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摘 要

基于国家青藏高原科学数据中心发布的时空分辨率为8天和500米的PML_V2数据集产品，分析了黄土高原2002-2017年陆地蒸散发（ET）和总初级生产力（GPP）的变化特征。结果表明：黄土高原的年均陆地蒸散发和总初级生产力均表现出由东南向西北递减的趋势，总初级生产力和陆地蒸散发均在夏季达到峰值，冬季期间跌至低谷，春秋两季数值量相差不多；2002-2017年黄土高原的陆地蒸散发和总初级生产力总体均呈增长趋势，总初级生产力的年增速为8.28gC/a且增长趋势较为平稳，陆地蒸散发量的年增速为2.64mm/a，但陆地蒸散发的增长趋势很不平稳；2002-2017年间黄土高原陆地蒸散发变异分布相对离散，总初级生产力变异分布呈现出两级分化特征，东南地区变化大，西北地区变化小。

关键词：PML_V2数据集；黄土高原；陆地蒸散发；总初级生产力；时空格局

Abstract

Based on the PML_V2 dataset with spatial and temporal resolution of 8 days and 500 meters released by the national Tibetan plateau science data center, the change characteristics of terrestrial evapotranspiration(ET) and gross primary productivity(GPP) in the loess plateau from 2002 to 2017 were analyzed. The results show that the average annual terrestrial evapotranspiration and gross primary productivity of the loess plateau decrease from southeast to northwest, both gross primary productivity and terrestrial evapotranspiration peak in summer and fall to trough in winter, the number of autumn and spring is similar. From 2002 to 2017, terrestrial evapotranspiration and gross primary productivity on the loess plateau showed an overall growth trend, the annual growth rate of to gross primary productivity was 8.28gC/a and the growth trend was relatively stable,the annual growth rate of terrestrial evapotranspiration is 2.64mm/a, but the growth trend of terrestrial evapotranspiration is not stable. The variation of terrestrial evapotranspiration in the loess plateau was relatively discrete from 2002 to 2017, the distribution of variation of gross primary productivity is characterized by polarization, great changes have taken place in the southeast, little change in the northwest.

Key Words：PML_V2; The loess plateau; Terrestrial evapotranspiration; Gross primary productivity; Spatial and temporal patterns

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究进展 2

1.3 课题研究内容 3

1.4 课题研究目标 3

第2章 数据与研究方法 4

2.1 研究区概况 4

2.2 数据的来源与优势 4

2.2.1 数据的获取与处理 4

2.2.2 相比于其他数据产品 5

2.3 研究方法 5

2.3.1 趋势分析 5

2.3.2 标准差分析 6

第3章 陆地蒸散发与总初级生产力的空间分布特征 7

3.1 陆地蒸散发的空间分布特征 7

3.1.1 多年年均陆地蒸散发的空间分布特征 7

3.1.2 多年陆地蒸散发在空间上的变化比较 8

3.2总初级生产力的空间分布特征 11

3.2.1 多年平均总初级生产力的空间分布特征 11

3.2.2 多年总初级生产力在空间分布上的比较 11

3.3陆地蒸散发与总初级生产力可能的空间分布联系 13

第4章 陆地蒸散发与总初级生产力的时间变化特征 14

4.1 陆地蒸散发的时间变化特征 14

4.1.1 陆地蒸散发的年内时间变化特征 14

4.1.2 陆地蒸散发的多年时间变化特征 14

4.2 总初级生产力的时间变化特征 16

4.2.1 总初级生产力的年内变化特征 16

4.2.2 总初级生产力的多年变化特征 17

第5章 基于标准差分析对多年陆地蒸散发与总初级生产力进行离散性评估 19

5.1 基于标准差分析的离散性评估的目的 19

5.2 陆地蒸散发的标准差分析结果 19

5.3 总初级生产力的标准差分析结果 19

5.4 影响因子讨论 21

第6章 结论 23

参考文献 24

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究的背景、目的和意义

陆地蒸散发（ET）是土壤蒸发量（Es）、植被蒸腾量（Ec）和冠层截流蒸发（Ei）的总和, 在这三种成分中Ec是与碳同化相结合的（或总初级生产力（GPP）），形成了两个在全球水和碳循环占主导地位的过程。Es和Ei可能与GPP存在间接联系，Es随着GPP的增加而减少，Ei随着GPP的增加而增加，特别是当植被覆盖增加时^[1-2]。据统计，在陆地上有三分之二左右的降水都通过自然蒸发的方式重新进入到大气中，而这个比例在干旱地区甚至可以达到九成以上^[3]，所以如果可以精确的估算出研究区域的蒸散发数据集，对于水资源的合理分配、利用和研究区域的生态环境保护具有重要的意义，但是由于受到气候变化、地形构造、土壤含水量等很多因素的影响，蒸散发数据集就成了地球水文循环中最难精确估算的那类数据集之一了^[4]。

陆地总初级生产力是用来评估陆地生态系统的一个关键指标，可以对全球气候变化背景下的碳元素循环进行定量的描述^[5]。GPP是用来描述生态系统中绿色植物在单位时间内通过光合作用所储存的有机物的总量。

黄土高原本身并不绝对属于干旱区或是湿润区，它处在这两个分区的中间也叫过渡区，那里生态环境极为脆弱，而且水土流失严重，是我国典型的生态灾害治理重点区域^[6]。因为黄土高原水土流失严重，所以那里土地严重退化，大量泥沙流入黄河，造成了黄河严重的泥沙危害，同时黄河流域经常发生暴雨洪水灾害，也是由于黄土高原的水土流失造成的，它本身也对于气候环境和人类活动十分敏感，稍有不慎就会加剧黄土高原的水土流失^[7]。有学者对近50年来黄土高原的干旱化的趋势做了研究，得出陇东黄土高原气候的暖干化对干旱加剧有显著的影响，而黄土高原的干旱化加剧又会危害到当地的水资源利用、农作物生长、生态环境保护以及国家的扶贫政策^[8]。新中国成立以来，当地的居民受经济困扰，盲目地伐木、放牧、开垦耕地，以致于黄土高原的植被覆盖率一年比一年降低，更令人担忧的是当地的自然环境恶化越来越严重，例如水土流失严重的加剧，黄河泥沙含量的快速上升，这些灾害都会困扰社会、经济以及生态环境的可持续发展^[9]。

新中国成立以来，为了减缓以致于改善黄土高原的水土流失灾害，政府迅速发布并实施了一系列重大的生态环境治理工程，例如退耕还林还草工程的快速推进，这项工程已经实施了差不多20年，近年来黄土高原的水土流失恶化形势开始减缓，植被恢复，植被覆盖度开始稳步增长^[10]。但是同样令人担忧的是，不仅在范围上还在时间上都如此大规模的生态工程一经实施，未来很可能会改变整个黄土高原的生态系统格局，同时也会对黄土高原的生态系统特征造成影响，最终这些变化都会直接体现在GPP和ET的变化上^[11]。依据多时相的遥感影像数据对黄土高原的GPP和ET变化进行监测可以间接的反映出黄土高原的地质和地表覆盖的变化趋势，地质和地表覆盖的恶性变化可能会直接导致黄土高原区域水土流失以及地表坍塌等自然灾害的加剧。黄土高原的生态保护工程目前并将在未来持续很长一段时间里都会是国家重点维持推进的对象，因此研究黄土高原自退耕还林工程以来的GPP和ET的变化具有重要的生态学意义^[12]。

1.2 国内外研究进展

在测量技术高速发展的近几十年里，大批的国内外研究人员都在不断尝试如何更高精度地去估算GPP和ET的数值，这对于区域的生态变化研究具有很重要的意义。基于遥感的ET模型在区域和全球ET估算中占主导地位,由RS数据驱动得到的产品，分辨率一般在500m到8km之间，它们在时空上是显式的，这就需要一些植被数据来支撑模型的估算，如植被指数、叶面积指数和反照率，以及温度或土壤湿度数据^[13-14]。

在以往所运用的模型中，将PenmanMonteith(PM)方程与遥感LAI数据相结合的方法已被证明具有生物物理学上的抗差性^[15]。基于PM的模型框架的主要重点是对地表电导的准确估计，地表电导描述了冠土电导对水通量的影响。后来，有学者使用生物物理冠层电导模型将ET与GPP耦合，现在的PML_V2数据集便是由此得来。

PML_V2是基于PML模型进一步发展，运用气孔导度理论将植被蒸腾与总初级生产力进行耦合，使得总初级生产力与植被蒸腾之间相互制衡，依此可以将总初级生产力、蒸散发和植被水利用效率的模拟精度进一步提高，随后便可以有效地估算大气中CO2的浓度增加对于碳、水循环的影响。PML_V2的参数由全球95个涡度相关通量站观测的结果进行率定，并根据测量的植被类型扩展到全球范围。PML_V2全球陆地蒸散发与总初级生产力数据集，对于研究或评估在气候变化的背景下水热通量和植被总初级生产力的变化，可以作为重要的数据支撑。

近年来，关于GPP和ET的研究大多是基于遥感MODIS数据产品来进行的，研究方法也是层出不穷，如用微分方程法定量气候因子和植被指数对ET和GPP的贡献，通过对VIP模型的微分计算，得到了ET和GPP对每个像素的灵敏度系数，通过敏感性指标和气候因子、植被指数的相对变化，量化了气候变化和植被绿化对ET、GPP变化的贡献^[16]。

近年来大量的学者热衷于研究干旱地区的蒸散发和总初级生产力的变化。很多的研究成果逐渐涌现出来，研究过程中所使用的方法也是层出不穷，但它们或多或少总是会存在一些问题，这些问题都需要我们慢慢去解决。目前为止遥感技术也有很多自身的局限性，因为这些局限性遥感技术很难监测到陆地表面连续性的蒸散发过程，然而干旱地区所使用的陆地表面蒸散发模型最需要对陆地表面连续的水热过程进行模拟，所以如何解决遥感数据与陆地表面的蒸散发模型在时间上的拟合问题将会成为未来重要的研究方向。应用和优化大尺度区域上的地表蒸散发计算方法，以及如何使地面观测值与遥感估算结果达到相匹配的方法都会是未来的研究重点^[17]。

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