基于CASA模型和MODIS数据的甘南草地NPP时空动态变化研究
刘洁, 孟宝平, 葛静, 高金龙, 殷建鹏, 侯蒙京, 冯琦胜, 梁天刚*
兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020
*通信作者 E-mail: tgliang@lzu.edu.cn

作者简介:刘洁(1995-),女,陕西渭南人,在读硕士。E-mail: liuj14@lzu.edu.cn

摘要

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)在全球气候变化及碳循环研究中扮演着重要的角色,精准快速的估算NPP对评估区域生态系统承载力以及合理利用自然资源具有重要的意义。利用2011-2014年甘南地面实测草地地上生物量(aboveground biomass, AGB)数据和根冠比系数计算的草地NPP数据,分别验证了MOD17A3 NPP产品和基于CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型估算的草地NPP的精度,分析了2000-2016年甘南地区草地NPP的时空动态变化。结果表明:基于CASA模型模拟的草地NPP精度整体上高于MOD17A3 NPP产品的精度,其均方根误差(root mean square error, RMSE)较MOD17A3 NPP小9.94 g C·m-2;CASA模型分析的甘南地区草地NPP总体上呈现由西南向东北逐渐减少的趋势;对不同草地类型而言,沼泽类的平均NPP最高(469.07 g C·m-2),温性草原类最低(324.18 g C·m-2),而占研究区草地总面积比例较大的高寒草甸类和高寒灌丛草甸类草地的平均NPP分别为449.22和465.27 g C·m-2;2000-2016年间,甘南地区大部分草地NPP稳定不变,其面积占研究区草地总面积的75.31%,NPP呈增加趋势的区域占草地面积的22.63%,而NPP呈减少趋势的区域占比最小,仅为2.06%。以上研究结果表明CASA模型在高寒地区草地NPP评估、草地资源合理利用与管理方面具有重要的应用价值。

关键词: 甘南地区; 草地净初级生产力; MOD17A3产品; CASA模型; 动态变化
Spatio-temporal dynamic changes of grassland NPP in Gannan prefecture, as determined by the CASA model
LIU Jie, MENG Bao-ping, GE Jing, GAO Jin-long, YIN Jian-peng, HOU Meng-jing, FENG Qi-sheng, LIANG Tian-gang*
State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, Key Laboratory of Grassland Livestock Industry Innovation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China
* Corresponding author. E-mail: tgliang@lzu.edu.cn
Abstract

Net primary productivity (NPP) plays an important role in global carbon cycle and is important to understanding drivers of climate changes. Precise and rapid estimation of vegetation NPP is important for evaluating ecological carrying capacity at a regional scale and managing natural resources reasonably. In this study, field-measured grassland above ground biomass (AGB) from 2011 to 2014, MODIS remote sensing data and meteorological data in Gannan prefecture were used. In combination with the ratio of belowground biomass to AGB, we calculate the grassland NPP, and evaluate the accuracy of the MOD17A3 product and Carnegie-Ames-Stanford approach (CASA) model, and analyze the dynamic changes of grassland NPP from 2000 to 2016 using the better method. The results show that the accuracy of grassland NPP predictions from the CASA model (root mean square error (RMSE) = 9.94 g C ·m-2·yr-1) is higher than that of MOD17A3 product. The average annual grassland NPP determined by the CASA model shows a decreasing trend from the southwest to northeast between 2000 and 2016 in our study area. Comparing different vegetation types, the annual NPP for marsh grassland (469.07 g C ·m-2·yr-1) was the highest, while that of temperate steppe grassland was the lowest (324.18 g C ·m-2·yr-1). In addition, the annual NPP of alpine meadow and alpine shrub meadow grasslands (which have relatively large area in Gannan prefecture) was, respectively, 370 and 430 g C ·m-2·yr-1. Over the past 17 years, the annual grassland NPP was generally stable in most regions, (75.31% of the total grassland area). Meanwhile, an increasing NPP trend was seen in 22.63%, and a decreasing trend in just 2.06% of the Gannan prefecture area. These results suggest that the CASA model has an important role in grassland NPP estimation and will assist in the sustainable management of grassland resources in alpine areas.

Keyword: Gannan prefecture; grassland net primary productivity (NPP); MOD17A3 product; CASA model; dynamic change

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)是指单位面积的绿色植物在单位时间累积的有机物总量, 包括植被地上部分和地下部分的生物量[1]。NPP的研究是全球变化与陆地生态系统研究的核心内容之一, 它能够反映植物群落在自然环境条件下的生产能力, 是评价植被生态系统可持续发展的重要生态指标。草地是我国最重要的土地覆盖类型之一, 约占国土总面积的41.41%, 草地生态系统具有调节气候、涵养水源、保持水土、改良土壤和维持生物多样性等重要功能[2]。准确监测草地NPP对于评估草地资源变化, 发掘草地生产潜力及合理利用草地资源等方面具有重要的科学意义和实际应用价值[3, 4, 5]

目前, 在区域或全球尺度上NPP无法直接测量, 利用模型间接估测是一种重要途径, 已被学者们广泛接受[6, 7]。在众多区域陆地NPP估测模型中, 基于植被光能利用率原理的CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型是最具潜力的研究手段之一[8]。CASA模型中的大部分参数可以直接通过遥感数据获得, 不需要复杂的野外工作, 实用而简单, 并且从不同的侧重点出发可估测不同生态系统的NPP[9, 10, 11]。已有大量研究基于CASA模型估测了青藏高原地区高寒草地的NPP状况, 但不同研究结果差异较大。王莺等[12]发现2001-2008年甘南地区的草地NPP平均值为483.41 g C· m-2, 7种不同草地类型NPP介于336.03~535.60 g C· m-2。朴世龙等[13]基于CASA模型估算得到1982-1999年青藏高原不同植被类型的平均NPP介于24~574 g C· m-2, 其中草甸草地NPP为176 g C· m-2。张镱锂等[14]发现1982-2009年高寒草地年均NPP为120.8 g C· m-2, 28年来草地NPP呈现波动上升趋势, 增幅为13.3%。孙云晓等[15]得出1983-2012年青藏高原不同植被类型NPP介于30~707 g C· m-2, 其中高寒草甸类草地NPP为241 g C· m-2。邹德富[16]估算结果表明2003-2010年间青藏高原草地NPP年均值介于为20.0~212.2 g C· m-2, 其中高寒草甸类草地NPP为116.0 g C· m-2

MOD17A3 NPP产品数据集是通过Running等[17]利用BIOME-BGC模型(biome biogeochemical model)与光能利用率模型模拟所获得的。目前, 该产品能够较好地估测全球生态系统NPP的时空变化状况, 在不同植被生长状况评价、生物量估算、环境监测、碳循环和全球变化等研究中得到验证和广泛应用。刘琳等[18]基于MOD17A3 NPP数据分析表明2000-2010年重庆植被NPP波动范围集中在510~646 g C· m-2之间, 大部分地区NPP呈现上升趋势, 且由南向北增加的幅度逐渐减小。王新闯等[19]分析得到2000-2010年河南省植被年平均NPP为384 g C· m-2, 大部分地区植被NPP呈现增加趋势, 且在空间上从南到北逐渐减少。李登科等[20]研究得出2000-2006年陕西省植被NPP介于340~434 g C· m-2, 呈现北低南高的分布特征。刘海江等[21]发现2000-2010年锡林郭勒盟草地NPP总体上呈增加的趋势, 东部地区的NPP值高于西部地区。然而, 以上研究大多集中在重庆、河南、陕西和内蒙古等地区, 在青藏高原高寒草地少有涉及, 特别是在高寒草地上针对MOD17A3产品与CASA模型模拟结果的对比研究鲜有报道, 因此系统评估MOD17A3产品与CASA模型模拟高寒草地NPP的精度, 对准确分析草地NPP的时空动态变化特征具有重要作用。

综上所述, 本研究以青藏高原甘南地区作为研究区, 基于2011-2014年野外实测的草地地上生物量(aboveground biomass, AGB)数据和根冠比系数计算的草地NPP, 对MOD17A3 NPP产品和CASA模型的估测精度进行检验。研究适合甘南地区草地NPP的估测方法, 并分析高寒草地NPP的时空动态变化特征, 以期为甘南草地资源的可持续利用和草地生态环境保护等相关研究提供科学基础。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

甘南藏族自治州(33° 06'-35° 44' N, 100° 46'-104° 44' E)位于青藏高原东北边缘区。平均海拔3000 m, 属于典型的高原大陆性气候。年均温度为1~3 ℃, 日照时数为1759.5~2583.1 h, 年均降水量为434.0~598.9 mm[2]。境内水资源较为丰富, 主要河流有白龙江、黄河、洮河和大夏河。全州包括7县1市, 分别为东南部的舟曲和迭部县, 中部的碌曲、卓尼和临潭县, 北部的夏河县和合作市以及西部的玛曲县。甘南地区是甘肃省重要的畜牧业生产基地, 也是全国少数民族集聚的五大草原牧区之一, 拥有天然草地7.72× 106 hm2, 占土地总面积的67.64%, 其中可利用草地2.57× 106 hm2, 占草地总面积的95.86%[22]。该地区草地类型有暖性草丛、低平地草甸、沼泽、温性草原、温性草甸草原、高寒灌丛草甸和高寒草甸类, 其中高寒灌丛草甸的面积最大, 占甘南地区草地面积的87.00%; 其次是高寒草甸类草地, 其面积比为11.06%(图1)。

图1 甘南地区草地类型及外业调查样点空间分布Fig.1 Spatial distribution of different grassland types and sample points in Gannan prefecture

1.2 数据采集与处理

1.2.1 草地AGB数据 野外调查主要集中在2011-2014年草地生长季7-8月, 地面实测样地数据主要分为固定监测样地和随机监测样地:1)固定样地位于夏河县桑科乡央吉社区, 在研究区内选取草地植被空间分布比较均一, 具有空间代表性且与MODIS植被指数像素(大小为250 m× 250 m)所对应的区域作为采样区。2012年在采样区内设置5个大小为30 m× 30 m的样地, 在每个样地内随机布设0.5 m× 0.5 m的样方各1个; 2013年布设同样大小的样地12个, 每个样地内随机设置3个样方; 为了增加样地的空间代表性及其与MODIS植被指数数据的空间匹配性, 2014年样地增加到13个, 采用5点法布设样方[23], 共设置65个样方。2)随机监测样地在甘南全州内布设, 样地和样方大小与固定样地相同, 两个样地之间的距离大于5 km。本研究于2011年8月在全州范围内设置随机监测样地57个, 在植被群落一致性较好的样地内设置2~3个样方, 在植被较为复杂的样地中布设3~4个样方, 共布设样方176个。记录每个样方内的草地类型、优势种、物种数、草地植被盖度、草层高度和GPS定位信息等指标, 以及齐地面刈割所有植被地上部分的鲜重并带回室内在65 ℃恒温烘箱中烘干至恒重测干重。

1.2.2 草地NPP的计算 采用草地地上生物量和地下生物量之和作为草地的NPP值, 地下生物量根据地上与地下生物量的比例系数(又称根冠比)来估算。本研究中采用的根冠比系数来自朴世龙等[24]确定的中国草地植被地上与地下部分生物量的比例系数, 其中甘南地区高寒草甸类和高寒灌丛草甸类草地的根冠比为7.92, 低平地草甸类为6.31, 换算为NPP后乘以系数0.45得到以碳为单位的草地NPP数据[24]

1.3 遥感数据与预处理

1.3.1 数字高程模型与太阳总辐射量的计算 数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据来源于NASA的SRTM数据(http://srtm.csi.cgiar.org/), 空间分辨率为90 m。在ArcMap下, 利用Resample工具将其重采样至1000 m, 采用甘南州边界矢量空间数据裁剪出甘南地区的DEM数据。借助Area Solar Radiation模块计算每日太阳总辐射量(solar radiation, SOL)[25]

1.3.2 气象数据 气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/), 本研究下载了2000-2016年甘南及其周边地区38个气象台站的日均温数据(℃)。通过ANUSPLIN软件, 利用薄板样条插值法(thin-plate smoothing spline, ANUSPLIN)对甘南地区2000-2016年各月的平均温度进行插值处理, 建立了近17年月均温空间数据集[26, 27]

1.3.3 MODIS数据与预处理 本研究主要涉及的遥感数据来自美国航空航天局对地观测系统数据与信息系统(NASA’ S Earth Observing System Data and Information System, EOSDIS)开发的MOD17A3、MOD15A2和MOD09GA数据, 数据格式为EOS-HDF。同一时相, 能够覆盖整个研究区的以上3种数据各需1景, 轨道号均为h26v05。MOD17A3数据是空间分辨率为1 km的年NPP数据; MOD09GA是空间分辨率为500 m的每日地表反射率产品, 包括MODIS 1~7波段, 本研究使用第2波段(841~876 nm)和第6波段(1628~1652 nm)的数据, 计算地表湿润指数(land surface water index, LSWI); MOD15A2是L4级8 d合成的光合有效辐射分量产品, 空间分辨率为1 km。其中, MOD15A2数据和MOD09GA计算的LSWI数据用于CASA模型估算NPP。

利用MODIS数据重投影工具(MODIS reprojection tool, MRT)对以上数据进行格式转换和定义投影, 处理后的数据为Tiff格式和WGS84/Albers投影。在ArcMap中利用Resample工具将所有数据重采样至1000 m, 进一步利用Extract by Mask工具裁剪出甘南州的MODIS影像, 用于后续分析研究。同时, 采用最大值合成法(maximum value composite, MVC), 分别合成月最大MOD15A2和MOD09GA数据集[28]

1.4 基于CASA模型的草地NPP估算

CASA模型是由遥感数据、温度、降水、太阳辐射以及植被类型和土壤类型共同驱动的光能利用率模型, 主要通过光合有效辐射(absorbed photosynthesis active radiation, APAR)和光能转化率(ε )来计算NPP[29, 30, 31]。其表达式为:

NPP=APAR× ε (1)

其中, APAR为植被吸收的光合有效辐射; ε 指光能转化率, 即植被把所吸收的光合有效辐射(APAR)转化为有机碳的效率[8]

光合有效辐射的计算式如下:

APAR=SOL× FPAR× 0.5 (2)

其中, SOL为太阳总辐射量(MJ· m-2); FPAR为植被冠层对入射光合有效辐射(photosynthetically available radiation, PAR)的吸收比例; 常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射(波长0.4~0.7 μ m)占太阳总辐射的比例。

光能转化率主要受温度和水分的影响, 其计算公式是:

ε =Tε 1× Tε 2× Wε × ε * (3)

Tε 1=0.8+0.02× Topt-0.0005× (Topt)2 (4)

Tε 2={1.184/[1+ e(0.2×(Topt-10-T))]}× {1/[1+ e(0.3×(-Topt-10+T))]} (5)

其中, Tε 1Tε 2表示温度对光能转化率的胁迫作用; Topt为植物生长时的最适温度; T为月平均气温; ε * 为理想条件下的最大光能转化率, 其值随植被类型的不同而不同。本研究选用植被最大光能转化率的全球通用值0.389 g C· m-2[29, 30]

水分胁迫系数(Wε )反映植物所利用的有效水分对光能转化率的影响状况。本研究通过遥感反演地表湿润指数LSWI的方法计算 Wε[32], 计算方法如下:

Wε = 1+LSWI1+LSWImax(6)

LSWI= ρnir-ρswirρnir+ρswir(7)

其中, 近红外波段(ρ nir)和短波红外波段(ρ swir)的范围分别为841~875 nm和1628~1652 nm; LSWI的取值范围是-1~1; Wε 的取值范围为0~1。

1.5 MOD17A3 NPP和CASA模型估算的NPP精度验证

野外实测AGB数据转化的草地NPP数据作为观测NPP, 验证MOD17A3 NPP数据和CASA模型估算的NPP在甘南草地的估测精度, 评价指标选用均方根误差(root mean square error, RMSE)[23, 33]。通过精度比较确定的草地NPP估算算法将用于进一步模拟甘南地区2000-2016年的草地NPP动态变化。RMSE计算公式如下:

RMSE=(Yi-Yi')2N(8)

式中, Yi为第i个研究位点NPP观测值; Yi'为第i个研究位点的CASA模型估算的NPP值或MOD17A3 NPP值。RMSE值越小, 表示模型估测误差较小; 反之, 表示模型误差较大[34, 35]

1.6 草地NPP时空动态变化

基于精度评价所选的草地NPP估算算法和Slope公式模拟甘南地区2000-2016年的草地NPP动态变化。Slope趋势变化分析方法的计算公式如下:

Slope=n×i=1ni×Xi-i=1nii=1nXin×i=1ni2-(i=1ni)2(9)

式中, n为监测时间段的年数; Xi为第i年的NPP值[36]Slope数值的大小反映了NPP随时间变化的速率大小。

为了进一步反映研究区草地NPP的变化程度, 本研究使用F检验判断其变化趋势的显著性, 计算公式为:

F= R2(n-2)1-R2(10)

式中, R2为2000-2016年间每个像元NPP值和年份之间的复相关系数; n表示年份数, 本研究取17年。显著性水平分为3级:不显著变化(P≥ 0.05)、显著变化(0.01< P< 0.05)和极显著变化(P≤ 0.01)。结合甘南州Slope变化趋势, 将草地NPP变化显著性情况分为极显著增加、极显著减少、显著增加、显著减少和保持稳定5种情况。

2 结果与分析
2.1 基于调查样本的甘南地区草地AGB及观测NPP的统计分析

甘南地区2011-2014年7-8月的实测草地AGB统计分析结果表明, 草地AGB空间差异较大(表1)。草地AGB最小仅为4.70 g· m-2, 最大达234.85 g· m-2。各县市草地AGB平均值介于55.54~84.92 g· m-2, 变异系数介于0.31~0.49。各县市平均草地AGB由大到小依次为碌曲、玛曲、夏河、合作、卓尼和临潭。其中, 临潭县的生物量最低, 为55.54 g· m-2, 变异系数较大, 为0.32; 碌曲县的生物量最大(84.92 g· m-2), 变异系数为0.31。相对而言, 碌曲、夏河和临潭县的变异系数较小(0.31~0.33), 标准偏差也较小, 说明这3个县草地AGB的波动相对较小。

表1 甘南地区2011-2014年实测草地地上生物量 Table 1 Measured aboveground biomass from 2011 to 2014 in Gannan prefecture (g· m-2)

2011年不同草地类型观测NPP整体上介于36.05~942.69 g C· m-2, 平均值范围为176.40~359.80 g C· m-2。研究区3种主要草地类型NPP平均值由高到低依次为高寒草甸类、高寒灌丛草甸类和低平地草甸类。其中, 高寒灌丛草甸类草地的标准偏差相对较高, 为136.34 g C· m-2, 说明该类草地的NPP变化幅度较大(表2)。分析2011-2014年高寒草甸类草地的观测NPP统计结果(表3)表明, 4年来高寒草甸类草地的观测NPP介于36.05~942.69 g C· m-2, 平均值为294.87 g C· m-2。整体来看, NPP呈现逐年减小的趋势, 其平均值下降了56.05 g C· m-2, 标准偏差随时间变化逐渐减小, 说明NPP变化波动逐年变小。

表2 2011年甘南不同草地类型观测NPP统计分析 Table 2 Statistical analysis of observed NPP in different grassland types in Gannan prefecture in 2011
表3 2011-2014年甘南高寒草地观测NPP统计分析 Table 3 Statistical analysis of observed NPP from 2011 to 2014 in Gannan alpine meadow
2.2 基于MOD17A3产品和CASA模型估算的NPP精度评价

利用2011-2014年地面观测NPP数据进行精度评价的结果如表4表5所示。对于高寒草甸类草地而言, MOD17A3 NPP产品的RMSE与CASA模型的估算结果基本一致; 而就高寒灌丛草甸类和低平地草甸类草地而言, CASA模型计算的NPP的RMSE值(分别为123.81和53.14 g C· m-2)均低于MOD17A3产品, 其RMSE较MOD17A3 NPP产品分别降低了38.32和41.32 g C· m-2(表4)。

表4 2011年不同草地类型MOD17A3产品和CASA模型估算的NPP精度评价 Table 4 Accuracy assessment of NPP based on MOD17A3 product and CASA model in different grassland types in 2011
表5 2011-2014年甘南高寒草甸MOD17A3产品和CASA模型估算的NPP精度评价 Table 5 Accuracy assessment based on MOD17A3 product and CASA model from 2011 to 2014 in Gannan alpine meadow

在2011-2013年间, CASA模型模拟的草地NPP的RMSE介于102.42~122.96 g C· m-2, 而MOD17A3 NPP产品的RMSE则介于109.56~157.82 g C· m-2, 可以看出这3年间CASA模型的模拟结果优于MOD17A3 NPP产品。但是, 2014年MOD17A3 NPP产品的RMSE略低于CASA模型模拟NPP的RMSE。总体来看, 这4年间MOD17A3 NPP产品的RMSE较CASA模型模拟NPP的RMSE高9.94 g C· m-2(表5)。综合以上结果, CASA模型模拟的高寒灌丛草甸类和高寒草甸类草地NPP的精度高于MOD17A3 NPP产品。由于这两类草地的面积占研究区草地总面积的90%以上, 因此可以认为CASA模型更适合用于评估甘南地区草地净初级生产力。

2.3 甘南州草地NPP时空动态变化

2.3.1 2000-2016年平均草地NPP空间分布特征 利用CASA模型分析得到甘南地区2000-2016年平均草地NPP的时空变化(图2)。17年间, 草地平均NPP介于64.84~638.85 g C· m-2, 总体上呈现由西南向东北逐渐减少的趋势。草地NPP平均值大于570 g C· m-2的区域主要分布在玛曲县的南部和东部, 以及碌曲县的部分地区; NPP平均值在370 g C· m-2以下的区域主要分布在夏河县的北部、舟曲县的东部以及玛曲县和合作市的部分地区; 其余大部分地区NPP平均值在370~570 g C· m-2, 其面积占整个草地总面积的80%以上。

在所有草地类型中, 平均NPP值由大到小依次为沼泽类、高寒灌丛草甸类、高寒草甸类、温性草甸草原类、低平地草甸类、暖性草丛类和温性草原类。其中沼泽类草地面积仅占研究区草地总面积的0.41%, 其平均NPP值最大, 达469.07 g C· m-2; 高寒草甸类和高寒灌丛草甸类的面积比例达到90%以上, 其NPP平均值分别为449.22和465.27 g C· m-2(表6)。

图2 2000-2016年甘南地区年平均NPP空间分布状况Fig.2 Spatial distribution of the average NPP from 2000 to 2016 in Gannan prefecture

表6 2000-2016年不同草地类型的NPP统计分析 Table 6 Statistical analysis of NPP in different grassland types from 2000 to 2016

2.3.2 NPP年际变化特征 图3为草地NPP变化趋势分布情况。整体来看, 研究区NPP的空间异质性较大。其中, 大部分地区草地NPP年变化率介于-2~2 g C· m-2, 其面积占整个研究区草地面积的43.18%; 其次为NPP年变化率介于2~3 g C· m-2和大于3 g C· m-2的区域, 主要分布在夏河县、舟曲县的东南部、碌曲县的北部以及玛曲县和合作市的部分区域, 分别占比为14.90%和34.43%; 草地NPP年变化率低于-2 g C· m-2的区域面积较小, 分布在玛曲县的东南部和碌曲县的中部区域, 所占比例仅为7.50%。2000-2016年草地NPP变化显著性检验结果如图4所示。大部分地区NPP呈现不显著变化趋势, 仅15.41%的区域呈显著和极显著性变化, 主要分布在夏河、玛曲和舟曲县的部分区域。

图3 2000-2016年草地NPP变化趋势斜率分布情况Fig.3 Slope spatial distribution of the grassland NPP from 2000 to 2016

图4 2000-2016年草地NPP变化趋势的显著性分析Fig.4 The significance analysis of slope of the grassland NPP from 2000 to 2016

根据F显著性检验结果(图4), 结合Slope变化趋势图(图3), 分析不同草地类型的NPP变化特征, 结果如表7所示。总体来看, 大部分区域的草地NPP呈现稳定状态, 面积占草地总面积的75.31%; 呈增加趋势的区域面积比例为22.63%; 而呈减少趋势的区域面积比例仅为2.06%。在不同的草地类型中, NPP处于稳定状态的面积在各草地类型中的比例介于35.52%~84.21%, 所有草地类型呈现增加趋势的区域面积均大于减少趋势的区域面积。其中, 呈增加趋势的暖性草丛类草地NPP的面积比例最大, 为63.55%, 其次是温性草甸草原类(29.31%)、高寒灌丛草甸类(22.69%)、高寒草甸类(22.63%)、沼泽类(20.72%)和温性草原类(18.00%), 而低平地草甸类占比最小, 仅为10.53%。

表7 不同草地类型NPP变化 Table 7 NPP changes of different grassland types (%)
3 讨论
3.1 CASA模型估测草地NPP存在的问题

目前不同学者对光能转化率(ε )的取值有不同的看法, 普遍比较认同的是植被最大光能转化率的全球通用值0.389 g C· M-1[29], [30]。然而, Raymood等[37]认为光能转化率最大值应该为3.5 g C· MJ-1; Ruimy等[38]以及Paruelo等[39]的研究结果则认为其最大可以达到2.16 g C· MJ-1; 王保林等[40]对我国18大类草原最大光能转化率取值进行调整, 其取值区间为0.608~1.000 g C· MJ-1。本研究选用了全球通用值0.389 g C· MJ-1计算CASA模型的NPP, 与观测数据对比发现基于该参数模拟的NPP值偏高。因此在后续研究中还需对最大光能转化率进行深入探讨, 进一步研究适合估算甘南地区草地NPP的最大光能转化率参数。

另外, 水分胁迫系数的准确性关系到模型估算NPP的精度。从计算水分胁迫的原模型到改进后的各种模型, 由于数量较多、参数较难获得, 如何对其准确模拟一直是模型发展的难点。在传统的遥感模型中, 水分胁迫系数采用土壤水分模型模拟, 涉及的众多土壤参数属于经验系数, 导致该系数精度难以保证[41, 42]。张峰等[31]利用温度、降水和纬度来估算水分胁迫系数, 结果发现CASA模型模拟值低估了地上净初级生产力。Yuan等[41]利用感热通量(sensible heat flux, H)与潜热通量(latent heat flux, LE)之比对水分胁迫系数进行估算, 取得了很好的研究结果。周广胜等[43, 44]采用实际蒸散量和潜在蒸散量的比值来计算水分胁迫系数, 对有关参数进行了简化, 使操作性更强, 朱文泉等[45]研究证明基于该算法得到的水分胁迫系数构建的CASA模型具有较高的模拟精度。周才平等[46]所研究的CASA模型中水分胁迫系数采用遥感反演地表湿润指数(land surface water index, LSWI)的方法来计算, 结果显示模型的模拟结果与实测数据的相关性高达80%。该方法直接利用遥感数据, 计算简便, 综合考虑了冠层结构和观测角度等多种影响因素, 从而能够比较准确地估算水分胁迫系数[47]。因此, 本研究同样利用该方法来计算水分胁迫系数。然而, 最终结果显示CASA模型模拟的NPP值相对于观测NPP值而言整体偏高。因此, 在以后的研究中, 深入探究合适的水分胁迫计算模型, 从而增加水分胁迫系数的准确性, 将有助于CASA模型精度的提高。

3.2 实测数据的误差

由于草地NPP实测数据较难获取, 本研究基于实测AGB与根冠比系数计算样点观测NPP, 引用的根冠比是朴世龙等[13]提出的适用于全国区域草地根冠比系数, 但是由于温度、降水、海拔、土壤质地以及人为放牧等因素的影响, 不同地区该比例系数有一定差异, 即使同一地区不同类型的草地, 其根冠比也是有差异的。另外, 草本植物的分形结构复杂, 包括块茎、块根和地下茎等, 其地下部分常常异化出具有储藏或者其他功能的结构, 这些结构也会导致根冠比的变化[48, 49]。因此, 本研究直接使用该系数必将对观测NPP的计算引入不可估测的误差, 进而影响模型精度的验证与评价。考虑到小区域环境的差异, 进一步优化具有空间特异性的根冠比, 可以使观测NPP结果与研究区实际NPP更贴近, 从而为验证模型精度提供更加准确的参照。

本研究对比验证了CASA模型和MOD17A3 NPP产品的精度, 结果表明CASA模型模拟的NPP比MOD17A3 NPP的精度高, 但是与观测值相比CASA模型估算的NPP偏高。因此, 在以后的研究中, 一方面需要改进CASA模型, 另一方面也需要进一步验证其他模型, 探索更适合研究区估算草地净初级生产力的算法, 为更加精准地分析甘南地区草地NPP的时空动态变化提供科学依据。

3.3 影响甘南地区草地NPP变化的原因

本研究结果得出2000-2016年甘南地区草地NPP整体上呈现由西南向东北逐渐减少的趋势, 并且研究区内NPP空间异质性较大, 该结果与王莺等[12]得出的结论一致。该分布规律可能与甘南地区的地形和海拔有关。甘南西部地区(玛曲、碌曲和夏河县)是甘肃省的主要牧区, 受到来自孟加拉湾西南季风气候的影响, 该地区降水充沛, 太阳辐射充足, 土壤肥沃, 草地类型主要为高寒草甸类和高寒灌丛草甸类, 这可能是造成该地区草地NPP较高的一些原因。甘南东部地区(合作、卓尼和临潭县)主要为丘陵地带, 农林牧兼营, 气候高寒阴湿, 降水量较低, 草地面积较少, 这些也许是导致该地区草地NPP值较低的原因[7]。此外, 不同草地类型NPP的变化也与不同环境气候因子的波动密切相关。本项研究结果得出低平地草甸和温性草原类草地的NPP增幅最小, 这可能是由于这两类草地分布在降水量较低, 年均温较高的夏河县。整体而言, 草地类型呈增加趋势的面积大于呈减少趋势的面积, 这也许与研究区降水量整体呈上升趋势有关[50]

4 结论

本研究基于甘南地区2011-2014年实测草地AGB, 利用不同草地类型根冠比系数计算观测样地的NPP值, 结合卫星遥感资料及气象数据, 对比分析了甘南地区MOD17A3 NPP产品和CASA模型估测NPP的精度, 筛选出适合甘南地区草地NPP的算法, 并基于该算法分析了近17年甘南地区草地NPP的时空变化特征。主要结论如下:1)2011-2014年甘南实测草地AGB在不同观测区域的差异较大, 整体上介于4.70~234.85 g· m-2。其中玛曲县的AGB均值最高, 达84.67 g· m-2, 临潭县的AGB均值最低, 为55.54 g· m-2; 高寒草甸类草地观测NPP介于36.05~942.69 g C· m-2, 平均值为294.87 g C· m-2, 标准偏差达121.78 g C· m-2。2)总体而言, 4年间CASA模型模拟的NPP精度比MOD17A3 NPP产品高, 与观测NPP值相比, CASA模型模拟NPP的RMSE值比MOD17A3 NPP的RMSE值降低了9.94 g C· m-2。尤其是面积比例最大的高寒灌丛草甸类草地, 其RMSE降低了约38.32 g C· m-2。3)利用CASA模型模拟的平均草地NPP空间分布表明, 近17年草地NPP平均值介于64.84~638.85 g C· m-2, 总体上呈现由西南向东北递减的趋势, 其中面积比例较小的沼泽类草地NPP均值最高, 达469.07 g C· m-2, 而占面积比例较大的高寒草甸类和高寒灌丛草甸类草地NPP值分别为449.22和465.27 g C· m-2。4)研究区内大部分地区草地NPP基本保持稳定, 其面积占研究区草地总面积的75.31%, 而呈现增加趋势和减少趋势的区域面积比例分别为22.63%和2.06%。在所有草地类型中, 呈增加趋势的区域面积比例均大于呈减少趋势的区域, 在呈增加趋势的不同草地类型中, 暖性草丛类的面积占比最大, 达63.55%, 低平地草甸类占比最小, 仅为10.53%。

The authors have declared that no competing interests exist.

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