◎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，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。

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，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。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。

(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)；2延邊大學理學院地理系)