2001-2020年中国沿海地区MODIS与GLASS总初级生产力产品的综合评估

《Science of Remote Sensing》：A comprehensive assessment of MODIS and GLASS gross primary productivity products across China's coastal zones during 2001-2020

　　

沿海生态系统是全球碳循环的关键组成部分，然而卫星反演的总初级生产力（GPP）产品在这些区域的可靠性仍知之甚少。与内陆生态系统相比，沿海生态系统面临独特的环境胁迫，包括潮汐淹没和盐度胁迫，这对主要针对陆地系统参数化的现有GPP模型的适用性构成了挑战。在此，研究人员对2001–2020年中国沿海地区的MODIS和GLASS GPP产品进行了综合评估。产品性能从多个角度进行了评价，包括时空连续性分析、产品间比较、与植被指数的一致性以及涡度协方差观测验证。特别关注了离岸距离梯度和植被类型间的差异。结果表明，GLASS在数据完整性和时空连续性方面优于MODIS。两种产品总体呈现中等至较高的一致性（R = 0.60–0.95），但随季节、离岸距离和植被类型变化显著。最弱的一致性出现在夏季和常绿森林中。GPP与三种植被指数（NDVI、EVI和NIRv）的相关性总体随离岸距离增加而增强，且GLASS与三种植被指数的相关性均强于MODIS。基于涡度协方差（EC）观测的验证显示，GLASS在较大的像元窗口下通常获得更高的相关系数，并始终具有更低的均方根误差（RMSE）和偏差。MODIS和GLASS GPP呈现出广泛的显著增加趋势，分别占有效像元的43.9%和50.8%，与NDVI、EVI和NIRv所指示的绿化格局总体一致，这些植被指数在59.1%–60.4%的有效像元上表现出显著增加。研究结果凸显了沿海生态系统中卫星GPP产品存在显著且空间异质的不确定性，并强调了开发沿海特定模型参数化以及改进环境胁迫因子表征的必要性。

**论文解读：2001–2020年中国沿海地区MODIS与GLASS总初级生产力产品的综合评估**

**一、研究背景与科学问题**

沿海生态系统作为陆地与海洋相互作用的过渡带，在蓝碳储存和碳汇功能方面具有重要作用。然而，在全球气候变化背景下，海平面上升、盐水入侵、海表温度异常等压力正深刻影响着沿海植被的生产力与碳封存潜力。总初级生产力（GPP）作为植被通过光合作用同化碳总量的核心指标，是评估生态系统生产力和全球碳循环的基础参数。目前，广泛使用的MODIS和GLASS GPP产品虽然已在陆地生态系统得到大量应用，但其在沿海生态系统中的可靠性尚不明确。主要问题包括：现有GPP算法多基于光能利用率（LUE）框架，参数主要针对内陆生态系统设定，难以表征潮汐淹没、盐度胁迫等沿海特有环境控制因子；同时，沿海地区涡度协方差（EC）通量观测数据稀缺，且受潮汐、仪器腐蚀、沉积物掩埋等限制，导致直接验证十分困难。此外，不同GPP产品在沿海复杂景观下的长期趋势一致性尚不清楚。因此，有必要对沿海地区卫星GPP产品的性能进行系统评估，以支撑蓝碳核算与沿海碳循环研究。

**二、研究数据与方法概述**

该研究以中国沿海30 km缓冲带为研究区，采用1.5 km间隔的近岸缓冲区刻画离岸距离梯度。研究人员整合了MODIS（MOD17A2H）和GLASS两种GPP产品（空间分辨率500 m，时间分辨率8天），并使用MODIS NDVI、EVI和NIRv三种植被指数作为辅助参考。验证数据来自7个EC通量塔站点（盘锦、崇明、云霄、高桥、雷州、米埔、南沙），涵盖盐沼和红树林植被类型。主要技术方法包括：时空连续性分析（时间连续性δ和空间连续性σ）、产品间统计分析（相关系数R、均方根误差RMSE、偏差）、多尺度直接验证（1×1至4×4像元窗口）、基于Theil-Sen斜率估计和Mann-Kendall趋势检验的变化趋势分析。此外，还使用了基于Landsat时间序列的岸线数据和MCD12Q1土地覆盖类型数据。

**三、主要研究结果**

**3.1 时空连续性**：GLASS产品有效像元数量多于MODIS，两种产品在冬季有效像元显著减少，与植被活动减弱有关。沿离岸距离增加，有效像元逐渐减少。GLASS的时间连续性δ值和空间连续性σ值均低于MODIS，表明其具有更好的时空稳定性。常绿森林的δ值较高，反映较强的季节波动。

**3.2 产品间比较**：MODIS与GLASS GPP总体呈现中等至较高一致性（R=0.60–0.95），但夏季（DOY 150–250）一致性最差。2001–2020年间，两者一致性随时间逐渐下降，R降低、RMSE增大、负偏差加剧。常绿森林的两种产品一致性最弱（R<0.5），沿离岸距离增加一致性也趋于下降。GLASS与三种植被指数的相关性均强于MODIS，且相关性随离岸距离增加而增强。

**3.3 EC验证**：两种产品均低估了EC观测值。GLASS在2×2、3×3和4×4窗口下相关系数高于MODIS，且在所有窗口下RMSE和负偏差更小。MODIS仅在1×1窗口下相关性略高（R=0.66 vs 0.63）。在崇明、米埔和南沙站点无有效MODIS GPP值。

**3.4 植被动态趋势**：MODIS和GLASS GPP显著增加像素比例分别为43.9%和50.8%，与NDVI（59.5%）、EVI（60.4%）和NIRv（59.1%）的绿化趋势总体一致。两种产品年变化率相关性较高（r=0.866），但MODIS在负趋势时低估退化速率、正趋势时低估增长速率。沿离岸距离增加，两者年变化率差异增大，相关性从0.925降至0.81。常绿森林和稀树草原的年变化率一致性最差，而草地和农田一致性最好。

**四、讨论与结论**

研究表明，GLASS产品在数据完整性、时空连续性和与EC观测的一致性方面优于MODIS，这与其采用的雪/云掩膜及长期间隙填充策略有关。两种产品在夏季、常绿森林和近岸区域的一致性较差，反映出潮汐淹没、盐度胁迫等沿海环境因子以及复杂冠层结构对GPP算法的挑战。近岸植被指数与GPP的解耦可能源于盐度和潮汐对光合作用与绿色信号关系的干扰。研究同时指出，EC站点数量少且集中于东南沿海，难以代表北部盐沼等生态系统；500 m空间分辨率难以避免混合像元影响；未来需拓展站点网络、引入地形校正、发展包含盐度和潮汐参数的GPP模型，并结合高分辨率遥感数据与机器学习方法。该研究系统揭示了沿海生态系统卫星GPP产品的不确定性空间格局，强调开发区域性、海岸特异性参数化方案的必要性，为沿海碳循环监测和蓝碳评估提供了关键参考依据。研究结论指出，MODIS和GLASS产品在中国沿海生态系统中性能差异显著，GLASS总体表现更优，但产品间一致性受季节、植被类型和离岸距离强烈调制，研究强调需开展区域专属验证并改进GPP模型中的沿海过程表征，以降低沿海碳动态监测的不确定性。