利用MODIS數(shù)據(jù)估測毛竹林總初級生產(chǎn)力

張麗景，葛宏立

（浙江農(nóng)林大學環(huán)境與資源學院，浙江臨安 311300）

利用MODIS數(shù)據(jù)估測毛竹林總初級生產(chǎn)力

張麗景，葛宏立

（浙江農(nóng)林大學環(huán)境與資源學院，浙江臨安 311300）

通過集成中分辨率成像光譜儀（MODIS）衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與地面通量臺站的觀測數(shù)據(jù)，基于遙感的植被光合模型（VPM），估測了浙江省安吉縣山川鄉(xiāng)2011年的毛竹Phyllostachys edulis林總初級生產(chǎn)力（PGP）。研究表明：VPM模型估測的PGP（PGPVPM）在季節(jié)變化趨勢上和通量站點數(shù)據(jù)獲得的PGP（PGPobs）保持一致，VPM模型估算的2011年毛竹林總初級生產(chǎn)力為1 848.54 g·m-2，通量塔數(shù)據(jù)獲得的2011年毛竹林總初級生產(chǎn)力為1 899.69 g·m-2，相對誤差為2.69%。在全年累積總量上接近，但是估測值和觀測值之間仍然存在一定的差異，尤其是在生長季節(jié)，PGPVPM的值要高于PGPobs；VPM模型估測的PGP和通量塔數(shù)據(jù)獲取的PGP之間的決定系數(shù)為0.747，相關系數(shù)為0.864；且時間序列的增強植被指數(shù)（IEV）比PGP的相關關系強于歸一化植被指數(shù)（INDV）與PGP的關系。研究表明：VPM對于站點和區(qū)域尺度的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)PGP的模擬具有很大的潛力。圖3參22

森林生態(tài)學；毛竹林；總初級生產(chǎn)力；時間序列諧譜分析；MODIS

生物的總初級生產(chǎn)力（gross primary productivity）是指單位時間內(nèi)生物（主要是指綠色植物）通過光合作用途徑所固定的光合產(chǎn)物量或有機碳總量，又稱為總第一性生產(chǎn)力或總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（gross ecosystem productivity）[1-2]。隨著遙感技術的發(fā)展，對總初級生產(chǎn)力的區(qū)域模擬成為可能。近年來，已經(jīng)展開了基于遙感數(shù)據(jù)的總初級生產(chǎn)力模型模擬研究并建立了一系列模型，如全球生產(chǎn)率模型（GLO-PEM），區(qū)域尺度遙感參數(shù)模型（C-Fix），通量觀測的水分利用率模型（EC-LUE），中分辨率成像光譜儀（MODISPSN），植被光合模型（VPM），總初級生產(chǎn)力（TG）和植被指數(shù)（VI）模型。植被光合作用模型（VPM）作為一種改進的光能利用效率模型已成功地被用來估算森林和高寒草地等生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力并取得了很好的效果[3-7]。毛竹Phyllostachys edulis是中國最重要的竹林資源類型，占全國竹林面積的70%左右，以其生長快、周期短等特有的結(jié)構(gòu)和功能特性使其有別于其他類型的森林生態(tài)系統(tǒng)，在維護生態(tài)平衡方面發(fā)揮了重要作用[8]。在全球森林面積急劇下降的情況下，竹林卻以每年3%左右的速度在遞增。這意味著竹林將是一個不斷增加的碳匯[9]，對其總初級生產(chǎn)力的研究具有重要的意義。2010年，全球首座毛竹林碳通量觀測塔在浙江省安吉縣山川鄉(xiāng)建成，這為毛竹林碳通量的準確估計提供了基礎，并為遙感估測和渦度相關數(shù)據(jù)計算碳通量的交叉驗證提供了可能。本研究擬運用VPM模型對浙江省安吉縣山川毛竹林2011年的總初級生產(chǎn)力進行估算，同時分析其季相變化，以便探討模型的適用性，了解毛竹林的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

安吉縣位于浙江省西北部，30°23＇～30°53＇N，119°14＇～119°35＇E，縣域三面環(huán)山，中部為谷底平原，西南高東北低。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫12.2～15.6℃，年降水量1 100～1 900 mm。土壤主要有紅壤、黃壤、巖性土、潮土、水稻土等5類，山地土壤主要為紅壤、黃壤、巖性土，其中以紅壤面積最大。安吉縣植被在區(qū)域上劃屬亞熱帶常綠闊葉林亞區(qū)，中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶。安吉縣是“中國竹子之鄉(xiāng)”，竹林面積居全國前列、浙江首位，特別是毛竹林資源豐富，毛竹林覆蓋率達29.3%，面積占全縣森林面積的41.2%，占全省毛竹林面積近十分之一[10]。研究區(qū)位于安吉縣山川鄉(xiāng)，全球首座毛竹林碳通量觀測塔在此建成，通量塔總高40 m，主要通過輻射傳感器、光三維超聲風速儀、二氧化碳（CO2）水汽分析儀等科學儀器，全自動、全天候采集竹林不同冠層的二氧化碳濃度等竹林生態(tài)系統(tǒng)的宏觀信息，以此觀測、記錄毛竹林的固碳功能。

1.2 通量和氣象觀測數(shù)據(jù)

毛竹林的碳通量以及相關數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器自動、連續(xù)采集存儲，并在線計算30min的匯總或平均數(shù)據(jù)。在實際的渦度通量觀測中，由于傳感器物理屬性的局限性、坐標系選擇不恰當以及夜間湍流混合不均勻等會造成觀測數(shù)據(jù)的丟失或誤差，因此需要對通量數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。本研究主要采用了二維坐標旋轉(zhuǎn)和WPL校正，在EdiRe軟件中完成。

在通量觀測中，由于儀器、降水等原因影響，引起數(shù)據(jù)無效，因此須剔除不合格數(shù)據(jù)，包括：①二氧化碳通量觀測數(shù)據(jù)通常在一個閾值范圍內(nèi)，據(jù)研究，森林生態(tài)系統(tǒng)的閾值為-3～3mg·m-2·s-1[11]。本研究沿用該數(shù)據(jù)；②剔除湍流不充分情況下的數(shù)據(jù)，即摩擦風速u*＜0.2 m·s-1，并對處理后的資料進行數(shù)據(jù)插補。

經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理后，全年完整的經(jīng)過數(shù)據(jù)插補的0.5 h通量數(shù)據(jù)（ENE）被用來進行下一步的處理。凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量ENE是總初級生產(chǎn)力（PGP）與生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Re）之差。一般假設夜間渦度相關技術觀測的ENE等于Re，利用夜間的ENE與夜間溫度Ta之間的關系，以及Van，t Hoff方程得到ENE和Ta的關系，結(jié)合白天的溫度數(shù)據(jù)估計白天的Re。PGP等于白天的Re減去ENE。

本研究中使用的溫度數(shù)據(jù)Ta和光合有效輻射數(shù)據(jù)PAR從通量觀測系統(tǒng)的梯度系統(tǒng)獲得。這些數(shù)據(jù)同樣以0.5 h 1次的頻率進行測定并記錄。其中，PAR數(shù)據(jù)由梯度系統(tǒng)測得的短波有效輻射數(shù)據(jù)乘以系數(shù)0.5獲得[12]。為了匹配模型使用的MODIS（8 d時間分辨率）數(shù)據(jù)，逐日光合有效輻射被累積成8 d的總和值，對溫度數(shù)據(jù)求8 d的平均值。

1.3 MODIS數(shù)據(jù)和植被指數(shù)

遙感數(shù)據(jù)使用美國宇航局/中分辨率影像輻射度計（National Aeronautics and Space Administration/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，NASA/MODIS）陸地產(chǎn)品組按照統(tǒng)一算法開發(fā)的2011年共計46幅8 d最大值合成的陸地表面反照率產(chǎn)品（MOD09A1），空間分辨率為500 m，空間位置在全球正弦曲線投影SIN（sinusoidal project）系統(tǒng)中的編號為h28v05，數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF。該數(shù)據(jù)可以從USGS（United States Geological Survey）上下載。對于下載的MODIS數(shù)據(jù)，用ENVI軟件將坐標轉(zhuǎn)換為UTM坐標系下WGS84坐標，并使用其中的藍（459～479 nm），紅（620～670 nm），NIR（841～875 nm）和SWIR（1 628～1 652 nm）4個波段的數(shù)據(jù)進行植被指數(shù)的計算。研究表明：使用單個像元和使用3×3，5×5像元進行反照率數(shù)據(jù)提取對于計算植被指數(shù)影響差異不顯著[13]。因此，基于研究地點的經(jīng)緯度信息，從MOD09A1產(chǎn)品中提取通量塔所在位置的單個像元的反照率數(shù)據(jù)，參照以下公式進行植被指數(shù)歸一化（normalized difference vegetation index，INDV），增強植被指數(shù)（enhance vegetation index，IEV）和陸地表面水分指數(shù)（land surface water index，ILSW）的計算：

其中：ρ表示相應波段的地表反照率，下標NIR，red，blue和SWIR分別代表近紅外、紅、藍和短波紅外波段。INDV在高植被區(qū)易飽和、低植被區(qū)易受土壤背景影響，為了克服這種缺點，IEV引入藍光波段來降低大氣影響，同時，氣溶膠對IEV的影響也不如對INDV的影響顯著[14]。IEV對植被冠層變化敏感，包括冠層葉面積指數(shù)ILA，冠層類型和冠層結(jié)構(gòu)；而INDV對葉綠素變化比較敏感；ILSW對于葉片含水量變化比較敏感，短波紅外光譜波段對植物含水量和土壤濕度的變化敏感，而近紅外光譜波段對這種變化表現(xiàn)的敏感性較小，通過兩者的聯(lián)系來反演植被葉片含水量[15]。

1.4 植被指數(shù)異常值處理

通過遙感手段獲取的植被指數(shù)數(shù)據(jù)表征植被的生長狀態(tài)。MOD09A1數(shù)據(jù)雖然已用最大值合成法（MVC）進行8 d數(shù)據(jù)合成，可以消除部分噪音污染，保證合成結(jié)果為周期內(nèi)最接近現(xiàn)實情況的影像，但是由于算法本身的缺陷，仍然會受“云”等不良大氣噪聲的影響。這些殘留噪聲造成植被指數(shù)總趨勢“衰退”[16]。本研究采用時間序列諧波分析法（harmonic analysis of time series，HANTS）對INDV和IEV數(shù)據(jù)進行異常值處理（主要是消除云層的影響）。由于ILSW受云層影響較小，且ILSW數(shù)值波動較大，異常值判別比較困難，因此未對ILSW進行異常值處理。通過HANTS對INDV和IEV數(shù)據(jù)進行處理后，使得全年46個數(shù)據(jù)呈現(xiàn)一定的周期性，保持全年數(shù)據(jù)的平滑狀態(tài)。

圖1 HANTS方法處理前后INDV和IEV時間序列對比圖Figure 1 Comparison of normalized difference vegetation index，enhance vegetation index sequence before and after HANTS

1.5 植被光合作用模型

Xiao等[17]提出了植被光合作用模型（vegetation photosynthesismodel，VPM）用來估算植被生長季節(jié)——植被光合有效周期總初級生產(chǎn)力。VPM模型適用于站點尺度上單一植被類型的生態(tài)系統(tǒng)[18]，一些專家和學者應用VPM模型實現(xiàn)了對于高寒草甸、溫帶草原、森林、高寒、高寒沼澤生態(tài)系統(tǒng)8 d時間分辨率、500m空間分辨率總初級生產(chǎn)力的準確估測[3-7，18]。模型中使用了2個改進的遙感植被指數(shù)，即增強植被指數(shù)IEV和陸地表面水分指數(shù)ILSW來反映冠層（PAV）吸收的有效輻射和葉子的年齡，模型基本構(gòu)成如下：

其中：PAR是光合有效輻射，F(xiàn)PARPAV代表光合有效輻射被冠層葉綠素吸收的部分，εg是光能利用效率。參數(shù)ε0表示表觀量子效率或最大光能利用效率，Tscalar，Wscalar，Pscalar分別是溫度、水分和物候?qū)ψ畲蠊饽芾眯实挠绊懞瘮?shù)。

在VPM模型中，F(xiàn)PAR被分為2個部分，一部分是冠層中含有葉綠素可以進行光合作用的部分FPARPAV，另一部分是不能進行光合作用的部分FPARnPAV（如枯葉、樹枝等）[19]。在FPAR中只有FPARPAV部分對碳通量的估算起決定作用。在植被生長期間FPARPAV可以被看作是IEV的線性函數(shù)，且系數(shù)α被設置為1。表達式如下：

Tscalar是溫度對最大光能利用率的影響函數(shù)，采用陸地生態(tài)系統(tǒng)模型（TEM）的算法[6]：

其中：Tmin，Tmax，Topt分別是植物進行光合作用的最低、最高和最適溫度，T為某一時刻的氣溫。當空氣溫度低于最低光合作用時，Tscalar為0。在本文中，參考生長季IEV達到最大值時的溫度以及研究資料，最適溫度取值為25℃，研究發(fā)現(xiàn)當溫度超過25℃時生長最快，超過25℃，光合累積減少；Tmin，Tmax分別設為-5℃和40℃[20]。

Wscalar表征水分對光合作用的影響，在VPM模型中被表示為地表水分指數(shù)的函數(shù)：

其中：ILSWmax是單個像元內(nèi)植被生長季的最大ILSW值。本研究中ILSW最大值為0.282 25。

Pscalar表征物候狀況對光合作用的影響，其計算與葉片的壽命有關，具有物種特異性[7]。由于毛竹林整年均有葉片覆蓋，所以Pscalar被設置為1。

最大的光能利用效率因植被類型的不同而呈現(xiàn)顯著的差異[21]。對于特定的植被類型可以通過文獻調(diào)查或利用瞬時凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換數(shù)據(jù)（NEE）和光量子通量密度數(shù)據(jù)（PPFD）的關系獲得。本研究毛竹林最大光能利用效率取值來源于楊爽的碩士論文，和本研究為同一數(shù)據(jù)源，其值為0.002 8 mg·μmol-1，由Michaelis-Menten模型擬合得出[19]。

2 結(jié)果

2.1 VPM模型對總初級生產(chǎn)力的估測

將由通量塔獲取的溫度和光合有效輻射整合成8 d數(shù)據(jù)，結(jié)合由MODIS影像計算獲得的植被指數(shù)數(shù)據(jù)來驅(qū)動VPM模型，獲得2011年、時間分辨率為8 d的毛竹林總初級生產(chǎn)力的估測值（PGPVPM），并和由通量塔數(shù)據(jù)獲取的總初級生產(chǎn)力（PGPobs）進行對比驗證。由圖2可以看出：利用VPM模型估測的總初級生產(chǎn)力和渦度相關通量觀測的總初級生產(chǎn)力在研究時間段內(nèi)季節(jié)動態(tài)一致。

VPM模型估算的2011年毛竹林總初級生產(chǎn)力為1 848.54 g·m-2，通量塔數(shù)據(jù)獲得的2011年毛竹林總初級生產(chǎn)力為1 899.69 g·m-2，相對誤差為2.69%。盡管VPM模型估算的總初級生產(chǎn)力和通量塔獲得的總初級生產(chǎn)力在總量上相對誤差較小，在季節(jié)動態(tài)上趨勢一致，但是VPM模型估算的總初級生產(chǎn)力（PGPVPM）并不能很好地與渦度協(xié)方差技術獲得的總初級生產(chǎn)力（PGPobs）在細節(jié)上相匹配。在整個生長季節(jié)，PGPVPM與PGPobs的差異隨著溫度升高以及植被生長，逐漸增大，在夏天達到峰值，之后逐漸降低。PGPVPM與PGPobs線性關系的決定系數(shù)為0.747，低于同一模型在森林、農(nóng)田以及草原上的估算準確度[3-7]。

2.2 植被指數(shù)的季節(jié)動態(tài)和與PGPobs的關系

圖2 利用VPM模型估算的基于MODIS的總初級生產(chǎn)力（PGPVPM）在2011年的時空動態(tài)，以及與通量塔測量的總初級生產(chǎn)力（PGPobs）之間的關系Figure 2 Comparison of season changes in gross primary production from carbon flux site（PGPobs）and the MODIS-based model VPM（PGPVPM）in the 2011，simple linear regression relationship between PGPobsand PGPVPM

圖3是2011年山川站毛竹林INDV，IEV和ILSW的季節(jié)動態(tài)。在數(shù)值上INDV最大，其次是IEV，ILSW的值最小。這3個植被指數(shù)都在7月達到峰值，全年變化趨勢與總初級生產(chǎn)力保持一致。植被指數(shù)與總初級生產(chǎn)力的判定系數(shù)為：IEV（R2=0.69）＞INDV（R2=0.62）＞ILSW（R2=0.12）。非生長季ILSW的顯著升高源于研究區(qū)域冬季的積雪覆蓋，積雪覆蓋改變了地表反射率[22]。IEV與INDV相比，與通量塔數(shù)據(jù)獲取的總初級生產(chǎn)力有更好的線性關系，IEV與總初級生產(chǎn)力的決定系數(shù)（R2）在0.69，而INDV為0.62，因此對總初級生產(chǎn)力的解釋程度來看，IEV比INDV具有更好的解釋結(jié)果。

3 討論和總結(jié)

本研究應用集成MODIS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和地面通量站點的觀測數(shù)據(jù)的VPM模型來估算毛竹林總初級生產(chǎn)力。估測結(jié)果表明，對于毛竹林生態(tài)系統(tǒng)，IEV和總初級生產(chǎn)力（PGP）仍然具有更強的相關性，而INDV和PGP的相關性則相對較弱，表明IEV在表征地表植被覆蓋狀況方面優(yōu)于INDV，進一步說明使用IEV代替INDV進行PGP估測的優(yōu)勢。VPM模型估測的PGP在季節(jié)變化趨勢上和通量站點數(shù)據(jù)獲得的PGP保持一致，在全年累積總量上接近，但是估測值和觀測值之間仍然存在一定的差異，尤其是在生長季節(jié)。

尺度擴展問題是通量研究的熱點和難點問題，通量塔的測量范圍是有限的，通常為通量塔高度的100倍[23]。遙感模型的應用能幫助我們將單個站點的研究推導到區(qū)域尺度，遙感模型估算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的比較是驗證和校正模型的第1步。限于時間等因素，本研究僅應用VPM模型對毛竹林的總初級生產(chǎn)力進行了估測和檢驗，并沒有將模型進行尺度外推，且對模型的誤差來源沒有進行深入探討，研究中的一些結(jié)論和觀點還有待于進一步驗證。根據(jù)目前在研究過程中遇到問題的一些理解和思考，認為在以下一些問題上需要進一步的完善和發(fā)展。

本研究僅利用VPM模型對毛竹林的總初級生產(chǎn)力（PGP）進行了估測，和通量塔觀測數(shù)據(jù)進行了交叉驗證，分析了毛竹林總初級生產(chǎn)力在2011年的季節(jié)和年際變化規(guī)律，但是并未對模型進行擴展研究。對VPM模型有效性的驗證僅利用了2011年的觀測資料，基于毛竹林生長的一些特殊性，葉齡、竹齡、葉位等均對毛竹的光合作用能力和碳匯能力有巨大的影響，并且毛竹存在大小年之分，對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的監(jiān)測應充分考慮這些因素，需要長期數(shù)據(jù)的檢驗和分析，才能對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)有更深刻的認識。

圖3 毛竹林植被指數(shù)（IEV，INDV，ILSW）和通量塔獲得的總初級生產(chǎn)力Figure 3 Vegetation indices（IEV，INDV，ILSW）and the gross primary productionof the carbon flux site

在整個模型的應用中，關鍵參數(shù)只有IEV和ILSW，結(jié)合了溫度和光合有效輻射數(shù)據(jù)，忽略了毛竹林生長過程中的一些其他因素；雖然植被指數(shù)能很好地反映植被的生長狀況和季節(jié)變化趨勢，但是并不能很好地解釋物理過程，如：植被的光合作用過程、生態(tài)系統(tǒng)呼吸過程、橫向碳交換等，需要進一步增加相關解釋因子。

VPM模型中，最大光能利用率是一個最重要的參數(shù)，由植被類型確定，且在植被生長的不同階段，最大光能利用率不是固定不變的。本研究參照楊爽的研究結(jié)果，將最大光能利用率取為一個固定值，且該值在計算過程中并沒有考慮海拔、溫度和坡度等因素對最大光能利用率的影響，可能導致估算結(jié)果的誤差。在模型中僅用溫度和水分因子對最大光能利用效率進行了線性調(diào)節(jié)，最大光能利用率和調(diào)節(jié)因子的誤差會帶來總初級生產(chǎn)力估算的不確定性。

由于數(shù)據(jù)觀測和采樣誤差、相關數(shù)據(jù)的缺乏，模型在模擬生態(tài)系統(tǒng)過程中的偏差，以及模擬技術和算法的不確定性，使得在觀測、模擬區(qū)域或全球尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力過程中存在著一定的不確定性。在本研究中并沒有對誤差來源進行分析、量化和定量化表達，如何對這些誤差來源和不確定性進行分析將是進一步研究的重點。

總之，毛竹林作為森林生態(tài)系統(tǒng)一個重要類型和組成部分，對其碳匯能力的研究應進一步深化。VPM模型雖然已在森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)中得到很好的應用和驗證，在毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中也有一定的精度，但是要精確估測毛竹林的總初級生產(chǎn)力仍需要進一步的發(fā)展和細化參數(shù)。VPM模型的最終目的是以更高的時間和空間分辨率實現(xiàn)對于區(qū)域或全球不同生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力的準確估測。

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Gross primary production in Phyllostachys edulis based on MODIS

ZHANG Lijing，GE Hongli
（School of Environmental and Resources Science，Zhejiang A&F University，Lin，an 311300，Zhejiang，China）

To analyze gross primary production（PGP）ofPhyllostachys edulisfrom Shanchuan Village in Anji County，Zhejiang Province in 2011，the vegetation photosynthesismodel（VPM）which was developed by integrating MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）and flux measurements was used.Results showed that PGPVPM（1 848.54 g·m-2）was consistentwith results from Shanchuan carbon flux site（1 899.69 g·m-2）having a relative tolerance of 2.69%.Though total PGPwas similar，some differences occurred especially in the growing season，PGPVPMwere higher than PGPobs.The correlation of PGPVPMto PGPobswas 0.747 and the correlation coefficientwas 0.864.Further，time-series data for the IEVhave a stronger linear relationship with the PGPthan those for the Normalized Difference Vegetation Index.Results of this study demonstrate that the satellite-driven VPM has been potential for estimating site-level or regionalPhyllostachys edulisPGP.[Ch，3 fig.22 ref.]

forest ecology；Phyllostachys edulis；gross primary production；harmonic analysis of time series（HANTS）；MODIS

S718.5

A

2095-0756（2014）02-0178-07

2013-03-12；

2013-04-19

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD22B0503）；浙江農(nóng)林大學研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（3122013240145）

張麗景，從事遙感與信息技術研究。E-mail：348353551@qq.com。通信作者：葛宏立，教授，博士，從事森林數(shù)學模型技術、統(tǒng)計與抽樣技術、遙感技術在森林資源監(jiān)測中的應用等研究。E-mail：jhghlhxl@163.com