魏靖瓊,柳小妮,任正超,王紅霞,潘冬榮
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是指植物在單位時(shí)間、單位面積由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后剩余部分[1,2]。NPP作為陸地碳循環(huán)的重要部分,不僅反映了植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力,而且是判定碳匯以及調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子[2],開展NPP研究具有十分重要的意義[3,4]。因無法直接、全面的測(cè)量大區(qū)域或全球尺度的NPP,利用模型估算成為重要的手段[4,5]。如李秀芬等[6]采用光能利用率模型,反演了黑龍江省森林NPP,谷曉平等[7]利用大氣-植被相互作用模型(AVIM2)模擬了西南地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力[7],樸世龍等[8]、陳福軍等[9]分別應(yīng)用CASA模型估算了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP,陳斌等[10]利用C-Fix模型估算了2003年中國生態(tài)系統(tǒng)NPP,并對(duì)其空間格局進(jìn)行分析。
隨著遙感技術(shù)發(fā)展,衛(wèi)星數(shù)據(jù)模型已經(jīng)成為評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP最有力手段[11]。在眾多模型中,基于遙感數(shù)據(jù)的光能利用率模型—CASA(Camegie-Ames-Stanford Approach)模型以資源平衡為理論基礎(chǔ),能較好地模擬區(qū)域尺度NPP的空間分布及變化,被廣泛應(yīng)用于各種尺度的NPP監(jiān)測(cè)[12]。劉勇洪等[13]利用CASA模型估算了2007年華北植被NPP,并對(duì)其時(shí)空格局進(jìn)行了分析。高清竹等[14]在應(yīng)用CASA模型模擬藏北地區(qū)草地NPP時(shí)空變化時(shí)指出,其NPP呈有規(guī)律性的水平地帶分布[14]。朱文泉等[15]基于CASA模型,并以2002年的中國內(nèi)蒙古為例,研究了植被凈初級(jí)生產(chǎn)力及其時(shí)空分布。
草地生態(tài)系統(tǒng)是我國最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一,在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中占據(jù)很重要的位置。開展草地NPP研究,可為合理開發(fā)、利用草地資源提供科學(xué)依據(jù)。陳斌等[10]基于CASA模型估測(cè)了內(nèi)蒙古典型草原1982~2002年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力。李剛等[11]利用改進(jìn)的CASA模型,計(jì)算了2003年內(nèi)蒙古草地生長季的生產(chǎn)力。韋莉等[16]利用溫度和地面水汽壓差影響的遙感模型,估算了2003年黃土高原地區(qū)草地凈初級(jí)生產(chǎn)力。王鶯等[17]、楊東輝等[18]分別以CASA模型為基礎(chǔ),對(duì)甘南草地NPP進(jìn)行遙感模擬。以上研究大多集中在內(nèi)蒙古、東北、青藏高原、黃土高原、甘肅的甘南等地區(qū)或整個(gè)中國區(qū)域,對(duì)甘肅省草地NPP研究較少,筆者利用氣象資料和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),在CASA模型的基礎(chǔ)上,修正了部分參數(shù),估算了2005年甘肅省草地NPP并分析了其時(shí)空分布格局及影響因子。旨在為甘肅省草地資源的可持續(xù)發(fā)展利用、草地生態(tài)環(huán)境的改善和保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
甘肅地處黃河上游黃土高原、內(nèi)蒙古與青藏高原交匯地區(qū),位于E 92°13′~108°46′,N 32°31′~42°57′,東西長為1 655km,南北寬為530km。面積約4.54×105km2,地形復(fù)雜狹長,由山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯(cuò)分布,地勢(shì)自西南向東北傾斜。甘肅深居內(nèi)陸,具有明顯的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。氣候類型十分復(fù)雜,大致由隴南的北亞熱帶與暖溫帶濕潤區(qū),漸向隴中暖溫帶半濕潤與溫帶半干旱區(qū),河西溫帶、暖溫帶干旱區(qū)及祁連山地高寒半干旱、半濕潤區(qū),甘南高寒濕潤區(qū)過渡。年均溫在0~16℃,溫差較大。年降水量在36.6~734.9mm,從東南向西北遞減,降水集中在6~8月。甘肅光能資源豐富,年日照時(shí)數(shù)1 700~3 300h。全省無霜期在48~228d[19]。甘肅省是草原資源大省,天然草原面積1 790萬hm2,主要分布在青藏高原東部的甘南州、祁連山、阿爾金山山地及河西走廊和蒙甘寧西部的風(fēng)沙沿線[20]。
1.2.1 NDVI數(shù)據(jù) 遙感數(shù)據(jù)為美國宇航局/中分辨率成像輻射計(jì)(NASA/MODIS)數(shù)據(jù),來自于NASA對(duì)地 觀 測(cè) 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 共 享 平 臺(tái) (https://wist.echo.nasa.gov/api/)。
使用2005年甘肅及周邊地區(qū)1km分辨率植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3,下載的原始影像為HDF格式,應(yīng)用MODISTOOL工具轉(zhuǎn)換為Tif格式,在ArcGIS中對(duì)多幅影像進(jìn)行拼接,利用甘肅省行政區(qū)域數(shù)據(jù)裁切、利用GIS平臺(tái)中的(Resample)重采樣為90m×90m分辨率的NDVI數(shù)據(jù)。將投影系統(tǒng)定義為UTM,橢球體為WGS-84,投影帶為47帶。
1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。包括2005年甘肅省41個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均溫度(℃)和月降水量(mm),以及甘肅及周邊15個(gè)臺(tái)站的月太陽輻射(MJ/m2)。
在ArcGIS 9.3平臺(tái)上,利用優(yōu)化的插值方法-“AMMRR”,并加入坡度、坡向因子,將月均溫、月降水量、月太陽輻射數(shù)據(jù)插值成空間分辨率為90m的柵格數(shù)據(jù)。投影與遙感數(shù)據(jù)相同。
1.2.3 DEM數(shù)據(jù) 數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)來源于國際農(nóng)業(yè)研究磋商小組下設(shè)的空間信息組織(CGIAR-CSI)(圖1)。
圖1 甘肅省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution pattern of meteorological stations in Gansu Province
數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接、裁剪等預(yù)處理后,在ArcMap平臺(tái)上提取甘肅省90m分辨率的經(jīng)緯度、坡度、坡向柵格數(shù)據(jù)。地形要素的劃分見表1。
表1 地形要素分類Table 1 Classification of topographic factors
1.2.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由農(nóng)業(yè)部草原監(jiān)理中心提供,數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間是2005年7月的草地地上生物量(風(fēng)干重)數(shù)據(jù)。利用其和樸世龍等[22]確定的我國草地植被地下與地上生物量比例系數(shù)轉(zhuǎn)換為NPP實(shí)測(cè)值[23],在轉(zhuǎn)化為碳單位時(shí)乘以0.475的系數(shù)[24]。
Potter等[24]1993年建立的光能利用模型-CASA模型,提出理想狀態(tài)下植被存在最大光能利用率,不同植被類型的月值為0.389gC/MJ。實(shí)際上,不同植被類型的光能利用率存在很大差異[26],根據(jù)不同的植被類型對(duì)光能利用率進(jìn)行修正能夠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輻射(APAR)與光能利用率(ε)兩個(gè)變量確定,其公式如下:
式中,APAR(x,t)表示空間位置x上的植被在t時(shí)間內(nèi)所吸收的光合有效輻射;ε(x,t)為實(shí)際光能利用率;SOL(x,t)表示太陽總輻射量(MJ/m2);常數(shù)0.5為植被所能利用太陽有效輻射(波長為0.38~0.71um)占太陽總輻射的比例;FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例,它取決于植被類型和植被覆蓋狀況;ε(x,t)表示實(shí)際光能利用率,主要受溫度和水分的影響,具體算法詳見文獻(xiàn)[24]。
由于不同的植被類型月最大光能利用率Wεmax的取值不同,依據(jù)Running等對(duì)草地的模擬結(jié)果,最大光能利用率為0.608gC/MJ[28]。
由于模型中Wε(x,t)為水分脅迫系數(shù)較復(fù)雜,數(shù)據(jù)獲取難度大,因此將模型中的實(shí)際蒸散量(EET)和可能蒸散量(PET)進(jìn)行改進(jìn)。
EET可由周廣勝和張新時(shí)建立的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型求取,公式如下[29]。
式中,P(x,t)為象元x在t月的降水量(mm),Rn(x,t)是象元x在t月的太陽凈輻射量(mm)。
PET利用 Holdridge的方法計(jì)算可得[30]。計(jì)算公式為:
式中,BT為月平均生物溫度,T為<30℃且>0℃的月均溫。
最終的水分脅迫系數(shù)為:
在GIS中利用空間分析的建模工具(Map Algebra),編寫CASA模型相關(guān)運(yùn)算程序,然后輸入氣象柵格數(shù)據(jù)和處理好的NDVI數(shù)據(jù),得到2005年甘肅省NPP圖,然后與草地資源調(diào)查圖疊加,得出2005年甘肅省草地NPP圖。
對(duì)區(qū)域NPP模型的驗(yàn)證,一般采用兩種方法:一是與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,二是與其他模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研究選用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
將2005年甘肅各地7月的32組實(shí)測(cè)草地生物量數(shù)據(jù),利用公式轉(zhuǎn)換成草地NPP值,與CASA模擬的NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證(圖2)。
模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)性達(dá)到顯著水平(R2=0.81,P<0.05),因此,修正參數(shù)后的CASA模型可以用來模擬甘肅草地的NPP(圖2)。
圖2 甘肅省草地NPP模擬值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.2 Comparison of the simulated grass NPP with field observations in Gansu Province
根據(jù)估算結(jié)果(圖3),2005年甘肅省草地NPP最高值790.56g/(m2·a),年均值139.15g/(m2·a),總量為3.76×1013g/(m2·a)。
NPP空間分布格局與水熱條件的分布規(guī)律緊密相關(guān)。甘肅草地NPP空間分布特征是由西南向東北逐漸減少,其中NPP的高值區(qū)集中在甘南高原,低值區(qū)分布在北山山地(圖3)。
甘南高原受來自孟加拉灣西南季風(fēng)氣候的影響,降水充沛,且太陽輻射充足,土壤肥沃[31]。草地類型以高寒草甸類、山地草甸類、沼澤類為主,NPP在400~800g/m2·a,多集中在500~600g/(m2·a)。
隴南屬東亞季風(fēng)氣候區(qū),區(qū)內(nèi)氣候復(fù)雜多樣,分布獨(dú)特。由東南向西北,依次從亞熱帶濕潤氣候向暖溫帶濕潤氣候、溫帶半濕潤氣候和高寒陰濕氣候過渡[18]。主要為山地草甸類、暖性灌草叢類、暖性草叢類草地,NPP在400~600g/m2·a,這個(gè)地區(qū)草地面積分布不大,呈星狀分布。
隴中黃土高原地處黃土高原西部、甘肅省中東部,屬溫帶半干旱半濕潤區(qū),是我國干旱氣候區(qū)和濕潤區(qū)之間的重要過渡帶。草地類型為溫性草甸草原類、暖性灌草叢類、溫性草原類,草地NPP分布緯度地帶性明顯,從西北到東南部NPP在0~400g/(m2·a)。
祁連山地位于中緯度北溫帶,屬于大陸性高寒半濕潤山地氣候[33]。東部主要是高寒草甸類、山地草甸類草地,NPP大多集中在300~400g/(m2·a)。西部主要是高寒荒漠類、高寒草原類、低地草甸類草地,NPP在0~200g/(m2·a)。河西走廊屬干旱半干旱氣候,草地類型主要有溫性草原類、低地草甸類、溫性荒漠類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠草原類,NPP在0~400g/(m2·a)。
北山山地、河西走廊西部地區(qū),氣候極端干旱,降水稀少,蒸發(fā)量大大超過降水量,植被稀疏[34]。北山山地主要是溫性荒漠類和低地草甸類草地,植被覆蓋率極低,有些地區(qū)甚至寸草不生,NPP大多在0~50 g/(m2·a)。
甘肅多沙漠、戈壁和裸露土地,植被覆蓋低,NPP較低[35]。Odum將生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力劃分為4個(gè)等級(jí):最低[<82g/(m2·a)]、較低[82~493g/(m2·a)]、較高[493~1 643g/(m2·a]和最高[1 643~3 285g/(m2·a)][36],甘肅草地生態(tài)系統(tǒng)屬于較低生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。
甘肅省氣候冬季寒冷干燥、夏季暖熱稍潤,降水量年內(nèi)分布不均,主要集中在6~9月。受氣候的影響,甘肅省草地NPP在不同季節(jié)變化很大(圖4),在1.16~27.37g/m2·a波動(dòng),這與溫度、降水以及太陽輻射的季節(jié)變化有很高的相關(guān)性。
4月開始,植被進(jìn)入生長期,NPP迅速增加,7月時(shí)達(dá)到高峰,然后逐漸下降,10月以后基本停止生長(圖4)。夏季(6~8月)太陽輻射豐富,水熱條件良好,適于植被生長;9月進(jìn)入秋季,氣溫下降,草地開始枯黃,NPP開始急劇下降;冬季植物停止生長,NPP較低;1月草地NPP最低。
甘肅省境內(nèi)地形復(fù)雜,山脈縱橫交錯(cuò),海拔相差懸殊,是山地型高原地貌,地勢(shì)自西南向東北傾斜[18]。不同的海拔高度、坡度、坡向,草地NPP也不同(圖5)。
由圖5-a可知,在1 500~2 000m的海拔,草地分布面積最大(約占草地總面積的30%)。隨著海拔高度的升高,草地NPP先升高后降低,海拔3 000~3 500 m最高,為362.42g/m2·a;海拔>5 000m 時(shí),草地面積(0.04%)和 NPP值最低,為2.46g/m2·a。
王鶯等[17]在研究甘南草地NPP分布格局與地形關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),草地NPP年均值在海拔3 000~3 500m最高,與此次的研究結(jié)果一致。
圖3 2005年甘肅省草地NPP空間分布Fig.3 Spatial distribution of grassland NPP in Gansu Province
圖4 甘肅省平均NPP的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal changes of mean NPP in Gansu Province
圖5-b表明,草地在1~5°坡度的區(qū)域草地面積最大(約占36.7%),隨著坡度的升高,草地面積逐漸減少;坡度<1°的草地 NPP最小,為56.96g/(m2·a),NPP隨著坡度的升高逐漸上升,在25~30°坡度NPP達(dá)到峰值,為309.48g/(m2·a),隨著坡度的進(jìn)一步升高,草地NPP下降,與鄒德福等[37]在甘南地區(qū)的研究結(jié)果一致。
圖5-c說明不同坡向草地的變化,草地在平地面積最?。s占草地總面積的1.6%),而其他各個(gè)坡向草地面積基本在10.4%~15.4%。平地的草地NPP最低,為66.74g/(m2·a),其他坡向 NPP變化較小,在121.49~164.47g/(m2·a)。坡度<1°的平坦地和平地由于受人類活動(dòng)的影響,因此NPP相對(duì)降低,這與高清竹等[14]在研究藏北地區(qū)地形對(duì)草地NPP影響的結(jié)果基本一致。
利用修正的CASA模型,對(duì)甘肅省2005年草地植被的NPP進(jìn)行了估算,并分析其空間分布格局以及與地形因子之間的關(guān)系。
(1)原CASA模型中,水分脅迫系數(shù)(Wε)由土壤水分子模型計(jì)算得到,其中,涉及的眾多土壤參數(shù)則是從土壤質(zhì)地圖提取所得到的,精度難以保證[26]。研究對(duì)CASA模型的水分脅迫系數(shù)進(jìn)行修正,對(duì)參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,僅使用氣象數(shù)據(jù),并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型計(jì)算水分脅迫因子,增強(qiáng)了實(shí)際操作性。利用2005年7月的實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行精度驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)模擬效果較好。
(2)2005年甘肅省草地 NPP年均值為139.15g/(m2·a),變化是0~790.56g/(m2·a),其總體分布趨勢(shì)是由西南向東北逐漸減少,空間分布地域性差異明顯。其中甘南高原、隴南山地、祁連山地是甘肅省草地NPP高值區(qū),河西走廊、北山山地為草地NPP的低值區(qū)。
(3)甘肅省草地NPP的季節(jié)變化也非常明顯,夏季水熱條件較好,NPP達(dá)到最大值;冬季植物基本停止生長,草地NPP值最低。
(4)地形因素中,草地NPP隨著海拔先升高后降低呈正態(tài)分布,在1 500~2 000m海拔分布面積最大,但在海拔高度3 000~3 500m的NPP最高,達(dá)到了362.42g/(m2·a);除>30°的坡度外,草地 NPP隨坡度增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì);研究區(qū)平地的草地NPP最小,且占總面積的比例最小,其他坡向?qū)Σ莸厣a(chǎn)力及分布影響不大。
圖5 海拔、坡度、坡向影響的甘肅省草地NPPFig.5 Impacts of elevation,slope and aspect on grassland NPP in Gansu Province
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