一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法技术方案

本发明专利技术属于地理学和生态学技术领域，涉及一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法。本发明专利技术对温度子模型进行了重新拟合，并通过正弦函数积分的方法求解白天的月均温，以此来代替模型中的温度。本发明专利技术采用NIRv代替NDVI，以此求取温度子模型中的最适温度。本发明专利技术根据已有的研究反推出基于GPP的不同草地利用类型的最大光能利用率值。本发明专利技术简单实用、涉及到的数据都可以从相关网站下载得到，可快速、低成本的对高寒地区草地植被净初级生产力进行更加可靠的估算。加可靠的估算。加可靠的估算。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法


[0001]本专利技术属于地理学和生态学
，涉及一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法，具体说是通过遥感技术获取MODIS影像，通过气象站数据获取温度降水数据，基于现有的光能利用率模型框架，优化其中温度胁迫和最大光能利用率部分，并将其用于高寒草地植被净初级生产力的估算。

技术介绍

[0002]植被净初级生产力(Net primary productivity,NPP)是指绿色植物在单位面积、单位时间内所能累积的有机物的数量，是光合作用产生的有机物总量(Gross primary productivity,GPP)扣除自养呼吸(autotrophic respiration,R)后的剩余部分。NPP作为陆表碳循环的重要组成部分,国际地圈生物圈计划(International Geosphere-Biosphere Program,IGBP)和全球变化与陆地生态系统计划(Global Change and ThterrestrialEcosystem.GCTE)均把NPP的评估作为重要的内容之一。
[0003]草地是高山生命带的重要组成部分，草地NPP的评估对于准确认识整个生态系统的有机物数量十分重要，高山地区海拔高温度低，如何正确认识低温对高寒草地生态系统的影响以及准确量化草地生态系统对低温的响应机制是评估NPP的关键。
[0004]目前，进行NPP评估的模型方法有气候模型(统计模型)，过程模型(机理模型)和遥感模型(参数模型)。气候模型，如Miami模型，Thornthwaite Memorial模型和Chikugo模型等，它们的计算主要是基于实测数据与气候因素的回归关系建立得到，这种方法计算非常简单，但是十分依赖于区域实测数据的统计回归，模型建立后很难外推到其他区域。过程模型，如TEM模型，Biome-BGC模型，它们十分详细的描述了植物的能量通量和物质循环，但是这类模型需要的参数众多，数据难以获取，计算过程十分复杂，且多为站点尺度，难以外推到其他区域，因此，他们的使用受到了限制。遥感模型是基于遥感数据，如MOD09Q1,MOD15A2等，这些数据都可以从NASA,USGS等官方途径获取得到，且遥感模型是基于光能利用率(Light use efficiency,LUE)基础之上的，理论清晰，模型简单，因此获得广泛的应用。
[0005]遥感模型适用于大尺度的NPP研究，但是现有的遥感方法应用到高海拔地区时，没有考虑高山植物对低温的特殊响应机制，即相比低地植物，高山植物能够更加适应低温环境，能够在1天或者几天内将最适温度调整为环境温度以适应温度的变化。夜间低温不会或者很少影响到光合细胞器的活性，也就是说，在运用NPP方法计算光合速率时，基于白天的月均温是更合适的。原有方法多定义NDVI最大时的环境温度为最适温度，但是NDVI最大只能代表植物的收支平衡点，并不能说明此时为最大生长速率。因此，有必要设计一种简单实用，精度更高，并充分考虑高山植物的特殊响应机制的NPP评估方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种适用于高寒草地生态系统的NPP评估方法。该方法考虑到原有模型的缺点以及高寒生态系统的特殊响应机制，基于光能
利用率理论，利用遥感与气象数据，逐月的计算生长季高寒草地的NPP。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现。一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法，其步骤是：
[0008]第一步：获取遥感数据和气象数据；
[0009]根据研究区域的时空分辨率要求，下载相关的气象数据和遥感数据；
[0010]第二步：处理遥感数据和气象数据；
[0011]对下载得到的MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据进行重采样、投影、镶嵌、裁剪，并进行时间序列滤波处理以消除大气因素的影响，滤波处理后的数据进行最大值合成和影像裁剪，生成研究区域的月值数据集；对气象数据进行空间插值，进一步进行格式转换；
[0012]第三步：各个子模型的计算
[0013]分别计算陆表太阳辐射，光合有效辐射分量，温度胁迫系数、水分胁迫系数以及自养呼吸。
[0014]第四步：GPP(总初级生产力)下最大光能利用率的计算
[0015]基于已有的不同草地利用类型NPP下的最大光能利用率，反推出GPP下的最大光能利用率；
[0016]第五步：NPP的计算
[0017]NPP＝PAR
×
0.5
×
FPAR
×
f(T)
×
f(W)
×
ε
G-R
[0018]其中，PAR表示陆表太阳辐射(MJ/m2/月)，0.5表示可被植物吸收利用的可见光部分(波长为0.38～0.71μm)，FPAR为光合有效辐射分量(无单位)，f(T)表示温度胁迫系数(无单位)，f(W)表示水分胁迫系数(无单位)，ε
G
为不同草地利用类型所对应的最大光能利用率(gC/MJ),R为自养呼吸(gC/月)，以上各指标已在前四步分别求取，将其耦合得到植被净初级生产力NPP(gC/月)。
[0019]上述步骤中，所述陆表太阳辐射
[0020]其中，a
s
和b
s
是两个与大气外界太阳辐射S
o
有关的系数，a
s
是0.25，b
s
是0.5，n/N代表日照百分率。
[0021]所述光合有效辐射分量FPAR＝0.95(1-e-k(LAI)
)，其中，k是消光系数，取值为0.45，LAI是叶面积指数(无单位)。
[0022]所述温度胁迫系数
[0023]f(T)＝f(T
s1
)
×
f(T
s2
)
[0024]f(T
s1
)＝0.8+0.02T
opt-0.0005T
opt2
[0025][0026]其中，f(T
s1
)表示在低温和高温环境下，植物内在的生化机理对最大光合速率的限制。f(T
s2
)表示植物适应了当地环境后，环境温度变化对光合作用的限制。T表示白天月均温，T
opt
表示在当地环境下植物生长的最适温度，a＝0.1505，b＝2.3876，c＝-0.7075，d＝-1.7868；
[0027]所述水分胁迫系数
[0028][0029]其中，EET是区域实际蒸散(mm)，PET是区域潜在蒸散(mm)。
[0030]所述自养呼吸包括维持性呼吸与生长性呼吸：
[0031]R＝R
g
+R
m，i
[0032]R为自养呼吸；
[0033]R
g
为生长性呼吸；
[0034]R
m，i
为植物不同器官的维持性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高寒草地生态系统的NPP计算方法，其特征在于，其步骤是：第一步：获取遥感数据和气象数据；根据研究区域的时空分辨率要求，下载相关的气象数据和遥感数据；第二步：处理遥感数据和气象数据；对下载得到的MODIS数据进行重采样、投影、镶嵌，并进行时间序列滤波处理以消除大气因素的影响，滤波处理后的数据进行最大值合成和影像裁剪，生成研究区域的月值数据集；对气象数据进行空间插值，进一步进行格式转换；第三步：各个子模型的计算分别计算陆表太阳辐射，光合有效辐射分量，温度胁迫系数、水分胁迫系数以及自养呼吸；第四步：GPP下最大光能利用率的计算基于已有的不同草地利用类型NPP下的最大光能利用率，反推出GPP下的最大光能利用率；第五步：NPP的计算其中，表示陆表太阳辐射，0.5表示可被植物吸收利用的可见光部分，为光合有效辐射分量，表示温度胁迫系数，表示水分胁迫系数，为不同草地利用类型所对应的最大光能利用率，为自养呼吸，以上各指标已在前四步分别求取，将其耦合得到植被净初级生产力NPP。2.根据权利要求1所述的NPP计算方法，其特征在于，陆表太阳辐射，其中，和是两个与大气外界太阳辐射()有关的系数，是0.25，是0.5，代表日照百分率。3.根据权利要求1所述的NPP计算方法，其特征在于，光合有效辐射分量，其中，k是消光系数，取值为0.45，LAI是叶面积指数。4.根据权利要求1所述的NPP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，袁烨城，李宝林，王双，高锡章，高昂，牟昱璇，
申请(专利权)人：中国标准化研究院，
类型：发明
国别省市：