基于CASA 模型的内蒙古典型草原植被净初级生产力动态模拟

植物生态学报2008,32(4)786~797JournalofPlantEcology(ChineseVersion)——————————————————收稿日期:2007-09-03接受日期:2008-02-18基金项目:国家自然科学基金(40601014)、中国科学院知识创新工程交叉型重要方向项目(KSCX2-SW-133)和国家杰出青年科学基金(40625015)感谢中国科学院植物研究所袁文平博士在本项研究气象数据的准备中所给予的帮助*通讯作者AuthorforcorrespondenceE-mail:[e-mail]基于CASA模型的内蒙古典型草原植被净初级生产力动态模拟张峰周广胜*王玉辉(中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京100093)摘要植被净初级生产力及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。在利用内蒙古典型草原连续13年的地上生物量资料对基于遥感信息的生态系统碳循环过程CASA(Carnegie-Ames-StanfordApproach)模型验证的基础上,分析了内蒙古典型草原1982~2002年植被净初级生产力(Netprimaryproductivity,NPP)的时间变异及其影响因子。结果表明:1)1982~2002年21年间内蒙古典型草原的平均年NPP为290.23gC·m–2·a–1,变化范围为145.80~502.84gC·m–2·a–1;2)内蒙古典型草原NPP呈增加趋势,但没有达到显著性水平,其中1982~1999年的18年间NPP呈现非常显著的增加趋势(p0.01),NPP增加的直接原因是由于生长旺季生长本身增强所致;3)内蒙古典型草原NPP与年降水量呈极显著的相关关系,年降水量显著影响NPP的变异,而NPP与年均温无显著相关关系。关键词CASA模型植被净初级生产力内蒙古典型草原DYNAMICSSIMULATIONOFNETPRIMARYPRODUCTIVITYBYASATEL-LITEDATA-DRIVENCASAMODELININNERMONGOLIANTYPICALSTEPPE,CHINAZHANGFeng,ZHOUGuang-Sheng*,andWANGYu-HuiStateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,ChinaAbstractAimsVegetationnetprimaryproductivity(NPP)anditsresponsestoglobalchangehavebeenfocusesofglobalchangeresearch.Accuratelyestimatingthespatialpatternsandtemporaldynam-icsofnetprimaryproductivity(NPP)ofterrestrialecosystemsisofgreatinteresttohumansocietyandisnecessaryforunderstandingthecarboncycleoftheterrestrialbiosphere.Butonlyafewevidencesinvariousbiomesareavailableontheperformanceofglobalmodelsofterrestrialnetprimaryproductivity(NPP)atecosystemlevel.MethodsVegetationnetprimaryproductivity(NPP)derivedfromacarbonmodel(Carnegie-Ames-StanfordApproach,CASA)anditsinter-annualchangeatecosystemlevelinInnerMongoliantypicalsteppe,China,areinvestigatedinthisstudyusing1982~2002timeseriesdatasetsofnormalizeddiffer-encevegetationindex(NDVI)at8kmspatialresolutionandpairedground-basedinformationonvege-tation,climate,soil,andsolarradiation,afterCASAmodelisvalidatedbytheabovegroundbiomassof13years’continuousobservation.ImportantFindingsResultsshowthat21-yearaveragedannualNPPis290.23gC·m–2·a–1,rangingbetween145.80gC·m–2·a–1and502.84gC·m–2·a–1.From1982to2002,annualNPPshowsaslightlyincreasingtrend,whilefrom1982to1999asignificantincrease(p0.01)isobserved,andtheincreasedNPPismainlyduetotheincreasesoftheamplitudeoftheNPPannualcycle.AnnualprecipitationsignificantlyaffectsthevariationofNPP,andthereisnosignificantpositivecorrelationbetweenNPPandannualmeantemperature.KeywordsCASAmodel,netprimaryproductivity,InnerMongoliantypicalsteppe张峰等:基于CASA模型的内蒙古典型草原植被4期净初级生产力动态模拟DOI:10.3773/j.issn.1005-264x.2008.04.007787DOI:10.3773/j.issn.1005-264x.2008.04.007植被净初级生产力(Netprimaryproductivity,NPP)是绿色植物在单位时间、单位面积由光合作用所产生的有机物质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分,它作为地表碳循环的重要组成部分,不仅直接反映植物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,也是判定生态系统的碳源/汇和调节生态过程的主要因子,因而在全球变化以及碳循环中扮演着重要的角色(Ruimy&Saugier,1994;Fieldetal.,1998)。正因为如此,在过去的30年中,植被净初级生产力及其对气候变化的响应研究一直是全球变化与陆地生态系统的核心内容之一(IGBP,1998;Fieldetal.,1998;Fangetal.,2003;Piaoetal.,2005)。在区域和全球尺度上,人们无法直接全面地进行NPP的测量,利用模型模拟进行间接估测就成为一种重要而被广泛接受的研究方法(Crameretal.,1999)。在众多的模型中,鉴于坚实的理论基础和广泛的应用性,基于遥感数据的光能利用率模型是非常有效,而且也是最有潜力的研究手段(Runningetal.,2000)。近年来,已经建立了大量的遥感模型,如GLO-PEM(Prince&Goward,1995)、GLO-PEM2(Goetzetal.,1999,2000)、SDBM(Knorr&Heimann,1995)、TURC(Ruimyetal.,1996)、SIB2(Sellersetal.,1996a,1996b)、3-PG(Landsberg&Waring,1997)、C-Fix(Veroustraeteetal.,2002)、VPM(Xiaoetal.,2004a,2004b,2005)、LULUE(Brogaardetal.,2005)和EC-LUE(Yuanetal.,2007)等,其中基于光能利用率原理的CASA(Carnegie-Ames-StanfordApproach)(Potteretal.,1993;Fieldetal.,1995)模型已被广泛用于区域陆地净初级生产力(Hickeetal.,2002a,2002b;朴世龙等,2001;Fangetal.,2003;Piaoetal.,2005,2006a)、全球碳循环(Potteretal.,1993;Fieldetal.,1995)和农作物产量(Lobelletal.,2002;Taoetal.,2005)的评估。这些研究充分说明,基于遥感信息的生态过程模型可以在全球和区域尺度上很好地评估NPP或GPP(Grossprimarypro-ductivity)的动态变化及其时空变异性。然而,如何在全球和区域尺度上进行遥感过程模型的验证则是遥感模型应用的难点(Lobelletal.,2002;Brogaardetal.,2005)。通常,大尺度模型模拟结果是通过与森林清查数据、农作物产量、基于过程的碳循环模型或其它光能利用率碳循环模型结果比较而进行的(Goetzetal.,2000;Lobelletal.,2002;Hickeetal.,2002a,2002b;Fangetal.,2003;Brogaardetal.,2005;Taoetal.,2005),而往往缺乏各典型生态系统类型生态定位站长期、系统的野外观测数据来进行比较验证。考虑到环境、数据源及尺度转换上的差异,大尺度的精度验证本身存在着一定的不可比性,但在样方比较典型、数量较多和抽样时间也比较一致的情况下,大尺度模拟数据与观测数据之间还是存在一定的可比性。近些年来,一些学者使用通量观测数据在生态系统水平进行模型验证(Turneretal.,2005;Xiaoetal.,2004a,2004b,2005;Yuanetal.,2007),通量数据直接获取的是净生态系统碳交换(Netecosysternexchange,NEE),必须通过模型来估计生态系统的呼吸部分,二者之和为生态系统GPP。所以,在生态系统水平上适应于全球和洲际、国家层次的大尺度模型的模拟能力如何？其准确性究竟有多高？这些问题已成为国内外同行广为关注的焦点。CASA模型从其产生开始就是基于大尺度甚至全球的空间验证,CASA模型中许多参数均是从区域甚至全球给定的,而对于点,特别是点的时间动态验证不够,而这恰恰反映了CASA模型对于生态系统过程的模拟能力。因此,本研究拟应用CASA模型来模拟内蒙古典型草原生态系统生产力的动态变化,并利用该生态系统长时间序列的野外实测地上生物量数据进行模型验证,旨在验证CASA模型的动态模拟能力,以评价CASA模型在时间序列上反映NPP变异特征的准确性及阐释程度。草原生态系统的脆弱性及其对气候变化响应的敏感性使得该区域成为全球变化研究的典型区域之一。草原生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一,尤其是温带草原生态系统有着不同于其它生态系统独特的生物地球化学过程,对气候和环境变化十分敏感,这些决定了它在全球碳循环研究中的独特地位及重要性。植被净初级生产力是草原生态系统碳固定能力的重要表征,通过对草原生态系统生产力的模拟,定量地分析其时空变异特征,可为正确评价草原生态系统的生产能力提供科学依据。因此,草原生态系统的净初级生产力模拟及其对气候变化的响应研究788植物生态学报卷具有十分重要的理论与实践意义(王玉辉和周广胜,2004a,2004b;Piaoetal.,2006b,2007;Wangetal.,2007)。鉴于此,本研究以内蒙古典型草原为例,旨在:1)应用区域生态系统碳循环过程CASA模型对内蒙古典型草原植被净初级生产力进行遥感动态模拟研究;2)以14