基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型

劉少軍，佟金鶴，張京紅，陳小敏，李偉光

基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型

劉少軍，佟金鶴，張京紅，陳小敏，李偉光

（海南省氣象科學(xué)研究所/海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口 570203）

在自然環(huán)境下橡膠樹的生產(chǎn)能力除受自身的生物學(xué)和土壤特性等限制外，主要受氣候因子的影響，橡膠樹產(chǎn)量的波動(dòng)與氣候因子的變化密切相關(guān)，準(zhǔn)確及時(shí)評(píng)估氣候條件對(duì)橡膠樹產(chǎn)膠狀況的影響具有重要意義。根據(jù)2000?2015年全國(guó)橡膠種植區(qū)氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，基于氣候植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型（體現(xiàn)潛在生產(chǎn)力）和遙感光能利用率模型（體現(xiàn)實(shí)際的生產(chǎn)力），確立了兩種模型反演橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠潛力模型。結(jié)果表明：模型實(shí)現(xiàn)了依靠氣候數(shù)據(jù)客觀、定量評(píng)估橡膠樹產(chǎn)膠能力的動(dòng)態(tài)變化，也能間接反映氣候因子的變化對(duì)不同區(qū)域橡膠樹產(chǎn)膠能力影響的差異，可為橡膠樹產(chǎn)量預(yù)測(cè)、應(yīng)對(duì)氣候變化和種植布局調(diào)整提供決策依據(jù)。

橡膠樹；凈初級(jí)生產(chǎn)力；產(chǎn)膠能力；模型

中國(guó)屬橡膠樹種植的非傳統(tǒng)區(qū)域，氣候因子是影響橡膠樹種植及產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[1?2]，受氣候波動(dòng)和人類行為的共同影響，橡膠生產(chǎn)易受氣候變化的影響。近年來(lái)，由于橡膠產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化，種植壓力增大，生產(chǎn)成本增加，傳統(tǒng)植膠生產(chǎn)模式競(jìng)爭(zhēng)力大幅下降，加上國(guó)際膠價(jià)持續(xù)低迷，膠工和膠農(nóng)的收入大幅下降，導(dǎo)致種膠割膠意愿不強(qiáng)，出現(xiàn)了膠園棄割、棄管、棄種等一系列問(wèn)題[3]。因此，開展橡膠樹產(chǎn)膠能力的氣象預(yù)測(cè)研究和服務(wù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地了解橡膠生產(chǎn)狀況，對(duì)于中國(guó)天然橡膠貿(mào)易和宏觀調(diào)控，具有十分重要的意義。橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是橡膠樹在單位時(shí)間和單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)干物質(zhì)總量，是反映橡膠生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化響應(yīng)的重要指標(biāo)[4]。橡膠產(chǎn)量與生長(zhǎng)季內(nèi)NPP關(guān)系密切，二者存在有效的產(chǎn)量轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，可以通過(guò)橡膠樹的干物質(zhì)與氣候因子的相關(guān)性估算生產(chǎn)潛力。有關(guān)橡膠樹產(chǎn)量估算模型包括氣候要素預(yù)測(cè)模型[5]、遙感預(yù)測(cè)模型[6]、時(shí)間序列分析模型[7]、線性回歸模型[8?11]、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判[12]、灰色模型[13]等。然而截至目前，關(guān)于橡膠樹氣候產(chǎn)膠能力預(yù)測(cè)模型研究鮮見(jiàn)報(bào)道。氣候生產(chǎn)潛力模型是在光、溫、水等自然條件下，一個(gè)地區(qū)利用最優(yōu)管理手段可能達(dá)到的產(chǎn)量上限，因此，氣候生產(chǎn)力模型能預(yù)估該區(qū)域可能達(dá)到最大產(chǎn)量；而遙感光能利用率模型能真實(shí)反映植被的實(shí)際干物質(zhì)生產(chǎn)狀況。氣候變化影響橡膠樹生態(tài)系統(tǒng)的最重要表現(xiàn)之一是引起凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的變化，因此，本研究基于氣候植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型和遙感光能利用率模型計(jì)算的凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），確立兩種模型反演橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力模型，實(shí)現(xiàn)橡膠樹產(chǎn)膠潛力的動(dòng)態(tài)評(píng)估，以期為氣候因素變化引起橡膠樹產(chǎn)膠能力的波動(dòng)評(píng)判提供技術(shù)支持，為氣候變化條件下橡膠產(chǎn)量預(yù)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和制定相關(guān)應(yīng)對(duì)措施提供參考，還可為中國(guó)橡膠期貨市場(chǎng)、橡膠進(jìn)出口貿(mào)易、橡膠價(jià)格收入保險(xiǎn)等提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)文獻(xiàn)[14?15]結(jié)果，中國(guó)橡膠產(chǎn)區(qū)主要分布在海南、云南、廣東、廣西、福建等5省（圖1），由于福建和廣西橡膠產(chǎn)量的總量?jī)H占全國(guó)總產(chǎn)的0.06%左右（2010年產(chǎn)量基數(shù)計(jì)算），因此，僅考慮海南、云南、廣東省內(nèi)橡膠種植區(qū)域。氣候數(shù)據(jù)主要選取橡膠種植區(qū)域內(nèi)的氣象站點(diǎn)，共計(jì)58個(gè)站，其中海南橡膠種植區(qū)18個(gè)、云南27個(gè)、廣東13個(gè)，各站2000?2018年溫度、降水要素氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心（http://data.cma.cn/）；2000?2015年MODIS NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于http://www.ntsg.umt.edu/ project/mod17#data-product。

圖1 中國(guó)橡膠種植分布圖

1.2 基于氣候數(shù)據(jù)計(jì)算橡膠種植區(qū)植被年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）

孫成明等[16]對(duì)多模型對(duì)比研究表明，周廣勝模型模擬凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的相對(duì)誤差、均方根誤差、相對(duì)根均方誤差均最小，適宜對(duì)南方區(qū)域植被NPP的估算，估算效果明顯優(yōu)于其它模型。因此，選擇該模型計(jì)算橡膠種植區(qū)植被年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），具體算法為[17]

式中，NPP為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（tC·hm?2），r為年降水量（mm），RDI為輻射干燥度，REP為可能蒸散率，PET為可能蒸散量（mm），BT為年平均生物溫度（℃），一般在0～30℃；t為月平均溫度（℃），取值在0～30℃，當(dāng)t低于0℃時(shí)取0℃，高于30℃時(shí)取30℃。

根據(jù)研究區(qū)2000?2018年溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)年平均溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)，采用ArcGIS 10.2軟件中的普通克里格法進(jìn)行年平均溫度和降水的插值，空間分辨率為1km×1km，并利用式（1）?（4）計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)不同年份的年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），通過(guò)研究區(qū)橡膠樹種植分布圖（圖1）和ArcGIS 10.2軟件的剪切功能，提取橡膠樹分布圖對(duì)應(yīng)位置上的年凈初級(jí)生產(chǎn)力，即為橡膠樹基于氣候數(shù)據(jù)估算的年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）。

1.3 基于遙感資料計(jì)算橡膠樹年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）

根據(jù)2000?2015年MODIS NPP數(shù)據(jù)集，通過(guò)研究區(qū)橡膠樹種植分布圖和ArcGIS 10.2軟件的剪切功能，提取橡膠種植區(qū)各像元?dú)v年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）值，空間分辨率為1km×1km。其中，MODIS NPP數(shù)據(jù)的計(jì)算主要利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA），該模型主要算法見(jiàn)文獻(xiàn)[18?19]。

1.4 橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)（NPPx/NPP）

由于氣候生產(chǎn)力模型估算的凈初級(jí)生產(chǎn)力為理想狀態(tài)下橡膠樹可達(dá)到最大值，而遙感光能利用率模型反演的凈初級(jí)生產(chǎn)力是現(xiàn)實(shí)狀況下橡膠樹的實(shí)際值，因此，將氣候植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型結(jié)果作為潛在最大生產(chǎn)力，而將基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的NPP作為實(shí)際生產(chǎn)力。要建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型，必須進(jìn)行兩者間誤差系數(shù)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)2000?2015年的氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，分別提取橡膠種植區(qū)年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力值，并根據(jù)兩種算法得到的橡膠樹年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力值，確定橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，即

2 結(jié)果與分析

2.1 基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠種植區(qū)植被年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）

利用2000?2015年氣候數(shù)據(jù)和式（1）分別計(jì)算研究區(qū)各站點(diǎn)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，利用ArcGIS 10.2軟件和橡膠種植分布圖，提取各省橡膠樹種植區(qū)范圍內(nèi)凈初級(jí)生產(chǎn)力年平均值變化。由圖2可見(jiàn)，由于氣候變化，2000?2015年橡膠樹種植區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）呈現(xiàn)波動(dòng)變化特點(diǎn)，由于氣候不同，各省橡膠樹種植區(qū)間NPP有明顯差異，其中海南省橡膠種植區(qū)植被NPP最大，年平均NPP變化范圍在1366～1807gC·m?2，多年平均值1666.9gC·m?2；云南省NPP最小，變化范圍在1173～1420gC·m?2，多年平均值1295.5gC·m?2；廣東省NPP變化范圍在1326～1773gC·m?2，多年平均值1566.4gC·m?2。整個(gè)研究區(qū)而言，植被年平均NPP變化范圍在1320.1～1637.0gC·m?2，多年平均值1513.8gC·m?2。相對(duì)多年年均NPP而言，高于年平均值的年份有2000、2001、2003、2008、2009、2010和2013年，其它年份均低于多年平均值。其中，2001年橡膠種植區(qū)年均NPP最高，為1637.0gC·m?2，2004年植被年均NPP最小，為1320.1gC·m?2。

圖2 基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠種植區(qū)2000?2015年植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的年際變化

從橡膠種植區(qū)各站點(diǎn)NPP多年平均值的空間分布看（圖3），全國(guó)主要橡膠種植區(qū)的年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力存在明顯差異，多年平均值在1173.0～2128.0gC·m?2，其中植被年平均NPP高值區(qū)主要分布在海南，其次是廣東，云南最低。

2.2 基于遙感數(shù)據(jù)反演的橡膠樹年凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）

基于遙感年凈初級(jí)生產(chǎn)力模型的計(jì)算結(jié)果表明，2000?2015年各省橡膠樹種植區(qū)間年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）存在明顯差異。其中云南省橡膠種植區(qū)年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）最大，在1105～1317gC·m?2，多年平均值1226.1gC·m?2；廣東省NPPx最小，變化范圍511～638gC·m?2，多年平均值613.6gC·m?2；海南省NPPx在828～1054gC·m?2，多年平均值929.5gC·m?2。2000?2015年整個(gè)橡膠樹種植區(qū)年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）變化范圍在920.1～1053gC·m?2，多年平均值991.9gC·m?2。相對(duì)多年年均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）值而言，研究區(qū)橡膠樹高于年平均值的年份有2003、2004、2006、2007、2008、2009、2011、2014和2015年，其它年份均低于多年平均值。其中2003年橡膠種植區(qū)年均NPPx最大，為1053gC·m?2，2005年NPPx最小，為920.1gC·m?2（圖4）。

圖3 基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠種植區(qū)2000?2015年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）的空間分布

圖4 基于遙感數(shù)據(jù)反演的橡膠種植區(qū)2000?2015年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）的年際變化

從橡膠種植區(qū)空間分布上看（圖5），整個(gè)研究區(qū)橡膠種植區(qū)的年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力存在明顯差異，多年平均值在149.0～1495.0gC·m?2，其中云南橡膠的年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力整體高于海南，海南整體高于廣東。

圖5 基于遙感數(shù)據(jù)的橡膠樹種植區(qū)2000?2015年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPPx）的空間分布

2.3 橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖6 研究區(qū)2000?2015年橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)（NPPx/NPP）的年際變化

圖7 研究區(qū)2000?2015年橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)（NPPx/NPP）平均值的空間分布

2.4 橡膠樹產(chǎn)膠能力模型

2.4.1 模型建立

根據(jù)李海亮等[6,20]提出的橡膠樹產(chǎn)膠能力估算模型及式（1）?式（5），得到基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力模型公式，即

2.4.2 模型驗(yàn)證

通過(guò)建立的橡膠樹產(chǎn)膠能力模型計(jì)算2016?2018年全國(guó)橡膠種植區(qū)橡膠樹的產(chǎn)膠能力。結(jié)果表明，2016?2018年，云南、海南和廣東省橡膠樹年產(chǎn)膠能力分別為在16.3～172.4g·m?2、15.7～168.2g·m?2和15.8～164.0g·m?2；年平均值分別為105.4、106.7和108.4g·m?2。模型計(jì)算結(jié)果與統(tǒng)計(jì)部門公布中國(guó)天然橡膠產(chǎn)量平均約1200kg.hm?2的結(jié)果較為接近[21]。同時(shí)，從圖8可以看出，全國(guó)主要橡膠種植區(qū)的產(chǎn)膠能力存在明顯差異，云南橡膠的產(chǎn)膠能力整體高于海南，海南高于廣東。根據(jù)產(chǎn)膠能力值判斷，云南是單產(chǎn)最高的優(yōu)質(zhì)天然橡膠生產(chǎn)基地，海南次之，廣東最低，與實(shí)際情況一致。2016?2018年橡膠樹年產(chǎn)膠能力的分布，體現(xiàn)了不同氣候條件下，不同區(qū)域橡膠樹產(chǎn)膠能力會(huì)隨著氣候條件的變化而發(fā)生變化，如2016年云南橡膠樹年產(chǎn)膠能力低于2017、2018年，說(shuō)明建立的模型能從氣候角度客觀、準(zhǔn)確反映橡膠樹產(chǎn)量的波動(dòng)情況，克服了因橡膠價(jià)格低迷、割膠積極性不高等人為因素而導(dǎo)致的橡膠產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)的偏差。

圖8 2016?2018年研究區(qū)橡膠樹年產(chǎn)膠能力的空間分布

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）本研究在氣候植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型和遙感光能利用率模型（CASA）的基礎(chǔ)上，利用2000?2015年的氣候和遙感數(shù)據(jù)，得到中國(guó)橡膠樹種植區(qū)的凈初級(jí)生產(chǎn)力，并開展兩種模型下橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力的差異分析，得到多年平均狀態(tài)下的橡膠樹生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換系數(shù)的確立為建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型奠定了基礎(chǔ)。

（2）氣候模型反演凈初級(jí)生產(chǎn)力是利用氣候因子（溫度、降水等）來(lái)估算凈初級(jí)生產(chǎn)力，模型估算的結(jié)果是潛在的植被生產(chǎn)力，2000?2015年研究區(qū)橡膠樹年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力變化范圍為1320.1～1637.0gC·m?2；由于氣候條件的不同，海南橡膠種植區(qū)的年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力整體高于廣東，廣東整體上高于云南。利用遙感模型反演的橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力真實(shí)反映了橡膠種植區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力的實(shí)際情況，可以用于估測(cè)現(xiàn)實(shí)的橡膠樹凈初級(jí)生產(chǎn)力，2000?2015年研究區(qū)橡膠樹年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力變化范圍在920.1～1053gC·m?2，年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力整體低于氣候模型計(jì)算的結(jié)果，但其在空間上的分布規(guī)律與氣候模型計(jì)算的凈初級(jí)生產(chǎn)力分布存在明顯的差異，其中云南橡膠的年平均凈初級(jí)生產(chǎn)力整體高于海南，海南整體高于廣東。因此，本研究利用兩種反演方法的優(yōu)勢(shì)和存在的差異，建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠產(chǎn)膠能力模型，實(shí)現(xiàn)了利用氣候數(shù)據(jù)準(zhǔn)確計(jì)算橡膠種植區(qū)產(chǎn)膠能力的大小，為準(zhǔn)確及時(shí)了解全國(guó)橡膠樹生產(chǎn)狀況提供了決策依據(jù)，也可為評(píng)估未來(lái)氣候變化對(duì)橡膠樹產(chǎn)膠能力影響提供技術(shù)保障。

3.2 討論

（1）橡膠樹產(chǎn)膠能力的高低受多種因素的影響，既有氣候原因，也有橡膠樹品種、樹齡、管理等方面的原因。基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠產(chǎn)膠能力模型的建立主要考慮橡膠樹生理生態(tài)學(xué)特點(diǎn)和水熱平衡關(guān)系，模型是基于一定假設(shè)條件而建立的，即氣候生產(chǎn)力模型估算的凈初級(jí)生產(chǎn)力為理想狀態(tài)下橡膠樹可達(dá)到的最大值；而遙感光能利用率模型反演的凈初級(jí)生產(chǎn)力是現(xiàn)實(shí)狀況下橡膠樹的實(shí)際值，未考慮其它因素的影響。由于氣象觀測(cè)資料站點(diǎn)分布限制和遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的限制，插值后的空間分辨率為1km×1km，建立的模型能從宏觀上反映中國(guó)橡膠樹產(chǎn)膠潛力的空間差異，但在局部區(qū)域模型評(píng)估的結(jié)果仍可能有一定的不確定性。研究給出的是目前狀態(tài)下全國(guó)橡膠種植區(qū)的計(jì)算方法，不同省區(qū)或橡膠樹種植狀況發(fā)生變化后，需要不斷更新橡膠種植區(qū)信息和生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換系數(shù)，才能確保模型的準(zhǔn)確性。

（2）基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型依靠2000?2015年的數(shù)據(jù)集建立，下一步需要更多數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型檢驗(yàn)；由于不同品種橡膠樹之間的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化系數(shù)和干物質(zhì)分配率存在一定差異，評(píng)估的橡膠樹產(chǎn)膠能力的結(jié)果可能局部存在一定偏差，需要不斷完善和優(yōu)化[22?23]，從而提高模型評(píng)估的準(zhǔn)確性。

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Study on Potential Productivity of Rubber Model Based on Climate Data

LIU Shao-jun, TONG Jin-he, ZHANG Jing-hong, CHEN Xiao-min, LI Wei-guang

(Hainan Institute of Meteorological Science/Key Laboratory of South China Sea Meteorological Disaster Prevention and Mitigation of Hainan Province, Haikou 570203, China)

The production capacity of rubber trees in natural environment is mainly affected by climate factors besides its biological and soil characteristics. The fluctuation of rubber tree yield is closely related to the change of climate factors. Therefore, it is important to accurately and timely evaluate the influence of climatic conditions on rubber production. Based on the climate data and remote sensing data from the year of 2000 to 2015 in Chinese rubber planting areas, the conversion coefficients between potential productivity of rubber and actual productivity of rubber were established by the net primary productivity model of climatic vegetation model which reflecting potential productivity of rubber and the remote sensing CASA model which reflecting actual productivity of rubber. The potential productivity of rubber model based on climate data was established. The results showed that the potential productivity of rubber model based on climate data not only can objectively and quantitatively evaluate the dynamic change of rubber production capacity based on climatic data, but also can indirectly reflect the difference of the impact of climate factors on rubber production capacity in different regions. It would provide decision-making basis for rubber yield prediction, adaptation strategies and measures to climate change for Chinese rubber planting.

Rubber; Net Primary Production (NPP); Potential productivity of rubber; Model

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.02.006

劉少軍,佟金鶴,張京紅,等.基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評(píng)估模型[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(2):113-120

2019?08?25

海南省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)領(lǐng)域）高層次人才項(xiàng)目（2019RC359）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41765007；41465005；41675113）

劉少軍，E-mail：cdutlsj@163.com