溫宥越,孫 強,燕玉超,肖敏志,宋巍巍,楊 劍,*

1 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學研究所,廣州 510535

2 國家環(huán)境保護城市生態(tài)環(huán)境模擬與保護重點實驗室,廣州 510535

3 北京大學,北京 100084

陸地生態(tài)系統(tǒng)所提供的固碳釋氧服務是人類生存與現(xiàn)代文明得以維系和發(fā)展的基礎[1-2],它是指陸地生態(tài)系統(tǒng)中的綠色植被通過光合作用吸收空氣中的CO2,生成葡萄糖等有機物質并釋放出O2)的過程,它屬于陸地生態(tài)系統(tǒng)的氣體調節(jié)服務功能,在改善全球生態(tài)環(huán)境和維持氣候平衡過程中發(fā)揮著不可替代的作用[1,3]。隨著工業(yè)化進程的不斷深入,CO2等溫室氣體人為排放量劇增導致全球氣候顯著變暖,如何降低大氣CO2濃度,從而減緩全球氣候變暖進程成為國內外研究焦點。目前,我國正處于工業(yè)化和城市化加速發(fā)展階段,經(jīng)濟快速增長勢必帶來高能源消耗及對應CO2排放量增加,在這背景下對陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務進行評估,并加強其作為減緩全球變暖的重點是非常必要的。

近年來,國內外不少學者就陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務做了大量的研究,例如,學者對固碳釋氧服務的獲取方法進行了充分的應用和對比[1-2,4- 6],應用這些方法學者深入研究了特定區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務的時空特性及其影響因素[5,7- 9],并對特定類型生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務及其變化進行了分析,如森林[4,10-11]、草地[11-12]、農(nóng)田[13]和濕地[11,14]等。此外,也有研究探討了如何提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務,如Ducat D.C 總結提出合成生物學及改良固碳的加爾文循環(huán)途徑可根本上提高作物固碳效率[15],Bar-Even A發(fā)現(xiàn)重新調整植被中央代謝過程可增強其固碳能力[16],當然,適當?shù)娜藶楦深A也是有效的途徑,例如,植樹造林[17]、退耕還林[18-19]、林分結構的改善[20-21]等。此外,隨著遙感技術的日益精進,近年來有越來越多的研究利用遙感手段來輔助估計區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務[5- 9,11],該方法通常是通過遙感數(shù)據(jù)估算植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity,NPP),然后根據(jù)光合作用方程式和生態(tài)系統(tǒng)服務與市場價值體系之間的關系計算固碳釋氧服務[5- 9,11]。

已有不少研究利用遙感的方法獲得了陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變對固碳釋氧服務的影響作用[5-6,12],這些研究通常利用不同年份的遙感和氣象數(shù)據(jù),結合植被NPP反演模型獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變前后的植被NPP結果及差異,并最終獲得固碳釋氧固碳釋氧服務變化。但由于外界環(huán)境條件不一致,通過對比不同年份的數(shù)據(jù)而獲得的固碳釋氧服務差異,實際上是綜合了所有影響因素(如氣候變化、人類活動、生態(tài)系統(tǒng)類型轉變等)變化后的差異[22],因此,如何有效地獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變對固碳釋氧服務的影響作用仍是一個需要解決的問題。Imhoff等[23]提出“鄰域代理法”通過搜尋某城市擴張象元周圍一定范圍的非城市象元的植被NPP均值用以代表該城市擴張象元城市擴張前的植被NPP,從而獲得了美國1992—1993年城市擴張前后植被NPP的變化情況,該方法的有效性得到不少研究的進一步驗證[22,24]。但這些研究只是將“鄰域代理法”運用在城市擴張這一特殊的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變類型中,有必要將其拓展到多類陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變中,從而有效地獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變對固碳釋氧服務的影響作用。

粵港澳大灣區(qū)(以下簡稱大灣區(qū),Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area,GBA)是我國開放程度最高、經(jīng)濟活力最強的區(qū)域之一,在國家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。近年來,受氣候變化及人類活動的影響,大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)受到頻繁洪澇災害、臺風等極端天氣的重要影響[25]。研究表明,2000 年以來大灣區(qū)的主體——珠三角地區(qū)在城市化的影響下,陸地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質量加速下降,陸地生態(tài)系統(tǒng)一直處于脆弱型[26],而且2007年以來大灣區(qū)極高、高生態(tài)敏感區(qū)比重增加了1.32%[27]。至21世紀末,大灣區(qū)的平均氣溫將上升2.0℃[28],而在政策影響下大灣區(qū)的發(fā)展無疑將更加快速,因此,未來大灣區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)將面臨深入且復雜的變化,這將給其所提供的固碳釋氧服務帶來更加嚴峻的考驗。但目前,關于大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務的研究還相對較少,迫切需要通過定量的方法科學準確地評價研究區(qū)的固碳釋氧服務,并揭示不同陸地生態(tài)系統(tǒng)演變影響固碳釋氧服務的規(guī)律和機制。因此,本文基于CASA模型、碳稅法和工業(yè)制氧法分別估算了粵港澳大灣區(qū)2015年的植被NPP、固碳釋氧量及其價值,并運用ESA CCI-LC產(chǎn)品探究了2000—2015年間該區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)演變及其對固碳釋氧量和價值的影響。本研究旨在為當?shù)卣ㄔO美麗灣區(qū),增強生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性,提升生態(tài)環(huán)境質量,促進社會經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展等提供科學依據(jù)和決策支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

大灣區(qū)由我國香港、澳門兩個特別行政區(qū)和廣東省廣州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、東莞市、中山市、江門市、肇慶市(珠三角九市)組成,范圍為21°34′2″—24°23′32″N、111°21′24″—115°25′18″E,是繼美國紐約灣區(qū)、舊金山灣區(qū)、日本東京灣區(qū)之后的世界第四大灣區(qū)。大灣區(qū)是由珠江水系的西江、北江、東江及其支流潭江、綏江、增江攜帶泥沙沉積形成的復合型三角洲平原,瀕臨南海,大陸以珠江三角洲為中心,東部、西部和北部三面山地丘陵圍繞,形成麒麟狀的港灣形勢。大灣區(qū)屬南亞熱帶季風氣候,氣候溫和,雨量充沛,年均氣溫在 20.5—22.5℃之間,年均降雨量在1300.0—1700.0mm之間,年平均相對濕度 71.0%—79.0%,區(qū)域內部的植被類型以亞熱帶常綠闊葉林和針闊混交林為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所利用的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)是來自MODIS衛(wèi)星的2015年MOD13Q1產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集的時間分辨率為16d,空間分辨率是250m,本文首先利用最大值合成法將該數(shù)據(jù)集處理成了月值數(shù)據(jù)集[29]。本文獲取的氣象數(shù)據(jù)包括2015年月均氣溫、月總降水量和月總太陽輻射量,下載于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng),本文將這些基于站點的氣象數(shù)據(jù)進行利用克里金插值,以獲得區(qū)域連續(xù)的空間氣象數(shù)據(jù)[30- 32]。土壤數(shù)據(jù)來自于世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database,HWSD)。本文利用的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)源于歐空局(ESA)的2000年和2015年CCI-LC產(chǎn)品,空間分辨為300m,該數(shù)據(jù)一共提供了37種不同的生態(tài)系統(tǒng)類型,本文將這些陸地生態(tài)系統(tǒng)類型重新進行了歸類[33](表1)。由于CCI-LC產(chǎn)品最新數(shù)據(jù)為2015年,為了與之統(tǒng)一,本文只計算了2015年的植被NPP數(shù)據(jù)。最后,本文統(tǒng)一數(shù)據(jù)空間分辨為300m,空間投影為蘭勃特等積方位投影。

表1 陸地生態(tài)系統(tǒng)類型分類及其最大光能利用率Table 1 The terrestrial ecosystem types and their maximum light use efficiencies

1.3 研究方法

估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務包括估計固碳釋氧量及其價值兩部分內容,其中,固碳釋氧量指陸地生態(tài)系統(tǒng)固定的碳元素和釋放氧氣的質量(簡稱固碳量和釋氧量)的總和,而固碳釋氧價值指固定碳元素和釋放氧氣的生態(tài)服務價值(簡稱固碳價值和釋氧價值)的總和[1- 3]。本文先利用CASA模型(Carnegie Ames Stanford Approach)獲得研究區(qū)2015年的植被NPP,然后,根據(jù)植被光合作用合成有機物質與其吸收CO2和釋放O2之間的關系,計算出研究區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳量和釋氧量,最后,用貨幣衡量生產(chǎn)有機物質價值的思想,進一步獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳和釋氧價值[5-6,12]。

1.3.1CASA模型簡介

CASA模型是典型的參數(shù)模型,其充分考慮了環(huán)境條件以及植被本身的特征,只需要較少的資源及環(huán)境調控因子作為輸入?yún)?shù),就可方便有效地反演陸地植被NPP,而且借助遙感數(shù)據(jù)可以脫離地面站點資料的條件束縛,實現(xiàn)區(qū)域尺度實時動態(tài)地估測植被NPP[34-35]。CASA模型基本思想是認為植被NPP由植被吸收的光合有效輻射(The Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)及其光能利用率(ε)共同決定[36]：

NPP=APAR×ε

(1)

其中,植被吸收的光合有效輻射取決于太陽總輻射和植被對光合有效輻射的吸收比例(The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation,FPAR),由下面的公式給出。

APAR=SOLAR×FPAR×0.5

(2)

式中,SOLAR指月總太陽輻射量(MJ/m2)；FPAR指植被冠層對入射光合有效輻射的吸收比例；常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射(波長為0.4—0.7um)占太陽輻射總量的比例。

植被的光能利用率,受溫度和水分等因子的約束,由下面的公式獲得。

ε=Tε1×Tε2×Wε×εmax

(3)

其中,Tε1和Tε2表示溫度脅迫約束,它們分別由最適溫度和月均氣溫來確定；Wε表示水分脅迫約束；εmax是植被最大光能利用率。

εmax是CASA模型的關鍵因子之一,它與植被類型、研究區(qū)位置及輸入數(shù)據(jù)尺度有著密切的關系,本文的εmax采用前人研究論文里的數(shù)據(jù)[31-32](表1)。CASA模型的基本框架如圖1所示,計算細節(jié)請參考前人的研究[30,36]。

圖1 CASA模型的基本框架Fig.1 The framework of the CASA model

1.3.2固碳釋氧量的計算

WCO2=NPP×2.2×1.63

(4)

WC=WCO2×0.27

(5)

式中,WCO2表示某生態(tài)系統(tǒng)單位面積固定的CO2量(g/m2),WC表示該生態(tài)系統(tǒng)對應的單位面積固碳量(g/m2),NPP表示該生態(tài)系統(tǒng)每年單位面積植被NPP(g C/m2)。

WO=NPP×2.2×1.19

(6)

式中,WO表示某生態(tài)系統(tǒng)單位面積釋氧量(g/m2)。

1.3.2固碳釋氧價值的計算

本文采用國際上通用的瑞典碳稅法來估計固碳價值[39-40]。該法規(guī)定的碳稅率為150美元/t(碳),結合2015年美元兌人民幣的匯率(每100美元等于622.84元人民幣),可以折算出以人民幣為度量的碳稅率(934.26元/t),根據(jù)該碳稅率,最終可以獲得2015年大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳價值。

VC=WC×934.26×10-6

(7)

式中,VC表示固碳價值(元/m2),10-6是t與g之間的轉換系數(shù)。

本文利用工業(yè)制氧法來獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)的釋氧價值[6,39]。

VO=WO×400×10-6

(8)

式中,VO表示釋氧價值(元/m2),400是指工業(yè)制氧成本(元/t),10-6t與g之間的轉換系數(shù)。

1.3.3鄰域代理法

本文旨在獲得2000—2015年間大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)類型演變導致固碳釋氧量及其價值的變化情況,因此,必須去除生態(tài)系統(tǒng)類型演變以外因素的影響作用,通過獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)演變前后的植被NPP值(Pre_NPP和Post_NPP),并對比Pre_NPP和Post_NPP的差異,最后運用公式4—8就可以獲得固碳釋氧量的變化及對應價值的變化。

本文利用“鄰域代理法”來獲得Pre_NPP。該方法基于地理學第一定律,認為某生態(tài)系統(tǒng)附近其他生態(tài)系統(tǒng)表面是該生態(tài)系統(tǒng)轉化前的土地情況最佳代表[22-23]。由于某一生態(tài)系統(tǒng)的演變是通過傾占其他不同類型生態(tài)系統(tǒng)來實現(xiàn),因此,在具體運算時需要區(qū)分不同的用地類型。假設城市象元A是通過傾占農(nóng)田實現(xiàn)擴張,那么就通過象元A外圍30 km半徑范圍內所有農(nóng)田象元(圖2中紅色邊框部分)的平均NPP(Post_NPP)來替換該城市象元的NPP(Post_NPP),從而獲得城市擴張前A象元的植被NPP(Pre_NPP)[22-23]。通過這種方法可以獲得與Post_NPP具有相同外界因素影響作用下的Pre_NPP,從而Pre_NPP和Post_NPP具有真正的可比性,而且通過這種方法來獲取Pre_NPP還可以避免額外計算其他時期植被NPP的麻煩。

圖2 “鄰域代理法”獲得城市象元城市擴張前植被NPP原理圖Fig.2 A schematic diagram of the neighborhood proxy method

2 結果與討論

2.1 陸地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及其變化情況

由圖3—4和表2可知,大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)以農(nóng)田和森林資源為主,2015年它們的總面積分別為28520.85 km2和24877.00 km2,約占整個研究區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的82.33%。其中,農(nóng)田主要分布在江門市、肇慶市、惠州市和廣州市,約占大灣區(qū)農(nóng)田總面積的81.56%。此外,大灣區(qū)88.92%的森林資源也分布在這4個地級市,以肇慶市最多,接著分別是惠州市、江門市和廣州市,構成大灣區(qū)外圍的綠色屏障[41]。2015年大灣區(qū)的城市總面積為7461.34 km2,主要分布在廣州市、佛山市、東莞市和深圳市,它們的城市總面積占整個研究區(qū)城市總面積的比例約為68.23%。草地和濕地覆蓋范圍較少,分別僅約為497.63 km2和206.28 km2,其中,草地在佛山市覆蓋最廣,而濕地在江門市和肇慶市覆蓋最廣。

圖3 大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀和變化圖Fig.3 The terrestrial ecosystem types and their interconversion in the GBA圖中的“其他”特指的生態(tài)系統(tǒng)類型為“裸地和水體”

圖4 大灣區(qū)2015年各行政區(qū)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積對比Fig.4 Comparison of total area for different terrestrial ecosystems of each administrative district in the GBA in 2015

表2 大灣區(qū)各陸地生態(tài)系統(tǒng)相互演變及面積變化情況表Table 2 The interconversions among terrestrial ecosystems and their corresponding area changes in the GBA

圖3和表2揭示,2000—2015年,大灣區(qū)各陸地生態(tài)系統(tǒng)相互演變顯著。其中,城市面積呈現(xiàn)明顯的擴張態(tài)勢,15年間共擴張約4091.64 km2,擴張比例為21.42%,農(nóng)田正好相反,每年約縮減272.78 km2。由表2可知78.42%城市擴張面積來自侵占農(nóng)田,此外,草地和濕地的主要轉出對象為城市,說明人類建設活動是大灣區(qū)農(nóng)田、草地和濕地流失的主要原因[42]。2015年森林面積為24877.00 km2,15年間共縮減了345.72 km2,其中92.29%變成了耕地,這可能是由于當?shù)貙嵭姓加酶匮a償制度導致的結果[43]。最后,裸地和水體轉出成其他生態(tài)系統(tǒng)的總面積為235.32 km2,其中,最主要是的轉出對象是城市,這可能是為適應社會經(jīng)濟快速發(fā)展的需要,緩解工業(yè)用地和城市建設用地的供需矛盾,大灣區(qū)相繼實施大規(guī)模填海工程帶來的結果[44]。

2.2 固碳釋氧量現(xiàn)狀及其變化

由表3和圖5可知,2015年大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量為9166.56 G g,釋氧量為88881.69 G g,固碳釋氧量主要由肇慶市、惠州市、江門市和廣州市四個地級市的陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生[41],它們的固碳釋氧量是整個研究區(qū)固碳釋氧量的84.71%。此外,各行政區(qū)的單位面積固碳釋氧量各不一樣,且各行政區(qū)固碳釋氧總量的排序和單位面積固碳釋氧量排序有所變化,例如,香港特別行政區(qū)在各行政區(qū)單位面積固碳釋氧量排名第五,但在各行政區(qū)固碳釋氧總量排名第八,這是因為香港特別行政區(qū)市轄陸地范圍相對較小。此外,珠海市的市轄陸地范圍比香港特別行政區(qū)要大,但固碳釋氧量卻比香港特別行政區(qū)要小,這是因為香港特別行政區(qū)平均單位面積固碳量和釋氧量分別為132.67 g/m2和1286.37 g/m2,比珠海市的(87.99 g/m2和853.15 g/m2)要大得多。由此可見,一個生態(tài)系統(tǒng)的總固碳釋氧量是由其平均單位面積固碳釋氧量和總覆蓋面積共同決定的,這與前人研究發(fā)現(xiàn)相吻合[22]。

表3 大灣區(qū)各行政區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務情況對比Table 3 Comparison of the carbon fixation and oxygen release services and their changes in the GBA

圖5 大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量情況分布圖Fig.5 The spacial distributions of the carbon fixation and oxygen release services and their changes in the GBA固碳釋氧量變化情況圖是指由2000—2015年陸地生態(tài)系統(tǒng)演變導致的固碳釋氧量變化情況

根據(jù)表3的結果,在陸地生態(tài)系統(tǒng)相互演變的影響下,2000—2015年大灣區(qū)固碳量和釋氧量分別減少了53.49 G g和518.65 G g。東莞市的固碳量和釋氧量減少程度最大(總量分別為14.14 G g和137.09 G g),接著是惠州市>佛山市>深圳市>江門市>肇慶市>中山市>廣州市>澳門特別行政區(qū)。珠海市和香港特別行政區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量和釋氧量有所增加,進一步研究發(fā)現(xiàn)這是因為,2000—2015年珠海市森林生態(tài)系統(tǒng)固碳量和釋氧量凈增了0.82 G g和7.92 G g,有效地抵消了其他陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳量和釋氧量的損失值；而對于香港特別行政區(qū),雖然城市擴張導致固碳量和釋氧量損失了0.44 G g和4.27 G g,但其他生態(tài)系統(tǒng)的固碳量和釋氧量有所增加,其中,森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳量和釋氧量增加了0.90 G g和8.71 G g抵消城市擴張導致的固碳量和釋氧量的損失值。由此可見,陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量的變化情況與其內部演變類型有密切關系[45,46],當某陸地生態(tài)系統(tǒng)變化主要以退化為較低固碳釋氧量的生態(tài)系統(tǒng)時,其固碳釋氧量會減少,反之當某陸地生態(tài)系統(tǒng)變化主要以轉變?yōu)檩^高固碳釋氧量的生態(tài)系統(tǒng)時,其固碳釋氧量會增加。

2.3 固碳釋氧價值現(xiàn)狀及其變化

從表3可以得出,2015年大灣區(qū)所有陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值約為662.63億元,其中,肇慶市、惠州市、江門市和廣州市的固碳釋氧價值最高(圖6)約分別占研究區(qū)固碳釋氧總價值的31.83%、23.09%、17.12%和12.67%。佛山市的固碳價值(13.43億元)和釋氧價值(15.55億元)約是廣州市的三分之一,深圳市的固碳釋氧價值與東莞市的相當,中山市和珠海市的固碳釋氧價值較為接近,約為香港特別行政區(qū)的固碳和釋氧價值的兩倍,而澳門特別行政區(qū)的固碳和釋氧價值貢獻較低(僅約為0.06億元和0.07億元)。表3和圖6揭示,2000—2015年大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)演變造成固碳和釋氧價值分別約損失了1.79億元和2.06億元(表3),合計約3.85億元,除了香港特別行政區(qū)和珠海市的固碳釋氧價值出現(xiàn)凈增加外,其余行政區(qū)的固碳釋氧價值均為凈負增長,其中,東莞市、惠州市和佛山市固碳釋氧價值損失量最大,約是整個研究區(qū)固碳釋氧價值變化量的63.29%。這與周永杰等[41]發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)演變減少了大灣區(qū)生態(tài)服務價值的總體趨勢基本一致,由此可見陸地生態(tài)系統(tǒng)演變對固碳釋氧服務具有重要且復雜的影響[45- 47]。

圖6 大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值情況分布圖Fig.6 The spacial distributions of the carbon fixation and oxygen release services′ value and their changes in the GBA固碳釋氧價值變化情況圖是指由2000—2015年陸地生態(tài)系統(tǒng)演變導致的固碳釋氧價值變化情況

大灣區(qū)2015年各陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值差異較大(圖7),且呈現(xiàn)兩極分化的特點,絕大部分(91.03%)集中于森林和農(nóng)田這兩個生態(tài)系統(tǒng)[41],其中,森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳和釋氧價值最高,分別約為155.74億元和180.29億元,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳和釋氧價值也較高,分別約為123.84億元和143.36 億元。相比之下,城市生態(tài)系統(tǒng)2015年的固碳和釋氧價值較低,分別只有18.52億元和21.44 億元。2000—2015年陸地生態(tài)系統(tǒng)相互演變對固碳釋氧價值產(chǎn)生了重要影響,其中森林的固碳釋氧價值增加了1.16億元,其主要原因是有較大范圍固碳釋氧能力較低的生態(tài)系統(tǒng)轉換為能力較高的森林生態(tài)系統(tǒng),例如,農(nóng)田和灌木等轉變?yōu)槌＞G闊葉林帶來固碳釋氧價值增加2.85億元,農(nóng)田和常綠針葉林轉變?yōu)槌砻苤脖粠砉烫坚屟鮾r值增加了0.75億元。但陸地生態(tài)系統(tǒng)變化給除森林外的其他生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值均帶來了損失,其中,城市擴張帶來較大的固碳和釋氧價值損失,分別高達約2.13億元和2.47億元(圖7),其他生態(tài)系統(tǒng)的變化導致的固碳和釋氧價值損失總量合約為0.20億元和0.23億元。由于可見,城市擴張是大灣區(qū)固碳釋氧服務損失的主要驅動因素,因此,必需合理控制城市擴張,以使大灣區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定[46-47]。

圖7 大灣區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型固碳釋氧總價值及其變化情況對比Fig.7 Comparison the amount value of carbon fixation and oxygen release services and their changes for each terrestrial ecosystem in the GBA

2.4 固碳釋氧價值與生態(tài)系統(tǒng)類型的關系

為進一步探討大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)演變對其固碳釋氧價值的影響,本文基于11個行政區(qū)將它們2015年總固碳釋氧價值和各陸地生態(tài)系統(tǒng)類型所占比重做相關分析[47]。結果表明(表4),城市生態(tài)系統(tǒng)與固碳釋氧價值的相關性最高,且呈現(xiàn)強負相關關系,而森林呈強正相關,表明城市和森林的比重對本研究區(qū)的固碳釋氧價值影響顯著,且城市擴張將顯著減少研究區(qū)的固碳釋氧價值,而森林比重上升將有利于研究區(qū)固碳釋氧價值的增加,這表明大灣區(qū)應該重視森林生態(tài)系統(tǒng)的保護并合理控制城市的擴張,這與前人的研究結論是相符的[47]。裸地與水體和草地也呈現(xiàn)強負相關性,這可能是由于這些生態(tài)系統(tǒng)在研究區(qū)內覆蓋范圍較小,且固碳釋氧能力較農(nóng)田和森林差,因此,這些生態(tài)系統(tǒng)的擴張將導致大灣區(qū)整體固碳釋氧價值降低。最后,農(nóng)田和濕地與研究區(qū)固碳釋氧價值的相關性并不強。

表4 大灣區(qū)固碳釋氧價值與陸地生態(tài)系統(tǒng)類型的相關系數(shù)Table 4 Correlations between carbon fixation and oxygen release services′ value and terrestrial ecosystem structure

3 結論

本文利用“鄰域代理法”獲得了陸地生態(tài)系統(tǒng)演變導致的固碳釋氧量和價值變化,避免了前人研究需要計算不同時期陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量和價值數(shù)據(jù)的麻煩,且解決了因外界因素不一致導致的不同時期數(shù)據(jù)不可對比的問題,研究思路具有一定的推廣價值。本文的主要結論是：大灣區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)以農(nóng)田和森林資源為主,陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量和價值集中于肇慶市、惠州市、江門市和廣州市。2000—2015年陸地生態(tài)系統(tǒng)演變顯著,其中,城市擴張明顯,導致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)顯著減少,且由于城市大量擴張使得大灣區(qū)固碳量和釋氧量及其價值總體上呈現(xiàn)下降趨勢。在大灣區(qū),城市、草地和裸地與水體覆蓋面積與固碳釋氧價值呈現(xiàn)強負相關,其擴張會促使研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值逐漸減少,林地覆蓋面積與固碳釋氧價值呈現(xiàn)強正相關,其比重的增加將有利于研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值的培育。

基于本文的研究,建議在今后社會經(jīng)濟發(fā)展中,大灣區(qū)應當優(yōu)化調整陸地生態(tài)系統(tǒng)類型,合理控制城市生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模及其擴張態(tài)勢,并重視保護森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),減少人類活動在生態(tài)系統(tǒng)演變中的作用,保護并增強自然演變過程,增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提升生態(tài)系統(tǒng)安全性,促進社會經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展。