发布时间 : 星期一 文章NPP估算--CASE模型 - 图文更新完毕开始阅读08f74461b307e87101f696fe
光合有效辐射（PAR）是植物光合作用的驱动力，对这部分光的截获和利用是生物圈起源、进化和持续存在的必要条件。光合有效辐射是植物NPP的一个决定性因子，而植物吸收的光合有效辐射（APAR）则尤为重要。著名的Monteith方程就是建立在此基础之上。
NPP=APAR×ε
式中ε为植物光能利用率，它受水、温度、营养物质等的影响。
1.2 CASA模型与参数获取
早在20世纪70年代Monteith就发现NPP和植被吸收的光合有效辐射（APAR）之间存在着稳定的关系：当水分和肥料处在最适的条件下，农作物的NPP与APAR具有很强的线性相关。进一步的研究发现，NPP与APAR的时间序列积分有较好的相关性，但是不同的植被类型，或者同一植被类型在不同的生长条件下，所获得的经验模型存在着差异，这就意味着植被的NPP受植物本身及其生长环境的影响。目前，在区域及全球尺度的NPP估算模型当中，以CASA模型为代表的光能利用率模型得到了广泛应用。
本研究所构建的NPP遥感估算模型将植被覆盖分类引入模型，并考虑植被覆盖分类精度对NPP估算的影响，由它们共同决定不同植被覆盖类型的NDVI最大值，由此获得各植被覆盖类型的比值植被指数最大值，最后实现FPAR的估算。根据误差最小的原则，模拟出各植被类型的最大光能利用率，使之更符合长江上游的实际情况。利用气象数据（温度、降水、太阳净辐射），结合已有的区域蒸散模型来实现水分胁迫因子的估算，这样一方面可以保持模型原有的植物生理生态学基础，另一方面则在一定程度上对有关参数实行了简化，使其实际的可操作性得到加强。
NPP估算模型的总体设计如图3.2所示。模型中所估算的NPP可以由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε)两个因子来表示，其估算公式如下：
NPP(x,t)?APAR(x,t)??(x,t)
式中： APAR(x,t)表示像元x在t月份吸收的光合有效辐射（单位：MJ/m2/月）
ε(x,t)表示像元x在t月份的实际光能利用率（单位：gC/MJ）
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1）APAR估算
用遥感数据估算光合有效辐射(PAR)中被植物叶子吸收的部分(APAR)是基于植被对红外和近红外波段的反射特征实现的。植被吸收的光合有效辐射取决于太阳总辐射和植物本身的特征，可用以下公式进行计算：
APAR(x,t)?SOL(x,t)?FPAR(x,t)?0.5
图3.1 NPP估算模型总体框架
式中： SOL(x,t)表示t月份在像元x处的太阳总辐射量(MJ/m2/月)；
FPAR(x,t)为植被层对入射光合有效辐射的吸收比例（无单位）； 常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射（波长为0.38～0.71um）占太阳总辐射的比例。
对于FPAR的计算采用Potter等提出的如下计算公式:
?SR-SRmin?FPAR(x,t) ?min?,0.95?
SR-SRmin?max? 6
式中:SRmin取值为1.08，SRmax的大小与植被类型有关，取值范围在4.14-6.17之间。
SR(x，t)由NDVI(x，t)求得：
?1?NDVI(x,t)? SR(x,t) ????1-NDVI(x,t)?
2）光合利用率估算
光能利用率是在一定时期单位面积上生产的干物质中所包含的化学潜能与同一时间投射到该面积上的光合有效辐射能之比。研究表明，不同植被的光能利用率差异很大。引起差异的主要原因是光能利用率受气温、水分、土壤、营养、疾病、个体发育、基因型差异和植被维持与生长的不同能量分配等因素的影响。所以，不同类型的植被以及同一植被在不同的环境条件下，其光能利用率不同。
光能利用率的估算流程如图3.2所示：
图3.2 光能利用率估算流程
Potter等认为在理想条件下植被具有最大光能利用率，而在现实条件下的最大光能利用率主要受温度和水分的影响，其计算公式为：
?(x,t) ? T?1(x,t)?T?2(x,t)?W?(x,t)??max
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式中： Tε1(x,t)和Tε2(x,t)表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用（无单位）；
Wε(x,t)为水分胁迫影响系数（无单位），反映水分条件的影响； εmax是理想条件下的最大光能利用率（单位：gC/MJ）。
Tε1(x,t)反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制而降低净第一性生产力用下式计算：
T?1(x,t)?0.8?0.02?Topt(x)-0.0005???Topt(x)??其中：Topt(x)为某一区域一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温。
已有许多研究表明，NDVI的大小及其变化可以反映植物的生长状况，NDVI达到最高时，植物生长最快，此时的气温可以在一定程度上代表植物生长的最适温度。
Tε2(x,t)表示环境温度从最适温度Topt(x)向高温和低温变化时植物光利用率逐渐变小的趋势，这是因为低温和高温时高的呼吸消耗必将会降低光利用率，生长在偏离最适温度的条件下，其光利用率也一定会降低。用下式计算：
T?2(x,t)?1.184/1?exp??0.2?(Topt(x)?10?T(x,t))???????????????????1/1?exp??0.3?(?Topt(x)?10?T(x,t))??2????
当某一月平均温度T(x,t)比最适温度Topt(x)高10℃或低13℃时，该月的Tε2(x,t)值等于月平均温度T(x,t)为最适温度Topt(x)时Tε2(x,t)值的一半。
水分胁迫影响系数Wε(x,t)反映了植物所能利用的有效水分条件对光能利用率的影响，随着环境中有效水分的增加，Wε(x,t)逐渐增大，它的取值范围为0.5（在极端干旱条件下）到1（非常湿润条件下），由以下公式计算：
W?(x,t)?0.5?0.5?E(x,t)/Ep(x,t)
其中：E(x,t)为区域实际蒸散量，可根据周广胜和张新时建立的区域实际蒸散模
E(x,tEp)?(x,Px,t)?Rn(x,t)??(x,t)?P(x,t)?Rn(x,t)?型求取；t)(为区域潜在蒸散量，可根据提出的互补关系?(P(x,t))?(RnBoucher?)求取。
?22???????????????/??P(x,t)?Rn(x,t)??(P(x,t))2?(Rn(x,t))2?
式中：P(x,t)为像元x在t月的降水量，Rn(x,t)为像元x在t月份的太阳净辐射量。
Ep(x,t)???E(x,t)?Epo(x,t)??/2
式中：Ep(x,t)(mm)为局地潜在蒸散量，可以由Thornthwaite的植被—气候关系模型的计算方法求算。
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