中国陆地净生态系统生产力遥感模型研究

【摘要】：本文在Biome-BGC模型和BEPS模型基础上，构建了应用遥感数据的陆地净生态系统生产力模型(NEPARS)，并分别以我国东北地区和全国为例，进行了模拟研究；最后以光能利用率模型和过程模型为对象，介绍并初步进行了模型对比研究。 应用遥感数据的净生态系统生产力模型(NEPARS)的主要特点是：1)在BGC模型和BEPS模型基础上应用双源模型计算蒸散．将净辐射分解为冠层和土壤辐射，进而分别计算植被蒸腾和土壤蒸发。2)目前国内外还没有发现将遥感应用于土壤呼吸的研究，本文率先进行了以热红外冠层表面温度模拟土壤呼吸的试验研究，结果表明以热红外遥感反演土壤呼吸具有可行性。3)通过文献分析，校正了10℃时土壤的最佳呼吸速率，进而为在区域尺度上计算了我国陆地生态系统土壤呼吸提供了参数。4)模型以新型MODIS卫星遥感数据为输入。5)提出了在应用前对遥感数据进行精度评价的重要性，并对现有土地遥感分类图和部分参数进行了精度比较，并对叶面积指数产品进行了简单的评价；对模型的一系列主要参数以具体案例研究数据进行了校正：主要参数有植被生物量、生物量在根、干和叶之间的分配比率。 通过应用NEPARS模型对我国东北地区和全国不同空间尺度的研究，得出如下发现和初步结论。 1) 植被蒸散：通过模拟，中国东北地区植被年蒸腾量为132.86(±45.03)mm，最大蒸腾量为284.83mm；土壤年蒸发量为140.72mm，最大蒸发量为600mm。蒸散占年降水量的71.51％。本文得出的蒸散结果是合理的。其中植被蒸腾的模拟结果优于土壤蒸发的模拟结果。模拟结果反映了蒸散的时空格局特点。 2) 净初级生产力：东北区净初级生产力(NPP)的模拟结果为276.41(±164.89)gCm~(-2)a~(-1)，最大值为862.85gCm~(-2)a~(-1)，与第四次森林清查地面资料的对比结果表明模拟值与地面实测值具有较好的一致性。全国植被年净初级生产力(NPP)为337.70(±335.04)gCm~(-2)a~(-1)，变化范围从0gCm~(-2)a~(-1)到2987.19gCm~(-2)a~(-1)，由此得到全国陆地生态系统净初级生产力为3.249PgCa~(-1)。本文的模拟值与文献资料以及实测值的比较均出现模拟值偏小的不足，这需要对模型进一步分析各参数、或以实测数据重新参数化等。NPP的空间分布与叶面积指数、植被类型、温度、降水四个因子的相关性到达99％的显著性。在叶面积指数和植被类型两个因子出现的情况下，温度和降水的贡献很小，对NPP的效应并不显著。 3)土壤呼吸:东北地区平均土壤呼吸为250，57(士174.55)gcm，a一，，最大值为663.42 gcm一“a一’。全国陆地生态系统土壤呼吸为7939 gcm一、一’，年土壤呼吸释放碳总量为0.752 Gtc打一’。本文中对土壤呼吸的模拟并不理想.需要今后的工作中在模型结构、参数校正等方 面进一步的研究。 4)净生态系统生产力(NEP):东北地区净生态系统生产力(NEP)为25.83gcm一、’， 即在总体上，我国东北地区是大气COZ的汇，年固定总碳量为0.036飞C，是亚马孙地区的 14.4%。碳源汇的空间分布格局明显的表明，受人类干扰更多的生态系统，其成为碳源的可 能性更大。该地区的农田是最大的碳源;而受人类干扰较小的天然林是大气C02的汇。当 然，这只是一个初步结果，还需要进一步从地面观测到模型模拟深入研究:另外，对两个地 区的可比性也需要进一步分析。我国陆地净生态系统生产力(NEP)的模拟结果为259.08 士289.7lgcm.Zyr’‘，即为大气coZ的汇，从大气中年固定coZ的量为2.45Gt你”。在不同 植被类型之间，NEP存在较大差异。 5)时空格局及其主控因子:NEP表现出了较为明显的季节动态特征。植被比较明显的 生长始于第97天，止于第289天，整个生长季长为192天。在生长季，总体上，碳收支速 率最高峰出现在第209天。各因子与降水(R)和气温(T)的标准回归系数表明，温度是 生态系统碳收支的主要控制因子，温度的影响是降水对碳收支的影响的192一20.67倍。 6)模型对比与非确定性分析:在介绍模型比较方法基础上，从模型结构和模拟结果两 个方面对模型初步进行了对比与非确定性分析。本文的NEPARS模型基本上较为真实的模 拟了区域生态系统功能及其时空分异格局。 中国植被NPP时结果存在较大差异，光能利用率模型较过程模型，其模拟结果变异较 大。如果不考虑年际变化，二者模拟NPP的变异系数分别为咒.3%和7.7%，即过程模型的 模拟结果更稳定一些。 当然，本模型还不完善，需要从模型的参数化、区域尺度的土壤呼吸观测和模拟、遥感 数据评价等方面得以改进和完善。最后指出非确定性分析是模型研究的一个重要方面，模型 非确定性分析应该，也必然是今后研究的一个热点问题。