引言

隨著國(guó)際生物圈計(jì)劃的實(shí)施和持續(xù)推動(dòng)，大量有關(guān)陸地NPP的野外調(diào)查、定位觀(guān)測(cè)以及模型模擬研究相繼開(kāi)展，并取得了一系列成果。研究手段從野外生態(tài)測(cè)量發(fā)展為采用3S技術(shù)進(jìn)行模型模擬，數(shù)據(jù)源從樣地調(diào)査發(fā)展到遙感數(shù)據(jù)、非遙感通量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)以及多源數(shù)據(jù)集成。傳統(tǒng)的站點(diǎn)實(shí)測(cè)方法，如定點(diǎn)觀(guān)測(cè)，一般通量塔觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)代表了周?chē)鷰坠锘蚴畮坠锏纳鷳B(tài)系統(tǒng)與大氣的碳交換和循環(huán)過(guò)程，時(shí)間分辨率為30min，可以通過(guò)換算得到時(shí)間尺度為分或者小時(shí)的NPP。但野外觀(guān)測(cè)或者定點(diǎn)觀(guān)測(cè)的空間分辨率低、觀(guān)測(cè)效率低下，難以反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的異質(zhì)性，且在大尺度上難以推廣。因而在大尺度范圍上采用模型模擬NPP成為估算凈初級(jí)生產(chǎn)力的有效途徑，而野外觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)常作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)對(duì)模型模擬的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

目前，估算NPP的模型可分為氣候相關(guān)統(tǒng)計(jì)模型，生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程模型和光能利用率CASA模型等。其中，基于光能利用率的CASA模型在全球、區(qū)域或者流域尺度上得到了廣泛的應(yīng)用，且已有研究多基于MODIS（250-8000m）和TM（30m）數(shù)據(jù)，但受空間分辨率的限制，難以滿(mǎn)足小尺度上生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程和碳循環(huán)的研究。因此，基于高分辨率數(shù)據(jù)尤其是無(wú)人機(jī)高分辨率航拍遙感數(shù)據(jù)，采用CASA模型估算小尺度海島紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力具有重要的意義。海島紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)既是保護(hù)海洋環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡的重要平臺(tái)，也是保障國(guó)防安全的戰(zhàn)略前沿。由于其獨(dú)特的海陸過(guò)渡特性，已成為海平面升降和海岸線(xiàn)變遷的重要研究對(duì)象，對(duì)全球環(huán)境、氣候變化具有重要的指示意義。

文接上回，談及了研究區(qū)在不同季節(jié)的NPP，本周我們將繼續(xù)了解不同季節(jié)NPP、不同景觀(guān)類(lèi)型NPP，以及討論和總結(jié)。

圖1?廣西北部灣島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的地理位置

結(jié)果與分析

2.1 NPP估算結(jié)果

2.1.1 不同季節(jié)NPP

由于研究區(qū)受到太陽(yáng)輻射、水文脅迫、溫度、降水以及植被類(lèi)型等因子的影響，不同季節(jié)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力的空間差異明顯（圖7），四季平均NPP為夏季（6-8月，191.35g?C/m2)>秋季（9-11月，116.55g?C/m2)>春季（3-5月，62.98g?C/m2)>冬季（12-2月，28.94g?C/m2)，4個(gè)季節(jié)的總碳儲(chǔ)量大小排序?yàn)橄募荆?1.82t?C)>秋季（31.56t?C)>春季（17.06t?C)>冬季（7.84t?C)。具體來(lái)說(shuō)，春季研究區(qū)的NPP介于0-241.05g?C/m2之間，隨著北部灣地區(qū)溫度的上升，海島的植被進(jìn)入返青階段，植被開(kāi)始生長(zhǎng)，但由于紅樹(shù)林屬于常綠灌木或小喬木的植物群落，冬天葉子不凋零，而龜仙島中的林地大部分是落葉人工林，以木棉樹(shù)偏多，冬天落葉后次年春天開(kāi)始生長(zhǎng)，所以該島植被的NPP較低。夏季欽州灣地區(qū)的降水量較多，太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，氣溫大多保持在28~30七之間，這些條件為島群生態(tài)系統(tǒng)的植被物質(zhì)量積累提供了充分的條件，加之夏季紅樹(shù)林植物群落尤其是秋茄的光能利用率較強(qiáng)，造成植被NPP值較大。夏季NPP介于0-648.03g?C/m2Z間，NPP>450g?C/m2的區(qū)域主要集中在秋茄和桐花樹(shù)種群中，而龜仙島的NPP多在350~450g?C/m2之間；隨著秋季的到來(lái)，欽州灣地區(qū)的太陽(yáng)輻射減弱、氣溫降低，植被光能利用率減弱，NPP呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，其值介于0~452.26gQ/n?之間。具體來(lái)說(shuō)，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的NPP多處于240g?C/m2，而龜仙島生態(tài)系統(tǒng)的NPP多集中在150g?C/m2以下；冬季由于太陽(yáng)輻射銳減，欽州灣島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)NPP達(dá)到最小，其值介于0-110.68gGn2之間。同時(shí)NPP受到冬季氣溫影響較強(qiáng)，龜仙島的林木、灌叢和草地在冬季全部凋謝，NPP處于年內(nèi)最低值狀態(tài)，其平均值<80g?C/m2，而紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)大部分處于80-111g?C/m2之間?？傮w而言，紅樹(shù)林島群生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)季節(jié)凈初級(jí)生產(chǎn)力為夏季>秋季>春季>冬季，多年季節(jié)NPP的平均值分別占年內(nèi)碳儲(chǔ)量的47.86%、29.15%、15.75%和7.24%。

圖2?島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)不同季節(jié)凈初級(jí)生產(chǎn)力空間分布

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2.1.2 不同島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)NPP

由表4可知，不同海島和紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的NPP總量與其面積呈正比關(guān)系，面積越大其碳儲(chǔ)量越大，其中面積最大的紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)NPP總量達(dá)到60.94t?C，是龜仙島NPP總量的約1.50倍。平均碳密度最大的是紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)，高達(dá)545.556g?C/m2，這主要與紅樹(shù)林葉片的光合有效輻射以及光能利用率有關(guān)。

表4 不同島群和紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力統(tǒng)計(jì)特征

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背風(fēng)墩海島生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度次之，這與背風(fēng)墩海島的原生植被景觀(guān)格局有關(guān)，該地區(qū)原生植被為亞熱帶林地，植被光能利用率高，其值為535.901g?C/m2，而龜仙島植被平均碳密度最小。

2.2?不同景觀(guān)類(lèi)型NPP

由表5可知，不同植被類(lèi)型的NPP差異明顯。其中，桐花樹(shù)的NPP總量最大，占比為44.8%，其次為龜仙島的林地，占28.23%。就平均碳密度而言，白骨壤最高，其次為秋茄、桐花樹(shù)、林地、灌木和草地，這與地表植被類(lèi)型的光能利用率有直接的關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，秋茄、桐花樹(shù)和白骨壤的碳密度均值處于較高水平，分別達(dá)到1123.09、649.65和656.75g?C/m2，高于其他植被類(lèi)型，主要是欽州灣特殊的河口濕地環(huán)境為紅樹(shù)林的生長(zhǎng)提供了充足的條件，加之紅樹(shù)林本身的生物學(xué)特性，光能利用率較高，故植被的碳密度較高；其次，林地和灌木的碳密度也比較高，這也與廣西北部灣地區(qū)氣候濕潤(rùn)有利于林木生長(zhǎng)有關(guān)，而草地的碳密度最低，這與龜仙島大部分人工種植的草地有關(guān)，部分人工草地在秋冬大面積枯萎。

表5 不同景觀(guān)類(lèi)型凈初級(jí)生產(chǎn)力統(tǒng)計(jì)特征

討論

3.1 模型估算不準(zhǔn)確性

分析運(yùn)用CASA模型估算島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的不確定性主要由模型輸入?yún)?shù)的不確定造成。CASA模型中輸入?yún)?shù)的精度問(wèn)題一直以來(lái)是遙感學(xué)和生態(tài)學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文采用無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)計(jì)算CASA模型中的植被指數(shù)，由可見(jiàn)光波譜得到的VDVI植被指數(shù)比傳統(tǒng)遙感數(shù)據(jù)所得的NDVI值偏低，這樣會(huì)導(dǎo)致NPP被低估。另外，對(duì)于CASA模型所估算的NPP結(jié)果的精度問(wèn)題，常用的方法是通過(guò)野外樣地調(diào)查，以樣地調(diào)查所獲得的生物量為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)NPP估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

文章借助于北部灣大學(xué)海洋學(xué)院的紅樹(shù)林樣地調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證本研究估算的NPP精度，其中，實(shí)測(cè)樣地采用生長(zhǎng)增量一凋落物產(chǎn)量法估算群落的NPP，在測(cè)算時(shí)通過(guò)建立每個(gè)樣方內(nèi)不同物種樹(shù)木的年凋落物碳通量和年喬木生物量碳增量之和計(jì)算群落N(xiāo)PP。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型估算值的秋茄的NPP（656.75g?C/m2）小于樣地實(shí)測(cè)值NPP（885.26g?C/m2）與深圳福田紅樹(shù)林秋茄NPP（767.00g?C/m2）（彭聰姣等，2016）。而白骨壤的NPP估算值（1123.09g?C/m2）則大于樣地實(shí)測(cè)值NPP（892.46g?C/m2）與深圳福田紅樹(shù)林白骨壤NPP（875.00g?C/m2），這可能與不同紅樹(shù)林群落在無(wú)人機(jī)航拍光學(xué)數(shù)據(jù)所表現(xiàn)的不同光譜特征有關(guān)，而由不同紅樹(shù)林群落光譜特征所計(jì)算的VDVI指數(shù)也存在顯著差異，從而導(dǎo)致不同群落N(xiāo)PP估算結(jié)果各異。

表6 不同地區(qū)植被凈初級(jí)生產(chǎn)力估算結(jié)果與本文結(jié)果對(duì)比

將CASA模型計(jì)算的結(jié)果與采用相同方法的其他研究結(jié)果（表6）進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)、背風(fēng)墩島以及龜仙島的NPP碳密度遠(yuǎn)高于全國(guó)植被NPP碳密度，同時(shí)也略高于廟島群島南五島的植被碳密度，但低于深圳紅樹(shù)林植被生態(tài)系統(tǒng)的碳密度。與各個(gè)地區(qū)相比，本研究紅樹(shù)林植被NPP碳密度的估算結(jié)果低于廣東省和廣西壯族自治區(qū)，但高于湖南省和云南滇南山區(qū)。

由此可知，本研究的島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)NPP平均碳密度高于全國(guó)平均水平，低于同緯度地區(qū)的沿海省份地區(qū)，但高于內(nèi)陸地區(qū)省份。為了驗(yàn)證模型估算的精度問(wèn)題，采用萊森光學(xué)iSpecField地物光譜儀對(duì)紅樹(shù)林的光譜曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，光譜測(cè)試的環(huán)境條件為晴天，空氣濕度小，微風(fēng)。光譜測(cè)量的時(shí)間為T(mén)11:00-13:00。由于實(shí)地測(cè)量秋茄、白骨壤和桐花樹(shù)的反射光譜曲線(xiàn)對(duì)能量存在差異，因此需要將采集的光譜反射率曲線(xiàn)與參考白板的光譜曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比矯正。隨后使用采集的不同地物的光譜曲線(xiàn)值計(jì)算NDVI，再將其帶入到CASA模型中得出不同地物的NPP，通過(guò)光譜曲線(xiàn)計(jì)算出的桐花樹(shù)、白骨壤以及秋茄不同地物的NPP分別為786.37、1039.26和832.53g?C/m2，其中桐花樹(shù)和秋茄的光譜曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果高于CASA模型估算結(jié)果，而白骨壤的光譜曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果低于CASA模型計(jì)算結(jié)果。

由NPP的估算結(jié)果可知夏季和秋季的NPP較高，而春季和冬季的NPP較低，這與該區(qū)域的太陽(yáng)輻射年內(nèi)分布有著宜接的聯(lián)系。由北部灣地區(qū)的太陽(yáng)輻射氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，欽州市四季太陽(yáng)總輻射量夏季（1685.66MJ/m2)>秋季（1442.35MJ/m2)>春季（880.65MJ/m2)>冬季（720.15MJ/m2)，夏季的太陽(yáng)總輻射值最大，占全年太陽(yáng)總輻射的32%，而冬季的太陽(yáng)總輻射值低于其余3季。

3.2?基于無(wú)人機(jī)遙感的NPP

估算應(yīng)用前景對(duì)于海島和紅樹(shù)林生態(tài)承載能力進(jìn)行評(píng)估時(shí)，最重要的參數(shù)是海島或島群生態(tài)系統(tǒng)的NPP，但由于北部灣海島面積狹小，使用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)無(wú)法獲得高精度的植被類(lèi)型信息，對(duì)于尺度更為精細(xì)的紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的群落類(lèi)型信息則更難獲得，加之北部灣地區(qū)多云雨天氣，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取受到嚴(yán)重的影響。而無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)具有高空間分辨率、靈活采樣、飛行高度、觀(guān)測(cè)角度以及影像的重疊度都比其他傳統(tǒng)衛(wèi)星更靈活可控等特點(diǎn)，在反演植被信息方面有較好的應(yīng)用。因此，借助于無(wú)人機(jī)遙感影像獲取CASA模型的植被指數(shù)值得嘗試。

本研究提出了基于無(wú)人機(jī)植被指數(shù)計(jì)算NPP方案，首次將CASA模型和無(wú)人機(jī)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，采用遙感、地理信息系統(tǒng)和Python語(yǔ)言編程有效地評(píng)估了北部灣典型島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的NPP，為凈初級(jí)生產(chǎn)力的精細(xì)化研究及其快速估算提供了方法學(xué)上的經(jīng)驗(yàn)。

3.3?未來(lái)模型改進(jìn)方向

由于本文的氣象站點(diǎn)偏少，尤其是研究區(qū)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)使用的是國(guó)家基本臺(tái)站的輻射觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，雖然采用插值方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，但也存在誤差，未來(lái)除了需要探討更為精細(xì)的插值方法外，還需要在附近的海島上建立野外觀(guān)測(cè)臺(tái)站，收集實(shí)時(shí)的氣象觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，為確保保證模型的精度以及NPP精細(xì)化研究提供數(shù)據(jù)支撐。在植被指數(shù)方面，采用2018年3、6、9和12月4個(gè)時(shí)段的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算，規(guī)避季節(jié)尺度NPP估算所產(chǎn)生的誤差，但這4個(gè)時(shí)段的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)僅代表4個(gè)季度中4個(gè)月的植被指數(shù)情況，并不能代表全年的變化情況。

另外，無(wú)人機(jī)圖像獲取過(guò)程受光照影響較大，導(dǎo)致不同時(shí)期獲取的植被指數(shù)光譜特性可能存在差異，因此未來(lái)應(yīng)該保證每個(gè)月對(duì)海島進(jìn)行動(dòng)態(tài)航拍和監(jiān)測(cè)，且盡量選擇正午T11:00-13:00晴朗天氣的光照條件進(jìn)行拍攝，可保證CASA模型中月植被指數(shù)的計(jì)算需求。此外，植被光能利用率是CASA模型重要的輸入?yún)?shù)，現(xiàn)有的光能利用率模型一般通過(guò)環(huán)境條件變化對(duì)最大光能利用率的脅迫來(lái)求取實(shí)際光能利用率，而實(shí)際的光能利用率還與溫度、植被葉面積指數(shù)以及周?chē)h(huán)境有關(guān)，未來(lái)可借助于便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)來(lái)測(cè)定不同植被類(lèi)型的最大光能利用率以實(shí)現(xiàn)模型的精確評(píng)估。最后，VDVI指數(shù)比NDVI指數(shù)偏低，未來(lái)可利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)作時(shí)空數(shù)據(jù)融合，既可提高空間分辨率也可提高植被指數(shù)的取值范圍。

結(jié)論

以廣西北部灣典型島群紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助于ENVI軟件的CART決策樹(shù)方法獲取了研究區(qū)的景觀(guān)格局?jǐn)?shù)據(jù)，在Python語(yǔ)言的支持下將CASA模型引入到海島紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)研究中，估算研究區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，并探討了研究區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力的年內(nèi)變化、季節(jié)變化以及不同植被類(lèi)型的變化特征，得到的主要結(jié)論為：

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1)可見(jiàn)光波段差異性植被指數(shù)VDVI不僅可以很好地區(qū)分海島及紅樹(shù)林植被等典型地表覆蓋，也能更好地區(qū)分紅樹(shù)林、水體和灘涂信息，適合應(yīng)用于紅樹(shù)林島群生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的估算。

2)研究區(qū)NPP的年總量為127.09t?C，年NPP的碳密度值介于0~1437.12g?C/m2，年均碳密度為399.85g?C/m20紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的NPP值較高，而海島生態(tài)系統(tǒng)的NPP值較低。

3)NPP碳密度的大小與年內(nèi)太陽(yáng)輻射有直接的關(guān)系，白骨壤的碳密度最大（1123.09g?C/m2)，而桐花樹(shù)最小（649.65g?C/m2)。

4)基于無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)NPP估算結(jié)果低于實(shí)測(cè)樣地結(jié)果，這與不同紅樹(shù)林群落的植被光譜特征有關(guān)。本文構(gòu)建的方法可為紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的功能及其健康評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

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