青藏高原主要生态系统净初级生产力的估算

第59卷第1期2004年1月地理学报ACTAGEoGRAPⅢCAS眦AV01．59．No．1Jan．．2004青藏高原主要生态系统净初级生产力的估算端k嬲≥翟黧燃慧煳iOOlOif岍A(1．中国科学院地理科学与资源研究所，北京；⋯f厂l2．日本国立环境研究所，筑波305—8506；3．石油大学(华东)环境科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，东营257062)摘要：利用青藏高原贡嘎山、海北、五道梁、拉萨等4个野外台站2000～2002年的观测数据、陆地生态系统模型与2001年MODIS遥感数据相结合的方法来估算青藏高原区域的净初级生产力。结果表明：青藏高原区域的净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度，该趋势也与水热梯度表现基本一致；整个青藏高原的净初级生产力为302．44×10n窖cy一，其中森林的净初级生产力最高，120．11×10“gCyr-，占整个高原净初级生产力的39．7％；全年中夏季(争8月)的净初级生产力最高，246．7×10”gCyr"1，约占全年总净初级生产力的80％。用实测数据验证模拟结果表明，二者非常相符。关键词：青藏高原：净初级生产力；遥感；生态系统1引言净初级生产力(NPPl是陆地生态系统碳循环中的一个主要组成部分，近年来区域水平的NPP估算越来越受到科学家们的关注，原因主要有两方面：一方面生产力是生态学研究的一个基本要素；另一方面陆地生态系统通过NPP储存碳对于控制大气CO：浓度的上升起着举足轻重的作用，同时也与政府相关的碳减排政策密切相关[1_3】。青藏高原是地球上最大最高的高原，其海拔高于4000m的地域面积就达120万km2，因此被誉为地球的“第三极”【4】。青藏高原独特的地理气候特征，如高海拔、空气稀薄、太阳辐射强等特征，使其对亚洲甚至北半球的现代大气环流、气候和碳平衡等均产生了重要影响，再加上青藏高原是地球上受人类活动影响最小的区域之一，因此被科学家们作为研究全球变化的“天然实验室，，【5．q。’研究青藏高原区域净初级生产力需要建立基于地理信息系统的生态系统模型。最早的这类模型都是稳定态的回归模型，将生态系统生产力计算为气候因子的 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数方程，如Lieth(1973)建立的Miami模型将生产力计算为温度和降水的函数印。这些模型可用于计算年净初级生产力，但不能描述碳库的大小、碳的循环过程以及碳过程的季节性变化。近年来出现了很多可计算碳库大小和循环过程的基于地理信息系统的模型如：HRBM日I、TEM睇1q、CcntuIy[1”、CASA㈣、BIOME-BGC【13】、FBM【川、SILVAN嘲、Hybrid‘1q和CEVSA旧。其中TEM模型的状态变量相对较少，分别计算碳的吸收、排放的动态过程，并有十几年的开发与应用经验，经过了多次的验证。本研究采用TEM模型中的一些算法并借助适时的遥感数据对青藏高原的净初级生产力进行了估算。收稿日期：2003-09．19；修订日期；2003—11-20基金项目：国家自然科学基金重点项目(40331006)，亚洲太平洋地区环境创新战略项目环境综合监翻子课题『FoundationnⅫENationalNaturalScleveeFoundationofa】jHNo．40331006；IntegratedEnvimamentelMonitoring(raM)subpfoject，theAsia-PacificEnvironmtmtalInnovationStrategyProject(APEIs)】作者简介；周才平(1972-)，男，博士，主要从事生态系统生态学研究。E-mail：zboucp@igmrr．ac．cn74-79页万方数据1期周才平等：青藏高原主要生态系统净初级生产力的估算符2研究方法本研究中主要采用TEM模型中的一些算法，并嵌入了适时的遥感卫星数据(MODIS)包括植被分类、叶面积指数、植被指数的数据，对青藏高原区域的净初级生产力按月进行了初步的模拟。并通过野外实测数据进行模型参数的校正，最后将其模拟结果与样带调查的数据进行验证。2．1NPP计算方法在自然生态系统中，植被通过吸收大气中的CO：来固定碳(总初级生产力，GPP)，净初级生产力(ⅣPP)计算为GPP与植物自养呼吸恹d)的差值。GPP，Ra和NPP的计算按以下方程来计算。NPP,=GPP,一R。(1)GPP=C一吾芋赫彘(TEMP)(KLEAl0(2)式中：t为时间(月)；GPP为总初级生产力(gm-2mort-1)；Ra为自养呼吸(gm-2mon"1)；c。为最大碳固定速率(gm-2mort-1)，PAR为光合有效辐射(JcⅡl-2d．1)；Ki是碳固定速率达到最大速率一半时的辐射(根据以往的研究取值为314Jcm-2d．t)；Kc是碳固定速率达到最大速率的一半时的叶中c02浓度；KLEAF为叶面积指数与最大叶面积指数的比值；TEMP为温度影响因子，cf为叶中的CO：浓度(m1r1)。这里计算a为大气C02浓度与相对湿度之间的关系，而相对湿度表达为实际蒸散与潜在蒸散比值：Ci=Cax(O．1+O．9xEE7作雹乃(3)式中：ca为大气CO：浓度(通过多点野外观测，我们取平均值为355ppm)；EET和PET分别为实际蒸散和潜在蒸散(咖)，二者的计算通过水分平衡模型(WBM)获得Il司。温度对GPP的影响计算采用Larcher的算法旧，将温度影响因子(TErn')计算为光合作用最佳温度(1’opt)，摄低温度(T皿0，最高温度(Tno和当时大气温度(T)的函数：TEMP：塑二生巡二玉!；(4)(r一7Io)(r—T一)一(r—z1删)‘KLEAF是一个物候学参数，也可以表达为叶面积指数与最大叶面积指数的比值：KLEAFi2以^／L～】o(5)式中：LA，为实际叶面积指数，LAL。为最大叶面积指数，j为时间(月)。植物的呼吸包括植物活体部分维持自身代谢的代谢呼吸僻m)和植物体生长所需的生长呼吸僻曲两个部分。代谢呼吸僻m)直接计算为生物量(凸)和温度("之间的函数。生长呼吸佛曲则计算为总初级生产力(GPP)与代谢呼吸僻莉差值的20％。Ra=Rra+Rg(6)Rm=Kr×函Xeo““’(7)R920．2(GPP—Rm)(8)式中：Kr为0℃时单位质量生物量植物的呼吸速率(gc—moll。)。生物量的计算直接从其与植被指数(NDVI)的关系中获得。NPP计算中的叶面积指数(LAI)和植被指数(NDV0均从遥感数据中获得。这里的遥感数据主要是指MODIS数据，是一种中等分辨率的遥感数据，正好适用于我们这次的研究。2．2数据来源NPP计算中所需的空间数据主要有植被类型、气候(月均温、月降水、月辐射和云量1、蒸散、叶面积指数、植被指数等。水分平衡模型(WBM)用于产生水分输入数据包万方数据地理学报59卷括实际蒸散与潜在蒸散。这些数据最后都转化为统一的分辨率0．050x0．050。气候数据：青藏高原气候数据中的温度和降水数据来源于PRISM模型m2”计算结果，该模型是根据中国及周边地区2000多气象站点1960～1990年的30年气候数据生成的；云量和辐射数据来自全球0．50x0．5。的30年平均的云量和辐射数据122]。植被数据：在以往的研究中，植被分类数据主要采用1982年出版的0辛华人民共和国植被图》，经过20年的发展，青藏高原的植被肯定或多或少发生了些变化，因此采用过去的植被图显然不太合适。本研究采用2001年MODIS数据中的土地覆被数据(MODl2)作为植被分类的基础，将青藏高原植被分为森林、高寒草甸、高寒草原、农田、灌丛和无植被地段等6种类型，其中高寒荒漠、湖泊和冰雪归入到无植被地段中。植被指数与叶面积指数数据：来自于2001年MODIS数据中的叶面积指数(MODl5，LA0和植被指数(MODl3，EVI)的数据，数据的分辨率1kmx1km。其他的一些参数部分来自文献m231。I^I则通过在青藏高原遥感观测数据来获得。c。通过贡嘎山、海北、五道梁和拉萨站等4个野外定位和半定位观测站2000～2002年的野外观测数据来校正。这4个野外定位和半定位站分别代表森林、高寒草甸、高寒草原和高原农田等生态系统类型。在这些定位站和半定位站中每月都进行生物量和净初级生产力的观测，用于校正NPP模拟中的参数(表1)。3结果与讨论表1NPP模拟中的青藏高原一些植被特征参数值Tab．1Somevegeintion-sped6cparametersusedin册estimation森林101350，00242—1．0159．6高寒草甸949．60．0165000274．3高寒草原617．90．016500．0272．6灌丛892．00．008551．0313．1农田1798．00．016500．0276．83．1青藏高原区域的净初级生产力青藏高原区域全年净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度(图1)，该趋势也与水热梯度表现基本一致。对于青藏高原的所有植被类型，模型估算的单位面积年净初级生产力大小依次为农田(621．85gCm。yrl)、森林(475．06gCm。yrl)、高寒草甸(214．64gCm。yrl)、灌丛(66．Olgcm。yrl)和高寒草原(63．95gcm。yrl)，平均年净初级生产力为135．28gCm。yr·(表23。总净初级生产力的计算结果则由于不同植被类型的面积不同而表现出另一种趋势，森林的净初级生产力最高，120．11×10”gCyr·；农田的净初级生产力则由于面积晟小而相对低多了，14．8x10”gCyrl，因为农田的面积仅占整个高原面积的1％；整个青藏高原的净初级生产力为302．44×10”gCyrl。森林的面积占整个青藏高原面积的9．74％，但森林的净初级生产力却占整个高原净初级生产力39．7％，可见森林的净初级生产力是较高的。我们将本研究估算的青藏高原区域总净初级生产力与方精云估算的全国总净初级生产力㈣作了一下比较，青藏高原区域的面积约占全国陆地总面积的25％，其净初级生产力(302．44x1012gCyrl)占全国总净初级生产力f2320x1012gcvrl)的13％。原因主要是青藏高原海拔高，其水热条件比非高原地区差，其中的荒漠面积也相对较大。可见我们的估算结表2青藏高原主要生态系统的净初级生产力Tab．2NetprimaryproductivityofmajorecosystemsintheTibetanPlateau植被类型栅格数平均NPP／总NPP／gCm“yrl10“gCyr-'森林1011347506120．11高寒草甸165482146488．79高寒草原897863951435灌丛3901666．0164．39农田9526218514．80+该数为青藏高原所有植被类型的平均净初级生产力NPP万方数据1期周才平等：青藏高原主要生态系统净初级生产力的估算77图1青藏高原净初级生产力的模拟结果及其季节动态Fig1SeasonalvariationsofestimatednetprimaryproductivityintheTibetanPlateau果也是比较合理的。3．2净初级生产力的季节动态青藏高原净初级生产力随季节的变化动态显示(图1)：全年中冬季(12"-2月)的净初级生产力是最低的，仅占全年总净初级生产力的1．3％；而夏季(乱8月)的净初级生产力是最高的，246．7×10n酊yrt，约占全年总净初级生产力的80％。从图中也可看出，在春冬两季由于水热条件普遍较差，青藏高原大部分地区净初级生产力均较低(<10gCm-2yr-)，只有青藏高原东南缘，特别是雅鲁藏布江南部地区的净初级生产力表现还较高，原因是该地区属于热带雨林地区，气候条件终年相对比较优越，最冷月平均气温达12℃。夏季正好是青藏高原所有植被包括高寒草甸和高寒草原的生长季，因此到了夏季青藏高原整个区域(除高寒荒漠地区外)的净初级生产力均较高，主要体现在两个方面：一方面，青藏高原植物生长的主要限制因子是温度和降水，这些因子在夏季比较优越，适合植物生长；另一方面，夏季也是光合有效辐射最强的季节，植物能够吸收更多的太阳能和co=转化为有机质。万方数据地理学报59卷3．3结果验证我们通过样带净初级生产力的观测数据鲫和野外台站的实验数据来验证模拟的结果。可获得的验证数据虽然不是很多，但这些数据基本覆盖了青藏高原的主要生态系统类型包括森林、高寒草甸、高寒草原和灌丛等。从验证的结果可以看出，模拟结果与实测数据比较相符，误差基本上都在20％范围(图2)。因此，该模拟的结果是比较合理的。4小结图2净初级生产力的估计值与实测值比较Fig2Comparisonbetweenobservedandsimulatednetpri唧productivity利用2001年MODIS卫星数据与生态系统模型相结合的方法估算青藏高原的净初级生产力．通过实测数据的验证表明，该方法比较有效。模拟结果表明：(1)青藏高原区域的净初级生产力空间分布趋势表现出由东南向西北逐渐递减的梯度，该趋势与水热梯度表现基本一致。整个青藏高原的净初级生产力为302．44×10”gCyr-，其中森林的净初级生产力最高，占整个高原净初级生产力的39．7％。(2)全年中冬季(12—2月)的净初级生产力是最低的，仅占全年总净初级生产力的1．3％；而夏季(6-8月)的净初级生产力是最高的，246．7×10“gCyrl，约占全年总净初级生产力的80％。参考文献(References)【1】CramerW，FieldC．BComparingglobalmodelsofterrestrialnetprim8ryproductivity(NPP)：intlⅢluofion．GlobalChangeBiology,1999．5：3-4．【铂EuskirehenEs，ChertJ，LiHeta1．Modelinglandscapenetecosystemproductivity(hn姗P)underaltenlalivemanagementregimesEcologicalModelling，2002，154：75-91【3】MatsushitaB，TamumMIntegratingremotelysenseddata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akesup39．7％ofthetotal．thoughforestscompriseonly9．74％oftheTibetanPlateauregion；NPPaccumulationforsumltleris246．7x10”gCv一．whichis80％oftheycartotal．Keywords：TibetanPlateau；netprimaryproductivity；remotesensing；ecosystems万方数据青藏高原主要生态系统净初级生产力的估算作者：周才平，欧阳华，王勤学，渡边正孝，孙青强作者单位：周才平,欧阳华(中国科学院地理科学与资源研究所,北京,100101)，王勤学,渡边正孝(日本国立环境研究所,筑波,305-8506)，孙青强(石油大学(华东)环境科学与工程系,东营,257062)刊名：地理学报英文刊名：ACTAGEOGRAPHICASINICA年，卷(期)：2004,59(1)被引用次数：37次参考文献(25条)1.CramerW;FieldCBComparingglobalmodelsofterrestrialnetprimaryproductivity(NPP):introduction1999(05)2.EuskirchenES;ChenJ;LiHModelinglandscapenetecosystemproductivity(LandNEP)underalternativemanagementregimes2002(154)3.MatsushitaB;TamuraMIntegratingremotelysenseddatawithanecosystemmodeltoestimatenetprimaryproductivityinEastAsia[外文期刊]20024.李文华;周兴民青藏高原生态系统与可持续管理方法19985.孙鸿烈;郑度青藏高原的形成、演化及进展19986.ZHENGD;ZhangQ;WuSMountainGeoecologyandSustainableDevelopmentoftheTibetanPlateau20007.LiethHPrimaryproduction:terrestrialecosystems1973(01)8.EsserG;LiethHFH;ScurlockJMOThehighresolutionbiospheremodel:statusofdevelopment,validation,results1997(04)9.RaichJW;RastetterEBPotentialnetprimaryproductioninSouthAmerica199110.McGuireAD;MelilloJM;KicklighterDWEquilibriumresponsesofglobalnetprimaryproductionandcarbonstoragetodoubledatmosphericcarbondioxide199711.PartonWJ;ScurlockJMO;OjimaDSObservationsandmodelingofbiomassandsoilorganicmatterdynamicsforthegrasslandbiomeworldwide1993(07)12.PotterCS;RandersonJT;FieldCBTerrestrialecosystemproduction-aprocessmodelbasedonglobalsatelliteandsurfacedata[外文期刊]1993(07)13.RunningSW;HuntERJrGeneralizationofaforestecosystemprocessmodelforotherbiomes,BIOME-BGC,andanapplicationforglobal-scalemodels199314.LudeckeMKB;BadeckFW;OttoRDTheFrankfurtbiospheremodel:aglobalprocessorientedmodelofseasonalandlong-termCO2exchangebetweenterrestrialecosystemsandtheatmosphere:I.modeldescriptionandillustrativeresultsforcolddeciduousandborealforests[外文期刊]199415.KadukJ;HeimannMAprognosticphenologyschemeforglobalterrestrialcarboncyclemodels199616.FriendAD;StevensAK;KnoxRGAprocess-basedterrestrialbiospheremodelofecosystemdynamics(Hybridv3.0)[外文期刊]1997(95)17.CaoMK;WoedwardFINetprimaryandecosystemproductionandcarbonstocksofterrestrialecosystemsandtheirresponsestoclimatechange[外文期刊]1998(04)18.VǒrǒsmartyCJ;MooreBⅢ;GraceALContinentalscalemodelsofwaterbalanceandfluvialtransport:anapplicationtoSouthAmerica1989(03)19.LarcherWPhysiologicalPlantEcology.2ndedn198020.DalyC;TaylorGH;GibsonWPHigh-qualityspatialclimatedatasetsfortheUnitedStatesandbeyond[外文期刊]200021.DalyC;NeilsonRP;PhillipsDLAstatistical-topographicmodelformappingclimatologicalprecipitationovermountainousterrain199422.NewM;HulmeM;JonesPDGlobal30-yearmeanmonthlyclimatology,1961-1990(Newetal)200023.MelilloJM;McGuireAD;KicklighterDWGlobalclimatechangeandterrestrialnetprimaryproduction199324.方精云;刘国华;徐嵩龄中国陆地生态系统库199625.罗天祥;李文华;罗辑青藏高原主要植被类型生物生产量的比较研究[期刊论文]-生态学报1999(06)引证文献(38条)1.章明.张培松.刘洪斌.武伟.罗微.林清火基于SPOTVEGETATION数据的海南岛年际植被变化研究[期刊论文]-西南大学学报(自然科学版)2009(3)2.秦泗国.钟国辉藏北高寒草地生态因子对生产力的作用[期刊论文]-西藏科技2008(9)3.于格.鲁春霞.谢高地.郭广猛基于RS和GIS的青藏高原草地生态系统土壤水分保持功能及其经济价值评估——以生长季为例[期刊论文]-山地学报2006(4)4.李娜.殷学永.马金柱.李伟基于MODIS的河南省植被指数提取与分析[期刊论文]-安徽农业科学2011(28)5.朱洪芬基于MODIS数据的江苏省植被指数时空变化特征研究[期刊论文]-山西师范大学学报（自然科学版）2010(2)6.高明星.刘少峰DEM数据在青藏高原地貌研究中的应用[期刊论文]-国土资源遥感2008(1)7.莫兴国.郭瑞萍.林忠辉无定河区域1981～2001年植被生产力和水量平衡对气候变化的响应[期刊论文]-气候与环境研究2006(4)8.CHENZhuoQi.SHAOQuanQin.LIUJiYuan.WANGJunBangAnalysisofnetprimaryproductivityofterrestrialvegetationontheQinghai-TibetPlateau,basedonMODISremotesensingdata[期刊论文]-中国科学:地球科学（英文版）2012(8)9.徐增让.成升魁.闵庆文.邹秀萍西藏生物质能开发的资源、环境基础分析[期刊论文]-自然资源学报2007(2)10.宋冬梅.张茜.杨秀春.郭鹏.温少妍三江源区MODIS植被指数时空分布特征[期刊论文]-地理研究2011(11)11.黄玫.季劲钧.彭莉莉青藏高原1981～2000年植被净初级生产力对气候变化的响应[期刊论文]-气候与环境研究2008(5)12.高清竹.万运帆.李玉娥.盛文萍.江村旺扎.王宝山.李文福藏北高寒草地NPP变化趋势及其对人类活动的响应[期刊论文]-生态学报2007(11)13.卞鸿雁.庞奖励.任志远.文雯干旱区内陆流域净初级生产力时空分异模拟及自然因素分析——以泾河流域为例[期刊论文]-资源科学2012(9)14.朱立平.鞠建廷.王君波.西村弥亚.守田益宗.吴艳红.冯金良.谢曼平.林晓湖芯沉积物揭示的末次冰消开始时期普莫雍错湖区环境变化[期刊论文]-第四纪研究2006(5)15.卫亚星.王莉雯青海省植被光能利用率模拟研究[期刊论文]-生态学报2010(19)16.高清竹.万运帆.李玉娥.林而达.杨凯.江村旺扎.王宝山.李文福基于CASA模型的藏北地区草地植被净第一性生产力及其时空格局[期刊论文]-应用生态学报2007(11)17.王劼.刘少英.冉江洪.王昌河.沈丽.蒋平.郭聪森林生态系统年净初级生产力和生境复杂度对小型兽类物种多样性影响[期刊论文]-兽类学报2004(4)18.林辉.熊育久.万玲凤.莫登奎.孙华湖南省MODIS遥感植被指数的时空变化[期刊论文]-应用生态学报2007(3)19.田庆春.杨太保.张述鑫.石培宏.张俊辉.范喆青藏高原腹地湖泊沉积物磁化率及其环境意义[期刊论文]-沉积学报2011(1)20.西藏普莫雍错不同岩芯环境指标的对比研究及其反映的近200年来环境变化[期刊论文]-湖泊科学2009(6)21.谷晓平.黄玫.季劲钧.吴战平近20年气候变化对西南地区植被净初级生产力的影响[期刊论文]-自然资源学报2007(2)22.周才平.欧阳华.曹宇.裴志永.杨丁丁"一江两河"中部流域植被净初级生产力估算[期刊论文]-应用生态学报2008(5)23.高清竹.万运帆.李玉娥.盛文萍.江村旺扎.王宝山.李文福藏北高寒草地NPP变化趋势及其对人类活动的响应[期刊论文]-生态学报2007(11)24.卫亚星.王莉雯青海省植被光能利用率模拟研究[期刊论文]-生态学报2010(19)25.王莉雯.卫亚星青海省植被净初级生产力的模拟研究[期刊论文]-第四纪研究2011(1)26.王莉雯.卫亚星青海省植被净初级生产力的模拟研究[期刊论文]-第四纪研究2011(1)27.王莺.夏文韬.梁天刚陆地生态系统净初级生产力的时空动态模拟研究进展[期刊论文]-草业科学2010(2)28.卫亚星.王莉雯应用遥感技术模拟净初级生产力的尺度效应研究进展[期刊论文]-地理科学进展2010(4)29.吴雅琼.刘国华.傅伯杰.郭玉华青藏高原土壤有机碳密度垂直分布研究[期刊论文]-环境科学学报2008(2)30.陈晓鹏.尚占环中国草地生态系统碳循环研究进展[期刊论文]-中国草地学报2011(4)31.王莺.夏文韬.梁天刚.王超基于MODIS植被指数的甘南草地净初级生产力时空变化研究[期刊论文]-草业学报2010(1)32.李久乐.徐柏青.林树标.高少鹏青藏高原南部枪勇错冰前湖泊沉积记录的近千年来冰川与气候变化[期刊论文]-地球科学与环境学报2011(4)33.张大才.孙航横断山区树线以上区域种子植物的标本分布与物种丰富度[期刊论文]-生物多样性2008(4)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