NPP估算--CASE模型

1、第三章 長江上游初級生產(chǎn)力評估植被既是重要的自然資源，又是自然條件（如地質(zhì)、地貌、氣候、土壤等）和人類開發(fā)利用資源狀況的綜合反映。隨著全球變化的加劇及其對全球變化研究的不斷深入，植被作為陸地生物圈的主體，在生態(tài)系統(tǒng)中的作用也日益受到重視，尤其是在全球物質(zhì)循環(huán)、能量流動、調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升趨勢以及維護全球氣候穩(wěn)定等方面具有不容忽視的意義。植被凈初級生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位面積、單位時間內(nèi)所累積的有機物數(shù)量，表現(xiàn)為光合作用固定的有機碳中扣除植物本身呼吸消耗的部分，這一部分用于植被的生長和生殖，也稱凈第一性生

2、產(chǎn)力。NPP作為地表碳循環(huán)的重要組成部分，不僅直接反映了植被群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力，表征陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況，而且是判定生態(tài)系統(tǒng)中碳源/碳匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子，在全球變化及碳平衡中扮演著重要的作用。自20世紀60年代以來，各國學(xué)者對NPP的研究倍受重視，國際生物學(xué)計劃（International Biological Programme，IBP，19651974）期間，曾進行了大量的植物NPP的測定，并以測定資料為基礎(chǔ)聯(lián)系氣候環(huán)境因子建立模型對植被NPP的區(qū)域分布進行評估如Miami模型、Thornthwaite紀念模型、Chikugo模型等。建立于1987年的國際地圈生物圈計

3、劃（International Geo-Biosphere Programme，IGBP）、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GCTE）和最近出臺的京都協(xié)定（Kyoto Protocol）均把植被的NPP研究確定為核心內(nèi)容之一（IGBP，1998）。長江上游地區(qū)面積廣大，地形復(fù)雜，氣候多樣，植被類型豐富，是我國生態(tài)屏障關(guān)鍵區(qū)，也是重要的生態(tài)脆弱區(qū)和氣候變化敏感區(qū)。同時，它還是我國生物多樣性和自然保護集中區(qū)和我國重要的森林分布區(qū)、草地分布區(qū)。長江上游陸地生態(tài)系統(tǒng)特殊的地理區(qū)位、復(fù)雜的資源體系決定著它在我國生態(tài)系統(tǒng)中不可替代的戰(zhàn)略地位。長江上游山地垂直氣候多樣，孕育了豐富的森林植被，是我國第二大林區(qū)，其陸地

4、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在我國陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力中具有十分重要的作用。目前，長江上游地區(qū)正在大力進行封山育林、公益林和人工林基地建設(shè)和實施天然林保護工程、退耕還林工程?？梢灶A(yù)計，隨著森林面積的不斷增加，長江上游地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力在我國陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力中的地位也會發(fā)生變化。因此開展長江上游植被NPP及其時空分布的研究，對于掌握該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀況和自然生產(chǎn)能力具有重要的意義。第一節(jié) NPP研究概述人類研究陸地植被生產(chǎn)力及其地理分布有相當(dāng)長的歷史，有關(guān)學(xué)者從不同角度及學(xué)科對NPP的估算進行了深入細致的研究，取得了豐碩的成果。從空間尺度上來說，可分為NPP定位觀測、區(qū)域NPP模擬估算和全球N

5、PP模擬估算三種尺度。對陸地植被初級生產(chǎn)力的研究方法主要有2種：野外收割實測法和利用模式模擬計算法。第一種方法就是在單位面積的土地上收割某種植物，晾干后稱重計算該種植物的生產(chǎn)力。Wittaker等利用全球各種植被實測數(shù)據(jù)估算了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力為59 Pg/yr；第二種方法就是通過模式中的參數(shù)化方案來模擬各種植被的凈初級生產(chǎn)力，該方法現(xiàn)已成為估算陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要手段。自Lieth發(fā)表了首張基于回歸模型（Mi-ami模型）用計算機模擬的全球NPP分布圖，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的研究就成為全球碳循環(huán)研究的熱點領(lǐng)域之一。Cramer對IGBP支持的17個模型統(tǒng)NPP年平均值為54

6、. 9 Pg，其中最高的NPP出現(xiàn)在水熱條件良好的熱帶地區(qū)（1000gC/m2/yr），溫帶地區(qū)的NPP居中（500700 gC/m2/yr），NPP最低值出現(xiàn)在寒冷和干旱地區(qū)（20gC/m2/yr）?；诘孛娴腘PP定位觀測，只能收集到數(shù)公頃面積的不同生態(tài)系統(tǒng)類型的實測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)各種生態(tài)系統(tǒng)類型，用以點代面的辦法外推區(qū)域及全球NPP總量。由于這些估算是基于空間實測數(shù)據(jù)，迄今仍被用作全球NPP估算的參照。在區(qū)域或全球尺度上，人們無法直接和全面地測量NPP，因此利用模型估算NPP已成為一種重要而且被打多數(shù)學(xué)者廣泛接受的研究方法?，F(xiàn)有的NPP模型大體分為氣候生產(chǎn)力模型、生理生態(tài)過程模型、光能利

7、用率模型和生態(tài)遙感耦合模型四類。NPP估算模型的優(yōu)缺點及適用條件如表3.1所示。表3.1不同NPP估算模型優(yōu)缺點比較表模型類型模型舉例優(yōu)點缺點適用條件氣候生產(chǎn)力模型MiamiThornthwaiteChichugo(1)模型簡單(2)氣候參數(shù)易獲取(1)生理生態(tài)機制不是很清楚(2)估算結(jié)果以點代面(3)估算誤差較大，是一種潛在的NPP適用于區(qū)域潛在NPP的估算生理生態(tài)過程模型CENTURYTEMBIOME-BGC(1)生理生態(tài)機制清楚(2)可以模擬、預(yù)測全球變化對NPP的影響 (3)估算結(jié)果較準確(1)模型復(fù)雜(2)所需參數(shù)較多，而且難以獲得 (3)區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換困難適用于空間尺度較小、均質(zhì)斑塊

8、上的NPP估算光能利用率模型CASA，GLO-PEMSDBM(1)區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換容易，適宜于向區(qū)域及全球推廣(2)許多植被參數(shù)可由遙感獲得(3)可以獲得NPP的季節(jié)、年際動態(tài)(1)缺乏可靠的生理生態(tài)基礎(chǔ)(2)無法實現(xiàn)NPP的模擬及預(yù)測(3)光能傳遞及轉(zhuǎn)換的的過程中還存在許多不確定性適用于區(qū)域及全球尺度上的NPP估算生態(tài)遙感耦合模型BEPS，改進的PEM模型(1)遙感數(shù)據(jù)在獲取NPP空間分布信息時得到了有效利用(2)具有模擬、預(yù)測功能，可以獲得NPP的季節(jié)、年際動態(tài)(3)植被變化信息能立即反映在NPP估算上(1)BEPS模型比較復(fù)雜，所需參數(shù)較多，在參數(shù)確定上人為因素影響較大(2)改進的PEM模型

9、雖然對生理生態(tài)過程作了簡化，但NPP估算精度受LAI影響較大。適用于小面積樣區(qū)、區(qū)域及全球尺度上的NPP估算總體上看，氣候生產(chǎn)力模型比較簡單，在資料欠缺和技術(shù)落后的情況下，它的應(yīng)用比較廣泛。生理生態(tài)過程模型仍是當(dāng)前陸地NPP估算研究的主要手段，而區(qū)域尺度轉(zhuǎn)換則是它所面臨的關(guān)鍵問題。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，光能利用率模型已成為NPP估算的一種全新手段，它利用遙感所獲得的全覆蓋數(shù)據(jù)，使區(qū)域及全球尺度的NPP估算成為可能，但其生態(tài)學(xué)機理還有待于進一步研究。而生態(tài)遙感耦合模型則是綜合了生理生態(tài)過程模型和光能利用率模型的優(yōu)點，通過LAI將二者整合起來，可以反映區(qū)域及全球尺度的NPP空間分布及動態(tài)，增

10、強了陸地NPP估算的可靠性和可操作性，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。近年來關(guān)于中國陸地植被凈初級生產(chǎn)力時空特征分布的研究工作也陸續(xù)開展開，研究的方法主要采用靜態(tài)統(tǒng)計模型或改進的光能利用率模型以及過程機理模型來估算我國陸地各種植被的凈初級生產(chǎn)力，并且討論了各種氣候要素對于我國陸地植被凈初級生產(chǎn)力的影響作用。利用光能利用率模型估算植被NPP有三大優(yōu)點：1）模型比較簡單，可直接利用遙感獲得全覆蓋數(shù)據(jù)，在實驗和理論基礎(chǔ)上適宜于向區(qū)域及全球推廣；2）冠層綠葉所吸收的光合有效輻射的比例可以通過遙感手段獲得；3）可以獲得確切的NPP季節(jié)、年際動態(tài)。因此，近年來，光能利用率模型已成為NPP模型的主要發(fā)展方向之一。本研

11、究選擇目前國際和國內(nèi)上應(yīng)用較多的CASA模型來評價長江上游地區(qū)植被凈第一性生產(chǎn)力。第二節(jié) 研究方法與技術(shù)路線1. 研究方法1.1 模擬模型光能利用率模型估算植物的NPP主要是基于資源平衡的觀點，即假定生態(tài)過程趨于調(diào)整植物特性以響應(yīng)環(huán)境條件，認為植物的生長是資源可利用性的組合體，物種通過生態(tài)過程的排序和生理生化、形態(tài)過程的植物馴化，就趨向于所有資源對植物生長有平等的限制作用。在某些極端或者環(huán)境因子變化迅速的情況下，如果完全適應(yīng)不可能，或者植物還來不及適應(yīng)新的環(huán)境，NPP則受最緊缺資源的限制。由此認為，任何對植物生長起限制性的資源(如水、氮、光照等)均可用于NPP的估算，它們之間可以通過一個轉(zhuǎn)換因

12、子聯(lián)系起來，這一轉(zhuǎn)換因子既可以是一個復(fù)雜的調(diào)節(jié)模型，也可以是一個簡單的比率常數(shù)。NPP和限制性資源的關(guān)系可用公式表示如下：NPP=FcRu其中，F(xiàn)c：轉(zhuǎn)換因子，Ru：限制性資源。光合有效輻射（PAR）是植物光合作用的驅(qū)動力，對這部分光的截獲和利用是生物圈起源、進化和持續(xù)存在的必要條件。光合有效輻射是植物NPP的一個決定性因子，而植物吸收的光合有效輻射（APAR）則尤為重要。著名的Monteith方程就是建立在此基礎(chǔ)之上。NPP=APAR式中為植物光能利用率，它受水、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)等的影響。 1.2 CASA模型與參數(shù)獲取早在20世紀70年代Monteith就發(fā)現(xiàn)NPP和植被吸收的光合有效輻射（

13、APAR）之間存在著穩(wěn)定的關(guān)系：當(dāng)水分和肥料處在最適的條件下，農(nóng)作物的NPP與APAR具有很強的線性相關(guān)。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，NPP與APAR的時間序列積分有較好的相關(guān)性，但是不同的植被類型，或者同一植被類型在不同的生長條件下，所獲得的經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛嬖谥町?，這就意味著植被的NPP受植物本身及其生長環(huán)境的影響。目前，在區(qū)域及全球尺度的NPP估算模型當(dāng)中，以CASA模型為代表的光能利用率模型得到了廣泛應(yīng)用。本研究所構(gòu)建的NPP遙感估算模型將植被覆蓋分類引入模型，并考慮植被覆蓋分類精度對NPP估算的影響，由它們共同決定不同植被覆蓋類型的NDVI最大值，由此獲得各植被覆蓋類型的比值植被指數(shù)最大值，最后實現(xiàn)

14、FPAR的估算。根據(jù)誤差最小的原則，模擬出各植被類型的最大光能利用率，使之更符合長江上游的實際情況。利用氣象數(shù)據(jù)（溫度、降水、太陽凈輻射），結(jié)合已有的區(qū)域蒸散模型來實現(xiàn)水分脅迫因子的估算，這樣一方面可以保持模型原有的植物生理生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，另一方面則在一定程度上對有關(guān)參數(shù)實行了簡化，使其實際的可操作性得到加強。NPP估算模型的總體設(shè)計如圖3.2所示。模型中所估算的NPP可以由植物吸收的光合有效輻射(APAR)和實際光能利用率()兩個因子來表示，其估算公式如下： 式中：APAR(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效輻射（單位：MJ/m2/月）(x,t)表示像元x在t月份的實際光能利用率（單位：g

15、C/MJ）圖3.1 NPP估算模型總體框架1）APAR估算用遙感數(shù)據(jù)估算光合有效輻射(PAR)中被植物葉子吸收的部分(APAR)是基于植被對紅外和近紅外波段的反射特征實現(xiàn)的。植被吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植物本身的特征，可用以下公式進行計算： 式中：SOL(x,t)表示t月份在像元x處的太陽總輻射量(MJ/m2/月)；FPAR(x,t)為植被層對入射光合有效輻射的吸收比例（無單位）；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射（波長為0.380.71um）占太陽總輻射的比例。對于FPAR的計算采用Potter等提出的如下計算公式:式中:SRmin取值為1.08，SRmax的大小與植被類型

16、有關(guān)，取值范圍在4.14-6.17之間。SR(x，t)由NDVI(x，t)求得：2）光合利用率估算光能利用率是在一定時期單位面積上生產(chǎn)的干物質(zhì)中所包含的化學(xué)潛能與同一時間投射到該面積上的光合有效輻射能之比。研究表明，不同植被的光能利用率差異很大。引起差異的主要原因是光能利用率受氣溫、水分、土壤、營養(yǎng)、疾病、個體發(fā)育、基因型差異和植被維持與生長的不同能量分配等因素的影響。所以，不同類型的植被以及同一植被在不同的環(huán)境條件下，其光能利用率不同。光能利用率的估算流程如圖3.2所示： 圖3.2 光能利用率估算流程Potter等認為在理想條件下植被具有最大光能利用率，而在現(xiàn)實條件下的最大光能利用率主要受溫

17、度和水分的影響，其計算公式為：式中：T1(x,t)和T2(x,t)表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫作用（無單位）；W(x,t)為水分脅迫影響系數(shù)（無單位），反映水分條件的影響；max是理想條件下的最大光能利用率（單位：gC/MJ）。T1(x,t)反映在低溫和高溫時植物內(nèi)在的生化作用對光合的限制而降低凈第一性生產(chǎn)力用下式計算：其中：Topt(x)為某一區(qū)域一年內(nèi)NDVI值達到最高時的當(dāng)月平均氣溫。已有許多研究表明，NDVI的大小及其變化可以反映植物的生長狀況，NDVI達到最高時，植物生長最快，此時的氣溫可以在一定程度上代表植物生長的最適溫度。T2(x,t)表示環(huán)境溫度從最適溫度Topt(x)向高

18、溫和低溫變化時植物光利用率逐漸變小的趨勢，這是因為低溫和高溫時高的呼吸消耗必將會降低光利用率，生長在偏離最適溫度的條件下，其光利用率也一定會降低。用下式計算：當(dāng)某一月平均溫度T(x,t)比最適溫度Topt(x)高10或低13時，該月的T2(x,t)值等于月平均溫度T(x,t)為最適溫度Topt(x)時T2(x,t)值的一半。水分脅迫影響系數(shù)W(x,t)反映了植物所能利用的有效水分條件對光能利用率的影響，隨著環(huán)境中有效水分的增加，W(x,t)逐漸增大，它的取值范圍為0.5（在極端干旱條件下）到1（非常濕潤條件下），由以下公式計算：其中：E(x,t)為區(qū)域?qū)嶋H蒸散量，可根據(jù)周廣勝和張新時建立的區(qū)域

19、實際蒸散模型求取；Ep(x,t)為區(qū)域潛在蒸散量，可根據(jù)Boucher提出的互補關(guān)系)求取。式中：P(x,t)為像元x在t月的降水量，Rn(x,t)為像元x在t月份的太陽凈輻射量。式中：Ep(x,t)(mm)為局地潛在蒸散量，可以由Thornthwaite的植被氣候關(guān)系模型的計算方法求算。月最大光利用率max的取值因不同的植被類型而有所不同，由于全球最大光轉(zhuǎn)化率的取值對NPP的估算結(jié)果影響很大，人們對它的大小一直存在爭議，彭少麟等利用GIS和RS估算了廣東植被光利用率，認為CASA模型中所使用的全球植被月最大光利用率（0.389gC/MJ）對廣東植被來講偏低。本文利用朱文泉等人根據(jù)生態(tài)生理過程

20、模型BIOME-BGG對10種植被類型所模擬的結(jié)果，它們的取值分別為：常綠針葉林0.389gC/MJ，常綠闊葉林0.985gC/MJ，落葉針葉林0.485gC/MJ，落葉闊葉林0.692gC/MJ，針闊混交林0.475gC/MJ，常綠、落葉闊葉混交林0.768 gC/MJ，灌叢0.429gC/MJ，草地0.542g C/MJ，矮林灌叢0.888g C/MJ，草地0.608gC/MJ，耕作植被0.604gC/MJ。其他如城市、水體等生態(tài)系統(tǒng)取CASA模型所估算的全球月平均最大光利用率0.542gC/MJ。2. 技術(shù)路線 技術(shù)路線如下圖（圖3.3）。文 獻 調(diào) 研數(shù)據(jù)收集模型建立NPP計算方法選取

21、長江上游植被凈初級生產(chǎn)力估算長江上游植被凈初級生產(chǎn)力評估氣象數(shù)據(jù)MODIS數(shù)據(jù)太陽總輻射量月平均溫度月總降雨量NDVI植被類型植被模塊APAR模塊基于光能利用率的NPP估算模型圖3.3 技術(shù)路線第三節(jié) 長江上游初級生產(chǎn)力估算1數(shù)據(jù)準備1.1遙感數(shù)據(jù)：由于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、重訪周期短的特點，在空間和時間上具有連續(xù)性，所以在植被、氣候及地表長期變化研究中成為非常有效的數(shù)據(jù)源。本研究所采用的NOAA/AVHRRNDVI數(shù)據(jù)，來源于美國地球資源觀測系統(tǒng)（Earth resources observation system：EROS）數(shù)據(jù)中心的探路者數(shù)據(jù)集（Pathfinder AV

22、HRR Land Data Set:PAL Data Set）。圖像空間分辨率為1km，時間分辨率為月，時間序列為2006年1月2006年12月。1.2氣象數(shù)據(jù)：本研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象局，時間為2006年，數(shù)據(jù)內(nèi)容為月降水量、月平均氣溫、月總太陽輻射，以及各氣象站點的經(jīng)度、緯度和海拔高度，共涉及全國726個氣象站點（其中太陽輻射數(shù)據(jù)為112個站點）（圖3.4）。對數(shù)據(jù)進行精度驗證，剔除不可替代的錯誤數(shù)據(jù)后，計算植被的凈初級生產(chǎn)力需要柵格化的氣象數(shù)據(jù)，并從空間上與遙感數(shù)據(jù)相匹配。利用GIS的插值工具，根據(jù)各氣象站點的經(jīng)緯度信息，通過對氣象數(shù)據(jù)進行Kriging插值，獲取像元大小與

23、NDVI數(shù)據(jù)一致、投影相同的氣象要素柵格圖。圖3.4 全國氣象站點分布圖1.3 植被分類數(shù)據(jù)： 植被分類圖來源于歐盟聯(lián)合研究中心(The Joint Research Centre:JRC)，原始分類圖像由中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所編譯，分類用的遙感數(shù)據(jù)為2000年的SPOTVGT 1km數(shù)據(jù)、以及潘耀忠等人基于NOAA/AVHRR和Holdridge的中國土地覆蓋分類圖，共分為22類。圖3.5 長江上游植被分類圖表3.2長江上游植被分類情況統(tǒng)計表代碼植被類型像元數(shù)1落葉針葉林needleleaved deciduoud forest02常綠針葉林needleleaved evergreen f

24、orest2239363常綠闊葉林broadleaved evergreen forest942084落葉闊葉林broadleaved deciduoud forest140805灌叢bush1365126疏林sparse woods113287海邊濕地seaside wet lands08高山、亞高山草甸alpine and sub_alpine meadow1913609坡面草地slope grassland1331210平原草地plain grassland2022411荒漠草地desert grassland153612草甸meadow013城市city51214河流river1356

25、815湖泊lake198416沼澤swamp32017冰川glacier332818裸巖bare rocks787219礫石gravels51220荒漠dersert021耕地farmland19321622高山、亞高山草地alpine and sub-alpine plain grass57088合計984896注：植被類型根據(jù)2000年SPOT一VGT lkm的遙感植被分類圖確定2. 結(jié)果與分析2.1長江上游初級生產(chǎn)力估算結(jié)果 利用所建立的模型和收集整理后的數(shù)據(jù)，計算長江上游地區(qū)2006年陸地植被總NPP，結(jié)果見圖6。圖3.6 長江上游地區(qū)2006年總NPP對長江上游地區(qū)2006年陸地植被

26、總NPP進行統(tǒng)計，得到2006年長江上游地區(qū)不同植被NPP總值和平均值，見表3.3。表3.3 2006長江上游不同植被NPP統(tǒng)計表代碼植被類型像元數(shù)平均值總和1落葉針葉林00.000.002常綠針葉林223936355.5679.623常綠闊葉林94208949.8289.484落葉闊葉林14080569.188.015灌叢136512382.6852.246疏林11328456.105.177海邊濕地00.000.008高山、亞高山草甸191360435.8983.419坡面草地13312608.708.1010平原草地20224316.196.3911荒漠草地153675.440.1212

27、草甸00.000.0013城市512170.490.0914河流13568401.395.4515湖泊1984353.690.7016沼澤320284.940.0917冰川3328216.120.7218裸巖7872211.851.6719礫石512153.120.0820荒漠00.000.0021耕地193216388.0374.9722高山、亞高山草地57088226.7012.94合計984896435.84429.26注：NPP平均值單位為gC/m2/yr，NPP總量單位為1012gC/yr計算結(jié)果表明，2006年長江上游植被凈初級生產(chǎn)力為429.261012gC/yr，平均值為435

28、.84gC/m2/yr。2.2 長江上游初級生產(chǎn)力空間分布通常人們把自然植被分布格局隨經(jīng)緯度和海拔高度的變化稱之為“三向地帶性”，正是這種“三向地帶性”和復(fù)雜多變的環(huán)境、氣候條件共同決定了陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的空間格局變化。長江上游東西部氣溫差異顯著。四川盆地東部以及宜賓至宜昌長江干流沿岸一帶，氣溫較高，年均溫18以上。成都平原年均溫16左右，盆周山區(qū)年均溫1416。金沙江下游河谷區(qū)海拔1300m以下，年平均氣溫達到20以上，為長江上游氣溫最高地區(qū)。高原大部分年平均氣溫為08，其中石渠、色達以北及通天河一帶，年平均氣溫低于0。江源區(qū)年溫在-4左右，系長江上游氣溫最低地區(qū)。長江上游西部高原地區(qū)年平

29、均降水較少（200800mm），由東往西減少，源頭地區(qū)五道梁僅270mm左右。長江上游東部廣大地區(qū)在太平洋和印度洋暖濕氣流控制下，降水豐富，年平均降水量一般在8001500mm，地區(qū)分布差異較大，具有由東向西較少的特性。但受地形的影響，在四川盆地周圍山地及云貴高原東部分布著幾個多雨中心。長江上游幅員遼闊，山地眾多，地形復(fù)雜，氣候多樣。上游東部屬北亞熱帶季風(fēng)和中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，西北部為山地高原氣候，橫斷山地屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候。不僅具有從南到北熱帶、亞熱帶到寒溫帶的緯向溫度變化以及從沿海到內(nèi)陸的干濕變化，同時亦具有明顯的沿海拔高度變化的垂直地帶性。長江上游自然植被NPP的分布受水熱條件的限

30、制相當(dāng)明顯，陸地生態(tài)系統(tǒng)植被NPP空間分布的基本特點是南高北低、東高西低，從西北向東南呈逐級遞增趨勢。從整個流域來看，青藏高原東部的山麓植被覆蓋率較高，植被類型多樣，因此凈初級生產(chǎn)力也較高，NPP平均值超過了1000 gC/m2/yr；四川盆地以及重慶等丘陵地區(qū)主要為農(nóng)田，NPP在500 gC/m2/yr左右；西北長江源頭地區(qū)為草地及荒漠區(qū)，植被覆蓋率極低，且降雨減少，有些地區(qū)甚至寸草不生，NPP最小，平均值在100 gC/m2/yr以下。植被凈初級生產(chǎn)力受水分及溫度的限制比較厲害，溫度升高、降水增加都會減少這兩個因素的限制作用，因此，NPP的相對增加幅度比較大。這與國際生物圈計劃(IBP)的

31、研究結(jié)果基本一致。2.3長江上游不同植被類型初級生產(chǎn)力長江上游植被類型復(fù)雜多樣。按地域水平分異特征，包括不同地帶性植被類型，如西部江源草甸草原與草甸、川西暗針葉林、川西南滇北亞熱帶偏干常綠闊葉林、亞熱帶偏濕常綠闊葉林、橫斷山北部溫帶落葉林以及四川盆地以農(nóng)業(yè)植被為主的植被類型。同時，長江上游許多山地的植被都具有垂直的分帶性，在海拔1000m以下為常綠闊葉林，10002500m為常綠闊葉林與落葉闊葉林混交林，25003000m為云杉、冷杉混交林，30004000m為冷杉林，4000m以上為灌叢、草甸和高山流石灘植被。由于不同植被類型對光能的吸收和轉(zhuǎn)化能力存在明顯差異，再加上生態(tài)環(huán)境因子的區(qū)域性，所

32、以在不同的植被類型之間，植被的平均NPP也存在一定的差異。2006年長江上游不同類型植被NPP的差異也是相當(dāng)明顯的。圖3.7、圖3.8分別顯示了2006年長江上游不同類型植被總NPP和平均NPP的情況。圖3.7 長江上游不同植被類型2006年總NPP由圖3.7可以看出，在2006年長江上游不同植被類型的全年總的初級生產(chǎn)力中，以常綠闊葉林最高，達到89.481012gC/yr；其次分別是高山、亞高山草甸（83.411012gC/yr）、常綠針葉林（79.621012gC/yr）、耕地（74.971012gC/yr）、灌叢（52.241012gC/yr）；這幾種植被類型其全年總初級生產(chǎn)力均超過了5

33、0*1012gC/yr；礫石、城市、沼澤、荒漠草地最低，分別是 0.081012gC/yr、0.091012gC/yr、0.091012gC/yr和0.121012gC/yr。圖3.8 長江上游不同植被類型2006年平均NPP由圖3.8可以看出，在長江上游的各植被類型中，以常綠闊葉林平均年凈初級生產(chǎn)力最大，達到949.82gC/m2/yr；其次是坡面草地達608.70 gC/m2/yr、落葉闊葉林（569.18 gC/m2/yr）、疏林（456.10 gC/m2/yr）、高山、亞高山草甸（435.89 gC/m2/yr）；荒漠草地和礫石平均年凈初級生產(chǎn)力最小，分別是75.44 gC/m2/yr

34、和153.12 gC/m2/yr。對于長江上游地區(qū)的所有植被類型，模型估算的單位面積年凈初級生產(chǎn)力與總凈初級生產(chǎn)力的計算結(jié)果所表現(xiàn)出來的趨勢并不一致（見圖3.7、圖3.8），這主要是由于不同植被類型的面積不同而造成的。高山、亞高山草甸其平均NPP僅為435.89 gC/m2/yr，排在所有植被類型第2位，但由于其面積較大，共有191360個像元，故其年總NPP值較大，為83.411012gC/yr，排在第2位；而坡面草地，以608.70 gC/m2/yr的年平均NPP排在第2位，由于只有13312個像元，其年總生產(chǎn)力為8.101012gC/yr，排在所有植被的第7位。 2.4 長江上游初級生產(chǎn)

35、力季節(jié)變化植被NPP會受到水熱組合的影響，由于氣溫、降雨、輻射等在一年之內(nèi)的具有明顯季節(jié)變化，因此，一年之內(nèi)各個月份的NPP是不同的。圖3.9顯示了2006年長江上游地區(qū)各月陸地植被初級生產(chǎn)力情況，表3.4、表3.5分別對不同月份不同植被類型的初級生產(chǎn)力總值與平均值進行了統(tǒng)計。321月2月4月3月5月6月7月8月9月10月12月11月圖3.9 2006年長江上游地區(qū)各月陸地植被初級生產(chǎn)力表3.4 長江上游不同植被2006年各月總NPP單位：1012gC/yr代碼植被類型像元數(shù)SUM1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月2常綠針葉林22393679.620.881.412.445

36、.2210.4412.0517.0514.268.464.461.931.013常綠闊葉林9420889.481.081.572.686.0313.0413.7918.6115.838.435.022.221.164落葉闊葉林140808.010.040.050.120.651.531.381.681.280.730.400.120.045灌叢13651252.240.600.891.432.945.947.9711.6010.226.152.701.180.626疏林113285.170.050.080.140.340.730.761.170.970.460.290.130.058高山、亞高

37、山草甸19136083.410.871.181.753.076.6612.6821.2219.0410.983.681.540.749坡面草地133128.100.110.200.320.631.091.071.481.360.850.600.240.1410平原草地202246.390.050.060.090.240.641.061.661.400.780.270.090.0411荒漠草地15360.120.000.000.000.000.010.010.030.030.020.010.000.0013城市5120.090.000.000.000.010.010.020.020.010.01

38、0.000.000.0014河流135685.450.060.110.190.360.670.851.190.980.520.320.120.0715湖泊19840.700.010.010.020.050.100.120.160.120.070.040.020.0116沼澤3200.090.000.000.000.010.010.010.020.020.010.010.000.0017冰川33280.720.010.010.020.030.060.080.190.180.090.040.010.0118裸巖78721.670.020.020.030.030.080.250.490.430.25

39、0.040.020.0019礫石5120.080.000.000.000.000.000.010.020.020.010.000.000.0021耕地19321674.970.370.661.865.1911.4813.4918.3812.526.083.121.320.5222高山、亞高山草地5708812.940.130.140.200.280.691.973.783.291.880.380.160.04合計984896429.264.286.3811.3025.0753.1967.5898.7781.9545.7521.399.144.45表3.5 長江上游不同植被2006年各月平均NP

40、P單位：gC/m2/yr代碼植被類型像元數(shù)SUM_npp1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月2常綠針葉林223936355.563.946.2810.9123.3346.6453.8176.1263.6937.7719.928.644.513常綠闊葉林94208949.8211.4716.6428.4664.03138.46146.38197.58168.0689.5253.2823.6012.324落葉闊葉林14080569.182.793.378.7546.02108.8597.84119.4090.6551.6428.358.363.175灌叢136512382.684

41、.376.5210.4921.5043.5058.3884.9874.8445.0619.818.664.556疏林11328456.104.097.0012.5229.5964.6467.51102.8685.5840.7525.3511.434.778高山、亞高山草甸191360435.894.576.189.1416.0534.7866.24110.8999.5257.3619.258.073.859坡面草地13312608.708.6114.7724.2847.3082.0580.66111.41101.8063.5045.4418.3710.5110平原草地20224316.192.

42、652.944.5812.0431.7152.6482.2669.1038.5713.224.671.8011荒漠草地153675.440.600.961.051.323.678.8322.5219.6311.243.881.120.6113城市512170.491.161.966.4512.9323.7929.9643.9426.3411.678.093.001.2114河流13568401.394.458.3413.6926.6749.4762.5387.9871.9238.0123.899.125.3215湖泊1984353.692.834.849.8524.6749.0458.0282

43、.2858.1033.3417.849.153.7216沼澤320284.942.012.454.1919.9444.1142.5765.4249.5227.1717.976.732.8417冰川3328216.122.854.315.008.5717.2625.2556.2652.6727.0011.313.572.0718裸巖7872211.852.092.083.263.8410.2232.0962.7055.2131.685.702.430.5519礫石512153.121.141.191.272.186.5519.9746.9443.3023.435.002.000.1521耕地19

44、3216388.031.903.399.6226.8659.4069.8395.1164.7931.4516.156.852.6722高山、亞高山草地57088226.702.222.403.574.8712.0834.5366.2257.6632.866.742.890.66合計984896435.844.346.4811.4725.4654.0068.62100.2983.2046.4521.729.284.52圖3.10顯示了長江上游地區(qū)陸地植被NPP在各個月內(nèi)的變化情況，可以看出，NPP的積累期主要發(fā)生在水熱搭配較好的410月份，這7個月的NPP占了年度NPP總量的91.72%；從季節(jié)

45、變化來看，長江上游地區(qū)春（35月份）、夏（68月份）、秋（911月份）、冬（122月份）2006年NPP總值分別為89.561012gC/yr，248.31012gC/yr，76.281012gC/yr，15.111012gC/yr，各自占全年NPP總量的20.86%，57.84%，17.77%，3.52%。圖3.10 長江上游植被初級生產(chǎn)力年內(nèi)累計情況長江上游陸地植被凈初級生產(chǎn)力隨季節(jié)的變化（圖3.11）顯示：全年中冬季(122月)的凈初級生產(chǎn)力是最低的，僅占全年總凈初級生產(chǎn)力的3.52%；而夏季(68月)的凈初級生產(chǎn)力是最高的，約占全年總凈初級生產(chǎn)力的57.84%。從圖中也可看出，在春冬兩

46、季由于水熱條件普遍較差，長江上游地區(qū)大部分地區(qū)凈初級生產(chǎn)力均較低，只有橫斷山區(qū)、四川盆地北部山地以及金沙江下游地區(qū)的凈初級生產(chǎn)力表現(xiàn)還較高，原因是上述各地區(qū)具有較多的常綠闊葉林分布。夏季正好是長江上游所有植被包括高寒草甸和高寒草原的生長季，因此到了夏季長江上游整個區(qū)域（除高寒荒漠地區(qū)外）的凈初級生產(chǎn)力均較高，主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，長江上游植物生長的主要限制因了是溫度和降水，這些因子在夏季比較優(yōu)越，適合植物生長；另一方面，夏季也是光合有效輻射最強的季節(jié)，植物能夠吸收更多的太陽能和CO2轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)。圖3.11 長江上游植被平均NPP月際變化由于不同植被類型生長周期、受氣溫、降雨的影響各不相

47、同，其年內(nèi)總NPP及平均NPP亦不相同。圖3.12、圖3.13顯示了長江上游地區(qū)不同植被類型2006年的月際變化情況。圖3.12 長江上游不同植被類型總NPP月際變化由圖12可以看出，長江上游各種植被類型2006年各月總NPP都集中在410月，7月、8月達到最大值，這與整個流域的總NPP的變化趨勢是一致的。其中單月NPP最大為7月的高山、亞高山草地（21.221012gC/yr）。圖3.13長江上游不同植被類型平均NPP月際變化由圖3.13可以看出，長江上游各種植被類型2006年各月平均NPP也集中在410月，7月、8月達到最大值，這與整個流域的總NPP的變化趨勢一致。其中單月平均NPP最大為

48、7月的常綠闊葉林（197.58gC/m2/yr）?？梢钥闯?，長江上游不同植被類型各月總NPP與各月平均NPP的變化趨勢并不完全一致，這同樣是由于不同植被類型的面積不一致造成的。第四節(jié) 長江上游生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力評價長江上游地形地貌獨特，氣候類型復(fù)雜，豐富的植被覆蓋及多元的人地關(guān)系，構(gòu)成了長江上游復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟格局。為了宏觀理解長江上游生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力，本研究按生態(tài)系統(tǒng)類型進行了初級生產(chǎn)力評價。表4.1統(tǒng)計了2006年長江上游地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力情況。表3.6 長江上游地區(qū)不同生態(tài)類型2006年初級生產(chǎn)力生態(tài)系統(tǒng)類型像元數(shù)年

49、總NPP年平均NPP森林480064234.52 488.5275農(nóng)田19321674.97 388.0297草地283520110.97 391.3881濕地158726.24 393.0775城市5120.09 170.4894其他117122.47 210.494合計984896429.26 435.8388注：NPP平均值單位為gC/m2/yr，NPP總量單位為1012gC/yr1.森林生態(tài)系統(tǒng)長江上游地區(qū)森林總面積為42.033萬hm2，約占全國有林地面積的32.53%；森林總蓄積量為60.633億m3，約占全國林分總蓄積量的60.12%。顯然長江上游地區(qū)在我國森林資源數(shù)量分配與供給

50、上占有重要的地位。其中，以云南面積最大，四川（含重慶）次之，二者合計面積約占長江地區(qū)的45.02%；以青海森林面積最小，僅占長江上游的0.54%。長江上游地區(qū)9省區(qū)（含湖北全境）平均森林覆蓋率約為24.05%（以森林面積計算結(jié)果）。從各轄區(qū)森林覆蓋率分析（表4.2），以云南最高（33.64%），其次是陜西（28.74%）、四川（23.50%），以青海最?。?.4%）?？傮w情況看，長江上游地區(qū)森林覆蓋率略高于全國平均水平。表3.7 長江上游各省市區(qū)森林資源面積及分布行政轄區(qū)森林面積森林蓄積量森林覆蓋率四川（含重慶）1197721446216523.5貴州301991440501820.81云南1

51、181281283649433.64西藏40805125334713.59陜西49256302657428.74青海30523270360.43甘肅1921717201764.83湖北39901132238225.98合計42033060633316全國1291994100856423數(shù)據(jù)來源：全國森林統(tǒng)計年鑒（19941998）2006年長江上游森林生態(tài)系統(tǒng)總NPP為234.521012gC/yr，占整個流域全年總NPP的54.64%；平均NPP為488.53 gC/m2/yr。長江上游森林資源主要分布在川滇藏橫斷山地、藏東南和秦嶺大巴山地等地，由于林木生長受地質(zhì)、地貌、水文、氣候、土壤、植

52、被及其他生物環(huán)境因子及其組合格局的影響，長江上游森林初級生產(chǎn)力的分布也具有明顯的區(qū)域性：較好的區(qū)域集中在西南部，生產(chǎn)力高，這些區(qū)域最適于林木生產(chǎn)、無明顯限制因素、質(zhì)量好的一等林地約占林地總面積的50%，主要分布西南山區(qū)；一般適于林木生產(chǎn)，受地形、土壤、水分、鹽分等因素的一定限制、質(zhì)量中等的二等林地約占林地總面積的37%，主要分布在西南山區(qū)的西藏、云南等地；林木生長有一定困難，受到各種因素的較大限制、質(zhì)量差的三等林地，約占林地總面積的13%。長江上游地區(qū)森林資源從面積總量看較為貧乏，但蓄積量大，占據(jù)全國的近一半，是我國森林資源的重要貯備區(qū)。長江上游森林植物種類比較豐富，但森林資源分布不均，主要分布在西南區(qū)域內(nèi)的四川、云南、西藏等省區(qū)的高山