氣候變化背景下我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)研究

陳福軍，郭 英，李 倩

(1.河北省唐山市曹妃甸區(qū)國土資源局，河北唐山 063200；2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

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氣候變化背景下我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)研究

陳福軍1，2，郭 英2*，李 倩1

(1.河北省唐山市曹妃甸區(qū)國土資源局，河北唐山 063200；2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，河北石家莊 050021)

[目的]使我國生態(tài)系統(tǒng)盡可能地適應(yīng)全球性的氣候變化。[方法]對陸地植被固碳增匯的區(qū)域差異管理進行分區(qū)，運用歸一化植被指數(shù)(NDVI)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，對我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)進行研究。[結(jié)果]將我國陸地生態(tài)系統(tǒng)劃分為3個主動適應(yīng)氣候變化固碳增匯區(qū)域。Ⅰ氣候暖濕化驅(qū)動型區(qū)，包括華北、華南及西北等大部分區(qū)域；Ⅱ氣候暖干化驅(qū)動型區(qū)，主要分布于東北大小興安嶺、長白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)；Ⅲ氣候冷濕化驅(qū)動型區(qū)，主要分布于內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴重地區(qū)、長江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤地區(qū)。[結(jié)論]以縣級行政界線為基本劃分單元的氣候變化背景下我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)，可為生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域差異管理提供參考。

氣候變化；固碳增匯；NDVI；氣候因子；分區(qū)

2013年9月聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第五次全球氣候變化評估報告顯示，2003—2012年全球海陸表面平均氣溫比1850—1900年上升了0.78 ℃[1]，氣候變化已成為世界各國高度關(guān)注的全球性問題。根據(jù)不同區(qū)域的氣候變化類型，以及與之對應(yīng)的自然界響應(yīng)關(guān)系來制訂具體的適應(yīng)性措施，是人類社會在全球氣候變化大環(huán)境下尋求可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是監(jiān)測大尺度生態(tài)系統(tǒng)植被的常用指標之一，與植被吸收的光合有效輻射、生物固碳量呈線性關(guān)系[2]。樸世龍等[3]利用AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)分析了1982—1999年我國植被覆蓋動態(tài)變化；宋怡等[4]于2008年對我國寒區(qū)、旱區(qū)NDVI與氣候因子變化間的相互關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明我國寒區(qū)、旱區(qū)植被變化與降水、氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。然而，結(jié)合氣候變化類型對我國全域陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯區(qū)域劃分卻鮮見報道。筆者利用1981—2010年我國氣溫和降水的變化趨勢及生態(tài)系統(tǒng)植被與之對應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系，定量識別植被與氣候的相互作用機制，結(jié)合我國地形特點，以縣級行政單元區(qū)劃為基本劃分單元，研究氣候變化背景下我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)，旨在為生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域差異管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 采用1981～2006年8 km分辨率的逐旬AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)[5]，使用最大值合成法(MVC)求出逐月最大NDVI。2007～2010年遙感數(shù)據(jù)采用MODIS/NDVI產(chǎn)品[6]，AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)持續(xù)至2006年，與MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)在時間上有6個重合年份，運用2001—2006年AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)和MODIS/NDVI數(shù)據(jù)，從2種數(shù)據(jù)分別選取相同時間和相同地點的NDVI數(shù)值對多組，應(yīng)用線性回歸方法對該數(shù)據(jù)組進行回歸，利用回歸方程對2007—2010年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)進行校正。

氣象數(shù)據(jù)基于1981～2010年我國境內(nèi)及周邊637個站點的氣象資料[7]，運用Arcmap軟件克里金插值方法進行月均溫、月降水量的空間插值，得到分辨率8 km氣象要素的空間柵格數(shù)據(jù)。

地形數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局(USGS)提供的Global 30 Arc-Second Elevation(GTOPO30)高程數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集的空間分辨率重采樣為8 km 分辨率。

1.2 計算方法 為計算分析NDVI對氣溫和降水的響應(yīng)關(guān)系，逐像元計算我國陸地生態(tài)系統(tǒng)近30年間NDVI年累積值與標準化的年降水、年均溫柵格數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，并對計算結(jié)果進行顯著性檢驗，當相關(guān)系數(shù)通過顯著性水平(P<0.05)時，表示NDVI與氣候因子(氣溫或降水)變化呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。計算公式為：

按照以上計算結(jié)果，若某區(qū)域植被NDVI與年均溫變化呈顯著正相關(guān)，與年降水變化呈顯著正相關(guān)，則該區(qū)域為Ⅰ 氣候暖濕化驅(qū)動型區(qū)；若某區(qū)域植被NDVI與年均溫變化呈顯著正相關(guān)，與年降水變化呈顯著負相關(guān)，則該區(qū)域為Ⅱ 氣候暖干化驅(qū)動型區(qū)；若某區(qū)域植被NDVI與年均溫變化呈顯著負相關(guān)，與年降水變化呈顯著正相關(guān)，則該區(qū)域為Ⅲ氣候冷濕化驅(qū)動型區(qū)。

1.3 分區(qū)原則及方法 區(qū)域劃分主要遵循以下原則：①行政單元完整原則。保持縣級行政單元界線的完整，在分區(qū)時沿縣級行政單元的邊界線劃定分區(qū)界線。②主導(dǎo)因素原則。在分區(qū)時以植被對氣候變化響應(yīng)顯著為主導(dǎo)因素，若某個行政單元中有幾種顯著響應(yīng)類型，以面積占優(yōu)者為準進行劃定。③空間分布連續(xù)性原則。在分區(qū)過程中要根據(jù)分區(qū)空間范圍的大小進行適當?shù)娜∩幔员３址謪^(qū)結(jié)果的完整性。④大尺度地形單元一致性原則。我國緯度跨度較大、地貌階梯格局復(fù)雜， 使得不同地域植被類型響應(yīng)氣候變化的規(guī)律受大尺度地形單元的影響，因此在分區(qū)中將大尺度地形相對一致的縣級單元劃分在一個氣候變化區(qū)內(nèi)。

根據(jù)上述分區(qū)原則，采用遙感數(shù)據(jù)提取感興趣區(qū)域(ROI)方法，對我國生態(tài)系統(tǒng)植被NDVI與氣候因子顯著響應(yīng)區(qū)域進行提取，再采用GIS空間疊置方法，將上述提取的ROI區(qū)域與我國縣級行政單元矢量數(shù)據(jù)以及大范圍地形(高程與地貌單元)進行疊加，綜合分析確定我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被NDVI對氣候因子響應(yīng)的區(qū)域分異 從圖1可見，年均氣溫升高對植被(NDVI)生長不利的地區(qū)包括內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴重地區(qū)(呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾沙達克沙地和巴丹吉林沙漠等)、長江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤地區(qū)，其余大部分區(qū)域年均氣溫升高對生態(tài)系統(tǒng)植被生長有利。年降水量升高對植被(NDVI)生長不利的地區(qū)包括我國東北大小興安嶺、長白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)，其余我國大部分區(qū)域年降水量升高對生態(tài)系統(tǒng)植被生長有利。

注：a為植被NDVI對年均氣溫的響應(yīng)；b為植被NDVI對年降水量的響應(yīng)。Note：a response of vegetation NDVI to annual average temperature；b response of vegetation NDVI to annual precipitation.圖1 植被NDVI 對氣候因子響應(yīng)的區(qū)域分異Fig.1 Response of vegetation NDVI to climatic factors in different regions

圖2 1981—2010年我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)Fig.2 Carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem during 1981-2010

2.2 我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)及分布特征 根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被長勢情況(以NDVI為標識因子)對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，將我國陸地劃分為3個主動適應(yīng)氣候變化固碳增匯區(qū)域：Ⅰ 氣候暖濕化驅(qū)動型區(qū)、Ⅱ 氣候暖干化驅(qū)動型區(qū)、Ⅲ氣候冷濕化驅(qū)動型區(qū)(圖2)。其中，Ⅱ 氣候暖干化驅(qū)動型區(qū)主要分布于我國東北大小興安嶺、長白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)，該區(qū)域若年均氣溫升高、年降水量減少對陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長有利，相反則對植被生長不利；Ⅲ 氣候冷濕化驅(qū)動型區(qū)主要分布于內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴重地區(qū)、長江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤地區(qū)，該區(qū)域若年均氣溫降低、年降水量增多對陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長有利，相反則對植被生長不利；其余大部分區(qū)域均屬于Ⅰ 氣候暖濕化驅(qū)動型區(qū)，該區(qū)域年均氣溫升高，同時年降水量增多對陸地生態(tài)系統(tǒng)植被生長有利，相反則對植被生長不利。

3 結(jié)論與討論

(1)該研究依托的空間數(shù)據(jù)有植被NDVI數(shù)據(jù)、年均氣溫數(shù)據(jù)和年降水量數(shù)據(jù)，其中NDVI數(shù)據(jù)來自2種不同渠道，運用線性回歸方法對2007～2010年MODIS/NDVI數(shù)據(jù)進行校正，可以避免數(shù)據(jù)在時間尺度上的突變。氣象數(shù)據(jù)依據(jù)我國境內(nèi)及周邊637個站點的氣象資料進行空間插值取得，因我國氣象站點東西部分布不均、坐落地形或與城市距離不同、插值方法不同等，空間插值結(jié)果可能存在誤差，今后應(yīng)選定一批具有代表性、分布均勻的氣象站作為參考站，對插值結(jié)果進行驗證[8]。

(2)固碳增匯分區(qū)選取縣級行政區(qū)為基本單元，目的是盡量詳實細致地對不同類型的區(qū)域進行分類，同時也考慮到目前縣級區(qū)域是我國行政管理的基本單元。而實際分類過程中，我國西部省份有些縣域面積較大，或某些縣域包括了幾種不同植被NDVI對氣候變化的響應(yīng)類型。這種情況只能按照主導(dǎo)因素原則將面積較大的類型作為該縣域固碳增匯的基礎(chǔ)類型進行劃分。

(3)該研究應(yīng)用植被NDVI對氣候變化的響應(yīng)關(guān)系，將我國陸地劃分為3個主動適應(yīng)氣候變化固碳增匯區(qū)域：Ⅰ氣候暖濕化驅(qū)動型區(qū)，包括除Ⅱ、Ⅲ類型以外我國大部分區(qū)域；Ⅱ氣候暖干化驅(qū)動型區(qū)，主要分布于我國東北大小興安嶺、長白山等亞寒帶地區(qū)、青藏高原高寒區(qū)域大部、天山、祁連山及橫斷山脈等高海拔地區(qū)；Ⅲ氣候冷濕化驅(qū)動型區(qū)，主要分布于內(nèi)蒙古東部及北部沙漠化嚴重地區(qū)、長江流域下游水稻主產(chǎn)區(qū)及西藏林芝熱帶半濕潤地區(qū)。

(4)以上我國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯分區(qū)是依托1981—2010年氣候變化背景下植被長勢情況計算得到，為了在該研究成果的基礎(chǔ)上主動適應(yīng)氣候變化，提高生態(tài)系統(tǒng)植被固碳增匯能力，今后需要結(jié)合我國氣候變化的基本區(qū)域分異，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的人為管理。

[1] IPCC.Climate change 2013：The physical science basis[M]//Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.cambridge：Cambridge University Press，2013.

[2] 趙英時.遙感應(yīng)用分析原理與方法[M].北京：科學出版社，2004.

[3] 樸世龍，方精云.最近18年來中國植被覆蓋的動態(tài)變化[J].第四紀研究，2001，21(4)：294—302.

[4] 宋怡，馬明國.基于GIMMS AVHRR/NDVI數(shù)據(jù)的中國寒旱區(qū)植被動態(tài)及其與氣候因子的關(guān)系[J].遙感學報，2008，12(3)：500-505.

[5] TUCKER C J，PINZON J E，BROWN M E.Global inventory modeling and mapping studies，NA94apr15b.n11-VIg，2.0[M].Maryland：Global Land Cover Facility University of Maryland，College Park，2004.

[6] Land Processes Distributed Active Archive Center.ASTER Level 1B Registered Radiance at the Sensor.Version 3.NASA EOSDIS Land Processes DAAC，USGS Earth Resources Observation and Science(EROS)Center，Sioux Falls，South Dakota(https：//lpdaac.usgs.gov)，accessed January 1，2015，at http：//dx.doi.org/10.5067/ASTER/AST_L1B.003.

[7] MENNE M J，DURRE I，VOSE R S，et al.An overview of the global historical climatology network-daily database[J]. Journal of atmospheric and oceanic technology，2012，29(7)：897-910.

[8] 任國玉，張愛英，初子瑩，等.我國地面氣溫參考站點遴選的依據(jù)、原則和方法[J].氣象科技，2010，38(1)：78-85.

Study on Carbon Sequestration Increase Zoning of China Terrestrial Ecosystem under Climate Change

CHEN Fu-jun1,2, GUO Ying2*, LI Qian1

(1. Tangshan Caofeidian Land Resources Bureau, Tangshan, Hebei 063200; 2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050021)

[Objective] The aim was to provide theoretical basis for the ecological system in China to adapt to global climate change as much as possible. [Method] The response of vegetation NDVI to climate change was applied to study on carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem. [Result] The terrestrial ecosystem in China was divided into three regions: Ⅰ warm and humid climate driven type region, including most areas of China, as North China, South China and the northwest of China, Ⅱ warm and dry climate driven type region, mainly distributed in Daxing’an and Xiaoxing’an Mountains, Changbai Mountain in the subarctic region of Northeast China, high altitude areas, as Qinghai Tibet Plateau alpine region, Tianshan Mountains, Qilian Mountains and Hengduan Mountains, Ⅲ cold and humid climate driven region, mainly distributed in the eastern part and the northern desert region of Inner Mongolia, the main produce areas of rice in the lower reaches of the Yangtze River and the tropical semi humid regions of Linzhi, Tibet. [Conclusion] Carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem under climate change with county administrative boundaries as the basic unit can provide reference for regional difference management of ecosystem.

Climate change; Carbon sequestration; NDVI; Climatic factor; Zoning

陳福軍(1983- )，男，河北唐山人，工程師， 碩士，從事氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究。*通訊作者，助理研究員，博士，從事生態(tài)水文模型與遙感研究。

2016-08-29

S 181；P 966.7

A

0517-6611(2016)31-0064-03