全 文 :书基于 犕犗犇犐犛算法的藏北高寒草甸的
光能利用效率模拟
付刚1,2,沈振西1,张宪洲1,石培礼1,何永涛1,武建双1,2,周宇庭1,2
(1.中国科学院地理科学与资源研究所 生态系统网络观测与模拟重点实验室 拉萨高原生态系统研究站,
北京100101;2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘要:光能利用效率(lightuseefficiency,LUE)是指初级生产力与植被冠层所吸收的光合有效辐射(absorbedpho
tosyntheticalyactiveradiation,APAR)之比,它反映了植被利用光能的能力。定量化生产力的时空变化是定量化
全球碳循环的重要研究内容,而LUE作为光能生产力模型中的一个重要参数,是定量化生产力时空变化的基础。
因此,定量化全球植被的LUE是定量化全球碳循环的重要组成部分。基于 MODIS光能利用效率算法,本研究模
拟了2004-2005年藏北高寒草甸生态系统的光能利用效率(LUEMODIS),并用观测的光能利用效率(LUEEC)对模型
进行了验证。在 MODIS算法中,日最低气温(犜犪min)和饱和水汽压亏缺(VPD)分别被用来计算温度胁迫因子
(犜scalar)和水分胁迫因子(犠scalar)。相关分析和多重逐步回归分析结果表明,相对于犠scalar,犜scalar更能够解释观测的
LUE的季节变化。2004和2005年的模拟值分别高估了约14.97%和16.57%的观测值,但配对T检验显示模拟
值和观测值差异不显著,即基于 MODIS的LUE算法在模拟藏北高寒草甸LUE方面具有较高的精度。相关分析
表明,观测的LUE与犜犪min的相关性好于观测的LUE与平均气温的相关性,这表明在反应藏北高寒草甸生态系统
LUE的季节变异方面,犜犪min优于平均气温。总之,基于 MODIS算法的LUE模型能够比较准确地定量化藏北高寒
草甸生态系统的LUE。
关键词:光能利用效率;高寒草甸;MODIS;藏北高原
中图分类号:S812.29 文献标识码:A 文章编号:10045759(2012)01023909
光能利用效率(lightuseefficiency,LUE)指的是总初级生产力(grossprimaryproduction,GPP)或净初级生
产力(netprimaryproduction,NPP)与植被冠层所吸收的光能量之比,它反映了植被利用光能的能力[15]。定量
化生产力的时空变化是定量化全球碳循环的重要挑战之一,在所有的生产力模型中,LUE模型最有潜力定量化
生产力的时空变化[6,7]。因此,作为光能利用效率生产力模型的重要参数,LUE的准确定量化模拟是定量化生产
力时空变化和全球碳循环的基础。
自1999年12月中分辨率成像光谱仪(moderateresolutionimagingspectroradiometer,MODIS)的Terra传
感器成功发射以来,MODIS一直以较高的时间分辨率和空间分辨率对全球范围内的GPP和NPP进行着连续的
监测[8,9]。然而,仍然有必要对 MODIS生产力数据进行地表观测数据的验证[1012]。通量观测技术是估算生态系
统尺度GPP最好的方法之一,它往往被用来检验 MODIS的GPP产品精度[1113]。研究[12,14]表明,基于 MODIS
算法的LUE的低估造成了GPP的低估。因此,基于 MODIS的GPP精度在很大程度上依赖于LUE的准确模
拟。
高寒草甸生态系统在亚洲中部高寒环境以及世界高寒地区都极具代表性[15]。在全国范围内,高寒草甸总面
积约为6.4×105km2,主要分布在青藏高原,是青藏高原典型植被类型之一[1619]。全中国的高寒草甸生态系统
共包含了约35.4Pg的碳,约相当于26.4%的中国所有草地碳库的总量[16]。此外,青藏高原高寒草甸生态系统
的GPP可能会随着大气CO2 浓度的增加而增加[15]。高寒草甸生态系统在中国的区域碳循环中起着举足轻重的
第21卷 第1期
Vol.21,No.1
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
239-247
2012年2月
收稿日期:20101029;改回日期:20101129
基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAC06B01,2006BAC01A04),国家重点基础研究发展计划(2010CB833500)和国家自然基金项目
(41171084,40771121)资助。
作者简介:付刚(1984),男,河北保定人,在读博士。Email:fugang09@126.com
通讯作者。Email:shenzx@igsnrr.ac.cn
作用[12]。因此,准确定量化模拟高寒草甸生态系统的LUE和生产力是定量化高寒草甸生态系统碳循环的重要
组成部分。
Zhang等[12]对海北高寒草甸的研究表明,基于 MODIS的年均GPP仅占通量观测数据估算的年均GPP的
50.0%~66.7%,而LUE的低估是其主要原因。然而,利用通量观测数据对基于 MODIS算法的藏北高寒草甸
GPP和LUE进行验证的研究尚未见报道。因此,基于 MODIS的LUE算法,本研究利用藏北高寒草甸通量观
测系统的常规气象观测数据模拟了2004-2005年生长季节藏北高寒草甸生态系统的LUE,并用同期的通量观
测数据进行了模型验证。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
通量观测系统位于拉萨市当雄县草原站(91°04′E,30°30′N),该站距当雄县城约3km,地处念青唐古拉山
的南缘,属丘间盆地类型,地势平坦。当雄县素有拉萨北大门之称,平均海拔4200m,位于藏北藏南的交错地
带。该地区属于高原性季风气候。降水量有明显的季节之分,80%的降水集中在生长季节的6-8月。冰冻期较
长,持续3个月(11月-翌年1月)。土壤类型为高寒草甸土,土壤厚度为30~50cm。植物根系主要分布在0~
20cm土层内。植被类型属于典型的高寒嵩草草甸植被,建群种主要有小嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪狆犪狉狏犪)、丝颖针茅(犛狋犻
狆犪犮犪狆犻犾犾犪犮犲犪)、窄叶苔草(犆犪狉犲狓犿狅狀狋犻狊犲狏犲狉犲狊狋犻犻)等,伴生有多种密丛生嵩草。关于研究地概况的介绍也可以参
考文献[20]。
1.2 野外观测数据
通量数据和气象数据取自当雄通量观测系统,该通量观测系统以开路涡度相关系统(openpatheddycovari
ancesystem)为主,并对常规气象要素进行观测。该系统自2003年7月开始运行。常规气象要素主要包括光合
有效辐射(photosyntheticalyactiveradiation,molCO2/mol光合光量子通量密度,PAR)、空气温度(airtemper
ature,℃,Ta)、相对湿度(relativehumidity,RH)、水汽压(vaporpressure,kPa)、0.05,0.10和0.50m的土壤含
水量(soilwatercontent,m3/m3)等。
此外,在2005年生长季节进行了叶面积(leafareaindex,LAI)的观测,时间间隔大约是15d,样方大小为0.5
m×0.5m,5个重复。为了得到连续的 LAI数据,建立了野外观测的 LAI数据和 MODIS的 NDVI产品
(MOD13Q1)数据的指数回归方程,其回归方程为狔=0.13exp1.13狓(犚2=0.71;犘<0.001;RMSE=0.05;狔和狓分
别表示基于 MODIS的NDVI数据和野外观测的LAI数据)。
1.3 观测的光能利用效率(LUEEC)
为了验证模拟结果,本研究依照下式计算了基于生态系统碳通量观测的光能利用效率,作为基于地表观测的
光能利用效率(LUEEC),为了便于描述,在本研究中简称为观测的光能利用效率。
犔犝犈犈犆= 犌犘犘犃犘犃犚
(1)
式中,犌犘犘为总初级生产力,由碳通量数据依据一系列的公式[2123]计算得到;犃犘犃犚为植被吸收的光合有效辐
射,由下式计算得到:
犃犘犃犚=犉犘犃犚×犘犃犚 (2)
式中,犘犃犚为光合有效辐射,取自常规气象观测系统;犉犘犃犚为植被冠层吸收的光合有效辐射比(fractionalpho
tosyntheticalyactiveradiation,FPAR),按照下式进行计算:
犉犘犃犚=0.95×[(1-exp(-犽×犔犃犐)] (3)
式中,犽为消光系数,在本研究中,取值0.5[24];犔犃犐为叶面积指数,由犖犇犞犐数据按照本研究前面建立的回归方
程犖犇犞犐=0.13exp1.13犔犃犐反推获得。
1.4 MODIS光能利用效率算法介绍
在 MODIS光能利用效率算法中,LUE按照下式进行计算:
犔犝犈=犔犝犈max×犜狊犮犪犾犪狉×犠scalar (4)
042 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
式中,犔犝犈max为最大光能利用效率或潜在光能利用效率,在本研究中取0.85gC/MJ[25];犜scalar和犠scalar分别为
犔犝犈max的温度胁迫系数和水分胁迫系数。在 MODIS的LUE模型中,犜犪min和VPD分别作为LUEmax的温度胁
迫因子和水分胁迫因子,并分别按照式(5)和式(6)计算犜scalar和犠scalar[12,13]。
犜scalar=
犜犪min-犜犪minmin
犜犪minmax-犜犪minmin
(5)
式中,犜犪minmax和犜犪minmin分别表示犜犪min的最大值和最小值,在本研究中分别取 MODIS算法中的默认值12.02和
-8.0℃。当犜犪min>12.02℃时,犜scalar值为1;当犜犪min<-8.0℃时,犜scalar值为0。
犠scalar=
犞犘犇max-犞犘犇
犞犘犇max-犞犘犇min
(6)
式中,犞犘犇max和犞犘犇min分别表示犞犘犇 的最大值和最小值,在本研究中分别取 MODIS算法中的默认值3.5和
0.65kPa。当犞犘犇>3.5kPa时,犠scalar值为0;当犞犘犇<0.65kPa时,犠scalar值为1。
2 结果与分析
2.1 犜犪min、VPD、犜scalar和犠scalar的季节变化
配对T检验表明,2年的平均犜犪min(犘=0.944)、VPD(犘=0.566)、犜scalar(犘=0.944)、犠scalar(犘=0.920)都没
有显著性差异。相关分析表明,2年的犜犪min、VPD、犜scalar、犠scalar的相关系数分别为0.897(犘<0.001),-0.372(犘
=0.290),0.897(犘<0.001),-0.277(犘=0.438)。此外,相对于水分胁迫系数而言,温度胁迫系数的值域宽度、
标准差和变异系数较大(表1)。
犜犪min表现出了明显的季节变化(图1):基本上呈对称的单峰曲线;2004年的峰值出现在第177~192天,而
2005年的峰值比2004年的峰值出现时间晚约32d(第209~224天),但是2004年的峰值(6.76℃)要低于2005
年的峰值(7.81℃);一般都在0℃以上,只在生长季初和生长季末会低于0℃。VPD曲线变化比较剧烈:基本上
也呈单峰曲线,2004年的峰值(0.96kPa)出现在生长季初(第129~144天),而2005年的峰值(0.96kPa)出现在
6月底7月初(第177~192天);VPD年际变动比犜犪min曲线剧烈,2年的犜犪min相关性达到了极显著水平,而2年
的VPD相关性不显著,这从侧面反映了这一点。
犜scalar和犜犪min的季节变化趋势完全一致(图2),犜scalar和犜犪min2年的相关系数都为1.000(犘<0.001),这从侧
面反映了犜scalar和犜犪min季节变化趋势的一致性。犠scalar的季节变化趋势不明显:基本上为一条恒值曲线,即几乎
保持1.00不变,2004年只有第129~144,241~256和257~272天3个16d尺度的值略微低于1.00,这3个时
间段的值分别为0.89,0.97和0.97;2005年也只有第145~160,161~176,177~192和241~256天4个16d尺
度的值略微低于1.00,这4个时间段的值分别为0.96,0.97,0.89和0.99。
表1 光能利用效率的温度胁迫系数和水分胁迫系数的统计指标
犜犪犫犾犲1 犛狋犪狋犻狊狋犻犮犪犾犻狀犱犻犮犲狊狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉犳狅狉犾犻犵犺狋
狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔犻狀2004犪狀犱2005,狉犲狊狆犲犮狋犻狏犲犾狔
年份
Year
温度参数犜scalar
均值
Mean
value
值域
Rangeof
values
标准差
Standard
deviation
变异系数
Coefficientsof
variation(%)
水分参数犠scalar
均值
Mean
value
值域
Rangeof
values
标准差
Standard
deviation
变异系数
Coefficientsof
variation(%)
2004 0.59 0.40~0.74 0.13 22.12 0.98 0.89~1.00 0.03 3.53
2005 0.59 0.31~0.79 0.16 26.42 0.98 0.89~1.00 0.04 3.59
2.2 光能利用效率(LUEEC和LUEMODIS)的季节变化
LUEEC和LUEMODIS的季节变化趋势一致(表2,图3):LUE曲线为单峰曲线;2004年的LUEEC和LUEMODIS的
峰值都出现在6月底7月初(第177~192天),其值分别为0.60和0.63gC/MJ;2005年的LUEEC的峰值(0.79
142第21卷第1期 草业学报2012年
gC/MJ)出现在7月中下旬(第193~208天),而
图1 日最低空气温度、饱和水汽压亏缺的季节变化
犉犻犵.1 犛犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊狅犳犱犪犻犾狔犿犻狀犻犿狌犿犪犻狉
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜犪犿犻狀)犪狀犱狏犪狆狅狉狆狉犲狊狊狌狉犲犱犲犳犻犮犻狋(犞犘犇)
图2 温度胁迫系数、水分胁迫系数的季节变化
犉犻犵.2 犛犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊狅犳狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀
狊犮犪犾犪狉犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉
LUEMODIS的峰值(0.67gC/MJ)则出现在7月
底到8月初(第209~224天),比同年的LUEEC
峰值晚约16d。
2004-2005年LUE的年际变化趋势(表2,
图3)是:返青期的值都是2004年的大于2005
年;生长期的 LUEEC值是2004年的小于2005
年,而LUEMODIS值则是2004年的大于2005年;
枯黄期的值都是2004年的小于2005年;配对犜
检验表明,2004年的LUEEC年均值(0.4309±
0.1317gC/MJ)和2005年的 LUEEC年均值
(0.4206±0.1591gC/MJ)差异不显著(犘=
0.814),2004年的LUEMODIS年均值(0.4954±
0.1183gC/MJ)和2005年的LUEMODIS年均值
(0.4903±0.1295gC/MJ)差异也不显著(犘=
0.811);2004年光能利用效率的变异性小于
2005年。
2.3 观测的光能利用效率(LUEEC)和犜犪min、
VPD、犜scalar以及犠scalar的关系
相关分析(表3)表明,LUEEC和犜犪min、犜scalar
的相关性都达到了显著水平,而和 VPD、犠scalar
的相关性都不显著。研究[20]表明,在进行多重
逐步回归分析时,截距项会影响自变量因子进入
回归方程的机会。因此,本研究对有截距项和无
截距项2种情况分别进行了多重逐步回归分析。
回归分析结果(表4)表明,有截距项的情况下,
在2004年4个自变量都没有进入回归方程;在
2005年则是截距项不显著(犘=0.842);无截距
的情况下,在2004年和2005年都只是温度胁迫
系数进入回归方程,2004年的回归方程斜率、
犚2、犜scalar的标准回归系数均大于2005年,而
2004年的RMSE小于2005年。
2.4 观测的光能利用效率(LUEEC)和模拟的光能利用效率(LUEMODIS)的比较
配对犜检验表明,2004年的 LUEEC均值(0.4309±0.1317gC/MJ)并没有显著小于 LUEMODIS均值
(0.4954±0.1183gC/MJ)(犘=0.110),2005年的LUEEC均值(0.4206±0.1591gC/MJ)也没有显著小于
LUEMODIS均值(0.4903±0.1295gC/MJ)(犘=0.099)。不同物候期的光能利用效率存在着差异:生长期和枯黄
期都是LUEMODIS的值大于LUEEC的值;2005年返青期的LUEMODIS的值也大于LUEEC的值,但是2004年返青期
的LUEMODIS的值小于LUEEC的值(表2)。相关分析表明,2004年的LUEEC和LUEMODIS的相关系数是0.580(犘=
0.039),而2005年两者的相关系数是0.673(犘=0.016),这也反映了LUEEC和LUEMODIS季节变化的一致性
(图3)。
242 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
表2 不同物候期的光能利用效率
犜犪犫犾犲2 犔犻犵犺狋狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狆犺犲狀狅狆犺犪狊犲 gC/MJ
光能利用效率Lightuseefficiency 年份Year 返青期Seedlingperiod 生长期Growingseason 枯黄期 Wiltperiod
观测的光能利用效率LUEEC 2004 0.4230±0.1575 0.4919±0.0965 0.2559±0.0341
2005 0.2895±0.0395 0.4973±0.1638 0.3216±0.0526
模拟的光能利用效率LUEMODIS 2004 0.3700±0.0986 0.5791±0.0474 0.3699±0.0685
2005 0.3380±0.1020 0.5696±0.0702 0.4050±0.1317
单因子线性回归分析(图4)表明,模拟的光能
图3 光能利用效率的季节变化
犉犻犵.3 犛犲犪狊狅狀犪犾犮犺犪狀犵犲狊狅犳犾犻犵犺狋狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔
利用效率能解释观测的光能利用效率的季节变
异;2004年和2005年回归方程的斜率相同,2004
年的犚2 稍大于2005年,而2004年的RMSE则
小于2005年,即2004年模拟的光能利用效率比
2005年更多地解释了观测的光能利用效率的季
节变异,同时模型误差较小,这说明2004年比
2005年的模拟效果好。
为了 定 量 化 分 析 光 能 利 用 效 率 差 值
(LUEMODIS-LUEEC)的影响因子,本研究对光能
利用效率差值和可能会造成该差值的10个因子
(总初级生产力、吸收的光合有效辐射、光合有效
辐射、吸收的光合有效辐射比、叶面积指数、归一
化植被指数、日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度
胁迫系数以及水分胁迫系数)进行了相关分析和
多重逐步回归分析(表5)。
表3 犔犝犈犈犆与日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度胁迫系数以及水分胁迫系数的相关分析
犜犪犫犾犲3 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犔犝犈犈犆犪狀犱犱犪犻犾狔犿犻狀犻犿狌犿犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜犪犿犻狀),犱犪狔狋犻犿犲犿犲犪狀
狏犪狆狅狉狆狉犲狊狊狌狉犲犱犲犳犻犮犻狋(犞犘犇),狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犜狊犮犪犾犪狉)
犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犠狊犮犪犾犪狉),狉犲狊狆犲犮狋犻狏犲犾狔
年份 Year 日最低气温犜犪min 饱和水汽压亏缺VPD 温度胁迫系数犜scalar 水分胁迫系数犠scalar
2004 0.619 -0.116 0.619 -0.076
2005 0.641 -0.215 0.641 0.150
注:和 分别表示显著性达到0.05和0.01水平,下同。
Note:and meansignificantdifferenceatthelevelof0.05and0.01probabilitylevels,respectively,thesamebelow.
表4 犔犝犈犈犆与日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度胁迫系数以及水分胁迫系数的多重逐步回归分析
犜犪犫犾犲4 犕狌犾狋犻狆犾犲狊狋犲狆狑犻狊犲狉犲犵狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犔犝犈犈犆犪狀犱犱犪犻犾狔犿犻狀犻犿狌犿犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜犪犿犻狀),
犱犪狔狋犻犿犲犿犲犪狀狏犪狆狅狉狆狉犲狊狊狌狉犲犱犲犳犻犮犻狋(犞犘犇),狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀
狊犮犪犾犪狉(犜狊犮犪犾犪狉)犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犠狊犮犪犾犪狉)
年份
Year
回归方程
Regressionequation
标准回归系数
Standardregressioncoefficients
决定系数
犚2
总均方根误差
RMSE(gC/MJ)
显著性概率
犘
2004 =0.73犜scalar 犜scalar:0.98 0.95 0.104 <0.001
2005 =0.71犜scalar 犜scalar:0.97 0.93 0.122 <0.001
342第21卷第1期 草业学报2012年
图4 模拟的光能利用效率和观测的光能利用效率的拟合
犉犻犵.4 犔犻狀犲犪狉犳犻狋狋犻狀犵犫犲狋狑犲犲狀犿狅犱犲犾犲犱犾犻犵犺狋狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔犪狀犱狅犫狊犲狉狏犲犱犾犻犵犺狋狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔
相关分析表明(表5),2004年的LUEMODIS-LUEEC和吸收的光合有效辐射、吸收的光合有效辐射比、叶面积
指数以及水分胁迫系数分别达到了显著或极显著相关水平,而和其他6个因子都没有达到显著相关水平;2005
年的LUEMODIS-LUEEC和10个因子都没有达到显著相关水平。
多重逐步回归分析表明(表6),有截距的情况下,在2004年截距项和进入回归方程的犠scalar有着很强的共线
性,在2005年则是10个参与回归的因子没有任何一个因子进入回归方程,而只有截距项;无截距的情况下,2004
年只有LAI进入回归方程,并极显著地解释了37%的LUEMODIS-LUEEC季节变异,2005年则只有APAR进入
了回归方程,并极显著地解释了36%的LUEMODIS-LUEEC季节变异。
表5 犔犝犈犕犗犇犐犛-犔犝犈犈犆与日总初级生产力、吸收的光合有效辐射、光合有效辐射、吸收的光合有效辐射比、叶面积指数、
归一化植被指数、日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度胁迫系数以及水分胁迫系数的相关分析
犜犪犫犾犲5 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犔犝犈犕犗犇犐犛-犔犝犈犈犆犪狀犱犵狉狅狊狊狆狉犻犿犪狉狔狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀(犌犘犘),犪犫狊狅狉犫犲犱狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔
犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀犫狔狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮犪狀狅狆狔(犃犘犃犚),狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀(犘犃犚),犳狉犪犮狋犻狅狀狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔犪犮狋犻狏犲
狉犪犱犻犪狋犻狅狀(犉犘犃犚),犾犲犪犳犪狉犲犪犻狀犱犲狓(犔犃犐),狀狅狉犿犪犾犻狕犲犱犱犻犳犳犲狉犲狀犮犲狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犻狀犱犲狓(犖犇犞犐),犱犪犻犾狔犿犻狀犻犿狌犿犪犻狉
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜犪犿犻狀),犱犪狔狋犻犿犲犿犲犪狀狏犪狆狅狉狆狉犲狊狊狌狉犲犱犲犳犻犮犻狋(犞犘犇),狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犜狊犮犪犾犪狉)
犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犠狊犮犪犾犪狉),狉犲狊狆犲犮狋犻狏犲犾狔
年份
Year
总初级
生产力
GPP
吸收的光合
有效辐射
APAR
光合有效
辐射
PAR
吸收的光合
有效辐射比
FPAR
叶面积
指数
LAI
归一化植被
指数
NDVI
日最低
气温
犜犪min
饱和水汽压
亏缺
VPD
温度胁迫
系数
犜scalar
水分胁迫
系数
犠scalar
2004 0.205 0.631 -0.421 0.639 0.606 0.538 0.315 -0.514 0.315 0.759
2005 0.140 0.502 0.290 0.425 0.420 0.402 0.217 0.258 0.217 -0.243
表6 犔犝犈犕犗犇犐犛-犔犝犈犈犆与日总初级生产力、吸收的光合有效辐射、光合有效辐射、吸收的光合有效辐射比、叶面积指数、
归一化植被指数、日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度胁迫系数以及水分胁迫系数的多重逐步回归分析
犜犪犫犾犲6 犕狌犾狋犻狆犾犲狊狋犲狆狑犻狊犲狉犲犵狉犲狊狊犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犫犲狋狑犲犲狀犔犝犈犕犗犇犐犛-犔犝犈犈犆犪狀犱犵狉狅狊狊狆狉犻犿犪狉狔狆狉狅犱狌犮狋犻狅狀(犌犘犘),犪犫狊狅狉犫犲犱
狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀犫狔狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮犪狀狅狆狔(犃犘犃犚),狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀(犘犃犚),
犳狉犪犮狋犻狅狀狆犺狅狋狅狊狔狀狋犺犲狋犻犮犪犾狔犪犮狋犻狏犲狉犪犱犻犪狋犻狅狀(犉犘犃犚),犾犲犪犳犪狉犲犪犻狀犱犲狓(犔犃犐),狀狅狉犿犪犾犻狕犲犱犱犻犳犳犲狉犲狀犮犲狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀
犻狀犱犲狓(犖犇犞犐),犱犪犻犾狔犿犻狀犻犿狌犿犪犻狉狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲(犜犪犿犻狀),犱犪狔狋犻犿犲犿犲犪狀狏犪狆狅狉狆狉犲狊狊狌狉犲犱犲犳犻犮犻狋(犞犘犇),
狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犜狊犮犪犾犪狉)犪狀犱狑犪狋犲狉犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狊犮犪犾犪狉(犠狊犮犪犾犪狉),狉犲狊狆犲犮狋犻狏犲犾狔
年份
Year
回归方程
Regressionequation
标准回归系数
Standardregressioncoefficients
决定系数
犚2
总均方根误差
RMSE(gC/MJ)
显著性概率
犘
2004 =0.09LAI LAI:0.66 0.37 0.1007 0.028
2005 =0.01APAR APAR:0.65 0.36 0.1068 0.030
442 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
3 讨论与结论
观测的光能利用效率与日最低气温的相关性强于观测的光能利用效率与饱和水汽压亏缺的相关性,且观测
的光能利用效率与温度胁迫系数的相关性强于观测的光能利用效率与水分胁迫系数的相关性(表3)。观测的光
能利用效率与日最低气温、饱和水汽压亏缺、温度胁迫系数以及水分胁迫系数的多重逐步回归分析结果显示,只
有温度胁迫系数进入了回归方程,并极显著地解释了95%以上观测的光能利用效率的季节变异(表4)。这些结
果同时表明了高寒草甸生态系统光能利用效率的季节变化主要受控于日最低空气温度。温度胁迫系数的值域宽
度、标准差、变异系数分别大于水分胁迫系数的值域宽度、标准差、变异系数(表1)。配对T检验表明,温度胁迫
系数均值极显著地小于水分胁迫系数均值。这些也都间接说明了温度胁迫系数比水分胁迫系数更能反应光能利
用效率的季节变化。总之,相对于水分胁迫系数而言,温度胁迫系数更能够解释观测的光能利用效率的季节变
异。
虽然2004年和2005年的模拟值分别高估了约14.97%和16.57%的观测值,但是模拟的光能利用效率和观
测的光能利用效率差异并不显著,这表明基于 MODIS算法的光能利用效率模型在定量化藏北高寒草甸生态系
统光能利用效率方面具有较高的精度。
模拟的光能利用效率和观测的光能利用效率的差值的多重逐步回归分析结果显示,2004年的差异主要由
LAI解释,而2005年的差异主要由APAR解释。在本研究中,LAI被用来计算FPAR,而FPAR是APAR的一
个关键参数,所以,可以说模拟值和观测值之间的差异主要由APAR解释。光能利用效率差值的多重回归方程
的犚2 值比较小,且回归方程也只是达到了显著水平,模拟光能利用效率和观测光能利用效率均值的差异性不显
著在一定程度上可以解释这个结果。因此,模拟值高估的14.97%~16.57%的观测值主要受APAR的影响。
研究[6,8]表明,低温将抑制植物代谢和限制植物生长。因此,在生产力光能利用效率模型中,空气温度常作
为最大光能利用效率的温度胁迫因子[6,8,26]。在气候生产力模型[18]中,空气温度也是一个非常重要的输入参数。
与本研究不同的是在其他一些模型中,如植被光合模型(vegetationphotosynthesismodel,VPM)[26]和CASA模
型[2],平均气温被用来反应温度对最大光能利用效率的胁迫作用。本研究通过相关分析比较了平均气温和日最
低气温对光能利用效率的胁迫作用,结果发现,2004年和2005年平均气温和观测的光能利用效率的相关系数分
别为0.515(犘=0.064)和0.448(犘=0.097),即都没有达到显著水平,而2年的日最低气温和观测的光能利用
效率的相关性都达到了显著水平(表3);2004和2005年平均气温计算的温度胁迫系数[6,26]和观测的光能利用效
率的相关系数分别为0.538(犘=0.054)和0.438(犘=0.103),即也都没有达到显著水平,而2年的日最低气温
计算的温度胁迫系数和观测的光能利用效率的相关性都达到了显著水平(表3)。因此,在定量化藏北高寒草甸
生态系统光能利用效率季节变化方面,日最低气温优于平均气温。
此外,很多研究[2729]表明,较高的饱和水汽压亏缺将引起气孔关闭,气孔阻力增加,叶片光合速率降低,从而
导致生产力降低。因此,除 MODIS光能利用效率模型采用了饱和水汽压亏缺作为最大光能利用效率的水分胁
迫因子外,如GLOPEM等模型[1]也采用了饱和水汽压亏缺。
参考文献:
[1] PrinceSD,GowardSN.Globalprimaryproduction:aremotesensingapproach[J].JournalofBiogeography,1995,22:815
835.
[2] PotterCS,RandersonJT,FieldCB,犲狋犪犾.Terrestrialecosystemproduction:aprocessmodelbasedonglobalsateliteand
surfacedata[J].GlobalBiogeochemicalCycles,1993,7:811841.
[3] 王莺,夏文韬,梁天刚,等.基于 MODIS植被指数的甘南草地净初级生产力时空变化研究[J].草业学报,2010,19(1):
201210.
[4] 公延明,胡玉昆,阿德力麦地,等.高寒草原对气候生产力模型的适用分析[J].草业学报,2010,19(2):713.
[5] 王雯癑,韩清芳,宗毓峥,等.不同叶型紫花苜蓿不同茬次光合效率的差异[J].草业科学,2010,27(5):5056.
[6] YuanWP,LiuSG,ZhouGS,犲狋犪犾.Derivingalightuseefficiencymodelfromeddycovariancefluxdataforpredictingdaily
542第21卷第1期 草业学报2012年
grossprimaryproductionacrossbiomes[J].AgriculturalandForestMeteorology,2007,143:189207.
[7] WuCY,NiuZ,TangQ,犲狋犪犾.RemoteestimationofgrossprimaryproductioninwheatusingchlorophyIIrelatedvegetation
indices[J].AgriculturalandForestMeteorology,2009,149:10151021.
[8] CoopsNC,JassalRS,LeuningR,犲狋犪犾.IncorporationofasoilwatermodifierintoMODISpredictionsoftemperateDouglas
firgrossprimaryproductivity:Initialmodeldevelopment[J].AgriculturalandForestMeteorology,2007,147:99109.
[9] RunningSW,NemaniRR,HeinschFA,犲狋犪犾.Acontinuoussatelitederivedmeasureofglobalterrestrialprimaryproduc
tion[J].Bioscience,2004,54:547560.
[10] CookBD,BolstadPV,NaessetE,犲狋犪犾.UsingLiDARandquickbirddatatomodelplantproductionandquantifyuncertain
tiesassociatedwithwetlanddetectionandlandcovergeneralizations[J].RemoteSensingofEnvironment,2009,113:2366
2379.
[11] HeinschFA,ZhaoMS,RunningSW,犲狋犪犾.EvaluationofremotesensingbasedterrestrialproductivityfromMODISusing
regionaltowereddyfluxnetworkobservations[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2006,44:1908
1925.
[12] ZhangYQ,YuQ,JiangJ,犲狋犪犾.CalibrationofTerra/MODISgrossprimaryproductionoveranirrigatedcroplandonthe
NorthChinaPlainandanalpinemeadowontheTibetanPlateau[J].GlobalChangeBiology,2008,14:757767.
[13] ZhaoMS,HeinschFA,NemaniRR.ImprovementsoftheMODISterrestrialgrossandprimaryproductionglobaldataset[J].Re
moteSensingofEnvironment,2005,95:164176.
[14] TurnerDP,RittsWD,CohenWB,犲狋犪犾.EvaluationofMODISNPPandGPPproductsacrossmultiplebiomes[J].Remote
SensingofEnvironment,2006,(34):282292.
[15] XuLL,ZhangXZ,ShiPL,犲狋犪犾.EstablishmentofapparentquantumyieldandmaximumecosystemassimilationonTibet
anPlateaualpinemeadowecosystem[J].SciencesinChinaSeriesD,2005,48:141147.
[16] NiJ.CarbonstorageingrasslandsofChina[J].JournalofAridEnvironment,2002,50:205218.
[17] 李东,黄耀,吴琴,等.青藏高原高寒草甸生态系统土壤有机碳动态模拟研究[J].草业学报,2010,19(2):160168.
[18] 周刊社,杜军,袁雷,等.西藏怒江流域高寒草甸气候生产潜力对气候变化的响应[J].草业学报,2010,19(5):1724.
[19] 仁青吉,武高林,任国华.放牧强度对青藏高原东部高寒草甸植物群落特征的影响[J].草业学报,2009,18(5):256261.
[20] 付刚,沈振西,张宪洲,等.基于 MODIS影像的藏北高寒草甸的蒸散模拟[J].草业学报,2010,19(5):103112.
[21] FalgeE,BaldocchiD,OlsonR,犲狋犪犾.Gapfilingstrategiesfordefensibleannualsumsofnetecosystemexchange[J].Agri
culturalandForestMeteorology,2001,107:4369.
[22] FuY,ZhengZ,YuG,犲狋犪犾.EnvironmentalinfluencesoncarbondioxidefluxesoverthreegrasslandecosysteminChina[J].
Biogeosciences,2009,6:28792893.
[23] YuGR,ZhangLM,SunXM,犲狋犪犾.Environmentalcontrolsovercarbonexchangeofthreeforestecosystemsineastern
China[J].GlobalChangeBiology,2008,14:25552571.
[24] RuimyA,KergoatL,BondeauA,犲狋犪犾.Comparingglobalmodelsofterrestrialnetprimaryproductivity(NPP):analysisof
differencesinlightabsorptionandlightuseefficiency[J].GlobalChangeBiology,1999,5:5664.
[25] XuLL,ZhangXZ,ShiPL,犲狋犪犾.Modelingthemaximumapparentquantumuseefficiencyofalpinemeadowecosystemon
TibetanPlateau[J].EcologicalModeling,2007,208:129134.
[26] XiaoXM,ZhangQY,BraswelB,犲狋犪犾.Modelinggrossprimaryproductionoftemperaturedeciduousbroadleafforestusing
sateliteimagesandclimatedata[J].RemoteSensingofEnvironment,2004,91:256270.
[27] AlmeidaAC,LandsbergJJ.Evaluatingmethodsofestimatingglobalradiationandvaporpressuredeficitusingadensenet
workofautomaticweatherstationsincoastalBrazil[J].AgriculturalandForestMeteorology,2003,118:237250.
[28] 同小娟,李俊,王玲.农田光能利用效率研究进展[J].生态学杂志,2008,27(6):10211028.
[29] 同小娟,李俊,于强.农田生态系统光能利用效率及其影响因子分析[J].自然资源学报,2009,24(8):13931401.
642 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
犕狅犱犲犾犻狀犵犾犻犵犺狋狌狊犲犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔狅犳犪犾狆犻狀犲犿犲犪犱狅狑狊狅狀狋犺犲犖狅狉狋犺犲狉狀犜犻犫犲狋犪狀
犘犾犪狋犲犪狌犫犪狊犲犱狅狀狋犺犲犕犗犇犐犛犪犾犵狅狉犻狋犺犿
FUGang1,2,SHENZhenxi1,ZHANGXianzhou1,SHIPeili1,HEYongtao1,
WUJianshuang1,2,ZHOUYuting1,2
(1.LhasaPlateauEcosystemResearchStation,KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationand
Modeling,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyof
Sciences,Beijing100101,China;2.GraduateUniversityofChineseAcademyof
Sciences,Beijing100049,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Lightuseefficiency(LUE)isdefinedastheratioofprimaryproductiontoabsorbedphotosynthetical
lyactiveradiation(APAR)byavegetationcanopyanditreflectsthecapabilityofusingluminousenergy.
Quantitativeanalysisofthetemporalandspatialvariationsofprimaryproductionisbasedonthequantitativea
nalysisLUEandisanimportantcomponentofquantitativeanalysisoftheglobalcarboncycle.Therefore,
quantitativeanalysisoftheglobalvegetationLUEisanimportantcomponentofquantitativeanalysisofthe
globalcarboncycle.TheLUEofalpinemeadowsontheNorthernTibetanPlateauweremodeledbasedonthe
MODISLUEalgorithmin2004-2005.Dailyminimumairtemperature(犜犪min)andvaporpressuredeficit
(VPD)wereusedtocalculatethetemperatureattenuationscalar(犜scalar)andwaterattenuationscalar(犠scalar),
respectively.Basedoncorrelationanalysisandmultiplestepwiselinearregressionanalysis,the犜scalarmightex
plainmoreseasonalvariationsofLUEthanthe犠scalar.ModeledLUEvalueswereabout14.97%and16.57%
largerthanobservedLUEvaluesin2004and2005,respectively.However,therewasnosignificantdifference
betweenmodeledLUEandobservedLUE.ThismeansthattheLUEmodelbasedontheMODISalgorithmhad
highaccuracytomodelLUEofalpinemeadowsontheNorthernTibetanPlateau.Correlationanalysisshowed
thatthecorrelationcoefficientbetweenobservedLUEand犜犪min waslargerthanthatbetweenobservedLUE
andmeanairtemperature.Thisindicatedthat犜犪minwasbetterthanmeanairtemperatureinquantitativeanaly
sisoftheLUEseasonalchange.TheLUEmodelbasedontheMODISalgorithmaccuratelyquantifiedtheLUE
ofalpinemeadowsontheNorthernTibetanPlateau.
犓犲狔狑狅狉犱狊:lightuseefficiency(LUE);alpinemeadow;MODIS;NorthernTibetanPlateau
742第21卷第1期 草业学报2012年