李遠(yuǎn)航, 郝興明, 張靜靜,4, 范 雪, 趙卓怡,4
(1.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054;2.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830011;3.新疆阿克蘇綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,新疆 阿克蘇 843017;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
隨著溫室效應(yīng)的不斷累積,全球氣候變暖問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重,在過(guò)去130多年間,全球氣溫平均上升了0.85 ℃[1],其中,碳排放貢獻(xiàn)率約占50%以上[2]。在全球碳循環(huán)中,陸地生態(tài)系統(tǒng)是搭建全球碳收支平衡的橋梁。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,具有重要的碳源與碳匯效應(yīng)。一方面,它可以通過(guò)植被光合作用吸收固定大氣中的CO2;另一方面,它能夠利用土壤呼吸及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)向大氣進(jìn)行碳排放,在全球碳排放中有12%左右來(lái)源于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[3]。在我國(guó),農(nóng)業(yè)碳排放量占全國(guó)碳排放總量的17%[4],且以每年5%的速度增長(zhǎng)[5],我國(guó)需大力發(fā)展低碳農(nóng)業(yè)并根據(jù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源/匯效應(yīng)來(lái)確定減排增匯的措施,因此準(zhǔn)確估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源與碳匯就顯得尤為重要。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的研究主要分為以下3 個(gè)方面:(1)估算不同區(qū)域尺度上碳源/匯現(xiàn)狀:早期估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的研究主要集中在宏觀尺度上,但隨著研究不斷地深入與完善,微觀尺度的研究也在逐漸增加[6-9];(2)分析影響碳源/匯的因素:已有研究分析了不同土地利用類型及不同耕作方式對(duì)碳吸收、碳排放的影響[10-11],除此之外,有研究表明,通過(guò)堆肥、秸稈還田等方式可以提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳量[12-13];(3)探究碳源/匯測(cè)算方法:目前測(cè)算碳源采用的主要方法是碳排放系數(shù)法與實(shí)測(cè)法,而測(cè)算碳匯的主要方法是遙感反演法和模型模擬法[7,14-15]。
上述研究在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯方面作出了大量貢獻(xiàn),但仍存在一些不足。在研究方法上,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯量的研究大多是通過(guò)統(tǒng)計(jì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中碳吸收量與碳排放量進(jìn)行估算[7,16-17],這類方法在計(jì)算碳吸收時(shí)只考慮了部分農(nóng)作物的固碳量,忽略了土壤呼吸碳排放,這會(huì)導(dǎo)致碳排放的嚴(yán)重低估[18-19]。對(duì)上述問(wèn)題較好的解決方案之一,就是采用一些過(guò)程模型,通過(guò)遙感數(shù)據(jù)估算農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net Ecosystem Productivity,NEP),可有效避免農(nóng)作物種類統(tǒng)計(jì)不全及漏算土壤呼吸碳排放的缺點(diǎn)[20-22]。此外,目前有關(guān)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的研究多數(shù)集中于濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)及半干旱地區(qū)[9,23-24],對(duì)極端干旱區(qū)特別是完全依賴于灌溉的綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。因此,本研究以極端干旱區(qū)阿克蘇綠洲農(nóng)田為例,通過(guò)遙感數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入數(shù)據(jù),對(duì)2001—2017 年的碳排放與NEP 進(jìn)行估算,系統(tǒng)分析綠洲農(nóng)田凈碳匯量時(shí)空變化特征,并在縣域尺度上開(kāi)展綠洲農(nóng)田凈碳匯的評(píng)估工作,研究結(jié)果可為干旱區(qū)綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)制定差異化的減排政策提供科學(xué)依據(jù)。
阿克蘇地區(qū)位于78°03′~84°07′E,39°30′~42°41′N(xiāo),地處天山中段、塔里木盆地的東北面,屬暖溫帶干旱性氣候地區(qū),地形走勢(shì)為北高南低。綠洲農(nóng)田的土壤類型主要有潮土、灌淤土、棕漠土、草甸土和棕鈣土等[25]。綠洲農(nóng)田總面積為147.39×104hm2,占阿克蘇地區(qū)總面積的11.2%。綠洲農(nóng)田的主要經(jīng)濟(jì)作物是棉花,其播種面積占農(nóng)田播種總面積的54.5%,其次是玉米、小麥等。
所使用的2001—2017 年阿克蘇地區(qū)的光合有效輻射部分的4 d網(wǎng)格數(shù)據(jù)由MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供(MOD15A3H, https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/task/area),空間分辨率500 m;歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)數(shù)據(jù)來(lái)源于MOD13A1,空間分辨率為500 m,時(shí)間分辨率為16 d;溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)均來(lái)自https://search.earthdata.nasa.gov/search 中GLDAS 的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為0.25°,時(shí)間分辨率為月;土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于https://lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/task/area,空間分辨率為500 m;DEM 數(shù)據(jù)來(lái)源于https://www.usgs.gov,空間分辨率為1 km。首先,利用Arc-GIS 10.2 對(duì)上述不同分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣,使其在同一基準(zhǔn)面上;同時(shí)使用ArcGIS 10.2提取DEM的最大值與最小值,得到地形起伏度,將30 m 作為平原的劃分界限,起伏度大于200 m劃分為山地[26],將起伏度小于200 m的區(qū)域依據(jù)土地利用類型劃分成綠洲與荒漠,阿克蘇地區(qū)的山地、荒漠及綠洲分布如圖1 所示。此外,阿克蘇地區(qū)各縣市農(nóng)田管理數(shù)據(jù)如農(nóng)田播種面積、農(nóng)作物產(chǎn)量及灌溉面積等數(shù)據(jù)均來(lái)自2002—2018年的《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》和《阿克蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》。
圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area overview
1.3.1 NEP的計(jì)算方法 NEP是估算植被碳源、碳匯的重要指標(biāo),常作為碳匯大小的度量[27-28],計(jì)算公式為:
式中:NPP(Net Primary Production)表示植被凈初級(jí)生產(chǎn)力;Rh表示土壤微生物呼吸量[29]。
NPP 的估算采用修正的CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型通過(guò)光合有效輻射(APAR)和實(shí)際光能利用率(ε)來(lái)表示,計(jì)算公式為:
式中:z為像元;t為月份;APAR(z,t)為像元z在t月吸收的光合有效輻射;ε(z,t)為像元z在t月的實(shí)際光能利用率。
在Rh的估算中,溫度與降雨是影響Rh的主要因素。本文采用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停ㄟ^(guò)建立氣溫、降水與碳排放的回歸模型來(lái)估算Rh[29-30],計(jì)算公式為:
式中:Slope為趨勢(shì)線的斜率;n表示研究時(shí)間跨度;i表示年份變量。Slope>0,表明NEP 有增加趨勢(shì),反之則有減少趨勢(shì)。
1.3.2 碳排放估算方法 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放的主要來(lái)源是化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)業(yè)灌溉、柴油和農(nóng)田耕作等,其估算公式為:
式中:Gi、Gp、Gm、Ae、We、Li、Gs、Si分別代表各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入中的具體使用量,Ai、B、C、D、F、G、J、H分別代表農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入中各類碳排放系數(shù)(表1)。
表1 碳排放途徑中各類碳排放系數(shù)Tab.1 Carbon emission factors for each type of carbon emission pathway
1.3.3 凈碳匯的估算方法 通過(guò)計(jì)算綠洲農(nóng)田近17 a NEP 與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入造成的碳排放的差值,建立估算綠洲農(nóng)田凈碳匯量的數(shù)學(xué)模型。
式中:Nc為綠洲農(nóng)田凈碳匯;NEP 為綠洲農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力;Et為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的碳排放;Nu為單位播種面積凈碳匯量;Sa為農(nóng)作物播種面積[19]。
2001—2017年阿克蘇的山地、荒漠及綠洲農(nóng)田的NEP年際變化均呈上升趨勢(shì)(圖2a)。其中山地、荒漠和綠洲農(nóng)田的NEP 年均增長(zhǎng)率分別為3.04%、2.09%和7.43%,表明研究區(qū)植被的固碳能力在不斷增強(qiáng)。綠洲農(nóng)田NEP 月均值呈現(xiàn)出先升高后降低的波動(dòng)變化趨勢(shì),該趨勢(shì)與綠洲農(nóng)田作物的生長(zhǎng)規(guī)律大致相同(圖2b)。1—2月氣溫開(kāi)始回升,積雪消融,作物的固碳量大于土壤呼吸的碳排放,NEP 開(kāi)始上升。3—5月,由于氣溫逐漸升高和農(nóng)田的翻耕處理,導(dǎo)致土壤呼吸產(chǎn)生的碳排放量增加,但此時(shí)作物的固碳能力仍大于土壤呼吸的碳排放量,即NEP>0。5—10 月,氣溫大幅度上升,農(nóng)田開(kāi)始持續(xù)地灌溉,達(dá)到作物生長(zhǎng)的最佳時(shí)期,此時(shí)NEP 迅速升高。10—12 月,溫度逐漸降低,作物生長(zhǎng)緩慢且大部分作物都已完成收割,土壤呼吸碳排放大于作物的固碳量,NEP降低。
圖2 研究區(qū)內(nèi)NEP的年際變化及綠洲的月均變化Fig.2 Interannual variation of NEP and monthly average variation of oasis in the study area
綠洲農(nóng)田近17 a 的年均NEP 空間分布上整體較為均勻,峰值主要集中在溫宿縣的南部、阿克蘇市的中部及新和、庫(kù)車(chē)、沙雅三縣的交匯處(圖3)。綠洲農(nóng)田的多年NEP 均值為143.47 g·m-2·a-1,整體呈碳匯狀態(tài)。NEP值在0~100 g·m-2·a-1、100~200 g·m-2·a-1和200 g·m-2·a-1以上的面積分別為3569.86 km2、9360.94 km2和1807.04 km2,分別占阿克蘇地區(qū)綠洲農(nóng)田總面積的24.22%、63.51%及12.26%。整體來(lái)看,綠洲農(nóng)田的NEP>0,NEP范圍在100~200 g·m-2·a-1占綠洲總面積的比例最大,主要分布在各個(gè)縣市的綠洲區(qū)內(nèi)。
圖3 綠洲農(nóng)田年均NEP空間分布Fig.3 Spatial distribution of annual average NEP on oasis farmland
利用一元線性回歸法與T分布顯著性檢驗(yàn)得到綠洲農(nóng)田2001—2017 年逐像元的變化趨勢(shì)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知,NEP>0 的面積為1.37×104km2,占綠洲農(nóng)田總面積的92.85%;NEP<0 的面積的為1053.86 km2,占阿克蘇地區(qū)綠洲農(nóng)田總面積的7.15%(圖4a)。其中,綠洲農(nóng)田內(nèi)NEP 呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)的面積為1.44×104km2,占綠洲農(nóng)田總面積的97.7%,主要分布在各個(gè)縣市的綠洲區(qū)域內(nèi);NEP 呈顯著降低趨勢(shì)的面積為339 km2,占綠洲農(nóng)田總面積的2.3%,主要分布在溫宿縣、阿瓦提縣、阿克蘇市與庫(kù)車(chē)縣的綠洲區(qū)內(nèi)(圖4b)。NEP 降低的原因可能是人口數(shù)量上漲導(dǎo)致城市用地面積增大,綠洲農(nóng)田面積減小。整體來(lái)看,綠洲農(nóng)田近17a作物的固碳能力在不斷提升,只有極少部分出現(xiàn)降低。
圖4 2001—2017年綠洲農(nóng)田NEP變化趨勢(shì)Fig.4 Trends in NEP on oasis farmland,2001-2017
綠洲農(nóng)田的碳排放具有明顯的時(shí)空變化。時(shí)間上,2001—2017年綠洲農(nóng)田碳排放量呈逐年上升的趨勢(shì)(圖5a)。碳排放總量從2001年的39.94×104t增長(zhǎng)至2017 年的106.73×104t,年均增長(zhǎng)率為25.14%,單位面積碳排放量從2001 年的1.09 t·hm-2增長(zhǎng)至2017 年的1.21 t·hm-2,年均增長(zhǎng)率為15.86%。增長(zhǎng)的主要原因是相關(guān)農(nóng)資的投入和農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的增加??臻g上,各縣市綠洲農(nóng)田碳排放量呈現(xiàn)出西北低東南高的特點(diǎn)(圖5b)。碳排放量最大的是庫(kù)車(chē)縣(17.76×104t),最小的是柯坪縣(1.55×104t),差異為11.46 倍,庫(kù)車(chē)縣的農(nóng)作物播種面積為柯坪縣的14.7 倍。阿克蘇市(1.66×104t)單位播種面積碳排放量最大,庫(kù)車(chē)縣(0.97×104t)最小。二者之間差異巨大的原因是發(fā)展方向與水平上的差異。
圖5 綠洲農(nóng)田碳排放量的時(shí)空變化Fig.5 Spatial and temporal variation of carbon emissions from oasis farmland
近17 a間,在綠洲農(nóng)田主要的碳排放途徑中,化肥、農(nóng)機(jī)和農(nóng)膜產(chǎn)生的碳排放量所占比例最大,分別為28%、26%和19%,且呈逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)(表2)。但2017年農(nóng)膜產(chǎn)生的碳排放量呈降低趨勢(shì),占比僅0.15%,棉花種植面積比例由2016年的73.13%降低至2017 年的54.50%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是2016 年棉花價(jià)格較低或2017 年農(nóng)膜價(jià)格較高,導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶不愿種植棉花,改種水稻等其他作物,減少了農(nóng)膜的使用量。
表2 2001—2017年綠洲農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入中產(chǎn)生的碳排放Tab.2 Carbon emissions from agricultural production inputs in oasis farmlands,2001-2017 /104t
2001—2017年,綠洲農(nóng)田的凈碳匯量整體呈上升趨勢(shì)(圖6)。凈碳匯量從2001年-2.51×104t增長(zhǎng)至2017 年的61.45×104t,年均增長(zhǎng)率為78.16%;單位面積凈碳匯量由2001 年的-0.07 t·hm-2增長(zhǎng)至2017 年的0.69 t·hm-2,年均增長(zhǎng)率為49.24%。表明2001—2017年,綠洲農(nóng)田生產(chǎn)技術(shù)的提高與農(nóng)作物單產(chǎn)穩(wěn)定增長(zhǎng),綠洲農(nóng)田具有較高的凈碳匯能力。
圖6 綠洲農(nóng)田凈碳匯量的年際變化Fig.6 Interannual variation in net carbon sink of oasis farmland
2001—2017 年綠洲農(nóng)田凈碳匯量多年均值空間分異明顯,整體上呈西北向東南增加的特點(diǎn)(圖7)。Nc>100主要分布在溫宿縣的西南部,阿克蘇市的西部、整個(gè)阿拉爾市及新和縣的東部;Nc<0 主要集中在溫宿縣的南部、阿拉爾市的周邊及庫(kù)車(chē)縣的南部。其中,柯坪縣Nc最?。?0.03×104t),沙雅縣Nc最大(4.08×104t)。原因可能是各縣市的發(fā)展水平及生產(chǎn)條件具有差異。總體而言,各縣市內(nèi)綠洲農(nóng)田凈碳匯量差異明顯,阿瓦提縣、柯坪縣等地區(qū)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化田間管理等措施提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯能力。
圖7 綠洲農(nóng)田年均凈碳匯量空間分布Fig.7 Spatial distribution of the annual average net carbon sink of oasis farmland
通過(guò)構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈碳匯的數(shù)學(xué)模型,得出近17 a 阿克蘇地區(qū)的各縣市綠洲農(nóng)田的凈碳匯呈波動(dòng)上升趨勢(shì),表明綠洲農(nóng)田具有較高的固碳能力[7,30]。本研究在計(jì)算綠洲農(nóng)田碳排放時(shí)結(jié)合前人的研究方法[19-20],綜合考慮了農(nóng)田翻耕、土壤呼吸以及農(nóng)業(yè)機(jī)械使用過(guò)程中所耗費(fèi)柴油產(chǎn)生的碳排放。其中部分碳排放系數(shù)來(lái)自國(guó)外的研究,且這些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)在國(guó)內(nèi)引用的頻率較高[16,19,24],但可能并不適用于阿克蘇地區(qū)。因此,需要通過(guò)實(shí)地觀測(cè)來(lái)估算當(dāng)?shù)氐奶寂欧畔禂?shù),為當(dāng)?shù)氐奶寂欧沤y(tǒng)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在計(jì)算Rh時(shí),本研究采用的是裴志永等[29]的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷姆椒?。Zhang等[34]與潘竟虎等[30]將此方法分別應(yīng)用于中亞干旱區(qū)及西北干旱區(qū)碳匯的估算,而本文的研究區(qū)在上述研究區(qū)的范圍內(nèi),故采用同樣的方法來(lái)估算Rh。此外,凈碳匯的大小主要受到自然因素與人為因素的調(diào)控。自然因素是指溫度與降水,二者通過(guò)影響NPP與Rh的大小,間接地調(diào)控NEP 的數(shù)值,從而達(dá)到調(diào)控凈碳匯的目的,并且已有研究表明NPP對(duì)降水比溫度更敏感,而Rh和NEP對(duì)溫度比降水更敏感[35]。氣溫和降水對(duì)NEP 的年貢獻(xiàn)率分別為28.79%和23.23%[34]。人為因素主要指由人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)造成的碳排放,如生產(chǎn)肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)資過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放及農(nóng)業(yè)機(jī)械使用過(guò)程中消耗的化石能源和電能產(chǎn)生的碳排放等,在此類碳排放途徑中,化肥產(chǎn)生的碳排放量所占比例最大。因此,在保證作物產(chǎn)量的前提下,應(yīng)按照作物需求決定施肥量或增加肥料中有機(jī)肥的占比,減少畜禽糞便的污染,實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。在單位面積碳排放量較高的阿克蘇市與阿瓦提縣,應(yīng)減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的消耗,提高農(nóng)資的利用效率;在單位面積凈碳匯量較低的溫宿縣、庫(kù)車(chē)縣與拜城縣,當(dāng)?shù)卣畱?yīng)加大對(duì)低碳農(nóng)業(yè)的投入和政策支持,走可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)道路,提高阿克蘇地區(qū)各縣市綠洲農(nóng)田的固碳減排能力。
由于阿克蘇實(shí)驗(yàn)站的通量站在2017 年后開(kāi)始實(shí)施觀測(cè),缺乏詳細(xì)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)。故本文引用了Zhang等[34]在中亞干旱區(qū)(包括整個(gè)新疆)對(duì)NPP與Rh的數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。引文中在中亞干旱地區(qū)提取了5124個(gè)點(diǎn),將CASA模擬的NPP與MOD17產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:兩者具有良好的一致性,R2=0.74(P<0.01),RMSE=112.18。此外,Li 等[36]研究表明,MODIS估算的NPP可用于干旱和半干旱地區(qū),反映了植被的生長(zhǎng)和分布。因此,CASA模型同樣也適用于新疆地區(qū)。本研究采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P凸浪懔薘h,Zhang等[34]的研究表明,該方法估算的Rh與通量觀測(cè)數(shù)據(jù)具有很好的一致性,R2=0.53(P<0.01),RMSE=13.12??傮w來(lái)說(shuō),本研究在計(jì)算NPP與Rh時(shí)采用的方法與Zhang 等[34]保持一致,研究區(qū)也在引文的研究區(qū)內(nèi)。因此,本研究中對(duì)NPP和Rh的估算結(jié)果是相對(duì)合理的。
本研究通過(guò)統(tǒng)計(jì)2001—2017 年阿克蘇地區(qū)綠洲農(nóng)田的NEP和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的碳排放量,估算出綠洲農(nóng)田的凈碳匯量,結(jié)果如下:
(1)綠洲農(nóng)田NEP 總體呈逐年上升趨勢(shì),其中97.7%的面積為顯著增長(zhǎng)的趨勢(shì),分布在各縣的綠洲區(qū)內(nèi);2.3%的面積出現(xiàn)顯著下降趨勢(shì),主要分布在溫宿縣、阿瓦提縣、阿克蘇市與庫(kù)車(chē)縣內(nèi)。
(2)綠洲農(nóng)田碳排放呈逐漸增加的趨勢(shì),各縣市綠洲農(nóng)田碳排放量和單位播種面積碳排放量的區(qū)域差異明顯。
(3)綠洲農(nóng)田的凈碳匯量波動(dòng)較大,但總體上呈上升趨勢(shì),各縣市綠洲農(nóng)田凈碳匯量差異明顯,均呈現(xiàn)出不同程度的碳生態(tài)盈余,表明綠洲農(nóng)田具有較高的凈碳匯能力。