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        東北地區(qū)主要森林植被NPP時空動態(tài)研究

        2017-10-23 05:15:06朱衛(wèi)紅
        環(huán)球市場信息導(dǎo)報 2017年38期
        關(guān)鍵詞:針葉林闊葉林東北地區(qū)

        ◎崔 花 丁 寧 朱衛(wèi)紅

        東北地區(qū)主要森林植被NPP時空動態(tài)研究

        ◎崔 花1,2丁 寧2朱衛(wèi)紅1,2

        本文基于簡化的CASA模型,研究1992~2012年間東北地區(qū)主要森林植被的NPP時空動態(tài)特征,這不但是今后東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡研究基礎(chǔ),而且對全球氣候變化也起著重要的作用。結(jié)果表明:1992~2012年間落葉針葉林的年均NPP值為358.7gCm-2a-1、落葉闊葉林的年均NPP值為424.99gCm-2a-1。總體來說,21年來落葉針葉林和落葉闊葉林的NPP呈現(xiàn)遞增趨勢;落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)出遞增趨勢,集中分布在大小興安嶺山區(qū)。落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢,集中分布在長白山地區(qū)及遼東半島。

        森林植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,簡稱NPP)是森林植被通過植被光合作用在單位面積和單位時間所產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量與自養(yǎng)呼吸之差。森林生態(tài)系統(tǒng)的NPP是地表碳循環(huán)的重要組成部分,它不僅是判定森林生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯及調(diào)節(jié)森林生態(tài)過程的主要因素,而且是在自然環(huán)境前提下所反映的森林植被的生產(chǎn)力,其表示陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài),對碳平衡和全球氣候變化具有不可替代的作用。探究東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)不但在生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及全球變化研究中具有重要的現(xiàn)實意義,而且對正確認識該區(qū)域主要森林植被碳源/匯的時空格局變化的動態(tài)特征也起著重要作用,并可作為今后評估東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究基礎(chǔ)。

        研究區(qū)概況

        我國東北地區(qū)處于歐亞大陸東岸的中高緯度地區(qū),是我國最高維度地區(qū),位于11532-13509E﹑3842-5355N。分布面積為1.24×106km2,占全國國土面積的15.32%。東北地區(qū)蘊育著豐富的地貌類型,且各種地貌都有一定的規(guī)律性分布特征,主要地貌有平原﹑高平原﹑低山﹑中山和丘陵。東北地區(qū)的氣候特點主要是四季分明,溫度帶跨度長和雨熱同季,東北地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候。東北地區(qū)是我國重要的森林覆蓋地帶和重點林區(qū),以大小興安嶺和長白山嶺北段為主,森林總蓄積量約占全國的1/3,林業(yè)用地面積為3875萬公頃,占全國的14.7%,森林覆蓋率為39.6%,大大超過了全國目前森林覆蓋率21.63%的平均水平。

        數(shù)據(jù)處理

        數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

        (1)遙感數(shù)據(jù):本研究選取由NOAAAVHRR/NDVI數(shù)據(jù)集作為源數(shù)據(jù)。對NDVI數(shù)據(jù)集的處理工作主要是通過IDL編程語言實現(xiàn),先讀入HDF數(shù)據(jù)之后利用最大值合成法(MVC)處理數(shù)據(jù),然后用定義投影及重投影完成的影像進行裁剪及配準。

        (2)氣象數(shù)據(jù):主要有1992年1月~2012年12月的東北地區(qū)各站點的月平均氣溫﹑月累計降水﹑月太陽總輻射量,屬于中科院青藏高原研究所開發(fā)的數(shù)據(jù)集。

        (3)土地覆蓋數(shù)據(jù):本研究所用的東北地區(qū)土地覆蓋數(shù)據(jù)是基于多源信息復(fù)合利用隨機森林方法得出來的。

        NPP估算

        作為典型的光能利用率模型及區(qū)域植被NPP估算模型,CASA模型主要通過遙感(RS)的技術(shù)方法,借助于主要的驅(qū)動因子,包括氣溫﹑降水量﹑太陽輻射量等等,從而計算植被NPP值。

        植被NPP可以由植被吸收的光合有效輻射和光能利用率計算得出,計算公式如下:

        式中:x表示空間位置,t表示時間,NPP為植被凈初級生產(chǎn)力,APAR為植被吸收的光合有效輻射,ε為光能利用率。

        光合有效輻射(APAR)的確定

        APAR的正確估算不僅是NPP估算研究的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ),而且對CASA模型獲得較大精確度有重要影響,并且是通過植被的光合作用得出的有機物中的化學(xué)能量值多少的重要前提。光合有效輻射的影響因素有月太陽輻射總量(SOL),光合有效輻射吸收比例FPAR以及表征植被利用的太陽有效輻射(波長是0.4-0.7μm)占植被吸收的太陽總輻射的比例參數(shù)(在實際應(yīng)用中,一般取常數(shù)值0.5)。計算公式為:

        式中x為像元所處位置,t為月份,F(xiàn)PAR由植被類型和植被覆蓋情況而定。研究表明,利用遙感數(shù)據(jù)所計算的NDVI可以有效反應(yīng)植被覆蓋狀況,并且兩者具有一定的線性關(guān)系。

        光能利用率ε的確定。光能利用率一般指在一定時期內(nèi)單位面積上通過光合作用所生產(chǎn)的有機物中的化學(xué)能與同一時刻入射到該面積上的光合有效輻射能的比值。通常

        用gC/MJ來表示。其計算公式如下:

        Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別表示低溫和高溫條件下光能轉(zhuǎn)化率的脅迫系數(shù);Wε(x,t)表示水分脅迫影響系數(shù),定義為植物利用有效水分對光能利用率的脅迫作用;εmax表示植被理想生長條件下的最大光能利用率。

        由于東北地區(qū)屬于溫帶濕潤﹑半濕潤大陸性季風(fēng)型氣候,四季分明﹑雨熱同期。因此本文不考慮水分脅迫系數(shù)對NPP值的影響,即水分對研究區(qū)NPP的影響可以通過溫度影響系數(shù)反映,水分脅迫系數(shù)取值為1。

        結(jié)果與分析

        落葉針葉林NPP時間動態(tài)特征

        1992~2012年間落葉針葉林NPP動態(tài)變化趨勢總體上是增長的趨勢。每年平均值變化范圍為235.51~439.11gCm-2a-1,多年均值為373.45gCm-2a-1。NPP年總量和年均值的變化趨勢大體相同,年總量的變化范圍為4.62×106tCa-1~16.33×106tCa-1,總量的多年均值為10.91×106tCa-1。1992~1997年間的年均NPP與年總量NPP具有相似的變化趨勢,雖波動幅度大小不一樣,但變化趨勢基本上相同。NPP年總量的波動較大,其1996年的NPP總量出現(xiàn)最小值,這可能是由于該年NDVI值偏小的原因?qū)е碌摹?998年,NPP總量值達到了最高峰,該年的NPP平均值雖不是最大值,但該年水熱條件充足,適宜植被生長,導(dǎo)致植被NPP總量偏大。1998~2000年的NPP平均值與總量值的變化趨勢大致相同,但波動幅度有所差距;2000~2002年的NPP平均值與總量值有相反的變化趨勢;2002年之后的年均NPP值的變化趨勢基本上與年NPP總量的變化趨勢相同。

        落葉闊葉林NPP時間動態(tài)特征

        1992~2012年間落葉闊葉林NPP動態(tài)變化主要呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。落葉闊葉林的年均NPP值變化范圍為237.94~435.38gCm-2a-1,多年均值為454.32gCm-2a-1。每年植被NPP總量值的波動范圍在2.69~9.55×106tCa-1之間,年總量均值為5.80×106tCa-1,比落葉針葉林的年總量均值約小兩倍。NPP年總量的波動較大,最小值出現(xiàn)在1996年,這可能是該年的NDVI值較低以及植被覆蓋面積偏低等原因引起的,最大值出現(xiàn)在2006年,這可能是由植被覆蓋面積偏高且氣候條件適宜而導(dǎo)致的。1992~1999年間落葉闊葉林的年均NPP值與年總量NPP值的變化趨勢大致相同,其NPP平均值遞增或遞減時,NPP總量值也隨之變化,且NPP平均值的變化幅度很小,基本上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢,但是總量值的波動較大;1999年之后,當NPP平均值增加或減少時NPP總量值有相反的變化趨勢;2008~2012年間NPP平均值和總量值的變化趨勢較穩(wěn)定。

        落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征

        落葉針葉林NPP值的空間分布大小具有明顯的區(qū)域特性,落葉針葉林NPP年最大值為784.5gCm-2a-1,年均NPP值為373.45gCm-2a-1,整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)遞增的趨勢,集中分布在西北部。大興安嶺以及小興安嶺北端到中部的區(qū)域,NPP值跨越4個等級,但主要是分布在100~300gCm-2a-1的區(qū)間內(nèi),只有在大興安嶺的西北部和南部出現(xiàn)了300~400gCm-2a-1的區(qū)間值,且數(shù)量較少。

        落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征

        落葉闊葉林的空間區(qū)域分布差異較明顯,與落葉針葉林的空間分布特征有較大差異。整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢,且主要集中分布在東南部。落葉闊葉林NPP年最大值為780.73gCm-2a-1,年均NPP值為454.32gCm-2a-1。落葉闊葉林多年NPP均值在0~500gCm-2a-1的范圍內(nèi)變動,對于落葉闊葉林來說,這個取值區(qū)間有點偏低。

        (1)1992~2012年間落葉針葉林的年均NPP值為358.7gCm-2a-1﹑落葉闊葉林的年均NPP值為424.99gCm-2a-1,從年均值來看,落葉闊葉林的年均NPP值大于落葉針葉林;落葉闊葉林的年NPP總量為5.51×106tCa-1,落葉針葉林的年NPP總量為10.94×106tCa-1,從總量來看,落葉針葉林NPP總量值比落葉闊葉林NPP總量值將近大兩倍??傮w來說,21年來落葉針葉林和落葉闊葉林的NPP呈現(xiàn)遞增趨勢。

        (2)研究區(qū)21年來2種林型NPP整體空間變化特征如下:落葉針葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從東南向西北呈現(xiàn)出遞增趨勢,集中分布在大小興安嶺山區(qū)。大興安嶺以及小興安嶺北端,落葉針葉林NPP多年均值主要分布在100~300gCm-2a-1;大興安嶺的西側(cè),NPP多年均值主要分布在300~400gCm-2a-1;此外其他研究區(qū)NPP值基本是介于0~200gCm-2a-1,且大量分布在0~100gCm-2a-1。落葉闊葉林NPP空間動態(tài)特征是整體分布上從西北向東南呈現(xiàn)出遞增趨勢,集中分布在長白山地區(qū)及遼東半島。大興安嶺﹑內(nèi)蒙古高原以及東北三大平原,落葉闊葉林NPP多年均值主要分布在0~100gCm-2a-1;小興安嶺和張廣才嶺北端,NPP多年均值主要分布在0~200gCm-2a-1;從張廣才嶺到遼東半島上的長白山余脈以及完達山系,NPP多年均值主要分布在0~100gCm-2a-1和300~400gCm-2a-1。

        目前存在的不足有:在NPP估算時,忽略了水分脅迫系數(shù),之后的研究應(yīng)該收集相關(guān)的數(shù)據(jù)將水分因子的影響考慮在內(nèi);NPP估算中用到的相關(guān)參數(shù),有些無法直接從已有數(shù)據(jù)獲取,因此參考了前人的研究成果,之后的研究應(yīng)該根據(jù)本區(qū)域及研究數(shù)據(jù)的特點,將參數(shù)更合理和實踐化。

        (作者單位:1.長白山生物資源與功能分子教育部重點實驗室(延邊大學(xué));2延邊大學(xué)理學(xué)院地理系)

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