陳 樂,張福平,*,司建華,馮 起,魏永芬

1 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 蘭州 730000 3 日本國立岐阜大學(xué), 岐阜 501-1193

隨著人類社會工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快,化石能源使用量激增,大量溫室氣體被源源不斷地排放至大氣,導(dǎo)致全球氣候變化加劇,生態(tài)系統(tǒng)逐漸失衡[1-2]。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是連接大氣、土壤和水分等自然要素的關(guān)鍵,在調(diào)節(jié)全球氣候及維持碳平衡等方面起重要作用[3-4]。植被通過光合作用吸收CO2并將其固定為有機物質(zhì),以達(dá)到植被固碳的目的,因此研究植被固碳對改善生境質(zhì)量、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義[5-6]。針對植被固碳量的估算,國內(nèi)外學(xué)者已提出大量方法,最早使用的傳統(tǒng)生物量法[7],主要考慮樹種、樹齡等靜態(tài)因素對植被固碳的影響,而模型模擬法在其基礎(chǔ)上,加入了溫度、降水等動態(tài)因素[8]。目前常用的模型可分為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、過程模型和混合模型三類,經(jīng)驗?zāi)Ｐ屠靡巴鈽拥貙崪y數(shù)據(jù)推算生物量,但受空間范圍限制,難以反映區(qū)域尺度植被固碳的真實情況[9];過程模型可模擬碳循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)過程對相互作用過程的依賴性,具體包括CASA模型、Biome-BGC模型、CENTURY模型等,均有綜合程度高、外延性好等優(yōu)點,多源遙感數(shù)據(jù)的便利獲取也為廣泛應(yīng)用過程模型提供了保障[10]。除了探究植被固碳量估算方法以外,不少學(xué)者也同時開展了對植被固碳功能的時空演變及影響機制的研究工作,歐陽志云等結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)有機質(zhì)生產(chǎn)和光合作用方程式,估算得到中國陸地生態(tài)系統(tǒng)每年可固定CO2109億t[11];喬亞軍等通過模型模擬,量化研究呼倫貝爾林草交錯帶固碳釋氧功能的時空變化特征及其對氣候、土地利用變化的響應(yīng),結(jié)果表明氣候變化是研究區(qū)固碳釋氧總量增加的主要驅(qū)動因子[12];溫宥越等基于CASA模型及碳稅法測算粵港澳大灣區(qū)固碳釋氧價值量,利用鄰域代理法研究陸地生態(tài)系統(tǒng)演變情況及其對固碳釋氧服務(wù)的影響,發(fā)現(xiàn)城市擴張會使生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值量減小[13];李成等從不同尺度出發(fā),定量分析我國多年能源消費碳排放及植被固碳的動態(tài)變化與空間分異格局,發(fā)現(xiàn)東北、西南和黃土高原植被固碳增幅顯著高于其他地區(qū),為各區(qū)域碳減排政策的實施提供科學(xué)依據(jù)[14]。因此,把握區(qū)域內(nèi)植被固碳功能的時空演變規(guī)律,探究其影響因素,可為生態(tài)改善提供理論支撐,對調(diào)節(jié)碳平衡、保衛(wèi)生態(tài)安全有重要意義。

我國西北地區(qū)氣候干旱,戈壁、沙漠廣布,植被生長環(huán)境十分惡劣,其固碳能力普遍受限[15],因此準(zhǔn)確、定量的開展西北荒漠地區(qū)植被固碳功能研究工作十分必要。賀蘭山地處寧夏西北部,與內(nèi)蒙古自治區(qū)相接,作為干旱荒漠帶中的一片綠洲,賀蘭山既遏制騰格里沙漠東移,又削弱西北寒流侵?jǐn)_,是守護(hù)西北生態(tài)安全的最后一道屏障,其生態(tài)變化對北方干旱荒漠帶生態(tài)安全意義重大。受近年來全球變化的影響,賀蘭山地區(qū)氣候明顯改變,加之人類活動的干擾,共同促使植被生境產(chǎn)生差異,其條件的優(yōu)劣將直接影響植被狀態(tài)及功能。目前,針對賀蘭山植被固碳功能的研究鮮少,前人或聚焦于其他的植被參數(shù)[16-17],或僅考慮單一典型植物的固碳能力[18-19]。因此,為準(zhǔn)確掌握該背景下賀蘭山地區(qū)整體植被動態(tài)及固碳功能的發(fā)展變化,本文以賀蘭山分水嶺為分界線,在基于CASA模型模擬2000-2020年賀蘭山地區(qū)NPP并進(jìn)一步估算植被固碳量的基礎(chǔ)上,探究了不同地形條件下賀蘭山地區(qū)植被固碳的空間分異特征及其對氣候以及土地利用變化的響應(yīng),揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)對于自然及社會環(huán)境改變的反饋能力,為研究區(qū)的生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

賀蘭山位于寧夏回族自治區(qū)與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處,東臨黃河,西靠騰格里沙漠,是我國干旱區(qū)與非干旱區(qū)、荒漠區(qū)與荒漠草原區(qū)的自然地理分界線,也是西北地區(qū)最后一條生態(tài)屏障[20-21]。依據(jù)賀蘭山地質(zhì)構(gòu)造特點及其與周邊自然地形的海拔差異[22],本研究選取1500 m等高線并向外延伸3 km作為研究區(qū)的范圍(105°15′-106°42′E,38°4′-39°26′N),如圖1所示,區(qū)域范圍南北跨度155.42 km,東西跨度121.80 km,總面積6331.25 km2。

圖1 研究區(qū)位置及高程Fig.1 The location of study area and its elevation

賀蘭山地形復(fù)雜多變,山體海拔高差巨大,植被垂直分異特征明顯,從山麓到山頂依次分布有荒漠草原、山地疏林草原、山地針葉林、山地闊葉林和高山-亞高山灌叢草甸等山地植被[23],且不同植被類型對于環(huán)境變化的響應(yīng)不同。賀蘭山大致為南北走向,以山脊為界可分為兩部分:賀蘭山西坡與賀蘭山東坡,西坡坡度和緩,東坡以斷層臨銀川平原,由于山體遮擋,東西坡所接收的太陽輻射與水汽總量各不相同,氣候差異大,因此形成了植被凈初級生產(chǎn)力及固碳功能的明顯東西差異,產(chǎn)生分異效應(yīng)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

NDVI數(shù)據(jù)來源于NASA MOD13A2 NDVI數(shù)據(jù)集,時段為2000-2020年,空間分辨率為1 km,時間分辨率為16天,利用MRT(MODIS Reprojection Tool)工具進(jìn)行影像重投影,并使用最大值合成法(Maximum Value Composite)生成NDVI月最大值數(shù)據(jù),消除云覆蓋所造成的數(shù)據(jù)異常。DEM數(shù)據(jù)來源于NASA及NIMA聯(lián)合測量的SRTM1數(shù)據(jù)集,分辨率為30 m,用于生成1500 m等高線來劃定研究區(qū)范圍,并生成坡度坡向數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng),主要包括賀蘭山研究區(qū)及周邊多年氣溫、降水、風(fēng)速、日照時數(shù)等站點數(shù)據(jù),使用ANUSPLIN插值對其空間柵格化處理,分辨率為1 km。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,包括2000年、2020年共2期土地利用數(shù)據(jù),空間分辨率為1 km,將其重分類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用土地。植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心1∶100萬中國植被類型空間分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1NPP的估算

用于估算NPP的模型眾多,CASA模型是目前幾個主要光能利用率模型之一,為國際上較為常用的大尺度NPP估算模型。本研究選用朱文泉等[24]改進(jìn)的CASA模型對研究區(qū)植被NPP進(jìn)行了估算,計算公式如下:

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中,APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ m-2月-1);ε(x,t) 表示像元x在t月的實際光能利用率(gC/MJ)。光合有效輻射APAR指植被冠層可吸收利用并對光合作用有促進(jìn)意義的太陽輻射能,由太陽輻射及植被自身生態(tài)條件共同決定。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

(2)

式中,SOL(x,t)表示像元x處t月份的太陽總輻射(MJ m-2月-1);FPAR(x,t)表示植被層對入射光合有效輻射的吸收比;常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的占比。

光能利用率ε是指植被將所吸收的光合有效輻射固定為有機質(zhì)的效率,決定于植被自身屬性。

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(3)

式中,Tε1(x,t)和Tε2(x,t)分別表示低溫和高溫對光能利用率的脅迫影響系數(shù);Wε(x,t)表示水分脅迫影響系數(shù);εmax表示理想條件下的最大光能利用率(gC/MJ)。本研究中各植被類型εmax參數(shù)設(shè)置參照朱文泉模擬結(jié)果[24],具體如表1所示。

表1 不同植被類型最大光能利用率參數(shù)Table 1 Maximum light energy utilisation parameters for different vegetation type

2.2.2植被固碳量的估算

植被的光合作用是自然界碳氧轉(zhuǎn)化的重要途經(jīng),依據(jù)綠色植被光合作用原理可知,植被每生產(chǎn)1 kg有機物可固定1.63 kg CO2,1 kg CO2中又包含0.27 kg碳元素。因此賀蘭山地區(qū)植被固碳量由植被NPP總量計算得到,計算公式如下:

WC=1.63×0.27×NPP×A

(4)

式中,WC表示植被年固碳量(t/a);NPP表示林分凈初級生產(chǎn)力(t km-2a-1);A表示林分面積(km2)。

2.2.3變化趨勢分析

趨勢分析是對一組隨時間變化的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢線回歸分析,本文使用最小二乘法逐像元擬合植被固碳量的年際變化趨勢。

(5)

式中,S表示趨勢斜率;n表示監(jiān)測年份(n=21);k為年變量;Xk為第k年自變量。計算結(jié)果若S>0,表示自變量呈現(xiàn)增加趨勢;若S<0,表示自變量為減少趨勢。對植被固碳量變化趨勢進(jìn)行F檢驗,依據(jù)F分布臨界值表,可將變化趨勢劃分為5個等級:極顯著增加(S>0,P<0.01)、顯著增加(S>0,0.01≤P<0.05)、變化不顯著(P≤0.05)、顯著減少(S<0,0.01≤P<0.05)、極顯著減少(S<0,P<0.01)。

2.2.4相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是分析不同變量間聯(lián)系程度的方法,本文通過Pearson相關(guān)系數(shù)法基于像元尺度考察植被固碳量與氣象因子的相關(guān)關(guān)系,計算公式如下:

(6)

2.2.5土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映相同區(qū)域在不同時期內(nèi)的土地利用情況及其動態(tài)轉(zhuǎn)化過程,表現(xiàn)形式如下:

(7)

式中,Uij表示第i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j類土地利用類型的面積;n為土地利用類型數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 精度驗證

對NPP的驗證主要有實測法和相對驗證法兩種,由于研究區(qū)屬國家級自然保護(hù)區(qū),難以在短時間內(nèi)進(jìn)行大范圍實地調(diào)查,NPP實測值獲取困難,故本文采用與MOD17A3產(chǎn)品和前人研究成果相比較的方法。圖2表示研究區(qū)內(nèi)隨機抽樣選取200個樣本像元的NPP估算值與MOD17A3產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性回歸擬合,結(jié)果顯示,NPP估算值與MOD17A3產(chǎn)品線性關(guān)系顯著,二者吻合性高,變化趨勢一致,同時,基于平均絕對百分比誤差(MAEP)、均方根誤差(RMSE)以及擬合系數(shù)(R2)三個統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)進(jìn)一步探討估算結(jié)果的精確程度。結(jié)果顯示估算值的MAEP為0.1175、RMSE為33.5051、R2為0.9455,符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律,準(zhǔn)確度較高。此外,將NPP估算值與前人研究成果進(jìn)行對比,結(jié)果如表2所示,分析發(fā)現(xiàn)本研究估算值較前人研究相差不大,總體來說,本文基于CASA模型估算的植被NPP數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好,具有較好的可信度,可用于后續(xù)分析研究。

表2 賀蘭山地區(qū)年均NPP與文獻(xiàn)值比較/(gC m-2 a-1)Table 2 Comparison of average annual NPP and literature values in Helan Mountain region

圖2 NPP估算值與MODIS產(chǎn)品對比Fig.2 Comparison of NPP estimates with MODIS productsNPP:植被凈初級生產(chǎn)力

3.2 植被固碳功能時空變化特征

賀蘭山地區(qū)2000-2020年東、西坡植被單位面積固碳量如圖3所示。整體上看,研究區(qū)植被單位面積固碳量平均值介于46.43-110.93 gC m-2a-1之間,多年平均值為66.99 gC m-2a-1。東、西坡植被固碳量變化趨勢保持同步,在年際間呈明顯增加態(tài)勢,但存在多次波動。2001年、2005年、2011年及2015年為植被單位面積固碳量相對臨近年較低的年份,2020年賀蘭山地區(qū)東、西坡單位面積固碳量同時達(dá)到研究時段內(nèi)最高值,分別為110.93 gC m-2a-1和 89.24 gC m-2a-1,表明該地區(qū)植被生長情況逐漸好轉(zhuǎn),固碳功能明顯提升。就東、西坡植被單位面積固碳量的年際波動差異來看,東、西坡變化趨勢顯著性并不一致,東坡增加趨勢較西坡來說更為明顯,線性增長斜率為3.85 gC m-2a-1,大于西坡線性增長斜率2.55 gC m-2a-1,2016年以前,西坡單位面積固碳量基本低于研究區(qū)多年固碳量均值,東坡大部分年限則高于均值。

圖3 賀蘭山東西坡2000-2020年單位面積固碳量年際變化Fig.3 Interannual changes of carbon sequestration per unit area on eastern and western slopes of Helan Mountain during 2000-2020

圖4為賀蘭山植被平均單位固碳量及其變化趨勢空間分布情況。從整個研究區(qū)來看,賀蘭山植被平均單位固碳量空間分異明顯,呈現(xiàn)“四周低中間高;西部低東部高;南部低北部高”的特征。東西坡均以低值固碳量為主,東坡有80.52%的區(qū)域平均固碳量低于100 gC m-2a-1,47.14%的區(qū)域低于50 gC m-2a-1,西坡有87.33%的區(qū)域平均固碳量低于100 gC m-2a-1,64.62%的區(qū)域低于50 gC m-2a-1。大于100 gC m-2a-1的中高值固碳量多分布于賀蘭山東坡,約占東坡總面積的19.48%,在西坡中高值面積占比僅為12.67%。植被單位面積固碳量變化速率大部分介于0-5 gC m-2a-1,為正向增加趨勢,其中正值區(qū)面積占比96.98%,遠(yuǎn)大于負(fù)值區(qū),單位面積固碳量降低區(qū)除部分成片分布于賀蘭山西坡中北部灌叢地外,大多零散分布于各地。植被單位面積固碳量大小及其變化趨勢可以反映區(qū)域內(nèi)植被固碳能力的強弱,上述研究表明研究區(qū)植被固碳功能在2000-2020年間有明顯改善。

圖4 賀蘭山植被平均單位面積固碳量及變化趨勢空間分布Fig.4 Spatial distribution of carbon sequestration per unit area of vegetation in Helan Mountain

3.3 地形因子對植被固碳功能的影響

圖5描述了賀蘭山植被類型分布情況以及植被單位面積固碳量和固碳總量的垂直分布差異,由圖5可知,賀蘭山地區(qū)主要分布針葉林、闊葉林、灌叢、荒漠、草原以及栽培植被等植被類型,其中,針葉林、闊葉林主要分布于海拔1500 m以上的東坡以及2100 m以上的西坡,荒漠及草原則主要位于西坡西部中低海拔區(qū),灌叢主要成片分布于東坡,栽培植被也僅在東坡低海拔地區(qū)零星分布。賀蘭山東西坡植被單位面積固碳量隨海拔升高呈現(xiàn)“S”型,低海拔至中海拔區(qū)間,單位面積固碳量快速增長,但增加趨勢隨海拔高度由中海拔向高海拔過渡而逐漸減緩,并于最高海拔處轉(zhuǎn)為降低趨勢,中高海拔區(qū)域為賀蘭山植被單位面積固碳量較高的區(qū)域。2600 m以下的區(qū)域東坡植被單位面積固碳量大于西坡,而2600 m以上則西坡大于東坡。各海拔區(qū)間植被固碳總量的變化趨勢不同于單位面積固碳量,為先增后減,大于1500 m的各海拔梯度內(nèi),西坡固碳總量基本高于東坡。東坡固碳量最高的海拔區(qū)間為1300-1600 m,固碳49.39 G gC,占東坡固碳總量的30.85%,此海拔區(qū)間主要分布灌叢及草原,是固碳總量的主要貢獻(xiàn)者;西坡固碳量最高區(qū)間為1400-1800 m,固碳101.28 G gC,占比40.81%,該區(qū)間內(nèi)荒漠及草原廣布,面積占比大,固碳量大。

賀蘭山地區(qū)地形復(fù)雜多變,坡度坡向的不同也會影響植被狀態(tài)及固碳功能,由表3可知,在賀蘭山東西坡隨坡度的增加以及坡向的轉(zhuǎn)換,植被單位面積固碳量及固碳總量存在一定的差異。賀蘭山西坡區(qū)域以微坡、緩坡和斜坡為主,坡度小于15°的區(qū)域占西坡總面積的74.59%,但這部分區(qū)域植被單位面積固碳量低于陡坡和急坡區(qū)域,因此僅貢獻(xiàn)西坡植被固碳總量的一半;東坡區(qū)域地勢起伏則較大,坡度最高達(dá)75.9°,近半?yún)^(qū)域坡度大于15°,且對應(yīng)區(qū)域植被單位面積固碳量高,因此在東坡區(qū)域的固碳總量中占比巨大。就總體趨勢來看,東西坡植被單位面積固碳量隨坡度呈增加趨勢,但存在一定差異,坡度小于15°時,東坡區(qū)域單位面積固碳量大于西坡同等級坡度植被單位面積固碳量,坡度大于15°時,東坡植被單位面積固碳量較西坡而言則更低。在不同坡向條件下,從陰坡到陽坡,東坡區(qū)域單位面積固碳量逐漸減小,西坡區(qū)域則先減后增,但東西坡區(qū)域植被單位面積固碳量的最大值均出現(xiàn)在陰坡,分別為79.13 gC m-2a-1和67.3 gC m-2a-1。對于東坡而言,半陰坡與陽坡面積較大且單位面積固碳量較高,是東坡總固碳的主要貢獻(xiàn)區(qū)域;西坡坡向則以陰坡和半陽坡為主,并且該部分區(qū)域植被單位面積固碳量為西坡最高,因此在西坡固碳總量中貢獻(xiàn)比超過62.66%。

表3 賀蘭山地區(qū)東西坡不同坡度坡向分級下的植被固碳量Table 3 Vegetation carbon sequestration of different slope and aspect in Helan Mountain area

3.4 氣候因子對植被固碳功能的影響

圖6表示了賀蘭山東西坡的降水、氣溫以及潛在蒸散發(fā)的年際變化趨勢,可以發(fā)現(xiàn),2000-2020年賀蘭山東坡年均氣溫在7.15-8.71℃,多年均值為7.99℃;西坡年均氣溫介于6.44-8.11℃,多年均值為7.30℃,整體低于東坡。東坡年累計降水量的變化范圍是119.62-513.81 mm,多年均值為228.01 mm,略低于西坡的233.46 mm。東坡多年潛在蒸散均值為944.26 mm,相比西坡的931.61 mm而言稍高。從時間變化上看,21年間賀蘭山地區(qū)整體氣溫、降水以及潛在蒸散發(fā)均呈緩慢的波動上升趨勢,但變化率各有不同。從空間分布上來看,各氣象因子均呈現(xiàn)出明顯的經(jīng)緯度和垂直地帶性分異規(guī)律:隨海拔逐漸升高,氣溫整體由四周向中部遞減;降水的空間分布格局與氣溫基本保持相同;中部高海拔地區(qū)潛在蒸散量小于四周低海拔地區(qū)潛在蒸散量,同時東坡及南部地區(qū)蒸散較西坡及北方地區(qū)而言更高。

圖6 賀蘭山東西坡降水量、氣溫及潛在蒸散發(fā)年際變化趨勢Fig.6 Interannual variation trend of Precipitation, temperature and potential evapotranspiration on east-west slopes of Helan Mountain

氣溫、降水、潛在蒸散等氣象因素所造成的水熱波動對植被生長有重要影響,本文以像元為最小分析單元,通過對賀蘭山地區(qū)多年植被單位面積固碳量與年均氣溫、年總降水量以及潛在蒸散發(fā)的相關(guān)分析,定量識別植被固碳功能對氣候變化的響應(yīng)(圖7)。2000-2020年,研究區(qū)植被單位面積固碳量與氣溫相關(guān)系數(shù)均值為-0.003,表明二者整體呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。其中,呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域占53.46%,主要分布于賀蘭山東坡的東部以及西坡的西南部等低海拔區(qū)域,但是研究區(qū)絕大多數(shù)區(qū)域植被單位面積固碳量與氣溫的相關(guān)性不顯著,呈現(xiàn)極顯著或顯著相關(guān)的區(qū)域僅占總面積的3.54%。賀蘭山地區(qū)植被單位面積固碳量與年降水量的相關(guān)系數(shù)均值為0.20,二者正相關(guān)。植被固碳量與年降水量呈正相關(guān)的面積高達(dá)98.10%,其中,極顯著與顯著正相關(guān)的面積又占所有正相關(guān)區(qū)域面積的92.67%,面積占比很小的呈負(fù)相關(guān)的地區(qū),主要分布在賀蘭山西坡中部以及北部的中海拔地帶。對于潛在蒸散發(fā),其與研究區(qū)植被單位面積固碳量的相關(guān)系數(shù)均值為0.03,整體呈現(xiàn)正相關(guān),其中固碳量與潛在蒸散發(fā)為正相關(guān)的面積為77.37%,遠(yuǎn)大于負(fù)相關(guān)區(qū)域面積,但呈極顯著或顯著相關(guān)的區(qū)域面積小,基本分布于西坡中部地區(qū),大部分區(qū)域固碳量與潛在蒸散的相關(guān)性不顯著。

圖7 賀蘭山東西坡植被固碳量與氣溫、降水及潛在蒸散發(fā)的相關(guān)性Fig.7 Correlation between vegetation carbon sequestration and temperature, precipitation and potential evapotranspiration on the eastern and western slopes of Helan Mountain

3.5 土地利用變化對植被固碳功能的影響

土地利用變化是人類活動作用于自然的主要表現(xiàn)形式之一,對植被生長產(chǎn)生直接或間接影響。高生產(chǎn)力用地類型與低生產(chǎn)力用地類型間的相互轉(zhuǎn)換導(dǎo)致NPP增加或虧損,進(jìn)而影響植被固碳量的積累與植被固碳功能的改善或退化[28]。

結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析賀蘭山地區(qū)2000-2020年土地利用及變化情況(表4),發(fā)現(xiàn)賀蘭山地區(qū)土地利用整體以未利用地、草地和林地為主,分別占總面積的54.60%、29.47%和10.66%,其余三類用地僅占總面積的5.27%。2000-2020年賀蘭山地區(qū)土地利用變化較為顯著,東坡土地利用變化面積494 km2,占東坡面積的15.21%,西坡變化面積為469 km2,占比11.50%。21年間,研究區(qū)主要的地類轉(zhuǎn)換發(fā)生在草地與林地,以及草地與未利用地之間。草地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出量均較大,整體表現(xiàn)為東坡減幅5.59%,西坡減幅9.70%,轉(zhuǎn)出中主要轉(zhuǎn)向林地及未利用地;林地面積的整體增加中由草地轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)占比高達(dá)85.92%(東西坡分別為93.70%、73.42%);未利用地整體減少,轉(zhuǎn)為草地的面積為整體轉(zhuǎn)出面積的一半;建設(shè)面積的增加除開發(fā)大量未利用地外,占用草地也是使其激增的主要方式。由固碳量變化矩陣可以看出由地類轉(zhuǎn)換引起的植被固碳量損益(表5),2020年植被固碳總量相較于2000年增加,大部分土地利用類型的轉(zhuǎn)換對植被固碳功能有促進(jìn)作用,一般來說高生產(chǎn)力用地類型向低生產(chǎn)力類型轉(zhuǎn)化會引起固碳損失,反之則增加。對于賀蘭山東坡,21年間地類轉(zhuǎn)換使東坡植被固碳量增加13.9505 G gC,其中草地轉(zhuǎn)林地引起固碳量變化最大,增加固碳量6.2851 G gC,此外,林地轉(zhuǎn)草地(5.2144 G gC)、未利用地轉(zhuǎn)草地(0.5788 G gC)、水域轉(zhuǎn)草地(0.5308 G gC)等地類轉(zhuǎn)換也使植被固碳量有不同程度的升高,而草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、未利用地等,固碳值變化為負(fù);賀蘭山西坡固碳量增長排列為:草地轉(zhuǎn)林地(2.9311 G gC)> 林地轉(zhuǎn)草地(2.4716 G gC)>林地轉(zhuǎn)未利用地(1.1332 G gC)>未利用地轉(zhuǎn)林地(1.0289 G gC),固碳量減少程度排序:草地轉(zhuǎn)建設(shè)用地(-0.8479 G gC)>草地轉(zhuǎn)未利用地(-0.5087 G gC)>草地轉(zhuǎn)水域(-0.2548 G gC),固碳總量凈增6.2684 G gC。綜合來看,土地利用變化引起的東坡固碳凈增量大于西坡,以林地和草地間的相互轉(zhuǎn)換為主導(dǎo),西坡除林草地互轉(zhuǎn)外,向未利用地的轉(zhuǎn)換也是造成固碳量波動的重要原因。

表4 2000-2020年賀蘭山東西坡土地利用轉(zhuǎn)移矩陣/km2Table 4 Land use transfer matrix of East and west slopes of Helan Mountain from 2000 to 2020

表5 2000-2020年賀蘭山東西坡土地利用轉(zhuǎn)移下固碳量變化矩陣/(10-2 G gC)Table 5 Change matrix of carbon sequestration under land use transfer on East and west slopes of Helan Mountain from 2000 to 2020

4 討論

4.1 模型及數(shù)據(jù)適用性分析

CASA模型是模擬植物生理過程的機理模型,具有輸入?yún)?shù)較少、數(shù)據(jù)可獲取性強以及誤差小等優(yōu)點[29-30],最早被用于北美地區(qū)植被生產(chǎn)力的估測。由于地區(qū)間環(huán)境條件差異巨大,國內(nèi)使用該模型需要進(jìn)行模型參數(shù)本土化,本研究基于朱文泉等改進(jìn)的CASA模型進(jìn)行植被NPP估算,該模型在國內(nèi)的適用性已得到賈俊鶴[31]、董丹[32]、程春曉[33]等學(xué)者驗證,為探討估算結(jié)果在賀蘭山地區(qū)進(jìn)一步分析的可靠性,本研究已在精度驗證部分采取相對驗證法對估算結(jié)果進(jìn)行評定,對比顯示本研究估算結(jié)果具有適用性,但還存在一定誤差。與MOD17A3產(chǎn)品數(shù)據(jù)比較,本研究值略高,可能是因為MOD17A3數(shù)據(jù)存在低值高估、高值低估的現(xiàn)象[34]。此外,模擬值與前人研究結(jié)果具有一定偏差,考慮原因為研究區(qū)域不完全重疊,且賀蘭山多覆蓋高生產(chǎn)力植被類型,其固碳功能更強,并且結(jié)果相異也與模型選取有關(guān),CASA光能利用率模型綜合考慮水、熱、營養(yǎng)物質(zhì)等因素影響,GLO-PEM模型則包含多種非氣候因素,輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量及處理過程、模型參數(shù)的設(shè)定、研究區(qū)范圍等因素都會對估算結(jié)果產(chǎn)生影響,李麗等[35]研究發(fā)現(xiàn)相較于GLO-PEM模型,CASA模型對于干旱荒漠地區(qū)植被具有更高的擬合程度,估算結(jié)果更優(yōu)。

4.2 植被固碳功能的驅(qū)動因子

本研究選擇賀蘭山地區(qū)為研究對象,計算發(fā)現(xiàn)21年間研究區(qū)植被固碳量整體增加,植被固碳功能持續(xù)提升,其中東坡增幅較西坡而言更加明顯,主要是由于地理位置、地形以及人類活動通過重分配水分、熱量、土壤等自然因素影響研究區(qū)植被生長,形成植被固碳功能的時空分異。地形因子對植被固碳功能的影響表現(xiàn)為:隨海拔升高,東西坡單位面積植被固碳量與植被固碳總量增減趨勢保持一致,為先增后降,但轉(zhuǎn)折點海拔不同;坡度坡向?qū)χ脖还烫寄芰Φ挠绊憚t顯示出東西差異,東坡固碳量主要貢獻(xiàn)者為坡度大于15°區(qū)域及半陰坡,西坡主要為緩坡、急坡和半陽坡。賀蘭山近南北走向,山體高聳起遮擋作用,使東西坡形成熱量差、水分差,在此基礎(chǔ)上,坡度對水分進(jìn)行再分配,已有研究表明,坡度﹤15°時,隨坡度增加土壤含水量也增加,坡度>15°時,坡度增加土壤含水量卻減少[36-37],土壤水分直接影響植被光合、呼吸作用的動態(tài)變化,為植被生長提供可直接利用的水資源[38],此外,坡度也是決定坡面侵蝕強度的關(guān)鍵因子[39],坡度過大所造成的水土流失將對植被生長造成負(fù)面影響;坡向則影響熱量,不同坡向植被接收的太陽輻射總量具有差異,盛行風(fēng)與地面交角也不相同[40],各因素共同作用于植被生境進(jìn)而影響植被生產(chǎn)及固碳功能。就氣象因子而言,氣溫、降水的增加與潛在蒸散發(fā)的微弱波動對植被生長有一定促進(jìn)作用,但過多或過少又會抑制植被生長及固碳總量的積累,例如溫度升高的同時植被呼吸及蒸騰作用也會加強,最終導(dǎo)致地表干旱影響植物的生長發(fā)育[4]。有氣象資料顯示,2004年9月至2005年11月,寧夏發(fā)生歷史性干旱災(zāi)害[41],大部分區(qū)域年累計降水不足200 mm,導(dǎo)致2005年成為研究時段內(nèi)單位面積固碳量最小年份;2020年,研究區(qū)附近氣象站點多次監(jiān)測到極端降水,該年總降水量也為研究時段內(nèi)最大值,導(dǎo)致同年植被固碳量顯著增大,表明降水為研究區(qū)植被固碳量變化的主要驅(qū)動因子,顯著影響植被固碳功能。土地利用變化多受自然演替與人類活動共同作用,過去21年間,研究區(qū)土地利用變化使植被固碳量共增加20.2189 G gC,地類轉(zhuǎn)換以草地與林地以及未利用地之間的相互轉(zhuǎn)換為主,而大部分地類轉(zhuǎn)換對植被固碳功能有促進(jìn)作用,但因為研究區(qū)地處自然保護(hù)區(qū)內(nèi),人類活動相對較弱,變化區(qū)域面積小,因此整體對固碳量的增加影響較小。

4.3 基于植被固碳功能驅(qū)動因子的生態(tài)優(yōu)化策略

本研究所考慮的海拔、坡度、坡向、氣溫、降水以及潛在蒸散發(fā)因子均為研究區(qū)植被生長的客觀條件,其中地形因子在自然條件下的更迭,是基于地殼運動所導(dǎo)致的地質(zhì)構(gòu)造變化,周期極長,以百萬年為單位;而區(qū)域氣候在全球變暖的基礎(chǔ)上,受海陸位置、海拔、緯度等宏觀因素影響,表現(xiàn)出一定的客觀趨勢。相對而言,人類活動主觀性強,更為靈活,可在較短時間內(nèi)達(dá)到改變自然條件的目的,因此,可通過人類活動干預(yù),加強植被管理,促進(jìn)其生長,以增強植被的固碳能力。上世紀(jì)80年代國務(wù)院批準(zhǔn)設(shè)立寧夏賀蘭山國家自然保護(hù)區(qū),以保證其生態(tài)恢復(fù)并抵擋人類活動侵?jǐn)_,近年來,寧夏政府陸續(xù)發(fā)起 “賀蘭山生態(tài)保衛(wèi)戰(zhàn)”、建設(shè)賀蘭山東麓山水林田湖草生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程試點項目等,通過封堵礦洞、拆除建筑、退牧還草、退耕還林等手段逐步加強賀蘭山生態(tài)保護(hù)力度,改善植被生境,從而提升植被固碳功能[42]。賀蘭山是橫亙我國北方干旱地理帶的一片綠洲,該地區(qū)土地以未利用地、草地、林地為主,后續(xù)應(yīng)持續(xù)促進(jìn)未利用地向草地、林地的轉(zhuǎn)換。有研究表明,圍欄封育、人工種草、墾后棄耕使草地植被自然恢復(fù)等措施可促進(jìn)草地碳庫的積累[43]。另外,研究區(qū)林地以針葉林、灌叢為主,固碳能力十分可觀,故需進(jìn)一步加大林地保護(hù)力度,繼續(xù)建設(shè)生態(tài)防護(hù)林、經(jīng)濟林、景觀林等,通過一系列生態(tài)保護(hù)政策的實施,調(diào)整植被產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),優(yōu)化生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略,提升植被固碳功能,從而更好的實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

5 結(jié)論

本研究基于CASA模型估算了賀蘭山2000-2020年植被NPP及固碳量,結(jié)合地形因子分析了固碳量的空間分異特征,并結(jié)合氣候因子和土地利用對該區(qū)域植被固碳功能的影響進(jìn)行了探究。主要結(jié)論如下:

(1)賀蘭山2000-2020年植被固碳量多年平均值為66.99 gC m-2a-1,在年際間呈現(xiàn)明顯增加趨勢,年際增長速率2.99 gC m-2a-1,空間上呈現(xiàn)四周低中間高、西部低東部高、南部低北部高的分布特征。植被單位面積固碳量變化速率介于0-5 gC m-2a-1之間,未來趨勢以增長為主,植被固碳功能將進(jìn)一步提升。

(2)植被固碳量隨海拔升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢,東西坡差異明顯,隨著坡度的增加,東西坡植被單位面積固碳量增加,對東坡植被固碳貢獻(xiàn)較大的區(qū)域為坡度大于15°區(qū)域及坡向為半陰坡的區(qū)域,西坡則主要為緩坡、急坡和半陽坡區(qū)域。

(3)21年來賀蘭山地區(qū)氣候呈暖濕化趨勢,植被固碳量與降水呈顯著正相關(guān),與潛在蒸散發(fā)微弱正相關(guān),與氣溫負(fù)相關(guān),其中降水為主要驅(qū)動因子。研究區(qū)地類轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在草地與林地之間,土地利用類型的轉(zhuǎn)換使東坡的植被固碳量增加13.9505 G gC,西坡增加6.2684 G gC。