基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評估模型

　　摘要：在自然環(huán)境下橡膠樹的生產(chǎn)能力除受自身的生物學和土壤特性等限制外，主要受氣候因子的影響，橡膠樹產(chǎn)量的波動與氣候因子的變化密切相關，準確及時評估氣候條件對橡膠樹產(chǎn)膠狀況的影響具有重要意義。根據(jù)2000−2015年全國橡膠種植區(qū)氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，基于氣候植被凈初級生產(chǎn)力模型(體現(xiàn)潛在生產(chǎn)力)和遙感光能利用率模型(體現(xiàn)實際的生產(chǎn)力)，確立了兩種模型反演橡膠樹凈初級生產(chǎn)力之間的轉換系數(shù)，并在此基礎上，建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠潛力模型。結果表明：模型實現(xiàn)了依靠氣候數(shù)據(jù)客觀、定量評估橡膠樹產(chǎn)膠能力的動態(tài)變化，也能間接反映氣候因子的變化對不同區(qū)域橡膠樹產(chǎn)膠能力影響的差異，可為橡膠樹產(chǎn)量預測、應對氣候變化和種植布局調(diào)整提供決策依據(jù)。

　　關鍵詞：橡膠樹;凈初級生產(chǎn)力;產(chǎn)膠能力;模型

　　中國屬橡膠樹種植的非傳統(tǒng)區(qū)域，氣候因子是影響橡膠樹種植及產(chǎn)量的關鍵因素之一[1−2]，受氣候波動和人類行為的共同影響，橡膠生產(chǎn)易受氣候變化的影響。近年來，由于橡膠產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化，種植壓力增大，生產(chǎn)成本增加，傳統(tǒng)植膠生產(chǎn)模式競爭力大幅下降，加上國際膠價持續(xù)低迷，膠工和膠農(nóng)的收入大幅下降，導致種膠割膠意愿不強，出現(xiàn)了膠園棄割、棄管、棄種等一系列問題[3]。因此，開展橡膠樹產(chǎn)膠能力的氣象預測研究和服務，及時、準確地了解橡膠生產(chǎn)狀況，對于中國天然橡膠貿(mào)易和宏觀調(diào)控，具有十分重要的意義。

　　橡膠樹凈初級生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity，NPP)是橡膠樹在單位時間和單位面積上所產(chǎn)生的有機干物質(zhì)總量，是反映橡膠生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化響應的重要指標[4]。橡膠產(chǎn)量與生長季內(nèi)NPP關系密切，二者存在有效的產(chǎn)量轉換關系。因此，可以通過橡膠樹的干物質(zhì)與氣候因子的相關性估算生產(chǎn)潛力。

　　有關橡膠樹產(chǎn)量估算模型包括氣候要素預測模型[5]、遙感預測模型[6]、時間序列分析模型[7]、線性回歸模型[8−11]、模糊數(shù)學綜合評判[12]、灰色模型[13]等。然而截至目前，關于橡膠樹氣候產(chǎn)膠能力預測模型研究鮮見報道。氣候生產(chǎn)潛力模型是在光、溫、水等自然條件下，一個地區(qū)利用最優(yōu)管理手段可能達到的產(chǎn)量上限，因此，氣候生產(chǎn)力模型能預估該區(qū)域可能達到最大產(chǎn)量;而遙感光能利用率模型能真實反映植被的實際干物質(zhì)生產(chǎn)狀況。

　　氣候變化影響橡膠樹生態(tài)系統(tǒng)的最重要表現(xiàn)之一是引起凈初級生產(chǎn)力(NPP)的變化，因此，本研究基于氣候植被凈初級生產(chǎn)力模型和遙感光能利用率模型計算的凈初級生產(chǎn)力(NPP)，確立兩種模型反演橡膠樹凈初級生產(chǎn)力之間的轉換系數(shù)，并在此基礎上建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力模型，實現(xiàn)橡膠樹產(chǎn)膠潛力的動態(tài)評估，以期為氣候因素變化引起橡膠樹產(chǎn)膠能力的波動評判提供技術支持，為氣候變化條件下橡膠產(chǎn)量預測、風險評估和制定相關應對措施提供參考，還可為中國橡膠期貨市場、橡膠進出口貿(mào)易、橡膠價格收入保險等提供決策依據(jù)。

　　1資料與方法

　　1.1數(shù)據(jù)來源

　　根據(jù)文獻[14−15]結果，中國橡膠產(chǎn)區(qū)主要分布在海南、云南、廣東、廣西、福建等5省，由于福建和廣西橡膠產(chǎn)量的總量僅占全國總產(chǎn)的0.06%左右(2010年產(chǎn)量基數(shù)計算)，因此，僅考慮海南、云南、廣東省內(nèi)橡膠種植區(qū)域。氣候數(shù)據(jù)主要選取橡膠種植區(qū)域內(nèi)的氣象站點，共計58個站，其中海南橡膠種植區(qū)18個、云南27個、廣東13個，各站2000−2018年溫度、降水要素氣候數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心。

　　1.2基于氣候數(shù)據(jù)計算橡膠種植區(qū)植被年凈初級生產(chǎn)力

　　(NPP)孫成明等[16]對多模型對比研究表明，周廣勝模型模擬凈初級生產(chǎn)力(NPP)的相對誤差、均方根誤差、相對根均方誤差均最小，適宜對南方區(qū)域植被NPP的估算，估算效果明顯優(yōu)于其它模型。因此，選擇該模型計算橡膠種植區(qū)植被年凈初級生產(chǎn)力(NPP)，具體算法為[17]222r(1RDIRDI)NPPRDI(1RDI)(1RDI)exp(9.876.25RDI)++=×++−+(1)22RDI(0.6290.237PER0.00313PER)=+−(2)RER=PET/r=58.931BT/r(3)BTt/12=∑(4)式中，NPP為植被凈初級生產(chǎn)力(tC·hm−2)，r為年降水量(mm)，RDI為輻射干燥度，REP為可能蒸散率，PET為可能蒸散量(mm)，BT為年平均生物溫度(℃)，一般在0～30℃;t為月平均溫度(℃)，取值在0～30℃，當t低于0℃時取0℃，高于30℃時取30℃。

　　根據(jù)研究區(qū)2000−2018年溫度、降水數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計各站點年平均溫度和降水數(shù)據(jù)，采用ArcGIS10.2軟件中的普通克里格法進行年平均溫度和降水的插值，空間分辨率為1km×1km，并利用式(1)−(4)計算每個格點不同年份的年凈初級生產(chǎn)力(NPP)，通過研究區(qū)橡膠樹種植分布圖和ArcGIS10.2軟件的剪切功能，提取橡膠樹分布圖對應位置上的年凈初級生產(chǎn)力，即為橡膠樹基于氣候數(shù)據(jù)估算的年凈初級生產(chǎn)力(NPP)。

　　1.3基于遙感資料計算橡膠樹年凈初級生產(chǎn)力

　　(NPPx)根據(jù)2000−2015年MODISNPP數(shù)據(jù)集，通過研究區(qū)橡膠樹種植分布圖和ArcGIS10.2軟件的剪切功能，提取橡膠種植區(qū)各像元歷年凈初級生產(chǎn)力(NPPx)值，空間分辨率為1km×1km。其中，MODISNPP數(shù)據(jù)的計算主要利用光能利用率模型(Carnegie-Ames-StanfordApproach，CASA)，該模型主要算法見文獻[18−19]。

　　1.4橡膠樹生產(chǎn)力轉換系數(shù)(NPPx/NPP)

　　由于氣候生產(chǎn)力模型估算的凈初級生產(chǎn)力為理想狀態(tài)下橡膠樹可達到最大值，而遙感光能利用率模型反演的凈初級生產(chǎn)力是現(xiàn)實狀況下橡膠樹的實際值，因此，將氣候植被凈初級生產(chǎn)力模型結果作為潛在最大生產(chǎn)力，而將基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的NPP作為實際生產(chǎn)力。要建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評估模型，必須進行兩者間誤差系數(shù)的轉換。根據(jù)2000−2015年的氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，分別提取橡膠種植區(qū)年平均凈初級生產(chǎn)力值，并根據(jù)兩種算法得到的橡膠樹年平均凈初級生產(chǎn)力值，確定橡膠樹生產(chǎn)力轉換系數(shù)，即NPPxNPPα=(5)式中，α為生產(chǎn)力轉化系數(shù);NPPx為通過遙感數(shù)據(jù)反演的橡膠樹實際年凈初級生產(chǎn)力;NPP為通過氣候數(shù)據(jù)模型計算的橡膠樹潛在年凈初級生產(chǎn)力。

　　2結果與分析

　　2.1基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠種植區(qū)植被年凈初級生產(chǎn)力(NPP)

　　利用2000−2015年氣候數(shù)據(jù)和式(1)分別計算研究區(qū)各站點植被凈初級生產(chǎn)力，利用ArcGIS10.2軟件和橡膠種植分布圖，提取各省橡膠樹種植區(qū)范圍內(nèi)凈初級生產(chǎn)力年平均值變化。由于氣候變化，2000−2015年橡膠樹種植區(qū)植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)呈現(xiàn)波動變化特點，由于氣候不同，各省橡膠樹種植區(qū)間NPP有明顯差異，其中海南省橡膠種植區(qū)植被NPP最大，年平均NPP變化范圍在1366～1807gC·m−2，多年平均值1666.9gC·m−2;云南省NPP最小，變化范圍在1173～1420gC·m−2，多年平均值1295.5gC·m−2;廣東省NPP變化范圍在1326～1773gC·m−2，多年平均值1566.4gC·m−2。

　　整個研究區(qū)而言，植被年平均NPP變化范圍在1320.1～1637.0gC·m−2，多年平均值1513.8gC·m−2。相對多年年均NPP而言，高于年平均值的年份有2000、2001、2003、2008、2009、2010和2013年，其它年份均低于多年平均值。其中，2001年橡膠種植區(qū)年均NPP最高，為1637.0gC·m−2，2004年植被年均NPP最小，為1320.1gC·m−2。

　　從橡膠種植區(qū)各站點NPP多年平均值的空間分布看，全國主要橡膠種植區(qū)的年平均凈初級生產(chǎn)力存在明顯差異，多年平均值在1173.0～2128.0gC·m−2，其中植被年平均NPP高值區(qū)主要分布在海南，其次是廣東，云南最低。

　　2.2基于遙感數(shù)據(jù)反演的橡膠樹年凈初級生產(chǎn)力(NPPx)

　　基于遙感年凈初級生產(chǎn)力模型的計算結果表明，2000−2015年各省橡膠樹種植區(qū)間年平均凈初級生產(chǎn)力(NPPx)存在明顯差異。其中云南省橡膠種植區(qū)年平均凈初級生產(chǎn)力(NPPx)最大，在1105～1317gC·m−2，多年平均值1226.1gC·m−2;廣東省NPPx最小，變化范圍511～638gC·m−2，多年平均值613.6gC·m−2;海南省NPPx在828～1054gC·m−2，多年平均值929.5gC·m−2。

　　2000−2015年整個橡膠樹種植區(qū)年平均凈初級生產(chǎn)力(NPPx)變化范圍在920.1～1053gC·m−2，多年平均值991.9gC·m−2。相對多年年均凈初級生產(chǎn)力(NPPx)值而言，研究區(qū)橡膠樹高于年平均值的年份有2003、2004、2006、2007、2008、2009、2011、2014和2015年，其它年份均低于多年平均值。其中2003年橡膠種植區(qū)年均NPPx最大，為1053gC·m−2，2005年NPPx最小，為920.1gC·m−2。

　　2.3橡膠樹生產(chǎn)力轉換系數(shù)

　　通過2000−2015年氣候數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)反演的橡膠樹年平均凈初級生產(chǎn)力，根據(jù)式(5)得到兩者的轉換系數(shù)α。2000−2015年橡膠樹生產(chǎn)力轉換系數(shù)呈現(xiàn)整體微弱的上升趨勢，其變化范圍在0.6～0.8，多年平均值0.69。相對多年年均轉換系數(shù)值而言，高于年平均值的年份有2004、2006、2007、2009、2011、2014和2015，其它年份均低于年均轉換系數(shù)值，其中2003年橡膠種植區(qū)平均系數(shù)最高，為0.8，2001年平均系數(shù)最小，為0.6。

　　3結論與討論

　　3.1結論

　　(1)本研究在氣候植被凈初級生產(chǎn)力模型和遙感光能利用率模型(CASA)的基礎上，利用2000−2015年的氣候和遙感數(shù)據(jù)，得到中國橡膠樹種植區(qū)的凈初級生產(chǎn)力，并開展兩種模型下橡膠樹凈初級生產(chǎn)力的差異分析，得到多年平均狀態(tài)下的橡膠樹生產(chǎn)力轉換系數(shù)，轉換系數(shù)的確立為建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評估模型奠定了基礎。

　　(2)氣候模型反演凈初級生產(chǎn)力是利用氣候因子(溫度、降水等)來估算凈初級生產(chǎn)力，模型估算的結果是潛在的植被生產(chǎn)力，2000−2015年研究區(qū)橡膠樹年平均凈初級生產(chǎn)力變化范圍為1320.1～1637.0gC·m−2;由于氣候條件的不同，海南橡膠種植區(qū)的年平均凈初級生產(chǎn)力整體高于廣東，廣東整體上高于云南。

　　利用遙感模型反演的橡膠樹凈初級生產(chǎn)力真實反映了橡膠種植區(qū)凈初級生產(chǎn)力的實際情況，可以用于估測現(xiàn)實的橡膠樹凈初級生產(chǎn)力，2000−2015年研究區(qū)橡膠樹年平均凈初級生產(chǎn)力變化范圍在920.1～1053gC·m−2，年平均凈初級生產(chǎn)力整體低于氣候模型計算的結果，但其在空間上的分布規(guī)律與氣候模型計算的凈初級生產(chǎn)力分布存在明顯的差異，其中云南橡膠的年平均凈初級生產(chǎn)力整體高于海南，海南整體高于廣東。因此，本研究利用兩種反演方法的優(yōu)勢和存在的差異，建立基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠產(chǎn)膠能力模型，實現(xiàn)了利用氣候數(shù)據(jù)準確計算橡膠種植區(qū)產(chǎn)膠能力的大小，為準確及時了解全國橡膠樹生產(chǎn)狀況提供了決策依據(jù)，也可為評估未來氣候變化對橡膠樹產(chǎn)膠能力影響提供技術保障。

　　3.2討論

　　(1)橡膠樹產(chǎn)膠能力的高低受多種因素的影響，既有氣候原因，也有橡膠樹品種、樹齡、管理等方面的原因。基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠產(chǎn)膠能力模型的建立主要考慮橡膠樹生理生態(tài)學特點和水熱平衡關系，模型是基于一定假設條件而建立的，即氣候生產(chǎn)力模型估算的凈初級生產(chǎn)力為理想狀態(tài)下橡膠樹可達到的最大值;而遙感光能利用率模型反演的凈初級生產(chǎn)力是現(xiàn)實狀況下橡膠樹的實際值，未考慮其它因素的影響。

　　由于氣象觀測資料站點分布限制和遙感數(shù)據(jù)空間分辨率的限制，插值后的空間分辨率為1km×1km，建立的模型能從宏觀上反映中國橡膠樹產(chǎn)膠潛力的空間差異，但在局部區(qū)域模型評估的結果仍可能有一定的不確定性。研究給出的是目前狀態(tài)下全國橡膠種植區(qū)的計算方法，不同省區(qū)或橡膠樹種植狀況發(fā)生變化后，需要不斷更新橡膠種植區(qū)信息和生產(chǎn)力轉換系數(shù)，才能確保模型的準確性。

　　(2)基于氣候數(shù)據(jù)的橡膠樹產(chǎn)膠能力評估模型依靠2000−2015年的數(shù)據(jù)集建立，下一步需要更多數(shù)據(jù)來進行模型檢驗;由于不同品種橡膠樹之間的生產(chǎn)力轉化系數(shù)和干物質(zhì)分配率存在一定差異，評估的橡膠樹產(chǎn)膠能力的結果可能局部存在一定偏差，需要不斷完善和優(yōu)化[22−23]，從而提高模型評估的準確性。

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