基于MODIS的典型区域生态功能区环境质量变化研究

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　　摘要 利用2000—2016年的MODIS数据，对呼伦贝尔生态功能区环境质量变化时空格局进行分析。结果表明，研究区光合有效辐射（FPAR）、叶面积指数（LAI）在过去17年间整体较稳定，FPAR均值在0.7 W/m2附近波动，LAI均值在2.8附近波动。总初级生产力（GPP）、净光合速率（PsnNet）整体上呈现缓慢增加的趋势，最大值均出现在2014年，分别为0.044、0.035 kg C/m2;最小值均出现在2003年，分别为0.028、0.021 kg C/m2。空间格局上，FPAR、LAI、GPP和PsnNet的指标值呈自西向东逐渐增加的趋势。该研究为呼伦贝尔生态功能区草地退化遥感监测提供技术方法。
　　关键词 呼伦贝尔;MODIS;生态功能区;环境质量;变化特征
　　中图分类号 X82文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）02-0085-08
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.024
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Study on Environmental Quality Change of Typical Regional Ecological Functional Zone Based on MODIS
　　FENG Bin1，ZHANG Xiao-qiang1，WANG Zhi-kang2 et al （1.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering，Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Nanjing，Jiangsu 210036;2.Anhui Construction Engineering Survey Design Institute，Hefei，Anhui 230000）
　　Abstract Using the MODIS data from 2000 to 2016，the spatial-temporal pattern of environmental quality change in the Hulunbeir Ecological Function Zone was analyzed.The results showed that the photosynthetically active radiation（FPAR） and leaf area index（LAI） in the study area were generally stable over the past 17 years，the FPAR average fluctuate around 0.7 W/m2，and the LAI average fluctuate around 2.8.The gross primary production（GPP） and net photosynthesis（PsnNet） values showed a slowly increasing trend as a whole.The maximum values appeared in 2014，which were 0.044 and 0.035 kg C/m2 respectively;and the minimum values appeared in 2003，which were 0.028 and 0.021 kg C/m2，respectively.In terms of spatial structure，the values of FPAR，LAI，GPP and PsnNet gradually increased from west to east.This research would provide a technical method for monitoring of grassland degradation by remote sensing in the Hulunbuir ecological function area.
　　Key words Hulunbuir;MODIS;Ecological functional area;Environmental quality;Changing characteristics
　　全球许多生态系统受到气候变暖的影响，而植被作为陆地生态系统的重要组成部分，是连接土壤和大气的天然纽带，在气候变化研究中充当“指示剂”作用[1]。呼伦贝尔生态功能区是欧亚大陆草原的重要组成部分，是世界著名的温型半湿润草原，也是我国迄今保护相对完好、纬度最高的天然草地，植被类型复杂多样，有1 000多种草原植物资源，是欧亚草原的重要组成部分[2]。但由于气候异常和超载过度放牧现象的存在，严重威胁贝尔草原生态系统，该地区已然成为全球气候变化过程中的生态敏感区和脆弱区[3]。随着遥感和地理信息系统（GIS）等空间信息技术的发展，出现了大规模遥感监测和评估草原生态系统的研究。研究人员利用遥感视觉解译、图像分类、生物量估算和光谱指数计算等方法，在草地退化遥感监测方面做了大量工作[4-6]。遥感技术具有时效性强、监测范围宽、数据访问方便等优点，目前在生态环境监测中得到了广泛的应用，取得了显著成效。高清竹等[7-8]利用AVHRR、Spot-Vegetation、MODIS等多源遙感数据对藏北地区草地退化时空分布特征进行了分析，结果表明长时间遥感监测可以成为草地退化监测的有效手段。笔者以生态学分析为基础，以呼伦贝尔草地特征和实际数据情况 　　为依据，利用2000—2016年长时间序列的MODIS数据计算光合有效辐射（FPAR）、叶面积指数（LAI）、总初级生产力（GPP）、净光合速率（PsnNet） 4个草地生态质量指标，对研究区域进行动态监测，分析呼伦贝尔生态功能区近年来的生态环境变化，为重要生态功能区草地退化遥感监测提供技术方法和研究案例。
　　1 资料与方法
　　1.1 研究区概况
　　呼伦贝尔生态功能区（115°31′～126°04′E、47°05′～53°20′N）地处中国东北边疆，整个南北长630 km，东西宽700 km，面积25.34×104km2，下辖海拉尔区、满州里市、牙克石市、扎兰屯市、新巴尔虎左旗、新巴尔虎右旗、陈巴尔虎旗、鄂温克自治旗、鄂伦春自治旗、额尔古纳市、根河市、阿荣旗、莫力达瓦达翰尔族自治旗13个旗（市、区）。年平均气温为-5～3 ℃，年平均降水量150～550 mm[9-10]。该区域是欧亚大陆草原的重要组成部分，是世界著名的温型半湿润草原，也是我国迄今保护相对完好、纬度最高的天然草地。区域内水资源较丰富，可重复利用，污染小，是由森林、草地、湿地等有机组合形成的复合生态系统。20世纪以来，受大兴安岭林区开发、气候暖干化、人类活动加剧等因素的影响，呼伦贝尔生态功能区的环境呈退化趋势。
　　1.2 数据来源与处理
　　研究中所用FPAR、LAI、GPP、PsnNet数据是通过美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）网站下载的全国MODIS产品数据，时间分辨率为8 d，空间分辨率为1 km，时间跨度为2000—2016年。为减少云气溶胶、云阴影、视角以及太阳高度角的影响，该研究采用最大值合成法（maximal valuecomposite，MVC）得到8 d的合成数据。首先，利用MRT（MODIS reprojection tools）软件对MODIS影像数据进行拼接、重投影、重采样等转换处理，然后再用呼伦贝尔生态功能区矢量边界对研究区的FPAR、LAI、GPP、PsnNet等数据进行掩膜处理。
　　1.3 基于MODIS的生态环境变化指数
　　1.3.1 光合有效辐射（FPAR）。
　　太阳辐射是地球表层上的物理、生物和化学过程的主要能量来源，也是生态系统过程模型、水文模拟模型和生物物理模型研究中的必要参数[11]。太阳辐射中波长位于400～700 nm，能被绿色植物利用进行光合作用的太阳辐射能量称为光合有效辐射（photosynthetically active radiation，PAR）[12]。被绿色植物冠层吸收并参与光合生物量累积的光合有效辐射部分称为吸收性光合有效辐射（absorbed photosynthesis active radiation，APAR）[13-16]。
　　FPAR是指到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射，其一部分被作物冠层反射，一部分被作物吸收，还有一部分透射过冠层到达地表，并被地表吸收和反射，只有被作物冠层吸收的PAR才对作物的干物质积累有贡献。FPAR=APAR/PAR。FPAR是植被水分、能量及碳循环平衡的重要监测指标，是生态系统生产力模型、气候模型、水文循环模型等的重要参数，因此快速准确获取FPAR意义重大[17]。
　　1.3.2 叶面积指数（LAI）。
　　叶面积指数（leaf area index，LAI）是生态系统研究中一个重要的结构参数，是一项描述植被冠层几何结构的十分重要的植被特征参量。LAI可为植冠表面最初能量交换描述提供结构化定量信息，不仅可以直接反映出多样化尺度的植物冠层中的能量、二氧化碳以及物质环境，还可以反映出植物生长发育的特征动态和健康状况，是一个极其重要的植被特征，是景观乃至全球尺度生物地球化学循环中重要的植被结构参数[18-21]。
　　1.3.3 总初级生产力（GPP）。
　　总初级生产力（gross primary productivity，GPP）是指单位时间内生物（主要是绿色植物）通过光合作用所固定的有机碳量，又称总第一性生产[22]。测定和估算GPP的方法主要有产量收割法、O2测定法、CO2测定法、叶绿素测定法、放射性标记法以及开顶式同化箱法（open-top chamber）和自由CO2施肥方法（free-air CO2 enrichment，FACE）[23]。表示植被所固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分称净第一性生产力（net primary productivity，NPP）。NPP反映了植物固定和转化光合产物的效率，也决定了可供异养生物（包括各种动物和人）利用的物质和能量[24]。NPP估算的方法有Miami模型、Thornthwaite纪念模型、Chikugo模型和生态系统过程模型（包括TEM模型、CASA模型和生物地球化学循环BGC模型）[25]。净生态系统生产力（net ecosystem productivity，NEP）最早由Woodwell等（1978）提出，指净初级生产力中减去异养生物呼吸消耗（土壤呼吸）光合产物之后的部分。
　　1.4 数据分析方法
　　利用2000—2016年的全球1 km MODIS FPAR、LAI、GPP、PsnNet卫星数据产品，经过裁切、投影变化和格式转换等预处理步骤，运用曲线拟合方法获得2000—2016年生态环境质量指标时间和空间分布变化趋势图，并用ArcGIS处理数据，验证各个生態环境质量指标空间变化趋势。
　　2 结果与分析
　　2.1 植被FPAR、LAI、GPP、PsnNet年际变化趋势 　　由图1可见，呼伦贝尔地区总体上年均FPAR自2000年以来总体上变化不大，均值在0.7 W/m2附近波动，意味着呼伦贝尔地区在过去的17年中到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射的变化比较稳定。最大值出现在2002年，为0.744 W/m2，最小值出现在2003年，为0.573 W/m2。2004—2012年年均FPAR比较接近，显示了这9年该地区到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射趋于稳定，至2013年有下降的趋势，2014年开始趋于稳定。
　　呼伦贝尔生态功能区总体上年均LAI自2000年以来总体上变化不大，均值在2.80附近波动，这意味着呼伦贝尔地区在过去的17年中到达作物冠层上方的入射光合作用植物冠层中的能量、二氧化碳以及植物生长发育的特征动态和健康状况变化相对比较稳定。最大值出现在2002年，为3.23，最小值出现在2003年，为2.06。2004—2012年年均LAI呈现缓慢下降趋势，显示了这9年该地区到达植物冠层中的能量、二氧化碳以及植物生长发育的特征动态和健康状况趋于缓慢下降趋势，至2013年有显著的下降，2014—2016年逐渐增加，恢复至3.00左右。
　　呼伦贝尔地区GPP年均值在2000—2016年整体上呈现缓慢的增加趋势，揭示了该地区植被的光合作用能力的增加和植被固碳能力的增强。最大值出现在2014年，为0.044 kg C/m2，最小值出现在2003年，为0.028 kg C/m2。2003年由于受雪灾等极端气候事件的影响，GPP减少至最低值，2008—2011年比较稳定，2012年开始显著增加，至2014年增加至17年间的最大值，2015—2016年则略有下降。
　　呼伦贝尔地区PsnNet年均值变化在2000—2016年整体上呈现缓慢的增加趋势，
　　最大值出现在2014年，为0.035 kg C/m2，最小值出现在2003年，为0.021 kg C/m2。
　　2.2 植被FPAR、LAI、GPP、PsnNet空间变化特征
　　为进一步研究2000—2016年呼伦贝尔生态功能区FPAR、LAI、GPP、PsnNet 的变化情况，采用ArcGIS 10.1进行空间数据裁切、栅格计算、空间分析和统计等分析FPAR、LAI、GPP、PsnNet 的变化趋势，结果显示（图2～5），2000—2016年呼伦贝尔生态功能区年均FPAR、LAI、GPP、PsnNet总体呈稳定上升趋势。
　　从图2可以看出，2000—2016年呼伦贝尔地区FPAR的空间分布具有一致的空间相似性，即年均FPAR值呈现自西部的温性草原带向中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带逐渐增加的趋势。近17年中不同年份呈现不同的空间分布特征，显示了不同年份中到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射的变化。2001年与2000年相比，中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带的FPAR大面积增加，西部的温性草原带有减少的趋势，总体上2002年FPAR均值增至过去17年间最大值，即到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射值达到最大值。2003年开始，中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带呈现大面积减少的趋势，至过去17年间的最小值，即到达作物冠层上方的入射光合作用有效辐射值达到最小值，这种变化可能与2003年在该地区发生的极雪灾和冰冻极端气候事件有关。从2004年开始，中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原的年均FPAR又恢复了稳定。2011—2013年北部的局部区域FPAR呈现减少趋势，显示了与2010年之前不同的空间分布特征，2016年中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原的年均FPAR恢复到了2004—2012年的稳定状态。
　　从图3可以看出，2000—2016年呼伦贝尔地区LAI的空间分布具有一致的空间相似性，即年均LAI值呈现自西部的温性草原带向中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带逐渐增加的趋势，呈现西低东高的分布特点。近17年中不同年份呈现不同的空间分布特征，显示了不同年份中到达作物冠层上方的入射光合作用植物冠层中的能量、二氧化碳以及植物生长发育的特征动态和健康状况的变化。2002年与2000、2001年相比，中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带的LAI大面积增加，西部的温性草原带有减少的趋势，总体上2002年LAI均值增至过去17年间最大值，即到达作物冠层上方的入射光合作用植物冠层中的能量、二氧化碳以及植物生长发育的特征动态和健康状况达到最大值。2003年开始，中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带则呈现大面积减少的趋势，至过去17年间的最小值，即到达作物冠层上方的入射光合作用植物冠层中的能量、二氧化碳以及植物生长发育的特征动态和健康状况达到最小值。从2004年开始，中部的温性草甸草原帶、山地草原带和东部的低地草原的年均LAI又恢复了稳定。2011—2015年西部的温性草原带LAI呈现增加趋势，显示了这一地区植被生长状态的转好;2016年该趋势则显著减少，可能与当地的气候变化或人为的政策转变有关。
　　从图4可以看出，2000—2016年呼伦贝尔地区GPP的空间分布呈现西低东高的分布特点，显示了呼伦贝尔地区植被光合作用能力的增强，就生态系统类型而言，总体上呈现西部的温性草原带向中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带逐渐增加的趋势。中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原的健康状况总体上要优于西部的温带性草原。2003年由于受极端气候灾害时间的影响，中部的温性草甸草原带、山地草原带的GPP比2000—2002年显著减少，西部的温性草原带的GPP在2004年进一步减少，2008—2011年则相对变化不大;2014年GPP均值增加至最大值，主要是由于中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带的GPP增加所致。整体上，呼伦贝尔地区的植被，尤其是草地生态系统的固碳能力在近17年间缓慢的增强，进而反映了全球气候变化对该地区植被生态系统的正反馈。 　　从图5可以看出，2000—2016年呼伦贝尔地区PsnNet的空间分布与GPP的分布很相似，总体分布趋势呈现西低东高的特点。换言之，西部的温性草原带向中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原带逐渐增加，植被显示了更健康的生长趋势。2003年由于受极端气候灾害时间的影响，中部的温性草甸草原带、山地草原带的PsnNet比2000—2002年显著减少，西部的温性草原带的PsnNet在2004年进一步减少，2008—2011年则相对变化不大，2014年PsnNet均值增加至最大值，2015—2016年则略微有所下降。
　　3 结论
　　（1）2000—2016年呼伦贝尔地区生态功能区平均FPAR总体上较为稳定，空间格局上呈现西低东高的地带性差异。
　　（2）2000—2016年呼伦贝尔地区年均LAI在地带性上呈现西低东高的分布特点，对局部的气候极端事件或人为的政策很敏感。不同的草地类型和气候带的植被状况也有显著的差异。总体上中部的温性草甸草原带、山地草原带和东部的低地草原的健康状况要优于西部的温带性草原。
　　（3）随着全球气候的变化，呼伦贝尔地区的生态环境在2000—2016年发生了较为明显的改变：一方面，植被的光合作用能力、生长和健康状况和固碳能力都呈现增强趋势，可能与全球变暖和当地政府所采取的积极措施有关;另一方面，受极端气候事件的影响，局部区域的光合有效辐射、叶面积指数和初级生产力在某些年份有明显的下降，给当地的生产和人们的生活都造成了损失。
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