遼寧省昌圖縣NPP的時空格局變化研究

寧曉娜

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧沈陽110003)

NPP是表現(xiàn)出植物活動情況的關(guān)鍵變量，也是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量運動的重要環(huán)節(jié)[1]。NPP不僅能反映植物在自然環(huán)境下對二氧化碳的固定封存能力，而且能夠體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)質(zhì)量狀況，確定生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯函數(shù)，估算地球環(huán)境支撐能力，可以評價地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)開發(fā)能力[2]。同時，它也是評價生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性，生態(tài)結(jié)構(gòu)的功能性以及自然生物圈的收容能力的重要指標。在廣域、地域規(guī)模中，使用遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動模型間接推斷植被生產(chǎn)能力是很重要的，是一種被廣泛接受的研究方法。遙感技術(shù)可迅速獲取大空間數(shù)據(jù)，具有多個時間特性，可監(jiān)視地區(qū)動態(tài)變化[3]。還提供了研究碳循環(huán)、植被與氣候關(guān)系的新方法。為了這些優(yōu)點，將遙感數(shù)據(jù)導入到NPP模型中結(jié)合字段數(shù)據(jù)，增強NPP估計的數(shù)據(jù)信息。其研究將為自然資源的合理開發(fā)和利用提供科學依據(jù)和全球規(guī)模變化的影響[4]。

1 研究區(qū)概況

昌圖縣位于遼寧省鐵嶺市轄區(qū)最北部，松遼平原南端。行政區(qū)域總面積為4317 km2，占到全省總面積的3%[5]。昌圖縣管轄昌圖鎮(zhèn)、雙廟子鎮(zhèn)、八面城鎮(zhèn)等，2019年的常住居民為104萬人。昌圖縣屬遼北低丘平原，河流除遼河外，主要支流有招蘇臺河、二道河、亮子河等，均屬遼河水系[6]。昌圖縣地處于中國北方，常年干旱缺水，降雨量少，日照較為強烈，植物的生長周期較長[7]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

(1)采用MOD13Q1數(shù)據(jù)，采樣時間跨度16 d，分辨率為30 m部分來自USGS數(shù)據(jù)中心，一部分來源于地理空間數(shù)據(jù)云。直接從網(wǎng)站上下載的MODIS數(shù)據(jù)已進行過大氣校正處理。在envi 5.0中，將投影坐標變換為通用的墨卡托投影，并利用研究區(qū)域的矢量數(shù)據(jù)對其進行切割。獲得了昌圖縣2000年～2010年的NDVI數(shù)據(jù)集。然后，采用最大組合法(MVC)將每月二期圖像合成到每月最大NDVI數(shù)據(jù)中，并將其保存為8位格式文件。

(2)Landsat影像

遙感圖像來自從地理空間數(shù)據(jù)云下載的30 m分辨率的Landsat TM圖像。期間分別為2000年8月和2010年8月。使用ARCGIS融合、切斷、視覺解釋的圖像處理，取得了2000年和2010年的昌圖縣土地利用數(shù)據(jù)。

(3)氣象數(shù)據(jù)

從中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中提取了昌圖縣月平均氣溫值、太陽輻射量以及總降雨量等數(shù)據(jù)。為保證空間插值的精度，選取了38個常規(guī)氣象站和6個太陽輻射監(jiān)測站。

2.2 研究方法

2.2.1 基于CASA模型的NPP估算

CASA模型的基本原理是光能的利用。植被的NPP由光利用和光合作用輻射的兩個因子來估計。模型的NPP估計主要取決于APAR和ε的兩個變量[8]。計算公式如下：

NPP(x，t)=APAR(x，t)×ε(x，t)

式中：t為時間，x為空間；NPP(x，t)為t月份x像元植被第一凈初級生產(chǎn)力；APAR(x，t)為t月x像元吸收的光合作用有效輻射；ε(x，t)為t月x像元實際光能轉(zhuǎn)換利用率。

植被NPP隨時間和參數(shù)位置的變化而變化[8]。植被吸收的光合有效輻射(APAR)取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收率，其計算公式如下[9]：

APAR(x，t)=SOL(x，t)×FPAR(x，t)×0.5

式中：SOL(x，t)代表了t月份中x像素的總太陽輻射，MJ/m2；常數(shù)0.5表示了植物受到太陽輻射總量后能夠轉(zhuǎn)化為有實際效果輻射的比例；FPAR(x，t)代表植被層對射入PAR的吸收利用率；FPAR與NDVI和SR在一定范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，因此可以通過MOD13A1產(chǎn)品進行提取，NDVI用于估計FPAR[9]。光能轉(zhuǎn)化率是指植被把所吸收的光合有效輻射(PAR)轉(zhuǎn)化為有機碳的效率，它主要受到環(huán)境溫度和大氣含水量的影響，用下式計算:

ε(x，t)=Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax

式中：Tε1(x，t)和Tε2(x，t)表示氣溫對光能的轉(zhuǎn)化利用率的影響，Wε(x，t)表示水分條件對光能轉(zhuǎn)化率的影響，εmax表示在理論中植物的光能利用率最大值。

2.2.2 歸一化植被指數(shù)

NDVI又稱標準化植被指數(shù)，是指近紅外光譜(0.7 μm～1.1 μm)、可見光波段近紅外光譜(0.4 μm～0.7 μm)的比值以及兩者之和[10]。NDVI目前已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在植被的研究和氣候的研究中。它能以最直觀的方式反映地表植物的生長狀況和分布特征。它與植被的分布特點呈線性相關(guān)，植被覆蓋檢測范圍廣，對時間和空間適應(yīng)性強[11]。計算公式為：

式中：NIR為近紅外波段；R為紅波段。

3 研究結(jié)果

3.1 植被與NPP的空間格局

昌圖縣NPP的分布具有明顯的區(qū)域差異。昌圖縣南高北低，三面被山環(huán)繞。從全縣來看，2000年～2010年昌圖縣植被凈第一性生產(chǎn)力平均值為990.79 gC/m2，而南部和中部地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力較高，由南向北逐漸下降。中間部河谷的NPP值也較低。從不同年份的NPP分布圖可以看出，NPP的總體空間變異范圍不大。昌圖縣植被生長相對穩(wěn)定，栽培植物、針葉林和闊葉林分布廣泛。在流域和昌圖縣北部，植被生長較差，相應(yīng)的NPP產(chǎn)量也較低。

3.2 年際變化

計算2000年～2010年昌圖縣植被年平均凈現(xiàn)值。昌圖縣植被年平均NPP在中部和北部山區(qū)較高，大部分山區(qū)的NPP在1200 gC/m2以上，而流域河谷和居民區(qū)域的NPP僅在0～200 gC/m2之間。

昌圖縣年均NPP值2003年最高，為2479 gC/m2，2010年最低，僅為2214.4 gC/m2，減少了10.67%。2000年～2010年平均NPP值為990.79 gC/m2。從NPP值的變化來看(圖1)，NPP平均值整體變化較為平穩(wěn)，最大值在2000年～2001年期間出現(xiàn)明顯的降低，2002年以后，呈現(xiàn)出平穩(wěn)降低的趨勢。NPP值大于1200 gC/m2的區(qū)域占整體的35.67%，1000 gC/m2～1200 gC/m2區(qū)域之間占整體的23.34%。集中在昌圖縣中、西、南部。

圖1 NPP值年際變化情況

采用一元線性回歸分析法，表現(xiàn)出各個空間范圍內(nèi)的NPP值的變化趨勢，能夠以單一像元的不同時段變化率來表示整個時間段的NPP演化規(guī)律。一元線性回歸分析法可以從整體上來判斷NPP的發(fā)展趨勢，消除個別異常點的影響，直觀且真實地反映NPP在較長時間段中的演化過程[12]。計算公式是：

式中：Slope值是線性擬合方程的斜率值；n是研究階段的年份。

通過計算可以得出，昌圖縣年均NPP的Slope值為-0.014，小于零。可以得出，年均NPP值呈現(xiàn)出減少的趨勢。

3.3 季節(jié)變化

將昌圖縣的NPP值計算季節(jié)性平均值，最終得到該流域植被NPP各季節(jié)的平均NPP的空間變化分布情況(圖2)。

圖2 NPP季節(jié)變化圖

春季，由于氣溫的回升，中部以及南部的地表水得到大量補充，植物重現(xiàn)生機，NPP的值相比較冬季有所升高。昌圖縣平均值在897.45 gC/m2。到了夏季，雨季出現(xiàn)，降水量明顯增加，氣溫和日照強度升高，為植被的生長提供了良好的環(huán)境條件。全昌圖縣的NPP達到了四個季節(jié)的最高峰，平均值為1567.32 gC/m2。秋季，氣溫開始回落，植被也進入了凋落期，NPP值也出現(xiàn)明顯的降低，平均值為643.23 gC/m2。冬季的平均氣溫降到最低點，地表水量也大大降低，植被生長受到限制，NPP值極低，為356.2 gC/m2。

3.4 NPP與降雨量相關(guān)性

皮爾遜相關(guān)系數(shù)：它是一種幾何解釋，用來測量兩個無關(guān)變量之間的線性相關(guān)程度，通常用P表示，它表示兩個變量之間夾角的余弦，用于研究兩個無關(guān)變量之間的相關(guān)性[13]。計算公式為：

對處理得到的年均降雨量數(shù)據(jù)和年均NPP值經(jīng)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.734，表示降雨量與NPP值程正相關(guān)，降雨量與NPP值的數(shù)量變動方向一致。NPP值隨著降雨量增大而增大，相關(guān)性較高。顯著性值(sig)為0，其具有顯著性意義見表1。

表1 降雨量與NPP值相關(guān)性

4 結(jié)論與建議

以遼寧省昌圖縣為研究區(qū)域，采用CASA模型計算出了昌圖縣的植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)值，通過研究得出：

(1)昌圖縣植被凈第一性生產(chǎn)力大于1000 gC/m2的區(qū)域分布在昌圖縣中部、南部以及西部地勢較高的山區(qū)。而河流流域以及人居地區(qū)的NPP值僅在0～200 gC/m2區(qū)間內(nèi)。

(2)2000年～2010年平均NPP值為990.7951 gC/m2，年平均值變化較為平穩(wěn)，通過一元線性回歸分析可以得出，年均NPP值呈現(xiàn)出逐年降低的趨勢。引入降雨數(shù)據(jù)，通過Pearson相關(guān)性檢驗得出，降雨量與NPP值呈正相關(guān)性。

(3)NPP值呈現(xiàn)出季節(jié)變化性，其中，夏季均NPP值最高，為1567.32 gC/m2冬季最低，僅為356.2 gC/m2。

(4)NPP的時空變化受多種因素的影響。利用CASA模型計算的植被第一凈初級生產(chǎn)力受到遙感數(shù)據(jù)和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響較大。本次研究沒有深入考慮植被下墊面的土壤條件，氣象環(huán)境中的大氣二氧化碳濃度和人類生產(chǎn)中對NPP值的影響，這些因素可能對結(jié)果造成一定的影響，但利用遙感數(shù)據(jù)計算昌圖縣NPP值是本研究的結(jié)果，仍然具有科學的參考價值。