基于CASA模型甘肃省草地净初级生产力探究

1、基于casa模型甘肃省草地净初级生产力探究摘要：利用基于遥感数据的光能利用模型-casa模型估算了 2005年甘肃草地生态系统npp,分析了其空间格局,以及地形因素对草地npp的影响。(1)实测数据与模拟结果 对比表明，修正后的casa模型的可操作性强，仅利用地面 气象数据和遥感数据就可以对草地生产力进行模拟，模拟效 果较好。(2) 2005年甘肃省草地npp总量为3. 76x1013g/(m2 a),最高值达 790. 56 g/ (m2 a),年均值为 139. 15 g/ (m2 a),由西南向东北逐渐减少。(3)草地npp季节变化非常明显，夏季npp达到最大值；冬季植被基本停止生长,

2、草地npp值最低。4)在海拔3 0003 500 m区域、25°30°坡度以及东坡草地npp均达到较高水平。 关键词：甘肃省；草地npp； casa模型 中图分类号：s 812文献标识码：a文章编号：1009-5500 (2012) 04-0008-08植被净初级生产力(npp)是指植物在单位时间、单位面积由光合作用产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后剩 余部分1, 2o npp作为陆地碳循环的重要部分，不仅反映了植物群落在自然环境条件下的生产能力，而且是判定碳汇 以及调节生态过程的主要因子2,开展npp研究具有十分 重要的意义3, 4。因无法直接、全面的测量大区域或全球 尺

3、度的npp,利用模型估算成为重要的手段4, 5o如李秀 芬等6采用光能利用率模型，反演了黑龙江省森林npp,谷 晓平等7利用大气-植被相互作用模型(avim2)模拟了西 南地区植被净初级生产力7,朴世龙等8、陈福军等9 分别应用casa模型估算了中国陆地生态系统npp,陈斌等10 利用c-fix模型估算了 2003年中国生态系统npp,并对其空 间格局进行分析。随着遥感技术发展，卫星数据模型已经成为评估陆地生 态系统npp最有力手段llo在众多模型中，基于遥感数据 的光能利用率模型一casa ( camegie-ames-stanford approach)模型以资源平衡为理论基础，能较好地模

4、拟区域 尺度npp的空间分布及变化，被广泛应用于各种尺度的npp 监测12 o刘勇洪等13利用casa模型估算了 2007年华北 植被npp,并对其时空格局进行了分析。高清竹等14在应 用casa模型模拟藏北地区草地npp时空变化时指出，其npp 呈有规律性的水平地带分布14。朱文泉等15基于casa 模型，并以2002年的中国内蒙古为例，研究了植被净初级 生产力及其时空分布。草地生态系统是我国最重要的陆地生态系统类型之一， 在全球碳循环和气候调节中占据很重要的位置。开展草地 npp研究，可为合理开发、利用草地资源提供科学依据。陈 斌等10基于casa模型估测了内蒙古典型草原19822002

5、年植被净初级生产力。李刚等11利用改进的casa模型， 计算了 2003年内蒙古草地生长季的生产力。韦莉等16利 用温度和地面水汽压差影响的遥感模型，估算了 2003年黄 土高原地区草地净初级生产力。王莺等17、杨东辉等18 分别以casa模型为基础，对甘南草地npp进行遥感模拟。 以上研究大多集中在内蒙古、东北、青藏高原、黄土高原、 甘肃的甘南等地区或整个中国区域，对甘肃省草地npp研究 较少，笔者利用气象资料和卫星遥感数据，在casa模型的 基础上，修正了部分参数，估算了 2005年甘肃省草地npp 并分析了其时空分布格局及影响因子。旨在为甘肃省草地资 源的可持续发展利用、草地生态环境的改

6、善和保护提供基础 数据。1数据来源及研究方法1. 1研究区概况甘肃地处黄河上游黄土高原、内蒙古与青藏高原交汇地 区，位于 e 92° 13/ 108° 46，n 32° 31 42° 57， 东西长为1 655 km,南北宽为530 kmo面积约4. 54x105km2, 地形复杂狭长，由山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交 错分布，地势自西南向东北倾斜。甘肃深居内陆，具有明显 的温带大陆性季风气候。气候类型十分复杂，大致由陇南的 北亚热带与暖温带湿润区，渐向陇中暖温带半湿润与温带半 干旱区，河西温带、暖温带干旱区及祁连山地高寒半干旱、 半湿润区，甘南高

7、寒湿润区过渡。年均温在016 °c,温差 较大。年降水量在36. 6734. 9 mm,从东南向西北递减，降 水集中在68月。甘肃光能资源丰富，年日照时数1 700 3 300 ho全省无霜期在48228 d19o甘肃省是草原资源 大省，天然草原面积1 790万hm2,主要分布在青藏高原东 部的甘南州、祁连山、阿尔金山山地及河西走廊和蒙甘宁西 部的风沙沿线20 o1.2数据来源及处理1. 2. 1 ndvi数据 遥感数据为美国宇航局/中分辨率成像 辐射计(nasa/m0dis)数据，来自于nasa对地观测系统数 据共享平台(https： /wist. echo. nasa. gov/

8、api/)0使用2005年甘肃及周边地区1 km分辨率植被指数产品 mod 13a3,下载的原始影像为hdf格式，应用m0dist00l工 具转换为tif格式，在arcgis中对多幅影像进行拼接，利 用甘肃省行政区域数据裁切、利用gis平台中的(resample) 重采样为90 mx90 m分辨率的ndvi数据。将投影系统定义 为utm,椭球体为wgs-84,投影带为47带。1.2.2气象数据 气象数据来自中国气象科学数据共享 服务网。包括2005年甘肃省41个气象站点的月平均温度 (°c)和月降水量(mm),以及甘肃及周边15个台站的月太 阳辐射(mj/m2)o在arcgis 9.

9、3平台上，利用优化的插值方法 -“ammrr”，并加入坡度、坡向因子，将月均温、月降水量、 月太阳辐射数据插值成空间分辨率为90 m的栅格数据。投 影与遥感数据相同。1. 2. 3 dem 数据 数字高程模型(digital elevation model, dem)来源于国际农业研究磋商小组下设的空间信息 组织(cgiar-csi)(图1)。图1甘肃省气象站点分布数据经过拼接、裁剪等预处理后，在arcmap平台上提 取甘肃省90 m分辨率的经纬度、坡度、坡向栅格数据。地 形要素的划分见表lo1.2.4实测数据 实测数据由农业部草原监理中心提 供，数据观测时间是2005年7月的草地地上生物量(

10、风干 重)数据。利用其和朴世龙等22确定的我国草地植被地下 与地上生物量比例系数转换为npp实测值23,在转化为碳 单位时乘以0.475的系数24 o1.3模型构建potter等24 1993年建立的光能利用模型-casa模型， 提出理想状态下植被存在最大光能利用率，不同植被类型的 月值为0. 389 gc/mjo实际上，不同植被类型的光能利用率 存在很大差异26,根据不同的植被类型对光能利用率进行 修正能够提高模型的估算精度27 o草地npp主要由草地植被所吸收的光合有效辐射(apar)与光能利用率(£ )两个变量确定，其公式如下:npp(x, t) =apar (x, t) x

11、e (x, t) =solxfpar (x, t) xo. 5x e (x, t)(1)式中，apar (x, t)表示空间位置x上的植被在t时 间内所吸收的光合有效辐射；£ (x, t)为实际光能利用率; sol (x, t)表示太阳总辐射量(mj/m2)；常数0.5为植 被所能利用太阳有效辐射(波长为038071 um)占太阳总辐射的比例；fpar (x, t)为植被层对入射光合有效辐射(par)的吸收比例，它取决于植被类型和植被覆盖 状况；(x, t)表示实际光能利用率，主要受温度和 水分的影响，具体算法详见文献24 o由于不同的植被类型月最大光能利用率wemax的取值不同，依据running等对草地的模拟结 果，最大光能利用率为0. 608 gc/mj28o由于模型中w£ (x, t)为水分胁迫系数较复杂，数 据获取难度大，因此将模型中的实际蒸散量(eet)和可 能蒸散量(pet)进行改进。eet可由周广胜和张新时建立的区域实际蒸散模型求 取,公式如下29 o1.4草地npp估算在gis中利用空间分析的建模工具(map algebra),编 写casa模型相关运算程序，然后输入气象栅格数据和处理 好的ndvi数据，得到2005年甘肃省npp图，然后与草地资 源调查图叠加，得出2005年甘肃省草地