基于生态-遥感的天山生态样带净初级生产力空间分布及其季节变化

基于生态-遥感的天山生态样带净初级生产力空间分布及其季节变化

中国西北干旱地区以内、旱、干、旱的区位为特征，发育于内、旱的生态系统中。沙漠植物与中国东部季风气候和西藏高山地区形成鲜明对比。它具有世界上独特的生态系统，是沙漠的世界上独特类型。中国西北干旱区巨型山盆体系下的山地生态系统垂直分异明显,荒漠类型复杂多样,绿洲景观特色鲜明,是由山地、绿洲、荒漠等生态系统构成的独特生态环境区域单元,其间的物质循环、能量转化、信息传输的空间分异显著,荒漠与绿洲生态过渡带的异质性景观结构对比性强烈。随全球气候变化、气候异常和区域人类活动、土地利用等干扰对西北干旱区山地-绿洲-荒漠生态系统结构和功能及其碳循环过程产生了深远的影响。净初级生产力或净第一性生产力(NetPrimaryProductivity,NPP)是反映陆地生态系统中植被吸收碳的能力,是反映生态系统功能的一个基本变量,直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力,表征陆地生态系统的质量状况,而且是判定生态系统碳源/汇和调节生态过程的主要因子。陆地生态系统净初级生产力是大气-植被-土壤碳循环的动力驱动环节,因此在干旱区生态环境演变及其与气候相互作用和影响方面扮演着极为重要的角色。对于全球气候变化特别是全球正在明显变暖情景下的干旱半干旱区陆地生态系统的碳循环,特别是干旱生态系统碳吸收的估算和潜力的预测研究缺乏。干旱区荒漠灌丛物中组成和冠层结构的功能分异显著,使之与东部植被类型在遥感光谱特征和反演方法上有明显的差异。利用遥感光谱混合分解技术对干旱区植被进行了光合作用和非光合作用植被区分和组分解析,可以用于西北干旱区山地-绿洲-荒漠生态系统净初级生产力的估算。天山北麓的洪积-冲积平原绿洲是新疆政治、经济与文化的中心,也是欧亚大陆桥东部的关键地段,是西部大开发的重点地区。本文利用遥感信息、GIS技术和基于遥感-生态过程的NPP-PEM模型,以天山北麓山地-绿洲-荒漠生态样带为例进行NPP估算和碳吸收量空间格局与季节变化研究,可充分发挥遥感和生态模型整合的空间优越性,有助于填补不同时空尺度西北干旱区陆地生态系统碳吸收、沉降、收支和循环过程等关键问题的研究空白。1数据和方法1.1自然景观带研究区位于位于中纬度欧亚大陆腹地新疆维吾尔自治区境内(图1见81页),沿天山北麓分布的山地-绿洲-荒漠生态样带,地理位置处于43°03′～46°24′N,83°40′～89°40′E,总面积93936km2,行政范围包括克拉玛依、乌苏、沙湾、玛纳斯、呼图壁、昌吉、奎屯、石河子、米泉、阜康、吉木萨尔和乌鲁木齐。从天山山脉依连哈比嘎尔山和博格达山到准噶尔盆地腹地古尔班通古特沙漠,海拔高度范围为227～4975m,随海拔出现完整的自然景观带,即高山冰雪带→高山、亚高山草甸带→中山森林带→低山草原带(剥蚀低山丘陵)→荒漠带→沙漠。研究区属典型温带大陆性荒漠气候,冬季寒冷漫长,夏季干旱炎热。气候垂直差异明显,3600m以上高山区,终年积雪,年平均气温在0℃以下,气候寒冷而湿润。海拔1500～3600m中山区,年平均气温2℃左右,为寒温带半湿润气候。海拔600～1500m低山丘陵区,年平均气温5℃左右,为温带半干旱区。海拔600m以下平原区,年均气温6℃,为温带干旱气候。在山地降水多达450～700mm,平原区187mm,沙漠区144mm,年蒸发量2000mm左右。1.2资料与方法、模型研究中使用了比利时VITO研究所图像处理与存档中心提供的2002年1km分辨率SPOT/VEGETATION数据产品(http://free.vgt.vito.be),来计算净初级生产力估算所需的关键参数。VEGETATION传感器不仅具有较高的空间分辨率,还具有较高的地面控制精度。其传感器主要有蓝波段(0.43～0.47μm),红波段(0.61～0.68μm),近红外波段(0.78～0.89μm)和短波红外(1.58～1.75μm)。同时收集了国家气象局2002年研究区范围太阳总辐射、降水、气温等气候资料,利用1km地面数字高程进行了空间矫正。还使用到1989-1993年中国林业部森林普查资料。2000年1∶10万土地利用/覆盖图来自于中国科学院地理研究所,参考中国科学院新疆综合考察队1978年编绘的新疆维吾尔自治区植被类型图,对图件进行重新归并处理,研究区-天山北麓山地-绿洲-荒漠生态样带土地利用/覆盖分布如图1所示。采用了针对干旱区山地-绿洲-荒漠生态系统特有特征构建的基于遥感-生态过程NPP-PEM(ProductionEfficiencyModelforNetPrimaryProductivityEstimation)模型,该生态-遥感光能利用率模型主要参考了光能利用率遥感模型GLO-PEM和CASA,借助遥感生态反演的物理分析,初步构建起基于遥感与生态过程的干旱区适用的净初级生产力估算模型,并以ERDASIMAGINE为平台,实现了模型可视化模型界面,可以利用NOAA/AVHRR、SPOT/VEGETATION、EOS/MODIS、风云系列(FY-1/FY-2)等卫星遥感资料作为输入数据。为了解决混合像元不同覆盖类型不同导致的最大光能利用率差异问题,NPP-PEM模型采用在次像元尺度上对1km×1km像元进行混合像元分解的方法,以获取每个像元中光和作用植被组分PV(PhotosyntheticVegetation)。模型详细介绍请见文献。我们以ERDASIMAGINE8.4为平台构建的模型可视化NPP-PEM模块进行数据处理和模型模拟。2结果与分析2.1模拟结果和估算值对比目前多数初级生产力模型模拟的结果检验都采用与实测数据和与其它模型所估算结果相比较的方法。国内以国家尺度的研究较多,但多数缺乏结果检验和模型验证,而且对于西北干旱区生态系统的数据分析和比较研究极少,甚至予以忽略。既有的研究观测方法、周期、地理位置、植被或群落特征等没有详细的描述。根据2000-2005年样带观测资料、1989-1993年森林普查资料、中国地球系统科学数据共享网草地资源数据集和实测数据资料,本文所获得的1km×1km模拟值与实测值相关系数为0.77(n=53,P<0.001),均方根误差(RMSE,RootMeanSquaredError)为36.55gC·m-2·a-1。检验结果表明模拟效果比较合理。比较结果(表1)表明研究区虽有差异,但是本文估算值与其它文献中的估算值较为接近,一方面是植被类型和气候条件的差异造成的;另一方面相关各种研究都缺乏连续的对西北干旱区不同生态系统或群落类型进行长期定点观测,增加了模型的参数化和验证的难度和不确定性。2.2碳吸收量npp天山北麓空间垂直分异大,山盆结构镶嵌造成各生态系统NPP空间异质性强烈(图2见81页)。模拟结果表明生态样带NPP在不同植被类型中的差异也较为明显的,自然植被NPP的分布由于受山盆结构分异所造成的水热条件限制明显,总体呈现随海拔山区递减而平原增加的趋势。模型估算结果表明,2002年整个生态样带陆地生态系统年总碳吸收量或年总NPP总量约为15.081TgC(1TgC=1012gC),单位面积上的NPP平均水平为161.06gC·m-2·a-1,其整体初级生产力水平略高于黑河流域陆地生态系统平均生产力水平的106gC·m-2·a-1。由于样带水热、基质的空间分异垂直地带性的差异,植被碳吸收及其NPP的空间分布随空间梯度变化(表2)。山地景观类型有高山冰雪、高山垫状苔藓地衣、高山草甸、山地森林、山地草原和荒漠草原等,面积31821km2,占整个研究样带面积的33.98%;其次为山前冲洪积扇天然和冲积平原人工绿洲、湿地水域等,面积14643km2,占整个研究样带面积的15.64%;荒漠景观主要包括沙漠沙丘、山前荒漠、戈壁、低地盐碱滩和低洼地盐漠等,面积为47172km2,占整个研究样带面积的50.378%。山地生态系统平均NPP为229.295gC·m-2·a-1,年碳吸收总量7.296TgC,占整个样带年碳吸收总量的48.38%。绿洲生态系统平均NPP为353.51gC·m-2·a-1,年碳吸收总量5.176TgC,占整个样带年碳吸收总的量34.323%。荒漠生态系统平均NPP为55.301gC·m-2·a-1,年碳吸总收量2.609TgC,占整个样带年碳吸收总量的17.297%。研究区各山地-绿洲-荒漠生态系统的碳吸收能力因覆被类型和面积对比不同,从而对区域生态系统功能作用有明显的差异。按生态系统类型,2002年整个研究区年NPP累计,即年碳吸收量15.081TgC,其中绿洲农田生态系统年碳吸收量高达4.927TgC,占总吸收量的32.67%,其次为山地草甸草原,年吸收碳量达4.246TgC,平原荒漠草原景观面积最大,但年吸收碳仅为1.871TgC。山地景观随着海拔高度的不同垂直气候的骤烈变化并出现随温度梯度变化的自然景观带谱,它们依次为高山带的高山永久冰雪带(3700m以上)、冰渍土带(3800～3700m)、高山草甸带(3500～3000m);中山带的亚高山草甸带(3000～2500m);山地荒漠草原(2500～1140m)等。天山雪岭云杉(Piceaschrenkiana)主要分布在天山山地海拔1600～2800m的北坡,阔叶林主要分布在针叶林带下部的山坡和谷地,以桦树为主。在针叶林和阔叶林交接地带常形成针、阔混交林。高山草甸位于海拔3000m以上,其优势种主要是珠芽蓼(Polygonumviviparum)、线叶嵩草(Kobresiacapilliformis)等,群落平均年NPP为422.57±244.59gC/m2,最高可达1840gC/m2。亚高山草甸位于海拔2500～3000m之间,仅在天山北坡存在,群落平均年NPP可达343.59±223.44gC/m2。天山北坡荒漠大致位于海拔1100m以下,其优势种主要是小叶碱蓬(Suaedamicrophylla)、盐生假木贼(Anabasissalsa)和伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)等,群落平均年NPP为156.42±119.56gC/m2。西部山地的中低山及山间谷地,植被种类较多,由羊茅(Festucaspp.)、针茅(Stipaspp.)、蒿属(Artemisiaspp.)等优势种组成。在准噶尔沿天山北麓的山前洪积-冲积倾斜平原上,主要为山前砾质洪积扇戈壁或剥蚀低山,地面基岩裸露,常覆盖砾石,平均年NPP只有79.6±143.87gC/m2。在准噶尔盆地边缘山间谷地与山前洪积扇上,以及河间地上,主要分布的是盐生假木贼(Anabasissalsa)群系组成的半灌木盐柴类荒漠。地带性植被主要为盐柴类半灌木琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、柽柳属(Tamarixspp.)、木碱蓬(Suaedadendroides)、红砂(Reaumuriasoongorica)和囊果碱蓬(Suaedaphysophora)等,群落平均年NPP可达87.58～192.44gC/m2。作为发育于西北干旱区隐域性生境下的特有景观,分布于天山北麓山前冲洪积平原上的绿洲主要为由荒漠、河岸草甸、龟裂地或风沙地等进行垦殖获得的农田生态系统,平均年NPP可达375.27±127.8gC/m2。绿洲外围区为灌丛荒漠、荒漠化或盐渍化土地,长期毁林造田只留下少量残留的稀疏胡杨林,NPP在72gC·m-2·a-1左右。样带北部为古尔班通古特固定、半固定沙漠。原始梭梭荒漠由于20世纪60年代至80年代的大量砍伐破坏,固定、半固定和流动沙漠植被覆盖率较低,年NPP平均值普遍在100gC·m-2·a-1以下。2.3月古尔班通古特沙漠植被月npp的季节动态由于地处欧亚大陆腹地,天山山脉成为荒漠中的湿岛,由常年冰雪融化灌溉的绿洲则镶嵌于盆地平原荒漠戈壁之中。沿海拔垂直梯度各生态系统的生长节律都受到气候水热组合条件的制约,地表覆盖与温度和降水密切相关。样带山地、绿洲和荒漠生态系统月NPP季节变化过程及其节律具有明显的季相变化特征(图3;图4a,b),同时,主要受到地地表辐射、气温、降水和径流分配的季节变化以及干旱农业活动的影响。总体上各覆盖类型生长季从4月开始到10月停止,约在7月达到最高。其中,山地森林、山地草甸和绿洲农田平均月累积NPP在7月分别可达到124.177gC/m2、110.321gC/m2和127.106gC/m2,平均月NPP明显高于其它景观类型。平原荒漠草原平均月累积NPP在7月26.861gC/m2。由于受海拔高度导致的温度控制,山地生态系统各覆盖类型NPP普遍在7月上旬达到最高值,而平原区普遍在8月上旬达到最高值。其中,天山雪岭云杉群落及山地草甸8月NPP略小于6月。同时平原区水资源通过出山口水库受人为管理和调控的影响,受农业水利灌溉影响绿洲内部或外围分布的沼泽湿地和盐碱地生长期短暂且明显滞后,但仍然可高于受人类活动影响较少的山地荒漠、戈壁等,平均月累积NPP在7月分别可达到57.182gC/m2和27.586gC/m2。与其他景观类型季节单峰过程不同的是,4～9月古尔班通古特沙漠沙丘景观地表植被月NPP呈现双峰现象(图4b),5月最高达3.773gC/m2,7月达4.081gC/m2,最高值略高于戈壁荒漠。由于分布于准噶尔盆地山麓洪积扇、山麓淤积平原和古尔班通古特沙漠固定和半固定沙丘上的白梭梭和梭梭柴群系(Haloxylonpersicum、H.ammodendron)为建群种梭梭群落,外貌随季节的更替呈现出明显的周期变化。由于在3～6月间,早春短命植物在短暂的生长发育周期里,高效利用土壤养分、冬季冰雪融水和早春降雨,在干旱炎热的夏季到来前迅速完成生活史并形成明显层片,故5～6月NPP开始衰减。6～7月随夏季自然降水和高山冰雪融水在冲积扇外缘溢散量增加,固定半固定沙丘建群种梭梭种群进入生长旺期。短命草本植物与梭梭群落中不同构型根系和生活史植被构成荒漠生态系统,实现了干旱区特有的功能群优化组合,从而高效和节律性地利用和分配有限的地下水和降水。3模拟结果与分析(1)以中国西北干旱区天山北麓山地-绿洲-荒漠生态系统生态样带为例,使用2002年1km分辨率SPOT/VEGETATION卫星遥感数据和同期地面气象资料,利用NPP-PEM模型估算了2002年1km分辨率精细化植被逐月NPP与全年的累积年NPP,估算出生态样带2002年年碳吸收量或年总NPP为15.081TgC,其中绿洲农田、山地草甸草原、平原荒漠草原和森林的碳吸收贡献率分别为32.67%、28.16%、12.41%和9.15%。区域年平均NPP为161.06gC·m-2·a-1,山地森林具有最高年平均NPP值(422.57gC·m-2·a-1),其次为绿洲农田(375.27gC·m-2·a-1),沙丘和戈壁具有最低的年平均NPP值(28.33gC·m-2·a-1)。(2)结果检验表明模拟效果较为合理,证明NPP-PEM模型在干旱生态系统的应用是可行的