基于MODIS数据的草地净初级生产力模型探讨

在光能利用率模型的基础上,考虑了温度和地面水气压差的影响,建立了基于MODIS数据的草地净初级生产力遥感估算模型.模型所需参数,除月平均日照百分率外,均由MODIS数据反演获得.利用2003年的1km分辨率的MODIS1B数据和全国586个气象站点的累年月平均日照百分率数据,计算了我国草地逐月净初级生产力(NPP),然后累加得到全年NPP,计算得我国草地年平均NPP为239.02gcm-2a-1,与实测数据较为接近.     

基于CASA模型的甘南地区草地净初级生产力时空动态遥感模拟

植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。基于地理信息系统和卫星遥感应用技术,利用CASA模型估算了2001-2008年甘南草地NPP,在模型验证的基础上,分析了甘南草地NPP空间分布格局和时间分布特征。结果表明,1)2001-2008年甘南草地多年平均NPP为483.41 g C/(m²·a),大体呈现由西南向东北逐渐减少的趋势,单位面积多年平均NPP在海拔3 000~3 500 m最高,达到497.07 g C/(m²·a);2)甘南草地植被生长季节变化明显,主要生长期集中在第177~240天;3)甘南草地NPP呈现增加趋势,增长趋势最明显的草地类型是低平地草甸类,而沼泽的变幅最小,通过与8年间温度和降水的分析可以看出,影响甘南草地NPP变化的主要驱动力是降水量。     

草地净第一性生产力估算模型研究进展

草地净第一性生产力(NPP)直接反映了草地植物群落在自然环境条件下的生产能力,是草地碳循环的重要组成部分。利用数学模型估算草地NPP是一种重要且被广泛接受的研究方法。在总结植被NPP估算模型的基础上,分析了气候相关统计模型、光能利用率模型、生态系统过程模型和生态遥感耦合模型各自的优缺点,讨论了各类模型在草地NPP中的研究现状,探讨了草地NPP模型研究中存在的问题,并进一步提出今后的发展方向。统计模型通过NPP与温度、降水等气候因子建立统计关系计算NPP,参数简单,但估算结果较粗;光能利用率模型以植被光合作用机理作为其理论基础,建立在植物光合作用过程和光能利用率的概念上,由于模型形式简单且可以直接利用遥感数据,使其倍受关注,但在具体求算过程中存在不确定性;过程模型从机理上对植物的生理生态过程进行模拟并对NPP的影响因子进行分析,更能揭示生物生产过程以及与环境相互作用的机理,但模型较复杂,实用性不强;生态遥感耦合模型能够利用遥感资料,克服了光能利用率模型和生态系统过程模型的不足,使其成为NPP模型的一个主要发展方向。草地植被NPP估算模型的研究相对薄弱,专门针对草地NPP建模的研究较少。建立具有自主知识产权的中国草地NPP模型是一项即具有重要意义又具有挑战性的工作。     

松嫩平原西部草地净初级生产力遥感估算与验证

在CASA模型基础上,根据松嫩平原西部自身特点对模型参数获取方法进行改进.以MODIS NDVI数据和气象数据为主要数据源,估算2000～2009年松嫩平原西部草地净初级生产力,并通过多种方法对估算结果进行精度验证.结果表明:利用气候经验模型估算的太阳总辐射及改进后的水分胁迫因子计算结果精度较高,所作改进在保留原始CASA模型生理生态学基础上简化了模型输入参数,对本研究区是可行的.通过与实测数据(实测值与估算值之间R2 =0.64,P＜0.05)、通量观测数据(估算精度为72％;相关系数R=0.9,P＜0.05)、MODIS NPP产品(总体精度为81.41％)及他人估算结果对比发现,本研究估算的松嫩西部草地NPP结果精度较高.2000～2009年松嫩平原西部草地年NPP总量介于8.46～11.22 TgC之间,平均值为9.92 Tg C.空间上,各年NPP均呈南低北高的分布格局;受气候因素和土壤条件影响,松嫩平原西部黑龙江省部分的草地NPP高于吉林省部分.过去10年间,松嫩西部草地NPP按降序排列依次为:2008＞2005＞2002＞2007＞2003＞2004＞2006＞2009＞2000＞2001.     

塔里木河流域草地净初级生产力时空分异特征研究

采用MODIS数据和改进的光能利用率模型(CASA模型)对2006-2016年塔里木河流域植被生长季草地净初级生产力(NPP)进行估算,通过一元线性回归趋势分析、变异系数、Hurst指数等方法,分别从时间特征、空间特征、空间稳定性和未来变化趋势4个方面对其时空变化过程进行分析,阐述了2006-2016年塔里木河流域草地NPP的时空格局与变化特征。结论如下:1)时间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP总体呈波动上升趋势,其中增长区域占64.1%,负增长区域占35.9%,NPP总量平均增长速度为1.31×10¹¹ g C·m^-2·yr^-1;6-8月为流域内草地的主要生长期,NPP总量占生长季总量的47.3%。2)空间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP分布呈现明显空间分异特征,总体分布特征为西北向东南呈递减趋势,草地NPP多年平均值为13.62 g C·m^-2·yr^-1。在垂直变化(海拔)上,呈现出随海拔升高NPP呈“降低-升高-降低”的特点;在水平变化上(经、纬度),草地NPP变化没有明显特征。3)空间稳定性上,塔里木河流域草地NPP变异系数介于0.19~3.17。草地NPP存在明显的空间差异性,草地NPP变异系数大部分地区均属于低值区,其中变异系数在0.5以下的占总面积的94.6%。高波动区域主要集中在“四源一干”和车尔臣诸小河流域。4)未来变化趋势上,塔里木河流域草地NPP Hurst指数介于0.10~0.97,均值为0.57。未来变化趋势呈持续性特征面积占71.6%,反持续性特征面积占28.4%,除开孔河流域北部及车尔臣诸小河西南大部呈反持续性特征,其余草地均呈现出持续性特征,预示着流域草地NPP未来处于持续增加趋势。草地NPP时空分布特征显示,塔里木河流域草地生态系统健康状况总体好转,局部恶化。     

青海高原草地净初级生产力和降水利用效率时空特征

为了探究青海高原草地净初级生产力（Net primary productivity,NPP）和降水利用效率（Precipitation use efficiency,PUE）的时空特征,基于遥感估算的NPP数据和降水空间插值数据,采用地理空间统计法分析了2001—2017年青海高原草地NPP和PUE的时空特征。结果表明：2001—2017年青海高原草地NPP均值为42.81 gC·m^-2,其中高值区域主要分布在青海高原的东部和南部,低值区域主要分布在青海高原的西北部。2001—2017年青海高原草地NPP年际变化总体较为平稳,以年均速率0.09 gC·m^-2呈微弱的波动上升。2001—2017年青海高原草地PUE均值为0.089 gC·m^-2·mm^-1,其中高值区域主要分布在青海高原的东部和南部,低值区域主要分布在青海高原的西部和西北部。2001—2017年青海高原草地PUE年际变化呈微弱的波动下降趋势,下降速率为年均0.0023 gC·m^-2·mm^-1。2001—2017年青海高原草地PUE年际变化整体上与降水年际变化为负相关。本研究为青海高原草地可持续利用提供了重要理论参考和数据支撑。     

中国天然草地净初级生产力时空分布

利用基于草原综合顺序分类系统（CSCS）的改进CASA模型,估算2004-2008年中国草地净初级生产力并分析其时空分布特征。结果表明：2004-2008年中国草地NPP年平均为489.4 g C·m^-2·a^-1,5年里草地NPP总体呈现增加趋势。草地NPP的积累期主要发生在水、热搭配较好的4-10月,占了全年总量的89.1%。春（3月-5月）、夏（6月-8月）、秋（9月-11月）、冬（12月-2月）四季的草地NPP各自占全年总量的18.6%,59.6%,17.4%和4.5%。由年际、月份—空间和季节—空间的NPP变化可知,适宜的水热搭配是草地NPP积累的关键。中国草地NPP随经度的递增而逐渐增大,随纬度的增大而逐渐减小,但存在一定的波动性,其变化规律与水、热状况的地带性规律相一致。     

基于Miami模型分析青海省果洛州天然草地植被净初级生产力

利用青海省果洛州多年气象资料和Miami模型,计算和分析了果洛州天然草地植被净初级生产力。结果表明,班玛县天然草地植被净初级生产力最高。     

1981-2001年内蒙古草地净初级生产力时空变化特征

利用遥感和气象数据,采用CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型和统计分析方法,研究了1981-2001年内蒙古自治区草地7-8月植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)的时空变化特征,并分析了气候因素和放牧强度对NPP的影响。结果表明,1）1981-2001年,内蒙古草地NPP显著减少、显著增加和变化不明显的面积分别占1%、30%和69%;NPP显著增加的区域位于内蒙古东北、东南和南部,NPP显著减少的区域零星分布于该区中部荒漠草原和典型草原分界处。总体而言,该区NPP增加不甚明显, 21年7-8月草地NPP（均以C变化计）平均值为192.0 g/m2,年际变化范围为150.5～255.5 g/m2。2）7-8月降水是该区NPP年际变化的主要驱动因子,降水量高的年份NPP亦高。NPP与气候因素间的关系表现为NPP随降水增多而升高,随温度升高而下降,辐射对NPP的影响不明显。3）综合考虑气候因素与人类活动对草地NPP的影响发现,21年间,土默特左旗和土默特右旗境内放牧强度增加导致NPP显著下降。     

内蒙古草地生态系统近10年NPP时空变化及其与气候的关系

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。通过改进的光能利用率模型(CASA模型),利用MODIS NDVI数据、土地覆盖分类数据、气象数据等,逐像元模拟2001-2010 年内蒙古草地生态系统NPP的时空变化,分析其对气候因子变化的响应关系。结果表明,1)2001-2010年内蒙古草地多年平均NPP为281.3 g C/(m²·a),空间分布呈由西南向东北递增的趋势,草甸草原、典型草原和荒漠草原平均NPP分别为431.8,288.7和123.5 g C/(m²·a);2) 2001-2010年间内蒙古草地NPP总体上呈上升趋势。NPP上升趋势最明显的草地主要分布在毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔盟和大兴安岭南麓地区,而下降趋势最明显的草地主要分布在阴山山脉和锡林郭勒盟中部的典型草原区;3) 总体而言,降水量是内蒙古草地净初级生产力的主要影响因素。草甸草原NPP与降水量、温度的关系均很密切,而且与温度的相关性更强;典型草原和荒漠草原NPP则主要受降水量控制,其中荒漠草原NPP与降水量的关系更密切。     

陆地生态系统净初级生产力的时空动态模拟研究进展

陆地生态系统净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)研究是全球变化的核心内容之一,反映了植被每年通过光合作用所固定的碳总量。近年来将遥感数据引入到NPP的模型设计和估算中已成为了一种新的发展方向,它利用遥感获得的全覆盖数据,使区域及全球尺度的NPP估算成为可能。回顾了NPP研究历史,综合分析了气候相关统计模型、生态系统过程模型和光能利用率模型的优缺点;以CASA、C-FIX和BIOME-BGC这3种遥感参数模型为例,阐述和分析了该类模型的特点以及国内外的研究进展,提出了NPP模型存在的问题和未来的发展方向。     

2000-2010年锡林郭勒草原NPP时空变化及其气候响应

利用MODIS MOD17A3植被初级生产力数据产品及地面气象观测数据,研究分析了2000-2010年锡林郭勒盟草原NPP的时空变化特征、各气候因子的年际变化特征及NPP与气候因子的相关关系。结果表明,锡林郭勒盟草原NPP的分布由东向西逐渐减小,值大多分布在0~0.5 kg C·m-2;2001-2010年NPP呈现波动变化,整体呈增加趋势,空间分布上更加趋于均匀分布;2000-2010年,研究区内典型草原和荒漠草原各气候因子的变化趋势大致相同,4-9月累计平均气温、平均相对湿度和累计日照时数呈减小趋势,平均风速呈增加趋势,累计降水量典型草原呈轻微减少趋势,荒漠草原呈增加趋势,趋势斜率分别为-0.026和1.044 5,典型草原大部分气候因子的波动程度大于荒漠草原;研究区内两种类型的草原的NPP均与4-9月累计平均气温、平均日最低气温有较强的负相关关系(显著水平分别为P<0.001和P<0.01),与累计降水量、平均相对湿度有较强的正相关关系(显著水平为P<0.01),与4-9月累计日照时数、平均风速呈负相关关系但相关关系较弱,荒漠草原对气候因子变化的响应总体不如典型草原敏感。     

基于LPJ模型的中亚地区植被净初级生产力与蒸散模拟

中亚干旱区是对全球气候变化最敏感的区域之一,以草地和耕地为主的植被类型极易受到水资源短缺和人为等因素影响,导致生态环境极易恶化,故分析其植被净初级生产力(NPP)和蒸散(ET)变化特征及对气候的响应具有重要意义。本研究利用LPJ模型模拟中亚地区1982-2012年NPP和ET,并分析其在中亚潜在植被类型中的空间分布和变化特征。结果表明,1)NPP和ET的高低值空间分布基本一致,高值区主要分布在林地、草林地混合区以及耕地区,低值区主要分布在植被稀少的荒漠周边区域和哈萨克中部草地区;2)NPP总量和ET总量均呈波动上升趋势,其中NPP年度变化范围在469.59~1 130.26 Tg C·a-1,年均值为737.24 Tg C·a-1(185.57 g C·m-2·a-1),ET范围在695.53~1 047.69 km3·a-1,年均值为850.46 km3·a-1(214.07 mm·a-1);3)影响中亚地区植被NPP和ET变化的气候因子主要为降水,温度影响相对较弱;4)吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦植被生产力增长较快,哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和新疆较为稳定,土库曼斯坦植被生产力出现下降现象。     

内蒙古不同类型草地NPP时空动态特征及其气候影响因素分析

为揭示内蒙古不同类型草地净初级生产力(NPP)时空动态,探究其与气候因子的相关性,利用2001～2016年遥感数据,气象数据和20世纪80年代中国草地分类数据,采用光能利用率(CASA)模型,模拟获取2001～2016年内蒙古草地NPP,并分析了不同类型草地NPP的时空动态及其对气候因子的响应。结果表明:(1)2001～2016年,内蒙古草地年均NPP为163.9 gC/(m^2·a),空间上呈现东北部高西南部低的特征,年均NPP总量为31.6 TgC/a(1Tg=10¹²g);(2)试验的16年,内蒙古草地年均NPP呈增加趋势增加量为2.1 gC/(m^2·a),年际波动较大;(3)温性草甸草原、热性草丛、低地草甸、山地草甸和沼泽的年均NPP呈显著增加趋势,其他5类呈显著减少趋势;(4)NPP与年均温和年总降水量的相关系数分别为-0.01和0.4;(5)除温性荒漠草原和温性草原化荒漠外,其他类型草地NPP均与温度呈负相关关系,所有类型草地NPP与降水量均呈正相关关系。降水是影响内蒙古草地NPP最主要的气候因子。     

欧亚大陆草原带1982-2008年间净初级生产力时空动态及其对气候变化响应研究

欧亚大陆草原带主要包括哈萨克草原和蒙古草原,是世界上最大的过渡生态系统。 同时该区域属于典型的干旱半干旱地带,因此对气候变化较为敏感。但是,针对该区域的净初级生产力(net primary productivity, NPP)研究尚有诸多不足,特别是哈萨克草原。本研究在原有BEPS(Boreal Ecosystem Productivity Simulator)模型的基础上,对光合最大羧化效率(V_c,max)和自氧呼吸等过程算法进行了优化,以地面实测样方数据对改进后的模型进行精度验证,进而利用改进后的BEPS模型模拟了1982-2008年间的欧亚大陆草原带植被净初级生产力。结果表明,改进的 BEPS 模型与3个地区(哈萨克斯坦,内蒙古和新疆)的样地观测数据相比均具有较好的拟合精度,且预测能力较原有BEPS模型均有一定程度的提升;27年间,区域内NPP的平均值为120 g C/m²,其中蒙古草原为116.9 g C/m²,哈萨克草原为 122 g C/m²。在区域暖干化的背景下,蒙古草原的NPP呈现上升趋势,而哈萨克草原则在前苏联解体前后先上升后下降。区域内草地主要与年降水具有显著的正相关关系,而对温度的响应普遍较弱,表明降水是该区域植被生长的主要气候影响因子。     

基于CASA模型的甘肃省草地净初级生产力研究

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CA-SA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3.76×1013g/(m2.a),最高值达790.56g/(m2.a),年均值为139.15g/(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,草地NPP值最低。4)在海拔3 000～3 500m区域、25°～30°坡度以及东坡草地NPP均达到较高水平。     

气候变化与人为活动对三江源草地生产力影响的定量研究

近数十年来在气候变化和生态工程实施的背景下,作为我国重要的生态屏障的三江源地区的气候条件和人为干扰都发生了明显的变化。本研究借助CASA模型和气候生产力模型,结合对土地利用/覆盖变化(LUCC)的分析,定量评估了气候变化、LUCC和草地管理措施对三江源草地净初级生产力(NPP)变化的影响。结果表明,1)2001-2012年间,三江源草地总面积增加了6749 km²,草地的平均NPP下降了5.47%,总NPP下降了5.00%。 2)由新增加的草地带来的NPP总量为1293.12 Gg C,由转出草地带来的NPP总量损失为215.42 Gg C。 3) 2012年气候总NPP比2001年下降了20.27%,而人为总NPP增加了41.51%。12年间气候变化的趋势不利于草地植被的生长,而人为活动对草地植被的负面影响力有明显减弱。4)由气候因素引起的草地总NPP变化量为-165.28 Tg C,而管理措施引起的总NPP变化量为140.03 Tg C; LUCC导致的草地总NPP变化量为2.22 Tg C。草地管理措施的改进对遏制草地退化起到了决定性作用。