鞏 杰, 張 影, 錢彩云

蘭州大學資源環(huán)境學院西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000

甘肅白龍江流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空變化

鞏 杰*, 張 影, 錢彩云

蘭州大學資源環(huán)境學院西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000

凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP) 是估算區(qū)域植被碳源、碳匯的重要指標。以甘肅白龍江流域為研究區(qū),結(jié)合MODIS 與氣象數(shù)據(jù)對2000—2013年的流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空變化進行了研究,并探討了典型地形因子對NEP的影響。結(jié)果表明：(1)2000—2013年甘肅白龍江流域單位面積NEP平均為226.65 g C m-2a-1,碳匯區(qū)主要分布在白龍江上游兩岸、岷江西岸、白水江南岸、大團魚河兩岸的山地林區(qū),碳源區(qū)主要分布在武都區(qū)、迭部縣北緣的高寒草甸區(qū)等。(2)從不同植被類型上看,常綠闊葉林、常綠/落葉闊葉混交林單位面積NEP最高,高寒草地單位面積NEP最小,且耕地單位面積NEP增加最明顯,常綠/落葉闊葉混交林單位面積NEP降低最明顯。(3)2000—2013年研究區(qū)單位面積NEP總體上呈增加的趨勢,增加明顯的地區(qū)分布在流域的中部和西北部,4—9月為流域碳匯季節(jié)。(4)地形因子對甘肅白龍江流域NEP有明顯影響,海拔4200 m以下多為碳匯區(qū)；陡坡區(qū)的碳匯能力的增長趨勢低于緩坡區(qū)；陰坡的碳匯能力高于陽坡區(qū)。

凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；碳匯；碳源；時空變化；甘肅白龍江流域

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球變化研究的核心內(nèi)容之一。陸地生態(tài)系統(tǒng)各碳庫的碳儲量、碳密度及其空間變化研究已取得了很多成果[1-2],但由于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程機制的復雜性,定量評估生態(tài)系統(tǒng)的碳庫變化過程、生態(tài)系統(tǒng)碳源/碳匯強度及時空變化規(guī)律,是當前急需回答的重要科學問題[3]。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及其對氣候變化的響應研究多集中在植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)[4- 6],即單位時間單位面積上植被所能生產(chǎn)的有機干物質(zhì)總量,是光合作用所吸收的碳和呼吸消耗的碳的差值[7]。目前,對陸地碳循環(huán)的研究轉(zhuǎn)向凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)[8-9],即生態(tài)系統(tǒng)碳的凈吸收或凈排放,代表著陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣生態(tài)系統(tǒng)的凈CO2交換量,定量描述了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯的能力[10]。國內(nèi)外對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支進行了大量研究,普遍認為陸地生態(tài)系統(tǒng)起著大氣 CO2碳匯的作用,但是對碳匯及其空間格局變化的估算仍存在很大的不確定性[11-13]。國際上對NEP的研究主要集中在NEP的時空動態(tài)、影響因素及不確定性分析,認為氣候變化、降水、溫度、海拔和土壤等對NEP有重要影響[8,14-15],且研究主要集中在草地和森林等生態(tài)系統(tǒng)類型；國內(nèi)常借助CEVSA模型、Biome-BGC模型以及CASA模型等分析NEP的時空動態(tài)變化[9,16-17]。區(qū)域的NEP變化研究及其生態(tài)系統(tǒng)碳匯及碳源變化對于碳循環(huán)過程研究、預測氣候變化及制定政策都具有重要意義[18-19]。

甘肅白龍江流域作為長江上游重要的水源地和生態(tài)屏障,地質(zhì)構造復雜,地貌類型多樣,生態(tài)環(huán)境脆弱,地質(zhì)災害頻發(fā)。該地區(qū)碳循環(huán)對氣候變化的響應的研究主要集中在碳儲量、碳密度、生物量及凈初級生產(chǎn)力的研究[20- 23],NEP 時空動態(tài)及地形因子對 NEP 影響的分析報道較為鮮見。本文結(jié)合MODIS 與氣象數(shù)據(jù)對甘肅白龍江流域2000—2013年的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空動態(tài)進行了研究,并探討了其與地形因子的關系,以期為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、碳儲蓄動態(tài)變化提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅白龍江流域(32°36′ — 34°24′N,103°00′ — 105°30′E)位于甘肅省東南部,是長江二級支流嘉陵江上游重要的水土保持和水源涵養(yǎng)地。流域面積約18437.7 km2,在行政單元上包括迭部縣、舟曲縣、武都區(qū)、宕昌縣和文縣,地勢自西北向東南傾伏,海拔高差大,高山峻嶺與峽谷盆地相間分布、溝壑縱橫。氣候類型復雜多樣,夏季高溫多雨,冬季溫涼少雨,年均氣溫6 — 15℃,年均降水量400 — 850 mm。流域土壤以山地棕壤、淋溶褐土、黑壚土、黃壤土為主,有機質(zhì)含量高,土壤肥沃,但是坡陡土薄,極易造成嚴重的土壤侵蝕和水土流失使土壤肥力、生產(chǎn)能力下降[22]。由于境內(nèi)山大溝深,高低相差懸殊,植被垂直分異明顯,白龍江林區(qū)海拔在600 m以下主要為常綠闊葉林,櫟類較多；600 — 3700 m之間多為亞高山針葉林；3700 — 4100 m之間為高山灌叢分布帶；4100 m以上主要被裸巖和高山草甸覆蓋[24]。常綠落葉闊葉混交林屬于亞熱帶植被類型,在武都區(qū)和文縣都有分布,落葉闊葉林主要以櫟、楊、樺類為主[22]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文研究使用的遙感數(shù)據(jù)為2000—2013年250 m分辨率的MOD13Q1數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)來源于白龍江流域各市縣氣象局和中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)等,主要包括2000—2013年1—12月甘肅白龍江流域及其周邊17個氣象站點的逐月降水量(mm),逐月平均氣溫(C)、逐月平均風速、逐月日照時數(shù)和逐月相對濕度數(shù)據(jù),利用CASA模型計算得到流域植被NPP[22]?；跉庀髷?shù)據(jù)利用Kriging進行空間插值,生成250 m分辨率的氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)。

1.3 NEP計算

凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)定義為生態(tài)區(qū)內(nèi)植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)與土壤微生物呼吸碳排放(RH)之差[7,25],其被認為是陸地和大氣生態(tài)系統(tǒng)的碳交換率[26],是區(qū)域上碳平衡估算的重要指標,常常作為碳匯大小的度量[27]。NEP 的計算公式為：

NEP=NPP-RH

(1)

式中,NEP為植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(g C m-2a-1),NPP為植被凈初級生產(chǎn)力(g C m-2a-1),RH為土壤微生物呼吸量(g C m-2a-1)。若NEP>0,則表明植被固定的碳高于土壤排放的碳,表現(xiàn)為碳匯；反之,若NEP<0,則表現(xiàn)為碳源。上式中的RH可利用溫度、降水與碳排放的回歸方程計算得來[19]：

(2)

式中,T為氣溫(C),R為降水(mm)。

2 結(jié)果分析

2.1 植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力空間分布特征

2000—2013年甘肅白龍江流域年平均單位面積NEP空間分布差異顯著(圖1)；各年不同單位面積NEP的面積分布變化明顯(圖2),單位面積NEP年平均值為226.65 g C m-2a-1。可以看出,甘肅白龍江流域大部分地區(qū)為碳匯區(qū),NEP為正值的區(qū)域占研究區(qū)域總面積的97.20%,其中,單位面積NEP為100—300 g C m-2a-1的分布面積最大,約占59.54%,且2000—2013年每年的碳匯與碳源面積波動變化。單位面積NEP較高的區(qū)域主要為迭部縣大部,宕昌縣西南部,舟曲中部,武都區(qū)南緣,文縣的大部,約在200 g C m-2a-1以上；而宕昌縣東北部和東南部、舟曲縣城周邊,武都區(qū)南部、文縣的西部北部邊緣等地單位面積NEP較低,約為0—200 g C m-2a-1；迭部縣北部邊緣、舟曲縣東部邊緣、武都區(qū)北部、文縣縣城周邊等為碳源區(qū),碳源區(qū)面積約占研究區(qū)域總面積的2.80%。

圖1 2000—2013年甘肅白龍江流域年平均單位面積NEP空間分布Fig.1 Spatial distribution of mean annual unit area NEP during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province

圖2 2000—2013年甘肅白龍江流域各年單位面積NEP面積分布Fig.2 Area change on different annual unit area NEP during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province

甘肅白龍江流域各植被類型年均NEP統(tǒng)計結(jié)果如表1,不同植被類型中常綠闊葉林、常綠/落葉闊葉混交林和落葉闊葉林的單位面積NEP較高,其次是高山草地,而耕地、針葉林、灌叢單位面積NEP值差別不顯著,高寒草地單位面積NEP最小。在植被NEP總量中,落葉闊葉林的最大(為1.51 Tg C/a),占研究區(qū)植被NEP總量的37.70%；其次是耕地和常綠針葉林,NEP總量分別為0.68 Tg C/a和0.66 Tg C/a,兩者占研究區(qū)植被NEP總量的33.70%；高山草地的NEP總量最少(為0.03 Tg C/a)。

表1 甘肅白龍江流域各植被類型年均NEP

2.2 植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時間分布特征

圖3 甘肅白龍江流域2000—2013年NEP總量時間動態(tài) Fig.3 Interannual variations in annual total NEP during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province

2000—2013年甘肅白龍江流域NEP總量總體上呈增加的趨勢(圖3),年均值為4.04 Tg C/a,年均NEP總量最大值為2013年(4.90 Tg C/a),其次是2003年(4.89 Tg C/a),最小值為2000年(3.01 Tg C/a)。甘肅白龍江流域單位面積NEP年際變化趨勢呈現(xiàn)出明顯的空間差異性(圖4),且以正值為主,占研究區(qū)域總面積的64.00%,主要分布在研究區(qū)中部和西北部,單位面積NEP明顯增加的面積占0.97%(NEP年際變化趨勢>15 g C m-2a-1),主要分布在白龍江中游兩岸；單位面積NEP減少的區(qū)域主要分布在迭部縣東北部、宕昌縣西部、文縣南部和武都區(qū)南部,其中,武都區(qū)東南部大團魚河的下游單位面積NEP較少較明顯。研究時段內(nèi),甘肅白龍江流域單位面積NEP明顯增加的植被類型為耕地(2.63 g C m-2a-1)、常綠闊葉林(2.41 g C m-2a-1)、高寒草地(2.12 g C m-2a-1)；單位面積NEP減少的植被類型為常綠、落葉闊葉混交林(-1.31 g C m-2a-1)和高山草地(-0.20 g C m-2a-1)(表1)。

從NEP的月際變化趨勢來看,4—9月月均NEP為正值,為碳匯季節(jié)(圖5)。在碳匯季節(jié),2003年8月月均單位面積NEP最高(90.40 g C m-2a-1),其次是2008年6月的月均單位面積NEP(79.70 g C m-2a-1)。總體來看,在2000—2013年時間段內(nèi),8月和6月的月變化幅度最大,且各月的月均單位面積NEP逐年增加(除7月外)；從10月開始研究區(qū)逐漸從碳匯轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?11—2月月均NEP為負值,為碳源季節(jié),且各月月均NEP逐年變大(除11月外),碳源能力減小。

圖4 甘肅白龍江流域2000—2013年單位面積NEP變化趨勢的空間分布Fig.4 Spatial distribution of unit area NEP change trend during 2000—2013 in the BailongjiangWatershed of Gansu Province

圖5 甘肅白龍江流域2000—2013年的各月單位面積NEP變化Fig.5 The month changes of unit area NEP during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province

3.3 典型地形因子對植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響分析

3.3.1 甘肅白龍江流域單位面積NEP隨海拔梯度的變化特征

圖6 甘肅白龍江流域不同高程上的NEP值和NEP變化趨勢Fig.6 Mean annual NEP and NEP change trend in the different elevation in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province柱狀圖為單位面積NEP,折線圖為年際變化趨勢

甘肅白龍江流域海拔落差很大(海拔568 — 4866 m),且峰高坡陡、山巒起伏。根據(jù)研究區(qū)植被在垂直地帶上的分布狀況及同一植被景觀類型在海拔梯度上的臨界高差等實際情況,為了研究NEP在不同海拔上的變化趨勢,以200m為一個梯度,將流域海拔劃分為22個級別。研究表明,流域內(nèi)單位面積NEP總體上隨海拔高度增加呈先增加后減小的態(tài)勢(圖6)。具體地,在568 — 1400 m的海拔區(qū)段,流域內(nèi)單位面積NEP隨海拔高度增加而不變或輕微減小,在1400 — 3400 m的海拔區(qū)段內(nèi),單位面積NEP隨海拔高度增加而增加,在3200 — 3400 m出現(xiàn)最大值,其單位面積NEP約270 g C m-2a-1。在3400 m以上的海拔區(qū)域,流域內(nèi)NEP逐漸減少,在4200 m以上轉(zhuǎn)為負值。從年際變化趨勢上看,甘肅白龍江流域單位面積NEP在不同高程上的變化的空間差異性很小,主要集中在5.81 g C m-2a-1附近,在800 — 2200 m海拔區(qū)域段內(nèi)略高于其他區(qū)域。

3.3.2 甘肅白龍江流域單位面積NEP隨坡度的變化特征

甘肅白龍江流域單位面積NEP隨坡度增加整體變化不大,在170 — 240 g C m-2a-1之間波動,呈先增加后減小的趨勢(圖7)。具體地,在0° — 65°之間單位面積NEP逐漸增加,在> 65°的陡坡,單位面積NEP隨坡度的增加而減少,且減少趨勢相對明顯。從年際變化趨勢上看,甘肅白龍江流域單位面積NEP在不同坡度上的變化的空間差異性很小,主要集中在5.87 g C m-2a-1附近,具體地,隨坡度增大,在0° — 25°單位面積NEP的增加趨勢緩慢增長,在25° — 40° 單位面積NEP的增加趨勢保持穩(wěn)定,> 40°單位面積NEP的增加趨勢逐漸下降,極陡坡的單位面積NEP的增長趨勢最小。

圖7 甘肅白龍江流域不同坡度上的NEP值和NEP變化趨勢Fig.7 Mean annual NEP and NEP change trend in the different slope in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province柱狀圖為單位面積NEP,折線圖為年際變化趨勢

3.3.3 甘肅白龍江流域單位面積NEP隨坡向的變化特征

圖8 甘肅白龍江流域不同坡向上的NEP值和NEP變化趨勢 Fig.8 Mean annual NEP and NEP change trend in the different slope aspects in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province柱狀圖為單位面積NEP,折線圖為年際變化趨勢

甘肅白龍江流域內(nèi)不同坡向上單位面積NEP分布差異很小(平均為227.34 g C m-2a-1),但具有一定的分布規(guī)律,單位面積NEP表現(xiàn)為陰坡>半陰坡>半陽坡>陽坡(圖8)。從年際變化趨勢上看,甘肅白龍江流域內(nèi)不同坡向上單位面積NEP的變化趨勢變化不大,集中在5.86 g C m-2a-1附近,但分布格局與單位面積NEP相反,陰坡的變化趨勢小于陽坡。

3 討論

已有的NEP影響因素研究多集中在氣溫、降水量[9,16]和NDVI,而地形是影響氣候的重要因素[28],目前,地形對NEP的影響研究還較罕見,缺少相關的研究。本文研究發(fā)現(xiàn),地形因素(如海拔、坡度、坡向)對NEP的影響明顯,其可能的原因是在低海拔區(qū)植被類型、溫度、降雨量變化較小,人類干擾強,植被分布較少且長勢較差,而隨著海拔的升高,人類活動強度減弱,人為干擾減小,水熱條件較好,森林分布最密集,分布有中山落葉闊葉林-中山常綠闊葉林-中山闊葉混交林-亞高山針闊混交林-亞高山常綠針葉林等喬木林,單位面積NEP較高,在高海拔地區(qū),植被類型為高寒草地和灌叢,單位面積NEP較低,故在4200 m以上的海拔區(qū)表現(xiàn)為碳源。

從NEP變化趨勢上看,在2000 m以下的平緩區(qū)域單位面積NEP變化相對較大,高海拔區(qū)單位面積NEP變化很小,可能與人類活動變化[17]有關。且坡度越陡單位面積NEP增加的越小,要注重陡坡區(qū)的土地管理與保護。陽坡的水熱條件較好,比陰坡的單位面積NEP變化大,碳匯潛力比陰坡大。

從植被類型上看,甘肅白龍江流域單位面積NEP與基于CASA和CEVSA模型的石羊河上游[29]和西南高山[30]的單位面積NEP空間分布結(jié)果相似,數(shù)值上存在差異,流域土壤微生物呼吸碳排放是導致研究結(jié)果差異性的重要原因。耕地的單位面積NEP為197.28 g C m-2a-1,NEP總量較高(0.68 Tg C/a),且單位面積NEP變化率最高(2.63 g C m-2a-1),由于耕地的面積較大,在流域內(nèi)單位面積NEP增長最快,故耕地的碳匯總量僅次于落葉闊葉林,是研究區(qū)重要的碳匯區(qū)。同時,常綠、落葉闊葉混交林具有很高的單位面積NEP(408.87 g C m-2a-1),但年際變化趨勢為負值(-1.31 g C m-2a-1),表明單位面積NEP正逐年降低,這與人類活動干擾有關[17]。

4 結(jié)論

甘肅白龍江流域單位面積NEP年平均值為226.65 g C m-2a-1,流域碳匯面積遠高于碳源面積,單位面積NEP呈現(xiàn)出白龍江流域的上游和下游明顯高于白龍江中游。單位面積NEP高值區(qū)主要分布在低中海拔的常綠闊葉林、常綠/落葉闊葉林,其次是耕地、草地、灌叢,而高海拔區(qū)的高寒草地的單位面積NEP較低。地形因素(如海拔、坡度、坡向)對NEP的影響明顯,NEP具有明顯空間差異性：單位面積NEP總體上隨海拔高度增加呈現(xiàn)為基本不變-增加-減小的態(tài)勢,隨坡度增大呈現(xiàn)增加-減少的趨勢；陰坡的單位面積NEP最高,陽坡的單位面積NEP變化趨勢相對較大。2000—2013年,甘肅白龍江流域64.00%以上區(qū)域的單位面積NEP呈增加的趨勢,尤其耕地的固碳能力增強最明顯。4—9月為碳匯季節(jié),其中,8月和6月的碳匯能力變化幅度最大。

通過分析不同植被和景觀類型的單位面積NEP分布及變化趨勢,在耕地的碳匯能力逐漸增強的同時,今后應對研究區(qū)林地加強保護,在維持和保護流域現(xiàn)存天然林等森林外,在低海拔和緩坡等區(qū)域應繼續(xù)開展和實施天然林保護等生態(tài)建設工程,努力改造低產(chǎn)低效林,多引進碳匯功能相對較高的樹種,改變其碳匯能力下降的趨勢(尤其是常綠、落葉闊葉混交林覆被區(qū))。

本文分析了甘肅白龍江流域NEP的時空變化情況,發(fā)現(xiàn)不同覆被類型和典型地形因子對NEP有明顯影響。但由于NEP是自然和人類活動共同作用的結(jié)果,因此,定量分析人類活動對白龍江流域生態(tài)系統(tǒng)NEP的影響是下一步的研究重點,應采取不同方法和模型對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯進行衡量,來減少估算的不確定性,以便更好地認識陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。

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TemporalandspatialdistributionofnetecosystemproductivityintheBailongjiangWatershedofGansuProvince

GONG Jie*, ZHANG Ying, QIAN Caiyun

KeyLaboratoryofWesternChina′sEnvironmentalSystems(MinistryofEducation)ofCollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China

Net ecosystem productivity (NEP) is an important factor for the regional estimation of carbon sources and carbon sinks, and the accurate estimation of these components of the carbon cycle is imperative to be able to predict climate change and establish reasonable environmental policies. In this study, we analyzed the temporal and spatial distribution of net ecosystem productivity on a unit area basis in the Bailongjiang Watershed, Gansu Province, China, from 2000—2013 via using MODIS and meteorological data and then explored the relationship between NEP and topographical factors. Four primary results were obtained: (1) The mean annual NEP was 226.65 g C m-2a-1from 2000 to 2013 in the watershed, and the carbon sink area accounted for 97.20% of the whole watershed area. The carbon sinks were mainly distributed in forest land along both sides of the upper Bailongjiang, the west bank of the Minjiang, the southern bank of the Baishuijiang, and both banks of the Datuanyu River. The carbon source areas were mainly distributed in the Wudu District and the northern border area of Diebu County. (2) Mean annual NEP was highest for evergreen broad-leaved forest and mixed evergreen and deciduous, broad-leaved forest followed by the mountain steppe. Mean annual NEP for cultivated land, coniferous forest, and shrubland was similar, and even smaller for the alpine steppe. While NEP tended to increase over time in cultivated land, the trend was a slight decline in mixed evergreen and deciduous, broad-leaved forest. (3) There was significant spatial heterogeneity in the trends of how NEP changed over time. Specifically, NEP tended to increase in the Bailongjiang Watershed, which accounted for 64.00% of the study area and were mainly distributed in the central and northwest regions of the watershed, particularly in the mid-Bailongjiang River, and NEP that tended to decrease was mainly distributed in the centre of Wudu District. Additionally, the period from April to September is when both NEP and the carbon sink areas increase. (4) Topographical factors played an important role in NEP in the Bailongjiang Watershed. The area below 4200 m was the primary carbon sink area, and the NEP growth rate and carbon sink capability on steep slopes (over 40 degrees) were higher than in areas with a gentler slope. Further, the capacity of carbon sinks on shady slopes was higher than for those on sunny slopes.

net ecosystem productivity (NEP); carbon sink; carbon source; temporal-spatial variation; Bailongjiang Watershed of Gansu Province

國家自然科學基金項目(41271199)

2016- 05- 04; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201605040840

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jgong@lzu.edu.cn

鞏杰, 張影, 錢彩云.甘肅白龍江流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空變化.生態(tài)學報,2017,37(15):5121- 5128.

Gong J, Zhang Y, Qian C Y.Temporal and spatial distribution of net ecosystem productivity in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5121- 5128.