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Optimization and evaluation of key photosynthesis parameters in forest ecosystems based on FLUXNET data and VPM model.

基于FLUXNET观测数据与VPM模型的森林生态系统光合作用关键参数优化及验证


生态系统总初级生产力(GPP)是全球生态系统碳循环研究的重要组成部分.植被最大光能利用率(εmax)是陆地生态系统GPP模拟的关键参数.本文基于植被光合模型(VPM)和全球通量网(FLUXNET)40个站点(179条站点年数据)的涡度相关通量观测数据,采用单因素轮换法对VPM模型进行参数敏感性分析,并利用交叉验证法对全球森林生态系统的光合作用关键参数进行优化和验证.结果表明:森林生态系统GPP模型受εmax、光合最高温度(Tmax)以及光合最适温度(Topt)的影响最大;优化后的εmax在不同植被类型之间存在明显差异,介于0.05~0.08 μmol CO2·μmol-1 PAR,常绿阔叶林>常绿针叶林>混交林>落叶阔叶林;优化后的森林生态系统Tmax为38~48 ℃,Topt为18~22 ℃;利用分植被类型优化后的模型关键参数,VPM模型可较好地模拟全球主要森林生态系统GPP的季节和年际变化.

Gross primary productivity (GPP) plays an important role in global carbon cycle. Vegetation maximum light use efficiency (εmax) is the key parameter for GPP simulation of terrestrial ecosystem. Based on the vegetation photosynthesis model (VPM) and the eddy covariance flux data at 40 stations from FLUXNET (179 siteyears of data), we identified the key model parameters influencing the simulation of GPP with VPM through oneatatime (OAT) method. The cross validation method was employed to optimize the key model parameters and evaluate the model performance for global forest ecosystems. The results showed that the prediction of GPP was mostly affected by  εmax,  maximum temperature for photosynthesis (Tmax), and optimum temperature for photosynthesis (Topt). There were distinguishable differences for the key optimized parameters among different forest ecosystems. The optimized εmax  ranged from 0.05 to 0.08 μmol CO2·μmol-1 PAR (evergreen broadleaved forest>evergreen coniferous forest>mixed forest>deciduous broadleaved forest). The optimized Tmax  ranged from 38 to 48 ℃,while Topt ranged from 18 to 22 ℃. With the optimized key parameters based on ecosystem types, the VPM was able to simulate the seasonal and interannual variations of GPP in four forest ecosystems.


全 文 :基于 FLUXNET观测数据与 VPM模型的森林
生态系统光合作用关键参数优化及验证
贾文晓1,2  刘  敏1,2∗  佘倩楠1,2  尹  才1,3  朱希扬1,2  象伟宁1,2
( 1华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室, 上海 200241; 2华东师范大学生态与环境科学学院, 上海
200241; 3华东师范大学地理科学学院, 上海 200241)
摘  要  生态系统总初级生产力(GPP)是全球生态系统碳循环研究的重要组成部分.植被最
大光能利用率(εmax)是陆地生态系统 GPP 模拟的关键参数.本文基于植被光合模型(VPM)和
全球通量网(FLUXNET)40个站点(179 条站点年数据)的涡度相关通量观测数据,采用单因
素轮换法对 VPM模型进行参数敏感性分析,并利用交叉验证法对全球森林生态系统的光合
作用关键参数进行优化和验证.结果表明:森林生态系统 GPP 模型受 εmax、光合最高温度
(Tmax)以及光合最适温度(Topt)的影响最大;优化后的 εmax在不同植被类型之间存在明显差
异,介于 0.05~0.08 μmol CO2·μmol
-1PAR,常绿阔叶林>常绿针叶林>混交林>落叶阔叶林;
优化后的森林生态系统 Tmax为 38~48 ℃,Topt为 18~22 ℃;利用分植被类型优化后的模型关键
参数,VPM模型可较好地模拟全球主要森林生态系统 GPP 的季节和年际变化.
关键词  最大光能利用率; VPM模型; FLUXNET; 参数优化
Optimization and evaluation of key photosynthesis parameters in forest ecosystems based on
FLUXNET data and VPM model. JIA Wen⁃xiao1,2, LIU Min1,2∗, SHE Qian⁃nan1,2, YIN Cai1,3,
ZHU Xi⁃yang1,2, XIANG Wei⁃ning1,2 ( 1 Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes
and Eco⁃Restoration, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2School of Ecologi⁃
cal and Environmental Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 3School
of Geography Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China) .
Abstract: Gross primary productivity (GPP) plays an important role in global carbon cycle. Vege⁃
tation maximum light use efficiency (εmax) is the key parameter for GPP simulation of terrestrial
ecosystem. Based on the vegetation photosynthesis model (VPM) and the eddy covariance flux data
at 40 stations from FLUXNET (179 site⁃years of data), we identified the key model parameters in⁃
fluencing the simulation of GPP with VPM through one⁃at⁃a⁃time (OAT) method. The cross valida⁃
tion method was employed to optimize the key model parameters and evaluate the model perfor⁃
mance for global forest ecosystems. The results showed that the prediction of GPP was mostly affec⁃
ted by εmax, maximum temperature for photosynthesis (Tmax), and optimum temperature for photo⁃
synthesis (Topt). There were distinguishable differences for the key optimized parameters among dif⁃
ferent forest ecosystems. The optimized εmax ranged from 0.05 to 0.08 μmol CO2·μmol
-1PAR (ev⁃
ergreen broad⁃leaved forest>evergreen coniferous forest>mixed forest>deciduous broad⁃leaved for⁃
est) . The optimized Tmax ranged from 38 to 48 ℃,while Topt ranged from 18 to 22 ℃ . With the opti⁃
mized key parameters based on ecosystem types, the VPM was able to simulate the seasonal and
inter⁃annual variations of GPP in four forest ecosystems.
Key words: maximum light use efficiency; VPM; FLUXNET; parameter optimization.
本文由中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050600)、国家自然科学基金项目(41471076,41201092)和华东师范大学创新基金项目
(78210270)资助 This work was supported by Strategic Guide Projects in Science and Technology of Chinese Academy of Sciences (XDA05050600), the
National Natural Science Foundation of China (41471076, 41201092) and the Innovation Foundation of East China Normal University (78210270) .
2015⁃07⁃01 Received, 2016⁃01⁃15 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: mliu@ re.ecnu.edu.cn
应 用 生 态 学 报  2016年 4月  第 27卷  第 4期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1095-1102                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.010
    准确估计和预测陆地生态系统碳循环时空变化
是预测气候变化的基础,也是目前全球变化研究中
最为重要的前沿领域之一[1] .全球的森林生态系统
面积为 41×108 hm2,其净初级生产力分别占全球生
态系统和全球陆地生态系统净初级生产力的 35%
和 65%[2],在全球碳循环过程中扮演着重要角色[3] .
然而,由于森林生态系统总初级生产力(gross prima⁃
ry productivity, GPP)模拟所采用的方法和数据各不
相同,以往研究结果存在较大差异[4-7] .准确估计和
预测 GPP,寻找“丢失的碳汇”并深入理解森林生态
系统碳循环对全球变化的适应机制,是预测气候变
化的基础[8-9] .
目前,关于陆地生态系统生产力的估算模型分
为 3 类:统计模型、过程模型和光能利用率模型
(light use efficiency model, LUE).统计模型发展于
碳循环研究的初步阶段,是一种较为简单的生产力
与环境因子的回归模型,其生理生态机制模糊,估算
误差较大,如 Miami模型、Thornthwaite 模型等[10-11] .
过程模型较为复杂,所需参数较多且较难获得,区域
尺度转换困难,如 Biome⁃BGC 模型[12]等.LUE 模型
基于资源平衡理论,通过植被冠层对太阳辐射的有
效利用率来估算植被的生产力[13],如 CASA 模
型[14]、植被光合模型( vegetation photosynthesis mo⁃
del, VPM)等.其中,VPM模型较为简单且具有十分
可靠的模拟信度,其大多数模型参数可以通过遥感
信息反演获得,结合遥感的大尺度观测优势,适于从
生态系统到全球不同空间尺度 GPP 的模拟,尤其是
全球森林生态系统 GPP 的模拟[13] .然而,目前对于
LUE模型中光合作用关键参数,尤其是最大光能利
用率的取值存在较大争议[15] .Potter 等[14]采用最小
二乘法利用全球 17 个点的植被观测资料估算出
CASA 模型的光能利用率参数,并作为全球平均值
使用,如采用该数值模拟区域尺度的植被生产力将
会造成低估[16] .Yuan等[17]认为,光合作用关键参数
取值因不同的植被类型而有所不同.因此,光合作用
关键参数的优化,可减少全球碳收支评价的不确定
性[18] .全球范围内涡度相关通量观测网络的相继建
立,为基于地面资料的光合作用关键参数的优化和
验证积累了基础观测数据,为碳循环模拟的模型构
建及机理研究提供了有力支撑[19] .
本文从优化模型关键参数的角度出发,基于可
获取的全球通量数据,对 VPM模型中的关键参数进
行甄别,从而获取全球各森林生态系统的光能利用
率关键参数,并对参数优化后的模型模拟性能进行
评价,旨在构建 VPM模型中全球森林生态系统光合
作用关键参数的查找表,提高生产力模型的模拟性
能,以期加深对全球陆地生态系统 GPP 估算不确定
性的认识,为陆地生态系统碳循环的精确评估提供
基础.
1  方法与数据
1􀆰 1  VPM模型简介
VPM模型是以涡度通量观测资料为基础,以遥
感数据为驱动变量,模拟生态系统总初级生产力的
参数模型[13] .它与经验模型相比,融合了遥感观测
数据,与过程模型相比,简化了模型参数,具有广泛
的应用前景.自 2004 年提出以来,VPM 被广泛应用
在不同区域生态系统 GPP 估算过程中[13,20-21] .模型
采用 LUE 模型的一般形式,即 GPP 等于植被吸收
的光能利用率与光合有效辐射( absorbed photosyn⁃
thetic active radiation,APAR)的乘积.
GPP=εg× FAPARPAV× PAR (1)
εg =εmax× Tscalar×Wscalar×Pscalar (2)
Tscalar =
(T-Tmin)(T-Tmax)
(T-Tmin)(T-Tmax)-(T-Topt) 2
(3)
Wscalar =
1+LSWI
1+LSWImax
(4)
Pscalar =
1+LSWI

(5)
式中:εg为光能利用效率(μmol CO2·μmol
-1PAR),
表示为一个受气温(T)、水分(W)和叶物候(P)影
响的变量,其中,气温、水分和叶物候可分别参考
Xiao等[13]提出的函数关系式进行计算;FAPARPAV为
植被光合冠层吸收光合有效辐射的比率,可表示为
增强植被指数(enhanced vegetation index, EVI)的线
性方程;PAR为光合有效辐射(photosynthetically ac⁃
tive radiation);T 为气温(℃);Tmin为光合最低温度
(℃);Tmax为光合最高温度(℃);Topt为光合最适温
度(℃);LSWI 为陆地表面水分指数 ( land surface
water index);LSWImax为最大陆地表面水分指数.通
过获取 VPM模型中的各变量,可反演得到 VPM 模
型各关键参数.
1􀆰 2  数据来源及处理
FLUXNET是国际通量观测研究网络,为区域或
全球尺度的碳水循环模拟提供了强有力的数据基
础[19] .本文使用 FLUXNET 40个站点(179条站点年
数据)的森林生态系统涡度相关通量观测数据(ht⁃
tp: / / fluxnet.fluxdata.org / ) .其中,常绿针叶林生态系
6901 应  用  生  态  学  报                                      27卷
统( evergreen needle⁃leaf forest, ENF)有 92 条站点
年数据,落叶阔叶林 ( deciduous broad⁃leaf forest,
DBF)和常绿阔叶林生态系统( evergreen broad⁃leaf
forest, EBF)分别为 38和 28条站点年数据,而混交
林生态系统(mixed forest, MF)为 21 条站点年数据
(表 1).具体数据项包括全年 30 min 步长的 GPP、
PAR和气温数据.为了与 VPM 模型模拟步长匹配,
GPP 与 PAR采用 8 d的累加值,气温采用 8 d 的平
均值.
采用中分辨率成像光谱仪(moderate⁃resolution
imaging spectro radiometer, MODIS)的 500 m地表反
射率 8 d合成产品 MOD09A1,根据站点通量塔的经
纬度,提取相应的红光波段、近红外波段、蓝光波段
以及短波红外波段,计算 LSWI 和 EVI,以获取冠层
水分标量(Wscalar)和叶物候标量(Pscalar).
LSWI=(ρnir-ρswir) / (ρnir+ρswir) (6)
EVI=G×(ρnir-ρred) / [ρnir+L+(C1×ρred-C2×ρblue)](7)
式中:ρnir表示近红外波段反射率;ρswir表示短波红外
波段反射率;ρred表示红光波段反射率;ρblue表示蓝光
波段反射率;C1取值为 6;C2取值为 7.5;L 取值为 1;
G取值为 2.5.同时下载 MODIS 提供的 1 km 分辨率
的 GPP 产品,与 VPM模拟结果进行对比分析.
1􀆰 3  模型关键参数的甄别和优化
本文采取单因素轮换法( one⁃at⁃a⁃time, OAT)
确定 VPM模型各参数对 GPP 模拟的影响程度,从
而确定对模型模拟具有重要影响的关键参数[22] .
OAT 通过改变单一参数的取值而同时保持其他参
数值不变,观察这个参数引起的模拟值的变化,从而
确定模型对此参数的敏感性.根据 VPM 模型设置 4
个参数,分别为εmax、Tmin、Topt、Tmax,参考以往研究结
表 1  FLUXNET站点年通量塔观测资料
Table 1  Observed data of FLUXNET eddy covariance flux
森林类型
Forest type
站点代码
Site ID
落叶阔叶林
Deciduous broad⁃leaf
forest
IT⁃Ro1、 IT⁃Ro2、 US⁃Bar、 US⁃Ha1、
US⁃MMS、US⁃UMB、US⁃WCr
常绿针叶林
Evergreen needle⁃leaf
forest
CA⁃NS1、 CA⁃NS2、 CA⁃NS3、 CA⁃
NS4、CA⁃NS5、CA⁃Qcu、CA⁃Qfo、CA⁃
SF1、 CA⁃SF2、 DE⁃Tha、 FI⁃Hyy、 IL⁃
Yat、 NL⁃Loo、 SE⁃Fla、 SE⁃Nor、 SE⁃
Sk2、US⁃Blo、 US⁃Ho1、 US⁃Ho2、 US⁃
Me4、CA⁃Man
常绿阔叶林
Evergreen broad⁃leaf
forest
AU⁃Tum、AU⁃Wac、FR⁃Pue、IT⁃Lec、
PT⁃Esp、PT⁃Mi1、VU⁃Coc
混交林
Mixed forest
US⁃PFa、 US⁃Syv、 BE⁃Bra、 BE⁃Jal、
BE⁃Vie
表 2  VPM参数敏感性分析初始值设定
Table 2  VPM model parameters’ initial value setting for
sensitivity analysis
森林类型
Forest type
最大光能
利用率
εmax
(μmol CO2·
μmol-1 PAR)
光合最
低温度
Tmin
(℃)
光合最
适温度
Topt
(℃)
光合最
高温度
Tmax
(℃)
参考文献
Reference
落叶阔叶林
Deciduous broad⁃leaf
forest
0.044 -1 20 40 [13]
常绿针叶林
Evergreen needle⁃leaf
forest
0.040 -1 20 40 [20]
常绿阔叶林
Evergreen broad⁃leaf
forest
0.045 2 28 48 [21]
混交林
Mixed forest
0.040 -1 20 35 [23]
果设置参数初始值(表 2).通过计算VPM模型各参数
分别增加和减少 10%幅度时模拟值的变化百分率,从
而计算对应的敏感性.敏感性用敏感度系数表示:
β= VR
ΔP
(8)
式中:β为模型模拟值对参数 P 的敏感度系数;ΔP
为参数 P的变化率(%);VR为参数 P发生 ΔP 变化
率时模型模拟值的相应变化率(%).
    采用 k折交叉验证(k⁃fold cross⁃validation,本文
k= 10)进行参数优化.将每种森林生态系统类型所
有站点 8 d步长的 GPP、PAR、气温、EVI、LSWI 等有
效数据随机分为 10份,轮流将其中 9份作为训练数
据,剩余 1 份作为测试数据.基于最小二乘优化,使
用矩阵实验室(Matlab)优化工具箱中的 lsqcurvefit
函数对训练数据进行优化操作.而预留的测试数据
用来校验模型的误差,在所有回合结束后对模型误
差进行统一分析.交叉验证使模型模拟比较接近总
样本的分布,在最大程度利用样本的同时可防止过
拟合的问题.
2  结果与分析
2􀆰 1  VPM模型的参数敏感性
最大光能利用率是模型的直接线性变量,其变
幅与 GPP 模拟结果的变幅一致,敏感度系数为 1.
VPM模型对于 Topt、Tmax和 Tmin的敏感性由大到小
为:Topt>Tmax >Tmin .Topt敏感度系数的范围为 0.42 ~
1􀆰 58,对于 GPP 估算结果影响最大,表明 Topt对于森
林植被的光合作用起着最重要和直接的作用.Tmax敏
感度系数为 0.13 ~ 0.67,对于 GPP 估算结果影响较
大 .Tmin对于GPP估算结果影响最小( <0.36,图1) .
79014期        贾文晓等: 基于 FLUXNET观测数据与 VPM模型的森林生态系统光合作用关键参数优化及验证 
图 1  VPM模型参数对 GPP 模拟结果的影响
Fig.1  Influence of VPM model parameters on GPP simulation results.
ΔP: 参数的变化率 Variability of parameters; β: 参数敏感度 Sensibility of parameters. Topt: 光合最适温度 Optimum photosynthesis temperature;
Tmax: 光合最高温度 Maximum photosynthesis temperature; Tmin: 光合最低温度 Minimum photosynthesis temperature. DBF: 落叶阔叶林 Deciduous
broad⁃leaf forest; ENF: 常绿针叶林 Evergreen needle⁃leaf forest; EBF: 常绿阔叶林 Evergreen broad⁃leaf forest; MF: 混交林 Mixed forest; εmax: 最
大光能利用率 Maximum light use efficiency. 下同 The same below.
Tmax和 Tmin反映了植物对极端生境的适应,体现了低
温和高温时内在的生化作用对光合的限制[16] .森林
植被对于 Tmin的敏感性远低于 Tmax,表明森林植被
对低温的耐受性高于对高温的耐受性.另外,在 4 种
不同类型的森林生态系统中,温度参数的敏感性排
序相同,但其大小仍有所差别,除与采用的参数初值
有一定关系外,还可能是由于不同类型生态系统对
于温度的适应性各不相同.值得注意的是,对于 ENF
和 MF,Topt的敏感度系数随参数变化率从-10%到
10%增大而逐渐减小,表明与偏大的光合最适温度
参数相比,偏小的光合最适温度参数将给 GPP 估算
带来更大的不确定性.这可能是由于 ENF 和 MF 生
态系统全年低于光合最适温度的天数多于高温的天
数,导致生态系统的生产力合成对于光合最适温度
偏小时不确定性更大.
2􀆰 2  VPM模型关键参数的优化及确定
由于光合作用关键参数之间具有不同程度的相
关性,选取敏感性系数较大的 3 个参数(εmax、Tmax、
Topt)对 VPM 模型进行优化,设置 Tmin为 2Topt -Tmax .
在交叉验证的基础上,对每种植被类型内所有有效
8 d步长数据进行反演,建立不同类型森林生态系
统的 VPM模型关键参数查找表(表 3).结果表明,
各类型生态系统 εmax为 0. 05 ~ 0. 08 μmol CO2 ·
μmol-1PAR,Tmax为 38~48 ℃,Topt为 18~22 ℃ .另外,
由于参数优化所用的数据不能代表全球所有不同地
域的总体情况,参数存在着一定的不确定性.
优化后的 εmax在不同类型的森林生态系统间差
异显著.其中,EBF 的 εmax最大 (0. 08 μmol CO2 ·
μmol-1 PAR),可能与其常绿而宽阔的叶片以及与
太阳光线垂直的叶片排列方向有关;其次为 ENF
(0􀆰 07 μmol CO2·μmol
-1 PAR),该类生态系统叶片
虽然纤细,但叶片间重合度较低,叶片终年常绿,能
较大利用光合有效辐射;MF和 DBF的 εmax较低(均
为 0.05 μmol CO2·μmol
-1PAR),MF的垂直结构较
为复杂,重叠度较高,叶片重合率较大,因此 εmax较
小,DBF 以落叶乔木为主,冬季落叶,光能利用率
低,导致基于全年 GPP 数据反演的 εmax最低.与已有
研究相比,本研究模拟得到的 εmax介于 Potter 等[14]
利用 CASA 模型估算的全球平均 εmax (0. 02 μmol
CO2·μmol
-1 PAR)和 Yuan 等[17]基于 VPM 模型计
算的 εmax(0. 09 μmol CO2·μmol
-1 PAR)之间(表
3).与 Running 等[12]利用 Biome⁃BGC 模型计算得到
的 εmax(0. 04 ~ 0. 06 μmol CO2·μmol
-1 PAR),Zhu
等[24]和张强等[25]分别利用 NPP 遥感估算模型和
CASA模型得到的中国范围内 εmax(0.02 ~ 0.04 μmol
CO2·μmol
-1 PAR和 0.03 ~ 0.60 μmol CO2·μmol
-1
PAR)相比,本研究结果略高,这与研究所用模型和
区域各不相同有关.本研究结果较为接近于 MODIS
所用的 εmax(0.06~0.08 μmol CO2·μmol
-1 PAR).
温度参数的优化结果表明,Tmax为 38 ~ 48 ℃,
EBF和 DBF的 Tmax最高(分别为 48 和 41 ℃),ENF
次之(39 ℃),MF 最低(38 ℃);Topt为 18 ~ 22 ℃,
EBF的 Topt最高(22 ℃),DBF 次之(20 ℃),ENF 和
MF最低(18 ℃).不同类型森林生态系统的温度参
数存在着明显差异,可能与森林生态系统所处的气
候条件及物种对环境的适应能力有关.当温度长时
间处于偏离最适温度环境时 ,植物光合作用会
8901 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 3  本研究估计的光合作用参数与其他研究结果的对比
Table 3  Comparison of photosynthesis parameters between this research and others
参数
Parameter
森林类型 Forest type
落叶阔叶林
Deciduous broad⁃
leaf forest
常绿针叶林
Evergreen needle⁃
leaf forest
常绿阔叶林
Evergreen broad⁃
leaf forest
混交林
Mixed
forest
来源
Source
最大光能利用率 0.08±0.01 0.06±0.01 0.07±0.01 0.07±0.01 MODIS
εmax∗(μmol CO2·μmol-1PAR) 0.09±0.01 0.10±0.01 0.09±0.01 0.09±0.01 [17]
0.05 0.04 0.06 - [12]
0.03 0.02 0.04 0.02 [24]
- 0.05 0.03 0.04~0.06 [25]
0.04 0.04 0.05 - [13, 20-21]
- - - 0.04 [23]
0.02 0.02 0.02 0.02 [14]
0.05 0.07 0.08 0.05 本研究 This study
光合最适温度 21 21 21 21 [17]
Topt (℃) 20 20 28 - [13, 20-21]
- - - 20 [23]
20 18 22 18 本研究 This study
光合最高温度 40 40 40 40 [17]
Tmax (℃) 40 40 48 - [13, 20-21]
- - - 35 [23]
41 39 48 38 本研究 This study
∗εmax单位转换:1 μmol CO2·μmol-1PAR= 24.60~26.04 g C·MJ-1(MJ与 mol PPFD之间的转换系数为 2.05 ~ 2.17[20] )The unit conversion of
εmax: 1 μmol CO2·μmol-1 PAR= 24.60-26.04 g C·MJ-1(The conversion coefficient between MJ and mol PPFD was 2.05-2.17[20] ) .
对环境温度的变化产生适应,使最适温度和最高温
度发生变化[26] .处于高温度环境下的 EBF 和 DBF,
其 Tmax和 Topt偏高,处于低环境温度的 ENF 和 MF,
其温度参数较低.温度参数一定程度上是森林植被
与气候相适应的表征.优化后的温度参数与已有研
究较为接近[13,17,20-21,23],部分生态系统(如 EBF)的
Topt略低于已有研究.然而以往研究多基于单个站点
的研究,本研究参数优化的范围为全球区域,不同尺
度的模型模拟存在一定差别.
2􀆰 3  参数优化后模型模拟性能
采用参数优化后的 VPM 模型对生态系统总初
级生产力进行模拟,并对不同类型森林生态系统
GPP 进行模拟结果的验证.分别在 4 个不同类型森
林生态系统中各选取一个站点进行模拟(图 2),结
果表明,优化后的 VPM模型均能较好模拟各类型森
林生态系统 GPP 的季节和年际变化.VPM模型在森
林生态系统有很好的适用性,然而,模拟值与观测值
之间仍然存在一定差异.为更直观地比较模型的模
拟性能,将相关系数、观测值标准差、模拟值标准差、
中心均方根误差 4 个统计量直观地绘制在泰勒
图[27]中,并与 MODIS GPP 产品作比较,以评价模型
模拟值与观测数据的匹配程度.图 3中“Obs”点表示
观测数据与自身的统计量,如果模拟值数组的点与
该点的直线距离越近,说明模型模拟值与观测数据
越接近.可以看出,对于 MF,VPM 模型模拟值与观
测值的均方根误差为 13.22 g C·m-2·(8 d) -1,相
关系数为 0.94,模拟效果最好,而 MODIS GPP 与观测
值的均方根误差为 28.09 g C·m-2·(8 d) -1,相关系
数为 0.67,利用分植被类型优化的光合作用关键参
数,VPM 模型模拟优于 MODIS GPP 产品;DBF 和
EBF的 VPM模型模拟值也优于MODIS GPP 产品;对
于 ENF,参数优化后的 VPM 模型模拟值与 MODIS
GPP 产品模拟性能较为接近,RMSE分别为 23􀆰 72和
23.24 g C·m-2·(8 d) -1,相关系数均为 0.70.
    总体来看,利用优化后的光合作用关键参数的
VPM模型,其 GPP 模拟值与观测值的相关系数为
0.69~0.94,表明参数优化后的 VPM 模型可以较好
地模拟全球尺度各类型森林生态系统 GPP.相比于
以往研究中单一站点的参数优化[14],本研究中参数
优化依据植被类型进行,拟合效果较优,可推广性较
好,且更适用于大尺度的研究区域.然而,由于数据
的局限性(优化所用数据较少且分散于全球不同的
气候带),参数优化过程可能受到局部区域光热条
件的影响.
99014期        贾文晓等: 基于 FLUXNET观测数据与 VPM模型的森林生态系统光合作用关键参数优化及验证 
图 2  4个典型代表森林生态系统站点 GPP 模拟值(Ⅰ)与观测值(Ⅱ)对比
Fig.2  Performance of four typical forest ecosystem sites’ modeled GPP compared with observed value.
a)‘US⁃WCr’⁃DBF; b)‘FI⁃Hyy’⁃ENF; c)‘AU⁃Tum’⁃EBF; d)‘US⁃Syv’⁃MF.
3  结    论
本文结合 FLUXNET森林生态系统涡度相关通
量数据和 VPM光能利用率模型,开展了全球主要森
林生态系统光合作用关键参数的甄别和优化,探讨
了利用优化后光合作用关键参数开展森林生态系统
GPP 模拟的有效性和可行性,进而为大尺度森林生
态系统 GPP 模拟结果的准确估算提供参考.主要结
论如下:1)通过参数敏感性分析方法———单因素轮
换法确定了 VPM模型中对模型预测具有重要影响
的光合作用参数.结果表明,光合最适温度(Topt)、最
大光能利用率(εmax)和光合最高温度(Tmax)是影响
森林生态系统 GPP 模拟的 3 个最为关键因子.在 4
种不同类型的森林生态系统中,温度参数的敏感性
排序相同,但其大小有所差别.2)在敏感性分析基础
上,结合文献资料,确定模型关键参数的取值范围.
通过最小二乘参数优化方法,利用涡度相关通量观
测数据对模型关键参数进行优化,获取不同森林生
态系统光合作用关键参数集. 优化后的 Topt 为
18~22 ℃,Tmax 为 38 ~ 48 ℃, εmax 为 0. 05 ~ 0. 08
μmol CO2·μmol
-1 PAR(常绿阔叶林>常绿针叶林>
混交林>落叶阔叶林).由于参数优化所用的数据不
能代表全球所有不同地域的总体情况,参数存在着
一定的不确定性.3)利用优化后的光合作用关键参
数对不同森林生态系统 GPP 进行模拟,结果显示模
型值较接近于实测值(R = 0.69 ~ 0.94),表明分植被
类型优化后的光合作用关键参数可较好地应用于全
球尺度森林生态系统 GPP 的模拟.
0011 应  用  生  态  学  报                                      27卷
图 3  模拟效果泰勒图
Fig.3  Model performance showed in Taylor figure.
Obs: 涡度相关通量观测数据 FLUXNET GPP observed data; Mod: 参数优化后 VPM模型模拟数据 Modeled data of VPM after parameter optimiza⁃
tion. MODIS: MOD17A2 GPP. R: 相关系数 Correlation coefficient.
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作者简介  贾文晓,女,1991 年生,硕士研究生.主要从事全
球变化生态学研究. E⁃mail: wenxiaojia75@ 163.com
责任编辑  杨  弘
贾文晓, 刘敏, 佘倩楠, 等. 基于 FLUXNET观测数据与 VPM模型的森林生态系统光合作用关键参数优化及验证. 应用生态
学报, 2016, 27(4): 1095-1102
Jia W⁃X, Liu M, She Q⁃N, et al. Optimization and evaluation of key photosynthesis parameters in forest ecosystems based on FLUX⁃
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2011 应  用  生  态  学  报                                      27卷