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基于地形改进NPP指数的县域耕地产能测算(6)
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摘要:净第一生产力(Net Primary Productivity,NPP)是单位时间内生物通过光合作用所吸收的有机干物质除植物自身呼吸的碳损耗所剩的部分[2],包括植物的枝、叶和
净第一生产力(Net Primary Productivity,NPP)是单位时间内生物通过光合作用所吸收的有机干物质除植物自身呼吸的碳损耗所剩的部分[2],包括植物的枝、叶和根等生产量及植物枯落部分的数量,虽然包括根、茎、叶、果等部分的养分,但本质上养分都是为果实以及叶片生长存贮,即进行农产品产出的部分,将其赋于耕地系统上可理解为一年内耕地上农作物能够给提供人类消费的能量。由于NPP直接代表耕地系统一年内累计的农作物有机干物质,解决传统耕地产能评价耕作制度差异以及作物差异产生的产能转化困难问题。同时NPP的计算模型具有全遥感数据的模型的研究基础,使得数据获取更加便捷,数据精度更高。因此将NPP计算引入耕地产能可在一定程度上解决指标体系下耕地产能计算的缺陷。而现有的NPP研究多强调研究方法的突破[3-8]与时空变化分析[9-12],多为尺度较大的生态保护区域[13-15],而缺少对于NPP数据的利用,使得NPP局限于从表面上表现碳平衡问题[4,16]。将NPP运用于耕地产能计算研究较少,商令杰[17]和洪长桥等[18-19]对此进行了研究,其中洪长桥等主要是将其运用于土地整治前后耕地产能比较,体现遥感数据的动态性和及时性,但直接将NPP约等于耕地产能,其与现状下的耕地产能结果的衔接性有待讨论。
因此本文选取基于地形改进的CASA模型利用遥感数据对宾阳县的NPP数据进行计算,并通过地理加权回归对比NPP结果与耕地等别年度更新结果,分析NPP计算耕地生产力与现有耕地产能结果的相关性以及衔接度,明确将NPP应用于耕地产能计算的可行性。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
宾阳县位于广西中南部,南宁市东北部,为南宁市管辖县。地处22°54′~23°37′N、108°32′~109°15′E之间,东邻贵港市,南偏东与横县接壤,西南部与南宁市兴宁区、青秀区交界,西部与武鸣县相连,西北部连接上林县,东北部与来宾市相邻。
县域在地质构造上处于广西弧形山脉顶部西侧之北缘,南部紧靠弧形山脉西翼之西南端—昆仑关—白花山低山丘陵,东南紧靠广西弧顶—镇龙山,整个地势自南向北倾斜,形成东、南、西三面环山,中部北部为开阔平原,海拔低于50 m的平原1 193.79 km2,占全县的51.6%,是各种地貌类型的主体,灌溉条件良好的平原已开垦为本县高产稳产的良田。
1.2 研究方法
基于遥感数据估算NPP模型在现有研究下主要有4种类型:统计模型、光能利用率模型、过程模型和拟合模型[18]。其中遥感光能利用率模型由于模型简单、全遥感数据源、可实现动态评价,成为了NPP估算的一种重要而广泛接受的研究方法,主要有3-PGS、NPP-EMSC、GLOPEM和CASA模型[20],应用最广的是CASA模型。CASA模型中估算的NPP由光合有效辐射(APAR,Absorbed Photosynthetic Active Radiation)和实际光能利用率(ε)2个因子决定[21-22]。
光合有效辐射(APAR)受太阳总辐射量、植被层对入射光合有效辐射的吸收比例(FPAR,Fraction of absorbed Photosynthetic Active Radiation)以及太阳有效辐射占太阳总辐射的比例(为常数0.5)3个因素决定,其中太阳辐射总量取太阳天文辐射;植被层对入射光合有效辐射吸收比例与植被茂盛程度有直接关系,可用与NDVI和比值植被指数(SR,Simple Ratio Index)有关的模型计算[23],直接反映现实植被生长情况。
实际光能利用率ε利用气温、地表水分状况等因子对理想条件下最大光能利用率进行修正获得[24],其中气温的影响通过低温和高温对光能利用率的胁迫作用表现[25],而地表水分状况利用(LSWI,Land Surface Water Index)[26]衡量地表蒸散水平。
常规方法下的NPP指数中,太阳辐射总量通过地面辐射站点插值或模型拟合2种方法获取。在地形起伏较大区域通过地面辐射站点插值易忽略地形特征,同时山地区域观测太阳辐射站点本身就较少,且多分布在开阔的山顶,插值后数据具有较大误差。
通过模型拟合太阳天文辐射的方法一般使用白昼长度、天文辐射作为参数,但实际上太阳日辐射总量受到所在区域的光照时长而非白昼长度的影响。无地形起伏的情况下小区域内的光照时长约等于白昼长度,但当地形较为复杂时,不同坡度、坡向以及地形遮蔽下的像元间可照时间就有较大差异,白昼下同一时间段位于阴坡或受到地形遮挡的区域无法受到太阳直接辐射的影响,因此本文使用光照时长代替白昼长度。
光照时间可化为无限个微分时段的可照时间总和。通过离散化的方式结合太阳方位角、太阳高度角以及地形关系分别计算每一个微分时间段内该像元地形遮蔽系数以及坡度入射角,并用坡面入射角与地形遮蔽系数修正太阳天文辐射[27-29]。
文章来源:《遥感学报》 网址: http://www.ygxbzz.cn/qikandaodu/2021/0115/478.html
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