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    汾河中下游土地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧動態(tài)測評

    2018-05-17 04:15:33任志遠(yuǎn)張嘉琪
    關(guān)鍵詞:價值量物質(zhì)量汾河

    張 靜,任志遠(yuǎn),張嘉琪

    (1.陜西理工大學(xué)歷史文化與旅游學(xué)院, 陜西 漢中 723001; 2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710119)

    陸地生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),具有十分重要的生態(tài)調(diào)節(jié)功能[1-4]。在生態(tài)系統(tǒng)形成和演變的過程中,人類從中獲得各種惠益,既有有形的物質(zhì)產(chǎn)品供給,又有無形的服務(wù)提供[5]。其中,生態(tài)系統(tǒng)對氣候的調(diào)節(jié)功能是生態(tài)系統(tǒng)主要服務(wù)功能之一。大氣的調(diào)節(jié)功能主要體現(xiàn)在CO2和O2平衡、O3防紫外線及SO2水平等方面的服務(wù)功能[6-8]。隨著工業(yè)化的發(fā)展,CO2成為引起全球氣候變暖的主要因素。然而陸地植被生態(tài)系統(tǒng)通過植物光合作用,不僅生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì),還吸收空氣中的二氧化碳(CO2),生成葡萄糖等碳水化合物并釋放出氧氣(O2),這種功能被稱作固碳釋氧。該功能對調(diào)節(jié)氣候、平衡CO2和O2濃度具有重要意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的研究,歐陽志云分別運用兩種方法造林成本法和碳稅法、造林成本法和工業(yè)制氧影子價格法,各自計算了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)每年固定CO2的總經(jīng)濟(jì)價值和釋放O2的間接經(jīng)濟(jì)價值,并對兩種不同方法計算的固碳價值量和釋氧價值量進(jìn)行了對比[7]。魯春霞分別運用兩種方法瑞典碳稅法和造林成本法、醫(yī)用制氧影子價格法和造林成本法測算了青藏高原不同生態(tài)系統(tǒng)的固碳價值量和釋氧價值量[9]。任志遠(yuǎn)、趙同謙等分別運用造林成本法和工業(yè)制氧法計算了不同區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳價值量和釋氧價值量[10-11]。總的來看,測算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值是當(dāng)前生態(tài)學(xué)與生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點問題。碳稅法、造林成本法和影子價格法是固碳釋氧價值量測算常用方法。其中,固碳價值量計算法中碳稅法結(jié)果大于造林成本法,釋氧價值量計算中制氧影子價格法結(jié)果大于造林成本法。汾河中下游流域為黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)的流域單元,不僅是山西省重要的水源涵養(yǎng)地,也是其重要的人口密集區(qū)、糧棉主產(chǎn)區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)。近年來隨著城市規(guī)模的快速擴(kuò)張,人口的持續(xù)增長,以及社會對能源需求量的急增,流域內(nèi)煤炭資源大量開采,經(jīng)濟(jì)開發(fā)力度不斷增強(qiáng),導(dǎo)致了水資源減少、氣候干旱,生態(tài)環(huán)境惡化。目前,關(guān)于汾河中下游流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的研究還相對較少。本文通過定量方法對汾河中下游流域生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧價值進(jìn)行測評,研究和揭示不同土地利用格局對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能造成的影響及演變規(guī)律性,對科學(xué)準(zhǔn)確地評價流域內(nèi)乃至黃土高原區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值的作用機(jī)制具有重要意義,對實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展,為促進(jìn)人類社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

    1 數(shù)據(jù)與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    汾河中下游流域位于山西省的中南部,地貌上屬于汾河谷地的一部分,河流主要流經(jīng)地塹縱谷與盆地,地勢平坦,水資源相對豐富,土壤肥沃,水熱條件好,被譽(yù)為“山西糧倉”。地處中緯度內(nèi)陸,為東部季風(fēng)氣候區(qū)與蒙新高原氣候區(qū)的過渡地帶,是半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),南北差異及季節(jié)差異較大,平均氣溫在7℃~15℃之間,冬春季節(jié)常受到蒙古高原南下寒潮的影響,寒冷干燥;夏季高溫多雨,降水集中。1月平均氣溫為-9.7℃~-2.6℃,7月平均氣溫20.0℃~26.8℃,春溫高于秋溫。年平均降水量在390~480 mm之間,且全年70%的降水量集中在6—9月。日照時數(shù)最多月份出現(xiàn)在5、6月份,最少出現(xiàn)在2月份。共轄榆次市、平遙縣等20個縣6個市轄區(qū),見圖1。土地面積約258.6萬hm2,占山西省土地面積的16.49%,人口密集,經(jīng)濟(jì)文化發(fā)達(dá),煤炭資源豐富。

    圖1研究區(qū)位置、DEM和氣象站點

    Fig.1 Location, DEM and meteorological stations of the study area

    1.2 數(shù)據(jù)來源

    Landsat TM遙感影像來自國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺,時間選取2000年和2010年,解譯得到土地利用數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)來源于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局聯(lián)合測量的SRTM3數(shù)據(jù),空間分辨率為90 m;SPOT-NDVI數(shù)據(jù)集來自比利時弗萊芒技術(shù)研究所,空間分辨率為1 km的旬?dāng)?shù)據(jù),時間為2000—2010年。氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng),選取2000—2010年研究區(qū)及其周邊完整且均勻分布的26個氣象站點的旬值、月值的氣溫、降水、日照時數(shù)及日照輻射數(shù)據(jù)資料,其它空間數(shù)據(jù)來自1∶400萬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

    1.3 測評模型

    1.3.1 凈第一性生產(chǎn)力計算模型 植被凈第一性生產(chǎn)力(net primary productivity, NPP)是指在單位面積和單位時間上,綠色植物積累的有機(jī)物質(zhì)量。它是生態(tài)系統(tǒng)功能狀況的重要指標(biāo),反映了氣候變化及人類活動對陸地植被覆蓋綜合作用的結(jié)果[4,6,12-13]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對比研究了植被凈第一性生產(chǎn)力幾種模型的評估效果[14],常用模型有建立的植物生理生態(tài)學(xué)特點與水熱平衡關(guān)系的模型[15],目前在估算植被凈第一性生產(chǎn)力的模型中,光能利用率模型在大尺度植被凈第一性生產(chǎn)力的估算研究中被廣泛應(yīng)用[16-17]。具體模型如下:

    NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

    APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

    FPAR(x,t)=(FPAR(x,t)NDVI+FPAR(x,t)SR)/2

    FPAR(x,t)NDVI=

    FPAR(x,t)SR=

    SR(x,t)=(1+NDVI(x,t))/(1-NDVI(x,t))

    ε(x,t)=f1(x,t)×f2(x,t)×w(x,t)×εmax

    f1(x,t)=0.8+0.02×Topt(x)-0.0005×[Topt(x)]2

    Wε(x,t)=0.5+0.5×E(x,t)/Ep(x,t)

    上述公式中,APAR(x,t)表示t月份像元x處的光合有效輻射(MJ·m-2),ε(x,t)表示t月份像元x處的實際光能利用率(g C·MJ-1)。

    表1 主要指標(biāo)和參數(shù)的含義[4,17]

    注:當(dāng)月均溫T(x,t)≤-10℃時,f1=0;當(dāng)T(x,t)比Topt(x)低13℃或高10℃時,f2等于最適溫度Topt(x)時f2值的一半。

    Note: if the monthly mean temperature of T(x,t)≤-10℃, f1=0; when T(x,t) is 13℃ less than Topt(x) or 10℃ more than Topt(x), f2is equal to half of the optimum temperature Topt(x).

    1.3.2 固碳釋氧測評模型 植物進(jìn)行光合作用的同時,吸收CO2,釋放O2和生成有機(jī)物質(zhì)。其化學(xué)反應(yīng)方程式為:6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2。該測算以植被NPP物質(zhì)量為依據(jù),運用光合作用方程,生產(chǎn)1 kg有機(jī)物能固定1.63 kg的CO2和釋放1.2 kg的O2,從而得出固碳釋氧物質(zhì)量。再運用造林成本法、工業(yè)制氧影子價格法分別估算固定碳和釋放氧氣的價值量。本研究按照固定每噸CO2和釋放每噸O2的成本價格標(biāo)準(zhǔn)分別為260.9 元·t-1和352.93 元·t-1[4,6]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 凈第一性生產(chǎn)力物質(zhì)量測評

    綠色植被通過光合作用,對調(diào)節(jié)區(qū)域氣候,改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。本研究基于遙感數(shù)據(jù)的光能利用率模型,計算了汾河中下游流域2000和2010年不同土地利用類型的NPP物質(zhì)量。首先根據(jù)植被類型的特點,將土地利用類型合并為四大類:耕地、林地、草地和其他用地;然后采用不同土地類型NPP計算方法,得到相應(yīng)土地利用類型的NPP物質(zhì)量;最后分別求得2000年和2010年的NPP總物質(zhì)量,見表2和圖2。

    土地利用結(jié)構(gòu)和相關(guān)氣象要素的變化使研究區(qū)2000年和2010年的NPP總物質(zhì)量發(fā)生變化,分別為549.76萬t和650.26萬t。10年間NPP物質(zhì)總量共增加了18.3%,見表2。其中耕地的NPP總物質(zhì)量占研究區(qū)總物質(zhì)量的50%以上。10年間耕地的NPP總物質(zhì)量是增加的,但其占研究區(qū)NPP總物質(zhì)量的比例由2000年的54.46%下降為2010年的50.73%;林地的NPP總物質(zhì)量凈增加10.22萬t,但當(dāng)年林地NPP總物質(zhì)量占研究區(qū)NPP總物質(zhì)量的比例由2000年的22.58%下降到20.66%;草地的NPP總物質(zhì)量10年間凈增加44.78萬t;其他用地凈增加15.01萬t,當(dāng)年其他用地NPP總物質(zhì)量占研究區(qū)NPP總物質(zhì)量的比例由2000年的0.83%上升到3.01%,見圖2。從絕對數(shù)量上,各類用地NPP總物質(zhì)量是增加的,但從分布比例來看,林地和耕地總物質(zhì)量比例在下降,草地和其他用地總物質(zhì)量比例在增加。從單位面積來看,各類用地單位面積NPP物質(zhì)量均有所增加,但2010年耕地的單位面積NPP物質(zhì)量最大,2000年林地的單位面積NPP物質(zhì)量最大。即2000年各土地利用類型單位面積物質(zhì)量的排序是:林地>耕地>草地>其他用地。2010年的排序是:耕地>林地>草地>其他用地??傮w來看,不同年份不同土地利用類型的單位面積NPP物質(zhì)量會產(chǎn)生差異。由于單位面積NPP物質(zhì)量和土地利用結(jié)構(gòu)的變化,不同土地利用類型的總物質(zhì)量也會隨著時間推移發(fā)生變化。

    表2 汾河中下游流域各土地類型的NPP物質(zhì)量

    圖2汾河中下游流域不同土地利用類型NPP物質(zhì)量分布比例

    Fig.2 Distributing ratio of NPP on different land types in Middle and Lower Reaches of Fenhe River Basin

    由于土地利用結(jié)構(gòu)在空間分布上的不均勻性,單位面積NPP物質(zhì)量也會存在空間差異,并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。2000—2010年間單位面積NPP物質(zhì)量高值區(qū)基本都分布在汾河下游地區(qū)的臨汾盆地和運城盆地,見圖3。汾河下游土地利用類型以耕地為主,由于地勢低平、氣候溫和、熱量較為充足、土壤肥沃,使得農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá),是山西省主要的糧棉產(chǎn)區(qū);單位面積NPP物質(zhì)量次高的地區(qū)分布在研究區(qū)北部的晉中盆地,如壽陽縣、太谷縣、榆次市、平遙縣等;研究區(qū)的東西部為山區(qū)丘陵地區(qū),林地和草地分布較為廣泛,單位面積NPP物質(zhì)量也不是最低;單位面積NPP物質(zhì)量最低值基本分布在城市建設(shè)用地較為密集的地區(qū)和煤礦聚集區(qū),如清徐縣的西山煤田,霍州市、汾西縣的霍山煤田等。整體來看,單位面積NPP物質(zhì)量在南部臨汾盆地和運城盆地變化規(guī)律較為穩(wěn)定,且單位面積NPP物質(zhì)量最高;中部的汾西縣、霍州市、靈石縣、交口縣、孝義市、介休市、汾陽縣在2000—2010年間空間變化較為復(fù)雜,可能是由于研究期內(nèi)流域的水熱條件、光照條件差異以及人為改造自然環(huán)境的強(qiáng)度增加,尤其是城市化進(jìn)程的加速,使得NPP的空間分布有所不同。

    圖3汾河中下游流域NDVI、土地利用類型和單位面積NPP物質(zhì)量空間分布圖

    Fig.3 Spatial distribution of NDVI, land type and NPP per unit area in Middle and Lower Reaches of the Fenhe River Basin

    2.2 固碳釋氧物質(zhì)量測評

    根據(jù)固碳釋氧測評模型,得出2000年和2010年固碳釋氧物質(zhì)量,見表3。2000年和2010年汾河中下游流域固定CO2的總物質(zhì)量分別為897.56萬t、1061.56萬t,釋放O2的物質(zhì)量分別為661.15萬t、780.74萬t。2000—2010年間固定CO2和釋放O2的物質(zhì)量均呈增長趨勢,分別凈增加164.0萬t和119.59萬t,增加了18.27%和18.09%。其中,對比2000年,研究期內(nèi)耕地固定CO2的物質(zhì)量凈增49.87萬t,增加了為10.2%,林地固定CO2的物質(zhì)量凈增16.61萬t,增加了8.19%,草地固定CO2凈增加73.13萬t,增加了36.88%。各類土地釋放O2物質(zhì)量也存在差異性。對比2000年釋放氧O2物質(zhì)量,2010年耕地、林地、草地分別凈增36.31萬t、11.63萬t和53.74萬t,增長率為10.09%、7.77%和36.77%。土地利用類型不同單位面積固碳釋氧物質(zhì)量也存在差異性。2000年不同土地利用類型單位面積上固定CO2和釋放O2的物質(zhì)量排序為:林地>耕地>草地>其他類型;而2010年則為:耕地>林地>草地>其他類型。而總物質(zhì)量均是耕地大于林地。總之,釋氧O2物質(zhì)量隨著固定CO2物質(zhì)量的增加而增加,但釋氧O2物質(zhì)量增長率始終小于固定CO2物質(zhì)量的增長率。由于氣象要素的變化和人類活動強(qiáng)度的增加,耕地單位面積固碳釋氧物質(zhì)量是增加,而林地是減小的,林地和耕地對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響和氣候的調(diào)節(jié)作用明顯增強(qiáng)。

    表3 汾河中下游流域不同土地利用類型固碳釋氧物質(zhì)量

    2.3 固碳釋氧價值量測評

    根據(jù)汾河中下游流域的固碳釋氧物質(zhì)量,分別采用造林成本法和工業(yè)制氧法估算出不同土地利用類型固碳釋氧的價值量,造林成本標(biāo)注為260.9 元·t-1和工業(yè)制氧法標(biāo)注為352.93 元·t-1[4,6],見表4。汾河中下游流域固碳釋氧價值量由2000年的467.38×107元增加到552.24×107元,凈增84.86×107元,增長率為18.16%。固碳釋氧物質(zhì)量與價值量呈正相關(guān),即物質(zhì)量高的地區(qū)價值量也高。2000年單位面積上固碳釋氧價值量由大到小的排列順序為:林地>耕地>草地>其他用地,2010年單位面積上固碳釋氧價值量耕地大于林地,耕地單位面積固碳釋氧價值量為2 200.11 元·hm-2·a-1,林地為2 158.55 元·hm-2·a-1。可能在于2000—2010年間農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,耕地單位面積上的產(chǎn)量大大提高,導(dǎo)致固碳釋氧能力的增強(qiáng)。而林地景觀的退化和破碎化,會造成固碳釋氧能力的下降。

    表4 汾河中下游流域各土地利用類型固碳釋氧價值量

    同時,文中采用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計法,以縣級行政單位為單元,統(tǒng)計了汾河中下游26個縣區(qū)2000年和2010年的單位面積固碳釋氧價值量和固碳釋氧價值總量,見表5。2000—2010年間各縣市的單位面積固碳釋氧價值量大于單位面積NPP的價值量,因此固碳釋氧總價值量同步大于NPP總價值量。2000年和2010年萬榮縣的單位面積NPP價值量和單位面積固碳釋氧價值量均最高,單位面積NPP價值量分別為745.65 元·hm-2·a-1和846.95 元·hm-2·a-1,凈增101.3 元·hm-2·a-1;單位面積固碳釋氧價值量分別為2 730.10 元·hm-2·a-1和3 101.02 元·hm-2·a-1,凈增370.92 元·hm-2·a-1。其次是新絳縣和曲沃縣,新絳縣單位面積NPP價值量分別為708.48 元·hm-2·a-1和832.89 元·hm-2·a-1凈增124.41 元·hm-2·a-1;單位面積固碳釋氧價值量分別為2 594.01和3 049.52,凈增455.51 元·hm-2·a-1。曲沃縣單位面積NPP價值量分別為677.95 元·hm-2·a-1和740.09 元·hm-2·a-1,凈增62.14 元·hm-2·a-1;單位面積固碳釋氧價值量分別為2 482.23 元·hm-2·a-1和2 709.76 元·hm-2·a-1,凈增227.53 元·hm-2·a-1。然而介休市的單位面積NPP價值量和單位面積固碳釋氧價值量均最低。從NPP價值總量和固碳釋氧價值總量來看,壽陽縣最高,其次是洪洞縣,最低的是侯馬市。主要在于研究范圍內(nèi)壽陽縣所轄面積最大200.7×103hm2,洪洞縣是141.6×103hm2,侯馬市只有21.0×103hm2??傮w來看,汾河下游縣區(qū)單位面積NPP價值量和單位面積固碳釋氧價值量高,汾河中游城市化發(fā)展速度快的單位面積NPP價值量和單位面積固碳釋氧價值量低。

    表5 汾河中下游流域各縣市NPP和固碳釋氧價值量

    3 結(jié)論與討論

    本文基于CASA模型測算了流域生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力和其固碳釋氧量。2000—2010年流域生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值量和NPP物質(zhì)量呈增加趨勢,表明近年來氣候變化和人類活動改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境。2000年以來,汾河中游地區(qū)經(jīng)歷了快速城市化進(jìn)程,城鎮(zhèn)面積不斷擴(kuò)大。而汾河下游地區(qū)盆地面積廣,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)。水熱條件好、生態(tài)型用地面積廣的區(qū)域固碳釋氧量和NPP物質(zhì)量就高,水熱條件差,建設(shè)用地面積增加快的區(qū)域固碳釋氧量和NPP物質(zhì)量就低,在一定程度上景觀的退化和破碎化,也會影響到區(qū)域單位面積固碳釋氧量的變化,表明流域固碳釋氧經(jīng)濟(jì)價值的空間分布特征與土地覆被利用類型、水熱條件以及人類活動密切相關(guān),未來勢必加強(qiáng)中游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)工作。

    通過以上分析,得到如下結(jié)論:

    1) 2000—2010年汾河中下游流域土地生態(tài)系統(tǒng)NPP物質(zhì)量時空分布差異大。2000—2010年間NPP物質(zhì)總量共增加了18.3%,各土地利用類型的NPP物質(zhì)量均有所增加。流域內(nèi)耕地面積占優(yōu)勢,NPP物質(zhì)總量也高,耕地的單位面積NPP物質(zhì)量有所上升,基本分布在汾河下游的臨汾盆地和運城盆地。主要在于該區(qū)域地勢低平、氣候溫和、熱量較為充足、土壤肥沃,以耕地為主,農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá),是山西省主要的糧棉產(chǎn)區(qū)。

    2) 從固碳釋氧物質(zhì)量來看,釋放O2物質(zhì)量隨著固定CO2物質(zhì)量的增加而增加,但釋放O2物質(zhì)量增長率始終小于固定CO2物質(zhì)量的增長率。其中耕地、林地和草地固定CO2的物質(zhì)量在10年間分別增加了10.2%、16.61%和36.88%;2010年林地單位面積固碳釋氧物質(zhì)量的降低,可能在于林地景觀的退化和破碎化,造成固碳釋氧能力的下降。

    3) 從固碳釋氧價值量來看,由2000年的467.38×107元增加到552.24×107元,凈增84.86×107元,增長率為18.16%??h域統(tǒng)計中,汾河下游縣區(qū)單位面積NPP價值量和單位面積固碳釋氧價值量高,而汾河中游城市化發(fā)展速度快的縣區(qū)價值量低。

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