李可相，周 焱*，周運超，張春來

(1.貴州大學 土地規(guī)劃與信息技術研究所，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學 農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；4.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，聯(lián)合國科教文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

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基于CASA模型的長順縣夏季NPP時空格局

李可相1，3，周 焱1，3*，周運超1，2*，張春來4

(1.貴州大學 土地規(guī)劃與信息技術研究所，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學 農(nóng)學院，貴州 貴陽 550025；4.中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所，國土資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，聯(lián)合國科教文組織國際巖溶研究中心，廣西 桂林 541004)

基于CASA模型估算了長順縣夏季植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)，并分析了2000～2011年期間其時空分布特征。研究表明：2000～2011年期間，長順縣夏季NPP平均為34.51 gC/m2·m，全縣91.65%的區(qū)域，NPP值在20～50 gC/m2·m之間。多年平均夏季NPP的分布呈現(xiàn)明顯的地域性差異，總體呈現(xiàn)出由中部落葉闊葉林、針闊混交林及灌木林等植被茂盛的區(qū)域逐漸向東西兩側耕地及建設用地區(qū)域減少的分布規(guī)律；夏季NPP在12年間，其變化整體呈緩慢上升趨勢。針闊混交林、落葉闊葉林、灌木林、耕地及草地區(qū)域的平均增長率分別為2.77、2.32、2.34、0.99、1.05。地區(qū)植被在夏季的固碳量在逐年增加；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏季平均NPP在12年內(nèi)的變化一致。長寨鎮(zhèn)、廣順鎮(zhèn)、擺所鎮(zhèn)、鼓揚鎮(zhèn)、代化鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)、敦操鄉(xiāng)分別以2.16、1.88、2.10、2.17、2.29、2.12、2.51 gC/m2·m的速率增加。

長順縣；NPP；CASA模型；時空動態(tài)

陸地植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是植被通過光合作用固定的太陽能，在單位時間、單位面積上所獲得生物量的凈增加量[1]，是陸地生態(tài)過程的關鍵參數(shù)，也是表征陸地碳循環(huán)的重要變量，可作為評價生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的協(xié)調(diào)性，以及生物圈人口承載能力的指標[2]。因此，區(qū)域尺度NPP的研究具有重要的意義。傳統(tǒng)上常采用抽樣調(diào)查和定點觀測的方法對植被凈初級生產(chǎn)力進行估算[3]，但受成本及范圍的限制，大尺度、動態(tài)的NPP研究很難開展?，F(xiàn)階段，利用模型估計陸地植被的生產(chǎn)力已經(jīng)成為一種重要且被廣泛接受的研究方法[4-5]。Potteretal.[6]提出的利用GIS和RS技術手段的基于資源平衡理論的CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型是光能利用率模型的代表，已被廣泛用于區(qū)域陸地凈初級生產(chǎn)力及全球碳循環(huán)的評估研究，李燕麗等[7]基于CASA模型，利用MODIS數(shù)據(jù)，估算了廣西植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)，并對其時空分布特征及其驅(qū)動因素進行了分析；潘竟虎等[8]運用修正的CASA模型估算了2001～2012年間西北干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈第一性生產(chǎn)力(NPP)，并結合土壤微生物呼吸方程，計算出12年的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)，分析了植被碳匯的時空變化規(guī)律；尹鍇等[9]采用CASA模型分析了2010年北京植被生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力，且對其時空分布格局及其主要影響因素進行了研究。

貴州省是全球三大巖溶集中分布區(qū)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強烈的地區(qū)[10-11]，省內(nèi)喀斯特地貌占全省國土面積的70%以上[12]，生態(tài)系統(tǒng)復雜且脆弱，土地石漠化嚴重。貴州省石漠化治理工作已經(jīng)進行了很多年，必對境內(nèi)植被凈初級生產(chǎn)力產(chǎn)生影響，但目前對貴州省特別是省內(nèi)縣級行政區(qū)域的NPP時空動態(tài)的相關研究還很少。因此，本文選取貴州省石漠化比較典型的長順縣為研究區(qū)域，基于Landsat-7 ETM影像數(shù)據(jù)，采用CASA模型，估算了2000～2011年長順縣夏季NPP，以此作為基礎，研究該縣夏季NPP時空間分布特征，以期全面了解在石漠化治理前后貴州省縣域內(nèi)NPP的動態(tài)，為該區(qū)域的石漠化治理、植被利用與保護提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

長順縣是貴州省典型的喀斯特分布區(qū)，有6鎮(zhèn)1鄉(xiāng)(長寨鎮(zhèn)、廣順鎮(zhèn)、擺所鎮(zhèn)、鼓揚鎮(zhèn)、代化鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)、敦操鄉(xiāng))，總面積1554.6 hm2。地勢北高南低，中部高，東西兩側低，平均海拔1244 m。根據(jù)貴州省喀斯特石漠化綜合防治圖集，長順縣喀斯特面積占全縣總面積的91.13%，石漠化面積及潛在石漠化面積占全縣總面積的75.29%，石漠化面積中61.27%為中度石漠化至極強度石漠化。石漠化分布面積大、等級類型復雜，是貴州省石漠化現(xiàn)象最為嚴重的縣份之一，縣域內(nèi)植被主要以闊葉林、針闊混交林、灌叢、草叢等為主[13]。常年平均氣溫13.4～19.5℃，極端最高氣溫34～40℃，極端最低氣溫零下7～9℃。平均無霜期241～320 d。年平均氣溫15.7℃；年降雨量平均1365 mm，水分充足，為喀斯特溶蝕、侵蝕作用創(chuàng)造了條件；四季分明，但日照偏少。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取及預處理 遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)，考慮到云和大氣以及季相變化等因素的影響，本研究的遙感數(shù)據(jù)選取了包括2000～2011年每年6月份左右數(shù)據(jù)質(zhì)量最好的一景Landsat-7 ETM影像數(shù)據(jù)。本文的月均氣溫、月降雨量等氣象數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：//data.cma.cn)及長順縣及周邊縣市氣象站點的地面觀測數(shù)據(jù)。由于貴州省及周邊輻射站點很少，故太陽總輻射使用經(jīng)驗公式進行估算[14-16]，得到研究區(qū)域及周邊站點的月太陽總輻射。

采用ENVI5.3對Landsat-7 ETM影像數(shù)據(jù)進行輻射定標和大氣校正，減少大氣帶來的影響。在ENVI5.3中剪切出研究區(qū)域，計算出歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為NPP估算模型的輸入數(shù)據(jù)?；贚andsat-7 ETM影像，依據(jù)野外調(diào)查資料，以監(jiān)督分類的方法對研究區(qū)的植被類型進行分類，再結合谷歌影像及野外數(shù)據(jù)對初次分類中出現(xiàn)偏差的部分進行糾正，生成研究區(qū)的植被類型圖。通過ArcGIS軟件地統(tǒng)計模塊(Geostatistical Analyst)的Kriging插值法對月均氣溫、月降雨量、月太陽總輻射等氣象數(shù)據(jù)進行插值，投影信息及象元大小與NDVI數(shù)據(jù)保持一致。

1.2.2 NPP估算 本文采用基于光能利用率的CASA模型對NPP進行估算。CASA模型是由遙感數(shù)據(jù)、溫度、降水、太陽輻射，以及植被類型、土壤質(zhì)地類型等數(shù)據(jù)共同驅(qū)動的光能利用率模型，模型中所估算中的植被凈初級生產(chǎn)力是由植被吸收光合有效輻射( APAR)和光能轉(zhuǎn)化率(ε )兩個變量來確定[17]。CASA 模型中 NPP 計算表達式為：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

(1)

式中，t表示時間；x表示空間位置；APAR (x，t)表示像元 x在t月吸收的光合有效輻射(單位：MJ/m2/月)；ε(x，t)表示像元x在t月的實際光能利用率(單位：gC/MJ)。

APAR (x，t)=FPAR(x，t)×SOL(x，t)×0.5

(2)

公式(2)為植被吸收的光合有效輻射(APAR)的計算方程，公式中 FPAR 為植被層對入射光合有效輻射的吸收分量；SOL(x，t)表示像元 x 在 t 時間的太陽總輻射mJ/m2·月；常數(shù) 0.5 表示植被所吸收利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。

FPAR(x，t)=αFPARNDVI+(1+α)FPARSR

(3)

式中α為2種方法間的調(diào)整系數(shù)；FPARNDVI為由NDVI估算的FPAR；FPARSR為由比值植被指數(shù)SR估算的FPAR。

Potter 等[18]認為在理想條件下植被具有最大光能利用率，而在現(xiàn)實條件下，光能利用率必須考慮到溫度和水分脅迫因子對最大光能利用率的影響。計算式如下：

ε(x，t)=Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax

(4)

脅迫因子Tε1(x，t)×Tε2(x，t)表示溫度對光能利用率的脅迫影響系數(shù)，Tε1(x，t)反映在低溫和高溫時植物內(nèi)在的生活作用對光合作用的限制而降低凈初級生產(chǎn)力。Tε2(x，t)反映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[19]。Wε為水分脅迫影響系數(shù)，代表水分條件的影響，由于原模型Wε的計算較為復雜，數(shù)據(jù)獲取難度大且精度難以保證，本文采用周廣勝等[20]研究的區(qū)域?qū)嶋H蒸散模型和Boucher[21]提出的互補關系進行水分脅迫因子Wε的求解，可以在保持求解精度的條件下，減少計算量，增強實際可操作性。

(5)

其中，公式中的E(x，t)為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量、Ep(x，t)為區(qū)域潛在蒸散量。

εmax為理想條件下的植被最大光能利用率，它的取值因植被類型的不同而不同，由于最大光能利用率的取值對NPP估算結果影響較大，對它的大小一直存在爭議[22]。原CASA模型中對εmax取值統(tǒng)一為0.389gC/MJ，但不同地區(qū)、不同類型的植被由于植被本身結構和生理屬性的不同，應當具有不同的最大光能利用率[23]。本文最大光能利用率采用Running等人基于生態(tài)生理過程模型對6種植被類型模擬的結果[24]。

2 結果分析

2.1 長順縣夏季NPP空間分布

根據(jù)模型估算結果，分析計算得到2000～2011年長順縣夏季NPP平均值空間分布狀況，如圖1所示，研究區(qū)域內(nèi)，NPP最大值達到了78.39 gC/m2·m，最小值也為4 gC/m2·m，平均值為34.51 gC/m2·m，大部分區(qū)域NPP值在20～50 gC/m2·m之間，占全縣面積的91.65%。植被類型為落葉闊葉林、針闊混交林、灌木林地區(qū)NPP值較高，其范圍在19～68 gC/m2·m之間，占全縣面積的66.95%；在耕地區(qū)域NPP值范圍在20～30 gC/m2·m之間，占全縣面積的24.69%；而在城鎮(zhèn)及周邊區(qū)域NPP值相對較低，在20 gC/m2·m以下，占全縣面積的5.72%。如圖3所示，把長順縣多年夏季NPP平均值分為四個等級(一級、二級、三級、四級，范圍分別為：0～20、20～40、40～60、60～80)，發(fā)現(xiàn)二級占全縣面積比最高，為65.37%，其次為三級和一級，分別為28.88%、5.72%，四級最低，僅為0.02%。長順縣夏季NPP在空間上總體呈現(xiàn)中部地帶的廣順鎮(zhèn)東部、改堯鎮(zhèn)西部、長寨鎮(zhèn)中西部、擺所鎮(zhèn)中東部、鼓揚鎮(zhèn)西部、代化鎮(zhèn)西部及南部和南部地帶的敦操鄉(xiāng)高，而東西兩側的擺所鎮(zhèn)及鼓揚鎮(zhèn)中部、廣順鎮(zhèn)西北部、長寨鎮(zhèn)及代化鎮(zhèn)東部、鼓揚鎮(zhèn)北部、改堯鎮(zhèn)中南部偏低的特點。這是由于長順縣海拔中部高，并逐漸向東西兩側降低的自然條件(如圖2)，加之主要河流、水系都在東西兩側，土壤又相對肥沃，導致長順縣耕地、人口都相對集中的分布于東西兩側，而中部高海拔地區(qū)則多為落葉闊葉林、針闊混交林、灌木林等植被茂盛的林地。

圖1 長順縣2000～2011年夏季NPP平均值空間分布圖

圖2 長順縣內(nèi)的海拔空間分布圖

圖3 夏季不同等級NPP占全縣面積的百分比

長順縣管轄的7個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))中，夏季NPP最大的為敦操鄉(xiāng)，12年平均為35.87 gC/m2·m，其次為改堯鎮(zhèn)，平均為35.67 gC/m2·m，夏季NPP較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)還包括代化鎮(zhèn)35.40 gC/m2·m、擺所鎮(zhèn)35.17 gC/m2·m、長寨鎮(zhèn)35.04 gC/m2·m，均大于全縣平均水平；偏小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括鼓揚鎮(zhèn)34.53 gC/m2·m、廣順鎮(zhèn)33.55 gC/m2·m，其中廣順鎮(zhèn)低于全縣平均水平，這是由于廣順鎮(zhèn)是耕地面積較其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)大，且建設用地面積也較多所導致。統(tǒng)計2000～2011年長順縣夏季NPP多年平均總量占全縣多年平均總量的百分比(圖4)，發(fā)現(xiàn)廣順鎮(zhèn)所占比例最大，為24.25%，長寨鎮(zhèn)次之，為22.56%，而擺所鎮(zhèn)、代化鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)及鼓揚鎮(zhèn)所占比例相近，介于10%～14%之間，敦操鄉(xiāng)最小，僅為5.48%。

圖4 2000～2011年長順縣夏季NPP平均總量結構圖

2.2 長順縣夏季NPP年間動態(tài)

長順縣夏季NPP呈上下波動狀態(tài)，介于21.18～50.21 gC/m2·m，其變化整體呈緩慢上升趨勢(圖5)?？傮w可分為三個時期，包括一個較為平穩(wěn)的時期，兩個波動較大的時期。第一個時期為2000～2002年，3年平均值為35.51 gC/m2·m，標準差為6.62，年間波動較大，主要是由于2001年和2002年這兩年夏季NPP存在顯著差異而引起的；第二個時期為2003～2006年，4年平均值為33.79 gC/m2·m，標準差為0.64，此階段變化比較平穩(wěn)；第三個時期為2007～2011年，2007～2009年夏季NPP有較大下降，而2010～2011年又得到較大恢復，年間波動較其他兩個時期大，5年平均值達到34.87 gC/m2·m，標準差為11.22，這主要是由于2007及2011年夏季NPP相對較大而2009年相對較小。通過計算夏季NPP變化率，發(fā)現(xiàn)94.89%的研究區(qū)域呈增長趨勢，針闊混交林、落葉闊葉林、灌木林、耕地及草地區(qū)域的平均增長率分別為2.77、2.32、2.34、0.99、1.05。說明在這12年間，長順縣地區(qū)植被在夏季的固碳量在逐年增加。其原因可能與研究區(qū)域開展的石漠化治理和植被生長的外部環(huán)境變化有關，如長順縣石漠化治理的近期工程(2006～2010年)，實施了封山育林、人工造林、人工種草等措施，以及全球氣候變暖、CO2濃度升高及太陽輻射增加等全球性氣候變化[25]，這些變化均能很好的促進植被的光合作用，加快植被的生長，進而固定更多的碳。

圖5 長順縣夏季NPP的時間動態(tài)變化圖

分別統(tǒng)計各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)每年夏季NPP平均值(圖6及表1)，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏季平均NPP在12年內(nèi)的變化一致。不同年份各鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏季NPP平均值間的差值介于0.5～4 gC/m2·m。根據(jù)計算得到的長順縣夏季NPP變化率，12年來長順縣夏季NPP平均增長率為2.10，長寨鎮(zhèn)、廣順鎮(zhèn)、擺所鎮(zhèn)、鼓揚鎮(zhèn)、代化鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)、敦操鄉(xiāng)分別以2.16、1.88、2.10、2.17、2.29、2.12、2.51 gC/m2·m的速率增加。

圖6 2000～2011年長順縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn) 夏季NPP平均值年際變化圖

鄉(xiāng)鎮(zhèn)200020012002200320042005200620072008200920102011擺所鎮(zhèn)34．0327．4952．8832．5433．1435．2334．1744．9631．2121．6926．4448．20代化鎮(zhèn)31．8328．7445．7133．0133．4035．8835．2147．7632．5622．3226．8551．55長寨鎮(zhèn)34．8028．1545．3532．1733．5335．4933．5745．7931．9121．7627．5250．41廣順鎮(zhèn)36．2727．0842．9631．9933．4232．2533．5344．2428．1419．4725．0748．16鼓揚鎮(zhèn)31．5128．0343．5433．9133．3234．9234．4546．6330．7621．7425．1950．36敦操鄉(xiāng)32．7728．5142．2933．9234．8236．1134．6248．4433．0323．1326．8655．92改堯鎮(zhèn)37．9128．2144．7634．0937．0434．3833．3946．2630．0520．8328．575259

3 結論與討論

2000～2011年期間，長順縣夏季NPP平均為34.51 gC/m2·m，大部分區(qū)域NPP值在20～50 gC/m2·m之間，占全縣面積的91.65%。65.37%的區(qū)域都介于20～40 gC/m2·m，5.72%的區(qū)域介于0～20 gC/m2·m，僅0.02%的區(qū)域介于60～80 gC/m2·m。多年平均夏季NPP的分布呈現(xiàn)明顯的地域性差異，總體呈現(xiàn)出由中部落葉闊葉林、針闊混交林及灌木林等植被茂盛的區(qū)域逐漸向東西兩側耕地及建設用地區(qū)域減少的分布規(guī)律。

長順縣夏季NPP在2000～2011年12年間，其變化整體呈緩慢上升趨勢。94.89%的區(qū)域呈增長趨勢，針闊混交林、落葉闊葉林、灌木林、耕地及草地區(qū)域的平均增長率分別為2.77、2.32、2.34、0.99、1.05。地區(qū)植被在夏季的固碳量在逐年增加，其原因可能與研究區(qū)域的石漠化治理及植被生長的外部環(huán)境變化有關。

長順縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)夏季平均NPP在12年內(nèi)的變化一致，不同年份各鄉(xiāng)鎮(zhèn)NPP平均值相差都在0.5～4 gC/m2·m的范圍內(nèi)。夏季NPP最大的為敦操鄉(xiāng)，12年平均為35.87 gC/m2·m，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)，除廣順鎮(zhèn)(33.55 gC/m2·m)低于全縣平均水平外，均高于全縣平均水平。這與廣順鎮(zhèn)耕地面積較其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)大，且建設用地面積也較多有關。12年間長寨鎮(zhèn)、廣順鎮(zhèn)、擺所鎮(zhèn)、鼓揚鎮(zhèn)、代化鎮(zhèn)、改堯鎮(zhèn)、敦操鄉(xiāng)夏季NPP分別以2.16、1.88、2.10、2.17、2.29、2.12、2.51 gC/m2·m的速率增加。

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Spatial and Temporal Patterns of Summer Net Primary Productivity (NPP) in Changshun Based on CASA Model

LIKe-xiang1，3，ZHOUYan1，3*，ZHOUYun-chao1，2*，ZHANGChun-lai4

(1.InstituteofLandPlanningandInformationTechnology,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 3.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 4.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,KeyLaboratoryofMinistryofLandandResources/GuangxiKarstDynamics,UNESCOInternationalKarstResearchCenter,Guilin,Guangxi541004,China)

Based on the CASA model, the net primary productivity (NPP) of summer vegetation in Changshun County was estimated, and the temporal and spatial distribution characteristics of the vegetation in 2000 ～ 2011 were analyzed. The results showed that the average NPP in Changshun County was 34.51gC / m2· m in the period from 2000 to 2011, and the area of NPP was between 20 ～ 50gC / m2· min 91.65% of the county. The distribution of average NPP in summer showed obvious regional differences, and The distribution pattern was gradually decreased from the lush vegetation of the central deciduous broad - leaved forest, coniferous and broad - leaved mixed forest and shrub forest to the east and west sides of the cultivated land and the construction land area. Summer NPP changed in a slow upward trend on the whole in 12 years. The average growth rates of coniferous and broad-leaved mixed forest, deciduous broad-leaved forest, shrub forest, arable land and grassland were 2.77, 2.32,2 .34, 0.99, and 1.05 respectively. The average carbon fixation of regional vegetation in summer increased year by year. The average summer NPP had a similar trend in the townships in 12 years. NPP in Changzhai, Guangshun, Baisuo, Guyang, Daihua, Gaiyao and Duncao increased at rate of about 2.16, 1.88, 2.10, 2.17, 2.29, 2.12, 2.51 gC/m2·m respectively.

Changshun county； NPP； CASA model； Spatial and temporal dynamics

2017-04-11；

2017-05-10

貴州巖溶高原石漠化綜合治理巖溶碳匯增匯試驗與示范(YR-JSHJ-2016-211)。

S127

A

1008-0457(2017)04-0085-06 國際

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.04.016

*通訊作者：周焱(1963-)，女，教授，主要研究方向：農(nóng)業(yè)資源利用， Email：yyyyzhou@126.com。 周運超(1964-)，男，博士生導師，教授，主要研究方向：森林土壤學， Email： yc409@163.com。