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碳循环是全球变化研究中的一个重要组成部分。随着全球变化研究的深入，作为大气中CO2的源和汇，陆地生态系统是全球碳循环的重要环节，在全球气候变化中扮演着重要角色。陆地生态系统净第一性生产力(net primary productivity，NPP)作为一个表征陆地生态过程的关键参数，是理解地表碳循环过程不可缺少的部分，是一个估算地球支持能力和评价陆地生态系统可持续发展的一个重要的生态指标。因此，国际地圈一生物圈计划(IGBP)和全球变化与陆地生态系统(GCTE)等把植被的NPP研究确定为核心内容之一。
当前，碳循环模型的发展趋势之一表现为碳循环模型与遥感、GIS技术结合，充分利用遥感信息来模拟大尺度的碳循环过程。因为我们常常遇到要比较由不同分辨率(或者不同尺度)估算的NPP的问题，并且地表的异质性使得估算的NPP有很大的差异，因而，区域NPP的空间尺度转换也就倍受关注。所以，地形对模拟NPP和NPP的空间尺度转换的影响的问题是本研究的主要内容。
由于土壤水分影响叶子的气孔导度和光合作用，所以精确模拟土壤含水量与否对NPP估算的精确度有很大影响。在任何尺度，碳循环和水循环是紧密联系在一起的，所以要精确模拟碳平衡时一定要考
虑水循环。土壤水分空间分布与土壤质地、海拔、坡向和坡度等地形因子有很大关系。地形是环境时空异质性的主要来源之一。在复杂地形情况下(如山地)，不仅导致了光、热、水、养分等生境条件的空间再分布，也对生态系统中的物质(如水、土)和能量(如风、太阳辐射)产生影响，特别是影响地下水的侧向流动，这些因素必将显著影响植被的生长、发育，从而影响植被NPP。现在有许多模型来模拟碳平衡，但大多没有考虑地形对地下水的侧向流动对土壤水分的精确模拟带来的误差。对于区域尺度的生态模型的不确定性来说，地形和植被异质性都是引起这些不确定性的重要因素，特别是当模拟是基于比较大的空间分辨率的数据上。
本研究区褒河流域位于陕西省境内，秦岭山脉腹地。流域面积是5700 km2，海拔变化范围在518 m到3520 m之间。为了考虑地形对太阳辐射、温度和地下水的侧向流动的影响，本文用一个分布式水文模型(即TerrainLab)和BEPS耦合起来研究地形对NPP和空间尺度转换的影响。
本研究包括两个主要部分：(1)地形对陆地生态系统净第一性生产力模拟的影响；(2)植被异质性和地形对陆地生态系统净第一性生产力空间尺度转换的影响。
(1)在具有复杂地形的区域，地形对气候要素的空间变异和土壤水的运动有十分重要的影响。因此生态系统的生产力极其空间分布与地形密不可分。本文设计了4个模型试验，用碳、水耦合的BEPS—TerrainLab模型来模拟地形对该流域NPP的影响。此模型能够模拟81％用年轮方法观测到的NPP变化，其平均相对误差是3.1％。考虑了地形对气候要素和地下水侧向流动影响，模型模拟的2003年的平均NPP是741 g C m-2。地形对NPP的空间分布有很大的影响。NPP在海拔1350m处达到峰值，然后随着海拔高度的增加而下降。在海拔大于1350m的地方，海拔每增加100m，年均NPP就下降25 g C m-2。在
海拔1900m以下，坡向引起NPP发生5％左右的变化。如完全不考虑地形对气候要素和地下水侧向流动的影响，模拟的2003年的平均NPP高估了5％，这主要是由气象数据插值的不确定引起的。所以，对于景观尺度，区域尺度和全球尺度的生态模型，地形是必须考虑的因素。
(2)对于区域尺度的生态模型的不确定性来说，地形和植被异质性都是引起这些不确定性的重要因素，特别是当模拟是基于比较大的空间分辨率的数据上。本文就是基于遥感数据研究地形和植被异质性对模拟NPP的影响。提出了一个空间尺度转换算法来纠正用粗空间分辨率数据模拟NPP的偏差。这个算法考虑了地表覆盖类型，LAI，坡度，坡向和海拔高度的次像元内的异质性。通过比较由空间分辨率分别为30 m和1 km的数据的模拟后，得到如下结论：1)粗空间分辨率(1 km)像元内地表植被覆盖的混合是引起大区域NPP估算误差的主要来源，但这种误差可以通过每一个像元内每一种地表植被覆盖的百分比来纠正；2)在本研究的山区流域，地形，包括坡度、坡向和海拔高度，也是引起NPP估算误差的另一主要来源，同样可以通过次像元内每一种地形因素的变异来纠正；3)LAI的次像元变异可以进一步用来提高用粗分辨率来估算NPP的精度。经过这些地表植被覆盖和地形因子的纠正后，与由30m空间分辨率数据模拟得到的NPP相比较，由1 km粗空间分辨率数据模拟得到的NPP的平均偏差误从11.3 g Cm-2y-1降到4.8 g Cm-2y-1。
综上所述，本文利用碳、水耦合的BEPS-TerrainLab模型研究了地形对褒河流域NPP模拟的影响，并利用次像元的信息提出了一个NPP空间尺度转换的算法。从分析结果可知，对于地形来说，海拔是影响NPP模拟的最重要的地形因子，而坡度是影响NPP空间尺度转换的最重要的地形因子。