溫宥越,孫 強(qiáng),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(xué)研究所,廣州 510535

2 國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境模擬與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510535

3 北京大學(xué),北京 100084

陸地生態(tài)系統(tǒng)所提供的固碳釋氧服務(wù)是人類生存與現(xiàn)代文明得以維系和發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2],它是指陸地生態(tài)系統(tǒng)中的綠色植被通過(guò)光合作用吸收空氣中的CO2,生成葡萄糖等有機(jī)物質(zhì)并釋放出O2)的過(guò)程,它屬于陸地生態(tài)系統(tǒng)的氣體調(diào)節(jié)服務(wù)功能,在改善全球生態(tài)環(huán)境和維持氣候平衡過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用[1,3]。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入,CO2等溫室氣體人為排放量劇增導(dǎo)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(jìn)程成為國(guó)內(nèi)外研究焦點(diǎn)。目前,我國(guó)正處于工業(yè)化和城市化加速發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)勢(shì)必帶來(lái)高能源消耗及對(duì)應(yīng)CO2排放量增加,在這背景下對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,并加強(qiáng)其作為減緩全球變暖的重點(diǎn)是非常必要的。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者就陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務(wù)做了大量的研究,例如,學(xué)者對(duì)固碳釋氧服務(wù)的獲取方法進(jìn)行了充分的應(yīng)用和對(duì)比[1-2,4- 6],應(yīng)用這些方法學(xué)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(wù)的時(shí)空特性及其影響因素[5,7- 9],并對(duì)特定類型生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務(wù)及其變化進(jìn)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(wù),如Ducat D.C 總結(jié)提出合成生物學(xué)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(diào)整植被中央代謝過(guò)程可增強(qiáng)其固碳能力[16],當(dāng)然,適當(dāng)?shù)娜藶楦深A(yù)也是有效的途徑,例如,植樹(shù)造林[17]、退耕還林[18-19]、林分結(jié)構(gòu)的改善[20-21]等。此外,隨著遙感技術(shù)的日益精進(jìn),近年來(lái)有越來(lái)越多的研究利用遙感手段來(lái)輔助估計(jì)區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧服務(wù)[5- 9,11],該方法通常是通過(guò)遙感數(shù)據(jù)估算植被凈初級(jí)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(wù)與市場(chǎng)價(jià)值體系之間的關(guān)系計(jì)算固碳釋氧服務(wù)[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(duì)固碳釋氧服務(wù)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(jié)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(jié)果及差異,并最終獲得固碳釋氧固碳釋氧服務(wù)變化。但由于外界環(huán)境條件不一致,通過(guò)對(duì)比不同年份的數(shù)據(jù)而獲得的固碳釋氧服務(wù)差異,實(shí)際上是綜合了所有影響因素(如氣候變化、人類活動(dòng)、生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)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(duì)固碳釋氧服務(wù)的影響作用仍是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。Imhoff等[23]提出“鄰域代理法”通過(guò)搜尋某城市擴(kuò)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(kuò)張象元城市擴(kuò)張前的植被NPP,從而獲得了美國(guó)1992—1993年城市擴(kuò)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(jìn)一步驗(yàn)證[22,24]。但這些研究只是將“鄰域代理法”運(yùn)用在城市擴(kuò)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(duì)固碳釋氧服務(wù)的影響作用。

粵港澳大灣區(qū)(以下簡(jiǎn)稱大灣區(qū),Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area,GBA)是我國(guó)開(kāi)放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一,在國(guó)家發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。近年來(lái),受氣候變化及人類活動(dòng)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(zāi)害、臺(tái)風(fēng)等極端天氣的重要影響[25]。研究表明,2000 年以來(lái)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(zhì)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(lái)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(jì)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(wú)疑將更加快速,因此,未來(lái)大灣區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)將面臨深入且復(fù)雜的變化,這將給其所提供的固碳釋氧服務(wù)帶來(lái)更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。但目前,關(guān)于大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)的研究還相對(duì)較少,迫切需要通過(guò)定量的方法科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)研究區(qū)的固碳釋氧服務(wù),并揭示不同陸地生態(tài)系統(tǒng)演變影響固碳釋氧服務(wù)的規(guī)律和機(jī)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(jià)值,并運(yùn)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(duì)固碳釋氧量和價(jià)值的影響。本研究旨在為當(dāng)?shù)卣ㄔO(shè)美麗灣區(qū),增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性,提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展等提供科學(xué)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(guó)香港、澳門兩個(gè)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(guó)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(fù)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(shì)。大灣區(qū)屬南亞熱帶季風(fēng)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(duì)濕度 71.0%—79.0%,區(qū)域內(nèi)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(lái)源及處理

本文所利用的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)是來(lái)自MODIS衛(wèi)星的2015年MOD13Q1產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集的時(shí)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(yáng)輻射量,下載于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),本文將這些基于站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)自于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(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(jìn)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(jì)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(wù)包括估計(jì)固碳釋氧量及其價(jià)值兩部分內(nèi)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(zhì)量(簡(jiǎn)稱固碳量和釋氧量)的總和,而固碳釋氧價(jià)值指固定碳元素和釋放氧氣的生態(tài)服務(wù)價(jià)值(簡(jiǎn)稱固碳價(jià)值和釋氧價(jià)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(jī)物質(zhì)與其吸收CO2和釋放O2之間的關(guān)系,計(jì)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(jī)物質(zhì)價(jià)值的思想,進(jìn)一步獲得陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳和釋氧價(jià)值[5-6,12]。

1.3.1CASA模型簡(jiǎn)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(diào)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(diǎn)資料的條件束縛,實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地估測(cè)植被NPP[34-35]。CASA模型基本思想是認(rèn)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(yáng)總輻射和植被對(duì)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(yáng)輻射量(MJ/m2)；FPAR指植被冠層對(duì)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(yáng)有效輻射(波長(zhǎng)為0.4—0.7um)占太陽(yáng)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(lái)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(guān)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(guān)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(jì)算細(xì)節(jié)請(qǐng)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(jì)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(duì)應(yīng)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(jià)值的計(jì)算

本文采用國(guó)際上通用的瑞典碳稅法來(lái)估計(jì)固碳價(jià)值[39-40]。該法規(guī)定的碳稅率為150美元/t(碳),結(jié)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(jià)值。

VC=WC×934.26×10-6

(7)

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

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

VO=WO×400×10-6

(8)

式中,VO表示釋氧價(jià)值(元/m2),400是指工業(yè)制氧成本(元/t),10-6t與g之間的轉(zhuǎn)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(dǎo)致固碳釋氧量及其價(jià)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(guò)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(duì)比Pre_NPP和Post_NPP的差異,最后運(yùn)用公式4—8就可以獲得固碳釋氧量的變化及對(duì)應(yīng)價(jià)值的變化。

本文利用“鄰域代理法”來(lái)獲得Pre_NPP。該方法基于地理學(xué)第一定律,認(rèn)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(zhuǎn)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(guò)傾占其他不同類型生態(tài)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此,在具體運(yùn)算時(shí)需要區(qū)分不同的用地類型。假設(shè)城市象元A是通過(guò)傾占農(nóng)田實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張,那么就通過(guò)象元A外圍30 km半徑范圍內(nèi)所有農(nóng)田象元(圖2中紅色邊框部分)的平均NPP(Post_NPP)來(lái)替換該城市象元的NPP(Post_NPP),從而獲得城市擴(kuò)張前A象元的植被NPP(Pre_NPP)[22-23]。通過(guò)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(guò)這種方法來(lái)獲取Pre_NPP還可以避免額外計(jì)算其他時(shí)期植被NPP的麻煩。

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

2 結(jié)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(gè)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(gè)地級(jí)市,以肇慶市最多,接著分別是惠州市、江門市和廣州市,構(gòu)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(gè)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(duì)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(kuò)張態(tài)勢(shì),15年間共擴(kuò)張約4091.64 km2,擴(kuò)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(kuò)張面積來(lái)自侵占農(nóng)田,此外,草地和濕地的主要轉(zhuǎn)出對(duì)象為城市,說(shuō)明人類建設(shè)活動(dòng)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(dāng)?shù)貙?shí)行占用耕地補(bǔ)償制度導(dǎo)致的結(jié)果[43]。最后,裸地和水體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)出對(duì)象是城市,這可能是為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要,緩解工業(yè)用地和城市建設(shè)用地的供需矛盾,大灣區(qū)相繼實(shí)施大規(guī)模填海工程帶來(lái)的結(jié)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(gè)地級(jí)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(gè)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?yàn)橄愀厶貏e行政區(qū)市轄陸地范圍相對(duì)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?yàn)橄愀厶貏e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(jiàn),一個(gè)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(wù)情況對(duì)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(dǎo)致的固碳釋氧量變化情況

根據(jù)表3的結(jié)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)?2000—2015年珠海市森林生態(tài)系統(tǒng)固碳量和釋氧量?jī)粼隽?.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(duì)于香港特別行政區(qū),雖然城市擴(kuò)張導(dǎo)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(kuò)張導(dǎo)致的固碳量和釋氧量的損失值。由此可見(jiàn),陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧量的變化情況與其內(nèi)部演變類型有密切關(guān)系[45,46],當(dāng)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(shí),其固碳釋氧量會(huì)減少,反之當(dāng)某陸地生態(tài)系統(tǒng)變化主要以轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高固碳釋氧量的生態(tài)系統(tǒng)時(shí),其固碳釋氧量會(huì)增加。

2.3 固碳釋氧價(jià)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(jià)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(jià)值最高(圖6)約分別占研究區(qū)固碳釋氧總價(jià)值的31.83%、23.09%、17.12%和12.67%。佛山市的固碳價(jià)值(13.43億元)和釋氧價(jià)值(15.55億元)約是廣州市的三分之一,深圳市的固碳釋氧價(jià)值與東莞市的相當(dāng),中山市和珠海市的固碳釋氧價(jià)值較為接近,約為香港特別行政區(qū)的固碳和釋氧價(jià)值的兩倍,而澳門特別行政區(qū)的固碳和釋氧價(jià)值貢獻(xiàn)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?cè)斐晒烫己歪屟鮾r(jià)值分別約損失了1.79億元和2.06億元(表3),合計(jì)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(jià)值出現(xiàn)凈增加外,其余行政區(qū)的固碳釋氧價(jià)值均為凈負(fù)增長(zhǎng),其中,東莞市、惠州市和佛山市固碳釋氧價(jià)值損失量最大,約是整個(gè)研究區(qū)固碳釋氧價(jià)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(wù)價(jià)值的總體趨勢(shì)基本一致,由此可見(jiàn)陸地生態(tài)系統(tǒng)演變對(duì)固碳釋氧服務(wù)具有重要且復(fù)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(jià)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(jià)值變化情況圖是指由2000—2015年陸地生態(tài)系統(tǒng)演變導(dǎo)致的固碳釋氧價(jià)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(jià)值差異較大(圖7),且呈現(xiàn)兩極分化的特點(diǎn),絕大部分(91.03%)集中于森林和農(nóng)田這兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[41],其中,森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳和釋氧價(jià)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(jià)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(jià)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(duì)固碳釋氧價(jià)值產(chǎn)生了重要影響,其中森林的固碳釋氧價(jià)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)槌＞G闊葉林帶來(lái)固碳釋氧價(jià)值增加2.85億元,農(nóng)田和常綠針葉林轉(zhuǎn)變?yōu)槌砻苤脖粠?lái)固碳釋氧價(jià)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(jià)值均帶來(lái)了損失,其中,城市擴(kuò)張帶來(lái)較大的固碳和釋氧價(jià)值損失,分別高達(dá)約2.13億元和2.47億元(圖7),其他生態(tài)系統(tǒng)的變化導(dǎo)致的固碳和釋氧價(jià)值損失總量合約為0.20億元和0.23億元。由于可見(jiàn),城市擴(kuò)張是大灣區(qū)固碳釋氧服務(wù)損失的主要驅(qū)動(dòng)因素,因此,必需合理控制城市擴(kuò)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(jià)值及其變化情況對(duì)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(jià)值與生態(tài)系統(tǒng)類型的關(guān)系

為進(jìn)一步探討大灣區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)演變對(duì)其固碳釋氧價(jià)值的影響,本文基于11個(gè)行政區(qū)將它們2015年總固碳釋氧價(jià)值和各陸地生態(tài)系統(tǒng)類型所占比重做相關(guān)分析[47]。結(jié)果表明(表4),城市生態(tài)系統(tǒng)與固碳釋氧價(jià)值的相關(guān)性最高,且呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系,而森林呈強(qiáng)正相關(guān),表明城市和森林的比重對(duì)本研究區(qū)的固碳釋氧價(jià)值影響顯著,且城市擴(kuò)張將顯著減少研究區(qū)的固碳釋氧價(jià)值,而森林比重上升將有利于研究區(qū)固碳釋氧價(jià)值的增加,這表明大灣區(qū)應(yīng)該重視森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)并合理控制城市的擴(kuò)張,這與前人的研究結(jié)論是相符的[47]。裸地與水體和草地也呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,這可能是由于這些生態(tài)系統(tǒng)在研究區(qū)內(nèi)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(kuò)張將導(dǎo)致大灣區(qū)整體固碳釋氧價(jià)值降低。最后,農(nóng)田和濕地與研究區(qū)固碳釋氧價(jià)值的相關(guān)性并不強(qiáng)。

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

3 結(jié)論

本文利用“鄰域代理法”獲得了陸地生態(tài)系統(tǒng)演變導(dǎo)致的固碳釋氧量和價(jià)值變化,避免了前人研究需要計(jì)算不同時(shí)期陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量和價(jià)值數(shù)據(jù)的麻煩,且解決了因外界因素不一致導(dǎo)致的不同時(shí)期數(shù)據(jù)不可對(duì)比的問(wèn)題,研究思路具有一定的推廣價(jià)值。本文的主要結(jié)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(jià)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(kuò)張明顯,導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)顯著減少,且由于城市大量擴(kuò)張使得大灣區(qū)固碳量和釋氧量及其價(jià)值總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。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(jià)值呈現(xiàn)強(qiáng)負(fù)相關(guān),其擴(kuò)張會(huì)促使研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價(jià)值逐漸減少,林地覆蓋面積與固碳釋氧價(jià)值呈現(xiàn)強(qiáng)正相關(guān),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(jià)值的培育。

基于本文的研究,建議在今后社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,大灣區(qū)應(yīng)當(dāng)優(yōu)化調(diào)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(kuò)張態(tài)勢(shì),并重視保護(hù)森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),減少人類活動(dòng)在生態(tài)系統(tǒng)演變中的作用,保護(hù)并增強(qiáng)自然演變過(guò)程,增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提升生態(tài)系統(tǒng)安全性,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展。