（地图学与地理信息系统专业论文）黄河源区npp及植被水分利用效率时空特征分析.pdf

摘要 随着西部人类活动强度的日益加剧 环境和生态受到的压力将愈来愈大 缺 水或水土流失造成大范围的贫困 植被水分利用效率是联系植被生态系统碳循环 和水分循环的重要变量 因而具有重要的生态学和水文学意义 为了更加合理高 效地利用我国西部地区有限的水资源 需要我们更全面和深入地了解该地区不 同植被生态系统水分利用效率特征 从而发现并推广耗水量低而生产力高的干 旱区耐旱植被 为水资源的可持续利用打好基础 本文选用c a s a 模型 c a r n e g i ea m e ss t a n f o r da p p r o a c h 结合m o d i s 遥感数 据产品 气象数据 植被数据和土壤数据 在e n v i 环境下实现对黄河源区2 0 0 1 2 0 0 5 年净初级生产力n p p 的计算 根据n p p 及潜在蒸散发p e t 计算植被水分利用 效率w u e 分析n p p w u e 的空间分布和时间变化特征 对不同植被类型下的n p p 和w u e 特征进行分析 分析n p p 和w u e 与影响因子的相关性 研究结论如下 l 以c a s a 模型为基础 结合m o d i s 遥感数据产品 地面气象资料和植 被 土壤数据计算n p p 避免了统计模型以点代面的缺点 使n p p 的估算更具 科学性 且能实时地反映n p p 时空变化 验证了c a s a 模型在黄河流域的可适 用性 2 从n p p 空间分布来看 n p p 总量主要集中在源区中下部位 其次为达日 站点周围地区 果洛 久治 达日三站点之间分布较为零散 达日与果洛站点以 上部位n p p 总量很低 最低值区域为湖泊和无植被区域 3 从n p p 年际变化来看 在不同的区域有不同的响应 区域n p p 年际变 化中 2 0 0 3 年n p p 年总量最大 年内变化中 基本上从3 月开始快速增长 7 月达最大值 9 月以后快速减少 4 从不同植被类型n p p 来看 年际上有着不同的变化趋势 有的植被n p p 一直处于增长趋势 大部分植被n p p 在2 0 0 1 2 0 0 3 年增长 2 0 0 3 2 0 0 5 年下降 有的植被n p p 变化处于波动状态 个别植被n p p 在2 0 0 4 年达最大值 5 从m 厄年际变化来看 总体上呈上升趋势 2 0 0 4 年有所下降 年内变 化中 w u e 达到最大值基本在6 月 7 月下降较多 8 月和9 月有所回升 之后 迅速下降 6 姗年际变化趋势与n p p 年际变化趋势类似 不同植被类型中 具有 较高w u e 值的有三种沼泽 其他植被类型中温带落叶阔叶林最高 其次为栽培 植被 温带草原 盐生草甸 高寒草甸等 w u e 值最低的为湖泊和无植被地段 7 分析源区n p p 及w u e 与n d v i 气温 降水 太阳辐射和海拔的相关 性 发现n p p 与n d v i 的相关性最大 其次为气温 海拔 与降水和太阳辐射 相关性较差 w u e 是n p p 与蒸散发的一个耦合结果 与n d v i 的相关性最大 其次为太阳辐射 再次为降水量 气温 相关性最低为海拔 关键词 黄河源区 m o d i s c a s a n p p 植被水分利用效率w u e i i s p a t i a la n dt e m p o r a l a n a l y s i so f n e tp r i m a r yp r o d u c t i v i t ya n dw a t e r u s e e f f i c i e n c yi ny e l l o wr i v e rs o u r c er e i n a b s t r a c t w i t hm o r ea n dm o r eh u m a na c t i v i t i e si nw r e s to fc h i n a t h ep r e s s u r eo n e n v i r o n m e n ta n de c o l o g yi sg e t t i n gg r e a t e r s h o r t a g eo fw a t e ro rs o i l w a t e rl o s s c a u s e sp o v e r t y w a t e ru s ee f f i c i e n c y w u e i st h ek e yf a c t o rl i n k i n gt h ec a r b o n n i t r o g e nc y c l ea n dw a t e rc y c l ei nt h ev e g e t a t i o ne c o l o g ys y s t e m t h e r e f o r ei th a s s p e c i a le c o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a lm e a n i n g t ou s et h el i m i t e dw a t e rr e s o u r c ei n w e s to fc h i n ar e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l y w es h o u l dc o m p r e h e n s i v e l ya n dd e e p l y u n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw u ei nd i f f e r e n tv e g e t a t i o ne c o l o g i c a ls y s t e m s f r e d o u ta n dp o p u l a r i z et h ev e g e t a t i o n sw h i c ha r eo fl o w w a t e r c o n s u m p t i o nb u th i g h p r o d u c t i o n c a p a b i l i t y i m p r o v et h eu s ee f f i c i e n c yo fi r r i g a t i o nw a t e ri na g r i c u l t u r a l e c o s y s t e ma n dp r e p a r ef o rt h es u s t a i n a b l eu s eo fw a t e rr e s o u r c e i nt h i st h e s i s b a s e do nc a s a m o d e l c a r n e g i ea m e ss t a n f o r da p p r o a c h i nd w i v i t l lm o d i sp r o d u c t s m e t e o r o l o g i c a ld a t a v e g e t a t i o na n ds o i ld a t a n p p n e t p r i m a r yp r o d u c t i v i t y i ny e l l o wf i v e rr e g i o nf r o m2 0 0 1t o2 0 0 5i so b t a i n e d 1 1 1 e s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt e m p o r a lc h a n g ec h a r a c t e r so fn p p a r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o n p pa n dp o t e n t i a le v a p o t r a n s p i r a t i o n w u ei ny e l l o wr i v e rr e g i o nf r o m2 0 01t o2 0 0 5 i so b t a i n e da n da l s oi t ss p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt e m p o r a lc h a n g ec h a r a c t e r sa r e a n a l y z e d 1 1 坨n p pa n dw u e b e t w e e nd i f f e r e n tk i n d so fv e g e t a t i o na r ea n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n f l u e n c ef a c t o r sa n dn p pa n d r l j ei sa n a l y z e d t h er e s e a r c h c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 b a s e do nc a s am o d e l 丽t hm o d i st l i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o nd a t ap r o d u c t s m e t e o r o l o g i c a ld a t a v e g e t a t i o na n ds o i ld a t a n p pi ny e l l o wr i v e rs o u r c er e g i o ni s c a l c u l a t e d i nt h i sw a y t h es h o r t c o m i n gi nt h et r a d i t i o n a ls t a t i s t i cm o d e lc a nb e a v o i d e d t h ep r e c i s eo fn p pc a nb ei m p r o v e da n dt h et e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no f n p pc a nb er e f l e c t e db e t t e r t h ea p p l i c a b i l i t yo fc a s am o d e li ny e l l o wr i v e rs o u r c e r e g i o ni sv a l i d a t e d 2 a st ot h es p a t i a ld i s t i l b u t i o no fn p p m o s to ft h eq u a n t i t yi si nt h em i dl o w e rp a r t o ft h es o u i er e g i o nq u a n t i t i e sa r o u n dt 0 n g d es t a t i o na n dh e n a ns t a t i o na r er e l a t i v e l y c o n c e n t r a t i v ea n dd a r is t a t i o na n di t s s u r r o u n d i n gf o l l o w e d i nc o n t r a s t n p p d i s t r i b u t e di ng u o l u os t a t i o n j i u z h is t a t i o na n dd a r is t a t i o ni ss c a t t e r e d t h ep a r t a b o v ed a r is t a t i o na n dg u o l u os t a t i o nh a sr a t h e rl o wq u a n t i t y t h el o w e s tr e g i o ni s l a k e sa n dt h eb a r em o u n t a i n sw i t hah i g he l e v a t i o n 3 a st ot h et e m p o r a lc h a n g eo f n p p d i f f e r e n tr e g i o n sh a v ed i f f e r e n tr e s p o n s e s f o r t h ew h o l er e g i o n n p pi n2 0 0 3r e a c h e sm a x i m u m a st ot h em o n t hc h a n g e n p p g r o w sr a p i d l y i nm a r c h r e a c h e st h em a x i m u mi nj u l y a n dr e d u c er a p i d l yi n s e p t e m b e r 4 a st od i f f e r e n tk i n d so fv e g e t a t i o n s t h e yh a v ed i f f e r e n tt e n d e n c i e si nn p p c h a n g eb e t w e e n2 0 0 1a n d2 0 0 5 s o m ev e g e t a t i o n sa r ei nt h ei n c r e a s e dt e n d e n c ya l l t h r o u g h s o m eg r o wb e t w e e n2 0 0 1a n d2 0 0 3a n dr e d u c eb e t w e e n2 0 0 3a n d2 0 0 5 o t h e r sa r ea l w a y sf l u c t u a n ta n ds e v e r a lr e a c h e sm a x i m u m i n2 0 0 4 i l l 5 a st ot h et e m p o r a lc h a n g eo f u e i ti n c r e a s e sb e t w e e n2 0 0 1a n d2 0 0 5a sa w h o l e b u tt h a ti n2 0 0 4d e c r e a s e dal i t t l e r e f e r r i n gt ot h em e n s a lm e a nv a l u ei ne v e r y y e 甄w u er e a c h e st h em a x i m u mi nj u n e d e c r e a s e sm u c hi nj u l y a n dr a l l i e si n a u g u s ta n ds e p t e m b e r a n dt h e nd e c r e a s e sr a p i d l y 6 a st od i f r e r e n tk i n d so fv e g e t a t i o n s w u e i th a st h es i m i l a rt e n d e n c yw i t l lt h a t o fa n n u a lc h a n g eo fn p et h r e ek i n d so fs w a m pa r eh i g i li nw u e i no t h e rk i n d s t h e o n eo ft e m p e r a t ed e c i d u o u sb r o a d 1 e a ff o r e s ti st h eh i g h e s t o t h e r sa r ei nt u r na s f o l l o w s c r o p l a n dv e g e t a t i o n t e m p e r a t eg r a s s l a n d s a l i n i z a t i o nm e a d o w a l p i n e m e a d o w a n ds oo n l a k e sa n db a r er e g i o n sh a v et h el o w e s tw u e 7 a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn p p w u ea n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r s s u c ha s t e m p e r a t u r e p r e c i p i t a t i o n s o l a rr a d i a t i o n n d v i i ti se a s yt of i n do u tt h a t n p pi sc l o s er e l a t e dt on d v i a n dt h e nt e m p e r a t u r ea n de l e v a t i o n p r e c i p i t a t i o na n d s o l a rr a d i a t i o na r ep o o r l yr e l a t e d v e g e t a t i o ng r o w t hi nt h es o u r c er e g i o n e s p e c i a l l yi n d r ys e a s o n m a i n l yd e p e n d so nu n f r e e z e dw a t e rf r o mf r o z e ns o i l g l a c i e ra n ds n o w w u ei sac o u p l i n gv a l u eo fn p pa n de v a p o t r a n s p i r a t i o n w h i c hi sc l o s er e l a t e dt o n d v i s o l a rr a d i a t i o n f o l l o w e d w h i c hm a i n l ya f f e c t s e v a p o t r a n s p i r a t i o n p r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ea r ep o o r l yr e l a t e dt o v u ea n dt h ew o r s to n ei s e l e v a t i o n k e yw o r d y e l l o wr i v e r s o u r c er e g i o n m o d i s c a s a n p p w u e i v 原创性声明 本人郑重声明 本人所呈交的学位论文 是在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 除文中已经注明引用的内容外 不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 硷隧孟坚 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属兰州大 学 本人完全了解兰州大学有关保存 使用学位论文的规定 同意学校保存或向 国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人 授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可 以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文 本人离校后发表 使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为兰州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 型型蚴师签名墨塞垄险日期 之型 多 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 植被对降雨过程的再分配是它影响水文循环的重要方面 自然景观中的植被 可以在多个层次上影响降雨 径流 入渗和蒸发等 进而对水资源进行重新分配 并由此影响水文循环全过程 黄奕龙等 2 0 0 3 高彦春等 2 0 0 0 植被覆盖还 能够有效地影响地表反射率 地表温度 下垫面的粗糙度和土壤 植被 大气连续 体间的水分交换 黄奕龙等 2 0 0 3 于贵瑞等 2 0 0 3 草地和灌丛的蒸散量降 水量比值要低于森林 它是草地影响土壤水 地表水和地下水水位的重要因素 王 根绪等 2 0 0 3 程根伟等 2 0 0 4 植物水分利用效率指植物消耗单位水分所生产的同化物质的量 它实质上反 映了植物耗水与其干物质生产之间的关系 是评价植物生长适宜程度的综合生理 生态指标 张岁岐等 2 0 0 2 植物水分利用效率 w u e w a t e ru s ee f f i c i e n c y 作为植物体生理活耗水形成有机物质的基本效率 成为确定植物体生长发育所需 要的最佳水指标之一 因而成为国内外干旱与半干旱地区植物生理生态学和农业 研究的热点 冯金朝 1 9 9 8 莫兴国 2 0 0 2 李伏生 2 0 0 3 w i d e 理论被应 用于农作物生产实践 已取得一定的效果 u n d e r s a n d e r 1 9 8 6 m p a l a 2 0 0 7 s a d r a s 2 0 0 6 然而 现有的工作多限于对特定植被类型尤其是农作物的水分 利用效率研究 w u e 的主要研究方法包括 田间直接测定方法 杨建伟等 2 0 0 4 徐炳成等 2 0 0 5 气体交换效率法 吴琦等 2 0 0 5 苏培玺等 2 0 0 3 许红梅 等 2 0 0 4 蒋高明等 1 9 9 9 和稳定性c 同位素测定法 喻方圆等 2 0 0 4 苏培 玺等 2 0 0 5 韦莉莉等 2 0 0 5 其中 田间直接测定法是测定水分有效性对干 物质生产影响最准确的方法 但通常需要大量细致繁琐的工作 同时花费也很昂 贵 目前采用的 e 测定方法多为实验田观测与单点模型模拟 苏陪玺 2 0 0 3 很少涉及到一个区域内的各种植被生态系统的水分利用效率及其时空动态特征 难点主要是无法准确估算植被生态系统水分利用效率需要获取的多种陆地地表 重要参数 如地表粗糙度 空气动力学阻力 冠层导度 地表反照率 净辐射 光合作用 蒸散发量等 这些参数通过调节地表与大气之间能量 水分 c 0 2 和 动量的交换 进而影响植被生态系统的水分利用效率 在区域上获取非均匀地表 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 覆盖条件下的大量地表参数的完整空间分布信息 利用传统观测方法是难以完成 的 应用遥感资料的实时性 区域性 多时空分辨率等特点 来获取大范围的地 表能量分配 植被生长和水分状况等多种重要的陆面和生物物理参数已成为可 能 利用遥感技术估算植被生态系统水分利用效率首先需要分别发展生态系统 n p p 和蒸散发 e t 估算模型 这两个领域的研究都十分活跃 至今依然是热点 遥感在区域生态系统生产力模型中应用最多最直接的是光能利用率模型 它们的 共同特点是 以植被光合作用机理和资源平衡观点作为其理论基础 输入参数少 空间分辨率高 直接利用遥感数据计算光合有效辐射系数 婶a r 进而估算 n p p 目前国际上常用的可以估算区域和全球n p p 的光能利用率模型有c a s a g l 0 2 p e m g l 0 2 p e m 2 t u r c 和c f i x 等 而计算蒸散发的方法概括起来主 要分为 单点蒸散计算方法 空气动力学法 波文比 能量平衡法 涡动相关法 和蒸渗仪法等 p e n m a w p e n m a n m o n t e i t h 法和基于遥感技术的方法 在多年冻土分布的黄河源区 高寒草地生态系统主要以高寒草甸 高寒草原 a l p i n es t e p p e 和高寒荒漠 a l p i n ed e s e r t s 三类为主 而该区域独特的多年 冻土活动层中的水分和温度变化直接受地表植被覆盖的重要影响 吴青柏等 2 0 0 2 李英年等 1 9 9 8 t 郑度 1 9 9 6 近2 0 年来生态系统急剧退化 高覆盖 度的高寒草甸草地和沼泽草甸面积分别减少了5 1 5 和2 4 3 6 王根绪等 2 0 0 4 对该区域草地畜牧业产生了较大影响 因此计算该区域的植被生态系统 水分利用效率的时空分布特征 可对该区域的生态系统维护提供参考性依据 1 2 基本概念 1 2 1 水分利用效率的概念 水分利用效率 w a t e ru s ee f f i c i e n c y w u e 是指植被光合作用生产的干 物质 或净初级生产力 n p p 与蒸散作用 e t 所消耗的水分之比 r o s e n b c r g 1 9 7 4 该指标反映了植被的光合生产过程与耗水特性之间的关系 可以采用单 位面积上植物每蒸散1m m 水所能固定的有机碳克数来表示 g c m m 1 m 2 f i s c h e r 1 9 7 8 水分利用效率是联系植被生态系统碳循环和水分循环的重要 变量 因而也具有重要的水文学和生态学意义 为了更加合理高效地利用黄河源 区的水资源 需要我们更全面和深入地了解区域不同植被生态系统水分利用效率 2 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 特征 以推广耗水量低而生产力高的耐寒 旱植被 把握和提高生态系统对水的 利用效率 准确估算区域水资源可利用量 并科学地分配好水资源 实现水资源 的可持续利用 冯金朝 1 9 9 8 植被生态系统水分利用效率由生态系统植被净初级生产力和蒸散发两部分 组成 因此 估算植被生态系统水分利用效率应首先计算生态系统n p p 和蒸散发 e t b a l d o c c h id 1 9 9 4 h u n t 2 0 0 2 s c a n l o n 2 0 0 4 王树森 1 9 9 6 杨 晓光 1 9 9 9 朱治林 2 0 0 2 1 2 2n p p 及相关概念 自然植被的净初级生产力 n e tp r i m a r yp r o d u c t i v i t y n p p 是指绿色植物在 单位面积 单位时间内所积累的有机物数量 l i u 1 9 9 9 表现为光合作用固 定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分 这一部分用于植被的生长和生殖 植被 净初级生产力代表植物的光合生产能力 也是碳的生物地球化学循环中的开始环 节 光合生产的过程 即是地球绿色植物将光能转化为化学能的过程 可以说 光合生产是地球生命的主要食物来源 自2 0 世纪6 0 年代的国际生物圈计划 i b p 和国际地圈与生物圈计划 i g b p 以来 陆地净初级生产力的研究得到了很大 的发展 n p p 的研究手段 也从传统的站点观测逐渐发展到遥感 地理信息系统 等空间观测和分析技术的引入 利用引入遥感数据的参数模型或过程模型来估算 n p p 具有一些传统方法不具备的优势 太阳辐射能是大气和地球表面物理过程及生物过程的主要能源 是植物制造 有机物的唯一能量来源 植被生长发育的物质和能量来源于光合作用 在作物体 内干物质积累和n p p 形成中 由根部吸收的无机物仅占1 0 而其余9 0 左右 是直接或间接来源于光合作用形成的有机物质 l 总初级生产力 g p p g r o s sp r i m a r yp r o d u c t i v i t y 总初级生产力 是指在单位时间和单位面 积上 绿色植物通过光合作用所产生的全部有机物同化量 即光合总量 g p p 中除了包括植物个体各部分的生产量外 还包括同期内植物群落为维持自身生 存 通过呼吸所消耗的有机物 单位一般为g m s a 或t h m 2 a w a l k e r s t e f f e n 1 9 9 7 3 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 2 净初级生产力 n p p n e tp r i m a r yp r o d u c t i o n 净初级产力或净第一性生产力 是指绿色植 物在单位面积 单位时间内所累计的有机物数量 是由光合作用所产生的有机质 总量中扣除自养呼吸后的剩余部分 即 m p g p p r 口 1 1 式中 表示绿色植物的自养呼吸的消耗量 3 净生态系统生产力 n e p n e te c o s y s t e mp r o d u c t i v i t y 净生态系统生产力 表示整个生态系统与 大气之间的碳交换 其中包括异养生物的呼吸消耗量 它与净初级产力的关系如 下 n e p n p p r 1 2 式中 砜表示异养呼吸消耗量 4 净生物群系生产力 n b p n e tb i o m ep r o d u c t i v i t y 净生物群系生产力 是指n e p 中减去各类自 然和人为干扰 如火灾 病虫害 动物啃食 森林砍伐以及农林产品收获 等非 生物呼吸消耗所剩下的部分 即 脚 n e p n r 1 3 式中 n r 为非呼吸代谢所消耗的光合作用 5 生物量 生物量 b i o m a s s 是指一定时间内单位面积所含的一个或一个以上生物种 或一个生物地理群落中所有生物有机体的总干物质量 其单位为g m 2 或t l h m 2 即 d v d t n p p 厶 1 4 式中 d v d t 是单位时间 单位面积变化的生物量 f v l 是残落物速率 生物量与n p p 是两个不同的概念 但二者关系密切 n p p 包括植被生物量 的变化 也包括损失在周围环境中的微粒状或可溶性有机物 以及被食草动物吃 掉的有机物质 n p p 是植物自身生物学特征与外界环境因子相互作用的结果 是 植物光合作用有机物质的净创造 是理解地表碳循环过程不可或缺的部分 是估 算地球承载能力和评价陆地生态系统可持续发展的一个重要生态指标 方精云 4 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 2 0 0 1 1 2 3 蒸散发 g a n g o p a d h y a y ae t a l 1 9 6 6 年对土壤可能蒸散量 潜在蒸散量 的定义是 指在广阔地域上保持充分供给的土壤水分经土面蒸发和经植物蒸腾的总量 蒸发 是指水分以水汽的形式从水体和土壤中消失的过程 蒸腾是指水分以水汽的形式 从植物体中散失的过程 对于有植被的陆地表面来说 这两个过程是同时发生的 因此将蒸发和蒸腾结合起来的水分散失过程被称作蒸散发过程 e t 一般以 潜在的蒸发或参照作物蒸发作为该总量的估算 目前 蒸散耗水量的测定 估算方法分为实测法和估算法 其中实测法有 水文学法 风调室法 气孔计法 快速称重法 涡动相关法 热脉冲法 同位素 示踪法 能量平衡法等 估算法有 波文比法 能量平衡 空气动力学综合法 s p a c 综合模拟法 经验公式法 遥感方法等 1 3 国内外研究进展 1 3 1n p p 国内外研究进展 1 3 1 1 国外研究进展 1 9 6 3 1 9 7 2 年 联合国教科文组织的国际生物学计划 i b p 以研究生物 生产量为中心 对世界范围内的第一性生物生产量进行了一次大规模的测定与普 查 在i b p 的推动下 n p p 的研究在世界范围内无论在理论上和模型研究 运 用上都得到了较快发展 1 9 7 3 1 9 7 5 年 陆地植被净初级生产力研究的开拓者之 一l i e t h 和其他研究者利用实测数据建立了第一个全球n p p 回归模型 即m i a m i 模型 对n p p 的地理分布进行了模拟 并发表了用计算机模拟获得的首张全 球n p p 分布图 同时经过分析 认为n p p 是年平均气温和年降水量的函数 1 9 8 5 年 u c h i j i m a 等以繁茂植被的c 0 2 通量方程与水汽通量方程之比确定 植被对光的利用效率为基础 利用6 8 2 组生物量资料和对应的气候要素进行相关 分析 建立了根据净辐射和辐射干燥度计算n p p 的c h i k u g o 模型 从8 0 年代中 后期开始 由于全球变化研究和航天技术的发展 也是与全球经济社会可持续发 展紧密相关的环境生态研究的迫切需要 n p p 研究进入了崭新的发展阶段 这一 时期 国际上n p p 的研究主要向着两个方面发展 一是通过建立植物生理过程 模型来模拟地表植被净初级生产力 二是利用遥感技术所获数据来实现对地表植 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 被净初级生产力的估算 1 9 9 0 年 第一次政府间气候变化委员会 i c c p 会议以后 在全球变化研 究计划i g b p 的推动下 以测定的数据资料为基础 结合各种环境因子 建立了 各种回归模型和过程模型 即利用c 0 2 同化与环境因子 如气温 辐射 水气 压 土壤水分等 之间的生理关系 来确定植被的净初级生产力 所开发的模型 主要有 f o r e s t b g c 模型 e p s 模型 t e m 模型 d e m e t e r 模型 以及b a t s 模型 s i b 模型 s i b 2 模型 c l a s s 模型等 利用遥感技术所获数据来实现对地表植被净初级生产力的估算 是近1 0 年 来n p p 的模型研究和估算方法最为突出的特点 由于遥感不受前述过程模型所 需特定观测条件的限制或因素的影响 因而遥感参数化模型得到了迅速发展 所 谓遥感参数化模型 即利用遥感植被指数估算植被所吸收的光合有效辐射系数 并结合到达地表的光合有效辐射和能量转化效率获得植被干物质的增长 如 c a s a 生物圈模型 g l o p e m 模型等 1 3 1 2 国内研究进展 国内n p p 的研究及其进展大致可分成两个方面 一方面是n p p 模型研究 另一方面是全球气候变化背景下的我国自然植被净初级生产力研究 我国n p p 的研究是从2 0 世纪8 0 年代后期开始的 当时主要是引进气候模 型或对这些模型加以改进来估算我国n p p 分布 或者研究全球气候变化下的中 国自然植被的净初级生产力及相关问题 形成这种研究初期滞后的状况 其原因 主要是对研究所需试验实测数据的缺乏或不足 对观测对象及其方法缺乏统一的 标准 资料的可用性差 更没有代表较大区域范围的批量观测数据 不过 近些 年来 我国自然植被净初级生产力研究有了较迅速的发展 1 9 8 6 年贺庆棠与b a u m g a r t n e r 根据我国热量和水分状况 用m i a m i 模型和 t h o m t h w a i t e 模型 对我国各地植被气候产量作了定量估算 并绘制了植物气候 产量图 估算了我国各地农业和林业气候产量及太阳能利用率 侯光良 张宪洲 利用m i a m i 模型 t h o m t h w a i t e 模型和c h i k u g o 模型对我国的自然植被净初级生 产力进行了分析 1 9 9 5 年周广胜 张新时以植被表面的c 0 2 通量方程与水汽通量方程之比确 定的植被对水的利用效率为基础 根据地球表面水量平衡方程和热量平衡方程 6 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 从能量与水分对蒸发影响的物理过程出发推导出了联系能量平衡方程和水量平 衡方程的区域蒸散模式 建立了以植物生理生态特征为基础的n p p 模型 并利 用该模型对我国自然植被的净初级生产力现状及全球变化后的净初级生产力进 行了分析 同时给出了全球气候变化条件下中国自然植被净初级生产力的变化图 景 进入9 0 年代后期 由于全球l k m x l k m 分辨率的n o a a a v h r r 数据集资 料的引入 使我国的植被净初级生产力模型及其估算 分析研究工作得以深入展 开 并取得了丰硕的成果 1 9 9 8 年 孙睿 朱启疆 郝永萍 陈育峰 张兴有 等 利用n o a a 时间序列数据和月平均气温降水等气象及有关环境资料 对我 国的植被净初级生产力进行了估算和分析 并对近些年来在植被净初级生产力模 型估算及其对气候变化的响应方面的研究进展做了概括性的评述 孙睿 朱启疆 在对我国陆地植被挣第一性生产力估算的基础上 进而分析它的季节变化 得出 了我国陆地植被净初级生产力的季节差异 2 0 0 1 年 朴世龙 方精云 郭庆华等人应用遥感资料 气候资料和其它环 境信息资料 估算了我国植被净初级生产力 2 0 0 2 年 陈利军 刘高焕 励惠 国 采用光能利用率模型和1 9 9 0 年每旬n o a a a v h r r 的数据资料 对全国该 年每旬的植被净初级生产力进行估算 然后将其累加得出全年的n p p 并就计算 结果对全国大陆植被n p p 的分布规律进行了分析 朴世龙 方精云利用 n o a a a v h r r 数据及其相匹配的气候数据 应用c a s a 模型 研究了青藏高原 植被的净初级生产力及其变化 从以上研究可看出 国内n p p 的研究初期主要是采用气候模式来研究和估 算我国陆地植被净初级生产力 到2 0 世纪9 0 年代后期 基于遥感的光能利用率 模型或其它改进的n p p 模型的研究和估算方法有了较快的发展 1 3 2 蒸散发国内外研究进展 1 3 2 1 国外蒸散发的研究进展 自从1 8 0 2 年道尔顿 d a l t o n 提出了道尔顿蒸发计算公式 蒸散发的研究 已有2 0 0 多年历史 1 9 2 6 年波文 b o w e n 从能量平衡方程出发 提出了计算蒸 发的波文比 能量平衡法 1 9 3 9 年桑切斯特 t h o m t h w a t i e 和霍尔兹曼 h o l z m a n 利用近地面边界层相似理论 提出了计算蒸发的空气动力学方法 1 9 4 8 年 彭 7 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 曼 p e n m a n 和桑切斯特同时提出了 蒸发力一的概念及相应的计算公式 1 9 5 1 年s w i n b a n k 提出用涡动相关法计算各种湍流通量 2 0 世纪5 0 年代苏联学者提 出大区域平均蒸发量的气候学估算公式及水量平衡法 1 9 6 3 年蒙蒂斯 m o n t e i t h 在研究作物的蒸发和蒸腾中引入表面阻力的概念导出p e n m a n m o n t e i t h 公式 为 非饱和下垫面的蒸发研究开辟了一条新途径 2 0 世纪7 0 年代末 h i l l e l 等从土 壤水运动规律出发结合土壤物理学原理来确定蒸发量 开辟了蒸发计算领域的另 一重要分支 2 0 世纪6 0 年代以来 出现了模拟土壤 作物 大气连续系统中能量 与物质交换过程的研究 以克服传统方法所存在的缺陷 虽然其中一些参数目前 还难以精确估计而未能达到应用的程度 但在理论上是继m o n t e i t h l 9 6 3 年后蒸 发计算领域的又一大突破 2 0 世纪7 0 年代初以来 国外已经利用遥感信息计算 区域蒸发 j b s t e w a r t 1 9 9 9 h e l e na c l e u g h 2 0 0 7 1 3 2 2 国内蒸散发的研究进展 我国的蒸散发研究工作始于2 0 世纪5 0 年代 当时 我国仅有水文 气象台 站应用小型水面蒸发器测得的水面蒸发数据 开展工作甚少 陆面蒸发研究几乎 是空白 2 0 世纪6 0 年代以来 开始逐渐注重蒸发测定方法的研究 研究内容主 要包括 在农田上采用水分平衡法测定农田蒸发 测定结果用于分析作物的需水 量和耗水量 后来 中国农业科学院对土壤蒸发器进行了研究 对土壤蒸发观测 方法也进行改进 七五一以来 在我国实施的一些国家级科技攻关项目 以及 国家自然科学基金重大项目 大大地推动了我国在蒸发方面的研究 特别是农田 蒸发实验研究 并发展了一系列蒸发规律和计算模式 另外 许多学者结合中国 的实际情况引用 推导或修正国外普遍流行的公式进行了大量蒸发计算工作 并 对潜在蒸发和实际蒸发方面做了大量的工作 陈镜明 1 9 8 8 孙景生等 1 9 9 3 孙慧珍等 2 0 0 7 许多学者以自由水面蒸发资料作为基础 建立了一些潜在蒸 发的经验公式 赵家义 1 9 8 0 还有一些学者在特定场合下实地测出水分充分 供给条件下的蒸发量作为这个特定场合的潜在蒸发值 特别是在农田 建立了一 些如小麦 玉米等的潜在蒸发计算公式 孙景生等 1 9 9 6 杨启国等 2 0 0 5 1 3 3 区域植被研究的重要性 自然景观中的植被可以在多个层次上影响降雨 径流 入渗和蒸发等 进而 对水资源进行重新分配和水资源的利用 并由此影响水文循环全过程 黄奕龙等 8 兰州大学硕士学位论文黄河源区n p p 及植被水分利用效率时空特征分析 2 0 0 3 高彦春等 2 0 0 0 例如 植被覆盖能够有效地影响地表反射率 地表温 度 下垫面的粗糙度和土壤 植被 大气连续体间的水分交换 刘昌明等 1 9 9 9 黄奕龙等 2 0 0 3 于贵瑞等 2 0 0 3 在青藏高原多年冻土区的高寒草甸 么细m m e a d o w 是该区域最为主要植被类型 王根绪等 2 0 0 5 b 李英年等 1 9 9 8 郑 度等 1 9 9 6 而在江河源区 高寒草地生态系统主要以高寒草甸 高寒草原 彳勿i n es t e p p e 和高寒荒漠 彳勿i n ed e s e r t s 三类为主 该区域独特的多年冻 土活动层中的水分和温度变化直接受地表植被覆盖的重要影响 吴青柏等 2 0 0 2 李英年等 1 9 9 8 郑度等 1 9 9 6 近2 0 年来生态系统急剧退化 高覆盖度的 高寒草甸草地和沼泽草甸面积分别减少了5 1 5 和2 4 3 6 王根绪等 2 0 0 4 对该区域草地畜牧业产生了较大影响 如何建设和保护该区域高寒生态系统 维 护该区域以水源涵养为主要功能的生态系统健康 研究该区域特殊的生态植被系 统 寻求生态环境保护途径 对研究该区主要植被类型 高寒草甸植被变化对水 文循环因素的影响具有重要意义 江河源区高寒草甸植被生态系统格局和过程的 变化及其对水文过程的影响 不仅影响青藏高原自身