全 文 ： 7，
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第l9卷第4期
I999年 7月 ACTA ECoLOGICA SINICA
VoI．19．No．4
July．1 999
GIS和 RS支持下广东省植被吸收 PAR的估
算及其时空分布
郭志望 ，彭少麟 ，王伯荪 ，张 征
(1．中山大学生物系 广州 010270}2．中国科学院华南植物研究所，广州 010650)
Q ‘／2·／
■鼻 ：在 GIS和 Rs支持下，利用地面气象 数据和 NOAA-AVHRR NDVI救据估计了广东省植被在1992一O4～1993 03
间吸收的 PAR．井分析了其时空分布特征以及不同类型植 被对 PAR的吸收特征。结果表明 c在此期间，广东省植被年
APAR介于0~1575MJ／m a之间．其最大 NPP不及全球最高值的一半 I并且，广东省年 APAR的时空变化显著，这主要
与植 被自身性质和太阳辐射的时空变化有关}即使是常绿阔叶林 ．其年 APAR 也有显著差异．并且嗳收 PAR 的年变化显
羔A PA R明,A份吸VHR蛐NF D VI 省拯坡 芝鲁布数辐 忙霉{黟狮 关t词： 19 蔓 j￡寺反 乏 ／时敛 I刁 ．_斗
Estimation of radiation absorption by Guangdong vegetation using
GIS and RS
GU o Zhi—Hua ，PENG Shao—Lin ”，W ANG Bo—Sun”，ZHANG Zheng (1．n f ofBiol~
，Zhtmgshan University，Guangzho．，510275，China}2．South China Institute Botany，Academia Sinica·G~ ngzhou，
Abstract．The ground meteorological data and AVHRR NDVI ta have been used to assess the absorbed
photosynthetically active radiation(APAR)by the vegetation in Guangdong，China．By the aid of W eather
Man program ．the ground meteorological data was used to calculate the PAR and GIS(ARC／INF0)inte卜
polation tools were exploited to Cl~eate spatia1 surface of PAR from point 1ayer．Then we estimated the frac—
tion of PAR absorbed for each month during 1 992-O4～ 1993—03．The results showed that during this peri-
nd ，the aDAIua1 APAR in Gaungdong ranged from O～1575 MJ／ma+and the maximum Net Primary Prnd uc—
tion (NPP)in Guangdong was not half as high as the maximum NPP in the world．The seasonal variations
of APAR in Guangdong were obvious because of the different nature of the vegetation and the seasonal
variations of solar radiatlon．In the evergreen broadleaf forests，different subtypes did not have the ssme an—
nual APAR．and al1 of them absorbe d PAR more in July and October than in any other months．
Key words：absorbed photosynthetically active radiation}AⅦ RR NDVI+GIS；Guangdong Province
文章簟号：1000-0933(1999)04—0441—07 中田分类号：Q145 文献标识码，A
太 阳辐射为植物光合作用提供能弱c．但植物仅能利用其中的光合有效辐射(photosynthetically active
radiation．PAR)．即38o～7l0nm这部分能量t 。植物对 PAR 的截获与利用成为生物圈起源、进化和持续存
在的必要条件。因此，研究植物吸收的光合有效辐射(absorbed photosynthetically active radiation．APAR )
可为进一步研究植物的光合作用和光利用率提供基础．同时对于植被生产力及其有关生物圈过程的建模
基童疆 目：国亲 自I}!；科学基金重大项 目(29899370)、中国科学院 九五 重大项 目(KZg51一B1 110)和广东省 自然科学
基金项 目(980952)资助。
章文工作主要在中国科学院鹤山丘陵练台开放试验站信 息室完成。感谢美国 Florida大学的 James W．Jones博士提
供 WeatherMan程序。
恒■日期：1998-12-05I倍订日期{1999—03—20
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442 生 态 学 报 19卷
与监测也具有重要意义 。太尺度以及全球范围APAR的监测还有助于理解全球的CO。循环
目前 ，利用卫星遥感数据对大尺度 及全球范围 APAR的研究 已做了大量工作 ⋯ ·并且 ，利用遥感
数据所进行的植被生态学研究也有助于提高卫星信息的使用价值 。
一 般 ，APAR与 PAR间存如下关系：APAR一 R^·PAR (1)
式 中 l厂P佃为植被层对入射光合有效辐射 PAR的吸收系数 。所以，对太尺度 APAR的监测和估算主要
通过对 ， 和 PAR的估算来实现。
区域及垒球 PAR的估测主要有两条途径 ” ① 利用遥感数据怙算 ” t如 Dye等。利用 Eck等0
的方法计算PAR，利用Goward等 的方法计算 ，成功估算了全球1984年8月的APAR。②利用气候模
型进行估算 ，如 Planton等利用法国气象局 的全球气候模型 GCM 来估计 PAR，但结果并不令人满意 。
Fickerin 等：Ⅲ和 Paruelo等 利用地面气象数据通过 WeatherMan程序估算 PAR。效果较好 。 随植被
类 型及其演替阶段和季节不同而变化 。对 l厂P 的估算主要通过遥感数据植被指数(w )与 的经验公式
来确定
许多研究表明：归一化差植被指数(NDVI)与 ^ 间存在线性关系 。” 。一般 ，高生产力生态系
统，其 NDVI与 fpA 问存在根好 的线性关系 ” ，而低生产力生态系统 ，困 NDVI受土壤背景影响而使 ND-
vI与 l厂P^R的关系不明显 ] 于是．Ruimy等Ⅲ改进了用 NDVI来估算 ^ 的方法 Roujean等 的研究表
明不同的 w 适合于不同类型的植被 Epiphanio等 还 比较研究了传感器视角和太阳天顶角等因子对植
被指数 w 和 R^关系的影响。Paruelo等 还根据 Potter等 ：和 Rulmy等 提出的模型来计算 ^ R^
Field等 利用 NDVI来估计陆地生态系统的 APAR，并根据 由卫星数据获得的近表面浮游植物叶绿索浓
度 cⅢ和水深来估计海洋生态系缆的 APAR，基于 此，他们成功地估计了全球的 NPP。
I 数据与方法
I．1 数据
本文所用的 NOAA—AVHRR NDVI数据 由美 国地
质调查局(USGS)提供 ，为1902—04~1093·O3间12个 月
的最大值合成 NDVI，地面几何分辩率为lkm。NDVI=
(Ⅳ 一R)／(Ⅳ 一R)，其中 Nir和 分别 为 AvHRR
第一和第二 通道 反射 率 (reflectance)。虽然计 算出 的
NDVI。介于一1．0～1．02 间，但 USGS却将其放大到
0~200，即 NDVI ，NDVI~≤100为水、雪、云及棵地 ，
NDVI >100为植被 。
图1 31十气象站的位置
Fig 1 The pos[tiott of 31 meteorological stadotts
地面气象数据从广东省气象局获得，时间为1990~I995年 +包括气温 、降水和 日照等 ．均匀选择31个气
象站(图1)，并记录每个气象站的经 、纬度和海拔高度 。
1．2 方法
由于研究地区原始 NDVI数据未投影，囡此，首先对其进行配准(rectification)，配准为等角双 标准纬
线圆锥投影，与1／lOOO 000的广东省政区图投影一致。地面控制点(GCP)选择轮脖清楚的海岸线厦内陆水
库 ，控{睁I点的经、纬度数值以115o 000的地形图量算，计选 GCP 23个，其 RMS为0．217(士0-015)．即地面控
制点的几何误差约在220m 左右 ，效果 良好 并用1／looo 000的广东省政区图的行政边界来选取研究区；
地面31个气 象站点 的 PAR数据 由广泛使用 的 WeatherMan程序 算出 “。Meinke等的研究 表 明
WeatherMan程序所用算法可以对辐射进行有效估计 。本研究利用1990~1995年31站点的地面气象资
料生成1992一o4～1993—03问各月的PAR
利用GIS软件将各气象站的 PAR数据转换为栅格数据，栅格几何大小与遥感数据地面分辨率一致．
均为1kin 数据转换工作在 ARC／INFO for NT7．2．1(ERSI．Redland，Califoloia)的TIN模块下进行，工作
流程见图2。对于离散点层 (point coverage)，ARC／INFO提供了两条插值途径 ，一是在生成 tin的基础上插
值，一是直接利用kriging程度插值 由~kriging程序是 根据所选插值 方法和条件对离散点lattice进行插
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4期 郭志华等 ：GIS和 RS支持 下广东省植被吸收 PAR的估算及其时空分布 443
值，所生成的估计表 面(estimated surface)会修正原
始观测数据 ，因此 ，本文的插值方法是在生成 tn的
基础上用 tinspot程序插值 。ARc／INF0 为 tin表面
模 型 提供 了两类 插值 器 (interplator)：LINEAR和
QUINTIC LINEAR插值法认 为 tin由平坦的三角
表面所构成 f而 QUINTIC插值法则认为 tin的每一
个小三角表面均 为连续平精 的表面 ．并使用二元五
次多项式插值算法 由于广东省 PAR的空间分布是
连续平精的，因此本文均用 QUINTIC插值法。最后
生成 的广东省 PAR 影象(grid)，其投影与 NDVI的
投 影完全相 同，以便于数据 的融合(merge)与计算 。
此外 ，对于 tin，ARc／INFo 的插值 区取决于 tin的边
界 (hul1)。由于广东省 31个 气象 站点 所构成 tin的
hull并不完全包括广东省全部大陆 区域 ，因此 ，增 加
周 固海南 、广西、湖南及福建等省 区的尽可能最近 的
1O个气象站点的气象数据作为补充，以对 广东省 整
个大陆地区的 PAR进行插值 。
对于 ，P^R的计算分别采用 Potter等口 和 Ruimy
等口 提出的公式
Potter等利用下式计算 一R口 ：
n
(“ )一 rain SR - SR=~
：’。。95 (2)
其中 ，P^R ，z)为 t月份象元 z处植被的 一 ，
SR一 (I+NDVI)／(1一NDVI)。SR～均 设 为 1．08。
sR～ 的大小取决于生态系统类 型。根据 Potter等的
圆
圈2 工作流程图
Fig．2 Steps∞ ~stimate APAR
观点，先将广东省大陆区域监督分类为林地和非林地两大生态系统类型，林地 的 sR一取4．14，非林地 的
sR—取5．13，然后利用(2)式计算 _P^ Ruimy等认为 一R与 NDVI间存在 以下线性关系口]：
fPAR ，t)一一 0．025+ 1．25× NDvI (3)
对各种类型植被 APAR的分析 ，均取9个或更多的象元( 9km。)来代表该类型植被 研究子 区根据文
献 “ ：和野外调查来选定 遥感数据处理在 ERMapper 5．5(WIN95版)下进行 ，统计分析在 SAS下进行。
2 结果与讨论
2．1 年 APAR
植被 吸收 PAR的量取决 于两个 因素：植被本身的特征和太 阳辐射。基 于 WeatherMan程序计算 了
PAR，在 GIS支持下插值生成 了广东省的年光台有效辐射(厶 PAR)，并应用公式(2)和 (3)计算了广东省
植被在1992 04~1993—03间吸收的 PAR，即年 APAR(厶 APAR)(见彩版 I)砖 果表明：①植被本身的特
征对于植被吸收的 PAR的多少起决定性作用f而太阳辐射仅对不 同地区类型相同 (似)的植被影响较大，
并影响着植被吸收 PAR的季节波动 。其主要原因是 广东省陆生植被受人为、自然 (地形 、河流等)因素的影
响而空间差异极大 ，棵地几乎不吸收太 阳辐射 ，而生长 良好的植被几乎可以全部吸收所有入射的光台有效
辐射 ；然而 厶 PAR 主要受太 阳及地球大气的影响，因此 ．厶 PAR 的地区差异相对较小。全省 的厶 PAR
约在1850(广州)~2420MJ／m a(汕头地 区)之间 ，相差约37 。利用 WeatherMan计算的韶关、广州、汕头和
中山等地在1992—04~1993—03期 间的 PAR分别为2169 03、1848 1 9、2422 8O和2060 21MJ／m a，与这些地
区在 1975之前的9～I8a的多年 平均值(分别为8328．42、2275 64、2638．39和2391 98MJ／m a)相近．差异主
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要来自PAR的年际变化。②甩公式(2)和(3)两种方法计算的植被吸收的PAR，其值的空间变化趋势相同、
大小略有差异。粤 中东部 (龙门县南部、佛 冈、始兴与翁源之间、紫金等)一带的 APAR 值均很高，河流、水库
的值最低，珠江三角州地区的值也裉低，雷州半岛北部、粤西的罗定盆地、粤西北的连南、粤北的南雄盆地
厦粤东的潮汕平原地区较低 。公式 (2)计算的 APAR最大值约为1575MJ／m a．公式 (3)计算出的 APAR最
大值约为14O0MJ／m a，两者相差约 l1 。在 Potter等的模型中，NDVI≥0．60的林地和 NDVI≥0 66的非林
地 ，其 ，P^R为最大值 (O．95)，NDVI≤O 08的稀疏植被不吸收 PAR。在 Ruimy等 的模型中，NDVI／->o 82的
植被 i00 地吸收了全 部入射的光台有效辐射 ，NDVI~O 02的稀疏植被吸收 PAR为0。虽然 Potter等和
Ruimy等的模型均不适合稀疏植被 ，且对吸收 PAR大小的估计也有一定差异，但根据 AVHRR NDVI数
据及地面气象数据来估算大 区域植被 的 APAR是完全可 的 ’蜘 另一方面 ，基 于大量实测数据 ，建立
，F 与遥感数据 随时问、植被类型不同而不同的、准确、有效的关系模型 ，将有助于提高对 ，F 的估算精度 。
由于 Potter等的模型应用较广 。．所以，以下分析均以公式(2)为主
利用Potter等的模型计算的广东省植被吸收PAR的最大值约为1575MJ／m a，垒球植被吸收 PAR的
最大值约为3500MJ／m a左右 。因此 ．即使广东省植被对 APAR的利用率与全球生产力最高的植被类型
相同，在1992—04～1993—03期 间，广东省植被 的最高生产力也不及垒球最高值的一半。
2 2 年 APAR的时空分布
2 2．1 年 APAR 的空间分异 从彩敝 l可知：广东省植被的年 APAR，以水库 、词流为最低，等于或接近
于0；其次 ，珠江三角州地区由于其工业发展和对植被的破坏，苒加上农业生产的不足 ，因此．植被年吸收的
PAR值也很低 ，多在300MJim a以下 {南雄盆地 、罗定盆地 、粤西北的广大石灰岩地区、雷州半 岛北部及粤
东平 原地区，植被的年 APAR值 多在9O0MJ／m a 下 ；粤中部偏东地区植被年 吸收 的 PAR较 高 ，多在
100OMJ／m a以上 ．最高可达1500MJ／m a 上。
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09 8059。E
① 雷州半岛北部 N Leizhou Pen
@ 珠江三角洲 Pearl RiverD嗣la
地 点
②：恩平 Elaping
@：末莞 DonKEtlar=
23 6230。N
16 9544。E
圉3 广东省东部近海地区植被的年 APAR及其变化
F ．3 The t㈣ rse o ∑APAR。f th east stal Guangd。
为说明植被年吸收的 PAR 的空间分异规律，在广东省等 角双标准纬线的投影平面上，从濂江县西北
部作到粤东部饶平县的剖面线，以5×5(象元，即25km。)的大小取滑动平均值及其标准差 ．得图3。由图3可
看出 ：①珠江三角州地区植被的年 APAR的5×5滑动平均值根低，其附近广大地区植被的年 APAR请动
平均值也较低 ，雷州半岛北部及粤东平原地 区植被的年 APAR的请动平均值多在900MJ／ra~以下．而北纬
22。附近的阳春地区以及海丰、陆河县北部地区植被年APAR的滑动平均值较高．多大于90og0oMJ／m’；②
在5×5kin 大小的基础上，若年 APAR的标准差越太，说明植被越破碎、空间变化越大，如河流较多的珠江
三有州地区及河流和水库周围附近地区f@基于1km。的地面几何分辨率和5×5kin 的空间范围，广东省植
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4期 郭志华等 ：GIS和 RS支持 F广东省植被吸收 PAR的估算及其时空分布 445
被吸收 PAR的空间变化大致有以下几种类 型： APAR的5×5滑动平均值波动较小 +同时其标准差也较
小，表 明植被吸收 PAR在25km 及更大的空间范围内都 比较均匀、变化较小，如潮汕北部和雷州半岛北部
部分地 区； 滑动平均值有较大波动 ，同时其标准差也较大 +说 明植被吸收 PAR在25km 及更大的空间范
围内都根破碎 、变化很大+如剖面线经过的恩平和珠江三角洲与周边交界地区； 滑动平均值较大波动，但
其标准差却较小，这表 明植被虽在更大的空间尺度上发 牛较大的变化 ，但在25km 的范围内却变化不大 ，如
剖面线经过的电白一+阳东和惠州东北部地 区
2·2·2 年 APAR随时间的变化 植被在不同季节吸 墓 59
间也应有强相关关系。由此可进一步研究植被的净第一性生产力 NPP和光能转化率 。
衰1 P^AR数据 PCA分析的前两个主成分之负荷量
Table 1 Loadl~ f0r the first lwo components 0f the PCA of the APAR data
第二主成 分的特征 根为 1．483，能解释 广东 省植被 APAR年变化 总变异 的17．30 ，并且 ，冬 半年
(1992—11～1 993—03)表现为正载荷，夏半年表 现为负载荷 ，反映了气候对植被吸收 PAR的影响，影响最大
的是 1992-06和 1992—04。
决定广东省植被年 APAR时空格局的根本原因在于植被 自身的特征+其次是太阳辐射的时空变化
2．4 不同类型植被对 PAR的吸收
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446 生 态 学 报 19卷
本文每一植被类型的研究子 区大小均≥9kin 。选取的植被类型有 ：原生常绿 闫叶林 Ea(黑石顶 I、车
八岭 E、丰溪 I)，长势较好的次生常绿阔叶林 Eb(从化平头顶Ⅳ、广州帽峰山 v和南昆山 Ⅵ)，长势 良好 的
人工常绿闫叶林 Ec(湛江桉 林Ⅶ、阳江 林场桉 林VI)，竹林 Ed(广宁 Ⅸ)，针叶树成熟林 Ca(黑石顶 、鼎湖
山)，针 叶树幼林 Cb(自云山)，灌丛 s(阳山东山、罗定苹塘)．草丛 G(罗定黎步)，农业生态系统 AE(中山、
南雄盆地、潮汕平原 )，城市生态系统 CE(广州和韶关)。方差分析的线性多项式 比较表明 ：对于植被年 吸收
的 PAR，除选 中的原生常绿阔叶林 Ea和长势较好的次生常绿阔叶林 Eb之 间无显著差异外 ，其余各大类
型 之 间差异 显著( 一0．05)。年吸收 PAR最多的是长势 良好的人工常绿 阔叶林 (桉林)，值 为1430．6(士
125．5)MJ／m a，余下依次是原生常绿阔叶林 Ea(1254．6士97．5)和长势较好的次生常绿闫叶林 Eb(1224．7
士85．1)>竹林 Ed(1004．2士33．2)>针叶树成熟林 Ca(953．4士92．2)>针叶树幼林 Cb(663．6士61．0)>
灌丛 S(569．9士36．8)>草丛 G(493．1士49．7)>农业 生态系统 AE(472．2士146．9)>城市 生态系统 CE
(181．O士118．4)( 一0．05)(图5A)并且 ，若不考虑常绿阔叶林 ．则无论是用最小显 著性差法 (1east．signifi
cant—difference)还是 Duncan法的均值多重比较都表明，仅 阳山东山灌丛、罗定苹塘灌丛、南雄盆地农业生
态系统和潮汕平原农业生态系统等之间，以及韶关城 市生态系统与中山农业生态系统之 间无显著差异外，
其余所有各十取样地之间均有 显著差异( —O．05)
1600
类型 Types 类型 Types
图5 各类型植被年 APAR之比较 (MJ加 a一1)
Fig．5 Annual Integral APAR of different~egetation(M J tTl a ’)
A}各大类 diferent types~B：常绿目时林 different evergreen broadleaf~rests；不同字母表示差异显著(p-0．01)
diff~ent]etters indicate significant differeneesfp= 0．01)
常绿阔叶林吸收 PAR．总体来讲 +其年变化呈 明显 2000
的双峰型(图6)，以7、l0月份 吸收的 PAR最多。这反映
出亚热带常绿阔叶林能量利用及其生长发育的规律。 童 w
对常绿阔叶林年吸收的PAR进行方差分析．结果 三100O
表明，即使是原生常 绿阔叶林，其年吸收的 PAR量也 暑
有显著差异(图5B)(声 0．01．下同)。丰溪常绿阔叶林 量耋
年吸收PAR值很高(1343．3士34．7MJ／m a)I黑石顶常 耋 n
绿阐叶林吸收的PAR较低(1128·0士30·9)·仅比广宁 革军 革与军零2= 翟 g誉鲁
竹林(1o4·2~3_2)高，与广州太和帽峰山的以黎蒴 釜 茎
幔 m 印矗 五班1)为主的长势较好 的砍生常绿阔叶林 日柑
u⋯ h
。 。
(1139~92·3)无 显著差 异 阳江 林场按 林年 吸收 的 rap宁Guangni g⋯ zh
Bn Jiang
：坫 _士 3MJ／mZa ·极显著高于所有 _~帽蜂Y山a-n g。jfi。a ng。h 雹~平头顶HPai nkgut。n sdhai ng
其他类型的常绿闫叶林(声一0．01)。所有这些都显示， 囵车八峙chebBling ~ ‘engxi 。
人工常绿阔叶林和长势 良好的敬生常绿阔叶林完全可 _黑石】垂“。i。h d lIg
能与原生常绿闫叶林具有相 同甚至更高的吸收太 阳辐 图6 不同常绿阉时林 APAR的年变化
射的能力，从而具有更高的光能利用率和 NPP。 Flg Monthly cour~s of he PAR absorbed by the
王●■ Ⅸ
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4期 郭志华荨：GIS和 RS支持 1 东省植被吸收 PAR的估算及其时空分布 447
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