基于氣候數據的橡膠樹產膠能力評估模型

　　摘要：在自然環境下橡膠樹的生產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膠狀況的影響具有重要意義。根據2000−2015年全國橡膠種植區氣候數據和遙感數據，基于氣候植被凈初級生產力模型(體現潛在生產力)和遙感光能利用率模型(體現實際的生產力)，確立了兩種模型反演橡膠樹凈初級生產力之間的轉換系數，并在此基礎上，建立基于氣候數據的橡膠樹產膠潛力模型。結果表明：模型實現了依靠氣候數據客觀、定量評估橡膠樹產膠能力的動態變化，也能間接反映氣候因子的變化對不同區域橡膠樹產膠能力影響的差異，可為橡膠樹產量預測、應對氣候變化和種植布局調整提供決策依據。

　　關鍵詞：橡膠樹;凈初級生產力;產膠能力;模型

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

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

　　有關橡膠樹產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，關于橡膠樹氣候產膠能力預測模型研究鮮見報道。氣候生產潛力模型是在光、溫、水等自然條件下，一個地區利用最優管理手段可能達到的產量上限，因此，氣候生產力模型能預估該區域可能達到最大產量;而遙感光能利用率模型能真實反映植被的實際干物質生產狀況。

　　氣候變化影響橡膠樹生態系統的最重要表現之一是引起凈初級生產力(NPP)的變化，因此，本研究基于氣候植被凈初級生產力模型和遙感光能利用率模型計算的凈初級生產力(NPP)，確立兩種模型反演橡膠樹凈初級生產力之間的轉換系數，并在此基礎上建立基于氣候數據的橡膠樹產膠能力模型，實現橡膠樹產膠潛力的動態評估，以期為氣候因素變化引起橡膠樹產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、橡膠進出口貿易、橡膠價格收入保險等提供決策依據。

　　1資料與方法

　　1.1數據來源

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

　　1.2基于氣候數據計算橡膠種植區植被年凈初級生產力

　　(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，適宜對南方區域植被NPP的估算，估算效果明顯優于其它模型。因此，選擇該模型計算橡膠種植區植被年凈初級生產力(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℃。

　　根據研究區2000−2018年溫度、降水數據集，統計各站點年平均溫度和降水數據，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力(NPP)，通過研究區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力，即為橡膠樹基于氣候數據估算的年凈初級生產力(NPP)。

　　1.3基于遙感資料計算橡膠樹年凈初級生產力

　　(NPPx)根據2000−2015年MODISNPP數據集，通過研究區橡膠樹種植分布圖和ArcGIS10.2軟件的剪切功能，提取橡膠種植區各像元歷年凈初級生產力(NPPx)值，空間分辨率為1km×1km。其中，MODISNPP數據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橡膠樹生產力轉換系數(NPPx/NPP)

　　由于氣候生產力模型估算的凈初級生產力為理想狀態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力是現實狀況下橡膠樹的實際值，因此，將氣候植被凈初級生產力模型結果作為潛在最大生產力，而將基于衛星數據反演的NPP作為實際生產力。要建立基于氣候數據的橡膠樹產膠能力評估模型，必須進行兩者間誤差系數的轉換。根據2000−2015年的氣候數據和遙感數據，分別提取橡膠種植區年平均凈初級生產力值，并根據兩種算法得到的橡膠樹年平均凈初級生產力值，確定橡膠樹生產力轉換系數，即NPPxNPPα=(5)式中，α為生產力轉化系數;NPPx為通過遙感數據反演的橡膠樹實際年凈初級生產力;NPP為通過氣候數據模型計算的橡膠樹潛在年凈初級生產力。

　　2結果與分析

　　2.1基于氣候數據的橡膠種植區植被年凈初級生產力(NPP)

　　利用2000−2015年氣候數據和式(1)分別計算研究區各站點植被凈初級生產力，利用ArcGIS10.2軟件和橡膠種植分布圖，提取各省橡膠樹種植區范圍內凈初級生產力年平均值變化。由于氣候變化，2000−2015年橡膠樹種植區植被凈初級生產力(NPP)呈現波動變化特點，由于氣候不同，各省橡膠樹種植區間NPP有明顯差異，其中海南省橡膠種植區植被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。

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

　　2.2基于遙感數據反演的橡膠樹年凈初級生產力(NPPx)

　　基于遙感年凈初級生產力模型的計算結果表明，2000−2015年各省橡膠樹種植區間年平均凈初級生產力(NPPx)存在明顯差異。其中云南省橡膠種植區年平均凈初級生產力(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年平均凈初級生產力(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力(NPPx)值而言，研究區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橡膠樹生產力轉換系數

　　通過2000−2015年氣候數據和遙感數據反演的橡膠樹年平均凈初級生產力，根據式(5)得到兩者的轉換系數α。2000−2015年橡膠樹生產力轉換系數呈現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值，其中2003年橡膠種植區平均系數最高，為0.8，2001年平均系數最小，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年的氣候和遙感數據，得到中國橡膠樹種植區的凈初級生產力，并開展兩種模型下橡膠樹凈初級生產力的差異分析，得到多年平均狀態下的橡膠樹生產力轉換系數，轉換系數的確立為建立基于氣候數據的橡膠樹產膠能力評估模型奠定了基礎。

　　(2)氣候模型反演凈初級生產力是利用氣候因子(溫度、降水等)來估算凈初級生產力，模型估算的結果是潛在的植被生產力，2000−2015年研究區橡膠樹年平均凈初級生產力變化范圍為1320.1～1637.0gC·m−2;由于氣候條件的不同，海南橡膠種植區的年平均凈初級生產力整體高于廣東，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力真實反映了橡膠種植區凈初級生產力的實際情況，可以用于估測現實的橡膠樹凈初級生產力，2000−2015年研究區橡膠樹年平均凈初級生產力變化范圍在920.1～1053gC·m−2，年平均凈初級生產力整體低于氣候模型計算的結果，但其在空間上的分布規律與氣候模型計算的凈初級生產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勢和存在的差異，建立基于氣候數據的橡膠產膠能力模型，實現了利用氣候數據準確計算橡膠種植區產膠能力的大小，為準確及時了解全國橡膠樹生產狀況提供了決策依據，也可為評估未來氣候變化對橡膠樹產膠能力影響提供技術保障。

　　3.2討論

　　(1)橡膠樹產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。基于氣候數據的橡膠產膠能力模型的建立主要考慮橡膠樹生理生態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，即氣候生產力模型估算的凈初級生產力為理想狀態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力是現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據空間分辨率的限制，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膠潛力的空間差異，但在局部區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下全國橡膠種植區的計算方法，不同省區或橡膠樹種植狀況發生變化后，需要不斷更新橡膠種植區信息和生產力轉換系數，才能確保模型的準確性。

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

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　　生態論文投稿刊物：《應用生態學報》本刊讀者對象主要是從事生態學、地學、林學、農學和環境科學研究、教學、生產的科技工作者，有關專業學生及經濟管理和決策部門的工作者。主要報道生態科學諸領域在應用基礎研究方面具有創新的研究成果，交流基礎研究和應用研究的最新信息。

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