基于土地利用/覆被變化的荒漠綠洲碳儲量動態(tài)評估

孔君洽, 楊 榮,*, 蘇永中,付志德

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,臨澤內(nèi)陸河流域綜合研究站, 蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 國家林業(yè)局甘肅瀕危動物保護(hù)中心, 武威 733000

人類活動對氣候變化的影響是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境面臨的緊迫挑戰(zhàn)之一,土地利用/覆被變化(Land Use and Cover Changes,LUCC)作為人類活動影響氣候變化最直接的表現(xiàn)形式,其對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響已成為當(dāng)前氣候變化研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容[1- 3]。LUCC可以通過改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來影響生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程[4],同時土地覆被變化過程中往往伴隨著大量的碳交換,影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存和釋放[5- 6]。據(jù)IPCC報告[7],LUCC每年導(dǎo)致的碳排放量為1.5×109t,已成為僅次于化石燃料燃燒的第二大溫室氣體排放源,同時IPCC報告也指出LUCC是導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存的主要因素。研究發(fā)現(xiàn),近年來中國LUCC導(dǎo)致碳儲量每年約增加0.24×109—0.61×109t,其中頻繁的農(nóng)林活動對碳收支產(chǎn)生的影響不容忽視[8]。然而在區(qū)域碳收支的估算中,LUCC仍是估算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲存和釋放的最大不確定因素[9]。因此,精確評估LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響,尋求更為合理的土地利用方式及管理,對平衡區(qū)域碳收支狀況和理解人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義。

在探究區(qū)域氣候變化和人類活動對環(huán)境的影響過程中,對土地利用生態(tài)效應(yīng)的研究逐漸深入,有關(guān)LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支影響的研究也日趨增加[4]。在研究區(qū)域方面,國外學(xué)者通常關(guān)注大洲或國家層面[10- 11]的LUCC對碳收支的影響,如Houghton等[10]結(jié)合歷史土地利用變化數(shù)據(jù)與陸地碳循環(huán)模型計算美國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支變化,Hirsch等[11]對巴西亞馬遜地區(qū)森林干擾和森林恢復(fù)兩類主要土地利用變化造成的碳儲量變化進(jìn)行研究。我國學(xué)者更多關(guān)注流域、省域[12- 13]及鄉(xiāng)村、農(nóng)林交錯帶、喀斯特地區(qū)、黃土丘陵區(qū)[14- 17]等典型生態(tài)區(qū)LUCC的碳儲存與碳釋放變化特征；如魏文佳等[12]對比研究太湖流域和呼倫湖流域所有土地利用類型的碳庫變化,揣小偉等[13]以江蘇省為研究對象綜合考慮整個生態(tài)系統(tǒng)來探討LUCC對植被和土壤碳儲量的影響。在研究方法方面,一些學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計模型、IPCC清算法[12]、遙感模型[18]以及TEM、LPJ等[19- 20]生態(tài)系統(tǒng)過程模型來探討LUCC對碳收支的影響。Houghton等[10,21- 24]根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)和不同的地理區(qū)設(shè)定固定參數(shù)建立的“薄記”(Bookkeeping)模型為最常見的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計模型,該模型經(jīng)過多年修正完善不僅被廣泛應(yīng)用于美國[10]、中國[25]、中亞[26]等大尺度區(qū)域,也對具有獨(dú)特地理環(huán)境特征的典型區(qū)域研究最為行之有效。除上述基于不同區(qū)域和方法的研究外,還有一些研究著重探討不同的土地利用類型的轉(zhuǎn)換對植被或者土壤碳儲量的影響,如Guo等[27]揭示草地和原始森林轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち旨稗r(nóng)田后土壤碳儲量的變化特征。雖然此類研究從不同角度探討了LUCC對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響,但有關(guān)干旱半干旱區(qū)LUCC對碳收支影響的研究較為缺乏,對支撐干旱半旱區(qū)的獨(dú)特地理單元荒漠綠洲的研究更是為之甚少,這限制了全面理解生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的多樣性。

自20世紀(jì)50年代以來,中國西北干旱區(qū)持續(xù)的綠洲農(nóng)業(yè)土地開發(fā)使土地覆被發(fā)生了顯著變化[28]。以河西走廊中段臨澤荒漠綠洲為例,在過去35年流域水土資源開發(fā)致使綠洲面積增加了近1.5倍[29],這種在干旱氣候條件下以荒漠為基質(zhì),依托水分條件發(fā)育的獨(dú)特綠洲景觀,迭加了自然植被生態(tài)體系與人工生態(tài)體系,其植被和土壤碳密度狀況有別于其他地區(qū)[30]。因此,本研究選擇河西走廊中段荒漠綠洲區(qū)臨澤縣,結(jié)合土地利用和植被、土壤碳密度數(shù)據(jù),基于Bookkeeping模型研究干旱荒漠綠洲區(qū)LUCC對碳儲量的影響,在客觀評估區(qū)域碳儲量狀況的基礎(chǔ)上,以期理解荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)LUCC對區(qū)域碳循環(huán)的響應(yīng)機(jī)制,為區(qū)域合理的土地利用管理和決策提供參考依據(jù),有利于荒漠綠洲區(qū)甚至干旱區(qū)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為河西走廊中段臨澤縣(99°51′—100°30′E,38°57′—39°42′N),隸屬于甘肅省張掖市,總面積為2679 km2(圖1)。該區(qū)為典型的荒漠綠洲過渡帶,內(nèi)部以綠洲為主,綠洲外圍分布著大面積的荒漠和戈壁。本區(qū)為典型的溫帶大陸性荒漠氣候,年平均氣溫為7.7℃,多年平均降水量為118 mm,年平均潛在蒸散量達(dá)2390 mm,無霜期165 d。主要地帶性土壤類型為灰棕漠土和灰鈣土,綠洲北部邊緣由于與巴丹吉林沙漠南緣相接,長期受到風(fēng)沙侵襲,形成非地帶性的沙質(zhì)土；近幾十年來開墾的綠洲農(nóng)田通過不同形式的田間管理,形成了灌淤旱耕人為土。林地以人工林地和河岸樹林為主,主要樹種為小葉楊、紅柳、沙棗、梭梭等；荒漠戈壁植被稀少,以紅砂、泡泡刺、豬毛菜、堿蓬等為主；耕地以種植玉米、小麥為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)

以TM、ETM為數(shù)據(jù)源,經(jīng)過幾何校正、輻射校正、影像增強(qiáng)和圖像裁剪等預(yù)處理,基于ENVI遙感圖像處理軟件目視解譯出1987、1996、2005和2016年4期土地利用/覆被變化數(shù)據(jù),經(jīng)精度評價Kappa系數(shù)分別為73.78%、79.88%、80.46%和82.86%。在便于碳儲量計算的前提下,根據(jù)中國科學(xué)院土地利用覆蓋分類體系整合不同等級土地利用分類信息,將研究區(qū)分為林地、耕地、水體、裸地及裸巖、居民及建設(shè)用地、荒漠草地、鹽堿地和沙地8種土地利用類型,其中高覆蓋草地、灌木林地歸為林地。最后利用Arcgis 10.0計算出1987—1996年、1996—2005年和2005—2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣獲取土地利用轉(zhuǎn)移面積數(shù)據(jù)。

1.2.2 土壤與植被碳密度數(shù)據(jù)

本研究中植被和土壤碳密度數(shù)據(jù)采用實(shí)地采樣和文獻(xiàn)獲取相結(jié)合的方法,參考文獻(xiàn)的研究區(qū)均為臨澤荒漠綠洲區(qū)(表1)。對實(shí)地采樣的土壤數(shù)據(jù),每種土地利用類型采用環(huán)刀法按樣方取0—20 cm土樣測定土壤容重,同時將風(fēng)干后的土壤樣本過篩后重鉻酸鉀外加熱法測土壤有機(jī)碳含量。其中土壤有機(jī)碳密度(g/m2)計算方法如下：

Cd=0.58×C×h×ρ×103

式中,常數(shù)0.58為土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換成土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)換系數(shù)；C為樣品土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)；h品土壤有機(jī)質(zhì)含量為土層厚度(h=0.2 m)；ρ為土壤容重(g/cm3)。

表1 不同土地覆被類型植被和土壤碳密度

#該文獻(xiàn)提供的植被碳密度只代表地上部分,利用根冠比計算植被碳密度[36]；*該文獻(xiàn)提供的生物量采樣0.43的轉(zhuǎn)化系數(shù)轉(zhuǎn)化為植被碳密度

對實(shí)地采樣的植被數(shù)據(jù),喬木生物量的獲取采用IPCC森林生物量估算法[37- 38],灌木和草本按樣方取樣后清洗干凈陰干后測定鮮重,烘干至恒重記錄其生物量干重；喬木、灌木、草本分別采取0.520、0.445、0.327碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)[39]轉(zhuǎn)化為碳密度。本文林地、草地植被碳密度取二者平均值。

1.3 研究方法

本研究應(yīng)用Bookkeeping模型計算LUCC導(dǎo)致的碳儲量變化量,模型定義的主要土地利用變化(干擾)包括：開墾耕地和牧場、棄耕、木材采伐、造林及轉(zhuǎn)變種植。Bookkeeping模型計算的碳儲量變化量ΔC可以用如下公式表達(dá)：

式中,N為研究年限；T表示碳密度達(dá)到穩(wěn)定時所需要的時間；ΔSOCt為第t年土壤碳儲量變化量；ΔVCt為第t年植被碳儲量變化量。

1)研究時段內(nèi)第t年LUCC導(dǎo)致的土壤碳儲量變化量

式中,i,j表示土地利用/覆被類型；m表示土地利用/覆被類型；總數(shù)n表示第n年,0≤n≤t；Ai,j,n表示第n年土地利用/覆被類型i向j轉(zhuǎn)換的面積,SDi,j,t表示土地利用/覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的土壤碳密度變化速率,表示如下：

SDi,j,t=(SDi,j,t2-SDi,j,t1)/(t2-t1)

式中,SDi,j,t2、SDi,j,t1為土地利用/覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1不同生長或恢復(fù)階段的土壤碳密度,t1≤t≤t2。

2)研究時段內(nèi)第t年LUCC導(dǎo)致的植被碳儲量變化量

ΔVCt=ΔVC原地-ΔVC移走

式中,ΔVC原地為第t年留在原地的植被碳儲量變化量；ΔVC移走為第t年移走的植被碳儲量變化量。

式中,VDi,j,t表示土地利用/覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的植被碳密度變化速率:

VDi,j,t=(VDi,j,t2-VDi,j,t1)/(t2-t1)

式中,VDi,j,t2,VDi,j,t1為土地利用/覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1兩個不同生長或恢復(fù)階段的植被碳密度,t1≤t≤t2。

式中,VDi表示土地利用/覆被變化i的植被碳密度,ak表示xk年氧化速率的植被碳儲量占總碳儲量的比例；本文假設(shè)其利用方式僅為焚燒薪柴,且氧化速率為1年。綜上,Bookkeeping所需參數(shù)如表2。

表2 Bookkeeping模型參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)近30年土地利用/覆被變化特征

研究區(qū)土地利用類型以荒漠草地、耕地、裸土裸巖和沙地為主,占研究區(qū)土地面積的90%以上,水體、居民及建設(shè)用地和林地僅占4%左右。在1987—2016年的30年間,耕地、林地和居民及建設(shè)用地面積呈增加趨勢,分別增加269.42、17.04 km2和15.49 km2,增幅分別為75%、46.5%和90.2%,其中耕地增加面積最多,但增幅最高的為居民及建設(shè)用地,其次為耕地；沙地、鹽堿地、荒漠草地及水體呈減少趨勢,面積分別減少114.59、94.41、63.23 km2和36.47 km2,減幅分別為46.2%、73.9%、5.5%和67.8%,其中沙地減少面積最多,但減幅最高的為鹽堿地,其次為水體和沙地,荒漠草地占研究區(qū)面積比重最大但減幅最小(圖2,表3)。

對比研究區(qū)不同時段土地利用/覆被變化規(guī)律,結(jié)果表明：1987—1996年是區(qū)域內(nèi)水土資源開發(fā)的初期,居民及建設(shè)用地和耕地小幅擴(kuò)張,增幅分別為23.4%、17.5%,其他土地利用/覆被類型的變化不明顯。1996—2005年是區(qū)域水土資源大規(guī)模開發(fā)的時段,雖然沙地、荒漠草地及林地變化不明顯,甚至較上時段變幅有所減小,但該時段耕地面積增加和水體面積減少最顯著,變幅分別達(dá)23.3%、40.1%,鹽堿地與居民及建設(shè)用地的變幅也達(dá)到3個研究時段內(nèi)最大,變幅分別達(dá)54.6%、27.7%。2005—2016年區(qū)域水土資源開發(fā)較上個時段有所減緩,耕地和水體面積變動逐漸放緩,林地、沙地和荒漠草地較前兩個時段的變動明顯,變幅分別為54.84%、34.5%和3.6%。

表3 不同時期各土地利用類型變化面積與幅度

圖2 研究區(qū)1987—2016年土地利用變化空間格局Fig.2 Spatial pattern of the land use in study area from 1987 to 2016

2.2 研究區(qū)近30年耕地變化動態(tài)

總體來看,1987—2016年的30年間,耕地面積增加了269.38 km2,其中耕地開墾總面積為372.57 km2,主要來源于鹽堿地,其次為荒漠草地、沙地及林地,四類來源開墾為耕地的面積占耕地開墾總面積的78%；耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e為103.19 km2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榫用窦敖ㄔO(shè)用地、荒漠草地和鹽堿地,轉(zhuǎn)變?yōu)槿叩拿娣e占耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋兔娣e的66%(圖3)。

耕地開墾的不同來源占耕地開墾總面積的比重存在差異。沙地和荒漠草地開墾為耕地的面積占耕地開墾總面積的比重呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,但沙地開墾為耕地所占比重在1987—1996年達(dá)到最高,荒漠草地開墾為耕地所占比重在2005—2016年達(dá)到最高,二者占比分別為25%和34.5%。鹽堿地開墾為耕地的面積占耕地開墾總面積的比重呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,在1996—2005年間達(dá)到最高34.4%。3個時段內(nèi)林地開墾為耕地的面積占耕地開墾總面積的比重較小且變化不大,與鹽堿地相似,在1996—2005年占比達(dá)到最高8.6%。

耕地轉(zhuǎn)變后的不同去向占耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋涂偯娣e的比重存在差異。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫用窦敖ㄔO(shè)用地是耕地轉(zhuǎn)變的主要方向,3個時段耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榫用窦敖ㄔO(shè)用地的面積占耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋兔娣e的比重為32.8%,占比在1996—2005年達(dá)到最高；耕地轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿地和荒漠草地所占比重分別為17.8%和15.4%,是耕地轉(zhuǎn)變后的次要方向,二者占比分別在1987—1996年和1996—2005年達(dá)到最高。

圖3 不同時期主要土地利用類型轉(zhuǎn)變面積及占比Fig.3 Land use change area and proportion of different periods

2.3 土地利用/覆被變化對碳儲量影響特征

通過分析不同時段以及整個研究時段內(nèi)各土地利用類型變化導(dǎo)致的植被、土壤及總碳儲量變化量來探討LUCC對研究區(qū)碳儲量影響的動態(tài)特征。從各時段LUCC導(dǎo)致的碳儲量變化量來看,除林地和裸地裸巖的變化導(dǎo)致碳儲量略有減少外,其他土地利用類型變化均導(dǎo)致碳儲量增加。其中耕地變化是碳儲量增加的主要貢獻(xiàn)者,在3個時段的增加量分別為1.12×105、1.37×105、2.42×105t,其次為沙地,在3個時段的增加量分別為7.25×104、5.31×104、1.72×105t；與沙地相似,荒漠草地變化導(dǎo)致碳儲量的增加呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢；林地變化在前兩個時段導(dǎo)致碳儲量變化不明顯,2005—2016年是林地變化導(dǎo)致碳儲量增加最多的時段,碳儲量增加量為6.62×104t；而各時段裸地裸巖變化導(dǎo)致碳儲量變化量均不大(表4)。

總體來看,1987—2016年30 年間LUCC導(dǎo)致的總碳儲量增加量為5.89×105t,土壤與植被碳儲量增加量分別為4.02×105、1.86×105t,二者分別占總碳儲量增加量的68.3%和31.7%。其中1987—1996年間,土壤、植被和總碳儲量增加量分別為9.59×104、3.23×104t和1.28×105t；1996—2005年土壤碳儲量較上個時段減少了9.6%,植被和總碳儲量增加量分別較上個時段增加了61.6%和8.2%；2005—2016年,土壤、植被及總碳儲量增加量分別為2.20×105、1.02×105t和3.22×105t,該時段是整個研究時段內(nèi)土壤、植被及總碳儲量增加量最多的時段(圖4)。

表4 不同時期各土地利用類型碳儲量變化/(104t)

因各土地利用類型的轉(zhuǎn)換是相互的,總碳儲量變化是各土地利用類型碳儲量變化之和的1/2

圖4 碳儲量累積變化量Fig.4 Cumulative change of carbon storage

2.4 耕地變化對碳儲量的影響特征

30年間研究區(qū)耕地變化使碳儲量增加4.9×105t,土壤碳儲量增加3.3×105t,植被碳儲量增加1.6×105t,其中耕地變化是研究區(qū)碳儲量增加的主要貢獻(xiàn)者(表5)。本研究重點(diǎn)關(guān)注耕地開墾和與之相反的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋蛯μ純α康挠绊?其中耕地開墾對碳儲量的影響主要表現(xiàn)在沙地、荒漠草地、鹽堿地和林地開墾為耕地引起的碳儲量變化,耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋蛯μ純α康挠绊懼饕憩F(xiàn)在與耕地開墾相反的轉(zhuǎn)變引起的碳儲量變化。

在耕地開墾情形下,30 年間耕地開墾使碳儲量增加5.8×105t,其中土壤碳儲量增加3.9×105t,植被碳儲量增加1.9×105t。主要土地利用類型開墾為耕地對碳儲量的影響存在差異：荒漠草地、沙地和鹽堿地開墾為耕地碳儲量呈增加趨勢,林地開墾為耕地碳儲量呈減少趨勢。荒漠草地開墾為耕地是研究區(qū)耕地開墾情形下對碳儲量影響最大的土地利用變化,30 年間由荒漠草地開墾引起的碳儲量增加量為2.7×105t,約占耕地開墾總碳儲量增加量的46.5%；沙地開墾為耕地引起的碳儲量增加量為2.3×105t,與荒漠草地開墾相似,由二者開墾引起的土壤碳儲量增加量大于植被碳儲量的增加量,2005—2016年是二者開墾為耕地碳儲量增加最多的時段；鹽堿地開墾為耕地引起碳儲量增加量為1.3×105t,土壤碳儲量增加量小于植被碳儲量的增加量,其中1996—2005年是其開墾為耕地碳儲量增加最多的時段。與上面3種土地利用類型變化不同的是,研究時段內(nèi)林地開墾為耕地碳儲量呈減少趨勢,碳儲量減少5.5×104t,其中植被碳儲量減少5.3×104t,土壤碳儲量減少量僅為植被碳儲量減少量的3.9%(表5)。

在耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋偷那樾蜗?30 年間耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋蛯?dǎo)致碳儲量減少8.9×104t,其中土壤碳儲量減少5.8×104t,植被碳儲量減少3.1×104t。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌恋乩妙愋蛯μ純α康挠绊懘嬖诓町悾焊剞D(zhuǎn)變?yōu)榛哪莸?、鹽堿地和沙地碳儲量呈減少趨勢,而轉(zhuǎn)變?yōu)榱值靥純α砍试黾于厔?其中耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪莸厥茄芯繀^(qū)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗脖活愋拖聦μ純α坑绊懽畲蟮耐恋乩米兓绞?30年間由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪莸氐奶純α繙p少量為4.8 ×104t,耕地轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿地和沙地引起的碳儲量減少量分別為2.8×104、2.7×104t,而耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值靥純α吭黾恿繛?.4×104t(表5)。

表5 耕地變化碳儲量累積變化量/104t

3 討論

1987—2016年的30年間,臨澤荒漠綠洲區(qū)土地開發(fā)大致分為兩個階段：20世紀(jì)80年代中后期至2006年土地大面積開墾和綠洲不斷擴(kuò)張的第一階段,2006年后土地開發(fā)放緩和綠洲擴(kuò)張減緩的第二階段。其主要原因可能為：80年代中期至2002年間,省內(nèi)移民(即兩西移民)帶來的人口增加促使耕地需求增大,“日元貸款”項(xiàng)目治理了大面積的鹽堿地并營造了防風(fēng)固沙帶,在穩(wěn)定老綠洲的基礎(chǔ)上,使綠洲進(jìn)一步向外擴(kuò)張；2002—2006年,制種玉米的普及使農(nóng)民獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益,人們不斷開荒以擴(kuò)大耕地面積,加之生態(tài)移民政策的影響也使綠洲水土開發(fā)力度加大。2006年以后,“黑河分水”和“三禁政策”的實(shí)施,開荒受到了一定的限制,水土開發(fā)力度逐漸減緩。貫穿整個時段,機(jī)械化程度的不斷加深、綠洲渠系及其配套工程建設(shè)的不斷完善等為耕地面積的擴(kuò)大創(chuàng)造了有利的條件,在一定程度上進(jìn)一步促進(jìn)了綠洲水土資源的開發(fā)[40]。因此,30 a研究區(qū)耕地面積增加了269.38 km2,表現(xiàn)出穩(wěn)定增加態(tài)勢,綠洲逐漸由內(nèi)部向外部擴(kuò)張(圖2)。

在干旱半干旱區(qū),土地利用方式的轉(zhuǎn)變已被證明是增加區(qū)域碳儲存的重要方式[41],本項(xiàng)研究表明,研究區(qū)沙地、荒漠草地、鹽堿地、林地和耕地變化均導(dǎo)致碳儲量增加,其中耕地變化是碳儲量增加的主要貢獻(xiàn)者。就耕地變化對土壤碳儲量的影響而言,土壤碳庫及其動態(tài)主要取決于土壤中碳(植物殘體)的輸入與流失(有機(jī)質(zhì)的分解)之間的平衡,LUCC會改變進(jìn)入土壤中的植物殘體量,并影響土壤有機(jī)碳的分解損失量,打破了土壤有機(jī)碳的平衡,使土壤碳密度發(fā)生改變[42-43]；同時適當(dāng)?shù)氖┓蚀胧⒏采w耕作管理、種植方式等農(nóng)田管理措施對土壤碳庫的影響也不容忽視[44]。就耕地變化對植被碳儲量的影響而言,LUCC會導(dǎo)致植被碳的轉(zhuǎn)移,一部分植被碳以枯枝落葉的形式留在原地,進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳,另一部分植被碳以不同的方式被利用移走,最終進(jìn)入大氣；在不同土地利類型與耕地轉(zhuǎn)變過程中,遺留生物量、移走生物量利用方式、氧化速率及轉(zhuǎn)變后系統(tǒng)生物量恢復(fù)所需時間不同,會造成轉(zhuǎn)換后植被碳密度發(fā)生改變。受不同土地利用轉(zhuǎn)移面積和土壤與植被碳密度差異的影響,不同土地利用類型開墾為耕地對碳儲量的影響存在差異。沙地開墾為耕地10年后土壤碳儲量增加量為5.31×104t,開墾為耕地30年后土壤碳儲量累積增加1.65×105t,即沙地開墾為灌溉農(nóng)田后土壤表現(xiàn)出巨大的固碳潛力,開墾不同年限的土壤有機(jī)碳養(yǎng)分有明顯的積累,與一些研究結(jié)果一致；如Li等[45]在河西走廊高臺綠洲的研究表明,沙地開墾為灌溉農(nóng)田10年后,土壤有機(jī)碳貯量顯著增加；蘇永中等[44,46]在臨澤綠洲的研究表明,沙地開墾為灌溉農(nóng)田的40年后土壤有機(jī)碳含量增加了6.4倍,但沙地土壤向可持續(xù)耕作土壤的演化至少需要50年,要實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用和生產(chǎn)力的持續(xù)提高,須采取提升土壤肥力水平的農(nóng)田管理措施。研究表明,干旱區(qū)沙地土壤開墾為灌溉農(nóng)田后,增施有機(jī)肥、秸稈覆蓋還田、種植多年生苜?；蜍俎２迦胼喿黧w系是培肥地力的有效農(nóng)田管理措施[43]?；哪莸厥俏鞅备珊祬^(qū)的主導(dǎo)性土地利用類型,是綠洲土地開發(fā)的目標(biāo)和后備,土地開發(fā)導(dǎo)致原始荒漠草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田,農(nóng)作物取代荒漠植被,改變了荒漠生態(tài)系統(tǒng)較為封閉的碳循環(huán)模式[47]。本研究結(jié)果表明,荒漠草地開墾為耕地碳儲量增加量為2.70×105t,占耕地開墾總碳儲增加量的46.5%,而王淵剛等[47]基于相似荒漠綠洲研究區(qū)的瑪納斯河流域的估算結(jié)果為54.3%。存在差異的主要原因可能為：一方面不同的土地利用類型的劃分導(dǎo)致荒漠草地類型界定上存在差異；另一方面,土壤和植被碳密度是直接影響土壤和植被碳儲量的主要因素,本研究中荒漠草地植被和土壤碳密度遠(yuǎn)小于瑪納斯河流域。王淵剛等采用公開發(fā)表文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)獲取植被和土壤碳密度數(shù)據(jù),而本文采用的植被和土壤碳密度數(shù)據(jù)來自于同一研究區(qū)基于實(shí)地采樣的748個數(shù)據(jù),較前者更為準(zhǔn)確。

本研究在利用Bookkeeping模型探討LUCC對碳儲量的影響時,研究結(jié)果的不確定性主要源于模型所需參數(shù)、土地利用變化數(shù)據(jù)和碳密度數(shù)據(jù)的誤差[48]。首先,模型所用參數(shù)是根據(jù)不同的地區(qū)和不同的生態(tài)系統(tǒng)設(shè)置的[21- 22],具體參數(shù)的選取可能與實(shí)際自然條件不相符合,參數(shù)選取時應(yīng)當(dāng)更多地參考研究區(qū)域的自然特征。其次,本研究默認(rèn)土地利用變化為勻速變化,且各土地利用/覆被類型的土壤和植被碳密度是依據(jù)某一固定年份獲取的,若需準(zhǔn)確定量評估研究區(qū)LUCC對碳儲量的影響,需要對土地利用類型轉(zhuǎn)變后土壤和植被碳密度進(jìn)行長時間序列的跟蹤監(jiān)測,同時將高精度遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料相結(jié)合提取逐年土地覆被變化數(shù)據(jù),將有助于提高估算精度保證估算的可靠性。另外,考慮到居民及建設(shè)用地、水域與耕地相互轉(zhuǎn)換的面積相對較小,并且其變化對碳密度的影響機(jī)制尚不清楚,本研究沒有考慮水域、居民及建設(shè)用地與耕地的相互轉(zhuǎn)換對區(qū)域碳收支的影響,這些問題都有待于隨水域、居民及建設(shè)用地變化對碳收支影響機(jī)理認(rèn)識的深入而逐步得到解決。最后,鑒于LUCC對表層土壤碳密度影響最為顯著,本文以0—20 cm取樣深度的土壤碳密度來估算土壤碳儲量,同時碳密度數(shù)據(jù)的不同來源和計算方法可能會導(dǎo)致碳儲量估算不夠精確,因此，可針對不同的土地覆被類型，實(shí)地采樣獲取碳密度數(shù)據(jù)以提高估算精度。

水資源是制約干旱區(qū)土地資源開發(fā)利用和農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展的主要自然因素,水資源的多寡將直接影響綠洲的面積和穩(wěn)定[49- 50]。研究區(qū)地處黑河流域中游區(qū)域,灌概水源以河水為主,所以黑河的消長從某種程度上決定了研究區(qū)綠洲土地利用的興衰。30 a臨澤綠洲研究區(qū)水體面積減少了36.47 km2,耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩妙愋偷拿娣e103.19 km2,其中轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿地、荒漠草地的面積為18.38、15.56 km2,說明人類土地利用活動的擾動使得區(qū)域水資源狀況急劇惡化,以致現(xiàn)有水資源狀況無法承載已墾殖的耕地。雖然耕地在土地利用轉(zhuǎn)變中表現(xiàn)出巨大的固碳潛力,但若超出區(qū)域水資源所能承載的限度無節(jié)制的開墾耕地,必然會造成土地鹽堿化、荒漠化逆轉(zhuǎn)、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題?？梢娫诟珊档呐R澤荒漠綠洲區(qū),自然條件和人類活動共同驅(qū)動下的土地利用/覆被變化,對區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了影響。因此,從維持區(qū)域生態(tài)平衡的角度出發(fā),重視對臨澤荒漠綠洲區(qū)水土資源的合理開發(fā)與配置,對荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展意義重大。

4 結(jié)論

在1987—2016年的30 年間,臨澤荒漠綠洲的土地開發(fā)使耕地表現(xiàn)出穩(wěn)定增加、綠洲逐漸由內(nèi)向外擴(kuò)張的態(tài)勢,影響土地開發(fā)的因素主要包括自然因素和人文因素,其中以水資源為主的自然因素是決定綠洲土地開發(fā)的主導(dǎo)因素,人口增加、政策驅(qū)動、技術(shù)進(jìn)步等人文因素則加劇了綠洲的土地開發(fā)。LUCC導(dǎo)致碳儲量增加量為5.89×105t,其中耕地變化導(dǎo)致碳儲量增加4.91×105t,是影響區(qū)域碳儲量變化的主要因素。對耕地而言,主要土地利用類型與耕地的轉(zhuǎn)換對碳儲量的影響存在差異,使碳儲量增加的轉(zhuǎn)變分別是荒漠草地-耕地、沙地-耕地、鹽堿地-耕地、耕地-林地,相反的轉(zhuǎn)換則使碳儲量減少；要實(shí)現(xiàn)耕地的可持續(xù)利用和生產(chǎn)力的持續(xù)提高,仍須采取必要的農(nóng)田管理措施。由于河西走廊地區(qū)缺乏對荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)土地利用碳收支的估算成果,因此,本研究有利于進(jìn)一步深化人類活動對荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)影響的認(rèn)識。