生态学报ACTAECOLOGICASINICA
Vol.27,No.12
Dec.,2007
基于MODIS的中国陆地植被生长及其与气候的关系
何 勇,董文杰,郭晓寅,丹 利
1
1
2
3
(1.国家气候中心,北京 100081;2.中国气象科学研究院,北京 100081;
3.中国科学院东亚区域气候2环境重点实验室,中科院大气物理研究所,北京 100029)
摘要:基于MODIS2000～2005(缺2004年)5a每8d的GPP资料,分析了中国陆地植被生长特征,讨论了我国气候因子(温度、
-2-1
降水以及辐射)对同期植被生长的影响。研究结果显示,中国陆地植被的年均GPP分布范围在0～3252.6gC・m・a之间,5a-2-1平均值为491.1gC・m・a;年均GPP最大的地方主要分布于云南南部、海南、台湾以及东南沿海部分地区,最小值主要出现在
青藏高原、新疆以及内蒙古西部等高寒、干旱地区。温度是影响同期我国陆地植被生长的主要因子,其次为降水,辐射对我国陆地植被的影响比较小,主要影响区域在华南地区。陆地植被GPP与温度和降水的相关系数在我国表现为自北向南逐渐减小的分布特征,与对应气候因子的分布呈反向关系;而GPP与云量的相关系数则自北向南逐渐增大。关键词:MODIS;GPP;植被生长;气候
文章编号:100020933(2007)1225086207 中图分类号:Q948 文献标识码:A
TheterrestrialgrowthanditsrelationshipwithclimateinChinabasedontheMODISdata
HEYong,DONGWen2JieGUOXiao2Yin,DANLi
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1NationalClimateCenter,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China
2ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China
3STARTRegionalCenterforTemperateEastAsiaandKeyLaboratoryofRegionalClimate2EnvironmentforTemperateEastAsia,InstituteofAtmospheric
Physics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,ChinaActaEcologicaSinica,2007,27(12):5086～5092.
Abstract:TheterrestrialgrowthcharacteristicsofChinaandtheirrelationshipwithvariousclimaticfactors(e.g.temperature,precipitationandradiation)wereinvestigatedusingthedatacollectedbytheModerateResolutionImagingSpectroradiometer(MODIS).Thisdatawascollectedduringtheperiodbetween2000-2003andthenagainin2005,withthecollectionsoccurringonceevery8days.Theaverageannualgrossprimaryproduction(GPP)inChinaduringthistimeperiodrangedfrom0to3252.6gC・m・a,withanaveragevalueof491.1gC・m・a
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beingrecorded.Themaximum
observedvaluesoftheGPPweredistributedovertheregionsofYunnan,HainanandtheTaiwaneseprovincesandsoutheastcoastalareas,whiletheminimumvalueswereobservedinthecoldandaridregionsoftheTibetenPlateau,XinjiangandInnerMongolia.Correlationanalysisshowedthattemperaturewastheprimaryfactorinfluencingthisterrestrialgrowth,withprecipitationplayingasecondaryrole.However,onlytheterrestrialgrowththatoccurredinsouthernChinawereaffectedbyradiation.ThecorrelationcoefficientsoftheGPPwithtemperatureandprecipitationdecreasedfromnortherntosouthern
基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2006CB400503)收稿日期:2006209221;修订日期:2007203205
作者简介:何勇(1972～),男,江西吉安人,副研究员,主要从事气候变化和全球变化对区域生态系统影响研究.E2mail:heyong@cma.gov.cn
Foundationitem:TheprojectwasfinanciallysupportedbytheNationalKeyBasicDevelopmentProject,“TheAridityandHumanAdaptationinNorthern(No.2006CB400503)China”
Receiveddate:2006209221;Accepteddate:2007203205
Biography:HEYong,Associateprofessor,mainlyengagedinclimatechangeandglobalchangeontheecosystem.E2mail:heyong@cma.gov.cn
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12期 何勇 等:基于MODIS的中国陆地植被生长及其与气候的关系 5087
ChinaandwerenegativelyrelatedwiththedistributionoftheassociatedclimaticfactorswithinChina.Furthermore,thecorrelationcoefficientoftheGPPwithcloudcontentswasobservedtoincreasefromnortherntosouthernChina.KeyWords:MODIS;GPP;terrestrialgrowth;climate
植物是人类消耗的所有食物、纤维以及燃料的来源,植物将光能转化为生物量的速率就是初级生产力(primaryproductivity),植物总的转化能量则称为总生产力(grossprimaryproductivity,GPP),在总生产力中有
近一半的有机质碳转化为植物的根、茎、叶等组织,另一半则通过自养呼吸而排放到大气中[1]
;将总生产力减
去植物自养呼吸消耗的那部分有机物就是净初级生产力(netprimaryproductivity,NPP)。植物的总生产力和净初级生产力不仅可以反映植被生长状况,也可以反映陆地生态系统与大气之间的碳交换过程,是全球变化以及碳循环研究的一个重要内容。人类研究植被生产力及其地理分布有相当长的历史,对陆地植被初级生产力的研究方法主要有两种,野外收割实测法和利用模式模拟计算法。第1种方法就是在单位面积的土地上收割某种植物,晾干后称重计算该种植物的生产力;第2种方法就是通过模式中的参数化方案来模拟各种植被的生产力,该方法现已成为估算陆地生态系统生产力的主要手段。在第2种方法中,随着遥感和地理信息系统技术的发展,建立遥感信息与实测数据之间的数学模型,开展区域以及全球尺度下的陆地生态系统生产力的研究,已经成为全球陆地生态系统生产力研究的主要方向之一和全球大尺度上的估算和预测能力
[4]
[2,3]
,并将大大增强人类植被生产力在区域
。
美国NASA于1999年发射了具有中分辨率成像光谱仪传感器(MODIS)的Tera极地轨道环境遥感卫星,其传送回来的遥感数据已经广泛应用于地表覆盖变化、生物生产力和生态环境监测、气候预测和自然灾害监测。在MODIS对陆地监测的产品中提供了2000年以来近乎实时的全球每8d、分辨率为1km的GPP产品(MOD17A2)[5]。该产品主要利用遥感反演的光合作用有效能(FPAR)、光和有效辐射(PAR)以及其他的地
表气象资料,利用光能利用率的方法来计算每日的GPP,再累加获得每8d的GPP值。该产品已经对全球各种植被类型
[6,7]
以及热带地区的植被
[8]
等都进行了验证,是监测全球以及区域陆地植被生长状况的一种较好
资料;另外MODIS还发布了全球1km的陆地植被年NPP的产品(MOD17A3),MOD17A2与MOD17A3都可以反映全球地表植被的生长状况,但是由于每8d的MOD17A2全球GPP产品时间序列比MOD17A3丰富,本文选取其来讨论我国陆地植被生长的特征及其与气候的关系。在我国,MODIS的植被生产力资料已经被用来监测青藏高原地区以及南水北调地区植被生长状况1 数据来源
[9,10]
,同时讨论华北地区植被生长与气候的关系①。
本研究中所用的MODIS资料为2000～2005年(缺2004年,经与MODIS研究人员私人交流认为反演的MODIS2004年的GPP资料有问题,因此在本研究中被剔除,下同)5a的全球的GPP数据,该资料的分辨率为1km,正弦投影,时间分辨率为8d。为了数据处理上的方便,利用NOAA提供的MRT软件将MODIS数据转换
成0.05度的经纬度投影的网格数据;气候资料来自于国家气候中心2000～2005年648个台站的逐日气温、降水以及总云量的气象观测资料。2 资料分析
从2000～2005年每8d全国平均GPP变化曲线分析表明(图1),我国陆地植被的GPP生长表现出显著的年际变化规律,GPP最大值一般出现在每年夏季的7月份,最小值出现在冬季的2月份。对于每年的最大
-2-2
值,2002年的最大(24.81gC・m),2005年的最小(16.77gC・m);对于每年的最小值,2001年最大(1.56
gC・m
-2
-2
),2003年最小(0.64gC・m)。
2000～2005年我国陆地植被年均GPP(将每年的每8dGPP累加获得一年的GPP值,然后再进行5a平
①曲辉.应用MODIS遥感信息评估华北平原植被净第一性生产力(NPP).吉林大学硕士论文,2004年
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均)变化范围为0～3186.1gC・m・a,5a平均值为461gC・m・a。我国陆地植被年均GPP呈现出从东南
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向西北逐渐减小的变化趋势,我国中东部地区植被的年均GPP普遍大于400gC・m・a,而西部地区的年均GPP一般小于400gC・m・a;在我国,年均GPP最大
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值出现在云南西南部、海南以及台湾等地,GPP一般都大于2000gC・m・a,年均GPP最小值出现在青藏高原的北部以及新疆、内蒙古中西部的荒漠戈壁等地(图2)。
图1 2000～2005年每8d我国年均GPP变化曲线(缺2004年) Fig.1 TheterrestrialGPPvariationofevery8daysfrom2000to2005
inChina(lackofthedatain2004)-2
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从我国陆地植被年均GPP分布范围分析显示(表1),我国陆地植被年均GPP主要分布于0～400gC・m-1
-2-1-2-1
-2・a的变化区间,占总数的比例为32.97%,其次为400～800gC・m・a,所占比例为24.1%;年均GPP为1200～1600gC・m・a、1600～2000gC・m・a以及2000～2400gC・m・a的都较小,一般在1%～5%之间,
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而2400～2800gC・m・a以及大于2800gC・m・a的比例都小于1%。
表1 中国陆地植被年均GPP分布特征
Table1 TheterrestrialaverageannualGPPcharacteristicinChina
GPP(gC・m-2・a-1)
0～40032.972000～2400
1.0
400～80024.12400～2800
0.1
800～120011.98>28000.02
1200～1600
3.8Nodata22.78
1600～2000
3.25
-2-1-2-1
百分比Percent(%)
GPP(gC・m-2・a-1)
百分比Percent(%)
3 讨论
已有研究表明,温度、降水、太阳辐射等气候因素以及土地利用的变化、CO2的施肥效应等都对全球不同地区的陆地植被生长产生不同的影响。Nemani
[11]
对全球地表植被的生长与气候因子(水分、温度、辐射)的
关系分析表明,水分对于全球植被生长的影响超过了40%,而温度以及辐射的影响作用分别为33%和27%,1982～1999年全球NPP增长的80%来自热带以及北半球高纬度地区。对赤道热带雨林的生产力研究表
明
[3]
,太阳辐射的变化是导致该地区陆地植被生产力年际变化的主要因素,在部分地区温度和降水也起到了
[12]
一定的作用。方精云等认为1982～1999年中国平均年NDVI增加了7.4%的主要驱动因子就是由于温度上升、夏季降水的增加以及农业活动的加强
;李月臣等对中国北方植被平均NDVI与气候关系的分析显示,
[13]
北方植被在1982～1999年的平均NDVI生长季增加了11.69%,植被变化与气温相关性显著而与降水无显著相关,气温的升高引起生长期提前以及生长期延长是植被增加的一个重要因素
;温刚等人的研究显示,中
[14]
国东部地区植被生长的各个阶段都同步响应于温度的季节变化,而滞后于降水的变化。上述研究表明气
候变化(温度、降水)对于植被的生长有着重要的影响,尤其是在植被的生长季节。但是如何界定植被的生长季节呢?如果光从时间上或者对NDVI资料的分析上来划分的话,难免会有所欠缺,而植被的GPP则为该研究提供了良好的资料,GPP反映的就是植被的生长速率,其是反映植被生长的一个直接参数。本研究中,为了更好地反映气候对植被生长的影响,分析了MODIS的2000～2005年(缺2004年)5a平均的每16d的全球GPP资料(将相邻两个每8d的GPP值累加获得)与同期的5a平均的气候资料(温度、降水以及云量),讨论我
国陆地植被的生长与气候的关系。根据张家诚等人的研究
[15]
,将全国划分为8个区域,分别为东北(1区)、
东部干旱2半干旱区(2区)、西部干旱2半干旱区(3区)、华北(4区)、华中(5区)、华南(6区)、西南(7区)以及青藏高原(8区),分别代表了我国不同的气候特征。将每个区域站点的16d的气温、降水量以及总云量(由于全国的辐射站点相对较少,用总云量来作为辐射的替代指标,云量多对应于辐射小)与对应点的大于0(植被处于生长期)的GPP值进行了相关性分析,分析结果见表2。
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2000～2005年我国气候要素(年均气温、年降水量,年
均总云量,缺2004年)5a平均分布显示(图3),年平均气温、年降水量呈现出自东南向西北逐渐减小的变化趋势,而年均总云量的变化显示南方高、北方低的特征,总云量最大值出现在西南地区东部。对我国陆地植被GPP与气温、降水以及云量的相关性分析表明,在全国范围内,同期气温与植被的GPP的相关系数显著大于其与降水和云量的相关系数,温度是我国陆地植被的生长的主要的影响因素,降水其次,而云
表2 我国不同区域GPP与同期气温(T)、降水(P)以及云量(C)的
相关性分析
Table2 TherelationshipbetweentheChineseterrestrialGPPofdifferentregionswiththetemperature(T),precipitation(P)andcloud(C)inthesametime
区域Region
12345678
GPP2T0.82(59.8)0.81(51.6)0.72(52.2)0.85(56.3)0.63(57.3)0.52(48.1)0.7(61.9)0.57(45.2)0.7(54)
GPP2P0.48(35)0.57(36.3)0.18(13)0.5(33.1)0.29(26.4)0.26(24.1)0.36(31.9)0.52(41.3)0.40(30.4)
GPP2C0.07(5.2)0.19(12.1)0.48(34.8)0.16(10.6)0.18(16.3)0.3(27.8)0.07(6.2)0.17(13.5)0.2(15.6)
全国平均
AverageinChina
括号内的值为各个相关系数占总相关系数的百分比Thevalue
inthecomaisthepercentofthedifferentcorrelationcoefficientinthecorrelationcoefficientssummary
[13]
量(辐射)的影响最小。本文研究结论也与李月臣及
温刚
[14]
等人的研究结论相一致。在我国,东北、东部干
旱2半干旱区、华北陆地植被的GPP与温度的相关系数最大,介于0.8～0.85之间;其次为西南和西部干旱2半干旱区,相关系数在0.7～0.8之间;最小的为青藏高原和华南,相关系数为0.57和0.52之间,我国植被GPP与温度的相关系数呈现出自北向南纬向减小的趋势。对而我国植被GPP与降水的相关系数分析显示,其表现为自西北向东南逐渐减小,与我国年降水量的的自东南向西北减小的变化特征(图3)呈反向关系。对于我国植被GPP与降水的相关性,在东北、东部干旱2半干旱区、华北以及青藏高原地区的降水量在250～650mm范围内的半干旱2半湿润地区,植被的GPP与降水的相关系数普遍较大,一般在0.5～0.6之间;而在降水量大于650mm的华中、西南以及华南等湿润地区,GPP与降水
的相关系数逐渐减小,分别为0.29、0.36和0.26,由于该地区的降水量已经基本能够满足植被的生长需求了,因此降水的变化对植被的生长的影响就相对减小;在西部干旱地区植被的GPP与降水的相关系数只有0.18,
图3 2000～2005年(缺2004年)我国5a平均气温(℃)、降水量
(mm)以及云量(%)分布图
Fig.3 Theaverageannualtemperature(℃),precipitation(mm)andcloud(%)distributionsinChinafrom2000to2005(lackthedatain2004)
这可能主要与该地区的植被所需水分的来源有关,西部干旱2半干旱地区的植被生长所需水分主要来自雪山融雪以及人工灌溉,而大气降水的影响相对较小,故同期大气降水对植被的生长的影响较小,而温度的升高有利于高山雪水的融化,因此该区域的温度与植被的GPP
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相关系数也较高,达0.72。在我国,南方地区的云量明显大于北方地区(云量的减小意味着太阳辐射的增加),这也与我国北方地区的辐射大于南方地区是一致的。对我国陆地植被GPP与云量相关性分析表明,相关系数基本上表现为自北向南增加的趋势,在我国的东北和西南最小(0.07),而在华南较大,为0.3,表明辐射对我国华南地区植被生长的影响要高于我国的其他地区。值得注意的是在西部干旱2半干旱地区GPP与云量的相关系数达到了0.48,显著大于我国其他地区植被生长与云量的关系。根据陈汉耀等人对新疆南疆地区云量与辐射的关系研究认为,决定该地区太阳直接辐射、散射辐射以及总辐射之间的比例的主要因素是浮尘天气的多少而非云量的多寡
[16]
。因此认为由于西部干旱2半干旱区主要处于沙漠、戈壁地区,该地区的
云量可能不能反映辐射的变化,因此云量与植被生长的关系不能代表该地区辐射与植被生长的关系。
综合我国的主要气候因子(气温、降水以及辐射)对我国植被生长的相关性分析表明,每种气候因子与植被生长的相关性都呈反相关关系,温度升高、降水增加、辐射增大对应于其与植被GPP的相关系数的减小,反之亦然。
为了了解不同的气候因子对植被生长的影响程度,将每一个区域的3个相关系数相加,然后计算各个气候因子的相关系数占总相关系数的比例(图4、表2)。图4中各个区域饼状图的蓝色、红色和淡黄色分别代表了气温、降水以及云量的比例。表2中,气温占的比例在40%～60%之间,全国平均为54%,降水的变化比例为20%～40%之间,全国平均值30.4%,而云量所占比例最小,大都小于30%(西部干旱2半干旱区除外),全国平均值仅为15.6%。我国不同地区各种气候因子对植被生长的影响比例在全国的变化趋势与相关系数的分布类似,基本上也是呈自北向南的变化特征。我国气候因子(温度、降水和辐射)对植被生长影响的程度与全球平均值相比
[8]
,温度的影响程度增加,而降水接近全球平均值,辐射的影响程度减小。引起这些差异主
要与我国所处的地理位置有关,我国处于北半球中高纬度地区,这些地区的植被生长主要受温度和水分的影响,而受辐射影响较大的热带、亚热带地区植被在我国分布很少,只在华南以及西南南部有所分布,故在我国温度与降水对GPP的影响较大,而辐射的影响较小。5 结论
本文基于MODIS的GPP资料讨论了我国陆地植被的生长特征以及与气候的关系,研究结果显示,气温与同期我国陆地植被GPP的相关性要高于降水和辐射,GPP与气候因子(温度、降水和辐射)的相关系数在我国的分布特征与对应的气候因子在我国的分布呈现反相分布关系。对气温、降水以及辐射这3个主要气候因子对植被生长影响的比例分析表明,各种气候因子对植被生长的影响比例在我国的分布特征与其相关系数的分布特征类似,温度在这3个气候因子中所占比例最大,其次为降水,辐射对植被的影响的比例最小;上述气候因子对我国植被生长影响的比例与全球的研究结果有所差异,而造成这些差异的主要原因是由于我国特殊的地理位置所导致的。当然,影响陆地植被生长的因素很多,例如大气二氧化碳浓度,由于人类的排放大气中二氧化碳浓度也在逐年升高,其对植被生长的影响也会越来越大。
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