基于CASA模型的福建省毛竹林NPP估算*

夏明鵬，董杰，官鳳英，范少輝，郜燕芳

(國(guó)際竹藤中心，北京100102)

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基于CASA模型的福建省毛竹林NPP估算*

夏明鵬，董杰，官鳳英，范少輝，郜燕芳

(國(guó)際竹藤中心，北京100102)

以RS和GIS為技術(shù)支撐，基于改進(jìn)的CASA模型為基礎(chǔ)，利用MODIS數(shù)據(jù)、森林資源清查毛竹樣地?cái)?shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及DEM數(shù)據(jù)等，估算了2012年福建省毛竹林NPP。結(jié)果表明，毛竹林最大光能利用率為2.399 6gC/MJ，2012年福建省毛竹林NPP平均值為1 169.10 gC/(m2a)，毛竹林碳積累總量為1.034 4×109tC。

毛竹；凈初級(jí)生產(chǎn)力；最大光能利用率

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)研究是碳循環(huán)研究的基礎(chǔ)，且隨著全球變化及碳循環(huán)研究的不斷深入，越來(lái)越受到各國(guó)學(xué)者的重視。國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)及之后的國(guó)際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)(GCTE)、京都議定書(shū)等均將植被凈初級(jí)生產(chǎn)力研究作為核心內(nèi)容之一[1～2]，植被凈初級(jí)生產(chǎn)力得到很大發(fā)展。從1876年Ebermayer最早開(kāi)始對(duì)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行研究以來(lái)[3]，NPP研究逐步經(jīng)歷了站點(diǎn)實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)回歸及模型模擬等階段。隨著RS和GIS技術(shù)的快速發(fā)展[4]，利用遙感模型進(jìn)行NPP估算研究已深入到許多領(lǐng)域[5]。而基于遙感的光能利用率模型已成為NPP估算的趨勢(shì)[6～9]，使得區(qū)域及全球尺度的NPP估算成為可能。在眾多光能利用率模型中，CASA模型在全球范圍內(nèi)的應(yīng)用最為廣泛[10]。該模型由Potter等于1993年建立，并基于此模型計(jì)算了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的NPP[11]。國(guó)外有學(xué)者基于CASA模型對(duì)新西蘭森林植被NPP、北美植被NPP進(jìn)行了研究估算[12～13]。而CASA模型中所使用的全球植被最大光能利用率(0.389gC/MJ)對(duì)廣東植被來(lái)講偏低[14]，由此可見(jiàn)，CASA模型并不能完全照搬到我國(guó)植被NPP估算研究中。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用改進(jìn)的CASA模型來(lái)對(duì)中國(guó)陸地不同類(lèi)型植被NPP進(jìn)行估算研究[15～17]。綜上所述，不同的學(xué)者采用不同的模型來(lái)計(jì)算不同類(lèi)型的森林植被NPP[18]，但大多數(shù)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需模型參數(shù)較多，且難以獲得，不適用于區(qū)域尺度及全球尺度NPP的估算。CASA模型所需參數(shù)少，可從遙感數(shù)據(jù)中獲得，同時(shí)可獲得全覆蓋數(shù)據(jù)，適用于區(qū)域及全球尺度NPP估算，便于分析NPP的季節(jié)、年際動(dòng)態(tài)變化[5]。由此可見(jiàn)，CASA模型較適合中國(guó)森林植被NPP的研究，但是不同的森林類(lèi)型其模型參數(shù)不同，需要進(jìn)行估算和校正[19]。

竹林資源特別是毛竹林具有高效的固碳能力，其巨大的碳儲(chǔ)量對(duì)全球碳平衡的貢獻(xiàn)逐漸得到了認(rèn)可[20～21]，其動(dòng)態(tài)變化與中國(guó)森林的碳匯功能在國(guó)家或區(qū)域尺度上對(duì)森林資源中具體森林類(lèi)型的碳動(dòng)態(tài)變化研究日益成為人們關(guān)注的重點(diǎn)[21]。而區(qū)域尺度下毛竹(Phyllostachysedulis)林對(duì)CO2的吸收利用情況相關(guān)報(bào)道較少，且植被NPP估算的光能利用率模型中，缺乏針對(duì)毛竹林的計(jì)算參數(shù)。

福建省是中國(guó)毛竹林分布中心區(qū)，竹林面積和質(zhì)量均列全國(guó)首位，具有典型代表性。本文采用福建省毛竹林樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展毛竹林最大光能利用率參數(shù)計(jì)算，構(gòu)建適用于研究區(qū)毛竹林NPP估算的光能利用率(CASA)模型，應(yīng)用模型估算了福建省毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力，為區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力準(zhǔn)確估算提供參考。

1　研究區(qū)域概況

福建省地處中國(guó)東南沿海，位于115°50′～120°43′E，23°31′～28°18′N(xiāo)。東西最寬約為480km，南北最長(zhǎng)約為530km，總陸域面積為12.4×104km2。地勢(shì)西北高，東南低，境內(nèi)山地丘陵面積占全省土地總面積的90%。福建省為暖熱濕潤(rùn)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，雨量充沛，光照充足，年平均氣溫17～21℃，平均降水量1 400～2 000mm，氣候區(qū)域差異較大，閩東南沿海地區(qū)屬南亞熱帶氣候，閩東北、閩北和閩西屬中亞熱帶氣候，各氣候帶內(nèi)水熱條件的垂直分異明顯。福建省是中國(guó)南方重點(diǎn)集體林區(qū)，其森林面積766.6×104hm2，森林覆蓋率63.10%，位列全國(guó)第一位。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源于預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)為MODIS影像數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間為2012年1月1日-2013年1月1日，共24期數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、裁剪，并將每個(gè)月內(nèi)的2期MODIS數(shù)據(jù)求平均值。將DEM數(shù)據(jù)重采樣為250m×250m，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。

福建省竹林資源二類(lèi)清查2010年度更新數(shù)據(jù)，按省、市、縣統(tǒng)計(jì)竹林面積信息(圖1)。選取了永安市毛竹林樣地共計(jì)121個(gè)，外業(yè)調(diào)查內(nèi)容包括，竹高、胸徑(1.3m處)、郁閉度、立竹度、年齡。結(jié)合已有在永安市采伐的172株毛竹的生物量實(shí)測(cè)值與竹齡計(jì)算竹子的NPP數(shù)據(jù)，在SPSS中對(duì)NPP與胸徑、年齡、竹高及生物量進(jìn)行相關(guān)性分析，最后選擇和毛竹林NPP相關(guān)性最強(qiáng)的竹齡和胸徑作為自變量，毛竹NPP作為因變量，建立單株毛竹的NPP線性回歸方程，NPP=Y×(-1.464)+D×1.322-3.678 (1)，式中，Y為毛竹的年齡(a)，D為毛竹的平均胸徑(cm)。結(jié)合樣地的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，利用該式計(jì)算得到永安市121個(gè)樣地的年NPP值。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于福建省22個(gè)氣象臺(tái)站2012年1月-12月氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等氣象觀測(cè)指標(biāo)的月值數(shù)據(jù)及福建省(福州、建甌)兩個(gè)太陽(yáng)輻射觀測(cè)站太陽(yáng)輻射、平均水汽壓等2012年1月-12月的月值數(shù)據(jù)。在ENVI、ArcGIS環(huán)境平臺(tái)的支持下，對(duì)MODIS影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2技術(shù)流程

福建省毛竹林NPP估算技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2　福建省毛竹林NPP估算技術(shù)路線Fig.2　Techniques route of NPP estimation in Fujian

2.3CASA模型

CASA模型是光能利用率模型，是碳循環(huán)模型研究中生物地球化學(xué)循環(huán)模型的代表，是由Potter[11]等于1993年建立的，其表達(dá)式為，NPP=APAR×ε(2)，式中，APAR為植被所吸收的光合有效輻射 (MJ/m2)；ε表示植被的實(shí)際光能利用率(gC/MJ)。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax(6),式中，Tε1(x,t)和Tε2分別為低溫和高溫對(duì)光能利用率的影響，Wε(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)，反應(yīng)水分條件的影響；εmax為理想條件下植被的最大光能利用率(g C/MJ)。

①Tε1(x,t)反映的是高溫和低溫時(shí)植物內(nèi)在的生化作用對(duì)光合作用的限制，從而導(dǎo)致凈初級(jí)生產(chǎn)力降低[8]，其表示如下,Tε1(x,t)=0.8+0.02Topt(x)-0.000 5〔Topt(x)〕2(7),式中，Topt(x)為最適溫度，即一年內(nèi)NDVI取到最高值時(shí)所對(duì)應(yīng)月份的平均氣溫。本文中通過(guò)對(duì)各月份NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出Topt(x)為7月份所對(duì)應(yīng)的平均氣溫。

表1　2012年各月NDVI最大值、最小值統(tǒng)計(jì)表Tab.1　Statistics of the maximum and minimum NDVI of every monthly in 2012

一般來(lái)講,Tε1(x,t)的取值范圍為0.8～1.0，Tε1(x,t)表現(xiàn)出植物在低溫環(huán)境下存在著較低的最大生長(zhǎng)速率并且較大的根生物量，導(dǎo)致呼吸消耗增加，光能利用率降低；相反高溫環(huán)境下，植物的生長(zhǎng)速率高，但同時(shí)呼吸消耗速率也較高，同樣也會(huì)出現(xiàn)植被光能利用率降低[9]。

②Tε2(x,t)表現(xiàn)出植被的環(huán)境溫度由最適溫度向著高溫或低溫變化時(shí)，其光能利用率變小的趨勢(shì)。反映了溫度偏離最適溫度時(shí)對(duì)植被生長(zhǎng)的影響，取值范圍在0.5～1.0之間。

Tε2(x,t)=1.184/{〔1+l〔0.2(Topt(x)-10-T(x))〕〕×〔1+l〔0.3(-Topt(x)-10+T(x))〕〕}(8),其中T(x)為月平均溫度，當(dāng)某一月平均溫度Topt(x)+10時(shí)，這個(gè)月Tε2(x,t)等于與平均溫度為最適宜溫度Topt(x)時(shí)Tε2(x,t)值的一半。

③水分脅迫因子Wε(x,t)表現(xiàn)出植被可以利用的有效水分條件對(duì)光能利用率的影響，取值隨著環(huán)境中有效水分的增加，逐漸增大。Wε(x,t)取值范圍為0.5～1，其中0.5表示極干旱條件，1表示非常濕潤(rùn)條件。CASA模型中水分脅迫因子計(jì)算方法為，Wε(x,t)=0.5+0.5×EET(x,t)/PET(x,t) (9),式中，EET(x,t)為t月份象元x處的區(qū)域?qū)嶋H蒸散量(mm)，PET(x,t)為t月份象元x處的區(qū)域潛在蒸散量(mm)；兩個(gè)區(qū)域蒸散量參數(shù)的計(jì)算方法為，EET(x,t)={P(x,t)×Rn(x,t)×〔P(x,t)2+Rn(x,t)2+P(x,t)×Rn(x,t)〕}/{〔P(x,t)+Rn(x,t)〕×〔P(x,t)2+Rn(x,t)2〕}(10)。

2.4最大光能利用率

最大光能利用率對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力的估算結(jié)果影響很大[24]，不同植被類(lèi)型εmax取值不同，且差異較大。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果基于永安市外業(yè)調(diào)查樣地毛竹林NPP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算福建省毛竹林最大光能利用率εmax值，首先假設(shè)福建省各區(qū)市間毛竹林最大光能利用率差別不大，然后計(jì)算研究區(qū)用于參數(shù)計(jì)算的樣地所有像元的APAR、溫度、水分脅迫系數(shù)及毛竹林NPP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最后根據(jù)公式(12)模擬計(jì)算得到福建省毛竹林最大光能利用率為2.399 6gC/MJ。

基于本文計(jì)算得到的福建省毛竹林最大光能利用率的基礎(chǔ)上，改進(jìn)CASA模型參數(shù)，建立適用于福建省毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力估算的CASA模型，公式為，NPP=SOL×f×0.5×Tε1×Tε2×Wε×εmax(13)。

3　結(jié)果與分析

基于實(shí)測(cè)的毛竹凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，結(jié)合影像數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到福建省毛竹林的最大光能利用率εmax為2.399 6gC/MJ，在參數(shù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用CASA模型對(duì)2012年福建省毛竹林NPP進(jìn)行估算，估算得到了2012年福建省毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布圖，見(jiàn)圖3。

圖3　福建省毛竹林年NPP空間分布圖Fig.3　Spatial distribution of Phyllostachys edulisNPP in Fujian

影響植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的因子有很多，其中主要是森林類(lèi)型本身的生理生態(tài)學(xué)特征及環(huán)境因子的影響，本文采用改進(jìn)的CASA模型對(duì)毛竹林NPP進(jìn)行模擬，無(wú)法考慮到所有的影響因子和生態(tài)過(guò)程，因此模型本身會(huì)有一定的簡(jiǎn)化。研究結(jié)合已有福建省永安市采伐的172株毛竹的生物量實(shí)測(cè)值(測(cè)量因子有胸徑、竹高及年齡)，計(jì)算得到121個(gè)實(shí)測(cè)樣地的NPP均值為1 014.47gC/(m2·a)?；谇懊嬗?jì)算的毛竹林最大光能利用率εmax參數(shù)對(duì)CASA模型進(jìn)行改進(jìn)，利用改進(jìn)的CASA模型估算121個(gè)樣地毛竹林的NPP均值為1 130.57 gC/(m2·a)。利用改進(jìn)的CASA模型估算毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力的精度為88.56%，模擬精度高，說(shuō)明建立的CASA模型來(lái)模擬福建省毛竹林的凈初級(jí)生產(chǎn)力是可行的。

估算結(jié)果表明，2012年福建省毛竹林NPP平均值為1 169.10gC/(m2·a)，毛竹林碳積累總量為1.034 4×109tC。

4　結(jié)論與討論

本文根據(jù)毛竹林實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬得到的εmax值為2.399 6gC/MJ，這與楊爽[25]通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測(cè)研究得到的浙江吉安毛竹林光能利用率ε界于0.8～2.8gC/MJ之間相吻合，由于采用的研究方法不同，得到的毛竹林最大光能利用率值的大小有所區(qū)別。已有的關(guān)于毛竹林最大光能利用率文獻(xiàn)資料較少，所以將本文研究的結(jié)果與其他學(xué)者關(guān)于植被最大光能利用率研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)：這與彭少麟等[14]認(rèn)為CASA模型所使用的最大光能利用率值(0.389gC/MJ)對(duì)廣東植被來(lái)說(shuō)偏低的結(jié)論是一致的。Ruimy等[26]在對(duì)C3植物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)其最大光能利用率在0.85～3.0gC/MJ之間，本文的研究結(jié)果符合這一范圍，說(shuō)明本文研究得出的福建省毛竹林最大光能利用率值是可靠的，可以應(yīng)用于福建省毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力的估算中。本研究不僅完善了國(guó)內(nèi)主要植被類(lèi)型的最大光能利用率，而且對(duì)今后開(kāi)展基于光能利用率模型的毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力遙感估算研究提供了參考。

對(duì)比其他學(xué)者的研究結(jié)果，張麗景等[27]利用MODIS數(shù)據(jù)基于遙感植被光合模型(VPM)估算2011年浙江省安吉縣毛竹林總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)為1 848.54g/m2，雖然這與本文得到的2012年福建省毛竹林NPP[1 169.10gC/(m2·a)]有差異，但是GPP還包含植物自養(yǎng)呼吸那一部分，并且所估算的時(shí)間和地點(diǎn)也是不同的。周?chē)?guó)模等[28]認(rèn)為浙江省集約經(jīng)營(yíng)的毛竹林年NPP應(yīng)在737.1gC/(m2·a)以上，本文的研究結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。李慧[29]利用MODIS數(shù)據(jù)基于改進(jìn)的CASA模型估算得到2005年福建省竹林年均NPP為917.70gC/(m2·a)，這也與本文研究結(jié)果相近。由于缺乏一些生理生態(tài)參數(shù)，李慧[29]采用了C3常綠闊葉林的平均參數(shù)作為竹林光合作用的參數(shù)，由此可見(jiàn)，毛竹林最大光能利用率參數(shù)的確定，對(duì)毛竹林凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究起到了關(guān)鍵作用。綜上所述，本文基于改進(jìn)的CASA模型來(lái)模擬估算福建省毛竹林的凈初級(jí)生產(chǎn)力是合理且可靠的。

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[29]李慧.福建省森林生態(tài)系統(tǒng)NPP和NEP時(shí)空模擬研究[D].福州:福建師范大學(xué),2008.

NPP Estimation of Phyllostachys edulis Forest based on CASA Model in Fujian Province

XIA Ming-peng,DONG Jie,GUAN Feng-ying,FAN Shao-hui,GAO Yan-fang

(International Centre for Bamboo and Rattan,Beijing,100102,P.R.China)

Based on improved CASA mode and technology of RS and GIS,by using data from MODIS,Phyllostachysedulissamples of National Forest Resources Inventory,meteorology and DEM,Phyllostachysedulisnet primary production (NPP) of Fujian province in 2012 was estimated in this study.The results showed that the maximum energy efficiency ofPhyllostachysedulisforest was 2.399 6gC/MJ,the amount of carbon accumulation ofPhyllostachysedulisforest in Fujian province was 1.034 4×109tC,the average NPP was 1 169.10 gC/(m2a) in 2012.

Phyllostachysedulis;net primary production(NPP); maximum energy efficiency

10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.05.022

2016-01-08

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD23B04)，科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)課題“毛竹林生物量遙感定量估測(cè)研究”(1632013010)。

夏明鵬(1990-)，男，碩士研究生，主要從事竹林資源遙感監(jiān)測(cè)研究。E-mail: xiamingpeng@126.com

簡(jiǎn)介：官鳳英(1974-)，女，副研究員，博士，主要從事竹資源監(jiān)測(cè)與管理技術(shù)研究。E-mail: guanfy@icbr.ac.cn

S 795

A

1672-8246(2016)05-0113-06