基于FY-3C的海南橡膠林生長季凈初級生產(chǎn)力估算研究①

張明潔 張京紅 張亞杰 車秀芬

(1海南省氣候中心 海南?？?570203；2南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 海南?？?570203)

植被的凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity)是指植物在單位時間單位面積上由光合作用產(chǎn)生的有機物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分[1]。凈初級生產(chǎn)力不僅直接反應(yīng)植被群落在自然條件下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)碳源(匯)和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色[2-4]。海南島是我國熱帶森林的代表地區(qū)，碳匯作用顯著，其中，熱帶林和經(jīng)濟林的碳儲量占整個海南島總碳儲量的80%～90%[5]。而橡膠林是最重要的一種人工經(jīng)濟林，具有較大的碳匯價值[6]。估算其NPP對開展橡膠林碳匯功能評價具有重要意義，也為開展海南島熱帶森林的NPP估算做出了有益的探索。

光能利用率模型是基于資源平衡理論來估算NPP的，模型比較簡單，可直接利用遙感獲得全覆蓋數(shù)據(jù)，其中Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA)模型充分考慮了環(huán)境條件和植被本身的生理生態(tài)特征，是采用光能利用率估算NPP的代表模型，在全球和尺度區(qū)域的NPP估算中有著廣泛的應(yīng)用。例如，F(xiàn)ield等[7]、Tatea等[8]、樸世龍等[9]基于NOAA.AVHRR數(shù)據(jù)，采用CASA模型，分別對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)、新西蘭和我國植被的NPP及其分布進行了研究。周秉榮[10]、吳文浩[11]、俞靜芳[12]、梁珂[13]分別對三江源區(qū)、江蘇省、浙江省、陜西省植被的凈初級生產(chǎn)力進行了估算。本研究以海南島天然橡膠林為研究對象，基于CASA模型，利用2016年4～12月橡膠林生長季的FY-3C VIRR數(shù)據(jù)和同期地面氣象觀測數(shù)據(jù)，估算了2016年4～12月海南島橡膠林的凈初級生產(chǎn)力分布狀況。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 材料

海南島地理位置 18°20′N～20°10′N， 108°21′E～111°03′E，屬熱帶季風海洋性氣候，長夏無冬，降水豐沛，年平均氣溫24.5℃，年平均降水量1 802.7 mm，年太陽輻射平均為5 473 MJ/m2。2016年海南島橡膠年末面積54.09萬hm2，收獲面積37.94萬hm2，干膠產(chǎn)量35.14萬t，占全國總產(chǎn)量的43.07%，橡膠樹品系以RRIM600和PR107為主。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)來源于海南省氣象局風云三號衛(wèi)星二級區(qū)域接收站(三亞站)的FY-3C VIRR遙感圖像。風云三號是中國第二代極地軌道氣象衛(wèi)星系列，F(xiàn)Y-3C VIRR傳感器共有通道數(shù)10個，光譜范圍0.43～12.5 μm，地面分辨率1.1 km，掃描寬度為±55.4°，主要用于云圖、植被、泥沙、雪、冰、地表溫度、海表溫度、水汽總量等的監(jiān)測。選擇FY-3C VIRR通道2紅光波段(0.84～0.89 μm)數(shù)據(jù)和通道6近紅外波段(1.55～1.64 μm)數(shù)據(jù)計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)。根據(jù)2016年4～12月FY-3C VIRR晴空遙感資料，利用國家衛(wèi)星氣象中心開發(fā)的衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)(smart)采用最大合成法提取了海南島植被的NDVI值，然后利用通過高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的海南島橡膠分布范圍，在ArcGIS中進行掩膜，得到海南島橡膠林的NDVI值(圖1)。地表溫度(LST)數(shù)據(jù)用平均值合成法逐日合成得到，空間分辨率為1 km，時間分辨率為月。

圖1 2016年4～12月海南橡膠林NDVI分布

續(xù)圖1 2016年4～12月海南橡膠林NDVI分布

氣象數(shù)據(jù)來源于海南省氣象局，包括2016年海南島18個氣象觀測站月平均氣溫、月降水量等。地理信息數(shù)據(jù)來源于海南省測繪局，包括海南省1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)；海南省1∶50 000數(shù)字高程圖(DEM)等。

太陽輻射資料：海南島進行太陽總輻射觀測的站點只有?？诤腿齺唭蓚€。本研究利用ArcGIS 10.1空間分析工具箱中的區(qū)域太陽總輻射計算功能，輸入海南島的DEM柵格數(shù)據(jù)[13]，以分月計算的方式，計算了2016年海南島各月的太陽總輻射，再按1 km分辨率進行重采樣，得到海南島2016年4～12月逐月的大氣上界太陽總輻射，再利用?？诤腿齺喌耐谟^測值進行訂正，得到地面總輻射。

1.2.2NPP估算方法

在CASA模型中植被NPP是通過植被所吸收的光合有效輻射(APAR)與光能利用率兩個變量來實現(xiàn)的[9]，其中光合有效輻射參數(shù)可通過來遙感技術(shù)獲取。橡膠林NPP估算公式可表示為：

式中：NPP(x,t)為像元x在t時間的凈初級生產(chǎn)力(gC/m2)，APAR(x,t)為吸收的光合有效輻射(MJ/m2)，ε(x,t)為實際光能利用率(gC/MJ)。

1.2.2.1 橡膠林吸收的光合有效輻射

橡膠林吸收的光合有效輻射APAR由太陽總輻射量和橡膠林對入射光合有效輻射的吸收比例決定，即：

式中：SOL(x,t)為像元x在t時間的的太陽總輻射量(MJ/m2)，F(xiàn)PAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例，取決于植被類型和植被覆蓋狀況，常數(shù)0.5表示植被所能利用的光合有效輻射(波長范圍0.4～0.7 μm)占太陽總輻射的比例[14-15]。

在一定條件下，F(xiàn)PAR可根據(jù)植被類型NDVI的最大值和最小值分別所對應(yīng)的FPAR最大值和最小值來確定[16]，即：

式中，NDVI(i,max)和NDVI(i,min)分別對應(yīng)第i種植被類型的NDVI最大值和最小值[16]。FPARmax和FPARmin的取值與植被類型無關(guān)，分別為0.95和0.001。進一步的研究表明，F(xiàn)PAR與比值植被指數(shù)(Simple Ratio)也存在良好的線性關(guān)系[6,16]，表示為：

SR(i,max)和SR(i,min)分別對應(yīng)第i種植被類型的NDVI的95%和5%下側(cè)百分位數(shù)[6]。SR(x,t)可由下式計算得到：

將分別利用FPAR與NDVI、SR的關(guān)系估算的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)用NDVI估算的FPAR比實測值高，用SR估算的FPAR比實測值低，但誤差小于用NDVI估算的結(jié)果[16-17]。Los將這兩種方法結(jié)合起來，取其平均值作為FPAR估算值，以使FPAR與實測值之間誤差達到最小[16,18]。本研究將(3)、(4)結(jié)合起來估算FPAR：

式中，F(xiàn)PARNDVI為FPAR與NDVI的線性關(guān)系計算得到的結(jié)果，F(xiàn)PARSR為SR與NDVI的線性關(guān)系計算得到的結(jié)果[14-15]，α為調(diào)整系數(shù)，取值0.5。

1.2.2.2 光能利用率

光能利用率是估算NPP模型中的重要參數(shù)，指植被層吸收入射光合有效輻射并將其轉(zhuǎn)化為有機碳的效率，主要受氣溫、土壤水分情況和理想條件下植被的最大光能轉(zhuǎn)化率等的影響，其計算公式如下：

式中：Tε1(x,t)和Tε2(x,t)為溫度脅迫系數(shù)；Wε(x,t)為水分脅迫系數(shù)，反應(yīng)水分條件的影響；為理想條件下植被最大光能利用率[14]。最大光能利用率的取值因不同的植被類型而有所不同，CASA模型中采用的最大光能利用率0.389 gC×MJ并不適用于橡膠林[19]，本研究采用朱文泉等[19]對落葉闊葉林的模擬結(jié)果0.692gC×MJ作為橡膠林的最大光能利用率[20]。

Tε1(x,t)是低溫或高溫條件下植物的生化作用對光合作用限制的體現(xiàn)[18]，當林間氣溫＜5℃時，橡膠樹會出現(xiàn)不同程度的寒害，0℃時，樹梢和樹干枯死，因此：

當月平均溫度T(x,t)≤0℃時，認為光合生產(chǎn)為零，

當月平均溫度T(x,t)＞0℃時，

Topt(x,t)表示一年內(nèi)NDVI值達到最大值時所對應(yīng)月份的平均氣溫。

Tε2(x,t)表示氣溫從最適宜溫度Topt(x,t)向高溫或低溫變化時植物對光能利用率的影響[16]，這種情況下，光能利用率逐漸降低：

當某月均溫T(x,t)比最適宜溫度Topt(x,t)高104℃或低13℃時，該月的Tε2(x,t)值等于月平均氣溫為最適宜溫度Topt(x,t)時的Tε2(x,t)值的一半[14]。

水分脅迫因子W(x,t)反映了植物所能利用的有效水分條件對光能利用率的影響，隨著環(huán)境中有效水分的增加而逐漸增大，取值范圍為0.5(極端干旱)-1(非常濕潤)[9,18]，計算公式為：

式中，E(x,t)為實際蒸散量[21]，Ep(x,t)為潛在蒸散量[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南橡膠林NPP的空間分布

利用2016年4～12月的FY3C-VIRR遙感影像以及同期氣象數(shù)據(jù)，采用CASA模型，估算海南島橡膠林凈初級生產(chǎn)力，得到2016年海南島橡膠林NPP空間分布狀況(圖2)。結(jié)果表明，2016年海南島橡膠林NPP平均為556.32 gC/m2/a，儋州、白沙、澄邁、瓊海、萬寧、臨高、昌江、保亭等市縣是橡膠林NPP的高值區(qū)，NPP大部分在600 gC/m2/a以上，文昌、?？?、東方、三亞、定安等市縣是橡膠林NPP的低值區(qū)，NPP大部分在400～500 gC/m2/a，部分地區(qū)低于400 gC/m2/a。橡膠林NPP大小的空間差異主要與水熱條件及其配合的好壞、林齡等因素有關(guān)。在各市縣范圍內(nèi)，由于林齡等的差異，橡膠林NPP的大小也存在空間差異，有待于更細致的研究。橡膠林NPP大小的空間差異主要與水熱條件、林齡等因素有關(guān)。

圖2 2016年海南橡膠林凈初級生產(chǎn)力(gC·m-2·a-1)分布

圖3 2016年4～12月海南橡膠林凈初級生產(chǎn)力(gC·m-2·月 -1)分布

2.2 海南橡膠林NPP的季相變化

受氣候條件影響，橡膠樹每年都隨著季節(jié)的變化而有序地進行萌芽、分枝、開花、結(jié)果、落葉等生命活動。相對休眠期自冬季落葉起至翌年春季萌芽時止，生長期自春季萌芽開始至冬季落葉為止。在海南，1～3月天然橡膠樹處于落葉期，橡膠樹未開割，橡膠樹凈初級生產(chǎn)力不在研究范圍內(nèi)。4～9月氣溫適宜、太陽輻射充足，橡膠樹經(jīng)歷3個蓬葉期，生長迅速，其中6～8月是一年中橡膠樹生長的高峰期。與此對應(yīng)，4～9月橡膠樹NPP保持在高值(圖3)，4月NPP為41.48 gC/m2/月，之后NPP迅速增大，5月NPP76.36 gC/m2/月，8月NPP最大，達到95.75 gC/m2/月。10月之后，隨著氣溫、太陽輻射等氣候條件的變化，葉片開始老化，橡膠林的NPP開始明顯下降，11和12月的分別為29.46、17.29 gC/m2/月，這些與天然橡膠樹的生物學特性、物候變化相一致，季節(jié)性規(guī)律明顯。其中，4～9月的NPP約占生長季總NPP的82.05%，表明橡膠林NPP的大小與水熱條件、林齡等因素有關(guān)，水熱條件的改善會直接影響天然橡膠林的NPP。

3 討論與結(jié)論

(1)本研究利用2016年FY-3C數(shù)據(jù)與光能利用率模型相結(jié)合的方法估算了海南島天然橡膠林的凈初級生產(chǎn)力，彌補了因地面氣象觀測數(shù)據(jù)稀缺所帶來的缺陷，為大中尺度上植被凈初級生產(chǎn)力研究做出了有益的探索。估算結(jié)果表明，海南橡膠林的凈初級生產(chǎn)力分布具有一定的地域差異和明顯的時間變化特征，這與氣溫、降水、太陽輻射等氣候條件的變化密切相關(guān)。遙感技術(shù)具有宏觀、動態(tài)、快速的特點，是獲得區(qū)域尺度植被生長分布及其動態(tài)變化的有效手段，以遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源的植被NPP研究將會顯示出其越來越重要的作用。但由于實測數(shù)據(jù)的獲取和推廣存在困難，遙感估算模型的精度檢驗還有待于進一步的研究。

(2)雖然CASA模型充分考慮了環(huán)境和植被兩方面因素，且輸入的參數(shù)簡單，便于大中尺度植被NPP估算，但由于在一年不同環(huán)境中天然橡膠林的最大光能利用率是不同的，因此，估算結(jié)果與實際值會有偏差，如何根據(jù)天然橡膠林的林齡、環(huán)境因素等確定最大光能利用率也是后續(xù)研究的重點之一。