兰州大学全国GPP、NPP与NEP数据技术服务

一．背景介绍

生态系统总初级生产力（GPP）总初级生产力.单位时间内生物通过光合作用途径所固定的光合产物量或有机碳总量,又称总第一性生产力或总生态系统生产力(GEP),是生态系统C循环的基础。

植被净初级生产力指数(NPP)反映的是植物固定和转化光能为化合物的效率，数值上与植物生长、发育、繁殖等自身生命活动相关，同时也为整个生态系统中其他生物成员的生命活动提供了不可或缺的物质基础。植被净初级生产力能够以统一的尺度标准来衡量区域土地利用/覆被变化过程对植被的影响程度,因此分析区域土地利用/覆被变化过程对植被净初级生产力NPP的影响是土地利用/覆被变化环境效应研究的重要组成部分。NPP作为地表碳循环的重要组成部分,不仅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,在全球变化及碳平衡中扮演着重要的作用。

生态系统净生产力(NEP)是指陆地生态系统碳的净吸收或净排放。计算方式为净初级生产力中再减去异养呼吸所消耗的光合产物。净生态系统生产力(NEP)直接定性定量地描述陆地生态系统碳源/碳汇的性质和能力。

地理国情监测云平台应兰州大学的要求，对全国2001年、2006年、2011年与2016年1000米GPP、NPP与NEP数据提供技术服务，以满足客户项目及科研工作的需要。

二．案例详情

本次技术服务的核心是：是采用光能利用率（GLOPEM）模型算法，通过多种卫星遥感数据（Landsat、MODIS等）反演得到的多种尺度栅格数据产品。本次技术服务主要流程如下：

1.数据获取与数据准备

本项目需要生产全国2001/2006/2011/2016的NPP年值数据，生成的NPP数据为本年度净初级生产力的累计值。拟采用的遥感数据源为MODIS传感器数据。

2、GPP（生态系统总初级生产力）数据生产流程

GLOPEM-CEVSA模型建立在碳循环过程及其生理生态学理论基础上。通过模拟光能利用率, 以卫星遥感反演的植被吸收光合有效辐射比例(FPAR)模拟植被吸收的光合有效辐射(APAR), 获得植被总初级生产力(GPP)。

根据GLO-PEM模型, 它建立在植被GPP与植被吸收光合有效辐射成正比假设基础上, 即:

                             ………..(1)

公式中PAR为光合有效辐射, FPAR为植被吸收光合有效辐射比率, PAR与FPAR的乘积即为植被吸收的光合有效辐射量(APAR), 是GPP概念上的植被光能利用率。本项目中, PAR根据气候学辐射计算方法估算。FPAR采用基于冠层辐射传输算法的卫星遥感反演数据。是根据气孔导度类比模型, 认为在理想条件下, 植被存在潜在的最大光能利用率(ε*g), 植被由于受到环境胁迫(σ)而不能达到最大光能利用水平,以公式表达如下:

                                          ………..(2)

       ………..(3)

在式中, f(VPD)、(PAR)、f(Ta)、f(CO2)及f(SW)分别代表水气压亏缺(VPD)、光合有效辐射强度(PAR)、气温(Ta)、大气CO2浓度(CO2)、及土壤水分(SW)对植被光能利用率的影响系数。       

生物量分配模拟 基于CEVSA模型静态版本, 假定植被通过光合作用固定的有机物质,按一定比例分配到根、茎和叶各器官中, 生物量分配比例系数除了参考CEVSA模型给定值外, 还参考了Biome-BGC等模型给定的值(表1)。自养呼吸模拟参考了BEPS模型和Biome-BGC模型, 将自养呼吸(Ra)分为维持性呼吸(Rm)和生长性呼吸(Rg), 并分别粗根、细根、茎和叶计算。

                                        ………..(4)

                                 ………..(5)

                                          ………..(6)

式中M_i为植被各器官生物量, 以含C量表示;r_m,i为植被各器官维持性呼吸系数; Q₁₀为维持性呼吸对温度的敏感性因子, 表示温度变化10℃时维持性呼吸速率的变化量, 本项目中根据BEPS模型, 叶、枝干、根维持性呼吸得Q10分别为2.1、1.5和1.9，T为气温; Tb为基温。

凋落模拟 植物通过光合作用固定的碳, 部分被积累下来, 部分通过凋落物进入土壤。凋落物的估计基于植被各器官生物量分配系数及各器官平均周转周期。凋落发生的季节根据Box(1988)的研究确定: 对于落叶林和季节性草地, 地上凋落发生在生长季末; 对于季节性常绿植被, 凋落发生在春季; 对于典型常绿植被, 凋落均匀地出现在全年。

          ………..(7)

其中, VGC为植被总碳库, LEFA、RTFA和BHFA分别为叶、根和茎生物量分配系数, LFTM、RTTM、BHTM分别为叶、根和茎的平均周转周期(表1)。

表1.模型默认的参数及取值

变量	描述	单位	缺省值	常绿针叶林	落叶针叶林	混交林	常绿阔叶林	落叶阔叶林	草地	灌丛	荒漠	农田
b19	叶维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0008	0.002	0.002	0.006	0.009	0.009	0.002	0.002	0.002	0.002
b20	枝维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0010	0.001	0.001	0.003	0.004	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
b21	粗根维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0015	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
b22	细根维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0030	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003
b29	叶生物量分配系数	-	0.3	0.01	0.02	0.01	0.01	0.01	0.2	0.6	0.2	0.2
b30	枝生物量分配系数	-	0.2	0.90	0.9	0.93	0.90	0.93	0.2	0.2	0.2	0.2
b31	根生物量分配系数	-	0.5	0.09	0.08	0.06	0.09	0.06	0.6	0.2	0.6	0.6
b32	叶周转时间	a	1	2	2	1	2	1	1	1	1	1
b33	枝周转时间	a	1	90	50	90	90	100	1	10	1	1
b34	根周转时间	a	1	45	30	50	50	50	1	5	1	1

3、NPP（净初级生产力）数据生产流程

GLOPEM-CEVSA模型输入数据主要包括来自气象台站观测经空间插值的气温、多年平均气温、相对湿度数据，利用土壤类型图和土壤剖面数据库等计算获取的土壤持水力，通过卫星遥感反演土壤湿度、FPAR及PAR。

（1）基于空间插值的气象数据

气象数据(温度、多年平均气温和相对湿度)是利用2000～2012/13年全国约752个气象站点数据, 计算每8 d平均值后进行空间内插而得, 空间分辨率为1 km, 时间分辨率为8 d。所使用的插值方法是由Arcmap开发的样条插值方法。在内插过程中主要考虑了经纬度和海拔高度对各气候要素的影响, 并利用分辨率为1 km网格的数字高程数据按线性关系对样条函数得到的表面进行拟合, 得到最后的内插结果。多项研究认为这种方法对温度和湿度的插值效果明显优于其他方法。

（2）土壤持水力数据获取

本项目中采用的土壤类型图和土壤剖面数据库,通过不同土壤质地标准转换,识别区域土壤质地类型。在此基础上,应用土壤转换函数法和土壤质地信息进行1 m深度内土壤田间持水量的计算,再根据土壤质地信息和植被类型数据进行有效土壤厚度的估算。

（3）基于遥感反演的土壤湿度

基于遥感反演的土壤湿度是利用25 km分辨率的2000～2012/13年的美国NASA下载获得，根据NASA公布的最新校正方法和校正系数重新进行了辐射订正, 并采用手工几何校正的方式, 对该数据进行了精确的几何纠正，并与DEM、生态系统类型数据相结合计算，最终实现25km与1km的分辨率转换。

（4）基于遥感反演的FPAR

基于遥感反演的FPAR是利用1 km分辨率的2000～2012/13年多源卫星数据（MODIS、风云卫星系列）。该数据通过美国NASA下载获得，根据NASA公布的最新校正方法和校正系数重新进行了辐射订正, 并采用手工几何校正的方式, 对该数据进行了精确的几何纠正。

（5）基于遥感反演的PAR

太阳辐射是植物生长所需外部能量的唯一来源。其中能被绿色植被用来进行光合作用的那部分能量(波长范围在400–700nm之间)，即光合有效辐射(PAR)。它是形成生物量的基本能源，控制着陆地生物光合作用的速度，直接影响植物的生长、发育、产量与产品质量。PAR是GLO–PEM模型最重要的输入参数，本文采用CALPAR算法估算青藏高原光合有效辐射，算法表达式如下：

其中：Is为单波段光合有效辐射值（W*m-2*μm-1），可表示为下式：

其中：I0为单波段大气顶瞬时辐射（W*m-2*μm-1），Ib是单波段直射辐射，是经过大气后直接到达地面的太阳辐射；Id是单波段散射辐射，是经过大气衰减后偏离直射方向到达地面的太阳辐射，τb为直射辐射透过率，τb为散射射辐射透过率，cosi为地形、纬度以及地球赤纬的校正系数，采用下式计算：

其中h为太阳高度角对应的地方时时角，h = 15×（12-LST)，LST=GMT- longitude/15，GMT为格林威治时间。α为坡度、Ф为纬度、φ为坡向，δ为太阳赤纬，太阳赤纬的计算公式如下：

其中N为儒历日。直射辐射Ib考虑传播过程中瑞利散射、臭氧、气溶胶的吸收和散射等作用，公式为：

其中τr是瑞利散射透过率，τoz是臭氧透过率，τw是水汽透过率，τa气溶胶透过率。Mo是大气路径长度，Mp是气压归一化的大气路径长度。λ为波长（μm）。Koz是臭氧的吸收系数，l是臭氧垂直方向上的臭氧质量（cm）。Kw是水汽的吸收系数，w是大气含水量（cm）。β是气溶胶的浑浊度参数，与波长无关，表示整层大气气溶胶的数量。α的数值与大气气溶胶粒子平均半径有关，平均半径越小，气溶胶的散射性质趋近分子散射。

散射辐射考虑了瑞利散射Ir，气溶胶散射Ia，公式为：

其中wo为单次散射反照率，F为前向散射，θ是太阳高度角。

本项目的NPP（净初级生产力）年值数据生产步骤包括以下几步：

1）选择光合有效辐射吸收比例数据、光合有效辐射数据、地表温度数据、陆表水分指数数据和陆表水分指数最大值统计数据；

2）由地表温度数据，根据模型运算生成呼吸消耗率和温度对光合作用影像系数数据；由陆表水分指数和陆表水分指数数据最大值生成水分、叶片物候期对光合作用影像系数数据；

3）由温度、水分和叶片物候期对光合作用影像系数生成得到植被将所吸收的光合有效辐射转化为有机物的转化率；

4）由光合有效辐射吸收比例数据，光合有效辐射数据及有机物转化率数据生成得到总初级生产力数据；

5）由总初级生产力数据结合呼吸消耗率数据，计算得到净初级生产力数据。

4.NEP（生态系统净生产力）

GLOPEM-CEVSA模型建立在碳循环过程及其生理生态学理论基础上。通过模拟光能利用率,植被通过自养呼吸释放一部分光合作用固定的碳到大气中, 其余的碳按分配模式分配到根、茎和叶中储存或凋落, 凋落物进入土壤后, 与土壤中原有的有机质在微生物等的作用下进行异养呼吸(Rh), 将生态系统固定的一部分碳释放到大气中,最后固定在植被中的这部分碳即为净生态系统生产力。因此, 模型包括如下主要模块: GPP模块、生物量分配模块、自养呼吸模块、凋落物模块、异养呼吸模块及土壤水分模块(图1)。

净初级生产力(NPP)与异养呼吸(R_h)之差即为净生产力(NEP)。其中为呼吸系数，为碳库分解速率，为碳库量。

                      ………..(1)

                                          ………..(2)

                        

公式中PAR为光合有效辐射, FPAR为植被吸收光合有效辐射比率, PAR与FPAR的乘积即为植被吸收的光合有效辐射量(APAR), 是GPP概念上的植被光能利用率。本项目中, PAR根据气候学辐射计算方法估算。FPAR采用基于冠层辐射传输算法的卫星遥感反演数据。是根据气孔导度类比模型, 认为在理想条件下, 植被存在潜在的最大光能利用率(ε*g), 植被由于受到环境胁迫(σ)而不能达到最大光能利用水平,以公式表达如下:

                                               ………..(3)

            ………..(4)

在式中, f(VPD)、(PAR)、f(Ta)、f(CO2)及f(SW)分别代表水气压亏缺(VPD)、光合有效辐射强度(PAR)、气温(Ta)、大气CO2浓度(CO2)、及土壤水分(SW)对植被光能利用率的影响系数。       

生物量分配模拟 基于CEVSA模型静态版本, 假定植被通过光合作用固定的有机物质,按一定比例分配到根、茎和叶各器官中, 生物量分配比例系数除了参考CEVSA模型给定值外, 还参考了Biome-BGC等模型给定的值(表1)。自养呼吸模拟 参考了BEPS模型和Biome-BGC模型, 将自养呼吸(Ra)分为维持性呼吸(Rm)和生长性呼吸(Rg), 并分别粗根、细根、茎和叶计算。

                                          ………..(5)

                                   ………..(6)

                                            ………..(7)

式中Mi为植被各器官生物量, 以含C量表示;rm,i为植被各器官维持性呼吸系数; Q10为维持性呼吸对温度的敏感性因子, 表示温度变化10℃时维持性呼吸速率的变化量, 本项目中根据BEPS模型, 叶、枝干、根维持性呼吸得Q10分别为2.1、1.5和1.9，T为气温; Tb为基温。

凋落模拟 植物通过光合作用固定的碳, 部分被积累下来, 部分通过凋落物进入土壤。凋落物的估计基于植被各器官生物量分配系数及各器官平均周转周期。凋落发生的季节根据Box(1988)的研究确定: 对于落叶林和季节性草地, 地上凋落发生在生长季末; 对于季节性常绿植被, 凋落发生在春季; 对于典型常绿植被, 凋落均匀地出现在全年。

          ………..(8)

其中, VGC为植被总碳库, LEFA、RTFA和BHFA分别为叶、根和茎生物量分配系数, LFTM、RTTM、BHTM分别为叶、根和茎的平均周转周期(表1)。

表1.模型默认的参数及取值

变量	描述	单位	缺省值	常绿针叶林	落叶针叶林	混交林	常绿阔叶林	落叶阔叶林	草地	灌丛	荒漠	农田
b19	叶维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0008	0.002	0.002	0.006	0.009	0.009	0.002	0.002	0.002	0.002
b20	枝维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0010	0.001	0.001	0.003	0.004	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
b21	粗根维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0015	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001	0.001
b22	细根维持性呼吸系数	KgC-1d-1kg-1	0.0030	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003	0.003
b29	叶生物量分配系数	-	0.3	0.01	0.02	0.01	0.01	0.01	0.2	0.6	0.2	0.2
b30	枝生物量分配系数	-	0.2	0.90	0.9	0.93	0.90	0.93	0.2	0.2	0.2	0.2
b31	根生物量分配系数	-	0.5	0.09	0.08	0.06	0.09	0.06	0.6	0.2	0.6	0.6
b32	叶周转时间	a	1	2	2	1	2	1	1	1	1	1
b33	枝周转时间	a	1	90	50	90	90	100	1	10	1	1
b34	根周转时间	a	1	45	30	50	50	50	1	5	1	1

4.技术服务成果展示

本次产品加工技术服务成果如图1-3所示：

 

图1.全国2016年GPP空间分布图

 

图2.全国2016年NPP空间分布图

 

图3.全国2016年NEP空间分布图