基于MODIS数据的2002～2006年中国陆地NPP分析

王李娟，牛 铮，旷 达

(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101)

基于MODIS数据的2002～2006年中国陆地NPP分析

王李娟，牛 铮，旷 达

(中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101)

对2002～2006年MODIS数据进行处理，统计得出5 a间全国年均陆地植被净初级生产力(NPP)为1．5 PgC;5 a全国NPP组成分析显示，NPP绝大部分集中在0～300 gC/m2区间，所占比例约为70% ～85%;全国大部分地区年NPP呈现出减少的趋势，受城市扩张、新增工业用地等人类活动影响显著。

MODIS;净初级生产力;BIOME－BGC模型;中国

0 前言

陆地植被净初级生产力(NPP)指植物在单位时间、单位面积上由光合作用产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后的剩余成分［1］。NPP不仅是生态系统过程的关键调控因子，而且是陆地生态系统碳汇的主要决定因子［2］。随着全球变化研究的不断深入，植被净初级生产力在研究全球变化对生态系统的影响，响应和决策中，成为一项不可或缺的指标以及核心内容［3］。掌握NPP年际间的变化规律，对评价陆地生态系统的环境质量，调节生态过程以及估算陆地碳汇具有重要的理论和实际意义［4，5］。

本文利用美国国家航空航天局(NASA)的EOS/MODIS的TERRA卫星提供的遥感数据产品(MOD17A3)，对全国陆地2002～2006年共5 a的NPP状况进行分析。

1 数据与方法

本研究所用遥感数据为NASA的EOS/MODIS提供的2002～2006年共5 a的MOD17A3数据。该数据分辨率为1 km，可根据BIOME－BGC模型计算出全球NPP年际变化，目前已经在全球不同区域对植被生长状况、生物量的估算、环境监测和全球变化等研究中得到验证和广泛应用［6－9］。BIOME－BGC模型如图1所示。

图1 年NPP估算流程图Fig．1 The estimation of annualmean NPP

主要的输入参数有:土地覆盖类型数据(Land Cover)，为MOD12Q1产品;植被光合有效辐射吸收分量(FPAR)和叶面积指数(LAI)，从MOD15产品中获得;最大光能利用率(εmax)，根据Land Cover数据确定植被类型，然后从NASA提供的生物属性查找表(Biome Parameter Look－Up Table BPLUT)中获取;吸收光合有效辐射(PAR)，由单位时间太阳总辐射(SWRad)计算求得;SWRad，由NASA数据同化办公室(Data Assimilation Office DAO)提供;比叶面积(SLA)，从NASA提供的生物属性查找表中获取;日均蒸汽压差标量(VPD)和日最低温度标量(Tmin)，呼吸指数形状参数(Q10)和日均温度(Tavg)由NASA数据同化办公室提供。

年NPP主要是对一年内净光合作用的时间积分，简单原理如下:

式中，GPP为总初级生产力;APAR为植被所吸收的光合有效辐射;PAR为植被所能利用的太阳总辐射;FPAR为植被光合有效辐射吸收分量;SWRad为单位时间太阳总辐射;常数0．45表示植被所能利用的太阳有效辐射(波长为0．4～0．7μm)占太阳总辐射的比例;ε是光能利用率，是由各种植被类型最大光能利用率εmax受环境中的温度Tmin和水汽压VPD因子影响的结果;Rml和Rmr分别是枝叶和根部用于呼吸所消耗的能量;Rmo是除枝叶和根以外其余部分呼吸消耗的能量;Rg为自身生长呼吸消耗的能量［10］。

研究中，为了便于统计计算，将MODIS数据利用IDL投影转换程序转换成适合中国地区的Albers投影，然后进行拼接裁剪等预处理，最后对2002～2006年全国大陆植被净初级生产力进行统计计算。

另外，由于数据缺失，本文只处理了2002年和2004年的MOD12Q1数据产品，得出全国土地分类图。

2 结果分析

2．1 2002～2006年年NPP总量变化

图2为2002－2006年全国NPP统计结果。

图2 2002～2006年全国年NPP分布Fig．2 Changes of annual NPP in China from 2002 to 2006

计算结果表明，2002～2006年全国总NPP年平均值为1．5 PgC(1 Pg=1015g)。这一结果与朴世龙等［11］在2001年利用CASA模型计算的结果(1．95 PgC)接近。同时验证了该BIOME－BGC模型估算全国NPP结果具有较高的准确性，该方法适宜于全国区域。2002～2006年5 a间，全国年NPP总量呈下降趋势，其中在2004年下降最显著。

2．2 2002～2006年年NPP空间分布格局

2002～2006年全国年NPP空间分布格局如图3所示。

图3 2002～2006年全国年NPP空间分布Fig．3 Spatial distribution of annual NPP in China from 2002 to 2006

从图中可以看出，全国年NPP总体分布呈现出从东南沿海向西北部逐渐减小的趋势，其中西北荒漠地区最小，这与陈斌等［12］分析的中国陆地生态系统NPP分部相吻合。海南岛、台湾、云南西南部、青藏高原东南部地区以及华南地区的年NPP明显高于其他地区，年NPP值在700～2 000 gC/m2之间，这是由于这些地区的植被以热带亚热带常绿阔叶林为主。大兴安岭、小兴安岭、太行山、秦岭山区以及四川东南部等地区的年NPP也在400～600 gC/m2之间，高于全国平均水平，这是由于这些地区植被覆盖主要以森林为主。西部塔克拉玛干沙漠地区植被稀疏，NPP几乎为零。2002～2006年5 a全国NPP的组成分析统计如表1所示。

表1 2002～2006年全国NPP分布统计Tab．1 National NPP distribution characteristics from 2002 to 2006 (gC/m2)

从表中可以发现，全国植被年NPP绝大部分集中在0～300 gC/m2区间，所占百分比达到了70% ～85%;300～500 gC/m2所占比例也约为10% ～20%;大于500 gC/m2的地区很少，仅约为5% ～10%。

2．3 2002～2006年5 a间NPP空间变化

图4为2002～2006年全国年NPP空间变化情况。

图4 2002～2006年5 a间NPP空间变化Fig．4 Spatial change of annual NPP in China from 2002 to 2006

从图4中我们发现:2002～2006年5 a间，总体上全国大部分地区呈降低趋势，其中有约11%地区减少显著(＜－100 gC/m2)，这些地区主要包括台湾地区、大陆东部地区和东北部地区;大部分地区(约78%)减少不明显(－100～0 gC/m2);有约11%的地区呈增长趋势，其中仅有2%显著增长(大于100 gC/m2)，主要分布在青藏高原东南部，而其余约9%增长不明显(0～100 gC/m2)。

由于数据缺失，本研究只比较2002年和2004年的土地利用数据。如图5所示，1～6值代表植被覆盖区域，7、8值蓝色区域代表无植被覆盖地区或者城市地区。将土地利用情况与年NPP空间变化情况结合分析可以发现，年NPP减小区域主要分布在中东部地区。这些地区的土地利用变化情况主要表现为城市化或者无植被覆盖面积增大。表明这些地区城市扩张，工业用地剧增等频繁人类活动在较大程度上破坏或者影响了植被正常生长条件，导致NPP的降低。

图5 2002年与2004年土地利用变化Fig．5 Land －use change in 2002 and 2004

3 结论

(1)本文统计得到全国2002～2006年5 a的平均年 NPP 为1．5 PgC，这与朴世龙等［11］在 2001 年利用CASA模型计算的结果(1．95 PgC)接近，说明本结果具有较高的可靠性。

(2)2002～2006年，全国植被NPP绝大部分集中在0～300 gC/m2区间，所占百分比约为70% ～85%。

(3)2002～2006年5 a间，全国大部分地区年NPP呈现出减少的趋势，减小区域达到89%，其中11%显著减少，约78%减小微弱。减小地区主要分布在中东部地区，结合土地利用变化分析可知，这些地区城市扩张，新增工业用地等人类活动在较大程度上破坏或者影响了植被正常生长的条件，导致NPP降低。

［1］Lieth H，Whittaker R H．Primary Productivity of the Biosphere［M］．New York:Springer－Verlad Press，1975．

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(责任编辑:李 瑜)

An Analysis of the Terrestrial NPP from 2002 to 2006 in China Based on MODIS data

WANG Li－juan，NIU Zheng，KUANG Da
(State Key Laboratory of Remote Sensing Science，Institute of Remote Sensing Applications，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

In this paper，MODIS data from 2002 to 2006 were processed，the terrestrial NPP in China were calculated through statistic analysis，and then the results were analyzed．The results show that，from 2002 to 2006，the average terrestrial NPP was1．5 PgC．The five－year national terrestrial NPP composition analysis indicates that most of the national NPP concentrated in 0～300 gC/m2，the percentage of NPP was about70% ～85%，and the annual NPP inmost parts of China showed a downward trend，which was significantly affected by urban expansion，new industrial land and other human activities．

MODIS;Net Primary Production;BIOME－BGC model;China

王李娟(1984－)，女，硕士生，主要从事遥感应用方面的研究。

TP 79

A

1001－070X(2010)04－0113－04

2010－01－25;

2010－04－30

国家重点基础研究发展计划项目(编号:2007CB714406)、国家科技支撑计划(编号:2008BAC34B03)、国家自然科学基金(编号:40971202)以及欧盟项目CEOP－AEGIS(编号:FP7－ENV－2007－1 Grant nr．212921)共同资助。