湿地系统初级生产力遥感调查技术与方法

滨海湿地生态系统初级生产力（NPP）遥感调查，是以各类湿地景观类型及湿地植被类型的分布单元为遥感反演的基本空间单元，以定量遥感反演方法为主要手段，以长时间序列的MODIS遥感数据为基础，通过定量遥感反演研究区植被指数NDVI、叶面积指数LAI、光合有效辐射PAR以及植被光合有效辐射吸收系数FPAR等遥感参数，并结合研究区的实测气象数据，采用基于遥感的光能利用模型（改进的CASA模型）计算方法，对整个滨海湿地区域的生态系统净第一性生产力（初级生产力，NPP）进行遥感调查和计算，并通过野外实际调查进行验证，最终形成滨海湿地系统在主要植被生长期多时相的净第一性初级生产力的分布（图3－1）。

上述方法中，湿地系统初级生产力（NPP）遥感调查的基本原理是借助于遥感技术来获取植物光合有效辐射吸收分量（FPAR），以得到植被吸收的光合有效辐射，进而估算出生态系统初级生产力（NPP）。CASA模型中，植被净初级生产力主要通过光合有效辐射（PAR）、光合有效辐射分量和光能转化率来实现，其理论构架可表示为下式：

NPP（x，t）＝APAR（x，t）×ε（x，t）

APAR（x，t）＝PAR（x，t）×FPAR（x，t）

图3－1　湿地生态系统NPP遥感调查技术路线示意图

ε（x，t）＝Tg1（x，t）×Tg2（x，t）×Wg（x，t）×εmax

式中，t表示时间；x表示空间位置；εmax为最大光能转化率；Tg1和Tg2为温度胁迫系数；Wg为水分胁迫系数。

上述模型中，有关参数的解决方法如下。

（1）光合有效辐射：植被吸收的光合有效辐射取决于太阳总辐射和植被对光合有效辐射的吸收分量，用下列公式表示：

APAR（x，t）＝PAR（x，t）×FPAR（x，t）

APAR（x，t）＝Rs（x，t）×0．5×FPAR（x，t）

式中，Rs（x，t）是t月份像元x处的太阳总辐射量；0．5表示植被所能利用的有效辐射占太阳总辐射的比例，主要集中在波长范围0．38～0．76μm的可见光。

（2）光合有效辐射吸收分量：光合有效辐射吸收分量是植被光合作用对光合有效辐射的吸收比例。研究表明，光合有效辐射吸收分量与NDVI存在线性关系，可以根据某一植被类型NDVI的最大值和最小值以及所对应的光合有效辐射吸收分量最大值和最小值来确定：

式中，NDVIi，max和NDVIi，min分别对应第i种植被类型的NDVI的最大值和最小值。

（3）光能转化率：光能转化率是植被通过光合作用将吸收光合有效辐射转化成干物质总量的能力，通常用gC/MJ来表示，它代表植被将太阳能转化为化学能的效率。Potter等（1993）认为在理想条件下植被具有最大光能转化率，而在现实条件下的光能转化率受到环境因子如气温、水分状况以及大气水汽压差等因素的影响，因此利用温度、大气及水分的可利用程度来调节。其公式为：

ε（x，t）＝Tg1（x，t）×Tg2（x，t）×Wg（x，t）×εmax

式中，Tg1（x，t）和Tg2（x，t）为温度胁迫系数；Wg（x，t）为水分胁迫系数；εmax为理想条件下植被的最大光能转化率。其中：温度胁迫系数（Tg1）代表低温和高温条件下，植物内在生化作用对光合作用的限制，用下式计算：式中，Topt为区域年内NDVI达到最高时的月份的平均气温，认为此温度为植被生长的最适温度，当某一月平均温度小于或等于－10℃时，Tg1取0，认为此时光合生产为零。

Tg1（x）＝0．8＋0．02Topt（x）－0．000　5Topt（x）2

温度胁迫系数（Tg2）表示气温从最适宜温度Topt向高温和低温变化时对光能转化率的影响，这种条件下，光能转化率逐渐降低：

若某月平均气温比最适宜温度高10℃或低13℃时，该月的Tg2值等于月平均气温为最适宜温度Topt时的Tg2值的一半。

水分胁迫系数（Wg）反映了水分条件对光能转化率的影响，随着环境中有效水分的增加，Wg逐渐增大，由下式计算：

Wg（x，t）＝0．5＋0．5EET（x，t）/PET（x，t）

式中，PET为潜在蒸散量；EET为实际蒸散量。这两个指标已经在2013年的调查工作中完成调查。

（4）太阳总辐射：太阳总辐射是地球上的一切生命过程的基本能量来源，是气候形成的能量基础，直接影响植物体的热量平衡及各种生理活动的进行，关系到植被的光合生产。采用Ångström－Prescott模型和日照时数来估算太阳总辐射：

式中，n为实际日照时数；N为潜在日照时数；Ra为境外辐射；a和b为经验参数，通过历史观测数据进行较正获得。