摘 要：陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球氣候變化研究的核心內(nèi)容之一，森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最多、最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，在維持全球碳平衡和調(diào)節(jié)全球氣候等方面有著舉足輕重的地位。本文采用3類MODIS數(shù)據(jù)(葉面積指數(shù)、地表溫度數(shù)據(jù)、地表水份數(shù)據(jù))結(jié)合AmeriFlux通量觀測網(wǎng)絡(luò)中位于加拿大亞寒帶氣候區(qū)的4個通量塔站點觀測數(shù)據(jù)建立1個遙感反演模型，利用該模型對常綠針葉林生態(tài)系統(tǒng)呼吸進行估算，并使用獨立的通量站點觀測數(shù)據(jù)評估模型的準確性。結(jié)果表明，遙感反演模型在估算森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸方面具有很大的潛力，為大區(qū)域尺度上定量評估森林生態(tài)系統(tǒng)對區(qū)域碳平衡及全球碳循環(huán)的影響，制定合理的森林生態(tài)管理方案提供數(shù)據(jù)支持。
關(guān)鍵詞：
森林生態(tài)系統(tǒng);遙感;MODIS;碳循環(huán);通量觀測
中圖分類號：S718.5
文獻標識碼：A
DOI：10.19754/j.nyyjs.20200315004
《中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃》(季刊)創(chuàng)刊于1982年，是由國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院主辦的刊物。本刊刊登森林資源管理、林業(yè)分類經(jīng)營、森林經(jīng)營設(shè)計、資源與環(huán)境監(jiān)測，測樹制表、專業(yè)調(diào)查、森林公園和自然保護區(qū)規(guī)劃、林業(yè)遙感和計算機在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃中的應(yīng)用及國內(nèi)外林業(yè)調(diào)查規(guī)劃科技與動態(tài)等方面的論文。
陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，同時也是與人類生活聯(lián)系最為緊密的部分，近年來吸引了眾多科學(xué)家的關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，渦動相關(guān)技術(shù)和遙感技術(shù)逐步運用于測定生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳交換通量。渦度相關(guān)法目前被認為是研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量變化最直接有效的觀測方法，其研究結(jié)果可解釋生態(tài)系統(tǒng)不同時間尺度(日、季節(jié)、年際)上的大氣碳通量變化特征[1]。多光譜、高光譜、雷達與微波遙感技術(shù)的發(fā)展讓大尺度模擬碳通量的構(gòu)想成為了可能。但通量觀測數(shù)據(jù)代表范圍小，空間尺度擴展較為困難[2]，遙感衛(wèi)星觀測結(jié)果易受多種因素影響(例如傳感器精度、天氣條件、地形復(fù)雜度等)，其結(jié)果具有很大的不確定性。融合遙感技術(shù)與通量塔觀測數(shù)據(jù)建立反演模型估算生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳排放潛力，是大尺度探測區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳收支動態(tài)變化的創(chuàng)新性實踐。
1 數(shù)據(jù)的來源與處理
1.1 數(shù)據(jù)的來源
MODIES數(shù)據(jù)具有波段范圍寬、靈敏度高、大尺度觀測等優(yōu)點，能更好地反應(yīng)區(qū)域乃至全球尺度上CO2氣體濃度的空間變化規(guī)律[3]。本研究選用時間分辨率為8d的地表反射率產(chǎn)品(MOD09A1，V6，分辨率為500m)，葉面積指數(shù)(LAI)產(chǎn)品(MOD15A2，V6，分辨率為500m)和地表溫度(LST)產(chǎn)品(MOD11A2，V6，分辨率為1km)用于反演模型的建立。并利用AmeriFlux通量觀測網(wǎng)絡(luò)中的4個獨立站點共9a觀測數(shù)據(jù)對模型進行驗證。
1.2 數(shù)據(jù)處理
由于3種MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)分辨率不同，對3種產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行3×3窗口的重采樣分析，即采用通量觀測塔為中心的3×3方格內(nèi)像元值[4]。進而利用地表反射率產(chǎn)品計算獲得地表水分指數(shù)(LSWI)，LSWI的計算公式如下：
LSWI=ρnir-ρSWIRρnir+ρSWIR(1)
式中，ρnir是近紅外波段的反射率，ρSWIR是短波紅外波段的發(fā)射率。
碳通量數(shù)據(jù)的處理則利用馬克斯普朗克生物地球化學(xué)研究所開發(fā)的基于R的軟件包對直接測得的凈生態(tài)系統(tǒng)交換量(NEE)數(shù)據(jù)進行插補拆分獲得獨立的生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)數(shù)據(jù)，并將呼吸數(shù)據(jù)整合成8d時間間隔數(shù)據(jù)，與MODIS數(shù)據(jù)時間間隔保持一致。
2 模型的建立與評估
2.1 研究站點介紹
為排除氣候及植被類型對森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸能力的影響，本文研究區(qū)選擇AmeriFlux通量觀測網(wǎng)絡(luò)的4個位于加拿大境內(nèi)的常綠針葉林通量站點，其氣候類型均為亞寒帶氣候，無明顯的干濕季，冬季寒冷，夏季涼爽。具體站點描述見表1。
2.2 模型的建立
建立了一個逐步線性回歸模型用于估算常綠針葉林生態(tài)系統(tǒng)呼吸，該模型允許適應(yīng)連續(xù)變量和離散變量作為輸入變量。通量塔的呼吸(Re)數(shù)據(jù)用于模型的訓(xùn)練和驗證，而MODIS遙感數(shù)據(jù)用作解釋性或者預(yù)測性變量，采用逐步的方法決定輸入變量的權(quán)重，最終的模型應(yīng)具有最高精度和最低輸入變量數(shù)。模型的輸入變量包括葉面積指數(shù)(LAI)、地表水分指數(shù)(LSWI)以及地表溫度數(shù)據(jù)(LST)，來自4個通量塔的呼吸(Re)數(shù)據(jù)作為回歸模型中的因變量，使用所有可用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)應(yīng)用于最終的回歸模型。
2.3 準確性評估
本文采用留一交叉驗證法對模型模擬進行獨立驗證。該方法以1個通量塔站點為1組空間數(shù)據(jù)子集，將4個站點逐一進行預(yù)扣回歸。即保留1個站點的數(shù)據(jù)子集作為測試樣本，其余3個站點數(shù)據(jù)以集合的形式作為模型開發(fā)的訓(xùn)練樣本，利用測試樣本對模型的準確性進行評估。4個站點中的每個站點都被依次保留，并且使用針對其余3個站點的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，將在1個通量塔站點處測量的實際Re值與模型估計的Re值進行比較。本文使用均方根誤差(RMSE)和皮爾森相關(guān)系數(shù)(r)來評估模型的精度，并將所有站點實際測量的Re值與模型估計獲得的Re值進行回歸分析。模型模擬結(jié)果如表2所示，相關(guān)性分析結(jié)果如圖1所示。
2.4 結(jié)果分析
由圖1可以看出，對于所有站點，實際測量的Re和模型估計的Re回歸值為r=0.716，回歸線斜率為0.451，表明Re的模擬精度較高但存在低估的現(xiàn)象。此外，當實測的Re值較小時，回歸數(shù)值較為均勻的分布在1∶1直線附近，當實測的Re值逐漸增大(Re>4gCm-2d-1)回歸數(shù)值分布在1∶1直線右下半部分，說明該模型在森林生態(tài)系統(tǒng)的呼吸強度較弱時，模擬效果較好，在生態(tài)系統(tǒng)呼吸強度較大時，模型的模擬結(jié)果容易出現(xiàn)低估的現(xiàn)象。
由表2模型模擬結(jié)果表明訓(xùn)練集的r在0.767～0.886之間變化，RMSE在1.262～1.743gCm-2d-1范圍內(nèi)。驗證集的r在0.849～0.895之間變化，RMSE在1.191～2.457gCm-2d-1范圍內(nèi)，這個結(jié)果表明利用MODIS數(shù)據(jù)建立的遙感反演模型具有較高的準確性與可靠性，可以在常綠針葉林生態(tài)系統(tǒng)中將點尺度的生態(tài)呼吸研究擴展到區(qū)域尺度。
2.5 模型討論
盡管遙感反演模型在估算常綠針葉林生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳排放方面表現(xiàn)出色，但是模型仍然存在重大的不確定性。
由于加拿大地區(qū)緯度較高，冬季冰雪覆蓋會影響發(fā)芽期的葉面積指數(shù);春季冰雪融化會影響地表水分指數(shù)數(shù)據(jù)的準確性。在通量觀測數(shù)據(jù)方面，由于渦動相關(guān)技術(shù)自身的特點導(dǎo)致通量觀測數(shù)值的缺失，需要依據(jù)一定的規(guī)則進行插補拆分，影響了實測數(shù)據(jù)的可靠性。此外，由于森林本身結(jié)構(gòu)和成分的復(fù)雜性，森林生態(tài)系統(tǒng)的呼吸包括自養(yǎng)生物(植被)呼吸和異養(yǎng)生物(自由生物以及土壤微生物)呼吸[5]，溫度、土壤濕度、養(yǎng)分、活體和死亡生物量可能會對模型估計的精度產(chǎn)生影響。而且，本研究為排除氣候及植被類型的影響，采用的4個常綠針葉林通量塔站點均位于同一氣候區(qū)，站點代表性的不足影響了模型的普遍性。利用遙感反演的方式估算森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸仍需要更多的探索和改進。
3 結(jié)論
本研究主要基于3類MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取LAI、MODIS LST、LSWI遙感數(shù)據(jù)，并將其與加拿大境內(nèi)4個通量站點觀測的Re數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立了1個適用于常綠針葉林的生態(tài)系統(tǒng)呼吸碳排放反演模型，并利用獨立站點觀測數(shù)據(jù)對建立的遙感反演模型進行驗證。與傳統(tǒng)的通量觀測數(shù)據(jù)、實地調(diào)查和基于遙感衛(wèi)星的模型估計相比，本文的反演模型提供了一個更大空間尺度(500m)和長時間序列(8d)的數(shù)據(jù)集，為大尺度探測區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳收支動態(tài)變化提供了新思路。
參考文獻
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文章名稱：基于遙感反演的森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸研究
