全 文 ：第 32卷 第 5期 生 态 科 学 32(5): 604-608
2013年 9月 Ecological Science Sept. 2013
收稿日期：2012-08-12收稿，2012-12-05接受
基金项目：中国博士后科学基金资助项目(20100470994)；公益性行业（气象）科研专项(GYHY200906022)
作者简介：张喜旺（1979—），男，汉，博士，副教授，主要从事生态环境遥感和 GIS应用等研究。Email:zxiwang@163.com

张喜旺，于宁，秦奋，胡延科. 基于遥感的植被吸收光合有效辐射估算[J]. 生态科学, 2013, 32(5): 604-608.
ZHANG Xi-wang, YU Ning, QIN Fen, HU Yan-ke. Assessment of vegetation absorbed photosynthetic active radiation based on remote
sensing[J]. Ecological Science, 2013, 32(5): 604-608.

基于遥感的植被吸收光合有效辐射估算
张喜旺
1
，于宁
1
，秦奋
1
，胡延科
2

1. 河南大学环境与规划学院，开封 475004
2. 美国 IBM公司，旧金山 94105

【摘要】植被吸收光合有效辐射（APAR）是指植物实际所吸收的光合有效辐射，是评价植被光合潜力和潜在产量等研究的重要
参考指标。基于 CASA模型，利用土地利用图和MODIS NDVI数据，以及改进的日照百分比经验统计公式，研究 2010年河南
省 APAR状况，进一步分析河南省 APAR的时空分布特征，研究结果较好的反映了河南省 APAR分布。2010年河南省 APAR总
量为 8.70×1012MJ。从空间分布上来看，整体上南部和西部比东部和北部高，最大值出现在西部伏牛山地区，与植被的生长周
期密切相关，同时受地理纬度影响较大。年内差异较大，5月至 8月是植被光合作用效率最高的时间，占全年总量 49.58%。
关键字：太阳辐射；光合有效辐射；CASA模型；河南省
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2013.05.014 中图分类号：TP79 文献标识码：A 文章编号 1008-8873(2013)05-604-05
Assessment of vegetation absorbed photosynthetic active radiation based on
remote sensing
ZHANG Xi-wang1, YU Ning1, QIN Fen1，HU Yan-ke2
1. College of Environment & Planning of Henan University, Kaifeng 475004, China
2. IBM(International Business Machines Corporation), San Francisco, 94105, United States

Abstract: Absorbed photosynthetic active radiation (APAR) is the photosynthetically active radiation absorbed by the plant actually, and
is an important reference for evaluation of vegetation photosynthetic potential and the potential yield. In this paper, the APAR is
evaluated based on the CASA model, using the land use maps and MODIS NDVI data, referencing to the improved statistical formulas
of sunshine percentage, and its temporal and spatial distributions are analyzed in Henan Province. The results reflect better the situation
of APAR in Henan Province, indicating that the selected method is suitable for this study area. The total APAR was 8.70×1012 MJ in 2010.
For its spatial distribution, the south and west one is higher than the east and north one, and the maximum occurs in the western Funiu
Mountain region, which is closely related to the vegetation growth cycle, and influenced by the geographic latitude. The difference is
great during the year, and the highest one occurs during May and August, accounting for 49.58% of the total.
Key words: Solar radiation; Photosynthetically Active Radiation (PAR); CASA model; Henan Province
1 引言 (Introduction)

太阳辐射（Solar Radiation）是地球植物生长的
能量源泉，其分布和变化对气候的形成、变化起着至
关重要的作用[1]。光合有效辐射（Photosynthetically
Active Radiation，PAR）是太阳辐射能中可以被绿色
植物用来进行光合作用的能量，波长在 400~700 nm
之间[2]，与植物光合速率存在显著的相关关系，是植
物生长的基本能量，也是影响陆地和海洋初级生产力
的一个重要因子 [3-5]。植被吸收光合有效辐射
(Absorbed Photosynthetically Active Radiation, APAR)
是指植物实际所吸收的光合有效辐射，是评价植被光
合潜力和潜在产量等研究的重要参考指标[6-7]。由于
国内太阳辐射观测站覆盖较差，并且太阳有效辐射又
与地理纬度、大气透明度以及天文辐射强度等多个因
素相关，影响机制复杂，因此要对光合有效辐射进行
研究难度很大。目前对光合有效辐射的研究或利用日
照百分率间接研究[8-10]，或采用气候学方法推算[11-14]。
为在区域尺度进行光合有效辐射的估算，便于大范围
监 测 ， 本 文 基 于 CASA(Carnegie-Ames-Stanford
Approach)模型[15]，研究河南省 APAR，分析其时空分
布及变化规律，为河南省社会、经济、生态环境的可
持续发展提供基础资料。

2 研究区及数据(Study area and data)

2.1 研究区概况
河南省是全国小麦、玉米等粮食作物的主产区，
位于我国中东部，黄河中下游，东经 110°21′ ～
116°39′，北纬 31°23′～36°22′之间，16.7×104 km2。
中华文明最重要的发源地，既是人口大省，又是新兴
的经济和工业大省。属北亚地带与暖温带过渡型气
候，主要为暖温带-亚热带气候和湿润-半湿润季风气
候。年平均实际日照时数 2 000~2 600 h，无霜期
190~230 d，年降水量为 600~1 200 mm，光照充足，
雨量充沛，春夏秋冬四季分明。

2.2 研究数据
植被生长系统是一个开放的系统，受多种因素影
响。植被生长过程是一个极其复杂的生物物理过程，
可用相关的生物物理和生物化学因子进行表征。
NDVI 在利用遥感进行植被研究以及物候研究中得
到广泛应用，是植物生长状态以及植被空间分布密度
的最佳指示因子。植被吸收光合有效辐射的估算需要
时间频率高、范围大的中分辨率遥感影像。本文影像
数据采用 NASA共享（https://wist.echo.nasa.gov/api/）
的 2010 年 MODIS 植被指数 250m 16 天合成产品
（MOD13QI）。其优势是有非常高的观测频率，即使
在经常有云覆盖的时期也有机会获取无云的影像（单
景影像或合成产品），从而形成时间上的连续序列，
能够较好反映植被的时空变化特征 [16]。通过序列
NDVI 结合土地利用计算各类植被每月吸收的光合
有效辐射。植被分布图基于河南省 1:10 万土地利用
数据，并参考 1:50 万河南省植被图获取。天文参数
采用天体运行规律计算或结合其他文献获取。

3 研究方法(Method)

本文 APAR 的估算基于 CASA 模型，根据植被
对光合有效辐射的吸收比例进行。计算公式：
5.0),(),(),( ´´= txFPARtxSOLtxAPAR (1)
式(1)中，t表示时间；x表示空间位置；SOL(x,t)
是 t月份空间位置 x处的太阳总辐射量；FPAR(x,t)是
t月份空间位置 x处植被层对入射光合有效辐射的吸
收比例；常数 0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射
（波长为 0.38～0.71 μm）占太阳总辐射的比例。

3.1太阳总辐射量 SOL
太阳总辐射是直接辐射和散辐射之和，表示地面
得到的太阳辐射的数量。本文太阳辐射根据总辐射与其
他气候要素的关系间接求得的[17]。关系式可以表示为：
SbaSOLSOL A ×+=/ (2)
式(2)中：SOL 表示太阳总辐射；SOLA 表示潜
在太阳总辐射，即天文太阳辐射；S为日照百分率，
可由实际太阳辐射与可能太阳辐射相除求得；a、b
为与大气透明度相关的系数[18-19]。
3.1.1潜在太阳辐射总量 SOLA
潜在太阳辐射总量指到达地球大气上界的太阳
辐射总量。可以按下式计算[17][20]：
)coscossinsinsin()/1()/2( 00
2
0 djwdjwrw +××= ISOLA (3)
式中，SOLA 为天文辐射日总量，以每月第 15
天的日总量作为当月平均值；I0是太阳常数；ω为地
球自转角速度；ω0为日出时角；φ为地理纬度，δ为
赤纬；ρ为以日地平均距离为单位的日地距离。

5期 张喜旺，等. 基于遥感的植被吸收光合有效辐射估算 605

表 1 每月代表日赤纬角度及第 15日的 ρ值
Table 1 Monthly representative δ and ρ value of the 15th day
月份Month 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
ρ 0.984 0.988 0.995 1.003 1.010 1.016 1.016 1.013 1.005 0.997 0.989 0.984
δ -21.0963o -13.6198o -2.4177o 9.4194o 19.0306o 23.3144o 21.3537o 13.4550o 2.2169o -9.9663o -19.1478o -23.3717o

表 2日照百分率季节统计（%）
Table 2 Statistics of the percentage of sunshine in each season
年代 year 全年 Annual 春季 Spring 夏季 Summer 秋季 Autumn 冬季Winter
40年平均 40-year average 58.26 56.88 54.49 58.87 62.73

（1）日出时角(ω0)。可由日出至正午的时间 t
与地球自转角速度 ω的积求得，时间 t与空间位置 x
所处的地理纬度呈近似线性的关系，可以利用空间位
置 x所处的地理纬度计算。
（2）赤纬（δ）。指太阳入射角与地球赤道之间
的角度，由于地球自转轴与公转平面之间的角度基本
不变，因此太阳赤纬随季节不同而有周期性变化，其
周期等于地球的公转周期。在赤道坐标系中，赤纬是
从天赤道的赤经圈到太阳的角距离，太阳在天赤道以
北为正，以南为负，变化范围为：±23.44o，一年（平
年）12个月的代表日赤纬角度（见表 1）。
（3）日地距离（ρ）。一年中日地距离在不断的
变化，因此，严格来说 ρ是一个变量。在计算天文辐
射总量时，短时间的变化可以忽略不计，视为常量。
每月第 15天的 ρ值见表 1：
3.1.2日照百分率 S
日照百分率是实际日照时间与可能光照时间之
比[21]。一般以年为单位对某地区进行统计确定时按
季度或月进行，由于日地距离可以视为常量，同一地
区的日照百分率在较接近的年代一般不会有较大的
波动，因此可以根据近些年的日照时数求取平均值近
似获得。河南省在地理位置上和黄河流域中部紧挨着
处在同一经度上，两者的日照百分率可以近似看作相
同。由黄河流域上世纪后 40 年的统计值分析计算得
到日照百分率季节平均见表 2。

3.2 FPAR
植被对太阳有效辐射的吸收比例取决于植被类
型和植被覆盖状况。研究表明 NDVI能很好地反映植
物覆盖状况，CASA模型中的 FPAR由 NDVI和植被
类型来表示，并使最大值不大于 0.95 [22-23]，计算公
式为：
ê
ë
é
ú
û
ù
-
-
= 95.0,
minmax
min),(min),(
RSRS
RStxSRtxFPAR （4）
式（4）中：SRmin取值为 1.08；SRmax的大小与
植被类型有关，取值范围在 4.14～6.17之间；SR（x，
t）则由 NDVI确定。计算公式为：
),(1
),(1),(
txNDVI
txNDVItxRS
-
+
= （5）
4 结果(Results)

4.1 总体概况
根据上述方法，利用河南省植被分布图和 2010
年的全省单月 NDVI，计算各月 APAR值，以及 2010
年全年APAR总值，如图 1所示。通过对河南省APAR
进行分析可知，河南省全年植被吸收光合有效辐射为
8.70×1012 MJ，APAR平均水平为 60.71 MJ/m2。

4.2 APAR空间分布
由 APAR 总值空间分布图（图 1）可知，2010
年河南省植被 APAR区域变化较大，并且和植被类型
明显相关。整体上南部和西部要比东部和北部高；河
南省植被年 APAR 的最大值出现在西部，伏牛山地
区。由于该地区植被覆盖率较高，植被类型以林地为
主，光合作用较为强烈；年 APAR较低区域在河南省
中北部的黄河河道两侧，由于黄河河道多为裸露的地
表，植被稀疏，光合作用很弱；而年 APAR最低区域
出现在河流和大的水库附近，这些地区植被更加稀
疏，光合作用更弱。而对于同一种植被，低纬度的光
606 生 态 科 学 Ecological Science 32卷
合有效辐射要稍微高于高纬度的光合有效辐射。


图 1 河南省 APAR总值空间分布图（MJ/m2）
Fig.1 Spatial distribution of the gross APAR in Henan Province
(a)
(b)
图 2 （a）河南省土地利用图；（b）三类主要植被的 APAR变化曲线
Fig.2 (a)Land use and cover of Henan Province; (b)APAR seasonal
changes of three types of vegetation

4.3 APAR季节变化
河南省 APAR随季节变化，夏半年（4月~9月）
的植被吸收光合有效辐射总量为 4.83×1012 MJ，而
冬半年（10 月~12 月和 1 月~3 月）的植被吸收光合
有效辐射总量为 1.26×1012 MJ；夏半年约为冬半年
的将近四倍。基于河南省土地利用图，将植被分为四
类，即农田、林地和草地，如图 2（a），并统计各种
植被类型 APAR年内变化，如图 2（b）。农田 APAR
随季节变化呈现出明显的双峰型，这与河南省是农业
大省，一年两熟的耕作方式有关。西部山区主要是落
叶阔叶林，一年只有一次峰值。全年 5月至 8月太阳
辐射充足，水热适宜，植被光合作用强烈，因此各类
植被 APAR达到最高。而从季节上看，秋季的要高于
其他季节，因为这期间太阳辐射充足，水热适宜，植
被光合作用均十分强烈；在六月由于冬小麦成熟，而
秋季作物处于幼苗期，所以植被光合作用相对较弱，
APAR值相对较低，出现低谷。

5 分析与讨论(Analysis and discussion)

研究表明利用 CASA 模型可以方便地监测到研
究区 APAR值及其变化趋势，本文对河南省的研究表
明其精度可以满足区域尺度分析的要求，结果与河南
省太阳辐射和光合有效辐射的实际变化情况相符。从
2010 年 APAR 空间分布总值来看，林地覆盖率较高
的西部伏牛山地区、北部新乡地区、以及南部信阳地
区为河南省植被吸收光合有效辐射量较大的区域，耕
地区域是一年两熟耕作方式的区域，导致曲线的两个
峰值，且农区的 APAR低于林地。另外，地理纬度显
然是影响光合有效辐射的一个重要因素，当地面植被
类型和覆盖状况相同时，低纬度的光合有效辐射量要
高于高纬度的光合有效辐射量。
另外，在实现 CASA 模型时，日照百分率 S 和
大气相关因子 a、b 的精确测定影响研究结果，有详
细的观测数据将在很大程度上提高研究精度；植被对
太阳有效辐射的吸收比例取决于植被类型和植被覆
盖状况，因此进行大比例尺的监测需要更加详细的植
被类型及其相关光合作用数据。

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608 生 态 科 学 Ecological Science 32卷