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生态环境 2005, 14(4): 455-459 http://www.jeesci.com Ecology and Environment E-mail: editor@jeesci.com

中国陆地植被生态系统生产有机物质价值遥感估算

王艳艳，杨明川，潘耀忠，朱文泉*，龙中华，刘旭拢，顾晓鹤

北京师范大学资源学院//环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875

摘要：可持续发展的战略要求推进生态资产研究，对生态系统生产有机物质功能价值的估算则是生态资产评估的重要组成部分。利用改进的CASA模型对中国陆地生态系统1995年NPP进行了估算，它与实测数据和国内其他研究成果的比较验证证明了该方法的可靠性；进而对1995年全国陆地生态系统生产有机物质的价值进行了估算，结果表明，1995年中国陆地生态系统净第一性生产力生产有机物质的总价值为1.902049×1012元·a-1，其空间分布是从东部向西北递减、由中部向东北和南部递增；从类型上看，常绿阔叶林的单位面积值最高，裸地和极稀疏植被的单位面积值最低。 关键词：生态系统；净第一性生产力；遥感；价值估算

中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）04-0455-05

随着社会经济不断的发展，人口、资源与环境问题逐渐凸显出来，成为当今世界面临的主要矛盾。人们逐步认识到生物圈的重要性以及生态系统服务对人类生存和发展的不可替代的作用，而对于生态系统各种服务功能价值的评估的研究已经成为了当前生态学与生态经济学研究的前沿。生态系统服务功能可分为3大类，即生活与生产物质的提供、生命支持系统的维持以及精神生活的享受[1]。生态系统生产有机物质的价值（属于第一类）是生态系统服务功能的重要组成部分，准确、动态地估算这一功能价值对于生态资产的估算、绿色GDP的核算、社会经济和生态环境的可持发展都具有重要的指导意义和应用前景[2]。

近年来，国际上对生态系统服务功能的研究取得了较大的进展。1997年，Daily在其主编的专著中比较系统地介绍了生态系统服务功能的概念、研究简史及服务价值评估[3]；Costanza等人则对全球生态系统服务功能进行了划分和评估，他们将生态系统服务功能归纳为17种类型，并按10种生物群系以货币形式进行了估算[4]；许多学者也从不同的角度对生态系统的服务功能及其价值评估进行了研究[5~7]。

国内的许多学者也对估算生态系统服务功能的价值的方法进行了探索，取得了相应的成果和进展[8~12]。尤其是随着遥感技术的发展，人们开始利用遥感手段进行NPP（净第一性生产力）估算[13~16]，并发展了一系列的模型，而对NPP的估算正是估算生态系统生产有机物质价值的核心内容。

本文将CASA模型进行了改进，并利用该改进过的CASA模型对1995年我国陆地生态系统的NPP进行估算，从而进一步估算出1995年我国陆地生态系统生产有机物质价值。

1 数据准备及预处理

1.1 遥感数据

本研究所利用的气象卫星NOAA/AVHRR NDVI数据，来源于美国地球资源观测系统（Earth

1)

Resources Observation System, EROS）数据中心的探路者数据集（Pathfinder Data Set, PDS），图像空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为月，时间序列为1995年2月－1996年1月。所有数据经投影变换处理，选取的投影方式为Albers等积投影。 1.2 气象数据

本研究所用的基础数据来源于中国气象局，时间序列为1995年2月－1996年1月，数据内容包括月降水量、月平均气温、月太阳总辐射，以及726个气象站点的经纬度和海拔高度（其中太阳辐射站点为112个）。对数据进行精度验证，剔除不可替代的错误数据后，本文研究中实际使用的是725个站点的资料。计算NPP需要栅格化的气象数据，并从空间上与遥感数据相匹配。本研究根据各气象站点的经纬度信息，通过对气象数据进行Kringing插值和基于DEM的插值，获取像元大小与NDVI数据一致、投影相同的气象要素栅格图[17]。 1.3 植被分类图

本文利用遥感植被指数(NDVI)和1 km的数字高程模型（DEM），以及相应的气候资料，采用

基金项目：国家自然科学基金项目（40371001）；科学技术部高新技术重点规划项目（2002AA133060）

作者简介：王艳艳（1981－），女，硕士研究生，主要研究方向为遥感与生态资产的估算。E-mail: wbian1108@sina.com.cn *通讯作者，E-mail: zhuwq75@ires.cn 收稿日期：2005-03-21

1) http://edcdaac.usgs.gov/glcc/glcc.html

456 生态环境 第14卷第4期（2005年7月）

气候分类指标和NDVI多源信息复合综合分类方法[18]，其中气候植被分类选用了Thornthwaite可能蒸散指标体系（包括可能蒸散率PER、降水量P、湿润指数Im和数字高程E），按1∶100万中国植被的分类体系进行分类。对每一类型随机抽取30个样本，以1∶100万中国植被图为标准进行验证，该分类结果总分类精度达82.4%。然后按照IGBP分类体系[19]，将中国陆地生态系统分为15个植被类型，分类体系见表1。

2 方法

2.1 净第一性生产力（NPP）的估算

本文采用CASA模型对植被净第一性生产力进行估算：

NPP(x, t)=APAR(x, t)×ε(x, t) (1) 式中，t表示时间，x表示空间位置；APAR(x, t)表示像元x在t月份吸收的光合有效辐射[20, 21]；ε(x, t)表示像元x在t月份的实际光能利用率。

而在实际的应用中，本文又对其最大光能利用

表1 不同植被类型的最大光能利用率

Table 1 The maximum light use efficiency (εmax) of different vegetation types

植被类型 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶针叶林 落叶阔叶林 混交林 εmax/(g·MJ-1) 1.008 1.259 1.103 1.004 1.116 落叶灌丛及稀树草原

0.768 稀疏灌木 矮林灌丛 草地 0.774 0.888 耕地 其他类型

0.389 0.608 0.604 率(εmax)和水分胁迫系数(Wε)进行了改进[14~16, 22~24]： 2.1.1 最大光能利用率（εmax）的改进

由于CASA模型所采用的固定最大光能利用率0.389 g·MJ-1并不适用于中国的植被[25, 26]，本研究中的最大光能利用率（εmax）的取值采用了Running等人根据生态生理过程模型BIOME-BGC模拟的结果，赋予不同的植被覆盖类型以不同的最大光能利用率[22]，这样通过植被类型所赋予的最大光能利用率的值就更接近我国的实际情况，也就更具可信性，其具体取值如表1所示。 2.1.2 水分胁迫系数(Wε)的改进

由于CASA模型所用的土壤水分子模型涉及到大量的土壤物理参数，比较难以获取而且精度难以保证，本文则采用了周广胜和张新时建立的区域实际蒸散模型来求取水分胁迫系数(Wε) [23]，该模型主要利用的是气象数据，数据较容易获取并且计算简便。

水分胁迫影响系数 (Wε) 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)，由公式(2)计算：

Wε(x, t)=0.5+0.5×EET(x, t)/PET(x, t) (2) 其中，EET(x, t)(mm)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型求取[23]；PET(x, t) (mm)为区域潜在蒸散量，可根据Bouchet提出的互补关系求取[23, 27]。

2.2 生产有机物质价值的估算方法

NPP是反应有机物质生产功能的重要指标，因此可以用NPP和单位质量有机物质的价值(元·g-1)相乘计算得到生态系统生产有机物质的价值。这里用换算的标准煤的价格来替代单位质量有机物质的

价值：1 g碳相当于2.2 g的有机物质[28]，而1g的有机物质在燃烧释放的能量上相当于0.679 g的标煤[29]，则1 g碳相当于1.474 g（2.2×0.679）的标煤，而1995年标准煤的价格取479元/t[30]，则：

P(C)＝Ps×1.474×10-6＝7.0605×10-4 元/g V=NPP×P (3) 式中，V表示生态系统生产有机物质的价值，P表示1 g碳的价值，Ps表示标煤的价格。

3 结果与分析

本研究先对1995年2月－1996年1月逐月进行NPP的计算，然后将12个月的NPP累加起来得到1995年全年的NPP总量分布图，最后得到1995年全年中国陆地生态系统生产有机物质价值

图1 1995年中国陆地生态系统生产有机物质价值分布

（单位：元·hm-2·a-1）

Fig. 1 Values of organic matter produced by terrestrial

ecosystems in China in 1995

王艳艳等：中国陆地植被生态系统生产有机物质价值遥感估算 457

分布图（图1）。 3.1 NPP结果比较

本文将本研究模拟的各种植被类型的NPP结果与其他研究结果以及部分实测数据进行了比较（表2），结果表明，本研究模型模拟的NPP值都落在实测范围之内，基本符合植被生长的实际情况，但是，也不难看出，不同的研究之间得到的NPP值3.2 价值的空间分布

从空间分布来看，中国陆地生态系统生产有机物质价值在总体上是由东部向西北部递减、由中部向东北部和南部递增，与植被的地带性分布趋势相一致（图1）。其中，最低值区(0～1500 元·hm-2·a-1)主要分布在西北的干旱和半干旱地区，那里气候恶劣，生态系统脆弱，植被稀少，以至生态系统的净

表2 本研究所得出的各生态系统年平均NPP与国内其他研究以及实测数据的比较

Table 2 NPP of different ecosystems obtained in this paper compared with other researches and field survey data

植被覆盖类型 落叶针叶林 常绿针叶林 常绿阔叶林 落叶阔叶林 平原草地 耕地 实测值 /(g·m-2·a-1) 179～824 a) 179～806

a) a)

本文模型 526.67 711.30 799.52 625.54 236.04

c)

CASA模型[16]

432 354 525 304 216 CEVSA[34]

345 486 873 624 348 606 罗天祥[31]

460 439 945 548 刘明亮[35]

585 587 945 928 271 752 孙睿等[14] 281.7 540.9 987.4 443.5 221.1 405.2 平均值/(g·m-2·a-1) 平均值/(g·m-2·a-1) 平均值/(g·m-2·a-1) 平均值/(g·m-2·a-1) 平均值/(g·m-2·a-1) 平均值/(g·m-2·a-1)

407～1913 114～1669 230.6

b)

a)

239～760 366.41 注：因植被分类体系的差异和实测数据的限制，在此只对以上几种植被类型进行比较。a）1989－1993年中国林业部690个观测点的数据[31, 28]； b）中国温带草原的NPP为230.6±64.9 g·m-2·a-1 [32]；c）美国中西部地区1982－1996年1195个农业植被测量值[33]

存在着明显的差距。

第一性生产力很低，而由于中国陆地生态系统生产有机物质价值是在生态系统的净第一性生产力的基础上利用标煤的市场价格替代而得出的，因此该生态系统生产有机物质价值与其净第一性生产力一致，也很低；次一级低值区(1500～4000 元·hm-2·a-1) 主要分布于北方草原区，东北、华北和长江中下游平原的农业区以及四川盆地，这些地方由于人类活动的介入，破坏了生态系统原有的结构，而代之以生长期较短的人工生态系统，因而其生态系统的净第一性生产力较低，以至该生态系统生产有机物质价值较低；中值区 (4000～6000 元·hm-2·a-1) 主要分布在丘陵和部分山区，主要包括

大、小兴安岭地区，燕山山脉，云贵高原以及东南

的丘陵地区，这些地区水热配置较好，又少受人类活动破坏，因而生态系统净第一性生产力和该生态系统生产有机物质价值较高；高值区 (6000～15000 元·hm-2·a-1) 主要分布在几大山区，如长白山脉，武夷山区以及台湾和海南的山区，另外还有云南的热带雨林地区，这些地区水热配置最佳，植被覆盖度高，生态系统结构复杂稳定，又少受人类破坏，因而是我国生态系统净第一性生产力和生态系统生产有机物质价值最高的地区。 3.3 价值的类型分布

从各个生态系统类型的单位面积价值来看（表

表3 1995年中国各类生态系统生产有机物质价值

Table 2 Values of organic matter produced by different ecosystems in China in 1995

分类

常绿针叶林 落叶针叶林 混交林 常绿阔叶林 落叶阔叶林 灌丛

热带稀树干草原 草地和草原 沼泽

耕地和经济林 冰雪

裸地或极稀疏植被 水体

耕地和自然植被混交地 城市和建设用地

合计 面积/(104 km2)

13.07 2.32 58.67 7.01 27.98 184.07 41.44 180.33 0.49 175.31 1.45 138.19 12.66 93.24 0.75 960.00 NPP

单位面积值/(g·m·a) 总和/(10t·a) 百分比/%

711.30 93.01 3.45 526.67 12.27 0.45 694.79 407.69 15.13 799.52 56.04 2.08 625.54 175.04 6.49 127.53 234.75 8.71 556.17 230.52 8.55 236.04 425.65 15.80 418.27 2.07 0.07 366.41 642.38 23.84 62.40 0.90 0.03 13.13 18.15 0.67 212.09 26.86 0.99 392.71 366.18 13.59 312.09 2.35 0.08 2693.93 100.00 -2

-1

6

-1

生产有机物质价值

单位面积值(元·hm-2·a-1)

5022.13 3718.55 4905.56 5645.01 4416.63 900.43 3926.84 1666.56 2953.20 2587.04 440.58 92.70 1497.46 2772.73 2203.51

总和/(108元·a-1) 百分比/%

656.70 3.45 86.63 0.45 2878.50 15.13 395.67 2.08 1235.87 6.49 1657.45 8.71 1627.59 8.55 3005.30 15.80 14.62 0.07 4535.52 23.84 6.35 0.03 128.15 0.67 189.65 0.99 2585.41 13.59 16.59 0.08 19020.49 100.00