基于RS和GIS的陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力估算及不確定性研究——以青藏高原草地樣帶為例.pdf

1、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球變化研究的核心內(nèi)容之一，而陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力是碳循環(huán)的重要組成部分；青藏高原特殊的氣候變化特征，在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用。本文以青藏高原草地樣帶為研究區(qū)域，以中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUx)站點(diǎn)渦度相關(guān)通量觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合遙感手段獲取的樣帶區(qū)域內(nèi)植被生長信息、區(qū)域空間氣象插值數(shù)據(jù)和地表草地覆蓋狀況，以不同時空尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力估算及估算結(jié)果的不確定性評價為研究核心，利用遙感(RS)和地

2、理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)和生態(tài)模型實現(xiàn)了青藏高原草地樣帶陸地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity，GPP)區(qū)域尺度上的模擬，并對站點(diǎn)和樣帶區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空分布格局估算及估算結(jié)果的不確定性評價進(jìn)行了探討性的分析研究。本文主要在以下幾個方面開展工作并獲得了一些認(rèn)知和結(jié)論： (1)通過分析樣帶區(qū)域內(nèi)高寒草甸(HBBT)、高寒灌叢(HBGC)、沼澤化濕地(HBSD)和草原化高寒草甸(DX)

3、四個通量觀測站點(diǎn)草地生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)變化特征，研究結(jié)果表明HBBT矮嵩草草甸生態(tài)系統(tǒng)植被光合作用能力較強(qiáng)，年GPP總量為652.2gC/m2，明顯高于其他三種生態(tài)系統(tǒng)；通過利用“單塔日變化法”獲得四站點(diǎn)通量觀測數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差，結(jié)果表明通量觀測隨機(jī)誤差概率分布呈現(xiàn)尖峰厚尾的特征，與正態(tài)分布相比，更服從雙邊指數(shù)(Laplace)分布，進(jìn)一步分析表明通量觀測隨機(jī)誤差隨環(huán)境變量(風(fēng)速、溫度和光合有效輻射)的變化而變化，這違背了普通最

4、小二乘法(OLS)進(jìn)行生態(tài)過程模型參數(shù)優(yōu)化正態(tài)分布且誤差同質(zhì)的假設(shè)，因此本研究中引入最大似然法(MLE)進(jìn)行生態(tài)過程模型(植物光合、呼吸模型)參數(shù)優(yōu)化。同時利用蒙特卡洛(Monte Carlo)Bootstrapping不確定性分析方法，對模型參數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力估算結(jié)果進(jìn)行不確定性分析評價，HBGC、HBSD、HBBT和DX四站點(diǎn)通過MLE方法獲取的最大光能利用率參數(shù)(α)相對不確定性(Ru)分別為8.28％，13.50％，6.65％

5、和21.62％；四站點(diǎn)GPP年總量估算相對不確定性分別為2.78％，4.74％。3.17％和6.29％。 (2)建立青藏高原2004年草地樣帶空間數(shù)據(jù)集：包括樣帶區(qū)域8天合成增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)、陸地表面水分指數(shù)(LSWI)、平均氣溫和平均太陽總輻射。其中區(qū)域植被指數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)MODIS8天合成地表反射率計算獲得，并利用時間序列諧波分析法(HANTS)對計算后的植被指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值處理：區(qū)域平均氣溫和太陽總輻射數(shù)據(jù)則以中國國家

6、氣象局青藏高原氣象觀測站點(diǎn)溫度和太陽輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過利用薄盤樣條插值方法AUSPLIN對區(qū)域站點(diǎn)氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化插值獲得。 (3)利用植被光合模型(VPM)和ArcGls空間分析方法，結(jié)合站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)獲取的生態(tài)過程關(guān)鍵參數(shù)、遙感手段獲取的區(qū)域植被指數(shù)數(shù)據(jù)和空間化氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力(GPP)的模擬。統(tǒng)計結(jié)果顯示全區(qū)2004年度GPP總量達(dá)52.38 TgC(1Tg=1012g)。通過與站點(diǎn)GPP觀測數(shù)

7、據(jù)及MODIS提供的GPP產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，VPM模型估算GPP季節(jié)變化趨勢與站點(diǎn)觀測GPP季節(jié)變化趨勢基本一致(R2=0.8679，)其GPP估算精度高于MODIS提供GPP產(chǎn)品估算精度(R2=0.7934)，說明VPM模型在區(qū)域GPP中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?(4)通過對VPM模型各輸入?yún)?shù)和變量進(jìn)行敏感性分析，確定了模型各輸入?yún)?shù)和變量對模型輸出結(jié)果的影響大小，結(jié)果表明光合最適溫度(Topt)的取值對GPP估算結(jié)果影響最大；