中國西北乾旱區植被碳匯估算及其時空格局

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)的研究報告指出，大氣中二氧化碳的濃度從工業革命前1705年的278mL/m3增加到了2011年的391mL/m3，增加了40%。CO2濃度的持續升高致使全球平均氣溫不斷提升，繼而引發了一系列氣候和環境問題,對人類的生存和發展產生了重要影響,碳循環研究引起了全球科學家和各國政府的強烈關注。陸地生態系統是全球碳循環的重要組成部分,也是大氣CO2進入陸地圈的主要平台,且最易受到氣候變化和人類活動的強烈干擾。 如果生態系統固定的碳量大於排放的碳量，認為該生態系統為大氣 CO2的匯，簡稱碳匯,反之，則為碳源。

乾旱區約佔地球陸地面積的 30%左右，其生態系統的植被碳匯在全球的碳平衡中具有重要的地位。中國西北乾旱區深居內陸,嚴酷的氣候環境導致生態系統生產能力普遍低下，系統自我調控能力較低，生態系統表現出極端的敏感性和脆弱性。因此，研究中國西北乾旱區陸地生態系統的植被碳匯，分析其時空變化規律，可以為全球中高緯度地區陸地生態系統植被碳匯研究提供科學借鑒。基於以上原因，本文以遙感數據、氣象站點觀測數據、GIS本底數據及植被類型數據等為基礎，利用CASA模型和土壤微生物呼吸模型，對中國西北乾旱區 2001—2012年的碳匯進行估算，並分析其時空演變格局，以期為中國溫室氣體減排計劃和區域生態系統保護措施的制定、實施提供決策參考。

西北乾旱區分為兩個自然地區和八個自然區(圖1)。為了保證空間插值精度，共選取研究區內及周邊的常規氣象站314個，太陽輻射監測站點48個，將植被類型歸併為針葉林、闊葉林、灌木林地、草原、農田、荒漠、水體及無植被地段8類（圖2）。

圖1 中國西北乾旱區自然區劃

圖2 西北乾旱區氣象站點和植被分布示意圖

圖3所示為12年間植被凈初級生產力NPP平均值的空間分布。總體來看，年內NPP隨季節具有明顯的規律性變化，NPP值較高的月份主要出現在 3—9月。7月時NPP達到最大值，12月的NPP值最低。NPP年平均值在12年間表現出波動中上升的趨勢。

圖3 2001—2012 年西北乾旱區 NPP 平均值的空間分布

2001—2012年的植被碳匯(NEP)的分布見圖4。2001—2012年西北乾旱區的植被碳匯總體呈現波動性上升的趨勢，從植被碳匯的年平均值來看，2006 年碳匯最小，2012 年最大。植被碳匯的年際變化不大。從各月碳匯的平均值來看，碳匯月平均值與NPP具有較大差異，2001 年、2004年和 2009 年的月植被碳匯最大值出現在5月，2005年、2006年、2008年和2010年月碳匯最大值出現在6月，其餘年份月碳匯最大值均出現在7月。

圖4 2001—2012 年植被碳匯空間分布圖

計算2001—2012年西北乾旱區陸地生態系統的植被碳匯平均值及標準差(圖 5)。西北乾旱區的植被碳匯總體上呈現自西向東逐漸增加的趨勢,中、西部廣泛分布著戈壁、沙漠、裸岩石礫地、稀疏草地等土地類型，植被稀疏，碳匯量很少，東部則分布有較多的溫帶草原和森林，以及小部分高質量的農田，碳匯量較大。從植被碳匯年際變化的標準差空間分布圖來看，大部分地區的碳匯年際波動均不大，變化較大的區域主要分布於阿爾泰山、天山、吐哈地區、呼倫貝爾地區、塔城地區以及塔里木盆地北緣的阿克蘇、沙雅、尉犁等綠洲。究其原因，一方面，綠洲地區的耕地不同於草原、森林等植被，地表植被覆蓋年際、年內變化大；另一方面，山地區域地形複雜，地表覆蓋類型多樣，景觀相對較為破碎，易受氣象等因素的影響而發生變化。

圖5 西北乾旱區植被碳匯量及其標準差空間分布

植被碳匯多年平均值最大的區域為西遼河流域草原區，其次是阿爾泰山山地草原針葉林區、內蒙古乾草原荒漠草原區和鄂爾多斯高原乾草原、荒漠草原區；植被碳匯平均值最小的區域是塔里木盆地暖溫帶荒漠區。植被碳匯空間差異最大的自然區均為山地區，天山山地草原及針葉林區和阿爾泰山山地草原針葉林區；阿拉善高原溫帶荒漠區內部碳匯的空間差異最小。研究區各植被覆蓋類型碳匯能力大小依次為針葉林>農田>灌叢>闊葉林>草原>荒漠。

受遙感數據本身的誤差及遙感模型中關鍵參數的不確定性等因素的制約,單純的遙感方法存在一定誤差，通過降尺度等方法將遙感數據與地面觀測資料的優勢結合起來，應是下一步研究的重點。

註：本文發表於《生態學報》2015年第23期，歡迎轉載、閱讀、引用！

封面照片：2017年7月拍攝於甘肅省民樂縣祁連山區。

（編輯：大年）

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