甘南地區(qū)草地NPP空間分布的估算研究★

閆宏昌，羅玉恒

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

0 引言

草地植被的初級(jí)生產(chǎn)力是反映植物活動(dòng)變化的指標(biāo)之一[1],是研究大陸生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量運(yùn)轉(zhuǎn)的根本,除了要供應(yīng)植物自身的需求之外,還要為所有的有機(jī)體生命供給能量和需求,因而甘南草地植被NPP的研究也為甘南草地的合理利用提供了科學(xué)依據(jù)。從20世紀(jì)60年代至今以來(lái),各國(guó)學(xué)者對(duì)NPP的研究從未終止過(guò),國(guó)際生物學(xué)界對(duì)植物NPP進(jìn)行了大量的測(cè)定,并以研究測(cè)算資料為基本條件,結(jié)合氣候環(huán)境因子等因素,建立了植物NPP模型,并且對(duì)植被NPP的區(qū)域分布特征進(jìn)行估算研究[2]。NPP的時(shí)空動(dòng)態(tài)已成為聯(lián)合國(guó)氣候變化框架委員會(huì)(United Nations Framework Conventionon Climate Change,UNFCC)科學(xué)談判的重要抓手之一[3]。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

甘南藏族自治州位于我國(guó)西北部區(qū)域,靠近青藏高原東北邊緣,地處隴南山地、黃土高原和青藏高原過(guò)渡地帶的甘肅、青海、四川三省結(jié)合部,南部區(qū)域與四川省阿壩州相接壤,西南部區(qū)域分別與青海省果洛州、黃南州相接,東部區(qū)域和北部區(qū)域分別與隴南市、臨夏州、定西市接壤。地理位置處在東經(jīng)100°45′45″～104°45′30″、北緯33°06′30″～35°34′00″之間。整體地形地貌西北高,東南低,由西北向東南呈傾斜狀的地形。境內(nèi)地形地貌溝谷縱橫,山巒疊嶂,錯(cuò)綜復(fù)雜。境內(nèi)由西向東蜿蜒盤(pán)曲的陡峭高山與其間的高原開(kāi)闊地,這些形成了境內(nèi)南、西、北面平均海拔在3 000 m以上的主要地貌區(qū)域。州境內(nèi)舟曲縣瓜子溝口為地勢(shì)最低點(diǎn),平均海拔為1 172 m。該地區(qū)被分為三個(gè)自然類型區(qū):山原區(qū)、峽谷區(qū)和山地丘陵區(qū),甘南藏族自治州最高海拔為4 920 m,最低海拔為1 172 m,全州分布有廣闊的草甸草原、丘陵山地和岷迭山區(qū),被譽(yù)為全國(guó)的“五大牧區(qū)”之一和“六大綠色寶庫(kù)”之一。其中縣城舟曲縣瓜子溝口是該地區(qū)的最低海拔地點(diǎn),其平均海拔為1 172 m。

1.2 土壤及植被

全州草地面積272.27萬(wàn)ha,占全州土地總面積的70.3%。耕地面積6.67萬(wàn)ha(最新國(guó)土二調(diào)面積為13.31萬(wàn)ha)。全州農(nóng)作物種植土地總面積7.78萬(wàn)ha,占總土地面積的2.03%。林業(yè)用地面積94.03萬(wàn)ha,占土地總面積的24.55%。甘南藏族自治州的土地類型主要受到氣候等自然條件的影響,土壤呈現(xiàn)垂直分布的特點(diǎn),全州共分為13種土地類型、27個(gè)亞類、40個(gè)土屬。如圖1所示為甘南州地區(qū)高程分布圖。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及其預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)的NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù),NDVI:2021年月最大合成產(chǎn)品MOD13A3(1 000 m×1 000 m);LST:8日最大合成MOD11A2(1 000 m×1 000 m);SIN系統(tǒng)中對(duì)以上數(shù)據(jù)編號(hào)呈現(xiàn)為h26v05,版本格式為5.0,以EOS-HDF為主要格式。為了保持所有數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性,分別將數(shù)據(jù)投影方式統(tǒng)一選擇為WGS84_1984地球橢球,以最鄰近的重采樣方法得到數(shù)據(jù)為1 000 m×1 000 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要使用MRT(MODIS Reprojection Tools)數(shù)據(jù)軟件工具,通過(guò)將下載的甘南州境內(nèi)的MODIS遙感影像數(shù)據(jù)格式和地圖投影進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,將HDF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為T(mén)iff數(shù)據(jù)格式;再利用SIN系統(tǒng)中地圖數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系形式轉(zhuǎn)換為WGS84_1984地球橢球,從而完成遙感圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)重采樣與空間圖像數(shù)據(jù)拼接,以此來(lái)獲取所需的LST和NDVI的數(shù)據(jù)閥值[4]。與此同時(shí),通過(guò)采用ArcGIS數(shù)據(jù)處理軟件工具來(lái)獲取甘南州草地分別在2020年—2022年5月—9月的月平均太陽(yáng)總輻射值,然后,再將該值進(jìn)行Kriging值的空間插值分析,以此來(lái)提取遙感影像的影像像元大小與MODIS數(shù)據(jù)格式一致的和投影方式相同的,甘南州草地地區(qū)基于柵格圖像數(shù)據(jù)的月平均太陽(yáng)總輻射值。通過(guò)實(shí)用ArcGIS數(shù)據(jù)處理軟件工具,經(jīng)過(guò)遙感圖像的像元配準(zhǔn),建立統(tǒng)一的地圖投影格式和數(shù)字化格式,以此獲取甘南州地區(qū)的行政區(qū)劃矢量圖[5]。

1)首先使用MRT(MODIS Reprojection Tools)數(shù)據(jù)軟件工具,將下載的甘南州境內(nèi)的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和地圖投影方式轉(zhuǎn)換,將HDF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為T(mén)iff格式,同時(shí)把SIN系統(tǒng)中的地圖投影格式轉(zhuǎn)換為WGS84/Geo graphic系統(tǒng)。

2)運(yùn)用ArcGIS中的extract by mask工具,用甘南州邊界分別去裁切轉(zhuǎn)換的NDVI和LST圖層,提取甘南州的區(qū)域圖層。

3)用甘南州的草地類型圖去裁切2)所裁切到的NDVI和LST圖層,獲取NDVI和LST剪切圖。

4)運(yùn)用ArcGIS中math工具下的times,分別給NDVI乘以0.000 1,給LST乘以0.002[6]。

2.3 草地NPP模型

草原NPP的模型指數(shù)主要基于衛(wèi)星圖像獲得的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行估算,如大尺度光合有效輻射、光合有效吸收率和光能利用率。該值可以準(zhǔn)確反映大規(guī)模氣候變化對(duì)NPP指數(shù)的影響[7]。光能有效利用率模型主要基于CASA模型,充分考慮了溫度變化和大氣水蒸氣的影響,來(lái)建立的光能有效利用率模型為:

NPP=(FP×P)×(ε*×ΔT×ΔE)

(1)

其中,FP為草地能夠吸收的光合有效輻射的比例;P為到達(dá)表面的光合有效輻射;ε*為草地光能的最大利用率;ΔT為溫度對(duì)草生長(zhǎng)的影響系數(shù);ΔE為大氣含水量對(duì)牧草生長(zhǎng)的影響系數(shù)。

1)光合有效輻射P。光合有效輻射P指綠色植物所能吸收的波長(zhǎng)約為400 μm～700 μm太陽(yáng)輻射中,使葉綠素分子呈現(xiàn)出活躍狀態(tài)的部分光譜能量。因此,它可以通過(guò)太陽(yáng)的總輻射來(lái)求得:

P=0.47×S

(2)

其中,S為太陽(yáng)總輻射值。

2)草所吸收的光合有效輻射比例FP。

FP=(V-Vmin)(FPmax-FPmin)/(Vmax-Vmin)+FPmin

(3)

其中,FPmax=0.95;FPmin=0.001;Vmax和Vmin分別為草地的最大和最小植被指數(shù)比值。

3)草地最大光能利用率ε*。國(guó)外使用的CASA模型的最大光能利用率通常取0.389 g/MJ,但對(duì)于中國(guó)的植被來(lái)說(shuō),這個(gè)值顯然不適用。文章中的模擬結(jié)果主要是基于Running等提出的最大光能利用率。主要通過(guò)使用BIOME-BGC(生態(tài)的生理過(guò)程構(gòu)造模型)來(lái)對(duì)不同覆蓋類型的植被進(jìn)行模擬,該值能更加的契合甘南州草原的實(shí)際地形情況[8]。綜上所述,本文所使用的草地的最大光能利用率是基于Running等提出的在草地等地類上的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果,該值取值為0.608 g/MJ。

4)溫度對(duì)光能利用率的影響。

σT=[1+exp[-220 000+710(Ts+273.16)/
8.314(Ts+273.16)]]

(4)

5)大氣水汽氣壓壓差對(duì)光能利用率的影響。大氣中水汽壓差對(duì)光能利用率的影響可用式(5)進(jìn)行解算:

σE=1.2exp(-0.35Ev)-0.2

(5)

其中,σE為水汽壓差對(duì)草的光能利用率影響系數(shù)[9];Ev為大氣水汽壓差,由式(6)計(jì)算:

Ev=0.611[exp(17.27(Ts-273.2)/Ts-35.86)]-
exp[17.27(Td-273.2)/Td-35.86]

(6)

其中,Ts為地球表面溫度值,K;Td為近地層露點(diǎn)溫度,K,主要通過(guò)整個(gè)層的大氣含水汽量W(g·m2)來(lái)計(jì)算:

Td=ln(w+0.000 1)+0.981/0.034 1

(7)

其中,w為空氣中大氣水汽的含量,甘南地區(qū)的含量解算公式為:

W=0.098 1e+0.169 7,其中,e為絕對(duì)水汽壓,kPa,計(jì)算式為式(8):

e=0.610 8×exp[17.27(T0-273)/
237.3+T0-273]×RH

(8)

其中,RH為相對(duì)濕度,取72%;T0為地面近地層的大氣溫度,文中取值為91.16 K[10]。

3 甘南草地NPP空間分布格局

本文研究的是甘南州地區(qū)2020年—2022年的草地類型,通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析最后得到5月—9月的研究區(qū)NPP平均空間分布值約為677.475 gC/(m2·a)。其中,縱觀甘南州全州的主要草原類型,主要表現(xiàn)為高寒帶灌叢草甸和高寒草甸類型,該地類類型面積分別占甘南州草地總面積的87.75%和10.64%,其次占比較大的草原類型主要是溫性草甸性草原和溫性草原,其占比分別為0.83%與89%,占比較小的草原類型主要為暖性草叢、和平地草甸、沼澤類,約占甘南州草地總面積的0.71%。甘南州地區(qū)單位草面積內(nèi)的NPP值,沼澤地區(qū)的最大值最為集中,其值約為560.63 gC,其次,NPP值主要集中在高寒灌叢性草甸、高寒草甸及溫性草甸草原等地區(qū),其NPP值分別約為491.67 gC,485.43 gC,450.34 gC,甘南州地區(qū)NPP值相對(duì)比較低的草地類型主要分別集中在暖性草叢、溫性草原、低地草甸類,其NPP值分別約為336.12 gC,338.78 gC,339.17 gC。

研究結(jié)果表明,2020年—2022年5月—9月的甘南全州草地NPP的分布總體上表現(xiàn)為西南較強(qiáng),而東北較少,呈現(xiàn)依次減少的趨勢(shì),其NPP的空間分布格局與地形地勢(shì)有著密切的聯(lián)系。甘南草地植被生長(zhǎng)季節(jié)性變化比較明顯,其中,從5月—9月的NPP平均變化中(如圖2—圖6所示),7月的NPP達(dá)到峰值,平均達(dá)到(732.221 gC/(m2·a)),9月的NPP最小,平均達(dá)到(581.413 gC/(m2·a)),如圖7所示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比甘南地區(qū)草地類型分布情況,以及全州的高程圖和NPP的分布情況,地形地貌特點(diǎn)等可以看出,甘南草地的NPP分布情況與其地形地勢(shì)有著密不可分的關(guān)系。甘南地區(qū)整體地形地貌西北高、東南低,由西北向東南呈傾斜狀的地形,而NPP也呈現(xiàn)出了西南高、東北低的趨勢(shì)。其中,高寒灌叢性草甸分布面積最廣,NPP年均值為710.63 gC/(m2·a)～107 gC/(m2·a);沼澤類地區(qū)的單位面積NPP值表現(xiàn)最大,為540.60 gC/(m2·a)。縱觀甘南全州整體的NPP值、草地使用面積都和海拔呈正態(tài)階梯型的分布狀態(tài);甘南州海拔在3 500 m～4 500 m范圍內(nèi)的草原分布面積占全州草原總面積的80.92%,而3年平均的NPP值在海拔為3 000 m～3 500 m最高,年均值為499.05 gC/(m2·a)。通過(guò)2020年—2022年5月—9月的溫度變化的分析可以得出,甘南全州草地NPP值變化的影響因素比較多,也比較復(fù)雜,但主要表現(xiàn)為受氣候變化的影響比較大。