以及四川南部地區(qū),而中值NPP主要分布在貴州及其周邊地區(qū)和四川盆地邊緣。西南喀斯特地區(qū)1999—2003年逐年的總NPP依次為172.9、173.6、170.1、196.0TgC和183.8TgC,5a平均為179.3TgC/a,與非喀斯特地區(qū)相比(年總NPP變化范圍421.6—492.1TgC,年平均NPP446.9TgC/a)普遍較低。但兩個地區(qū)變化趨勢一致(圖4),從1999到2000年呈低增長,2001年下降并分別達(dá)最低值,2002年出現(xiàn)了大幅度的增長,分別達(dá)到最高值,2003年又出現(xiàn)了下降的趨勢;總體來說NPP呈增長趨勢,喀斯特地區(qū)年均增加值(9.93gCm-2a-1)要低于非喀斯特地區(qū)(14.40gCm-2a-1)。NPP的季節(jié)變化表明,從1999—2003年,春夏秋三季喀斯特地區(qū)NPP呈現(xiàn)波動上升的趨勢,冬季呈波動下降趨勢,NPP平均增加值最大發(fā)生在雨熱同期的夏季(R2=0.566,P>0.05,n=5),低于非喀斯特地區(qū)的增加值(R2=0.831,P<0.05,n=5)。每年的NPP最大值多出現(xiàn)在7月,最小值多出現(xiàn)在2月(圖4)。2.3種植被類型的npp比較1999—2003年間喀斯特地區(qū)的熱帶森林、亞熱帶森林、灌叢和草地的逐年NPP均小于非喀斯特地區(qū),相反,喀斯特地區(qū)的溫帶森林和農(nóng)業(yè)植被的逐年NPP要大于非喀斯特地區(qū)?？λ固氐貐^(qū)除熱帶森林年際NPP呈逐年增長的趨勢外,亞熱帶森林、溫帶森林、灌叢、草地和農(nóng)業(yè)植被的NPP從1999到2000年呈低增長,2001年下降并分別達(dá)最低值,2002年出現(xiàn)了大幅度的增長,分別達(dá)到最高值,2003年又出現(xiàn)了下降的趨勢;而非喀斯特地區(qū)6種植被類型的NPP變化趨勢與研究區(qū)一致,即1999—2001年低增長,2002年達(dá)到最高值,隨后在2003年下降?？λ固氐貐^(qū)的6種植被中,熱帶森林的年平均NPP增加值最大(33.64gCm-2a-1),其次是農(nóng)業(yè)植被、溫帶森林、灌叢、亞熱帶森林和草地,每種植被類型的年NPP平均增加值均小于非喀斯特地區(qū)的相應(yīng)值。不同植被類型的逐月NPP變化有一定的相似性,夏季達(dá)最大值,冬季為最小值,但不同的植被類型間和喀斯特與非喀斯特地區(qū)有少許差異(圖5)。3結(jié)論和討論3.1改進(jìn)后的casa模型對西南石漠化植被模型的模擬本文運(yùn)用GIS和RS方法,綜合SPOTNDVI遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及植被分類數(shù)據(jù),通過改進(jìn)光能利用率CASA模型,重建中國西南喀斯特地區(qū)1999—2003年不同植被類型NPP年際和月際的時空序列及變化,得到以下結(jié)論:(1)改進(jìn)后的CASA模型可以較好地模擬我國西南喀斯特地區(qū)植被的NPP。(2)1999—2003年西南喀斯特地區(qū)年NPP的平均值為402.34gCm-2a-1,變化范圍是381.7—439.9gCm-2a-1,逐年NPP呈波動增長的趨勢,非喀斯特地區(qū)的年NPP平均值和增加值都大于喀斯特地區(qū)。(3)1999—2000年西南地區(qū)NPP有輕度增加,但空間變化不顯著,2001年低值區(qū)面積擴(kuò)大,2002年高值區(qū)面積顯著增加,隨即在2003年又有所下降,但仍高于2001年。(4)1999—2003年喀斯特地區(qū)的6種典型植被年NPP均呈增加趨勢,非喀斯特地區(qū)相應(yīng)植被NPP的增長趨勢相似,但每種植被的年NPP增加值均大于喀斯特地區(qū)。3.2區(qū)域分布的變異利用模型模擬西南喀斯特地區(qū)植被NPP的研究比較缺乏,王冰等利用基于MODIS數(shù)據(jù)的光能利用率模型估算了2001年貴州省喀斯特地區(qū)的植被NPP為407.18gCm-2a-1,非喀斯特地區(qū)為461.53gCm-2a-1,高于本研究得到的貴州省同時期的NPP(喀斯特植被NPP為325.69gCm-2a-1,非喀斯特植被336.13gCm-2a-1);而Wang等用1981—2000年AVHRRGloPEMNPP數(shù)據(jù)得到云南、貴州和廣西3省的NPP平均增加值為1.65gCm-2a-1,低于本研究中得到的1999—2003年相同區(qū)域NPP平均增加值15.77gCm-2a-1。模型和驅(qū)動數(shù)據(jù)的不同都是造成這種差異主要原因,植被區(qū)域的不同也是原因之一。近期研究表明,北半球中高緯度地區(qū)的陸地光合作用在過去的20—30a間存在著增加趨勢,中國西南喀斯特地區(qū)生產(chǎn)力也呈增加趨勢。本研究中,西南喀斯特地區(qū)NPP在1999—2003年呈波動增加的趨勢,平均增加值為9.93gCm-2a-1,主要是氣象因子的年際變異引起的。太陽輻射的變化趨勢與NPP最為相似,1999—2000年呈上升趨勢,隨即在2001年下降,2002年上升至最