鄂尔多斯草原植被净生产力反演研究

鄂尔多斯草原植被净生产力反演研究
孔祥意;滕聪;杨广普
【摘要】以CASA模型为基础,利用Landsat TM遥感数据作为数据源,并结合气象站的气象数据以及数字高程模型,对1991年-2000年内蒙古地区杭锦旗境内的鄂尔多斯草原进行分类和植被净初级生产力的估算研究,同时使用MODIS数据的NPP数值产品进行精度评价和校正.结果表明:(1)鄂尔多斯草原在生长旺盛季(7月-8月)的NPP的总值为4.70263×1012gCm-2a-1,平均值为124.25 gCm-2a-1;(2)鄂尔多斯草原近十年植被净生产力变化呈现先升高后降低的趋势,与95年后过度放牧开垦以及降水量的减少密切相关;(3)利用MODIS中的NPP合成数据产品随机选点做线性回归分析,相关性R2 =0.741,可以得到本研究利用CASA模型进行的NPP反演效果较好的结论,具有研究价值.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2019(033)002
【总页数】6页(P161-166)
【关键词】CASA模型;植被净初级生产力;鄂尔多斯草原;最大光能利用率;时空格局【作者】孔祥意;滕聪;杨广普
【作者单位】山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266000;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266000;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东青岛266000
【正文语种】中文
【中图分类】P237
0 引言
随着科学技术的进步,人类活动的扩张,地球受到人为因素的影响也越来越严重,温室效应,臭氧空洞,海平面上升,各类极端天气的出现以及物种的消亡等等,严重威胁人类社会的可持续发展。

近年来,CO2浓度上升引起的全球性问题也受到了越来越多的关注,随之,陆地生态系统的植被净初级生产力的研究也成为了全球研究的热点。

植被净初级生产力的研究已经发展了近百年,国内外的许多学者都致力于NPP的研究,从最初的运用实测数据进行区域统计估算到如今的运用模型估算进行大面积监测,不断改进模型,丰富模型参数,尽可能的使估算的NPP能真实地反映全球和特定地区的植被净初级生产力状况,从而为碳循环、资源环境、生态脆弱性等监测提供有力的理论支撑。

在国外,Lieth于1973年提出了Miami模型,并对全球植被净初级生产力进行了估算,并通过探索植被NPP与气温降水等的关系提出了Thornthwaite Memorial模型[1];1985年,Chikugo模型由Uchijima教授提出,并利用此模型对日本的植被NPP进行估算[2]。

Raich等利用TEM模型计算南美地区植被NPP值[3],得到的结果和Miami模型类似,Melillo等利用TEM模型计算了全球NPP值[4]。

至此,NPP估算的模拟模型发展达到了一个鼎盛时期,发表众多研究成果文献,极大的推动NPP研究模型的发展和进步。

在我国,我国学者将积累的基础实测数据和国外已有的动态模型有效结合起来,并对国外模型进行改进,使其更适应我国植被状况,发展起了针对我国植被的动态估算模型,并对各种生态系统类型进行估算。

1996年,方精云等通过野外实测数据对我国森林NPP进行研究[5]。

1998年,刘世荣利用我国森林生产力和气候因素构建了森林气候生产力模型,并分析了我国森林NPP空间格局及其与气温降水的关系[6]。

进入21世纪以后,随着我国遥感事业的蒸蒸日上,越来越多的学者利用遥感手段来估测反演NPP。

2000年,孙睿利用AVHRR/NDVI数据及地面气象数据确定植被吸收的光合有效辐射, 然后由光能利用率计算出植被净第一性生产力(NPP),并考虑温度及土壤水分对NPP的影响,绘制出我国陆地植被年NPP分布图[7]。

朴世龙和方精云在2001年利用CASA模型估算了我国植被NPP总量及其分布,研究表明我国植被NPP具有从东南沿海向西北内陆逐渐减小的趋势[8]。

2007年,朱文泉利用改进的光能利用率模型,结合NOAA/AVHRR和SPOT数据,估算了我国陆地生态系统NPP[9]。

2006年,YUAN等利用MODIS数据和CASA模型研究了河北省北部地区2001年的NPP时空分布。

随着遥感技术的发展,越来越高的卫星分辨率,遥感数据传输的改进,使得NPP的估算研究有了数据支撑。

利用“3S”技术,将遥感作为信息源,结合地理信息系统方法,实时动态监测NPP的变化,将会是未来NPP研究的发展趋势[10]。

鄂尔多斯草原属于温带气候草原,草场生长旺盛时期在7月至8月,因为主要对该时间段的草场NPP进行了反演。

本研究主要利用了CASA模型,首先反演得到草场归一化植被指数,再利用气温、降水等气象因子进行综合反演,最终得到草场净初级生产力估计值,并讨论得到鄂尔多斯草原生产力的空间分布差异以及时间变化序列,为温带气候草原的生态系统建设、草场资源保护提供理论依据。

1 研究区域与数据源获取
1.1 研究区概况
内蒙古自治区位于中国的北部边界,其界线从东北方向开始向西南方向延伸,边界线形状为狭长状。

东西经度范围为91°12′E～126°04′E,南北纬度范围为37°24′N～53°23′N,内蒙古自治区总面积目前为1.18×106 m2,占据全国总土地面积的
12.8%。

内蒙古自治区经纬度跨度大,东与“东北三省”黑、吉、辽接壤。

在内蒙古自治区草地面积占大部分,其占据全区面积的74.4%,随着社会和经济的发展,内蒙
古自治区目前积极利用草地,开发草地。

内蒙古草原的气候是全球最为典型的位于
中纬度的温带气候类型,属于草原生态气候类型,在温带气候中最具代表性的气候变
化较为敏感的区域,并且也是全球变化较为敏感和明显区域[11]。

鄂尔多斯草原所在位置为中国北部地区的鄂尔多斯市境内,大部分草场位于杭锦旗,
以高原为地形主体,高原海拔大部分为1300～1500 m,顶面个别地方达到1600 m
以上。

草场北部是黄河流经地区,也是包头陆地地区的南部边缘。

东南部地区的地
貌主要是凹陷盆地地貌,其中有大量的内陆湖、现代河湖沉积和暗流。

鄂尔多斯草
场类型分布主要以温带荒漠草原和温带草甸草原为主,东南部山地地区存在有部分
山地草甸[12]。

1.2 数据源获取与预处理
1.2.1 NDVI数据
本研究采用的影像数据是来自美国地质调查局遥感影像数据共享网站USGS官网(https:∥/)上的原始图像数据,传感器使用的是TM传感器,分辨率为30m,选用了从1991～2000年连续10年7～8月份的逐年图像,利用ENVI5.1软
件进行原始图像数据的预处理,并利用决策树分类算法导入高程、坡度、坡向数据
进行植被分类,再利用公式(NIR-R)/(NIR+R)进行NDVI计算,得到研究区各植被的NDVI平均值、最大以及最小值,再利用决策树分类的方法进行研究区植被分类[13]。

1.2.2 气象数据
本研究利用的月平均温度、最高气温与最低气温以及月总降水来自NOAA官网(https:///),太阳辐射数据来自中国气象局官网的1961～2014
年中国光合有效辐射重构数据集,通过计算获得研究区内1991～2000年月平均气
温大致在22.5～25.1 ℃,最高温度出现在1991年,月总降水大致在31.24～122.17 mm,2000年降水达到最小值,太阳辐射大致在1110.29～1267.74 gCm-2month-1,如图1、图2所示。

图1 1991年到2000年平均气温降水图
图2 1991年到2000年太阳辐射图
2 研究方法
2.1 CASA模型构建
本研究利用的是经典的CASA模型的方法来估计和反演植被中所含的NPP含量,CASA模型是1993年由Potter等发明的用于反演一定区域中植被净初级生产力的模型,属于光能利用率模型[14]。

CASA模型是由遥感卫星影像数据、温度、降水、太阳辐射,以及植被类型、土壤类型等多个驱动力因子共同驱动的光能利用率模型,该模型中的植被净生产力是有植被吸收光和有效辐射(APAR)和光能转化率(ε)两个变量来确定。

因此在CASA模型中NPP计算的表达式为:
NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)
(1)
式中,APAR(x,t)代表的是影像上一个像元x在t月吸收的光合有效辐射(gCm-
2month-1), ε(x,t)表示单个像元x在t月的实际光能利用率(gCMJ-1)。

APAR的值由植被所能吸收的太阳有效辐射和植被对入射光合有效辐射的吸收比例来确定。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5
(2)
式中,SOL(x,t)表示像元x在t月内的太阳总辐射量(gCm-2mongth-1),FPAR(x,t)是对入射的太阳辐射中有效部分的吸收比例,常数0.5说明植物所能使用的入射有效辐射(波长为0.4～0.7 μm)占入射总辐射的比例。

在一定的研究范围中,FPAR与NDVI的比值是一个常数,即二者存在着线性比例关系,这一关系可以通过FPAR与NDVI的共同最大值与共同最小值来判断得出。

FPAR(x,t)=
×
(FPARmax-FPARmin)+FPARmin
(3)
式中,FPARmin和FPARmax的取值与植被类型无关,分别为0.001和
0.95;NDVIi,max和NDVIi,min分别对应第i种植被类型的NDVI最大和最小值。

FPAR与比值植被指数(SR)也存在着较好的线性关系,SR(x,t)可以由以下公式表示: SR(x,t)
(4)
光能利用率是在一定时间段内一定区域,植被吸收并利用的光合辐射与植被可利用的太阳入射光合辐射的比值。

其中太阳入射角度、气温降水等都会使光能利用率的数值产生变化:
ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax
(5)
式中,Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示气温过高和气温过低时的光能利用率影响参数;Wε(x,t)表示降水对光能利用率产生的影响参数,εmax是在绝对有利条件下的植被最大光能利用率[15]。

2.2 技术路线
通过改进的CASA模型,以Landsat TM数据、气象数据、植被类型数据等作为基础数据,并结合研究内容,本研究的主要技术路线如图3所示。

3 实验结果
3.1 草场NPP时空分布特征
利用CASA模型对鄂尔多斯草原的NPP估算结果表明,由于中北部大部分地区为温带荒漠性草原,因此NPP值普遍不高,大致在30～60 gCm-2a-1,与该地降水较少有关,荒漠草原中部分地区因为有暗流和洼地湖因此草场比较丰富[16],最北沿因为有黄河流经,因此植被普遍比较茂盛,NPP最高可以达到100 gCm-2a-1以上;南部主
要为温带草甸草原,草场相比于荒漠草原要茂盛的多,因此NPP大致在100～200 gCm-2a-1,在荒漠性草原和温带草甸草原的中间地带以及鄂尔多斯草原东南部的山麓地带为温性草原,由于山地气候和南部暖湿气流的影响,降水较多,因此草势生长状况好,有机物积累含量高,NPP在188 gCm-2a-1左右,最高可达到278 gCm-2a-1,东南部以山地为主,草地类型主要为山地草甸,NPP最高,在300～400 gCm-2a-1左右。

通过本研究可以看出,草场的茂盛程度以及有机物的积累含量与降水和气温关系密切,鄂尔多斯草原因为地处高原,降水较少,因此NPP普遍不高,大多分布在100～200 gCm-2a-1。

本研究利用CASA模型反演了1991年-2000年的净初级生产力数据,得到10年的时间序列,如图4所示,我们可以看出在1991年-1995年,荒漠化治理效果比较好,荒漠性草原较少,南部的温带草甸草原面积向北增加,温带草甸草原的面积明显增加,山地草甸草原面积变化不大，如表1所示;在1995～2000年,可以看出草原的荒漠化程度增加,荒漠性草原面积增加,草甸草原面积减小明显,与气温变化呈反比,与降水呈正比,在1998年NPP平均值减小明显,结合气象数据得到1998年降水明显减少,因此干旱是草原面积减小的主要原因。

图3 CASA模型计算过程图
图4 年际各植被NPP变化图表1 内蒙古不同草地类型NPP值
草地类型平均NPP/(gC/m2/a)面积比例/%温带草甸草原62.4012.2温带草原102.9653.8温带荒漠草原37.6814.2山地草原128.539.8
3.2 精度验证
精度评价所采用的方法是线性回归模型中的梯度下降算法,利用CASA模型做出得到的结果值与MODIS数据产品值分别为预测值与真实值,通过交叉验证与线性拟合算法算出预测精度。

以此来判断本研究中的NPP估算结果是否具有研究价值[17]。

本研究在MODIS数据产品和成果图中随机选取了1000个同名点作为参考,以2000年的NPP反演图像为例,利用线性回归模型进行回归分析(如图5),通过回归方程图可以看出,利用气温以及降水数据反演得到的实际光能转化率和利用遥感影像数据以及太阳辐射数据获得的植物吸收的光合有效辐射,可以较为准确的估算出植物净初级生产力,从而进一步进行时间序列以及空间分析的研究。

图5 NPP模拟值与实际值比较图
4 结束语
本文以鄂尔多斯温性草地作为研究区域,基于Landsat TM遥感数据、气象数据及太阳辐射数据,将CASA模型的参数实现本地化,建立温带草场植被净初级生产力估算模型,并进行精度验证。

利用CASA模型模拟内蒙古1991～2000年7、8月份草地净初级生产力。

本研究得到的主要结论如下:
(1) 本文获取鄂尔多斯草地4种草地类型各自的NDVI最大最小值,实现对FPAR参数的本地化,根据前人对草原植被最大光能利用率取值优化研究,结合鄂尔多斯主要草地类型,得出鄂尔多斯地区草场不同植被类型最大光能利用率:温性草原、温带草甸草原和温带荒漠草原分别为0.654 gCMJ-1、0.553 gCMJ-1、0.211 gCMJ-1,进而实现对CASA模型的优化。

(2) 通过CASA模型估算鄂尔多斯草地1991～2000年每年7、8月份的NPP,将估算结果与MODIS遥感数据中的NPP产品对比,验证CASA模型精度,NPP模拟值与产品值之间的相关系数均在0.7以上,改进CASA模型的模拟结果符合精度要求,可用于鄂尔多斯草场NPP的估算。

(3) 从近10年鄂尔多斯草地NPP时间格局分布来看,1991～2000年间7、8月份鄂尔多斯草地净初级生产力呈增加趋势。

从1991年14.56 tCm-2a-1增加到1995年的21.329 tCm-2a-1,相当于每年以1.3538 tCm-2a-1的速率增加,原因在于降水的增加,以及还没有过度放牧现象的存在,草场得到了休养。

尤其在1993年
之后急剧增加,在1995年达到最高值;在1995年开始,鄂尔多斯草原开始发展畜牧业,过度放牧导致草场被过度利用,同时通过降水量来看,1995年以后降水一直较低,因此草场NPP开始下降。

由于滞后效应,1996年前后草场NPP并没有明显降低,
但在1998年降低较为明显。

(4)从鄂尔多斯草地NPP的空间格局分布来看,鄂尔多斯草地7、8月份NPP呈西
南底、东南高、其他地区呈中端水平,由东南向北逐渐减少的分布趋势。

鄂尔多斯
草原草地NPP均在60 gCm-2a-1以上,而西南地区NPP大都低于30 gCm-2a-1。

通过对鄂尔多斯草原植被净生产力CASA模型建立分析其时空格局的变化,可以清
楚得到草原草场荒漠化程度,通过对过去10年的草场植被净生产力的变化估计,可
以对未来草场变化做出预测与判断,具有参考研究价值。

参考文献
【相关文献】
[1] LIETH H. Primary Production:Terrestrial Ecosystem[J]. Human Ecology, 1973,1(4):303-332.
[2] UCHIJIMA Z. Agroclimate Evaluation of Net Primary Productivity of Natural Vegetation[J]. Agr Meteorol,1985,40:343-352.
[3] RAICH J.W,RASTETTER E.B,MELILLO J.M,et al. Potential Net Primary Productivity in South America:Application of A Global Model[J]. Ecological Applications,1991,1(4):399-429.
[4] MELILLO J.M,MCGUIRE A.D,KICKLIGHTER D.W,et al,Global Climate Change and Terrestrial Net Primary Production[J].Nature,1993,363(6426):234-240.
[5] 方精云,刘国华,徐嵩龄.我国森林植被的生物量和净生产量[J].生态学报,1996,16(5):497-508.
[6] 刘世荣,郭泉水,王兵.中国森林生产力对气候变化响应的预测研究[J].生态学报,1998,18(5):32-37.
[7] 孙睿,朱启疆.中国陆地植被净第一性生产力及季节变化研究[J].地理学报,2000,55(1):36-45.
[8] 朴世龙,方精云,郭庆华.利用CASA模型估算我国植被净第一性生产力[J].植物生态学
报,2001,25(5):603-608,644.
[9] 朱文泉,张锦水,潘耀忠,等.中国陆地生态系统生态资产测量及其动态变化分析[J].应用生态学报,2007,18(3):586-594.
[10] 王玉辉,周广胜.内蒙古羊草草原植物群落地上初级生产力时间动态对降水变化的响应[J].生态学报,2004,24(6):1140-1145.
[11] 张娜,于贵瑞,于振良,等.基于3S的自然植被光能利用率的时空分布特征的模拟[J].植物生态学报,2003,27(3):325-336.
[12] 朱文泉,陈云浩,徐丹,等.陆地植被净初级生产力计算模型研究进展[J].生态学杂志,2005(3):296-300.
[13] 穆少杰,周可新,齐杨,等.内蒙古植被降水利用效率的时空格局及其驱动因素[J].植物生态学报,2014,38(1):1-16.
[14] 朱文泉,陈云浩,徐丹,等.陆地植被净初级生产力计算模型研究进展[J].生态学杂志,2005(3):296-300.
[15] 董丹,倪健.利用CASA模型模拟西南喀斯特植被净第一性生产力[J].生态学
报,2011,31(7):1855-1866.
[16] 李娟,赵军.基于DEM的西北干旱区坡度提取分析[J].北京测绘,2008(1):42-45.
[17] 章如芹,马荣振,徐良骥,等.两种复垦地土壤理化性质的研究[J].北京测绘,2013(6):33-37.。