产业研究 | 基于净初级生产力和作物模型的橡胶林估产方法探析

文摘   2024-10-24 16:21   北京  

橡胶树

天然橡胶是四大工业原料中唯一的可再生资源,是国防和工业建设不可或缺的战略资源。天然橡胶产业发展不仅保障了特殊历史时期的战略物资供给,还对新形势下我国天然橡胶有效供给起到了“压舱石”的作用。我国属于非传统橡胶种植区,由于自然条件的限制,不论是现在还是将来,我国天然橡胶供不应求的状况无法改变。同时,我国进口天然橡胶集中在少数几个国家,进口集中度高,对外高度依存的状况不可改变,资源供应存在安全隐患。由于我国种植天然橡胶的自然条件限制难以突破,通过扩大种植面积来保障天然橡胶资源安全的空间不大,但是我国橡胶树单产较低、区域差异大,通过提高单产来增加天然橡胶产量还有很大的空间,生产潜力很大。因此,及时准确地掌握橡胶林单产和区域产量信息有利于天然橡胶产业发展、干胶价格调控、农业政策制定,以及保障我国天然橡胶资源安全。


一、净初级生产力和橡胶林产量的关系

净初级生产力是指绿色植物单位时间、单位面积累积的有机物数量,是光合作用形成的有机质总量扣除自养呼吸的剩余部分,是表征植物活动状况的重要指标。区域农作物产量与该地区作物生长季内净初级生产力关系密切,农作物产量是农作物在生长季节内净初级生产力的一部分,它们之间存在一个有效产量转换关系。基于净初级生产力的作物产量估算方法一般有两种。一种是根据作物产量与净初级生产力的相关关系,建立回归方程,进行产量估算。另一种是根据作物产量与净初级生产力的产量转换系数,直接估算产量。实践表明,在进行大范围农作物估产时,通过计算区域内净初级生产力来获取区域作物产量具有现实意义。由于橡胶树与传统的农作物在收获物质上有所差别,橡胶树的干胶产量与割胶制度、刺激与否等生产管理存在很大的关系,不能由区域净初级生产力来估算该区域内的橡胶树的干胶产量。通过橡胶林净初级生产力与产胶潜力的拟合、实际干胶产量与产胶潜力的拟合建立橡胶林估产模型,完成橡胶林干胶产量估测,是解决这一问题的有效途径,也是利用净初级生产力进行农作物估产研究的创新发展方向。


二、净初级生产力估算的主要方法

一是样地调查法。实施样地调查法时,对样地植物群落内不同结构层次的生物量、土壤以及凋落物进行定期且持续的测量,通过分析两个不同时间点的数据,估算出碳库的变化并据此计算净初级生产力。这种方法能够提供较为可靠的NPP测量结果,早期被广泛应用到净初级生产力研究中,但其周期长、成本高,并且很难在时间尺度上进行拓展。

二是通量观测法。涡度相关技术是通量观测法中的关键技术之一,主要通过在植被冠层上方部署涡度相关系统来测量CO2的净生态系统交换,进而推算植被的净初级生产力。涡度相关系统通常由三维超声风速仪和红外线CO2/H2O气体分析仪等设备构成。需要注意的是,涡度相关技术主要直接测量的是生态系统的净生态系统交换,净初级生产力可根据生态系统呼吸、净生态系统交换和净初级生产力与总初级生产力的转化率估算得出。采用通量观测法能够获取每30分钟一次的净初级生产力数据,这一方法在净初级生产力的估算领域得到了广泛的应用。然而,无论是样地调查法还是通量观测法,它们所获取的净初级生产力数据均为点尺度,尽管这些数据相对精确,但它们在大范围区域或全球植被净初级生产力的估算方面存在局限性,因此多被用于模型估算法的结果验证。

三是模型估算法。净初级生产力的估算模型主要有统计模型、过程模型和光能利用率模型。在统计模型中,研究者通常根据气候因子(如光照、温度和降水)或植被指数与净初级生产力之间的相关性来构建模型,进而对净初级生产力进行估算。统计模型被应用得最多的是Miami模型、Thornthwaite Memorial模型和Chikugo模型。统计模型的优点是输入参数简单,缺点是不能很好地反映出净初级生产力空间格局异质性,忽略了环境因子及异常气候条件对净初级生产力的影响。过程模型又称机理模型,在过程模型中,净初级生产力是通过对一系列植物生理、生态学过程如光合作用、同化分配、自呼吸作用、蒸腾过程以及生长季物候特征的模拟而得到的。目前已有的过程模型较多,如CENTURY模型、BIOME-BGC模型、TEM模型、TRIPLEX模型、JULES模型、DGVMs模型等。过程模型重点关注植物的生物学过程以及能量转换的细节,其参数众多且相互之间关系复杂,这导致其在大规模应用中受到限制。光能利用率模型又称生产效率模型或遥感数据驱动模型,是基于资源平衡理论建立的,认为净初级生产力是由植物光合作用和光能利用率共同决定的。光能利用率模型有CASA模型、GLO-PEM模型、TURC模型、C-FIX模型和SCARF模型等。光能利用率模型以其简洁的形式受到青睐,植被相关参数可通过遥感技术相对容易地获取,使其非常适合于区域乃至全球范围内的净初级生产力评估。该模型具备较高的时空分辨率,能够提供月度的净初级生产力数据,因此特别适用于分析净初级生产力的季节性和年度动态变化。在计算资源相似的条件下,光能利用率模型相较于过程模型能够提供更高级别的空间分辨率,因此在实践中被广泛采用。

随着“3S”技术(遥感、地理信息系统和全球定位系统)的进步,研究人员越来越多地将遥感技术应用于净初级生产力模型的计算中,从而简化了计算过程并减少了实验的工作量。特别是,这种技术使得区域性的计算成为可能。利用遥感技术来获取和反演地表植被信息以及相关的生物物理学参数,已经变成了实时估算大面积地表生物量的一个重要方法。净初级生产力的遥感估算用得最多最直接的模型是以CASA模型为代表的光能利用率模型。同时,CASA模型因结构简单、所有参数均能通过遥感手段和气象数据获取,可靠性高,已被广泛应用于区域及全球尺度的植被净初级生产力估算中。大量研究证明,CASA模型估算的净初级生产力精度较高。近年来,遥感技术与CASA模型的结合已经成为区域尺度净初级生产力研究的重要发展方向。


三、基于净初级生产力和作物模型的橡胶林估产方案

基于净初级生产力和作物模型的橡胶林估产方案的基本思路是:基于资源平衡理论,构建基于MODIS数据和CASA模型的橡胶林净初级生产力的遥感估算模型,并耦合橡胶树干物质分配模型建立橡胶林产胶潜力复合模拟方法,开展橡胶林产胶潜力模拟;在此基础上,通过实际干胶产量与产胶潜力的拟合建立橡胶林估产模型,完成橡胶林干胶产量估测。具体实施步骤包括以下几个。

第一步:多源数据预处理及基础数据库构建。研究数据资料包括MODIS数据、DEM数据、气象数据、干胶产量统计数据、橡胶林矢量图、橡胶林品系图、橡胶树品系干物质分配率等数据。

第二步:橡胶林净初级生产力遥感估算。净初级生产力遥感估算中用得最多最直接的模型是光能利用率模型,这类模型通过由卫星遥感的光合有效辐射、光合有效辐射吸收率、光能利用率等数据来估算净初级生产力。由于光能利用率受到气温、水分、土壤和能量分配等因素影响,光能利用率必须经过一系列的修正。本方案以CASA模型为基础,考虑温度和地面水汽压差的影响,建立基于MODIS数据的橡胶林净初级生产力遥感估算模型。

第三步:橡胶林产胶潜力估算。根据橡胶树的生理学特点,橡胶林的净初级生产力即为其干物质生产量,即净生产量,是橡胶树光合产量扣除呼吸消耗后的剩余产量,也就是积累下来的有机物质数量,包括根、茎、叶、花、果及脱落的枝叶和取走的胶乳等。干物质分配率是干物质生产量中分配于生产人们所需物质的器官部分的比率,对许多作物来说是干物质用于生产种子和果实部分的比率,对橡胶树来说就是用于生产干胶的比率。本方案通过橡胶林净初级生产力与橡胶树干物质分配模型的耦合对橡胶林产胶潜力进行模拟。

第四步:橡胶林干胶产量估测。由上述步骤获得的产胶潜力是以像元为最小单元的栅格数据,而干胶产量是以树位为最小单元的矢量数据,为了便于相关分析,需要建立像元产胶潜力计算公式,以此实现产胶潜力与干胶产量的数据同化。在此基础上,以逐月的产胶潜力与实际干胶产量数据为对象,利用Origin软件,对橡胶林产胶潜力与实际干胶产量数据进行一元线性回归分析,逐月建立以产胶潜力为自变量的橡胶林干胶产量估测模型。


四、模型应用及推广情况

基于该估产方案,构建了4—12月的海南岛橡胶林估产模型。该模型取得了较好的评估结果,除个别月份外,决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)值均较为理想。综合来看,估产模型在非异常情况下模拟效果较好,能用于海南岛橡胶林的估产。基于净初级生产力和作物模型的橡胶林估产技术在海南岛域的橡胶林进行了应用推广,其中阳江农场、乌石农场、邦溪农场、广坝农场的估测准确度分别为85%、82%、86%和86%。

作者:李海亮 王丹阳 马艺

基金项目:海南省自然科学基金项目“基于遥感和模型耦合的海南橡胶林估产研究”(No.621RC628)

作者单位:中国热带农业科学院科技信息研究所,海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室

中国农村科技
《中国农村科技》杂志是由科技部主管,中国农村技术开发中心主办,面向农业农村科技领域,以“传播科技,服务‘三农’”为宗旨,坚持宣扬中央农业农村科技政策、报道创新成果、宣传先进事迹和典型经验、引导农业走创新发展之路的综合性期刊。
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