青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯時空格局動態(tài)研究
2025-04-07 00:00:00王江曹生奎劉振梅雷義珍侯瑤芳
草地學(xué)報 2025年3期
摘要：青海湖流域作為青藏高原典型高寒山地內(nèi)流河流域，研究其生態(tài)系統(tǒng)碳匯時空格局動態(tài)對青海湖流域乃至整個青藏高原高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。本研究基于遙感數(shù)據(jù)和土壤異養(yǎng)呼吸模型估算了2000—2022年青海湖流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，借助ArcGIS空間分析及數(shù)理統(tǒng)計方法分析了流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（Net ecosystem productivity，"NEP）的時空格局動態(tài)。結(jié)果表明近23年青海湖流域年均NEP值總體呈波動增加趨勢，變化范圍為170.85～240.01 g·m-2·a-1，多年平均NEP值為204.5 g·m-2·a-1。青海湖流域多年平均NEP值呈由東南向西北遞減的趨勢。研究期內(nèi)青海湖流域年NEP值的增加主要集中在FVClt;10%和≥50%的區(qū)域；流域內(nèi)主要生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯。流域年均NEP值與年均植被覆蓋度和與年均氣溫呈顯著正相關(guān)，與年降水量無顯著相關(guān)性。青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能隨海拔升高而減弱。總體上，近23年來氣候暖濕化和生態(tài)保護(hù)與修復(fù)措施均有利于青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯累積。
關(guān)鍵詞：碳匯；凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；時空格局；青海湖流域
中圖分類號：X171.1 """""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A """""""文章編號：1007-0435（2025）03-0936-12
Dynamic Research on the Spatial and Temporal Patterns of Carbon Sinks in the Ecosystems of the Qinghai Lake Basin
WANG Jiang1，2，"CAO Sheng-kui1，2，3*，"LIU Zhen-mei1，2，"LEI Yi-zhen1，2，"HOU Yao-fang1，2
（1.Qinghai Province Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process，"School of Geographical Sciences，"Qinghai Normal University，"Xining，"Qinghai Province 810008，"China；"2.Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation （Ministry of Education），"Qinghai Normal University，"Xining，"Qinghai Province 810008，"China；"3.Academy of Plateau Science and Sustainability，"People's Government of Qinghai Province and Beijing Normal University，"Xining ，Qinghai Province 810008，"China）
Abstract：Net ecosystem productivity （NEP）"plays an important role in maintaining ecosystem carbon balance and can be used as an indicator to quantify carbon sources and sinks in terrestrial ecosystems. As a typical alpine mountain endorheic river basin on the Tibetan Plateau，"studying the spatial and temporal dynamics of ecosystem carbon sinks in the Qinghai Lake Basin holds great significance for the sustainable development of both the Qinghai Lake Basin and the Tibetan Plateau. In this study，"we estimated the NEP of the Qinghai Lake Basin from 2000 to 2022 based on remote sensing data and soil heterotrophic respiration model，"and analyzed the dynamics of spatial and temporal patterns of NEP in the basin with the help of spatial analysis by ArcGIS and mathematical and statistical methods. The results showed that the annual average NEP in the Qinghai Lake Basin showed a fluctuating increase trend in the past 23 years，"with a range of 170.85～240.01 g·m-2·a-1，"and the multi-year average NEP was 204.5 g·m-2·a-1. The multi-year average NEP in the Qinghai Lake Basin showed a decreasing trend from south-east to north-west. The increase in annual NEP values in the Qinghai Lake Basin during the study period was mainly concentrated in the areas with Fractional Vegetation Cover lt;10% and ≥50%；"the major ecosystems in the basin all showed carbon sinks. The mean annual NEP values were positively correlated with the mean annual fractional vegetation cover and the mean annual air temperature，"but not with the annual precipitation. The carbon sink function of the ecosystems in the Qinghai Lake Basin decreases with increasing altitude. Over the past 23 years，"the warming and humidification of the climate，"along with ecological protection and restoration measures，"have contributed to the accumulation of carbon sinks in the ecosystems of the Qinghai Lake Basin.
Key words：Carbon sink；Net ecosystem productivity；Spatial and temporal patterns；Qinghai Lake Basin
凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）是定量評價陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能的重要指標(biāo)［1］，其值為凈初級生產(chǎn)力減土壤異養(yǎng)呼吸，NEPgt;0表明陸地生態(tài)系統(tǒng)為碳匯，反之為碳源［2］。深入理解NEP的時空格局動態(tài)對進(jìn)一步認(rèn)識陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的作用機(jī)制具有重要意義［3］。目前國內(nèi)外對NEP的研究主要集中在全球尺度［4-6］、區(qū)域尺度［7-14］及森林［15］、農(nóng)田［16］和草地［17］等單一生態(tài)系統(tǒng)［15-17］的模擬和觀測。全球尺度NEP研究主要利用大氣反演［4，18］和生態(tài)系統(tǒng)過程模型［5-6，"19］對其模擬，分析其變化趨勢及影響因素。在區(qū)域尺度主要利用遙感產(chǎn)品及模型模擬NEP研究其NEP時空變化特征和影響因素［7-14］。研究表明在中亞地區(qū)［7］、中國東北［8］、西南［9］等地區(qū)［10-14］的年NEP時空變化及影響因素存在顯著差異。單一生態(tài)系統(tǒng)NEP研究主要利用清查法［20-21］和渦度相關(guān)法［22-24］對生態(tài)系統(tǒng)碳通量進(jìn)行觀測。可見，深入研究不同空間尺度生態(tài)系統(tǒng)NEP時空規(guī)律，揭示其影響因素，可為深入認(rèn)識不同空間尺度碳循環(huán)機(jī)制，提出碳增匯策略提供科學(xué)依據(jù)。
本研究選擇青藏高原東北部典型高寒山地內(nèi)流河流域——青海湖流域為研究區(qū)。先前對該流域有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的研究主要關(guān)注植被降水利用效率［25］、凈初級生產(chǎn)力［26］、總初級生產(chǎn)力［27］等，關(guān)于青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯時空格局動態(tài)的研究尚顯不足。因此，本研究基于氣溫、降水量、植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)類型和凈初級生產(chǎn)力等不同遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)，利用土壤異養(yǎng)呼吸模型估算了2000—2022年青海湖流域逐年NEP值，探討了不同植被覆蓋度和生態(tài)系統(tǒng)類型的NEP特征，分析了近23年青海湖流域年NEP值與年均氣溫、年降水量和年均植被覆蓋度間的相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果可為深入認(rèn)識青藏高原高寒內(nèi)流河流域生態(tài)系統(tǒng)碳增匯提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
青海湖流域（36°15′～38°20′N，97°50′～101°20′E）位于青藏高原東北部，是全球氣候變化的敏感地區(qū)和脆弱生態(tài)系統(tǒng)的典型地區(qū)［28］。該流域面積為2.96×104"km2，海拔介于3169～5268 m之間，地勢東南低、西北高（圖1）。青海湖位于青海湖流域的東南部，是中國面積最大的咸水湖泊［29］。該流域氣候?qū)俑咴箨懶詺夂?sup>［30］，多年平均氣溫為-4.24℃，多年平均降水量為413.79 mm。流域內(nèi)主要入湖河流有布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、泉吉河、茶擠河、黑馬河、倒淌河、甘子河等（圖1）。流域主要生態(tài)系統(tǒng)為草地、荒漠、濕地、農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)。
1.2 數(shù)據(jù)來源及處理
2000—2022年逐年凈初級生產(chǎn)力"（Net primary productivity，NPP）數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局?jǐn)?shù)據(jù)中心（http：//ladsweb.modaps.nasa.gov/）提供的MOD17A3HGF數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為500 m。2000—2020年氣溫和降水量數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.geodata.cn）的中國區(qū)域逐月氣溫和降水量數(shù)據(jù)集，空間分辨率1 km；2021年和2022年氣溫和降水量數(shù)據(jù)由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.tpdc.ac.cn/）的中國1 km分辨率逐月平均氣溫數(shù)據(jù)集（1901—2022年）和中國1 km分辨率逐月降水量數(shù)據(jù)集（1901—2022年）集成。數(shù)字高程模型"（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），空間分辨率為90 m。2000—2022年逐年植被覆蓋度"（Fractional Vegetation Cover，F(xiàn)VC）數(shù)據(jù)由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.tpdc.ac.cn/）的中國區(qū)域250 m月植被覆蓋度數(shù)據(jù)集（2000—2022年）集成。生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）的中國多時期生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布數(shù)據(jù)獲取，空間分辨率為1 km，時間分辨率為5年。為便于數(shù)據(jù)處理與分析，本研究將所有數(shù)據(jù)投影至WGS1984/UTM 47N坐標(biāo)系，所有數(shù)據(jù)均重采樣至1 km空間分辨率。
1.3 模型與方法
1.3.1 NEP估算模型 NEP計算公式如下［3］：
（1）
公式（1）中，NEP、NPP和Rh分別為植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、植被凈初級生產(chǎn)力和土壤呼吸，其單位均為g·m-2·a-1。
本研究Rh采用的經(jīng)驗公式由氣溫和降水間接估算。經(jīng)已有研究驗證，該公式可用于青海地區(qū)［31］、西北地區(qū)［32］的年Rh估算，公式如下［33-34］：
（2）
公式（2）中，T指年均氣溫（℃）；P指年降水量（mm）。
1.3.2 趨勢分析 采用一元線性回歸法分析NEP的年際波動規(guī)律與動態(tài)變化，計算研究區(qū)逐像元多年回歸趨勢線斜率（slope），用于反映NEP年際變化率，slopegt;0表示增加，slopelt;0表示減少。公式如下［35］：
（3）
公式（3）中，n表示估算年數(shù)，NEPi表示第i年的NEP（g·m-2·a-1）。
1.3.3 穩(wěn)定性分析 2000—2022年青海湖流域NEP穩(wěn)定性使用變異系數(shù)（Cv）來衡量NEP穩(wěn)定性，Cv反映指標(biāo)年際間的波動程度，數(shù)值越小表示數(shù)據(jù)隨時間波動小，具有較高的穩(wěn)定性；反之，則表示數(shù)據(jù)隨時間序列波動大，穩(wěn)定性低。本研究將變異系數(shù)分為5個等級［36］，分別為Cv lt;0.1，0.1lt;Cv lt;0.15，0.15lt;Cvlt;0.2，0.2lt;Cvlt;0.3和Cvgt;0.3。計算公式如下［10］：
（4）
公式（4）中，σ為各像元NEP的標(biāo)準(zhǔn)差，為各像元NEP的平均值（g·m-2·a-1）。
1.3.4 相關(guān)性分析 年NEP與年均氣溫、年降水量、年均植被覆蓋度間的關(guān)系使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表示，公式如下［37］：
（5）
公式（5）中，表示多年平均氣溫、多年平均降水量、多年平均植被覆蓋度，表示多年NEP的平均值（g·m-2·a-1），i表示年數(shù)，例如，i=1，2，…，23，n表示年份數(shù)23 a，xi表示第i年的年均氣溫、年降水量和年均植被覆蓋度，yi表示第i年的NEP值。Rxy的取值范圍是［-1，1］，其絕對值越接近1代表兩者的相關(guān)性越強(qiáng)，越接近0代表兩者相關(guān)性越弱。Rxygt;0，表示兩者關(guān)系為正相關(guān)，Rxylt;0，表示兩者的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。
采用T檢驗法對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗，公式如下［38］：
（6）
公式（6）中，n為樣本數(shù)，m為自變量個數(shù)。本研究參考顯著性水平［25］將各系數(shù)劃分為不顯著相關(guān)（α≥0.05）和顯著相關(guān)（αlt;0.05）。
1.3.5 模糊伽馬模型 模糊邏輯將數(shù)據(jù)進(jìn)行“模糊”處理，進(jìn)而消除模糊的一種邏輯方式［39］。其主要思路為將地圖或空間地理信息上的空間實體看作隸屬于某個數(shù)據(jù)集的元素，用相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行模糊處"理事物，將經(jīng)典集合特征函數(shù)的值域［0，1］推廣至閉區(qū)間［0，1］［40］。
（1）指標(biāo)模糊化。指標(biāo)模糊化就是將指標(biāo)圖層通過合適的隸屬度函數(shù)映射至［0，1］的值域區(qū)間。在ArcGIS中選用Linear函數(shù)指對輸入圖層進(jìn)行線性變換，在其最大值處隸屬度為1。公式如下［41］：
（7）
式（7）中：X為模糊處理后的值；Xi為指標(biāo)原始值；Xmin為指標(biāo)最小值；Xmax為指標(biāo)最大值。
（2）模糊疊加。模糊伽馬模型通常綜合多個圖層隸屬度，使其綜合結(jié)果處于最大隸屬度與最小隸屬度之間，取得較恰當(dāng)?shù)闹怠１疚倪x用的模型為模糊伽馬模型。公式如下［41］：
（8）
式（8）中：μs為模型的輸出值；μsk為k圖層?xùn)鸥駟卧哪：`屬度，值域為［0，1］；m為輸入圖層數(shù)，本文為4個圖層，分別為青海湖流域多年平均NEP、多年平均植被覆蓋度、多年平均氣溫和海拔柵格圖層；γ可取0～1之間任一值，當(dāng)γ=1時，疊加結(jié)果與模糊代數(shù)和結(jié)果相同；當(dāng)γ=0時，疊加結(jié)果與模糊代數(shù)積結(jié)果相同。本文γ取值0.9。
2 結(jié)果與分析
2.1 2000—2022年青海湖流域凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時空特征
2000—2022年青海湖流域年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力平均值變化結(jié)果顯示（圖2a），近23年年NEP平均值在170.85～240.01 g·m-2·a-1間變化，多年平均NEP值為204.5 g·m-2·a-1；近23年來該流域年NEP平均值總體呈波動增加趨勢，其線性斜率為2.13 g·m-2·a-1（圖2a）。年NEP平均值在2001年和2018年分別出現(xiàn)最小值和最大值（圖2a）。將青海湖流域年NEP平均值按lt;50，50～100，100～200，200～300和gt;300 g·m-2·a-1進(jìn)行分級統(tǒng)計，結(jié)果顯示（圖2b），2000—2022年青海湖流域年NEP平均值大于300 g·m-2·a-1的區(qū)域面積呈波動增加趨勢，其他4個分級區(qū)間的年NEP平均值所占面積百分比呈波動下降趨勢（圖2b）。2022年較2000年青海湖流域年NEP平均值gt;300 g·m-2·a-1區(qū)域的面積百分比增加了16.71%，年NEP平均值lt;50，50～100，100～200和200～300 g·m-2·a-1的區(qū)域面積占比相應(yīng)減少了5.49%，4.73%，4.38%和2.11%（圖2b）。
2000—2022年青海湖流域多年平均NEP值的空間分布結(jié)果顯示（圖3），多年平均NEP值的空間分布除青海湖東岸外，以青海湖為中心環(huán)繞青海湖分布，其值由東南向西北方向遞減。青海湖南岸多年平均NEP值高于北岸，西岸高于東岸。青海湖流域多年NEP平均值大于100 g·m-2·a-1的區(qū)域面積占流域總面積的79.63%，小于100 g·m-2·a-1的區(qū)域占比為20.37%。NEP高值區(qū)主要環(huán)青海湖周邊分布，集中分布在南岸、布哈河下游、哈爾蓋河和甘子河中上游地區(qū)，NEP低值區(qū)主要分布在流域西北部和青海湖東岸部分地區(qū)（圖3）。
2000—2022年青海湖流域NEP空間變化趨勢結(jié)果如圖4a所示，2000—2022年青海湖流域年NEP斜率變化值范圍為-16.72～26.70 g·m-2·a-1。年NEP空間增加趨勢最明顯的地區(qū)主要集中分布在布哈河下游、青海湖南岸和北岸地區(qū)（圖4a）。其中，年NEP斜率值大于0的面積占比為98.18%，斜率值小于0的面積占比為1.82%（圖4a），說明2000—2022年青海湖流域年NEP值在空間上普遍呈增加趨勢。2000—2022年青海湖流域年NEP值變異系數(shù)結(jié)果顯示（圖4b），年NEP值變異系數(shù)在0.03～1.75間變化，平均值為0.14（圖4b）。年NEP值變異系數(shù)小于0.1的區(qū)域主要位于青海湖南岸、泉吉河流域、沙柳河流域、哈爾蓋河流域和甘子河流域的中上游地區(qū)，占流域面積的34.51%，年NEP值變異系數(shù)在0.1～0.15，0.15～0.2和0.2～0.3之間的區(qū)域占比分別為30.08%，28.09%和6.00%，年NEP值變異系數(shù)大于0.3的區(qū)域占比為1.32%。
2.2 青海湖流域不同植被覆蓋度NEP變化特征
本研究以年均植被覆蓋度以10%，30%及50%為界限，將青海湖流域年均植被覆蓋度（FVC）劃分為FVClt;10%，10%≤FVClt;30%，30%≤FVClt;50%和FVC≥50%四個區(qū)間。2000—2022年青海湖流域不同植被覆蓋度年均NEP值逐年變化結(jié)果顯示（圖5a），近23年青海湖流域FVClt;10%和≥50%區(qū)域的年均NEP值呈顯著增加趨勢（Plt;0.05），前者的線性斜率值（0.53 g·m-2·a-1）小于后者（1.03 g·m-2·a-1），10%≤FVClt;30%和30%≤FVClt;50%區(qū)域的年均NEP值無顯著變化趨勢。近23年年均植被覆蓋度從低到高4個區(qū)間年均NEP值變化范圍分別為34.48～53.60 g·m-2·a-1，88.08～120.17 g·m-2·a-1，211.93～260.28 g·m-2·a-1和303.45～359.61 g·m-2·a-1（圖5a），其對應(yīng)的多年平均NEP值分別為41.83 g·m-2·a-1，100.61 g·m-2·a-1，231.26 g·m-2·a-1和326.57 g·m-2·a-1（圖5b）。以上結(jié)果說明近23年青海湖流域年NEP值的增加主要集中在FVClt;10%和≥50%的區(qū)域，單位面積上較高植被覆蓋度區(qū)域具有較高的生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。
2.3 青海湖流域不同生態(tài)系統(tǒng)類型NEP變化特征
2000—2020年5年間隔期青海湖流域主要生態(tài)系統(tǒng)年NEP平均值變化結(jié)果顯示（圖6）。農(nóng)田和森林生態(tài)系統(tǒng)年NEP平均值最大，其值分別為329.10和292.60 g·m-2·a-1，其次為草地（228.82 g·m-2·a-1）和濕地（221.07 g·m-2·a-1）生態(tài)系統(tǒng)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)年NEP平均值最低，為124.81 g·m-2·a-1，說明青海湖流域主要生態(tài)系統(tǒng)均表現(xiàn)為碳匯，單位面積生態(tài)系統(tǒng)年均碳匯功能由強(qiáng)到弱依次為農(nóng)田、森林、草地、濕地和荒漠生態(tài)系統(tǒng)。不同生態(tài)系統(tǒng)年NEP均值在各年份間變化差異不明顯，2010年和2020年各生態(tài)系統(tǒng)年NEP均值高于其他年份，2000年最低（圖6）。
3 討論
3.1 青海湖流域NEP時空分異特征
本研究估算近23年來青海湖流域多年平均NEP值為204.3 g·m-2·a-1，這一數(shù)值顯著高于耿埡鑫等［42］（54.41 g·m-2·a-1）在2001—2019 年和周夏飛等［43］（120.80 g·m-2·a-1）在2001—2015年對青藏高原草地NEP的估算結(jié)果，同時也高于吳東清等［44］（124.72 g·m-2·a-1）在2001—2020年對西藏、劉鳳等［13］（128.40 g·m-2·a-1）在2000—2015年以及冶曉娟等［31］（134.05 g·m-2·a-1）在2000—2020年對青海省的估算結(jié)果。說明除去研究時段和研究區(qū)域的差異外，青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)平均碳匯功能的平均水平高于上述地區(qū)。
青海湖流域多年平均NEP呈東南向西北遞減的空間格局（圖3）。基于青藏高原［42-43］和青海省［13，"31］不同時段的研究均表明在研究期內(nèi)NEP總體呈東高西低，由東南向西北遞減的趨勢，NEP高值區(qū)主要分布在其研究區(qū)域海拔較低和水熱條件較好的東部地區(qū)，如祁連山和青海湖附近區(qū)域［13］；低值區(qū)集中在西北部高海拔高寒草原和荒漠地區(qū)。該趨勢與青海湖流域總體一致。本研究發(fā)現(xiàn)青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)NEP的空間分布格局受氣候因素和海拔的影響表現(xiàn)出較大空間異質(zhì)性，即在水熱條件適宜，海拔較低的地區(qū)碳匯功能強(qiáng)，反之，碳匯功能受限。通過對比2000年和2022年青海湖流域NEP的差值，發(fā)現(xiàn)其值在-389.26～680.64 g·m-2·a-1間波動，平均值為48.95 g·m-2·a-1，差值為正的面積占比為96.91%（圖7a）。NEP差值介于0～50和50～100 g·m-2·a-1間所占比例較大，分別為55.43%和35.18%，多分布于青海湖流域的北部和西北部區(qū)域；NEP差值大于100 g·m-2·a-1的區(qū)域占比為6.3%，集中在青海湖南岸和東南岸；NEP差值為負(fù)的區(qū)域占比僅為3.09%（圖7b），分布在青海湖湖濱帶、湖東岸荒漠地區(qū)和布哈河流域下游。
為深入探究青海湖流域NEP隨海拔的變化趨勢，本研究將海拔高度按100 m高差分為20個梯度，并統(tǒng)計不同海拔下青海湖流域多年平均NEP值及年NEP變化趨勢斜率值（圖8）。結(jié)果表明，近23年青海湖流域多年平均NEP值表現(xiàn)出顯著的海拔效應(yīng)（y=-0.18x+18.27，R2=0.97，Plt;0.01）（圖8a），說明青海湖流域多年平均NEP值隨海拔升高而減小，即海拔每升高100 m，多年平均NEP值減小18 g·m-2·a-1，表明青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能隨海拔升高而減弱。同時，多年平均NEP值的海拔效應(yīng)在不同海拔間表現(xiàn)出顯著的差異性。具體體現(xiàn)為，多年平均NEP值隨海拔升高而減小的幅度在海拔3200～3600 m間（y=-0.07x+516.29，R2=0.69）和4400 m以上（y=-0.08x+422.65，R2=0.94，Plt;0.01）地區(qū)的差異不大，在海拔3600～4400 m間（y=-0.25x+1201.24，R2=0.99，Plt;0.01）其降幅最大（圖8a），說明近23年來青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)多年平均碳匯功能的海拔效應(yīng)在3600～4400 m間相較于其他海拔表現(xiàn)較強(qiáng)。
同樣地，近23年青海湖流域年NEP變化趨勢表現(xiàn)出顯著的海拔效應(yīng)（y=-0.0014x+7.39，R2=0.87，"Plt;0.01）（圖8b），說明青海湖流域年NEP斜率值隨海拔升高而減小，即海拔每升高100 m，其斜率值減小0.14 g·m-2·a-1；年NEP斜率值隨海拔升高而減小的幅度在海拔3200～3600 m間（y=-0.003x+13.25，R2=0.95，Plt;0.01）最大；在海拔3600～4400 m（y=-0.0013x+7.08，R2=0.95，Plt;0.01）和4400 m以上（y=-0.0006x+3.22，R2=0.16）地區(qū)的差異不大（圖8b），說明近23年來青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化幅度整體上隨海拔升高而減弱，在海拔3200～3600 m間變化相比于3600 m以上較快。綜上，青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能在低海拔地區(qū)最強(qiáng)，同時表現(xiàn)出明顯的海拔效應(yīng)，即生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能及其變化幅度總體上隨海拔升高而減小。
氣溫、降水和植被覆蓋度共同塑造了青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能隨海拔遞減的過程。環(huán)青海湖地區(qū)海拔較低，水熱條件較好，相對有利于植被生長，提高植被覆蓋度并增強(qiáng)植被光合作用，吸收更多二氧化碳轉(zhuǎn)化和儲存為有機(jī)物質(zhì)［45］，加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。相反，青海湖流域高海拔地區(qū)由于植被覆蓋相對稀疏和水熱條件較差的特點，導(dǎo)致該區(qū)域碳匯功能受限，對流域整體碳匯的貢獻(xiàn)相對較小。
3.2 青海湖流域NEP變化的影響因素分析
2000—2022年青海湖流域年NEP值與年均氣溫、年降水量與年均植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系及顯著性檢驗結(jié)果顯示（圖9），青海湖流域年NEP值與年均氣溫、年降水量、年均植被覆蓋度的空間相關(guān)系數(shù)分別在-0.61～0.86，-0.66～0.70和-0.58～0.97間變化，平均值分別為0.41，0.19和0.61（圖9a，9b，9c）；年NEP 值與年均氣溫、年降水量、年均植被覆蓋度相關(guān)分析中，通過顯著性檢驗（Plt;0.05）的區(qū)域占比分別為68.34%，15.59%和88.87%，呈顯著正相關(guān)的區(qū)域占比分別為67.97%，15.40%和88.74%，這些區(qū)域分別分布在青海湖流域的高海拔山地區(qū)域、布哈河河谷和青海湖東岸地區(qū)以及布哈河流域和環(huán)青海湖地區(qū)。呈顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域占比分別為0.37%，0.19%和0.13%（圖9d，9e，9f）。這些結(jié)果說明青海湖流域年NEP值與年均氣溫和年均植被覆蓋度在流域空間柵格上以顯著正相關(guān)關(guān)系為主，且年NEP值與植被覆蓋度的相關(guān)性強(qiáng)于氣溫；與年降水量的顯著相關(guān)性較低。近23年青海湖流域年均NEP值與年均氣溫、年降水量和年均植被覆蓋度的線性相關(guān)性結(jié)果說明，年均NEP值與年均氣溫呈顯著正相關(guān)（R2=0.35，Plt;0.05）（圖10a），與年降水量無顯著相關(guān)性（R2=0.1）（圖10b），與年均植被覆蓋度呈極顯著正相關(guān)（R2=0.73，Plt;0.01）（圖10c）。以上結(jié)果說明無論是在像元空間尺度還是在年際時間尺度上，近23年青海湖流域年均NEP值主要受年均植被覆蓋度和年均氣溫的影響，年均NEP值不受水分條件的限制，表明近23年青海湖流域年碳匯強(qiáng)度隨著植被覆蓋度的增大和年均氣溫的升高而增強(qiáng)。
青海湖流域年均NEP與年均植被覆蓋度的空間分布具有高度相似性。近年來青海湖流域植被覆蓋度總體呈波動上升趨勢［46-48］，其中上升趨勢最顯著的地區(qū)集中在布哈河下游河谷、青海湖南岸和北岸地區(qū)，這與本研究結(jié)果近23年來青海湖流域碳匯功能提升最顯著的區(qū)域一致，說明植被覆蓋度增加對青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的提升起促進(jìn)作用。青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)年均NEP與年均氣溫表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，這與劉鳳等［13］和冶曉娟等［31］在青海省開展的研究結(jié)果一致。表明氣溫是控制青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯累積的重要氣候因素。氣溫上升有利于延長植被生長期［49］和提高植被光合作用速率［50］，增加植被碳吸收量［42］，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。這些因素導(dǎo)致氣溫對青海湖流域大部分地區(qū)碳匯功能有著促進(jìn)作用。青海湖流域年均NEP與年降水量相關(guān)性較低，降水量對生態(tài)系統(tǒng)碳匯的促進(jìn)作用不明顯。
從上世紀(jì)70年代開始，在青海湖流域?qū)嵤┝艘幌盗猩鷳B(tài)保護(hù)與修復(fù)措施。1975年，建立青海湖省級自然保護(hù)區(qū)，1997年，建立與實施青海湖國家級自然保護(hù)區(qū)，2003年，環(huán)青海湖地區(qū)2.67×104"ha耕地全部納入退耕還林還草計劃，2008年，啟動實施為期10年的《青海湖流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理規(guī)劃》，2019年，全面納入以青海湖國家公園為主體的自然保護(hù)地體系建設(shè)，2021年，構(gòu)建青海省“兩屏三區(qū)”中的青海湖國家重要生態(tài)安全屏障。自青海湖流域?qū)嵤┥鲜錾鷳B(tài)保護(hù)與修復(fù)措施以來，促進(jìn)了流域林地、草地和濕地良性循環(huán)，逐步提高了植被覆蓋度，尤其是環(huán)湖地區(qū)［48］，明顯改善了生態(tài)環(huán)境，這也增強(qiáng)了青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，如2015—2020年間青海湖北部單位面積固碳量增加了10%［51］。上述措施和結(jié)果均表明繼續(xù)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程，進(jìn)而實現(xiàn)“三增、三減、一不變”，即濕地面積持續(xù)增加、高密度植被覆蓋率持續(xù)擴(kuò)大、青海湖整體生態(tài)功能持續(xù)增強(qiáng)；保護(hù)區(qū)沙地、裸地、鹽堿化土地面積持續(xù)減少；保護(hù)區(qū)內(nèi)保護(hù)功能性用地保持不變加強(qiáng)，這對于增強(qiáng)青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能具有重要意義。
3.3 青海湖流域碳匯生態(tài)分區(qū)
為了實現(xiàn)“三增、三減、一不變”目標(biāo)，本研究采用模糊伽馬模型對各指數(shù)的模糊集進(jìn)行疊加處理，生成青海湖流域碳匯能力圖，對處理結(jié)果運用自然斷點法將其值依次劃分為三個生態(tài)區(qū)域，分別為碳匯鞏固區(qū)、碳匯提升區(qū)和碳匯保護(hù)區(qū)（圖11）。針對不同生態(tài)區(qū)域的碳匯能力及其影響因素提出針對性生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)措施。
碳匯鞏固區(qū)主要分布在青海湖流域布哈河河谷及環(huán)青海湖地區(qū)（除青海湖東岸的沙島外），建議該區(qū)域加強(qiáng)水資源利用效率，強(qiáng)化環(huán)青海湖綠化和生態(tài)屏障建設(shè)；增強(qiáng)青海湖與流域各河流水系的聯(lián)通性，優(yōu)化生態(tài)補(bǔ)水機(jī)制，持續(xù)推進(jìn)與鞏固青海湖生態(tài)護(hù)岸工程的修復(fù)。碳匯提升區(qū)分布在青海湖流域北部、西南和東南地區(qū)，在該生態(tài)區(qū)應(yīng)針對性地實施封育、禁牧和輪牧措施，提高草原植被覆蓋度和草場質(zhì)量；合理控制提升區(qū)載畜量，持續(xù)推進(jìn)草原生態(tài)修復(fù)與碳匯功能增強(qiáng)。碳匯保護(hù)區(qū)集中在流域西北部高海拔和沙島區(qū)域，建議該區(qū)域減少人類活動干擾，在保護(hù)區(qū)邊界、核心區(qū)邊界設(shè)立警示牌，同時可利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、無人機(jī)監(jiān)測和地面監(jiān)測站點相結(jié)合的方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時更新和分析，為及時了解保護(hù)區(qū)動態(tài)和制定保護(hù)策略提供保障。
本研究通過分析2000—2022年青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯的時空格局，變化趨勢和穩(wěn)定性，并對碳匯功能變化的影響因素進(jìn)行討論，研究結(jié)果可為青海湖流域相關(guān)保護(hù)政策的制定與實施提供指導(dǎo)價值。但本研究仍存在一些不足之處，其數(shù)據(jù)主要依賴遙感和模型估算，存在一定不確定性；此外，生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能受多種因素影響，如人類活動、土壤性質(zhì)、植被類型等，目前缺少對這些因素的研究，導(dǎo)致對生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的認(rèn)識較為局限。在未來的研究中，應(yīng)加強(qiáng)實地觀測，增加實地數(shù)據(jù)，驗證和校準(zhǔn)模型估算結(jié)果，將有助于提高研究的準(zhǔn)確性和可靠性；深入研究各種影響因素，綜合分析各因素之間的相互作用及其對生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的綜合影響。
4 結(jié)論
本研究基于遙感產(chǎn)品和土壤異養(yǎng)呼吸模型估算了青海湖流域年NEP，揭示了過去23年流域碳匯功能的時空動態(tài)及其主要影響因素。結(jié)果表明，2000—2022年間青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能多年平均值為204.5 g·m?2·a?1，整體呈現(xiàn)波動上升趨勢，增幅區(qū)域主要集中在布哈河下游及青海湖南北岸。碳匯功能與植被覆蓋度和氣溫顯著相關(guān)，布哈河流域及環(huán)青海湖地區(qū)受植被覆蓋度影響較大，而高海拔山地區(qū)域則主要受氣溫影響，降水量對碳匯功能的影響較小，相關(guān)性顯著區(qū)域僅限于布哈河河谷和青海湖東岸。根據(jù)碳匯功能特點，流域可劃分為碳匯鞏固區(qū)、碳匯提升區(qū)和碳匯保護(hù)區(qū)，并針對不同區(qū)域提出了相應(yīng)的管理策略，以提升碳匯效應(yīng)。
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（責(zé)任編輯""劉婷婷）
引用格式：王江， 曹生奎， 劉振梅，"等.青海湖流域生態(tài)系統(tǒng)碳匯時空格局動態(tài)研究[J].草地學(xué)報，2025，33（3）：936-947
Citation：WANG Jiang， CAO Sheng-kui， LIU Zhen-mei， et al.Dynamic Research on the Spatial and Temporal Patterns of Carbon Sinks in the Ecosystems of the Qinghai Lake Basin[J].Acta Agrestia Sinica，2025，33（3）：936-947
基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（42061008）；青海省“昆侖英才”行動計劃項目（青人才字［2024］1號）資助
作者簡介：王江（1999-），男，漢族，山西呂梁人，碩士研究生，主要從事生態(tài)水文研究，E-mail：347085249@qq.com；*通信作者Author for correspondence，"E-mail："caoshengkui@163.com
