劉 鳳,曾永年

1 中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心,長沙 410083 2 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院,長沙 410083

碳循環(huán)能夠綜合地反映生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)及人類活動的影響[1- 3],因而成為全球氣候變化研究的重要內(nèi)容之一[4- 6],也是近年來全球碳計劃、全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)計劃等一系列國際全球變化研究核心計劃的焦點內(nèi)容。陸地植被碳循環(huán)是碳循環(huán)的重要組成部分,目前陸地植被碳循環(huán)的相關(guān)研究從對GPP(植被總生產(chǎn)力,Gross Primary Productivity)、NPP(植被凈初級生產(chǎn)力, Net Primary Productivity)的研究,進一步發(fā)展到對NEP(植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力, Net Ecosystem Productivity)的估算、區(qū)域碳收支的確定、碳源/匯的估算以及定量的評估氣候因素變化、人類活動對植被碳儲量的影響[7- 9]。NEP表示NPP與RH(土壤異養(yǎng)呼吸, Heterotrophic Respiration)之間的差值,是植被生態(tài)系統(tǒng)碳的凈吸收或凈儲存,可以定量描述植被生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的能力。當(dāng)NEP>0時,表示生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮碳匯功能,反之則為碳源[10- 11]。因此,NEP作為表征植被活動的關(guān)鍵參量,對其準(zhǔn)確估算不僅有助于衡量植被生態(tài)系統(tǒng)健康程度,更有助于定量分析區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)的固碳狀況與潛力。

青海高原平均海拔在3000 m以上,是全球海拔最高的獨特自然地理單元——青藏高原的重要組成部分,是我國以及南亞、東南亞地區(qū)的“江河源”、“生態(tài)源”,是區(qū)域乃至全球氣候變化的“啟動器”和“調(diào)節(jié)器”,也是我國和全球生物多樣性保護地和生態(tài)安全屏障[12]。因此,青海高原植被碳源/匯時空格局及變化的研究,對深刻認識和理解青海高原植被生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能及對全球變化的響應(yīng)與影響具有重要的科學(xué)意義,對青海高原植被生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的合理調(diào)控和生態(tài)保護工程的實施具有重要的科學(xué)參考價值。目前,已有較多的研究對青海高原相關(guān)地區(qū)植被覆蓋度變化及植被NPP進行了分析[13- 16],對我國、青藏高原、三江源的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支進行了分析[17-22]。然而,目前對青海高原植被NEP及其碳源/匯時空格局研究的尺度尚不夠精細,研究的時間序列有限從而影響到全面、精細地認識青海高原植被碳源/匯的時空分布差異及其影響因素。因此,采用適用于青海高原的NEP估算模型,利用較高時空分辨率的MODIS數(shù)據(jù),定量估算并分析青海高原植被碳源/匯的時空格局及變化具有重要的理論與實踐意義。

本研究利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù),采用改進的CASA模型(基于過程的遙感模型,Carnegie Ames Stanford Approach Model)、土壤呼吸模型,估算青海高原不同生態(tài)區(qū)植被NEP,分析NEP的時空分布格局與變化,探討不同生態(tài)區(qū)碳源/匯分布差異、年際變化及NEP對氣候因素變化的響應(yīng),以期深入揭示青海高原碳源/匯時空格局及其區(qū)域差異性。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

青海高原位居我國西部,青藏高原東北部,地處東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原區(qū)三大地理區(qū)域的交匯處,是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地[23]。地理位置介于東經(jīng)89°25′—103°04′,北緯31°40′—39°19′之間,土地總面積72.23萬km2,地勢西高東低,南北高中間低,平均海拔3000 m以上,地形復(fù)雜,地貌多樣。氣候?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?冬季漫長寒冷、夏季短暫涼爽[24],年降水量為15—750 mm,降水量時空分布不均,從西北到東南漸增。年均溫為-6—9℃,氣溫的垂直變化明顯。主要植被類型有常綠針葉林、落葉闊葉林、高寒灌叢、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原等,植被水平與垂直地帶性分異顯著。青海高原生態(tài)區(qū)包括5個一級生態(tài)分區(qū)和14個二級生態(tài)分區(qū)：I—1阿爾金山荒漠生態(tài)區(qū)；I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；II—1柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)；II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；III—1西祁連山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態(tài)區(qū)；III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態(tài)區(qū)；III—4湟水谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)；IV北羌塘高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；V—1長江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—3黃河源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—4共和盆地高寒草原生態(tài)區(qū)；V—5海東—甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)(圖1)。

圖1 青海高原生態(tài)區(qū)劃及DEM示意圖 Fig.1 Ecological regionalization and DEM schematic of Qinghai PlateauI—1阿爾金山荒漠生態(tài)區(qū)；I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；II—1柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū)；II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；III—1西祁連山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態(tài)區(qū)；III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態(tài)區(qū)；III—4湟水谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)；IV北羌塘高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)；V—1長江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—3黃河源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)；V—4共和盆地高寒草原生態(tài)區(qū)；V—5海東—甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。其中,遙感數(shù)據(jù)來源于NASA官網(wǎng)(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)提供的EOS/MODIS產(chǎn)品2000—2015年青海高原365期MOD13Q1—NDVI(歸一化差值植被指數(shù),Normalized Difference Vegetation Index)數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m×250 m,時間分辨率為16 d。采用MRT軟件與ArcGIS軟件,完成影像的拼接、裁剪、最大值合成等預(yù)處理,并對NDVI數(shù)據(jù)作濾波處理,剔除異常值,獲得2000—2015年研究區(qū)逐月NDVI序列數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://cdc.nmic.cn/)提供的2000—2015年青海高原及其周圍59個氣象站點的月總降水量、月平均氣溫觀測數(shù)據(jù),以及8個太陽輻射站點的月太陽總輻射量數(shù)據(jù)。為提高模型中氣象數(shù)據(jù)的精度,利用覆蓋研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)及經(jīng)緯度數(shù)據(jù),在SPSS和ArcGIS軟件中,采用多元線性回歸法[25]完成氣象數(shù)據(jù)的空間插值,該方法引入多個影響因子(如經(jīng)度、緯度、高程等)作為自變量,結(jié)合已知氣象站點觀測值,采用線性回歸的方法,最終獲得與NDVI數(shù)據(jù)一致空間分辨率、一致投影信息的氣象要素柵格數(shù)據(jù)集。

地形數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)；植被覆蓋數(shù)據(jù)來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.geodata.cn/)中,中國地區(qū)2005年1：25萬土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)集的分類精度為80%—90%,隨后為了分析不同植被類型NPP,依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)將青海高原主要植被類型合并為草地、森林、農(nóng)田,3個一級土地覆蓋類型。青海高原行政區(qū)劃數(shù)據(jù)源自國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。生態(tài)區(qū)邊界數(shù)據(jù)采用中國陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[26](http://www.ecosystem.csdb.cn/)中青海高原生態(tài)區(qū)劃數(shù)據(jù),并根據(jù)不同生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)類型、地理特征等自然條件,分為5個一級生態(tài)分區(qū)和14個二級生態(tài)分區(qū)。

2 模型與方法

2.1 NEP估算模型

植被NEP是衡量區(qū)域上植被碳源、碳匯的重要指標(biāo),在不考慮其他自然和人為因素的影響下,NEP等于植被NPP與土壤微生物呼吸消耗碳量的差值[27],計算公式如下：

NEP(x,t)=NPP(x,t)-RH(x,t)

(1)

式中,NEP(x,t)為像元x在第t月的植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,單位為gC/m2,NPP(x,t)為像元x在第t月的植被凈初級生產(chǎn)力(gC/m2),RH(x,t)表示像元x在第t月的土壤微生物呼吸量(gC/m2)。當(dāng)NEP>0,說明植被固定的碳多于土壤呼吸排放碳,植被固碳體現(xiàn)為碳匯作用,反之,則為碳源作用。

采用朱文泉等[28- 29]改進的CASA模型實現(xiàn)對青海高原2000—2015年植被NPP的估算,模型中通過植被吸收的光合有效輻射和光能利用率,兩個驅(qū)動因子計算NPP,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)表示像元x在t月的實際光能利用率(gC/MJ),公式中相關(guān)參數(shù)的計算參見文獻[28- 31]。

土壤異養(yǎng)呼吸消耗RH的估算,采用裴永志等[32]建立的模型,即：

RH(x,t)=0.22×(exp(0.0912T(x,t))+ln(0.3145R(x,t)+1))×30×46.5%

(3)

式中,T(x,t)表示像元x在第t月的平均氣溫(℃)；R(x,t)表示像元x在第t月的月平均降水量(mm)。

2.2 時空變化分析方法

2.2.1NEP年際變化率

采用一元線性回歸法分析植被NEP的年際波動規(guī)律與動態(tài)變化[33],計算研究區(qū)逐像元多年回歸趨勢線斜率,用于反映植被NEP年際變化率。計算公式如下：

(4)

式中,θslope表示趨勢斜率,n表示估算年數(shù),NEP表示第i年的植被NEP,利用NEP值與時間序列的相關(guān)關(guān)系表示NEP年際變化的顯著性,θslope>0表示增加,反之減少。

2.2.2變異系數(shù)(穩(wěn)定性分析)

2000—2015年青海高原植被NEP的穩(wěn)定性用基于像元的變異系數(shù)[34](式5)衡量,

(5)

2.2.3NEP與氣候因素相關(guān)性

采用基于像元的空間分析法,分析植被NEP與氣候因素(降水量、氣溫)的相關(guān)性,確定氣候因素與NEP的相關(guān)系數(shù)(式(6)),以及偏相關(guān)系數(shù)(式(7))。

(6)

式中,Rxy表示x、y變量間的相關(guān)關(guān)系；xi為第i年的NEP；yi表示第i年變量y的值；xp為多年NEP的平均值；yp為變量y多年平均值；n為樣本數(shù)。

(7)

式中,rxy,ryz,rxz分別表示變量x與y,y與z,及x與z的相關(guān)系數(shù),rxy·z指變量z固定后,變量x與y之間的偏相關(guān)系數(shù)。

采用T檢驗法[35]對各相關(guān)系數(shù)、偏相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗,顯著性水平取α=0.05。依據(jù)顯著性水平將各系數(shù)劃分為顯著正相關(guān)(R>0,P<0.05)、不顯著正相關(guān)(R>0,P≥0.05)、顯著負相關(guān)(R<0,P<0.05)和不顯著負相關(guān)(R<0,P≥0.05),并將研究區(qū)按不同顯著性水平劃分為4種不同的區(qū)域。

2.2.4精度評價

在分析研究區(qū)相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計野外站點植被NPP實測值、地上凈初級生產(chǎn)量、野外樣地生物量實測數(shù)據(jù)[36- 40]。為利用地上生物量實測數(shù)據(jù)獲得植被NPP值,首先,確定地上生物量與地下生物量的比率關(guān)系(即根冠比,R/S),本文選用的R/S為5.8[40],根據(jù)根冠比計算出相應(yīng)植被的地下生物量,并計算得到總生物量,再根據(jù)生物量與NPP的換算比率將生物量轉(zhuǎn)換成碳單位,本文采用0.45[41]的比率將生物量轉(zhuǎn)換成碳單位,得到統(tǒng)計NPP實測數(shù)據(jù)；其次,對于實測數(shù)據(jù)中有氣象站點位置信息的,提取對應(yīng)位置、時間的RH計算結(jié)果,對于僅有所在縣級單位的實測數(shù)據(jù),提取對應(yīng)年份、月份,同一縣級單元RH計算結(jié)果平均值。最后,利用NPP、RH值計算獲得NEP實測數(shù)據(jù),并采用與RH同樣的提取方式,提取本文模擬植被NEP值,利用SPSS軟件分析模擬植被NEP與實測植被NEP的相關(guān)性,并檢驗其顯著性。同時,整理統(tǒng)計其他研究模擬的NEP結(jié)果,提取與本研究對應(yīng)時間、相同植被類型的NEP值進行對比分析與評價分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 NEP估算精度評價

根據(jù)2000—2015年青海高原野外氣象站點植被NPP、植被凈初級生產(chǎn)量、植被地上生物量觀測數(shù)據(jù)換算獲得的植被NPP實測值,結(jié)合土壤呼吸消耗RH計算結(jié)果,獲得植被NEP實測數(shù)據(jù),再與本文估算植被NEP結(jié)果進行相關(guān)性分析、顯著性檢驗,結(jié)果表明(圖2),本文模擬植被NEP結(jié)果與統(tǒng)計實測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87(P<0.01,R2=0.759)(n=27),模擬值與實測值呈顯著相關(guān),說明模型估算植被NEP結(jié)果的可靠性。

圖2 植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)模擬值與實測值對比 Fig.2 Comparison of Net Ecosystem Productivity (NEP) simulated value and measured value

3.2 青海高原植被碳源/匯空間分布格局

2000—2015年,青海高原植被NEP空間分布格局呈東高西低、南高北低,由西北向東南逐步增加趨勢,青海高原不同生態(tài)區(qū)植被NEP空間分布及其特征,如圖3、圖4所示。

青海高原植被年NEP多年平均值為128.40 gC m-2a-1,年平均固碳量約為51.69 TgC/a。其中,碳匯區(qū)(NEP>0)面積約為39.56 萬km2,約占植被總面積的73.11%,年固碳量平均值為188.43 gC m-2a-1,年平均碳匯量約為59.1 TgC/a；碳源區(qū)(NEP<0)面積約為14.55萬km2,約占植被總面積的26.89%,年碳排放量平均值為-61.70 gC m-2a-1,年平均碳排放量為-7.39 TgC/a,年平均凈碳匯總量約為51.7 TgC/a(圖3)。

圖3 植被NEP平均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of vegetation NEP mean value

2000—2015年,青海高原植被累積NEP平均值為1101.92 gC/m2。其中,碳匯區(qū)平均累積NEP為3014.92 gC/m2,總固碳量約為0.946 PgC；碳源區(qū)平均累積NEP約為-987.13 gC/m2,總碳排放量為-0.119 PgC(圖4)。

圖4 植被NEP—16年總值空間分布Fig.4 Spatial distribution of 16 years′ total value of NEP

青海高原各生態(tài)區(qū)植被NEP及碳匯/源分布的空間格局特征如下：

I帕米爾—昆侖山—阿爾金山生態(tài)區(qū)

該生態(tài)區(qū),地處青海高原西北部,植被分布稀疏,區(qū)內(nèi)降水量稀少,氣溫偏高,土地沙漠化、荒漠化趨勢明顯,不利于植被NEP累積,多數(shù)區(qū)域土壤呼吸消耗碳大于植被NPP累積量。因此,該生態(tài)區(qū)整體上屬于青海高原植被NEP低值區(qū),16年累積固碳總量約為8.631 TgC,屬弱碳匯區(qū)。

I—1阿爾金山荒漠生態(tài)區(qū),該區(qū)地處柴達木盆地西北部,荒漠化嚴重,植被生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)為碳源。植被年NEP平均值為-5.31 gC m-2a-1,年固碳量約為-0.02 TgC；16年植被累積NEP平均值為-49.51 gC m-2,累積碳排放總量約為-0.329 TgC。

I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態(tài)區(qū),該區(qū)地處柴達木盆地南緣的高寒荒漠草原區(qū),整體以碳匯效應(yīng)為主,但固碳能力較弱。植被年NEP平均值僅8.73 gC m-2a-1,年固碳量為0.56 TgC；16年植被累積NEP平均值為139.65 gCm2,累積固碳總量約為8.96 TgC。

II柴達木盆地生態(tài)區(qū)

該生態(tài)區(qū)植被覆蓋稀少,土壤沙化、鹽漬化嚴重,氣候干燥少雨,屬青海高原植被NEP的低值區(qū),全區(qū)16年累積固碳總量為-40.37 TgC,屬碳源區(qū)。

II—1柴達木盆地荒漠生態(tài)區(qū),位于柴達木盆地中部,天然牧草地呈現(xiàn)不同程度的退化,土地沙漠化嚴重,屬碳源區(qū)。植被年NEP平均值為-20.57 gC m-2a-1,年累積固碳量為-2.77 TgC；16年累積植被NEP平均值為-329.20 gCm2,累積碳排放量約為-44.37 TgC。

II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態(tài)區(qū),地處柴達木盆地東北部,植被年NEP平均值為6.95 gC m-2a-1,年平均固碳量為0.25 TgC/a；16年累積植被NEP平均值為111.09 gCm2,累積固碳總量約為4.003 TgC,屬弱碳匯區(qū)。

III祁連山生態(tài)區(qū)

該生態(tài)區(qū)屬青海高原草地、荒漠草原的重要分布區(qū)之一,分布有豐富的森林、草地資源,區(qū)內(nèi)水熱條件耦合作用良好[42],年植被NEP平均值在36.52—232.17 gC m-2a-1之間,16年累積固碳總量為0.198 PgC,植被NEP較高,以碳匯作用為主。

III—1西祁連山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū),位于祁連山地西北部,該區(qū)草地和森林資源較為豐富,草地有輕微退化現(xiàn)象,植被年NEP平均值為36.52 gC m-2a-1,年平均固碳量為 0.576 TgC；16年累積植被NEP平均值為584.30 gCm2,累積固碳總量約為9.275 TgC。

III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態(tài)區(qū),地處祁連山地東部,林草資源豐富,植被NEP年平均值為185.31 gC m-2a-1,年固碳量為3.85 TgC；16年累積植被NEP平均值為2964.25 gCm2,累積固碳總量約為61.58 TgC,該區(qū)為青海高原的碳匯區(qū)。

III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態(tài)區(qū),草地、沼澤濕地、森林資源富足,水熱組合條件良好,植被年NEP平均值為118.40 gC m-2a-1,年平均固碳量為3.83 TgC,16年累積植被NEP平均值為1893.5 gCm2,累積固碳總量約為61.30 TgC。

III—4湟水谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū),位于青海高原東部,地處河湟谷地,是青海高原重要的耕地分布區(qū),氣候條件溫暖濕潤,有利于植被生長,植被年NEP平均值為232.17 gC m-2a-1,年平均固碳量為4.13 TgC,16年累積植被NEP平均值為3711.79 gCm2,累積固碳總量約為66.08 TgC。

IV 北羌塘高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)

該生態(tài)區(qū)地處青南高原西北部,地勢偏高,牧草稀疏,降水少、氣溫低,氣候條件惡劣,碳匯能力有限,屬于弱碳匯區(qū)。年植被NEP平均值為25.93 gC m-2a-1,年平均固碳量為1.07 TgC,16年累積植被NEP平均值為414.71 gCm2,累積固碳總量約為17.117 TgC。

V江河源生態(tài)區(qū)

該生態(tài)區(qū)年植被NEP平均值在32.21—167.61 gC m-2a-1,多年累積固碳總量為0.669 PgC, 是青海高原主要的碳匯區(qū)。區(qū)內(nèi)不同生態(tài)子區(qū)之間固碳量差異與區(qū)域植被分布差異及水熱耦合作用相異有關(guān)。

V—1長江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū),地處三江源西部與南部,該區(qū)降水量偏少,氣溫偏低,植被NEP由西北向東南漸增,碳匯作用逐步增強。植被年NEP平均值為99.72 gC m-2a-1,年平均固碳量約為16.26 TgC,16年累積植被NEP平均值為1593.79 gCm2,累積固碳總量約為260.16 TgC。

V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態(tài)區(qū),植被以高寒草甸草原為主,區(qū)內(nèi)水熱組合條件良好,草地資源豐富,植被NEP較高,植被年NEP平均值為159.34 gC m-2a-1,年總固碳量為6.07 TgC；16年累積植被NEP平均值為2544.34 gCm2,累積固碳總量約為97.12 TgC。

V—3黃河源高寒草甸草原生態(tài)區(qū),位于三江源東部,該區(qū)植被覆蓋類型以草地為主[42-43],低、中等覆蓋度草地占絕對優(yōu)勢,降水充足、氣溫適宜,水熱耦合作用良好,植被年NEP平均值為167.61 gC m-2a-1,年平均固碳量為16.39 TgC,16年累積植被NEP平均值為2679.78 gCm2,累積固碳總量約為262.24 TgC,該區(qū)NEP較高,植被固碳能力強。

V—4共和盆地高寒草原生態(tài)區(qū),植被NEP自北向南逐步增加,年NEP平均值為32.21 gC m-2a-1,年平均固碳量為0.54 TgC,16年累積植被NEP平均值為515.16 gC/m2,累積固碳總量約為8.64 TgC。

V—5海東—甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū),降水量充沛,氣溫適宜,植被年NEP平均值為158.71 gC m-2a-1,年平均固碳量為2.54 TgC,16年累積植被NEP平均值為2537.51 gC/m2,累積固碳總量約為40.64 TgC。

3.3 青海高原植被碳源/匯時空變化特點

3.3.1植被碳源/匯年際變化特點

2000—2015年,青海高原年植被NEP分布在-3.2—64.42 TgC,植被碳循環(huán)總體以碳匯為主。2000—2015年植被NEP總值年際變化率為1.06 TgC/a,植被固碳總值逐年增加,呈平穩(wěn)上升趨勢(圖5)。

圖5 2000—2015年青海高原年NEP總值年際變化 Fig.5 Inter-annual variation of the annual NEP value of Qinghai Plateau from 2000 to 2015

依據(jù)植被年NEP總值變化趨勢將2000—2015年劃分為以下幾個階段：2000年,研究區(qū)植被覆蓋度低,氣候干燥少雨,植被總體固碳量較少,土壤呼吸排放碳量大于植被固定碳量,植被起碳源作用,總固碳量為-3.2 TgC；2001年,青海高原降水量增加、氣溫升高,氣候條件的改善使植被固碳量增加,去除土壤呼吸消耗碳,植被發(fā)揮碳匯作用；2002—2015年,植被固碳出現(xiàn)四個波峰,固碳總值在波動中較前期明顯增加,土壤呼吸排放碳量小于植被固定碳量,植被固碳表現(xiàn)為碳匯。其中,2002—2008年,年NEP總值基本在多年平均值附近波動,呈平穩(wěn)增加態(tài)勢,并在2002、2006年達到階段性最大值；2007、2008年NEP總值較2006年稍有下降,但總體固碳水平仍體現(xiàn)為碳匯；2009—2012年,年NEP總值較前期明顯提升,隨著氣候的逐步暖濕化,植被的生長條件改善、生長期延長,植被光合作用總體固碳量增加,植被總碳匯量增加；2013年,由于研究區(qū)降水量偏少,氣溫偏高,氣候干燥少雨,植被NPP總體偏少,去除土壤呼吸消耗之后,NEP總值較2012年明顯減少；2014年,雖植被NPP總值較2013年有所增加,但土壤呼吸消耗也相繼增加,植被NEP總值較2013年略有下降；2015年的氣象條件與2013年較為相似,表現(xiàn)為干燥少雨,雖降水量較往年偏少但氣溫適宜植被生長,且受2014年氣候條件對植被的滯后影響,其植被NPP總值較往年顯著增加,扣除土壤呼吸消耗,植被NEP總值較前期上升,植被固碳體現(xiàn)為碳匯。

總體上,2000—2015年青海高原碳匯功能逐步增強,年凈固碳量在42.86 TgC與64.42 TgC之間波動。

3.3.2植被碳匯空間變化特點

2000—2015年,青海高原年NEP呈現(xiàn)逐步增加的趨勢(圖6),平均趨勢系數(shù)為1.52。年NEP增加的區(qū)域占植被總面積的25.72%,其中,年NEP明顯增加的區(qū)域占植被總面積的8.22%,集中分布于III—4湟水谷地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的中部、南部,V—3黃河源高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的東北部,V—4共和盆地高寒草原生態(tài)區(qū)南部,以及V—5海東—甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)的中部,這些區(qū)域處于青海高原河湟谷地及周圍地區(qū),溫度適宜、水源豐富,植被NEP明顯增加,且降水量、氣溫年際變化幅度較小,土壤呼吸消耗碳量偏少,植被碳匯能力逐年增加。同時,自2000年以來,一系列的生態(tài)保護工程實施,包括退耕還林還草、已墾草原還草、草地病蟲害、鼠害治理、水土保持與治理等[43],改善了這些區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境的狀況,有利于植被固碳能力,增強了植被碳匯功能；年NEP輕微增加區(qū)域占植被總面積的17.5%,主要分布于I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)的西北部與東南部,該區(qū)植被覆蓋度增加,植被固碳能力增強,總固碳量大于土壤呼吸消耗,植被碳匯功能增強。

圖6 青海高原植被NEP空間變化趨勢 Fig.6 Spatial variation trend of vegetation NEP in Qinghai Plateau

2000—2015年,青海高原年NEP減少的區(qū)域較少,僅占植被總面積的1.06%,其中,明顯減少的區(qū)域為0.29%,輕微減少的區(qū)域為0.77%,零星分布于III—2東祁連山生態(tài)區(qū)東南部、III—3青海湖濕地生態(tài)區(qū)東北部、III—4湟水谷地生態(tài)區(qū)中部,以及V—1、V—2、V—3三江源流域生態(tài)區(qū)的東南部,這些區(qū)域年降水量、年均溫逐步增加,氣候條件的逐步暖濕化,使土壤呼吸消耗碳增加,多年植被NEP有減小趨勢,導(dǎo)致區(qū)域碳匯功能下降。

2000—2015年,青海高原其余植被分布區(qū)植被年NEP基本穩(wěn)定,約占青海高原植被總面積的39%?？傮w上,研究區(qū)年NEP空間變化中,以基本穩(wěn)定、輕微好轉(zhuǎn)、明顯好轉(zhuǎn)為主,所占植被總面積百分比分別為39%、17.5%、8.22%。

3.3.3青海高原植被碳匯變化趨勢分析

2000—2015年,青海高原植被NEP變異系數(shù)空間分布呈中部高邊緣低趨勢,青海高原不同生態(tài)區(qū)植被NEP變異系數(shù)的空間分布存在明顯的差異,變異系數(shù)以中等、較高、高波動居多(圖7)。

圖7 青海高原植被NEP變異系數(shù) Fig.7 Coefficient of variation of vegetation NEP in Qinghai Plateau

高波動地區(qū)主要分布在柴達木盆地東部、祁連山地北部、環(huán)青海湖湖區(qū)周邊、河湟谷地流域、長江源區(qū)的中部與東南部、黃河源區(qū)西北部,說明這些區(qū)域植被NEP易受到自然或人為因素的干擾,穩(wěn)定性較低。結(jié)合高波動地區(qū)植被NEP空間變化趨勢(圖6),這些區(qū)域植被NEP呈增加態(tài)勢,說明這部分地區(qū)在生態(tài)保護工程的實施、氣候暖濕化的條件下,植被碳匯功能得到增強；

中等波動區(qū)集中分布于青海高原東南部,即祁連山地東部、環(huán)青海湖流域、湟水谷地北部、海東—甘南生態(tài)區(qū)南部、三江源地區(qū)東南部；較低波動區(qū)分布于柴達木盆地中部、青海湖南部、東部地區(qū)、長江源西北部、黃河源東南部亦有零星分布,說明這部分區(qū)域植被NEP較為穩(wěn)定,受外界干擾較少。

植被NEP低、較低、中等、較高、高波動區(qū)占青海高原植被總面積的比例分別為1.42%、6.26%、20.25%、5.06%和9.11%,說明研究區(qū)大部分植被NEP動態(tài)變化以較低、中等波動為主,穩(wěn)定性較高。

3.4 青海高原NEP與氣候因素的相關(guān)性

青海高原年氣候因素空間分布差異明顯,降水量從西北向東南遞增,氣溫的垂直變化明顯。2000—2015年,青海高原年平均降水量為1—774 mm,年均溫-14—10 ℃。

植被NEP與降水量的平均相關(guān)系數(shù)為0.075,總體上植被NEP與降水量呈正相關(guān)(圖8)。研究區(qū)植被NEP與降水量呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占總植被面積的13.26%。主要分布于祁連山地東南部(III—1、III—2生態(tài)區(qū))、青海湖周邊濕地區(qū)域(III—3區(qū))、湟水谷地農(nóng)業(yè)區(qū)(III—4區(qū)),以及長江源生態(tài)區(qū)的西北部(V—1區(qū)),這些區(qū)域植被NEP隨降水量的增加而升高；植被NEP與降水量顯著負相關(guān)的區(qū)域占總植被面積比為3.75%,分布于柴達木盆地中部及三江源地區(qū)東南部,該地區(qū)隨降水量增加,土壤呼吸消耗碳增加,植被NEP減少。

圖8 NEP與降水量、氣溫相關(guān)性Fig.8 Correlation between NEP and precipitation, temperature

在氣溫不變的情況下,NEP與降水量的偏相關(guān)分析表明(圖8),顯著正相關(guān)區(qū)域占總植被面積為7.28%。主要分布于祁連山地東南部(III—2區(qū))、瀾滄江生態(tài)區(qū)的西北部(V—2區(qū))及黃河源生態(tài)區(qū)(V—3區(qū)),說明這些區(qū)域降水量、氣溫對植被生長的影響以耦合作用為主,兩者共同作用于植被生長。

植被NEP與氣溫的平均相關(guān)系數(shù)為-0.20(圖8),以顯著負相關(guān)為主,負相關(guān)區(qū)域占總植被面積的27.90%,占據(jù)著青海高原植被分布區(qū)的大部分面積,說明氣溫的升高阻礙NEP積累,這可能是由于氣溫的升高使得植被蒸騰作用加強,導(dǎo)致植被生長所需水熱不同步,使植被積累的NPP總量較少,而氣溫的升高又致使土壤呼吸作用增加,消耗大量有機碳,故植被NEP減少；植被NEP與氣溫顯著正相關(guān)區(qū)域占總植被面積的0.16%,零星的分布在青海高原的東南部,這進一步充分說明氣溫對研究區(qū)植被NEP以阻礙作用為主。

在控制降水量對NEP的影響的條件下,氣溫與NEP顯著負相關(guān)的區(qū)域占總植被面積比例下降為16.37%,顯著正相關(guān)區(qū)域的面積比稍有增加(圖8)?？臻g分布上,主要分布于三江源生態(tài)區(qū)的東南部(V—1、V—3區(qū)),表明該地區(qū)氣候因素對植被生長的作用以耦合作用為主,降水量、氣溫共同調(diào)節(jié)植被NEP的變化與積累。

植被NEP與氣候因素的相關(guān)、偏相關(guān)分析表明,降水量對NEP積累以促進作用為主,氣溫對其以抑制作用為主,氣溫對研究區(qū)植被NEP的影響范圍明顯高于降水量,且降水、氣溫對NEP的耦合作用較為顯著。

3.5 討論

(1)青海高原植被NEP與降水量、氣溫與之間的相關(guān)分析表明,降水量對植被NEP起促進作用的區(qū)域占植被分布區(qū)的13.26%,對植被生長起到良好促進作用的區(qū)域僅占總植被分布區(qū)的4.98%,其中,0.04%的分布區(qū),氣溫對植被NEP亦表現(xiàn)為促進作用；其余4.94%的分布區(qū)僅降水量對植被NEP表現(xiàn)為促進作用,氣溫對植被NEP的影響不明顯。另外,占植被分布區(qū)8.28%的區(qū)域,由于受氣溫對NEP抑制作用的影響,使降水量對NEP的積極作用削弱；

(2)氣溫對NEP起阻礙作用的區(qū)域占植被分布區(qū)面積的27.90%,明顯高于降水量對NEP影響的區(qū)域,其中,8.28%的分布區(qū)由于降水量對NEP的積極作用,使氣溫對植被固碳的阻礙作用有所緩解,促進了植被固碳；氣溫對植被NEP起較強抑制作用的區(qū)域占植被分布區(qū)的19.62%,其中3.01%的區(qū)域,降水量對植被NEP也表現(xiàn)為抑制作用,氣象因素阻礙植被NEP積累；剩余16.61%的區(qū)域中,僅氣溫對植被NEP表現(xiàn)為抑制作用,降水量對植被NEP的影響不顯著。這說明氣溫是控制青海高原植被NEP積累的主要氣候因素,部分區(qū)域降水量、氣溫對植被NEP的耦合作用較為明顯。

(3)本文通過估算植被NEP在一定程度上揭示了青海高原植被碳源/匯空間分布的特征與規(guī)律。因植被碳循環(huán)、土壤呼吸均是較為復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程,通過模型估算均存在一定的不確定性。受NPP估算和RH估算不確定性的影響,NEP估算結(jié)果仍存在一定程度的不確定性。

(4)本文僅考慮青海高原不同生態(tài)區(qū)的植被NEP、碳匯時空變化,定量分析了氣象因素對NEP的影響,但植被NEP是自然和人類活動共同作用的結(jié)果,除氣溫和降水量外,大氣CO2濃度、地表蒸散、地形因子、土壤、放牧、人工圍欄等對植被NEP空間分布和植被碳收支均具有重要影響。因此,進一步研究中將定量的分析人類活動、氣象因素、地形因素對植被NEP動態(tài)波動的影響,以及不同植被類型的固碳能力與年際變化,以便更為深刻地認識青海高原地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的增匯減源貢獻機制。

4 結(jié)論

本研究在土壤呼吸模型和改進的CASA模型基礎(chǔ)上,估算青海高原植被NEP,分析了2000—2015年青海高原植被NEP、區(qū)域碳源/匯的時空格局、年際動態(tài)變化與穩(wěn)定性,并就氣候因素變化對植被NEP的變化進行了多角度定量分析,主要結(jié)論如下：

(1)2000—2015年,青海高原植被年NEP空間分布呈東高西低、南高北低,由西北向東南逐步增加趨勢,不同生態(tài)區(qū)之間差異顯著,碳匯區(qū)集中于祁連山生態(tài)區(qū)、三江源生態(tài)區(qū)。

(2)2000—2015年,青海高原植被年碳匯功能逐步增強,植被NEP變異系數(shù)的空間分布以較低、中等波動為主,穩(wěn)定性較高。

(3)2000—2015年,青海高原年NEP空間變化中,以基本穩(wěn)定、輕微好轉(zhuǎn)、明顯好轉(zhuǎn)為主。年際波動以中等波動為主,穩(wěn)定性較高,自然與人為因素對植被NEP的改善作用明顯。

(4)青海高原降水量對植被NEP以促進作用為主,氣溫以抑制作用為主,氣溫對NEP的影響范圍強于降水。去除兩者之間的相互影響,降水量對NEP起促進作用的面積比為4.94%,氣溫對NEP起抑制作用的面積比為16.61%。