基于生態(tài)-遙感的天山生態(tài)樣帶凈初級生產(chǎn)力空間分布及其季節(jié)變化

基于生態(tài)-遙感的天山生態(tài)樣帶凈初級生產(chǎn)力空間分布及其季節(jié)變化

中國西北干旱地區(qū)以內(nèi)、旱、干、旱的區(qū)位為特征，發(fā)育于內(nèi)、旱的生態(tài)系統(tǒng)中。沙漠植物與中國東部季風(fēng)氣候和西藏高山地區(qū)形成鮮明對比。它具有世界上獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，是沙漠的世界上獨(dú)特類型。中國西北干旱區(qū)巨型山盆體系下的山地生態(tài)系統(tǒng)垂直分異明顯,荒漠類型復(fù)雜多樣,綠洲景觀特色鮮明,是由山地、綠洲、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的獨(dú)特生態(tài)環(huán)境區(qū)域單元,其間的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化、信息傳輸?shù)目臻g分異顯著,荒漠與綠洲生態(tài)過渡帶的異質(zhì)性景觀結(jié)構(gòu)對比性強(qiáng)烈。隨全球氣候變化、氣候異常和區(qū)域人類活動(dòng)、土地利用等干擾對西北干旱區(qū)山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能及其碳循環(huán)過程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。凈初級生產(chǎn)力或凈第一性生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity,NPP)是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被吸收碳的能力,是反映生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)基本變量,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)碳源/匯和調(diào)節(jié)生態(tài)過程的主要因子。陸地生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力是大氣-植被-土壤碳循環(huán)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié),因此在干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境演變及其與氣候相互作用和影響方面扮演著極為重要的角色。對于全球氣候變化特別是全球正在明顯變暖情景下的干旱半干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),特別是干旱生態(tài)系統(tǒng)碳吸收的估算和潛力的預(yù)測研究缺乏。干旱區(qū)荒漠灌叢物中組成和冠層結(jié)構(gòu)的功能分異顯著,使之與東部植被類型在遙感光譜特征和反演方法上有明顯的差異。利用遙感光譜混合分解技術(shù)對干旱區(qū)植被進(jìn)行了光合作用和非光合作用植被區(qū)分和組分解析,可以用于西北干旱區(qū)山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的估算。天山北麓的洪積-沖積平原綠洲是新疆政治、經(jīng)濟(jì)與文化的中心,也是歐亞大陸橋東部的關(guān)鍵地段,是西部大開發(fā)的重點(diǎn)地區(qū)。本文利用遙感信息、GIS技術(shù)和基于遙感-生態(tài)過程的NPP-PEM模型,以天山北麓山地-綠洲-荒漠生態(tài)樣帶為例進(jìn)行NPP估算和碳吸收量空間格局與季節(jié)變化研究,可充分發(fā)揮遙感和生態(tài)模型整合的空間優(yōu)越性,有助于填補(bǔ)不同時(shí)空尺度西北干旱區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收、沉降、收支和循環(huán)過程等關(guān)鍵問題的研究空白。1數(shù)據(jù)和方法1.1自然景觀帶研究區(qū)位于位于中緯度歐亞大陸腹地新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)(圖1見81頁),沿天山北麓分布的山地-綠洲-荒漠生態(tài)樣帶,地理位置處于43°03′～46°24′N,83°40′～89°40′E,總面積93936km2,行政范圍包括克拉瑪依、烏蘇、沙灣、瑪納斯、呼圖壁、昌吉、奎屯、石河子、米泉、阜康、吉木薩爾和烏魯木齊。從天山山脈依連哈比嘎爾山和博格達(dá)山到準(zhǔn)噶爾盆地腹地古爾班通古特沙漠,海拔高度范圍為227～4975m,隨海拔出現(xiàn)完整的自然景觀帶,即高山冰雪帶→高山、亞高山草甸帶→中山森林帶→低山草原帶(剝蝕低山丘陵)→荒漠帶→沙漠。研究區(qū)屬典型溫帶大陸性荒漠氣候,冬季寒冷漫長,夏季干旱炎熱。氣候垂直差異明顯,3600m以上高山區(qū),終年積雪,年平均氣溫在0℃以下,氣候寒冷而濕潤。海拔1500～3600m中山區(qū),年平均氣溫2℃左右,為寒溫帶半濕潤氣候。海拔600～1500m低山丘陵區(qū),年平均氣溫5℃左右,為溫帶半干旱區(qū)。海拔600m以下平原區(qū),年均氣溫6℃,為溫帶干旱氣候。在山地降水多達(dá)450～700mm,平原區(qū)187mm,沙漠區(qū)144mm,年蒸發(fā)量2000mm左右。1.2資料與方法、模型研究中使用了比利時(shí)VITO研究所圖像處理與存檔中心提供的2002年1km分辨率SPOT/VEGETATION數(shù)據(jù)產(chǎn)品(http://free.vgt.vito.be),來計(jì)算凈初級生產(chǎn)力估算所需的關(guān)鍵參數(shù)。VEGETATION傳感器不僅具有較高的空間分辨率,還具有較高的地面控制精度。其傳感器主要有藍(lán)波段(0.43～0.47μm),紅波段(0.61～0.68μm),近紅外波段(0.78～0.89μm)和短波紅外(1.58～1.75μm)。同時(shí)收集了國家氣象局2002年研究區(qū)范圍太陽總輻射、降水、氣溫等氣候資料,利用1km地面數(shù)字高程進(jìn)行了空間矯正。還使用到1989-1993年中國林業(yè)部森林普查資料。2000年1∶10萬土地利用/覆蓋圖來自于中國科學(xué)院地理研究所,參考中國科學(xué)院新疆綜合考察隊(duì)1978年編繪的新疆維吾爾自治區(qū)植被類型圖,對圖件進(jìn)行重新歸并處理,研究區(qū)-天山北麓山地-綠洲-荒漠生態(tài)樣帶土地利用/覆蓋分布如圖1所示。采用了針對干旱區(qū)山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)特有特征構(gòu)建的基于遙感-生態(tài)過程N(yùn)PP-PEM(ProductionEfficiencyModelforNetPrimaryProductivityEstimation)模型,該生態(tài)-遙感光能利用率模型主要參考了光能利用率遙感模型GLO-PEM和CASA,借助遙感生態(tài)反演的物理分析,初步構(gòu)建起基于遙感與生態(tài)過程的干旱區(qū)適用的凈初級生產(chǎn)力估算模型,并以ERDASIMAGINE為平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了模型可視化模型界面,可以利用NOAA/AVHRR、SPOT/VEGETATION、EOS/MODIS、風(fēng)云系列(FY-1/FY-2)等衛(wèi)星遙感資料作為輸入數(shù)據(jù)。為了解決混合像元不同覆蓋類型不同導(dǎo)致的最大光能利用率差異問題,NPP-PEM模型采用在次像元尺度上對1km×1km像元進(jìn)行混合像元分解的方法,以獲取每個(gè)像元中光和作用植被組分PV(PhotosyntheticVegetation)。模型詳細(xì)介紹請見文獻(xiàn)。我們以ERDASIMAGINE8.4為平臺(tái)構(gòu)建的模型可視化NPP-PEM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和模型模擬。2結(jié)果與分析2.1模擬結(jié)果和估算值對比目前多數(shù)初級生產(chǎn)力模型模擬的結(jié)果檢驗(yàn)都采用與實(shí)測數(shù)據(jù)和與其它模型所估算結(jié)果相比較的方法。國內(nèi)以國家尺度的研究較多,但多數(shù)缺乏結(jié)果檢驗(yàn)和模型驗(yàn)證,而且對于西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和比較研究極少,甚至予以忽略。既有的研究觀測方法、周期、地理位置、植被或群落特征等沒有詳細(xì)的描述。根據(jù)2000-2005年樣帶觀測資料、1989-1993年森林普查資料、中國地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)草地資源數(shù)據(jù)集和實(shí)測數(shù)據(jù)資料,本文所獲得的1km×1km模擬值與實(shí)測值相關(guān)系數(shù)為0.77(n=53,P<0.001),均方根誤差(RMSE,RootMeanSquaredError)為36.55gC·m-2·a-1。檢驗(yàn)結(jié)果表明模擬效果比較合理。比較結(jié)果(表1)表明研究區(qū)雖有差異,但是本文估算值與其它文獻(xiàn)中的估算值較為接近,一方面是植被類型和氣候條件的差異造成的;另一方面相關(guān)各種研究都缺乏連續(xù)的對西北干旱區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)或群落類型進(jìn)行長期定點(diǎn)觀測,增加了模型的參數(shù)化和驗(yàn)證的難度和不確定性。2.2碳吸收量npp天山北麓空間垂直分異大,山盆結(jié)構(gòu)鑲嵌造成各生態(tài)系統(tǒng)NPP空間異質(zhì)性強(qiáng)烈(圖2見81頁)。模擬結(jié)果表明生態(tài)樣帶NPP在不同植被類型中的差異也較為明顯的,自然植被NPP的分布由于受山盆結(jié)構(gòu)分異所造成的水熱條件限制明顯,總體呈現(xiàn)隨海拔山區(qū)遞減而平原增加的趨勢。模型估算結(jié)果表明,2002年整個(gè)生態(tài)樣帶陸地生態(tài)系統(tǒng)年總碳吸收量或年總NPP總量約為15.081TgC(1TgC=1012gC),單位面積上的NPP平均水平為161.06gC·m-2·a-1,其整體初級生產(chǎn)力水平略高于黑河流域陸地生態(tài)系統(tǒng)平均生產(chǎn)力水平的106gC·m-2·a-1。由于樣帶水熱、基質(zhì)的空間分異垂直地帶性的差異,植被碳吸收及其NPP的空間分布隨空間梯度變化(表2)。山地景觀類型有高山冰雪、高山墊狀苔蘚地衣、高山草甸、山地森林、山地草原和荒漠草原等,面積31821km2,占整個(gè)研究樣帶面積的33.98%;其次為山前沖洪積扇天然和沖積平原人工綠洲、濕地水域等,面積14643km2,占整個(gè)研究樣帶面積的15.64%;荒漠景觀主要包括沙漠沙丘、山前荒漠、戈壁、低地鹽堿灘和低洼地鹽漠等,面積為47172km2,占整個(gè)研究樣帶面積的50.378%。山地生態(tài)系統(tǒng)平均NPP為229.295gC·m-2·a-1,年碳吸收總量7.296TgC,占整個(gè)樣帶年碳吸收總量的48.38%。綠洲生態(tài)系統(tǒng)平均NPP為353.51gC·m-2·a-1,年碳吸收總量5.176TgC,占整個(gè)樣帶年碳吸收總的量34.323%?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)平均NPP為55.301gC·m-2·a-1,年碳吸總收量2.609TgC,占整個(gè)樣帶年碳吸收總量的17.297%。研究區(qū)各山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力因覆被類型和面積對比不同,從而對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能作用有明顯的差異。按生態(tài)系統(tǒng)類型,2002年整個(gè)研究區(qū)年NPP累計(jì),即年碳吸收量15.081TgC,其中綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)年碳吸收量高達(dá)4.927TgC,占總吸收量的32.67%,其次為山地草甸草原,年吸收碳量達(dá)4.246TgC,平原荒漠草原景觀面積最大,但年吸收碳僅為1.871TgC。山地景觀隨著海拔高度的不同垂直氣候的驟烈變化并出現(xiàn)隨溫度梯度變化的自然景觀帶譜,它們依次為高山帶的高山永久冰雪帶(3700m以上)、冰漬土帶(3800～3700m)、高山草甸帶(3500～3000m);中山帶的亞高山草甸帶(3000～2500m);山地荒漠草原(2500～1140m)等。天山雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)主要分布在天山山地海拔1600～2800m的北坡,闊葉林主要分布在針葉林帶下部的山坡和谷地,以樺樹為主。在針葉林和闊葉林交接地帶常形成針、闊混交林。高山草甸位于海拔3000m以上,其優(yōu)勢種主要是珠芽蓼(Polygonumviviparum)、線葉嵩草(Kobresiacapilliformis)等,群落平均年NPP為422.57±244.59gC/m2,最高可達(dá)1840gC/m2。亞高山草甸位于海拔2500～3000m之間,僅在天山北坡存在,群落平均年NPP可達(dá)343.59±223.44gC/m2。天山北坡荒漠大致位于海拔1100m以下,其優(yōu)勢種主要是小葉堿蓬(Suaedamicrophylla)、鹽生假木賊(Anabasissalsa)和伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)等,群落平均年NPP為156.42±119.56gC/m2。西部山地的中低山及山間谷地,植被種類較多,由羊茅(Festucaspp.)、針茅(Stipaspp.)、蒿屬(Artemisiaspp.)等優(yōu)勢種組成。在準(zhǔn)噶爾沿天山北麓的山前洪積-沖積傾斜平原上,主要為山前礫質(zhì)洪積扇戈壁或剝蝕低山,地面基巖裸露,常覆蓋礫石,平均年NPP只有79.6±143.87gC/m2。在準(zhǔn)噶爾盆地邊緣山間谷地與山前洪積扇上,以及河間地上,主要分布的是鹽生假木賊(Anabasissalsa)群系組成的半灌木鹽柴類荒漠。地帶性植被主要為鹽柴類半灌木琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、檉柳屬(Tamarixspp.)、木堿蓬(Suaedadendroides)、紅砂(Reaumuriasoongorica)和囊果堿蓬(Suaedaphysophora)等,群落平均年NPP可達(dá)87.58～192.44gC/m2。作為發(fā)育于西北干旱區(qū)隱域性生境下的特有景觀,分布于天山北麓山前沖洪積平原上的綠洲主要為由荒漠、河岸草甸、龜裂地或風(fēng)沙地等進(jìn)行墾殖獲得的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),平均年NPP可達(dá)375.27±127.8gC/m2。綠洲外圍區(qū)為灌叢荒漠、荒漠化或鹽漬化土地,長期毀林造田只留下少量殘留的稀疏胡楊林,NPP在72gC·m-2·a-1左右。樣帶北部為古爾班通古特固定、半固定沙漠。原始梭梭荒漠由于20世紀(jì)60年代至80年代的大量砍伐破壞,固定、半固定和流動(dòng)沙漠植被覆蓋率較低,年NPP平均值普遍在100gC·m-2·a-1以下。2.3月古爾班通古特沙漠植被月npp的季節(jié)動(dòng)態(tài)由于地處歐亞大陸腹地,天山山脈成為荒漠中的濕島,由常年冰雪融化灌溉的綠洲則鑲嵌于盆地平原荒漠戈壁之中。沿海拔垂直梯度各生態(tài)系統(tǒng)的生長節(jié)律都受到氣候水熱組合條件的制約,地表覆蓋與溫度和降水密切相關(guān)。樣帶山地、綠洲和荒漠生態(tài)系統(tǒng)月NPP季節(jié)變化過程及其節(jié)律具有明顯的季相變化特征(圖3;圖4a,b),同時(shí),主要受到地地表輻射、氣溫、降水和徑流分配的季節(jié)變化以及干旱農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響?？傮w上各覆蓋類型生長季從4月開始到10月停止,約在7月達(dá)到最高。其中,山地森林、山地草甸和綠洲農(nóng)田平均月累積NPP在7月分別可達(dá)到124.177gC/m2、110.321gC/m2和127.106gC/m2,平均月NPP明顯高于其它景觀類型。平原荒漠草原平均月累積NPP在7月26.861gC/m2。由于受海拔高度導(dǎo)致的溫度控制,山地生態(tài)系統(tǒng)各覆蓋類型NPP普遍在7月上旬達(dá)到最高值,而平原區(qū)普遍在8月上旬達(dá)到最高值。其中,天山雪嶺云杉群落及山地草甸8月NPP略小于6月。同時(shí)平原區(qū)水資源通過出山口水庫受人為管理和調(diào)控的影響,受農(nóng)業(yè)水利灌溉影響綠洲內(nèi)部或外圍分布的沼澤濕地和鹽堿地生長期短暫且明顯滯后,但仍然可高于受人類活動(dòng)影響較少的山地荒漠、戈壁等,平均月累積NPP在7月分別可達(dá)到57.182gC/m2和27.586gC/m2。與其他景觀類型季節(jié)單峰過程不同的是,4～9月古爾班通古特沙漠沙丘景觀地表植被月NPP呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象(圖4b),5月最高達(dá)3.773gC/m2,7月達(dá)4.081gC/m2,最高值略高于戈壁荒漠。由于分布于準(zhǔn)噶爾盆地山麓洪積扇、山麓淤積平原和古爾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)為建群種梭梭群落,外貌隨季節(jié)的更替呈現(xiàn)出明顯的周期變化。由于在3～6月間,早春短命植物在短暫的生長發(fā)育周期里,高效利用土壤養(yǎng)分、冬季冰雪融水和早春降雨,在干旱炎熱的夏季到來前迅速完成生活史并形成明顯層片,故5～6月NPP開始衰減。6～7月隨夏季自然降水和高山冰雪融水在沖積扇外緣溢散量增加,固定半固定沙丘建群種梭梭種群進(jìn)入生長旺期。短命草本植物與梭梭群落中不同構(gòu)型根系和生活史植被構(gòu)成荒漠生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)特有的功能群優(yōu)化組合,從而高效和節(jié)律性地利用和分配有限的地下水和降水。3模擬結(jié)果與分析(1)以中國西北干旱區(qū)天山北麓山地-綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)樣帶為例,使用2002年1km分辨率SPOT/VEGETATION衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和同期地面氣象資料,利用NPP-PEM模型估算了2002年1km分辨率精細(xì)化植被逐月NPP與全年的累積年NPP,估算出生態(tài)樣帶2002年年碳吸收量或年總NPP為15.081TgC,其中綠洲農(nóng)田、山地草甸草原、平原荒漠草原和森林的碳吸收貢獻(xiàn)率分別為32.67%、28.16%、12.41%和9.15%。區(qū)域年平均NPP為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),其次為綠洲農(nóng)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)結(jié)果檢驗(yàn)表明模擬效果較為合理,證明NPP-PEM模型在干旱生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用是可行的