結合地理國情普查成果的苕溪流域生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值估算

王 瑜，金姍姍，馮存均

(1. 浙江省地理信息中心，浙江 杭州 310012； 2. 浙江省地理國情監(jiān)測中心，浙江 杭州 310012； 3. 地理國情監(jiān)測國家測繪地理信息局重點實驗室，浙江 杭州 310012)

植被通過光合作用吸收CO2并釋放O2，調節(jié)大氣成分，在應對氣候變化和大氣-陸地碳循環(huán)中發(fā)揮了重要作用，是生態(tài)系統(tǒng)重要的生態(tài)服務功能之一。多年來，已有不少學者對不同尺度的森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)的服務價值進行了研究。王兵等基于全國第7次森林資源清查數(shù)據(jù)及中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡長期定位觀測數(shù)據(jù)，對全國各省區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務功能進行了評價[1]。謝高地等以Costanza等對全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的部分成果為參考，綜合對我國專業(yè)人士進行的生態(tài)問卷調查結果，建立了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值表，并在此基礎上評估了青藏高原生態(tài)資產的價值[2]。趙同謙等基于服務功能機制對中國草地的生態(tài)經(jīng)濟價值進行了評價[3]。劉東等對浙江省森林生態(tài)服務功能價值進行了估算，并對其逐月變化規(guī)律進行了分析[4]。謝高地等在對青藏高原天然草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值根據(jù)其生物量訂正的基礎上，根據(jù)高寒草地的地域分異特征對其生態(tài)價值進行了評價[5]。也有學者專門就植被固碳釋氧價值進行了探討。劉敏超等估算了三江源區(qū)植被固定CO2釋放O2的價值[6]。ZHANG Tao等評估了青海湖流域植被固碳釋氧價值，并分析了其1987—2010年的動態(tài)變化規(guī)律[7]。固碳釋氧價值的估算除根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務價值估算[2，5]外，主要是先估算植被凈初級生產力(net primary productivity，NPP)，然后根據(jù)光合作用關系計算固碳釋氧價值[1，4，6-7]。植被凈初級生產力是固碳釋氧價值估算的關鍵步驟之一。根據(jù)前人的研究，CASA模型是一種廣泛用于植被凈初級生產力的估算模型[8-12]，具有參數(shù)較易獲取、利于動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點。目前植被凈初級生產力估算模型使用的土地利用/覆蓋或植被分類數(shù)據(jù)大多尺度較大，精度較低，制約了模型估算精度。

2013年7月，浙江省按照國務院的統(tǒng)一部署，開始了第一次地理國情普查，歷時3年，圓滿完成了全省普查任務。本次普查采用優(yōu)于0.5 m分辨率的遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，搜集整合多行業(yè)專題數(shù)據(jù)，通過“室內分析判讀、野外實地調查”等方法，獲取了多要素、全覆蓋、無縫隙的地理國情數(shù)據(jù)。地理國情普查成果具有精度高、時相新等特點，能夠為浙江省的生態(tài)環(huán)境保護提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

本文利用地理國情普查成果中的地表覆蓋數(shù)據(jù)，基于CASA模型估算浙江省苕溪流域植被凈初級生產力，進而評估苕溪流域生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值。

1 研究區(qū)概況

苕溪為浙江省八大水系之一，位于浙江省西北部，是太湖流域重要支流。流域地跨杭州、湖州兩市，流經(jīng)臨安、余杭、湖州城區(qū)、德清、安吉、長興等縣(市、區(qū))。水系有東、西苕溪兩大源流，流域面積達4579 km2。境內主要山脈為天目山，地勢自西南向東及東北逐步遞減和傾斜。全流域山地丘陵面積占88%，平原占12%左右。流域地處中熱帶季風區(qū)北緣和北亞熱帶季風區(qū)南緣，氣候溫和濕潤，水熱同步，雨量充沛，四季分明。多年平均降雨量1460 mm，年均氣溫15.5℃～15.8℃。區(qū)內生態(tài)環(huán)境和植被良好，如圖1所示。

圖1 苕溪流域地形暈渲圖

2 研究方法

2.1 CASA模型

CASA模型屬于參數(shù)模型，即光能利用率模型。CASA模型中NPP主要由植被所吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用率(ε)兩個變量來確定，其估算公式如下

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(1)

式中，APAR(x,t)為t月在像元x處植被吸收的光合有效輻射(MJ·m-2)；ε(x,t)為t月在像元x處的光能轉化率(gC·MJ-1)。

2.1.1 APAR

太陽輻射能是植物進行光合作用的能量來源，其中能被植物有效吸收并進行光合作用的部分叫光合有效輻射(PAR)，其波長范圍約在0.38～0.78 μm。光合有效輻射一般約占太陽總輻射的50%左右。其中，通過光合作用，并最終能固定為植物有機質的這部分光能叫APAR(absorbed photosynthetic ally active radiation)，太陽總輻射的大小和植物本身的生理生態(tài)特征共同決定了APAR的大小。

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x，t)×r

(2)

式中，SOL(x,t)為t月在像元x處的太陽總輻射量(MJ·m-2)；FPAR(x,t)為t月在像元x處植被層對入射的光合有效輻射的吸收比例；r為植被所能利用的太陽輻射占太陽總輻射的比例，在此取值0.5。

FPARmin

(3)

(4)

式中，F(xiàn)PARmax=0.950，F(xiàn)PARmin=0.001，且FPARmax和FPARmin不隨植被類型變化而變化；SR(x,t)為比值植被指數(shù)；SRmin為最小比值植被指數(shù)；SRmax為最大比值植被指數(shù)；NDVI(x,t)為歸一化植被指數(shù)。

2.1.2 光能利用率(ε)

光能利用率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射(APAR)轉化為有機碳的比率(gC/MJ)。光能利用率因不同植被類型及不同的生態(tài)環(huán)境而差異很大，包括氣溫、水分、土壤、營養(yǎng)、疾病、個體發(fā)育、基因差異和植被維持與生長的不同能量分配等影響因子。光利用率主要受溫度和水分的影響，其計算如下

ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×εmax

(5)

式中，Tε1(x,t)和Tε2(x,t)反映溫度的影響；Wε(x,t)反映水分條件的影響；εmax為理想條件下的最大光能轉化率。根據(jù)朱文泉等[13]，不同植被類型最大光能利用率見表1。

Tε1(x,t)的計算公式為

Tε1(x,t)=0.8+0.02Topt(x)-0.000 5[Topt(x)]2

(6)

式中，Topt(x)為某一區(qū)一年內NDVI值達到最高時月份的平均氣溫，認為此溫度為植被生長的最適溫度。當某一月平均溫度≤-10℃時，Tε1取0，認為光合生產力為零。Tε2(x,t)的計算公式為

(7)

表1 不同植被類型最大光能利用率 gC/MJ

式中，若月平均氣溫T(x,t)比最適溫Topt(x)高10℃或低13℃時，該月Tε2(x,t)值為最適溫度Topt(x)時Tε2(x,t)的一半。Wε(x,t)的計算公式為

Wε(x,t)=0.5+0.5×EET(x,t)/PET(x,t)

(8)

式中，EET(x,t)為t月在像元x處的區(qū)域估計蒸散量(mm)；PET(x,t)為t月在像元x處的區(qū)域可能蒸散量(mm)。

當該年降水量PPT(x,t)≥PET(x,t)時，EET(x,t)=PET(x,t)，即Wε(x,t)=1。

當該年降水量PPT(x,t)

(9)

(10)

式中，PPT(x,t)為像元x處的年降水量(mm)；Rn(x,t)為像元x處的凈輻射量(mm·mon-1)；Ep(x,t)為局地可能蒸散量(mm)。計算模型如下

Rn(x,t)=[Ep(x,t)×PPT(x,t)]0.5×{0.369+

0.598×[Ep(x,t)/PPT(x,t)]0.5}

(11)

Ep(x,t)=16×[10×T(x,t)/I]a

(12)

a=(0.675I3-77.1I2+17 920I+492 390)×10-6

(13)

(14)

2.2 固碳釋氧價值計算方法

根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721—2008)，植被固碳量計算公式為

G固碳=1.63R碳·A·B年

(15)

式中，G固碳為植被年固碳量，單位為t·a-1；R碳為CO2中碳的含量，為27.27%；B年為植被凈初級生產力，單位為t·hm-2·a；A為面積，單位為hm2。

植被釋氧量計算公式為

G氧氣=1.19A·B年

(16)

式中，G氧氣為植被年釋氧量，單位為t·a-1；B年為植被凈初級生產力，單位為t·hm-2·a；A為面積，單位為hm2。

固碳釋氧價值計算，采用直接市場法、影子市場法，依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》中瑞典碳稅約為1200元/噸，我國國家衛(wèi)生部網(wǎng)站中2007年春季氧氣平均價格為1000元/噸。

3 數(shù)據(jù)及處理

本文中使用到的數(shù)據(jù)包括浙江省第一次地理國情普查成果地表覆蓋數(shù)據(jù)、氣象站點數(shù)據(jù)、MOD13Q1等。

地表覆蓋數(shù)據(jù)具有全覆蓋、高精度的特征，包括耕地、園地、林地、草地、房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表和水域十大類，各大類又根據(jù)情況相應細分為二級類或三級類。地表覆蓋類型主要影響光能利用率。將地表覆蓋類型與表1中指標類型進行對應，得到苕溪流域不同地表覆蓋類型的最大光能利用率。植被光能利用率柵格化為250 m分辨率的柵格。

氣象站點數(shù)據(jù)包括12個月的月均溫、年降水量、年蒸發(fā)量。使用的氣象站點有長興、湖州、安吉、德清、臨安、富陽和杭州站共7個站點，采用IDW插值法進行插值，柵格分辨率為250 m。

MOD13Q1來源于NASA(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，包括2015年24期16 d合成植被指數(shù)影像，分辨率為250 m，影像經(jīng)過坐標轉換、鑲嵌、波段提取、裁剪等處理，形成苕溪流域2015年逐月NDVI。

太陽總輻射通過ArcGIS軟件的Solar Radiation模塊進行模擬[14]，該模塊輸入DEM數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)研究區(qū)緯度、月份和地形去模擬研究區(qū)太陽總輻射。柵格分辨率為250 m。

4 結果分析

經(jīng)CASA模型計算的苕溪流域凈初級生產力分布如圖2所示，苕溪流域平均NPP約為576.83 gC/m2。低值區(qū)多集中在城鎮(zhèn)、水域和平原水網(wǎng)區(qū)，這些地區(qū)植被覆蓋較少，NPP大多低于100 gC/m2。高值區(qū)多為山地，植被茂密，NPP集中在400～850 gC/m2及以上。境內天目山和莫干山地區(qū)為NPP高值區(qū)。

圖2 苕溪流域NPP分布

根據(jù)NPP計算，苕溪流域全年植被固碳116.72萬噸，按《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》中瑞典碳稅約1200元/噸算，苕溪流域全年植被固碳價值約14.01億元；苕溪流域全年植被釋放氧氣312.48萬噸，按2007年春季氧氣平均價格1000元/噸計算，苕溪流域全年植被釋放氧氣價值31.25億元。苕溪流域全年固碳釋氧總價值45.26億元。

全年中5—9月水熱條件優(yōu)越，植被茂密，光合作用旺盛，固碳釋氧總價值與NPP同步，約占全年固碳釋氧總價值的79.90%，如圖3所示。

圖3 苕溪流域不同月份固碳釋氧總價值

各種地表覆蓋類型中NPP從大到小依次為林地、園地、耕地、草地、其他和水域，其中其他部分包括房屋建筑(區(qū))、道路、構筑物、人工堆掘地和荒漠與裸露地表。林地平均NPP達到736.04 gC/m2。水域是NPP低值區(qū)，平均NPP為194.39 gC/m2，主要來源于水生植物及由于混合像元效應產生的影響。林地固碳釋氧總價值為35.10億元，占苕溪流域固碳釋氧總價值的77.57%。如圖4、圖5所示。

圖4 不同地表覆蓋類型平均NPP統(tǒng)計

圖5 不同地表覆蓋類型固碳釋氧價值占比

5 結 語

本文利用浙江省第一次地理國情普查成果，將GIS和RS技術運用到NPP和固碳釋氧價值估算中，得出浙江省苕溪流域生態(tài)系統(tǒng)NPP與固碳釋氧價值的分布。本文所利用的地理國情普查成果地表覆蓋相對于傳統(tǒng)的土地利用或植被分類數(shù)據(jù)，具有精度高、時相新的特點，更能反映地表植被的真實情況，提高NPP估算精度。

由于數(shù)據(jù)源的限制，本文所用的氣象數(shù)據(jù)為插值數(shù)據(jù)，站點較少，且為常年數(shù)據(jù)，非2015年當年測量值；因太陽輻射數(shù)據(jù)缺乏而采用ArcGIS軟件模擬，這些都會增加NPP和固碳釋氧價值的估算誤差。由于數(shù)據(jù)的限制，本文僅討論了植被光合作用所固定的CO2和釋放O2的價值，而土壤和凋落物呼吸作用還有待進一步研究。