CN107491868A - 一种林地植被生态需水的定量测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种林地植被生态需水的定量测算方法,该方法通过估算待测区域林地植被净初级生产力,结合待测区域林地植被面积和蒸腾系数,计算林地植被生态需水量。本发明通过植物净初级生产力NPP对林地植被生态需水量进行反推,计算过程可重复,可信度相对较高,同时还可以排除由于水资源重复利用带来的不确定性。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于生产力格局的林地植被生态需水的定量测算方法。
背景技术
由于水资源短缺造成生态环境日益恶化,生态环境需水问题越来越为人们所关注。生态需水量是指最大程度的改善天然生态系统和维持生态系统的完整性,以及保证天然生境的生物多样性所需要的水量,是一个理论上的值,它有别于生态耗水量和生态用水量。生态耗水量是指一定生态环境水平下生态环境系统所实际消耗的水量,是人工配水和生态系统对水资源的天然利用的结果;生态用水量则是指为了维持一定的生态环境水平所需要人工配置的水资源量,是水资源系统人工侧支循环作用的结果。生态需水估算应根据各种生态类型的需水特点,考虑不同保证率下的生态需水状况。不同气候条件和下垫面情况造成降水量的差异,形成不同区域背景下地表水资源量的变化。
国外学者将生态需水分为生物和非生物环境进行区分研究,将植被生态需水量概括为不同生境下植被维持自身生理生态功能的稳定耗水量,主要集中于对景观植被、绿洲植被和防护林植被的需水和耗水研究。国内众多学者在20世纪90年代中期开展生态需水相关研究,目前已开展了不同尺度和不同研究对象的生态需水研究。1997年对西北地区的生态需水研究,提出了干旱区生态需水的计算方法,推动了我国生态需水的研究进程。随后,国内众多学者开展了生态需水的相关研究工作,包括生态需水的理论、分区、计算方法及其应用等方面,使得我国生态需水研究逐步向纵深发展,并于2003年建立了全国生态用水标准并开发了基于各区域实际状况的生态需水计算体系。张远最先提出林地植被生态需水量的定义,将林地生态系统看作森林和土壤的综合系统,认为林地植被生态需水量是维持林地生态系统自身生长和发挥生态功能所消耗的水资源量。总的来看,已有研究多以干旱或半干旱区域为主,研究对象主要集中于流域或河道。目前林地植被生态需水量估算的方法很多,比较常见的有:水量平衡法、潜水蒸发法、遥感估算法、生物量估算法等。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的林地植被生态需水量的估算方法,可重复计算,同时还可以排除由于水资源重复利用带来的不确定性。
为了达到上述目的,本发明提供了一种林地植被生态需水的定量测算方法,该方法通过估算待测区域林地植被净初级生产力,结合待测区域林地植被面积和蒸腾系数,计算林地植被生态需水量。
进一步的,该测算方法包括以下步骤:
(1)确定林地植被面积:根据遥感数据获取待测区域林地植被的像元数,用像元数乘以遥感数据的空间分辨率即得林地植被的面积A;
(2)估算林地植被净初级生产力:选用基于资源平衡观点建立的遥感参数模型估算林地植被净初级生产力NPP;
(3)确定林地植被蒸腾系数KC;
(4)计算林地植被生态需水量W:。
本发明林地植被生态需水量的定量测算方法具体步骤如下:
a)确定林地植被面积的步骤:
根据研究目标选择合适的遥感数据,利用ENVI软件监督分类和非监督分类工具对遥感数据进行人机交互解译,并验证解译精度。将解译后的遥感数据按照全国土地利用分类体系和研究目标重分类,获取林地植被的像元数,用像元数乘以遥感数据的空间分辨率即得林地植被的面积,计为 A,m2;
b)估算林地植被净初级生产力的步骤:
选用基于资源平衡观点建立的遥感参数模型估算林地植被NPP。以CASA模型为代表的遥感参数模型已经被国内外学者广泛应用于NPP估算并在研究中验证了模型的可靠性,该模型是一种充分考虑环境条件和植被自身特征的光能利用率模型,根据植被吸收的有效光合辐射(APAR)和光能利用率(ε)来计算植被NPP。本发明针对CASA模型在应用范围和光能利用率等方面存在的问题,提出相应的改进方法,并在研究中进一步验证改进方法的可靠性。
该CASA模型的根据中国主要森林类型生物量和NPP数据库,模拟测算我国各植被类型的最大光能利用率,同时在模型模拟过程中考虑植被覆盖变化对区域NPP的影响,此外利用ENVI-IDL编程实现CASA模型的可视化操作,提高了CASA模型估算NPP的精度。参见:(1)朱文泉,潘耀忠,张锦水.2007.中国陆地植被净初级生产力遥感估算[J].植物生态学报,31(3): 413-424;(2)穆少杰,李建龙,周伟,等.2013. 2001-2010年内蒙古植被净初级生产力的时空格局及其与气候的关系[J].生态学报,33(12): 3752-3764;(3) 吴晓全,王让会,李成,等.2016.天山植被NPP时空特征及其对气候要素的响应 [J].生态环境学报,25(11):1848-1855.)。
利用遥感空间分析技术在 GIS和ENVI软件中实现改进CASA模型的操作过程,估算林地植被净初级生产力,计为NPP,g﹒m-2。
c)确定林地植被蒸腾系数的步骤:
蒸腾系数是植物蒸腾消耗的水分质量与同期植物积累的干物质质量之比值,常表述为植被每生产1g干物质蒸腾消耗的水分克数,是一个无量纲数,蒸腾系数的值越大说明植物需水量越多。蒸腾系数与水分利用率成反比,水分利用率越高,蒸腾系数越小。不同类型植被的蒸腾系数差异较大,例如大部分作物的蒸腾系数是100—500,自然植被的蒸腾系数为125—1000。此外,木本植物的蒸腾系数小于草本植物,如二白杨的蒸腾系数为513,沙枣为383,而胡杨的水分利用效率高于杨树和沙枣,因此胡杨的蒸腾系数应该小于383。在全球气候变化背景下,气温升高、CO2等温室气体增多,植被NPP增加、蒸腾作用加快,因此植被的蒸腾系数也会发生变化。因此,在确定林地植被的蒸腾系数时,应该综合考虑其植被类型、分布状况、生长状况、气候条件等诸多因素。
通过实验测定植物特定生理周期中散失的水分,或通过测定封闭条件下的植物—土壤系统所减少的重量,即可测定植被的蒸腾系数,计为KC,无量纲。
d)估算林地植被生态需水总量的步骤:
通过以上步骤确定林地植被面积、NPP和蒸腾系数,构建林地植被生态需水量模型,用林地植被蒸腾系数乘以林地植被NPP和林地面积,即林地植被生态需水总量:
。
本发明相比现有技术具有以下优点:
1、净初级生产力是指在环境要素和植物生理特征共同作用下的净光合生产量,可以用以描述绿色植物固定光合产物的效率,是表征陆地生态系统健康的关键指标。本发明通过植物净初级生产力NPP(结合植被蒸腾系数)对林地植被生态需水量进行反推,计算过程可重复,可信度相对较高,同时还可以排除由于水资源重复利用带来的不确定性。
2、本发明采用改进的CASA模型进行NPP估算,更加可靠。
3、利用本发明估算林地植被生态需水量,可促进区域林业资源高效管理与生态环境合理用水,对生态环境建设具有重要意义。
附图说明
图1为本发明定量测算方法的流程图;
图2为本发明具体实施方式中2001-2013年天山植被年均NPP数据图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本实施例是一种基于生产力格局的林地植被生态需水的定量测算方法,所述方法的流程如图1所示。将本发明应用于新疆天山林地植被生态需水量的测算,计算步骤如下:
(1)确定新疆天山林地植被的面积:
从中国科学院资源环境科学数据中心获取2005年中国土地利用现状遥感监测数据,空间分辨率为1000m×1000m,按照全国土地利用分类体系和研究目标将土地利用数据分为:耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。利用GIS软件提取出天山地区林地的矢量边界,得到林地的栅格数为18199个,每一个栅格的面积为106m2,计算得出2005年新疆天山地区林地面积为18.199×10 9 m2。
(2)估算天山林地植被净初级生产力:
依据MODIS新疆区域行列号下载2001—2013年MODIS-NDVI遥感产品数据,产品编号为MOD13A3,空间分辨率为1000×1000m,产品周期为30d。利用MRT、GIS和ENVI等软件对MODIS-NDVI数据进行镶嵌、裁剪和投影等预处理。选取天山地区26个气象台站的日降雨量和日地表温度数据,同时获取了天山地区的日太阳辐射数据。将日降雨数据和日辐射数据合成为月总量数据,日地表温度处理为月平均数据,与MODIS-NDVI数据时间序列对应。将气象数据批量IDW插值成栅格数据,再将气象栅格数据重采样成1000m×1000m,投影方式、像素类型和栅格行列数与MODIS-NDVI数据相同。
将以上数据统一处理后在GIS和ENVI软件中实现CASA模型操作过程,估算2001—2013年天山地区植被NPP数据,按照天山地区林地的矢量边界裁剪出2001—2013年天山地区林地植被NPP(如图2所示),作为林地植被生态需水模型的一个重要参数参与下一步的运算。
利用改进CASA模型估算得出:2001—2013年天山地区林地植被年均NPP为392.20g﹒m-2﹒a-1,林地植被年均NPP总量为6.9 Tg﹒a-1(1Tg=1012g),林地面积占天山总面积的2.95%。
(3)确定林地植被蒸腾系数:
通过分析新疆天山地区林地植被的主要类型、分布状况、气候条件等因素,确定天山地区林地植被蒸腾系数。天山地区的森林线位于天池,海拔在1500—1800m之间,优势林种包括杨树、杉树、柏树、松树等。天山西部地区特殊的“喇叭状”地貌汇集了北大西洋和北冰洋的湿润气流,形成丰沛的冷峰雨和地形雨,分布着生产力极高的天山云杉林群落。据此,将天山地区的蒸腾系数界定为300g,据此计算天山林地生态需水量。
(4)估算天山地区林地植被生态需水总量:
通过以上步骤确定新疆天山地区林地植被面积、NPP和蒸腾系数,构建林地植被生态需水量模型,用林地植被蒸腾系数乘以林地植被NPP和林地面积,即林地植被生态需水总量:
。
经运算可得,2001—2013年天山林地植被年均生态需水总量为 2070 Tg﹒a-1(1Tg=1012g),单位面积上的年均林地植被生态需水量为 78440 g﹒m-2﹒a-1。
Claims (4)
1.一种林地植被生态需水的定量测算方法,其特征在于:该方法通过估算待测区域林地植被净初级生产力,结合待测区域林地植被面积和蒸腾系数,计算林地植被生态需水量。
2.根据权利要求1所述的定量测算方法,其特征在于:所述测算方法包括以下步骤:
(1)确定林地植被面积:根据遥感数据获取待测区域林地植被的像元数,用像元数乘以遥感数据的空间分辨率即得林地植被的面积A;
(2)估算林地植被净初级生产力:选用基于资源平衡观点建立的遥感参数模型估算林地植被净初级生产力NPP;
(3)确定林地植被蒸腾系数KC;
(4)计算林地植被生态需水量W:。
3.根据权利要求2所述的定量测算方法,其特征在于:所述步骤(2)中林地植被净初级生产力NPP采用CASA模型进行估算。
4.根据权利要求2所述的定量测算方法,其特征在于:所述步骤(3)中林地植被蒸腾系数KC通过测定植物特定生理周期中散失的水分,或通过测定封闭条件下的植物—土壤系统所减少的重量进行测定。
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