陜西黃土臺塬區植被-土壤系統碳收支估算

馬彩虹, 任志遠

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062; 2.陜西理工學院 秦嶺與蜀道地理研究所， 陜西 漢中 723001)

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陜西黃土臺塬區植被-土壤系統碳收支估算

馬彩虹1,2, 任志遠1

(1.陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062; 2.陜西理工學院 秦嶺與蜀道地理研究所， 陜西 漢中 723001)

摘要：[目的] 為土地利用的低碳戰略提供決策依據。 [方法] 基于GIS和RS分析與處理NDVI數據和Landsat遙感影像數據源,采用CASA光能利用模型對陜西黃土臺塬區植被—土壤系統的碳收支進行估算。 [結果] 1990—2010年陜西黃土臺塬區植被—土壤系統碳源效應明顯。其中,咸陽臺塬區、寶雞臺塬區和西安臺塬區有所減弱,但渭南臺塬區和銅川臺塬區有所增強。研究時段內,陜西黃土臺塬區的高碳源區的面積由38.22%縮減為21.13%,中碳源區由57.40%擴大為67.71%,低碳塬區由3.43%擴大為7.76%;碳匯區由0.96%擴大為3.40%。 [結論] 1990—2010年該區建設用地占用耕地、林地、草地,土地利用結構變化不利于碳固定,提高復種指數有利于降低植被—土壤系統的碳排放。

關鍵詞：CASA; 碳源; 碳匯; 陜西黃土臺塬區; 植被—土壤系統

工業革命以來，以二氧化碳為代表的溫室氣體排放已成為全球氣候變暖的主要原因[1]。作為世界上碳排放大國之一，中國政府承諾到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%[2]。如何有效減少碳排放、增加生態系統的碳匯能力是當前研究的熱點問題[3]。土地利用與覆被變化直接影響陸地生態系統的碳儲量和碳通量過程[4-5]。20世紀80年代中后期以來，學界對不同區域不同類型的生態系統碳收支作了大量研究，并取得了可喜的成果[6]，但評估結果仍然存在較大差異。如葛全勝[7]等的研究發現,過去300年中土地利用變化導致中國陸地生態系統的碳排放達4.50～9.54 Pg;方精云[8]等的研究卻表明中國土地利用活動引起陸地植被—土壤系統的碳吸收大約為0.45 Pg；張秀梅[9]等對江蘇省土地利用的碳排放研究發現，土地利用和碳排放之間存在復雜的耦合關系，土地利用的碳源/匯效應存在較大的空間差異性和不確定性[10]，需要對不同地方的不同生態系統碳收支情況進行研究，以探究其內在的規律和特征。陜西黃土高原臺塬區是西北黃土高原臺塬區的主體，既處于關中平原生態保護的屏障地帶，又是糧食生產的主體功能區，植被—土壤系統的碳收支對區域碳排放有較大影響。本文對1990—2010年陜西黃土臺塬區植被—土壤系統的碳收支情況進行估算，以期為土地利用的低碳戰略提供一定的參考依據。

1數據與方法

1.1　研究區概況

研究區陜西黃土臺塬區位于34°08′—35°52′N，106°20′—110°36′E，是介于生態脆弱區和糧食主產區之間的過渡地帶，呈帶狀展布于渭河谷地南北兩側，總面積1 263 773 hm2。按行政隸屬關系可分為寶雞臺塬區、咸陽臺塬區、西安臺塬區、銅川臺塬區和渭南臺塬區[11]。處于季風向干旱半干旱氣候過渡帶，多年均溫12.46 ℃，年均降水量456.3～735.9 mm，主要集中于夏季。土壤以肥力較高的土分布最廣，其次是黃墡土。水資源短缺，降水是地表水、地下水以及土壤水的主要補給來源；地下水埋深達50 m以下，開發利用較困難。人口分布較多，產業相對比較密集。根據第六次人口普查數據資料，截至2010年，陜西黃土臺塬區的人口為1.01×107人，人口密度約為845.84人/km2。近年來，經濟發展較快，城市化水平也有較大提高。

1.2　研究方法

基于碳循環理論，生物生產力是生態系統碳循環過程以及各種碳吸收和排放分量平衡的結果，因此，植被—土壤系統的碳收支估算主要結合生物生產力進行。早期的研究主要關注植被的凈初級生產力NPP[12]，即綠色植物在單位時間、單位面積上所積累的有機物數量。后來研究發現NPP只反映植物固定和轉化光合產物的效率，不能反映生態系統的碳源/匯功能。CASA模型是一個充分考慮環境條件和植被本身特征的光能利用率模型，適合于估算區域尺度上的植被NPP[13-15]。NPP減去土壤異養呼吸Rh所消耗的光合作用產物之后，即可獲得凈生態系統生產力NEP，可以直接定性定量地描述植被—土壤系統的碳收支情況。若NEP>0為碳匯，反之則為碳源。CASA模型系列公式如下：

NEP=NPP-Rh

(1)

式中：NEP——植被凈生態系統生產力； NPP——植被凈初級生產力；Rh——土壤微生物呼吸量。本文中Rh的取值來自于前人研究結果，研究區Rh為0.14～0.19，本文取其均值0.17。下同。

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中：APAR——吸收光合有效輻射(MJ/m2)。下同。

(4)

式中：FPAR(x,t)NDVI——由NDVI計算所得的植被層對入射光合有效輻射的吸收比例； FPAR(x,t)SR——比值植被指數(SR)計算所得的植被層對入射光合有效輻射的吸收比例；FPARmax及FPARmin的值為常數，其值與植被類型無關，FPARmax=0.95，FPARmin=0.001；NDVIi,max以及NDVIi,min——第i種植被類型的NDVI最大值和最小值。

(5)

式中：SR(x,t)——t月份在像元x處的太陽總輻射(MJ/m2)，常數0.48表示植被所能利用的波長為0.38～0.71 μm的太陽有效輻射占太陽總輻射的比重大小。SRi,max，SRi,min——第i種植被類型的比值植被指數SR的最大值及最小值。NDVI(x,t)——t月份像元x處的歸一化植被指數和比值植被指數。下同。

(6)

ε(x,t)=f1(x,t)×f2(x,t)×w(x,t)×εmax

(7)

式中：ε(x,t)——像元x在t月份的實際光能利用率。FPAR值(植被層對入射光合有效輻射的吸收比例)；f1(x,t)——低溫脅迫指數；f2(x,t)——高溫脅迫指數；w(x,t)——水分脅迫系數；εmax——理想條件下的最大光能利用率(g C/MJ)，取值根據朱文泉模擬值[16]。下同。

(8)

式中：Topt(x)——研究區域內一年之中NDVI值為最高值時的當月平均氣溫(℃)。

(9)

式中：T(x,t)——t月的平均氣溫(℃)。下同。

w(x,t)=0.5+0.5×E(x,t)/Ep(x,t)

(10)

式中：EP(x,t)——研究區的潛在蒸散量(mm/月)；E(x,t)——研究區的實際蒸散量(mm/月)，潛在蒸散量及實際蒸散量的值也取朱文泉模擬值[15]。

RH=0.22×〔Exp(0.0913T)〕+ln〔0.3145R+1)〕×30×46.5%

(11)

1.3　數據來源

黃土臺塬區的范圍較小，所需氣象數據主要來源于該范圍內的氣象站點如銅川站點(53 947)、耀縣站點(57 037)、鳳翔站點(57 025)、寶雞站點(57 016)、武功站點(57 034)、西安站點(57 036)、華縣站點(57 046)。所需1990年數據通過遙感影像提取，2010年NDVI數據通過SPOT 衛星NDVI數據獲取。二者精度有一定差別，但不影響總體NPP的計算精度的比較效果。土地利用變化數據主要來源于Landsat陸地資源衛星影像，基于ERDAS9.2進行遙感影像的校正、投影轉換及解譯；基于ArcGIS10.0支持進行數據處理、統計分析以及制圖輸出。

2結果與分析

2.1　植被-土壤系統的碳源/匯效應估算

1990年，臺塬區的NEP位于碳含量-99.9~75 g/(m2·a)和-124.9~100 g/(m2·a)之間的范圍較大，其中，前一個區間的值主要分布在陜西黃土臺塬區中部和北部，后一個區間的值的范圍主要出現在渭南臺塬區的西南部和咸陽臺塬區大部分范圍，反映出臺塬區的植被—土壤系統的碳源效應明顯。2010年，臺塬區NEP的值位于碳含量-124.9~100 g/(m2·a)范圍的面積有所縮小，而 -49.9~725 g/(m2·a)之間區域有所增大。其中，渭南臺塬區植被—土壤系統的碳源效應有所減弱，咸陽臺塬區的的碳源效應有所增強(附圖1)。分析可知，研究時段內陜西黃土臺塬區植被—土壤系統在大部分區域呈現出碳源效應，只有東北部邊緣區很小的范圍表現出碳匯效應。

2.2　植被-土壤系統的碳源/匯效應分區評價

根據陜西黃土臺塬區NEP出現區間，采用等間距法劃分為4個等級，即高碳源區、中碳源區、低碳源區和碳匯區(表1)。

從分布區域上來看，1990年高碳塬區主要分布在咸陽臺塬區、西安臺塬區和渭南臺塬區的中部，中碳源區主要分布在渭南臺塬區北部、東部和南部、咸陽臺塬區東部和西部、以及寶雞臺塬區北部區域，低碳源區和碳匯區主要分布在渭南臺塬區北部邊緣地帶。2010年，高碳源區范圍縮減了很多，主要分布在寶雞臺塬區西部和東部、咸陽臺塬區西部和東部、西安臺塬區、渭南臺塬區中部也有零星分布區；中碳源區主要分布于咸陽臺塬區中部和東部、銅川臺塬區、渭南臺塬區南部、西部和中部大部分區域；低碳塬區主要分布為渭南臺塬區，碳匯區面積擴展明顯，主要分布于渭南臺塬區北部邊緣區(附圖2)。

如表2所示，2010年高碳源區大幅降低，中碳源區是陜西黃土臺塬區面積最大的一類，低碳塬區比例較小?？梢钥闯觯?010年土地利用的碳源效應有所降低，表明1990—2010年陜西黃土臺塬區的植被覆蓋狀況改善程度較大。

表1　陜西黃土臺塬區碳/塬匯等級劃分標準　g/m2

表2　陜西黃土臺塬區碳源/匯分區面積及比例

2.3　植被-土壤系統碳收支變化原因分析

闊葉林、針葉林、灌叢、草原、草甸、荒漠以及高山稀疏植被等是陜西黃土臺塬區主要的植被類型。陜西黃土臺塬區農業歷史悠久，天然植被很少，主要以人工植被為主。從土地利用變化的基本情況來看，研究區以耕地為主，其次為草地，林地比例很低(表3)。測算的NEP密度值，發現大部分區域表現為NEP<0，植被—土壤系統表現為碳排放效應，只有臺塬區東北部的林地集中分布區表現為微弱的碳匯效應。2010年，陜西黃土臺塬區耕地、林地、草地等貢獻NPP的地類均有所下降，而建設用地凈增加了26 538.3 hm2。因此，從土地利用情況來看，陜西黃土臺塬區的土堆利用變化趨勢不利于碳固定。

從NDVI的變化情況來看，1990年陜西黃土臺塬區的東北部、東南部及西南部的植被覆蓋狀況較好，即渭南市及寶雞市的植被覆蓋狀況較好，西安市較差。2010年，寶雞臺塬區、中部的咸陽臺塬區植被覆蓋比1990年明顯改善，渭南臺塬區和銅川臺塬區植被覆蓋有所下降。

由于本文研究范圍不是很大，因此降水和氣溫變化的空間差異性對植被—土壤系統的碳收支影響不是很明顯。因此，這種以農田生態系統為主導的植被覆蓋情況下，研究區的NEP應該主要受復種指數的影響。已有研究表明，研究時段內陜西黃土臺塬區的復種指數總體表現為升高態勢[17]?？梢姡瑥头N指數的提高對于提高農田生態系統的碳匯功能有重要貢獻。

表3　1990-2010年陜西黃土臺塬區土地利用變化統計

3結論與討論

陜西黃土臺塬區植被—土壤系統總體表現為碳源效應，只有東北部邊緣區很小的范圍表現為碳匯效應。1990—2010年，咸陽臺塬區、寶雞臺塬區和西安臺塬區的碳源效應有所減弱，渭南臺塬區和銅川臺塬區的碳源效應有所增強。高碳源區由1990年的38.22%降低為2010年的21.13%，同期中碳源區面積最大且由57.40%增大為67.71%，低碳塬區由3.43%提高為7.76%，碳匯區由0.96%擴大為3.40%。

植被—土壤系統的碳收支估算問題，對于指導區域調整土地利用方式具有重要作用。本研究中發現陜西黃土臺塬區土地利用變化呈現出建設用地占用耕地、林地、草地的土地利用基本態勢，這種態勢不利于碳固定。但復種指數的提高對植被—土壤系統碳固定具有明顯的正向作用。另外，植被—土壤系統的碳收支計算存在一定的不確定性，測算精度受土壤系統的RH的影響明顯。本研究中采用了前人研究的RH均值，在一定程度上影響了本文測評結果的精度。但研究區為半干旱區，RH效應的空間差異較小，總體上不影響結果的時空分布特征，后續研究中擬考慮不同土壤類型的RH對植被—土壤系統的碳收支影響。

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Evaluation of Carbon Source or Sink of Vegetation and Soil System in Shaanxi Loess Platform Region

MA Caihong1,2, REN Zhiyuan1

(1.CollegeofTourismandEnvironmentScience,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China; 2.QinlingandIntonesGeographyResearchInstitute,SchoolofHistoryandTourism,ShaanxiUniversityofTechnology；Hanzhong,Shaanxi723001,China)

Abstract：[Objective] To provide a decision basis for low-carbon strategy of land use and land cover change. [Methods] Based on RS and GIS, taking the data source of NDVI and Landsat, the carbon of vegetation and soil system in Shaanxi Loess platform region during 1990—2010 was calculated by the Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA) model. [Results] Large part in the research area was carbon source, however, the carbon sink area were small and mainly distributed in the northern part in Weinan loess platform. During the research period, the carbon source degree in Xianyang loess platform, Baoji loess platform and Xi’an loess platform decreased, whereas, of which in Weinan loess platform and Tongchuan platform increased in some degree. From 1990 to 2010, the high degree carbon source area decreased from 38.22% to 21.13%, middle degree carbon source area were the largest and improved from 57.40% to 67.71%, and the area of low degree carbon source increased from 3.43% to 7.76%.At the same period, the area of carbon sink enlarged from 0.96% to 3.40%. [Conclusion] Cultivated land, forest land and grass land were changed into built-up land were not benefit to the carbon sink, and the enhancing of cropping index benefit to the carbon sink of vegetation and soil system.

Keywords:Carnegie-Ames-Stanford Approach(CASA); carbon source; carbon sink; Shaanxi Loess platform region; vegetation and soil system

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)03-0231-04

中圖分類號：X51;F301

通信作者：任志遠(1953—)，男(漢族)，陜西省興平市人，教授，博導，主要從事國土資源開發與生態環境評價研究。E-mail: renzhy@snnu.edu.cn。

收稿日期：2014-03-27修回日期：2014-04-21

資助項目：國家自然科學基金“我國生態脆弱區能源開發生態效應測評與調控研究”(41371523); 國家社會科學基金(14XKS019); 教育部人文社會科學重點研究基地項目(14JJD840004)

第一作者：馬彩虹(1974—),女(漢族),寧夏回族自治區西吉縣人,博士,副教授,主要從事資源環境評價與GIS/RS應用、生態經濟與區域可持續發展研究。E-mail:mchyanni@aliyun.com。