基于CASA模型的甘肅省草地凈初級生產力研究

魏靖瓊，柳小妮，任正超，王紅霞，潘冬榮

（1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中－美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學 經濟管理學院，甘肅 蘭州 730070）

植被凈初級生產力（NPP）是指植物在單位時間、單位面積由光合作用產生的有機物質總量中扣除自養呼吸后剩余部分［1，2］。NPP作為陸地碳循環的重要部分，不僅反映了植物群落在自然環境條件下的生產能力，而且是判定碳匯以及調節生態過程的主要因子［2］，開展NPP研究具有十分重要的意義［3，4］。因無法直接、全面的測量大區域或全球尺度的NPP，利用模型估算成為重要的手段［4，5］。如李秀芬等［6］采用光能利用率模型，反演了黑龍江省森林NPP，谷曉平等［7］利用大氣－植被相互作用模型（AVIM2）模擬了西南地區植被凈初級生產力［7］，樸世龍等［8］、陳福軍等［9］分別應用CASA模型估算了中國陸地生態系統NPP，陳斌等［10］利用C－Fix模型估算了2003年中國生態系統NPP，并對其空間格局進行分析。

隨著遙感技術發展，衛星數據模型已經成為評估陸地生態系統NPP最有力手段［11］。在眾多模型中，基于遙感數據的光能利用率模型—CASA（Camegie－Ames－Stanford Approach）模型以資源平衡為理論基礎，能較好地模擬區域尺度NPP的空間分布及變化，被廣泛應用于各種尺度的NPP監測［12］。劉勇洪等［13］利用CASA模型估算了2007年華北植被NPP，并對其時空格局進行了分析。高清竹等［14］在應用CASA模型模擬藏北地區草地NPP時空變化時指出，其NPP呈有規律性的水平地帶分布［14］。朱文泉等［15］基于CASA模型，并以2002年的中國內蒙古為例，研究了植被凈初級生產力及其時空分布。

草地生態系統是我國最重要的陸地生態系統類型之一，在全球碳循環和氣候調節中占據很重要的位置。開展草地NPP研究，可為合理開發、利用草地資源提供科學依據。陳斌等［10］基于CASA模型估測了內蒙古典型草原1982～2002年植被凈初級生產力。李剛等［11］利用改進的CASA模型，計算了2003年內蒙古草地生長季的生產力。韋莉等［16］利用溫度和地面水汽壓差影響的遙感模型，估算了2003年黃土高原地區草地凈初級生產力。王鶯等［17］、楊東輝等［18］分別以CASA模型為基礎，對甘南草地NPP進行遙感模擬。以上研究大多集中在內蒙古、東北、青藏高原、黃土高原、甘肅的甘南等地區或整個中國區域，對甘肅省草地NPP研究較少，筆者利用氣象資料和衛星遙感數據，在CASA模型的基礎上，修正了部分參數，估算了2005年甘肅省草地NPP并分析了其時空分布格局及影響因子。旨在為甘肅省草地資源的可持續發展利用、草地生態環境的改善和保護提供基礎數據。

1 數據來源及研究方法

1.1 研究區概況

甘肅地處黃河上游黃土高原、內蒙古與青藏高原交匯地區，位于E 92°13′～108°46′，N 32°31′～42°57′，東西長為1 655km，南北寬為530km。面積約4.54×105km2，地形復雜狹長，由山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯分布，地勢自西南向東北傾斜。甘肅深居內陸，具有明顯的溫帶大陸性季風氣候。氣候類型十分復雜，大致由隴南的北亞熱帶與暖溫帶濕潤區，漸向隴中暖溫帶半濕潤與溫帶半干旱區，河西溫帶、暖溫帶干旱區及祁連山地高寒半干旱、半濕潤區，甘南高寒濕潤區過渡。年均溫在0～16℃，溫差較大。年降水量在36.6～734.9mm，從東南向西北遞減，降水集中在6～8月。甘肅光能資源豐富，年日照時數1 700～3 300h。全省無霜期在48～228d［19］。甘肅省是草原資源大省，天然草原面積1 790萬hm2，主要分布在青藏高原東部的甘南州、祁連山、阿爾金山山地及河西走廊和蒙甘寧西部的風沙沿線［20］。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 NDVI數據 遙感數據為美國宇航局/中分辨率成像輻射計（NASA/MODIS）數據，來自于NASA對地 觀 測 系 統 數 據 共 享 平 臺 （https：//wist.echo.nasa.gov/api/）。

使用2005年甘肅及周邊地區1km分辨率植被指數產品MOD13A3，下載的原始影像為HDF格式，應用MODISTOOL工具轉換為Tif格式，在ArcGIS中對多幅影像進行拼接，利用甘肅省行政區域數據裁切、利用GIS平臺中的（Resample）重采樣為90m×90m分辨率的NDVI數據。將投影系統定義為UTM，橢球體為WGS－84，投影帶為47帶。

1.2.2 氣象數據 氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網。包括2005年甘肅省41個氣象站點的月平均溫度（℃）和月降水量（mm），以及甘肅及周邊15個臺站的月太陽輻射（MJ/m2）。

在ArcGIS 9.3平臺上，利用優化的插值方法－“AMMRR”，并加入坡度、坡向因子，將月均溫、月降水量、月太陽輻射數據插值成空間分辨率為90m的柵格數據。投影與遙感數據相同。

1.2.3 DEM數據 數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）來源于國際農業研究磋商小組下設的空間信息組織（CGIAR－CSI）（圖1）。

圖1 甘肅省氣象站點分布Fig.1 Distribution pattern of meteorological stations in Gansu Province

數據經過拼接、裁剪等預處理后，在ArcMap平臺上提取甘肅省90m分辨率的經緯度、坡度、坡向柵格數據。地形要素的劃分見表1。

表1 地形要素分類Table 1 Classification of topographic factors

1.2.4 實測數據 實測數據由農業部草原監理中心提供，數據觀測時間是2005年7月的草地地上生物量（風干重）數據。利用其和樸世龍等［22］確定的我國草地植被地下與地上生物量比例系數轉換為NPP實測值［23］，在轉化為碳單位時乘以0.475的系數［24］。

1.3 模型構建

Potter等［24］1993年建立的光能利用模型－CASA模型，提出理想狀態下植被存在最大光能利用率，不同植被類型的月值為0.389gC/MJ。實際上，不同植被類型的光能利用率存在很大差異［26］，根據不同的植被類型對光能利用率進行修正能夠提高模型的估算精度［27］。

草地NPP主要由草地植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與光能利用率（ε）兩個變量確定，其公式如下：

式中，APAR（x，t）表示空間位置x上的植被在t時間內所吸收的光合有效輻射；ε（x，t）為實際光能利用率；SOL（x，t）表示太陽總輻射量（MJ/m2）；常數0.5為植被所能利用太陽有效輻射（波長為0.38～0.71um）占太陽總輻射的比例；FPAR（x，t）為植被層對入射光合有效輻射（PAR）的吸收比例，它取決于植被類型和植被覆蓋狀況；ε（x，t）表示實際光能利用率，主要受溫度和水分的影響，具體算法詳見文獻［24］。

由于不同的植被類型月最大光能利用率Wεmax的取值不同，依據Running等對草地的模擬結果，最大光能利用率為0.608gC/MJ［28］。

由于模型中Wε（x，t）為水分脅迫系數較復雜，數據獲取難度大，因此將模型中的實際蒸散量（EET）和可能蒸散量（PET）進行改進。

EET可由周廣勝和張新時建立的區域實際蒸散模型求取，公式如下［29］。

式中，P（x，t）為象元x在t月的降水量（mm），Rn（x，t）是象元x在t月的太陽凈輻射量（mm）。

PET利用 Holdridge的方法計算可得［30］。計算公式為：

式中，BT為月平均生物溫度，T為＜30℃且＞0℃的月均溫。

最終的水分脅迫系數為：

1.4 草地NPP估算

在GIS中利用空間分析的建模工具（Map Algebra），編寫CASA模型相關運算程序，然后輸入氣象柵格數據和處理好的NDVI數據，得到2005年甘肅省NPP圖，然后與草地資源調查圖疊加，得出2005年甘肅省草地NPP圖。

1.5 模型驗證

對區域NPP模型的驗證，一般采用兩種方法：一是與實測數據對比，二是與其他模型的模擬結果進行對比。研究選用實測數據進行對比。

2 結果與分析

2.1 模型的驗證

將2005年甘肅各地7月的32組實測草地生物量數據，利用公式轉換成草地NPP值，與CASA模擬的NPP數據進行比較驗證（圖2）。

模擬值與實測值之間的相關性達到顯著水平（R2＝0.81，P＜0.05），因此，修正參數后的CASA模型可以用來模擬甘肅草地的NPP（圖2）。

圖2 甘肅省草地NPP模擬值與實測值的比較Fig.2 Comparison of the simulated grass NPP with field observations in Gansu Province

2.2 甘肅省草地NPP的空間分布

根據估算結果（圖3），2005年甘肅省草地NPP最高值790.56g/（m2·a），年均值139.15g/（m2·a），總量為3.76×1013g/（m2·a）。

NPP空間分布格局與水熱條件的分布規律緊密相關。甘肅草地NPP空間分布特征是由西南向東北逐漸減少，其中NPP的高值區集中在甘南高原，低值區分布在北山山地（圖3）。

甘南高原受來自孟加拉灣西南季風氣候的影響，降水充沛，且太陽輻射充足，土壤肥沃［31］。草地類型以高寒草甸類、山地草甸類、沼澤類為主，NPP在400～800g/m2·a，多集中在500～600g/（m2·a）。

隴南屬東亞季風氣候區，區內氣候復雜多樣，分布獨特。由東南向西北，依次從亞熱帶濕潤氣候向暖溫帶濕潤氣候、溫帶半濕潤氣候和高寒陰濕氣候過渡［18］。主要為山地草甸類、暖性灌草叢類、暖性草叢類草地，NPP在400～600g/m2·a，這個地區草地面積分布不大，呈星狀分布。

隴中黃土高原地處黃土高原西部、甘肅省中東部，屬溫帶半干旱半濕潤區，是我國干旱氣候區和濕潤區之間的重要過渡帶。草地類型為溫性草甸草原類、暖性灌草叢類、溫性草原類，草地NPP分布緯度地帶性明顯，從西北到東南部NPP在0～400g/（m2·a）。

祁連山地位于中緯度北溫帶，屬于大陸性高寒半濕潤山地氣候［33］。東部主要是高寒草甸類、山地草甸類草地，NPP大多集中在300～400g/（m2·a）。西部主要是高寒荒漠類、高寒草原類、低地草甸類草地，NPP在0～200g/（m2·a）。河西走廊屬干旱半干旱氣候，草地類型主要有溫性草原類、低地草甸類、溫性荒漠類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠草原類，NPP在0～400g/（m2·a）。

北山山地、河西走廊西部地區，氣候極端干旱，降水稀少，蒸發量大大超過降水量，植被稀疏［34］。北山山地主要是溫性荒漠類和低地草甸類草地，植被覆蓋率極低，有些地區甚至寸草不生，NPP大多在0～50 g/（m2·a）。

甘肅多沙漠、戈壁和裸露土地，植被覆蓋低，NPP較低［35］。Odum將生態系統總生產力劃分為4個等級：最低［＜82g/（m2·a）］、較低［82～493g/（m2·a）］、較高［493～1 643g/（m2·a］和最高［1 643～3 285g/（m2·a）］［36］，甘肅草地生態系統屬于較低生產力的生態系統。

2.3 甘肅省草地NPP的季節變化

甘肅省氣候冬季寒冷干燥、夏季暖熱稍潤，降水量年內分布不均，主要集中在6～9月。受氣候的影響，甘肅省草地NPP在不同季節變化很大（圖4），在1.16～27.37g/m2·a波動，這與溫度、降水以及太陽輻射的季節變化有很高的相關性。

4月開始，植被進入生長期，NPP迅速增加，7月時達到高峰，然后逐漸下降，10月以后基本停止生長（圖4）。夏季（6～8月）太陽輻射豐富，水熱條件良好，適于植被生長；9月進入秋季，氣溫下降，草地開始枯黃，NPP開始急劇下降；冬季植物停止生長，NPP較低；1月草地NPP最低。

2.4 地形因素對甘肅省草地NPP的影響

甘肅省境內地形復雜，山脈縱橫交錯，海拔相差懸殊，是山地型高原地貌，地勢自西南向東北傾斜［18］。不同的海拔高度、坡度、坡向，草地NPP也不同（圖5）。

由圖5－a可知，在1 500～2 000m的海拔，草地分布面積最大（約占草地總面積的30%）。隨著海拔高度的升高，草地NPP先升高后降低，海拔3 000～3 500 m最高，為362.42g/m2·a；海拔＞5 000m 時，草地面積（0.04%）和 NPP值最低，為2.46g/m2·a。

王鶯等［17］在研究甘南草地NPP分布格局與地形關系時發現，草地NPP年均值在海拔3 000～3 500m最高，與此次的研究結果一致。

圖3 2005年甘肅省草地NPP空間分布Fig.3 Spatial distribution of grassland NPP in Gansu Province

圖4 甘肅省平均NPP的季節變化Fig.4 Seasonal changes of mean NPP in Gansu Province

圖5－b表明，草地在1～5°坡度的區域草地面積最大（約占36.7%），隨著坡度的升高，草地面積逐漸減少；坡度＜1°的草地 NPP最小，為56.96g/（m2·a），NPP隨著坡度的升高逐漸上升，在25～30°坡度NPP達到峰值，為309.48g/（m2·a），隨著坡度的進一步升高，草地NPP下降，與鄒德福等［37］在甘南地區的研究結果一致。

圖5－c說明不同坡向草地的變化，草地在平地面積最小（約占草地總面積的1.6%），而其他各個坡向草地面積基本在10.4%～15.4%。平地的草地NPP最低，為66.74g/（m2·a），其他坡向 NPP變化較小，在121.49～164.47g/（m2·a）。坡度＜1°的平坦地和平地由于受人類活動的影響，因此NPP相對降低，這與高清竹等［14］在研究藏北地區地形對草地NPP影響的結果基本一致。

3 結論

利用修正的CASA模型，對甘肅省2005年草地植被的NPP進行了估算，并分析其空間分布格局以及與地形因子之間的關系。

（1）原CASA模型中，水分脅迫系數（Wε）由土壤水分子模型計算得到，其中，涉及的眾多土壤參數則是從土壤質地圖提取所得到的，精度難以保證［26］。研究對CASA模型的水分脅迫系數進行修正，對參數進行了簡化，僅使用氣象數據，并結合區域實際蒸散模型計算水分脅迫因子，增強了實際操作性。利用2005年7月的實測生物量數據對模型進行精度驗證，發現模擬效果較好。

（2）2005年甘肅省草地 NPP年均值為139.15g/（m2·a），變化是0～790.56g/（m2·a），其總體分布趨勢是由西南向東北逐漸減少，空間分布地域性差異明顯。其中甘南高原、隴南山地、祁連山地是甘肅省草地NPP高值區，河西走廊、北山山地為草地NPP的低值區。

（3）甘肅省草地NPP的季節變化也非常明顯，夏季水熱條件較好，NPP達到最大值；冬季植物基本停止生長，草地NPP值最低。

（4）地形因素中，草地NPP隨著海拔先升高后降低呈正態分布，在1 500～2 000m海拔分布面積最大，但在海拔高度3 000～3 500m的NPP最高，達到了362.42g/（m2·a）；除＞30°的坡度外，草地 NPP隨坡度增加呈現上升趨勢；研究區平地的草地NPP最小，且占總面積的比例最小，其他坡向對草地生產力及分布影響不大。

圖5 海拔、坡度、坡向影響的甘肅省草地NPPFig.5 Impacts of elevation，slope and aspect on grassland NPP in Gansu Province

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