李月 孫政國

摘要：蒙古高原草地是歐亞大陸草地重要的組成部分，其中草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的核算和格局分析對(duì)畜牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)功能保護(hù)均具有重要意義。為摸清蒙古高原草地生產(chǎn)力分布特征，在建立蒙古高原草地生長(zhǎng)季節(jié)日光誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒猓⊿IF）與總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用2017年4—10月軌道碳衛(wèi)星（OCO-2）SIF數(shù)據(jù)結(jié)合同時(shí)期MOD17A2產(chǎn)品，對(duì)蒙古高原草地GPP空間格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，蒙古高原草地生長(zhǎng)季OCO-2 SIF與GPP具有顯著的相關(guān)關(guān)系（P<0.05），且估算的GPP精度較高（r2=0.82）。高原草地GPP空間格局呈現(xiàn)出由蒙古高原草地北部及東北部向西南方向減少的趨勢(shì)，總量為272.73 g/（m2·年），平均值為52.89 g/（m2·月）。GPP月際變化在5.83～104.59 g/（m2·月）之間，5—8月是高原草地主要生長(zhǎng)時(shí)期，GPP平均值為78.86 g/（m2·月），7月是蒙古高原草地GPP最高的月份，GPP平均值為104.59 g/m2。本方法能夠較為準(zhǔn)確地估計(jì)蒙古高原草地生產(chǎn)力分布特征，對(duì)維持蒙古高原草地的可持續(xù)發(fā)展和畜牧業(yè)的穩(wěn)定提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：蒙古高原;總初級(jí)生產(chǎn)力;葉綠素?zé)晒?OCO-2

中圖分類號(hào)： S812.29;S127 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）13-0219-08

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生物圈與大氣之間物質(zhì)和能量交換面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，覆蓋著地表超過25%的土地面積[1]，具有提供畜牧業(yè)發(fā)展的飼草料、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙等功能和作用。草地總初級(jí)生產(chǎn)力（gross primary productivity，GPP）是指單位時(shí)間單位面積上草地綠色植物通過光合作用所固定的有機(jī)碳總量，通常以g/（m2·年）為單位表示[2]。碳元素在植物-土壤-大氣連續(xù)體內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)與循環(huán)，通過光合、呼吸等作用調(diào)控物質(zhì)與能量的交換，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一種重要的生物地球化學(xué)過程[3]，精確地掌握GPP的時(shí)空分布特征可以準(zhǔn)確評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障草地的可持續(xù)發(fā)展。目前常用渦流協(xié)方差（eddy covariance，EC）通量觀測(cè)塔作為計(jì)算GPP的工具[4]，但依然無法實(shí)現(xiàn)對(duì) GPP 大尺度范圍內(nèi)的觀測(cè)。

基于日光誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒猓╯olar-induced chlorophyll fluorescence，SIF）遙感是一種能夠在大尺度空間上快速、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)草地GPP的方法手段[5]。其基本原理：植物葉綠體內(nèi)存在的光系統(tǒng)I（PSⅠ）在大約740 nm處，以及光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）在740 nm和685 nm處能夠釋放出不同波長(zhǎng)的葉綠素?zé)晒猓⊿IF）光子，反射較強(qiáng)的熒光信號(hào)[6]。較多的研究者利用SIF的近紅外波段反射信息與GPP之間建立相關(guān)關(guān)系。研究表明，地面、機(jī)載和衛(wèi)星傳感器獲取的SIF信號(hào)均與GPP有良好的相關(guān)性。Liu等利用地面獲取的SIF信號(hào)與GPP進(jìn)行擬合計(jì)算，結(jié)果表明，C3和C4作物的SIF數(shù)據(jù)均與GPP呈線性相關(guān)[7]。對(duì)機(jī)載SIF數(shù)據(jù)集分析表明，與植被指數(shù)相比，SIF具有更好的GPP預(yù)測(cè)能力，在環(huán)境應(yīng)力檢測(cè)方面具有更大的潛力[8]。空間測(cè)量也證明現(xiàn)有的GOSAT（greenhouse gases observing satellite）、GOME-2（global ozone monitoring experiment-2）和OCO-2（orbiting carbon observatory-2）SIF衛(wèi)星產(chǎn)品與FLUXCOM和MODIS GPP數(shù)據(jù)集具有良好的相關(guān)性[9]。OCO-2衛(wèi)星于2014年7月2日發(fā)射，相較于其他監(jiān)測(cè)SIF的衛(wèi)星，它具有更高的測(cè)量頻率和更精確的地面像素尺寸（1.3 km×2.25 km）（Gome-2為40 km×80 km，Gosat直徑為10 km），因此通過OCO-2 SIF計(jì)算GPP成為了一個(gè)監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的新途徑，同時(shí)SIF 757 nm波段較SIF 771 nm波段具有更高的檢索精度[10]。將 COO-2 SIF與GPP建立模型，用以監(jiān)測(cè)生產(chǎn)力的方法廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、森林及草地等生態(tài)系統(tǒng)中。相比于森林等生態(tài)系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為單一，不必考慮冠層結(jié)構(gòu)與其他部分光合作用的差異，更加有利于使用熒光監(jiān)測(cè)其生產(chǎn)力。Wei等以黑河流域的高寒草原和農(nóng)田為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)了OCO-2在估算GPP中的表現(xiàn)，結(jié)果表明，OCO-2與GPP線性相關(guān)且GPP（OCO-2 SIF 757）=15.86×SIF +0.69[11]。這種簡(jiǎn)單的線性模型十分有利于大尺度上監(jiān)測(cè)GPP空間分布，并且OCO-2 SIF在預(yù)測(cè)GPP上的準(zhǔn)確度較高，與通量塔實(shí)測(cè)GPP更加接近。

蒙古高原草地是歐亞大陸草地重要的組成部分，大部分天然草原區(qū)域由蒙古國草原和我國的內(nèi)蒙古草原組成，主要為干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)，具有較高的碳周轉(zhuǎn)率，所以研究普遍認(rèn)為，蒙古高原草地是全球碳循環(huán)年際變化的重要驅(qū)動(dòng)因素[12]。以往對(duì)于干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究往往選擇的區(qū)域范圍較小，不具有代表性。建立生產(chǎn)力模型時(shí)常與通量塔數(shù)據(jù)建立關(guān)系，但是通量塔測(cè)量范圍有限且測(cè)量?jī)x器本身存在系統(tǒng)誤差，所以在大規(guī)模估算GPP時(shí)EC通量塔無法準(zhǔn)確進(jìn)行計(jì)算。因此，本研究以整個(gè)蒙古草原草地為研究區(qū)域，使用OCO-2 SIF757與MOD17A2-GPP數(shù)據(jù)建立關(guān)系，驗(yàn)證精度后進(jìn)一步估算內(nèi)蒙古與蒙古國總初級(jí)生產(chǎn)力并分析其空間分布特征，以期為蒙古高原大尺度范圍內(nèi)合理開發(fā)草地資源提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

蒙古高原是歐亞大陸的重要組成部分，面積約為260萬km2，主要由蒙古國和我國內(nèi)蒙古自治區(qū)組成。草地是其主要的生態(tài)系統(tǒng)類型，占區(qū)域總面積的76.25%，其中內(nèi)蒙古草地占全區(qū)面積的66%，蒙古國草地占全國面積的84%[13]。

蒙古國（87°47′～119°57′E，41°35′～52°06′N）區(qū)域面積為156.65萬km2，屬大陸性溫帶草原氣候，年均溫自北向南由-4 ℃遞增至4 ℃，年均降水量從400 mm減少至50 mm，土地覆蓋的空間格局也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域過渡性，依次為裸地、荒漠草地、典型草地和森林[14]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)（97°12′～126°04′E，37°24′～53°23′N）區(qū)域面積為118.3萬km2，自東北向西南年均氣溫從-4 ℃增加至10 ℃，降水量從500 mm減少至50 mm，呈現(xiàn)出由東部季風(fēng)性氣候向西部大陸性氣候過渡的氣候特征，土地覆蓋空間格局整體也呈現(xiàn)出明顯的過渡性，從東向西依次分為森林、草甸草原、典型草原、荒漠草原和裸地[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

1.2.1 蒙古高原區(qū)劃數(shù)據(jù) 蒙古高原的區(qū)劃數(shù)據(jù)來自全球行政區(qū)劃數(shù)據(jù)庫（database of global administrative areas， GADM），下載網(wǎng)址為https：//gadm.org/，格式為shapefile。

1.2.2 土地覆蓋數(shù)據(jù) 采用歐洲航天局（European Space Agency， ESA）2017年土地覆蓋產(chǎn)品（Land Cover Maps - v2.0.7），時(shí)間分辨為年，空間分辨率為300 m。參照聯(lián)合國糧農(nóng)組織（UNFAO）提出的方案將土地分為農(nóng)田、森林、草地、濕地、定居點(diǎn)和其他類型等6個(gè)一級(jí)類型。

1.2.3 MOD17A2數(shù)據(jù) 由美國蒙大拿大學(xué)數(shù)字陸地動(dòng)態(tài)模擬小組（Numerical Terradynamic Simulation Group， NTSG）提供，下載網(wǎng)址為https：//ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/。數(shù)據(jù)年份為2017年，時(shí)間分辨為8 d，空間分辨率為0.05°，單位為 g /（m2·d8）[16]。這是一款最早的全球尺度上陸地植被不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力的產(chǎn)品，其理論基礎(chǔ)是光能利用率理論。

1.2.4 OCO-2數(shù)據(jù) 由于OCO-2 SIF為離散型數(shù)據(jù)，本研究使用Yu等通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）建立的OCO-2格網(wǎng)數(shù)據(jù)[17]，該數(shù)據(jù)是通過已經(jīng)訓(xùn)練好的ANN模型，基于MODIS反射率和土地覆蓋產(chǎn)品，預(yù)測(cè)了OCO-2間隙區(qū)域的日平均SIF[W/（m2·mm·sr）]?？臻g分辨率為0.05°，時(shí)間分辨率為16 d。由于2017年8月及9月上半月機(jī)器故障，本研究以2015—2016年的8—9月平均值作為2017年8—9月數(shù)據(jù)。

1.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為野外測(cè)量數(shù)據(jù)，調(diào)查地區(qū)包括內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾區(qū)、鄂倫春旗、鄂溫克族自治旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和牙克石，采樣點(diǎn)共計(jì)56個(gè)，調(diào)查區(qū)域平均海拔670 m。年降水量350 mm，年均氣溫-2.4 ℃，最高氣溫36.17 ℃，最低氣溫-48.5 ℃;≥10 ℃年積溫1 580～1 800 ℃，無霜期110 d[18]。按照OCO-2覆蓋的足跡點(diǎn)結(jié)合谷歌地球（Google Earth）高分辨率遙感影像，較為精確地確定野外實(shí)測(cè)采樣點(diǎn)的空間地理位置，選取56個(gè)樣點(diǎn)，覆蓋的草地類型為溫性草原，草地群落主要物種為羊草（Lepidum chinense）和貝加爾針茅（Stipa baicalensis），土壤類型為暗栗鈣土。實(shí)地測(cè)量點(diǎn)分布如圖1所示。試驗(yàn)過程中在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)選擇3個(gè)1 m×1 m樣方，將樣方內(nèi)草本植物齊地面將地上部分全部剪下，去除雜質(zhì)洗凈后分別稱質(zhì)量，測(cè)其地上部分生物量。本試驗(yàn)采用溫洛克國際2005年版的《陸地碳測(cè)量方法指南》[19]及張釗的研究結(jié)果[20]，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為總初級(jí)生產(chǎn)力。

1.4 精度驗(yàn)證

本研究選取內(nèi)蒙古呼倫貝爾市56個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的OCO-2 SIF及GPP模擬值和實(shí)測(cè)平均值對(duì)GPP結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，并使用確定系數(shù)（r2）、平均絕對(duì)誤差（RMSE）、平均相對(duì)誤差（REE）以及偏差（Bias）作為指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的精度。具體公式如下：

1.5 基于SIF的GPP估算

首先將土地覆蓋數(shù)據(jù)（300 m）重采樣至500 m使其空間分辨率與MOD17A2（500 m）相匹配，并提取蒙古高原草地覆蓋數(shù)據(jù)。之后將MODIS及SIF數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、剪裁、重投影并去除異常值等預(yù)處理后，利用校正系數(shù)恢復(fù)其原始真值，建立線性關(guān)系并與實(shí)測(cè)GPP驗(yàn)證。最終將每半月GPP估計(jì)值合稱為月數(shù)據(jù)后得到整個(gè)高原生長(zhǎng)季節(jié)的GPP空間分布格局。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒙古高原草地OCO-2 SIF與GPP的關(guān)系

使用OCO-2 SIF矢量數(shù)據(jù)提取GPP柵格數(shù)據(jù)，將二者建立關(guān)系。結(jié)果表明，蒙古高原草地生長(zhǎng)季節(jié)（4—10月）OCO-2 SIF 與GPP有顯著相關(guān)關(guān)系（P<0.05，樣本數(shù)n=56），線性斜率和擬合程度在不同時(shí)期中有所不同，并且與草地生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，隨著草地植物的生長(zhǎng)，SIF與GPP的擬合程度逐漸變高（圖2）。 4月及9—10月的擬合關(guān)系較差（r2為0.18～0.28），5—8月的擬合程度較高（r2為0.47～0.72）。

2.2 精度驗(yàn)證

精度驗(yàn)證結(jié)果表明，使用OCO-2 SIF估計(jì)的GPP與實(shí)測(cè)GPP具有較高的相關(guān)性，顯著性檢驗(yàn)P<0.01，且平均絕對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差分別為4.55和0.17，誤差在允許范圍內(nèi)（圖3），說明 OCO-2 SIF可以用于后續(xù)對(duì)蒙古高原草地總初級(jí)生產(chǎn)力的估計(jì)以及時(shí)空變化分析。

2.3 GPP空間分布動(dòng)態(tài)

使用上述OCO-2 SIF和GPP的關(guān)系，對(duì)2017年蒙古高原草地生長(zhǎng)季節(jié)的GPP空間分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在研究時(shí)段內(nèi)（4—10月），隨著蒙古高原草地濕度的區(qū)域性差異變化，整個(gè)高原的草地生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)出從蒙古高原草地北部的東北邊緣向西南地區(qū)過渡的特點(diǎn)（圖4）。蒙古高原草地GPP總量為272.73 g /（m2·年），蒙古國、內(nèi)蒙古分別為116.89、155.84 g /（m2·年）;GPP平均值為52.89 g/（m2·月），其中蒙古國、內(nèi)蒙古分別為51.83、53.96 g/（m2·月）。

蒙古高原北部草地GPP平均值均大于 120 g/（m2·月），并向南除杭愛山脈外逐漸減少至小于25 g/（m2·月）;東北部以大興安嶺為界，以東區(qū)域GPP平均值均大于120 g/（m2·月），并向西遞減至低于25 g/（m2·月），向西南逐步遞減至25～50 g/（m2·月）;整個(gè)高原GPP平均值最低的區(qū)域?yàn)楦咴鞅辈康陌^市、烏蘭察布市及錫林郭勒盟北部的草地，其GPP平均值為17.63 g/（m2·月）。

蒙古高原草地GPP總量分布特征與平均值相似。高原北部、杭愛山脈、大興安嶺以東以及內(nèi)蒙古東南部興安盟、赤峰市、通遼市部分區(qū)域草地在研究時(shí)段內(nèi)的GPP總量均大于400 g /（m2·年）;GPP總量自蒙古北部、東北部向南部、西南部逐步遞減至少于100 g /（m2·年），GPP總量最低的區(qū)域?yàn)楦咴鞅辈考皟?nèi)蒙古西南部草地，其GPP總量分別為85.78、76.61 g /（m2·年）。

2.4 GPP月際變化動(dòng)態(tài)

為突出研究時(shí)段內(nèi)GPP的時(shí)間變化動(dòng)態(tài)，本研究將GPP產(chǎn)品合成為月際產(chǎn)品，并逐月分析。研究結(jié)果表明，蒙古高原草地生長(zhǎng)集中于4—10月之間，這與Bao等的研究結(jié)果[21]基本一致。本研究以生長(zhǎng)季開始時(shí)間（start of the growing season，SOS）、生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí)間（end of the growing season，EOS）以及生長(zhǎng)季長(zhǎng)度（length of the growing season，LOS）[22]來表征高原草地生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)。

在研究時(shí)段內(nèi)，蒙古高原草地GPP月際變化為5.83～104.59 g/（m2·月），7月是蒙古高原草地GPP最高的月份，整個(gè)高原GPP為104.59 g/m2，10月是GPP最低的月份為5.83 g/m2（圖5和圖6）。

蒙古高原草地SOS通常為4月，GPP平均值為19.14 g/m2，其中內(nèi)蒙古草地為22.17 g/m2，蒙古國為16.11 g/m2。5—8月是高原草地主要生長(zhǎng)時(shí)期，此時(shí)高原草地GPP平均值為78.86 g/（m2·月），其中內(nèi)蒙古草地為77.51 g/（m2·月），蒙古國為80.22 g/（m2·月）。蒙古高原北部和大興安嶺以東地區(qū)的草地GPP最高大于g/（m2·月），杭愛山脈以及東南部的赤峰市、通遼市及興安盟地區(qū)GPP在 90～120 g/（m2·月）之間（圖5），其中7月是GPP最高的月份，GPP平均值為104.59 g/m2。蒙古高原草地EOS集中于9—10月，此時(shí)高原草地GPP為17.83 g/m2，其中內(nèi)蒙古草地為22.75 g/m2，蒙古國為12.92 g/m2。分析蒙古高原草地的LOS特征，有助于監(jiān)測(cè)高原草地的生長(zhǎng)情況，根據(jù)上述研究結(jié)果

可以將高原草地的LOS分為4個(gè)部分。高原北部以及東北部大興安嶺以西地區(qū)LOS一般在120～150 d之間;大興安嶺以東以及高原南部地區(qū)LOS一般在90～120 d之間;東南部赤峰市、通遼市及興安盟地區(qū)LOS一般在140～160 d之間;西部地區(qū)一般在90～105 d之間。

3 討論與結(jié)論

3.1 蒙古高原草地OCO-2 SIF與GPP的關(guān)系

OCO-2衛(wèi)星較以往衛(wèi)星具有更準(zhǔn)確的測(cè)量精度，為利用葉綠素?zé)晒夤浪悴莸厣a(chǎn)力提供了更為精確的手段。研究結(jié)果表明，OCO-2 SIF可以作為估算GPP的有效手段。Verma等研究發(fā)現(xiàn)，盡管環(huán)境條件會(huì)對(duì)植物光合作用和葉綠素?zé)晒庵g的復(fù)雜關(guān)系產(chǎn)生重要影響，但是在不同的草原環(huán)境下，冠層尺度的SIF與GPP之間依舊存在著顯著的線性相關(guān)關(guān)系，并且較基于過程的估算方法更加可靠[23]。本研究將OCO-2 SIF數(shù)據(jù)與MODIS GPP數(shù)據(jù)建立關(guān)系，研究結(jié)果表明，OCO-2 SIF可以作為估算GPP的可靠數(shù)據(jù)來源，OCO-2 SIF與MODIS GPP為顯著線性關(guān)系（P<0.05），這與Sun等的研究結(jié)果[24]相符。在本研究中，SIF與GPP的擬合程度隨著草地植物生長(zhǎng)，擬合程度變高，在7月時(shí)達(dá)到最高。由于OCO-2 SIF產(chǎn)品的離散性[25]，會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致估算結(jié)果的不準(zhǔn)確，但本研究表明蒙古高原4—10月的P值均小于0.05，所以結(jié)果是可靠的。

3.2 估算GPP的精度

本研究利用OCO-2 SIF估算的GPP與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，模擬精度較好，與劉建鋒等的研究結(jié)果[26]相近。本研究估計(jì)值整體略低于模擬值，這可能是由于本研究實(shí)地測(cè)量時(shí)間不及時(shí)，實(shí)測(cè)地點(diǎn)較少且主要分布于草地生長(zhǎng)較好的內(nèi)蒙古東部地區(qū)，而估算方程是將蒙古高原草地OCO-2 SIF與MODIS GPP建立關(guān)系，因此存在誤差。與Zhang等的研究結(jié)果[27-28]相比，本研究的估計(jì)值偏高，造成差異的原因可能是由于GPP的估計(jì)方式以及研究時(shí)間內(nèi)氣溫和降水不同所導(dǎo)致的。郝彥賓等利用渦度相關(guān)法分析了2004年和2005—2006年較為干旱年生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)蒙古典型草原GPP，2004年GPP為4.89 g/m2，而在相對(duì)干旱的2005—2006年GPP則為1.53～3.01 g/m2[29]。該現(xiàn)象在其他生態(tài)系統(tǒng)也依舊存在，Yan等研究發(fā)現(xiàn)，在同一農(nóng)田觀測(cè)點(diǎn)，2004年農(nóng)田生產(chǎn)力比2003年高出了近1倍[30]。同時(shí)，盡管OCO-2衛(wèi)星的分辨率已經(jīng)相對(duì)較高，但許多像素點(diǎn)依舊存在與其他土地類型混和的情況。Li等研究發(fā)現(xiàn)，GPP-SIF關(guān)系的斜率在C4生態(tài)系統(tǒng)要高于C3生態(tài)系統(tǒng)[31-32]。因此，在蒙古高原大范圍內(nèi)獲得的OCO-2 SIF-GPP關(guān)系無法準(zhǔn)確估計(jì)小范圍內(nèi)的GPP模擬值。另外，OCO-2本身存在的誤差也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，如OCO-2還存在像素瞬態(tài)偽影以及異常像素?cái)?shù)量增加的問題[33]。

3.3 蒙古高原草地GPP空間特征

GPP是表示生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要指標(biāo)，它能更為準(zhǔn)確地掌握其空間分布特征，能夠更加直觀地反映生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平。Ren等利用修正的光能利用率模型模擬出青藏高原草地GPP，為青藏高原高寒草地 GPP 的精確估算提供參考[34];郭群等利用多通道自動(dòng)原位監(jiān)測(cè)箱系統(tǒng)，計(jì)算出內(nèi)蒙古典型草原草地生態(tài)系統(tǒng)GPP，為草原的可持續(xù)發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)[35]。本研究以蒙古高原草地為研究對(duì)象，得到了2017年生長(zhǎng)季節(jié)的草地GPP時(shí)空分布特征并分析造成差異的原因。結(jié)果表明，降水量和人為因素是造成蒙古高原草地GPP差異的主要原因。蒙古高原地處干旱與半干旱區(qū)[36]，隨著降水量的變化，蒙古高原草地的整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)GPP的空間分布特征總體表現(xiàn)出由高原草地和東北部邊緣至西南地區(qū)逐漸減少的特點(diǎn)，這與黃登成的研究結(jié)果[37]一致。蒙古國北部受到來自北冰洋的大量水汽[38]，氣候濕潤(rùn)，利于草地植物的生長(zhǎng)。東北部地區(qū)受到太平洋水汽影響在整個(gè)生長(zhǎng)季都接近田間持水量，在溫度適宜的條件下，顯著提高了草地對(duì)碳的吸收[39]。而蒙古國南部草地和內(nèi)蒙古西北部草地由于降水量減少和溫度較高，草原類型以荒漠草原為主[40]，其生產(chǎn)力水平較低，全年平均值在30 g/（m2·年）以下，總量在100 g/m2以下。蒙古高原草地SOS、EOS分別在4月和9—10月，其中5—8月占全年生產(chǎn)力總量的85%。生產(chǎn)力的高低與草地生物量密切相關(guān)，內(nèi)蒙古草地GPP平均值與蒙古國相近但總量高于蒙古國25%，這主要是由于內(nèi)蒙古近年來實(shí)施的“退耕還林還草” “禁牧”等保護(hù)草原的措施使草地覆蓋度近年來整體提高。蒙古國西部和南部草地生物量減少可能是由于在蒙古國西部南部附近對(duì)煤礦、銅礦的開采使草地發(fā)生嚴(yán)重退化[41]。 太陽誘導(dǎo)的葉綠素?zé)晒庖驯惠^多應(yīng)用于估算生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力，本研究主要以草地生態(tài)系統(tǒng)為例，其冠層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但由于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣性加之現(xiàn)存觀測(cè)葉綠素的衛(wèi)星分辨率依舊較低，故無法使用統(tǒng)一的觀測(cè)條件和試驗(yàn)方法。葉綠素?zé)晒饨陙硪脖粦?yīng)用于其他領(lǐng)域，如監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)高溫[42]等自然災(zāi)害。估算不同生態(tài)系統(tǒng)總初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)考慮參數(shù)的不確定性依舊是今后研究的重點(diǎn)，同時(shí)將葉綠素?zé)晒鈶?yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)也有待進(jìn)一步的深入研究。

本研究基于OCO-2-SIF757數(shù)據(jù)、MOD17A2-GPP產(chǎn)品、土地覆蓋數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)，在分析GPP- SIF之間關(guān)系的基礎(chǔ)上模擬分析了2017年4—10月蒙古高原草地的GPP空間分布特征，研究發(fā)現(xiàn)，蒙古高原草地OCO-2 SIF與MODIS GPP具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），本研究的模擬值具有較高精度（r2=0.82），符合蒙古高原草地GPP空間分布特征。在空間特征上，蒙古高原草地GPP總量和平均值均與濕度密切相關(guān)，GPP總量為 272.73 g/（m2·年），平均值為52.89 g/（m2·月）。高原北部及大興安嶺以東區(qū)域GPP較高，平均值均大于120 g/（m2·月），GPP總量均大于400 g/（m2·年），并由北部、東北部向南部、西南部遞減至平均值低于30 g/（m2·月）;總量低于100 g/m2。時(shí)間特征上，蒙古高原草地SOS通常為4月，EOS通常為9—10月，GPP月際變化在5.83～104.59 g/（m2·月）之間，5—8月是高原草地主要生長(zhǎng)時(shí)期， 7月是蒙古高原草地GPP最高的月份。蒙古高原草地LOS一般在90～150 d之間。大尺度范圍的草原開發(fā)應(yīng)利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)配合地面調(diào)查的方法，及時(shí)了解草原生境狀況，因地制宜采取合理的方式開發(fā)草地。

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