黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布及其影響因素

李妙宇,上官周平, 3,鄧 蕾

1 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 楊凌 712100

全球氣候變化背景下,陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色,日益受到國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。據(jù)估算,全球每年自然與人為源CO2的總排放量約為250 Pg,而全球生態(tài)系統(tǒng)吸收為230 Pg,全球碳循環(huán)平衡受到挑戰(zhàn)[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)是地表的重要組成部分,可通過(guò)地表植物的光合作用不斷吸收大氣中的CO2,并通過(guò)一系列的生物物理化學(xué)作用將其固定在植物和土壤內(nèi),以減緩全球氣候變化[2]。碳排放不僅涉及全球氣候變化這一科學(xué)問(wèn)題,也與各國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān),近幾十年來(lái),各國(guó)政府均采取一系列措施來(lái)提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量以期抵消經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放[3]。

黃土高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,生態(tài)環(huán)境脆弱,易受極端氣候干擾[4]。為減緩水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,我國(guó)政府實(shí)施了一系列的生態(tài)恢復(fù)工程,其中,于1999年正式啟動(dòng)的退耕還林(草)工程將黃土高原地區(qū)作為其重點(diǎn)戰(zhàn)略區(qū)域[5],經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展,退耕還林(草)工程取得了顯著成效,植被覆蓋度明顯提高[6-7],必然會(huì)引起生態(tài)系統(tǒng)固碳效益發(fā)生顯著提高[5]。已有研究表明,黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)后生態(tài)系統(tǒng)在碳平衡方面起著重要作用,固碳潛力巨大[8- 11]。目前,關(guān)于黃土高原碳儲(chǔ)量的研究,一方面多通過(guò)樣點(diǎn)調(diào)查、清查資料等進(jìn)行樣地、流域尺度的碳儲(chǔ)量估算[12-13],或通過(guò)多源數(shù)據(jù)建模[14-16]等方法進(jìn)行大尺度碳儲(chǔ)量估算；另一方面多以單個(gè)生態(tài)系統(tǒng)如森林、草地、農(nóng)田、或單一類型碳庫(kù)如植被碳庫(kù),土壤碳庫(kù)進(jìn)行估算[17-18]。估算方法多樣,尺度不一,導(dǎo)致研究間存在很大差異,很難進(jìn)行綜合比較,亟需基于大量可靠樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行黃土高原碳儲(chǔ)量分區(qū)估算以及碳密度空間分布研究。另外,碳密度的空間格局受各種因素的共同影響,包括土地利用、氣象、地形、植被覆蓋、土壤質(zhì)地等[5,19-20]。關(guān)于碳密度空間分異影響因素分析,在全國(guó)尺度上已有較為詳盡的相關(guān)研究[19-20],但多側(cè)重于氣象因子的影響分析,而單一的氣象與土壤粘粒含量并不能充分地預(yù)測(cè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[21]。而對(duì)黃土高原地區(qū)來(lái)說(shuō),不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的主控因子以及不同因子的相對(duì)影響大小和作用路徑亦不明確。因此,準(zhǔn)確估算黃土高原生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量,探明其空間分布及其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)區(qū)域生態(tài)管理以及未來(lái)政策的制定具有重要意義。

本研究利用大量野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)黃土高原地區(qū)森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的植被地上、地下生物量和土壤有機(jī)碳碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算,評(píng)估整個(gè)黃土高原地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量與空間分布格局,并結(jié)合多源氣候、地形、土壤和植被覆蓋數(shù)據(jù),評(píng)估各因子對(duì)碳儲(chǔ)量空間分布的影響,以期為黃土高原固碳能力評(píng)估以及區(qū)域未來(lái)政策制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原地區(qū)位于33°41′—41°16′N,100°52′—114°33′E之間,地處我國(guó)黃河中游,跨青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、山西省及河南省7個(gè)省區(qū),總面積約64萬(wàn)km2,約占我國(guó)陸地總面積的6.7%,是世界上最大的黃土堆積區(qū),區(qū)域平均黃土厚度92.2 m[22],受人類活動(dòng)以及自然條件等多方面因素影響,土壤侵蝕與水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重,多年平均侵蝕輸沙模數(shù)在 1921—3355 t km-2a-1之間[23],地形破碎且溝壑縱橫。黃土高原地區(qū)以大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?自東南向西北由暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)逐漸向暖溫帶半干旱區(qū),中溫帶半干旱區(qū)過(guò)渡,多年平均氣溫7.3 ℃,多年平均降水量447 mm,年際及年內(nèi)變化較大,年內(nèi)多集中在7—9月[24]。黃土高原地區(qū)林地(包括喬木和灌木)、草地和農(nóng)田的面積分別為14.2、34.3、9.7萬(wàn)km2,分別占整個(gè)黃土高原面積的22%、54%、15%。

根據(jù)降雨量與植被類型的不同,黃土高原地區(qū)自東南向西北分為5個(gè)生物氣候區(qū),分別是:半濕潤(rùn)森林區(qū)(Ⅰ),半濕潤(rùn)半干旱林草區(qū)(Ⅱ),半干旱典型草地區(qū)(Ⅲ),干旱半干旱荒漠草地區(qū)(Ⅳ),干旱荒漠區(qū)(Ⅴ)(表1)[25]。

表1 黃土高原地區(qū)生物氣候分區(qū)

圖1 研究區(qū)及樣點(diǎn)分布Fig.1 Study area and sampling sites on the Loess PlateauⅠ半濕潤(rùn)森林區(qū)(森林草原);Ⅱ半濕潤(rùn)半干旱林草區(qū);Ⅲ半干旱典型草地區(qū)(典型草原);Ⅳ干旱半干旱荒漠草地區(qū);Ⅴ干旱荒漠區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

黃土高原地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)采用朱源等[26]制作的“2015年黃土高原土地利用/覆被柵格數(shù)據(jù)”,分辨率250 m,該數(shù)據(jù)以Landsat 8衛(wèi)星OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源,將計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類和人工目視修改相結(jié)合,解譯分類精度較高；年均溫度(MAT)年均降水(MAP)等氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化空間產(chǎn)品:“中國(guó)氣象背景數(shù)據(jù)集”(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=253),分辨率500 m,該柵格數(shù)據(jù)由氣象站點(diǎn)建站到上世紀(jì)末站點(diǎn)數(shù)據(jù)使用反向距離加權(quán)法插值而來(lái),其中MAT數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了DEM校正；土壤質(zhì)地柵格數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心“中國(guó)土壤質(zhì)地空間分布數(shù)據(jù)”(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=260),該數(shù)據(jù)集包括土壤砂粒、粉粒、粘粒含量,分辨率1 km；DEM(Digital Elevation Model 數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率500 m,由DEM數(shù)據(jù)計(jì)算衍生坡度、坡向地形數(shù)據(jù)；NDVI(Normalized Difference Vegetation Index 歸一化植被指數(shù))采用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品“中國(guó)年度植被指數(shù)空間分布數(shù)據(jù)集”數(shù)據(jù),分辨率1 km,該數(shù)據(jù)集包含由年內(nèi)多幅數(shù)據(jù)使用最大值合成法分別合成的各年份NDVI數(shù)據(jù)(http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx?DOIid=49),將2010—2018年數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算,以多年均值代表植被覆蓋狀況。收集各類數(shù)據(jù)后,使用黃土高原地區(qū)的空間范圍矢量文件對(duì)各柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜提取,得到黃土高原地區(qū)的各類柵格數(shù)據(jù)。

碳密度數(shù)據(jù)引用徐麗等[27]發(fā)表的數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集包括文獻(xiàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)兩部分,收集了森林(包括喬木林和灌木林)、草地、農(nóng)田等多種生態(tài)系統(tǒng)類型的植被地上地下生物量碳密度以及0—100 cm土壤有機(jī)碳密度數(shù)據(jù),在整個(gè)數(shù)據(jù)集的構(gòu)建的過(guò)程中實(shí)施了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。由于數(shù)據(jù)集中黃土高原地區(qū)灌木樣點(diǎn)少且空間分布極不均勻,難以進(jìn)行有效空間插值分析,故將喬木與灌木兩種生態(tài)系統(tǒng)類型與樣點(diǎn)合并處理。將碳密度數(shù)據(jù)根據(jù)樣點(diǎn)經(jīng)緯度導(dǎo)入ArcGIS10.2生成矢量點(diǎn)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)點(diǎn)的準(zhǔn)確性,根據(jù)黃土高原地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)類型矢量文件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)樣點(diǎn)進(jìn)行裁剪,裁剪出黃土高原地區(qū)與對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度生態(tài)系統(tǒng)類型一致的樣點(diǎn),分別建立森林、草地、農(nóng)田不同碳庫(kù)的樣點(diǎn)集,其中森林生態(tài)系統(tǒng)地上生物量、地下生物量、土壤有機(jī)碳樣點(diǎn)數(shù)分別為121、145、167；草地生態(tài)系統(tǒng)地上生物量、地下生物量、土壤有機(jī)碳樣點(diǎn)數(shù)分別為318、239、73；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)0—100 cm土壤有機(jī)碳樣點(diǎn)數(shù)為190。將MAT、MAP、NDVI、DEM、坡度、坡向、土壤砂粒、粉粒、粘粒含量等各因子數(shù)據(jù)從各柵格文件提取到各樣點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1碳密度插值分析

克里金方法是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中最常用的空間插值方法,以變異函數(shù)為基礎(chǔ),可在一定區(qū)域內(nèi)對(duì)某一變量未知位置進(jìn)行線性最優(yōu)無(wú)偏估計(jì)。該方法考慮了樣本點(diǎn)的空間方位以及與未知樣點(diǎn)的空間關(guān)系,且可在完成全局預(yù)測(cè)之后在數(shù)據(jù)點(diǎn)上對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證,對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行評(píng)估[28]。已有研究對(duì)比分析結(jié)果表明,克里金法更適合于碳密度空間插值,插值精度更高[29-30]。

使用ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)黃土高原地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)不同碳庫(kù)碳密度進(jìn)行克里金空間插值,對(duì)未知點(diǎn)進(jìn)行估算,生成預(yù)測(cè)表面,繪制相應(yīng)的黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布圖。在插值之前通過(guò)K-S檢驗(yàn)方法結(jié)合探索性數(shù)據(jù)分析模塊的正態(tài)QQ圖檢驗(yàn)每類數(shù)據(jù)點(diǎn)碳密度是否符合正態(tài)分布或近正態(tài)分布,若不服從正態(tài)且明顯偏態(tài),將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換之后再進(jìn)行空間插值。比較各模型預(yù)測(cè)結(jié)果的平均預(yù)測(cè)誤差以及均方根誤差,使其分別接近0和1,且預(yù)測(cè)與真值的擬合線接近1:1線,選擇最優(yōu)模型進(jìn)行空間插值。

基于插值結(jié)果柵格,使用區(qū)域分析工具對(duì)各生物氣候區(qū)以及整個(gè)黃土高原地區(qū)的不同生態(tài)系統(tǒng)類型各碳庫(kù)碳密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,分別統(tǒng)計(jì)其在各區(qū)域內(nèi)的最小值、最大值、平均值以及碳儲(chǔ)量。

1.3.2統(tǒng)計(jì)分析

基于樣點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)碳密度與各因子的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分別計(jì)算地上生物量碳密度、地下生物量碳密度、土壤有機(jī)碳碳密度與經(jīng)緯度,氣象(MAT,年均溫度；MAP,年均降水),植被覆蓋狀況(NDVI),土壤質(zhì)地(砂粒、粉粒、粘粒含量),地形(DEM、坡向、坡度)等因子的相關(guān)性,判斷各碳庫(kù)碳密度與各因子的相關(guān)性強(qiáng)度,使用路徑分析方法構(gòu)建影響路徑,進(jìn)一步判別各因子對(duì)碳密度的影響路徑與強(qiáng)度。使用Arcgis10.2進(jìn)行空間插值地統(tǒng)計(jì)與制圖,使用Origin 2018進(jìn)行樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,使用Amos17.0進(jìn)行路徑分析。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀及其空間分布

黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為2.29 Pg,其中地上生物量碳儲(chǔ)量、地下生物量碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為0.44、0.32和1.52 Pg,約占總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的19%、14%和67%(表2)。自東南向西北分布的各生物氣候區(qū)碳儲(chǔ)量分別為0.69、0.70、0.51、0.31和0.09 Pg,大小順序?yàn)?Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,呈逐漸減小的趨勢(shì)。

表2 黃土高原不同氣候區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲(chǔ)量

黃土高原地區(qū)不同碳庫(kù)碳密度具有明顯的空間異質(zhì)性,且不同生態(tài)系統(tǒng)類型碳密度差異較大。地上生物量碳密度、地下生物量碳密度、土壤有機(jī)碳密度以及黃土高原總生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布格局均較破碎,整體呈自東南向西北減小的趨勢(shì),各區(qū)域平均碳密度均為:Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ。地上生物量碳密度的變化范圍為0.001—0.743 t/hm2,平均碳密度0.09 t/hm2,在生物氣候Ⅰ區(qū)最高,平均值為0.225 t/hm2,向西北逐漸降低；在生物氣候Ⅴ區(qū),僅為0.024 t/hm2。地下生物量碳密度的變化范圍為0.001—0.743 t/hm2,平均碳密度0.065 t/hm2,與地上生物量碳密度空間格局相似,在東南部的生物氣候Ⅰ區(qū)最高,向西北逐漸降低。土壤有機(jī)碳密度自東向西,自南向北逐漸降低,變化范圍為0.022—1.259 t/hm2,平均碳密度0.261 t/hm2,在生物氣候Ⅰ區(qū)以及Ⅱ區(qū)的東部,土壤有機(jī)碳密度較高,可達(dá)0.45 t/hm2以上；在黃土高原地區(qū)西北部,土壤有機(jī)碳密度最低。黃土高原總生態(tài)系統(tǒng)碳密度變化范圍為0.049—1.654 t/hm2,平均碳密度0.393 t/hm2,空間格局與土壤有機(jī)碳密度空間格局相似(圖2),自東南向西北各生物氣候區(qū)平均碳密度分別為0.539、0.467、0.337、0.275、0.232 t/hm2,也呈逐漸降低趨勢(shì)。

圖2 黃土高原不同碳庫(kù)碳儲(chǔ)量空間分布Fig.2 Spatial distribution of carbon storages in different carbon pools of the Loess Plateau

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀及碳密度空間分布

森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為0.98 Pg,占黃土高原地區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的43 %,其中地上生物量碳、地下生物量碳、土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為0.39、0.11和0.48 Pg,分別占森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的40%、11%和49%。五個(gè)生物氣候區(qū)碳儲(chǔ)量分別為0.43、0.35、0.11、0.08和0.02 Pg,呈自東南向西北逐漸減小的趨勢(shì),表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ。

森林生態(tài)系統(tǒng)主要分布在黃土高原東南部的生物氣候Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)以及黃土高原西南部與青藏高原交界處的烏鞘嶺地區(qū),在其它地區(qū)零星分布,約占黃土高原面積的32%。森林生態(tài)系統(tǒng)地上與地下生物量碳密度變化范圍分別為0.042—0.743和0.013—0.224 t/hm2,平均碳密度分別為0.272和0.078 t/hm2。處于黃土高原東南部的生物氣候Ⅰ區(qū)平均碳密度最高,向西逐漸降低,Ⅳ區(qū)平均碳密度最低,在各生物氣候區(qū)之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ,空間格局相似。土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為0.022—1.259 t/hm2,平均碳密度0.338 t/hm2,在各生物氣候區(qū)之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ,整體呈自東向西先降低后略升高到西南部再降低的空間變化格局。森林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度變化范圍為0.136—1.654 t/hm2,平均碳密度0.688 t/hm2,在各生物氣候區(qū)之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ,空間格局與土壤有機(jī)碳密度相似(圖3)。

圖3 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon storages in forest ecosystems of the Loess Plateau

2.3 草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀及碳密度空間分布

草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為1.07 Pg,占黃土高原地區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的48%,其中地上生物量碳,地下生物量碳,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為0.032、0.208、0.846 Pg,占草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的3%、19%、78%。從東南到西北各生物氣候區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為0.146、0.306、0.368、0.214、0.054 Pg,處于黃土高原中部的Ⅲ區(qū),Ⅱ區(qū)碳儲(chǔ)量較大,西北部Ⅳ區(qū)與東南部Ⅰ區(qū)次之,西北端Ⅴ區(qū)最小,大小順序依次為:Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅴ(圖4)。

除在生物氣候Ⅰ區(qū)分布相對(duì)較少之外,草地生態(tài)系統(tǒng)廣泛分布于整個(gè)黃土高原地區(qū),約占黃土高原面積的41%。草地生態(tài)系統(tǒng)地上生物量碳密度變化范圍為0.001—0.026 t/hm2,平均碳密度為0.009 t/hm2,各生物氣候區(qū)平均碳密度Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,呈自東南向西北逐漸降低的空間格局,位于黃土高原東南部的Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)碳密度較高,位于黃土高原西北部Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)北部區(qū)域碳密度較低。地下生物量碳密度變化范圍為0.002—0.258 t/hm2,平均碳密度為0.061 t/hm2,平均碳密度在各區(qū)域之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,與地上生物量碳密度相同,但在空間分布上略有不同,地下生物量碳密度在黃土高原低緯度地區(qū)自東向西呈先降低后升高的趨勢(shì),高緯度地區(qū)呈自東向西逐漸降低的趨勢(shì)。土壤有機(jī)碳密度變化范圍為0.06—0.62 t/hm2,平均碳密度為0.246 t/hm2,各生物氣候區(qū)平均碳密度Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,整體呈現(xiàn)自東北向西南先降低后升高的趨勢(shì),但東部地區(qū)略高于西南部與青藏高原交界的高海拔丘陵地區(qū)。草地生態(tài)系統(tǒng)總碳密度變化范圍為0.088—0.768 t/hm2,平均碳密度0.316 t/hm2,在各區(qū)域間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,與森林生態(tài)系統(tǒng)相同,草地生態(tài)系統(tǒng)總碳密度空間格局與其土壤有機(jī)碳密度空間格局相似(圖4)。

圖4 草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布Fig.4 Spatial distribution of carbon storages in grassland ecosystems of the Loess Plateau

圖5 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布 Fig.5 Spatial distribution of carbon storages in cropland ecosystems of the Loess Plateau

2.4 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀及碳密度空間分布

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)僅占黃土高原地區(qū)總面積的15%,主要分布在黃土高原東南部的關(guān)中平原地區(qū)、東部的汾河流域地區(qū)以及黃土高原北部陰山以南的河套地區(qū),其他地區(qū)分布較少且不集中。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為0.21 Pg,占黃土高原總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的9%,各生物氣候區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為0.094(Ⅰ)、0.035(Ⅱ)、0.04(Ⅲ)、0.023(Ⅳ)和0.014 Pg(Ⅴ)。位于黃土高原東南的生物氣候Ⅰ區(qū)最大,西北部的生物氣候Ⅴ區(qū)最小,整體自東南向西北逐漸減小,但Ⅲ區(qū)略高于Ⅱ區(qū)。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的變化范圍為0.049—0.374 t/hm2,平均值為0.212 t/hm2,最高值出現(xiàn)在生物氣候Ⅱ區(qū),最低值出現(xiàn)在生物氣候Ⅳ區(qū),各生物氣候區(qū)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均值分別為0.224、0.193、0.204、0.223和0.197 t/hm2,Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅱ。其空間分布如圖5所示,黃土高原南部秦嶺北部的關(guān)中平原地區(qū)以及黃土高原西南青海東部的丘陵地區(qū)碳密度較高向北逐漸降低。

2.5 黃土高原不同碳庫(kù)碳密度空間分布影響因素分析

黃土高原地區(qū)地上生物量碳密度隨經(jīng)度增加而極顯著增加,隨著緯度升高,海拔升高而極顯著減小(圖6)；與年均溫度和年均降水呈極顯著正相關(guān),且與年均降水相關(guān)系數(shù)更高為0.417,即不同空間位置溫度越高降水越多,地上植被生物量越大,地上生物量碳密度越高,但相對(duì)溫度,地上生物量碳密度對(duì)降水的變化更為敏感(圖6)；與坡度坡向等地形因子相關(guān)關(guān)系不顯著；與NDVI呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)較高為0.394,即NDVI在很大程度上可反映地上植被碳密度高低(圖6)；與土壤粘粒含量與粉粒含量呈極顯著正相關(guān),與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān),其中與粉粒含量的相關(guān)系數(shù)最高為0.228(圖6)。

黃土高原地區(qū)地下生物量碳密度隨經(jīng)度增加而極顯著增加,隨著緯度與海拔升高有略增加的趨勢(shì)但不顯著(圖6)；與年均溫度和年均降水相關(guān)關(guān)系不顯著,但存在隨著年均溫度增加而略減小,隨著年均降水增加而略增加的趨勢(shì)(圖6)；與地形因子坡向相關(guān)關(guān)系不顯著,與坡度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；與NDVI呈極顯著正相關(guān)；與土壤粘粒含量呈極顯著正相關(guān),與砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與粉粒含量相關(guān)關(guān)系不顯著(圖6)。

黃土高原地區(qū)0—100 cm 土壤有機(jī)碳密度與經(jīng)度緯度無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,與海拔呈極顯著正相關(guān),即隨著海拔升高,0—100 cm 土壤有機(jī)碳密度顯著升高(圖6)；與年均溫度呈極顯著負(fù)相關(guān),與年均降水無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,但隨年降水的增加有略減小的趨勢(shì)；與地形因子坡向無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系,與坡度呈極顯著正相關(guān)(圖6)；與NDVI呈極顯著正相關(guān)；與土壤粘粒含量呈極顯著正相關(guān),與粉粒與砂粒含量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(圖6)。

圖6 碳密度與各因子相關(guān)性Fig.6 Correlation between carbon density and various factorsAGBC:地上生物量碳密度 Aboveground biomass carbon density； BGBC:地下生物量碳密度 Belowground biomass carbon density；SOC:土壤有機(jī)碳密度 Soil organic carbon density;***：P<0.001；**：P<0.01；*：P<0.05

路徑分析結(jié)果表明,氣候、海拔、地形、植被覆蓋、土壤質(zhì)地等因素均對(duì)黃土高原生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布有不同方式、不同程度的影響。各因子解釋了12%的地上生物量碳密度空間變異(圖7a),總作用系數(shù)由大到小分別為海拔(-0.26)、NDVI(0.18)、年均降水(0.13)、粘粒含量(0.12)、坡度(0.10)、年均氣溫(0.02)、砂土含量(-0.01),海拔的直接作用路徑系數(shù)最高(-0.23),粘粒含量次之(0.11),氣象因素中,年均降水較年均氣溫作用更強(qiáng)。各因子對(duì)地下生物量碳密度空間變異的解釋率為8%(圖7b),總作用路徑系數(shù)不同:年均氣溫(-0.24)、NDVI(0.19)、年均降水(0.16)、海拔(0.15)、砂粒含量(-0.08)、粘粒含量(0.02),其中,氣象因子年均氣溫的直接路徑系數(shù)(-0.21)以及總路徑系數(shù)(-0.24)均為最大,NDVI(0.19)次之。非農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度路徑模型解釋了其44%的空間變異(圖7c),各因子總作用系數(shù)由大到小分別為年均降水(0.79)、NDVI(0.35)、海拔(0.19)、地上生物量碳密度(-0.15)、粘粒含量(0.11)、地下生物量碳密度(0.11)、坡度(0.06)、年均氣溫(0.05)、砂粒含量(-0.03),其中,海拔因子直接作用系數(shù)最高(0.76),其次為年均降水(0.52),NDVI(0.43),地上生物量碳密度(-0.15),地下生物量碳密度(0.11)。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳路徑模型可解釋其空間變異的32%(圖7d),納入模型各因子主要為氣象因子、土壤質(zhì)地因子、以及海拔和地形因子,各因子總作用系數(shù)由大到小分別為粘粒含量(0.72)、粉粒含量(-0.31)、海拔(0.07)、年均氣溫(0.07)、年均降水(0.06)、坡度(0.04)。

圖7 黃土高原不同碳庫(kù)碳密度影響因子路徑分析Fig.7 Pathway analysis of carbon densities in different carbon pools on the Loess Plateau AGBC:地上生物量碳密度 Aboveground biomass carbon density； BGBC:地下生物量碳密度 Belowground biomass carbon density；SOC:土壤有機(jī)碳密度 Soil organic carbon density；實(shí)線和虛線分別表示正路徑系數(shù)和負(fù)路徑系數(shù),線粗度表示路徑系數(shù)相對(duì)大小；R2表示變量方差被解釋比例；***:P<0.001; **:P<0.01; *:P<0.05

3 討論

3.1 黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布

本研究估算出黃土高原生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為2.29 Pg(表2),該估計(jì)值低于Liu等[15]利用Invest模型估算的結(jié)果(3.96 Pg),主要由不同的估算方法所導(dǎo)致。本研究估算黃土高原森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度約為0.67 t/hm2,碳儲(chǔ)量約為0.98 Pg。高陽(yáng)[31]對(duì)黃土高原典型自然林與人工林基于大量的樣點(diǎn)調(diào)查進(jìn)行估算的碳密度以及牛春梅[32]對(duì)黃土高原中西部刺槐人工林碳密度進(jìn)行的估算結(jié)果均遠(yuǎn)高于本研究估算結(jié)果。這種估算結(jié)果的差異,一方面由于已有研究多基于單一流域、單一樹種或典型森林進(jìn)行的碳密度估算,所選樣點(diǎn)并不能代表整個(gè)黃土高原森林碳密度的平均水平?；谶b感解譯的森林生態(tài)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)集收集的森林樣點(diǎn)中包含較多疏林地,郁閉度較低,碳密度顯著低于典型森林；另一方面,本研究在對(duì)森林碳密度進(jìn)行插值估算時(shí),將數(shù)據(jù)點(diǎn)極少且空間分布不均的灌木樣點(diǎn)納入森林生態(tài)系統(tǒng),而灌木生物量顯著低于典型高大喬木林,會(huì)對(duì)整體插值結(jié)果造成一定影響,使估算結(jié)果偏低。本研究中,黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為1.07 Pg,這一結(jié)果低于Wang等[14]的研究結(jié)果(1.46 Pg),但高于程積民等[33]的研究結(jié)果(0.57 Pg),造成這一差異的原因更多來(lái)源于采樣時(shí)間的不同,隨著一系列生態(tài)恢復(fù)措施在黃土高原的實(shí)施,黃土高原草地植被覆蓋度固碳能力顯著提高,固碳量增加[8]。本研究中,黃土高原地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度約為0.212 t/hm2,碳儲(chǔ)量約為0.21 Pg,該結(jié)果低于張圣民[18]的研究結(jié)果(0.227 t/hm2,0.45 Pg)以及Tang等[34]的研究結(jié)果(0.54 Pg),評(píng)估結(jié)果的不一致主要來(lái)源于碳儲(chǔ)量估算的源數(shù)據(jù)和估算方法的不同。

現(xiàn)有研究對(duì)于區(qū)域植被碳儲(chǔ)量的大尺度估算多基于國(guó)家清查資料、多源遙感數(shù)據(jù)建?；蛏鷳B(tài)系統(tǒng)模型,如InVest模型[35],部分研究基于區(qū)域大量實(shí)測(cè)樣點(diǎn)通過(guò)算術(shù)平均對(duì)區(qū)域植被及土壤碳密度碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算,但碳密度在區(qū)域內(nèi)的分布是一個(gè)連續(xù)變化的曲面,基于樣點(diǎn)對(duì)區(qū)域碳密度的進(jìn)行直接估算時(shí),對(duì)其空間分布要求較高,采樣點(diǎn)分布的均勻程度決定著采樣點(diǎn)對(duì)于區(qū)域整體的代表性。相比前人研究,本研究基于大量實(shí)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金空間插值,將大量的一維點(diǎn)數(shù)據(jù)插值到整個(gè)區(qū)域,形成空間二維連續(xù)面數(shù)據(jù),基于面柵格數(shù)據(jù)對(duì)各區(qū)域碳密度碳儲(chǔ)量進(jìn)行了更準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)估算,避免了結(jié)合各因子模型模擬以及樣點(diǎn)不均勻帶來(lái)的高不確定性。但克里金插值方法也存在一定的不確定性,該地統(tǒng)計(jì)插值方法為模擬出一個(gè)連續(xù)變化曲面存在對(duì)空間不同位置碳密度低值預(yù)測(cè)偏高,高值預(yù)測(cè)偏低的現(xiàn)象,導(dǎo)致預(yù)測(cè)變化范圍小于實(shí)際變化范圍,但對(duì)整體均值影響較小,此外,由于數(shù)據(jù)獲取困難及大部分農(nóng)田植被的人工定期收獲,本研究對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算不包括凋落物以及農(nóng)田生物量部分,這會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算造成不同程度的影響,使估算結(jié)果較其他研究整體偏低。

3.2 黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布的影響因素

由于經(jīng)緯度與地形的不同,直接或間接決定了黃土高原降水、溫度等氣象因子以及土壤質(zhì)地的空間分異,氣候及地形因子很大程度上決定著陸地植被生產(chǎn)力以及生物群落組成,土壤質(zhì)地的不同也會(huì)對(duì)土壤的水、熱、氣、養(yǎng)分的分配與循環(huán)有不同程度的作用[36],進(jìn)而影響植被生長(zhǎng)與土壤有機(jī)碳的礦化,從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生物量碳與土壤有機(jī)碳的空間格局進(jìn)行調(diào)控。相關(guān)分析以及路徑分析結(jié)果表明,氣候(年均溫度、年均降水)、海拔、地形(坡度)、土壤質(zhì)地、植被覆蓋狀況對(duì)黃土高原不同碳庫(kù)碳密度空間格局均有不同程度影響,其中氣候以及土壤質(zhì)地是最重要的影響因素。在黃土高原區(qū)域尺度上,溫度和降水具有明顯的空間分布特征,均呈自東南向西北逐漸降低的趨勢(shì),這與黃土高原植被碳密度空間格局相似。溫度和降水決定著不同地理位置水熱條件,通過(guò)對(duì)植被光合作用凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響,對(duì)黃土高原植被的空間分布進(jìn)行調(diào)控[25],本研究結(jié)果顯示,較溫度而言,降水對(duì)地上生物量碳密度的影響更為顯著,這與辛?xí)云絒37]等的研究結(jié)果相同,在干旱半干旱的黃土高原地區(qū),降水作為土壤水分的唯一來(lái)源,是限制植被生產(chǎn)力的主要因素,較高的降水量會(huì)導(dǎo)致植被生產(chǎn)力的增加,從而導(dǎo)致植物生長(zhǎng)密度的增加,植被生物量碳密度的增加。土壤有機(jī)碳密度高低取決于有機(jī)質(zhì)輸入與輸出分解之間動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系,隨著降雨量增加、溫度升高,地上植被和地下根系生物量增加,土壤有機(jī)質(zhì)主要輸入物質(zhì)凋落物和根系沉積物增加,但土壤微生物活性也相應(yīng)提高,有機(jī)質(zhì)分解速率也相應(yīng)加快[38-39],總體而言,黃土高原地區(qū)降水及溫度對(duì)土壤有機(jī)碳密度具有正效應(yīng),即自西北向東南降雨量與溫度增加,凋落物以及根系對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的輸入量大于其礦化分解量,這一研究結(jié)果與Nie[38],Chen等[40]研究結(jié)果相同。

在較小的地理單元內(nèi),海拔,坡度等因子也顯著影響著植被及土壤有機(jī)碳密度。海拔控制著局地溫度與降水的梯度變化,直接或間接影響著生態(tài)系統(tǒng)碳密度[41]。隨著海拔升高,溫度不斷降低,一方面會(huì)限制植被的生長(zhǎng),另一方面,也會(huì)限制土壤有機(jī)碳的分解,有利于其積累。路徑分析結(jié)果顯示,隨著海拔的升高,地上生物量碳密度顯著降低,地下生物量碳密度升高,這一現(xiàn)象可用植被的垂直地帶性分異解釋,隨著海拔升高,氣溫下降,降雨量減少,植被類型多從喬木林向灌木林草地過(guò)渡,植被地下根系更為發(fā)達(dá)；隨著海拔升高,非農(nóng)田土壤有機(jī)碳與農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度均增加,這一結(jié)論與唐朋輝[42]Tashi等[43]的研究結(jié)果相同。坡度作為重要的地形指標(biāo)不僅代表著地表傾斜程度,也影響著植被分布、植被碳密度與土壤有機(jī)碳密度。本研究結(jié)果表明,地上生物量碳密度與土壤有機(jī)碳密度均呈隨坡度增大略增加的趨勢(shì),生物量較高的森林多分布在黃土高原東南與東部高山丘陵區(qū),自東南向西北地勢(shì)逐漸平緩,植被逐漸從半濕潤(rùn)森林、半濕潤(rùn)半干旱林草區(qū)向荒漠草地、干旱荒漠區(qū)過(guò)渡,植被生物量與土壤有機(jī)碳含量均降低。

除氣候與地形因子外,不同碳庫(kù)碳密度空間格局均可不同程度地被土壤質(zhì)地顆粒組成解釋,其中,粘粒含量對(duì)各碳庫(kù)碳密度均具有正效應(yīng),對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)碳的總作用系數(shù)最大,這一結(jié)果與已有研究結(jié)果相同[44-45]。Ge等[44]的研究顯示農(nóng)田以及森林生態(tài)系統(tǒng)中較好的土壤質(zhì)地即較高的粘粒與粉粒含量,土壤有機(jī)碳含量更高；Liu等[45]對(duì)黃土高原大量樣點(diǎn)分析結(jié)果顯示土壤有機(jī)碳含量隨土壤粘粒粉粒含量的增加而增加。土壤顆粒組成以粒徑較小的粘粒和粉粒為主時(shí),土壤顆粒具有較大的表面積,使土壤中有機(jī)質(zhì)更易與其結(jié)合,形成各粒徑土壤團(tuán)聚體,對(duì)有機(jī)質(zhì)形成物理保護(hù)作用,減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)在微生物作用下的分解[36]。與地上生物量碳密度與土壤有機(jī)碳密度相比,地下生物量碳密度路徑模型解釋率較低。黃土高原分布最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)為草地生態(tài)系統(tǒng),有研究表示,與地上植被相比,草地根系周轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng),可達(dá)數(shù)十年,因此,地下生物量碳庫(kù)的空間格局動(dòng)態(tài)機(jī)理更為復(fù)雜[37]。

3.3 黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量與全國(guó)平均水平的比較

黃土高原地區(qū)約占我國(guó)陸地總面積的6.7%,生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量約為2.29 Pg,僅占我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[20](99.15 Pg)的2.3%。黃土高原平均植被碳密度約為0.155 t/hm2,略低于全國(guó)平均植被碳密度(0.158 t/hm2),平均土壤有機(jī)碳密度約為0.261 t/hm2,也低于全國(guó)平均水平0.913 t/hm2。雖經(jīng)過(guò)退耕還林(草)等一系列的生態(tài)恢復(fù)措施的實(shí)施,黃土高原植被覆蓋率顯著上升,固碳量有所增加,但整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳密度水平仍遠(yuǎn)低于我國(guó)平均水平。未來(lái)研究應(yīng)著力于結(jié)合多因子探明黃土高原地區(qū)不同碳庫(kù)不同區(qū)域固碳潛力,對(duì)黃土高原地區(qū)不同生物氣候區(qū)制定不同生態(tài)管理措施,如對(duì)于溫度降水條件較好,植被碳密度較高的生物氣候Ⅰ區(qū),應(yīng)著重保護(hù)或加大植樹造林力度,對(duì)于植被碳密度較低但土壤有機(jī)碳密度較高,生物氣候Ⅳ區(qū)西南部與青藏高原交界處的高海拔地區(qū),應(yīng)采取合理土地管理措施以保護(hù)土壤有機(jī)碳,并增強(qiáng)自然保護(hù)措施,增加植被碳密度。本研究為黃土高原地區(qū)提供了可靠的碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀評(píng)估數(shù)據(jù),并揭示了黃土高原地區(qū)各碳庫(kù)碳密度的空間格局影響因素,對(duì)于黃土高原地區(qū)生態(tài)恢復(fù)效益評(píng)估以及未來(lái)管理者對(duì)土地管理以及生態(tài)保護(hù)政策的制定與優(yōu)化提供了參考,有利于黃土高原地區(qū)固碳效益的提高,在未來(lái)氣候變化的背景下為全球碳平衡做出更大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

黃土高原地區(qū)總碳儲(chǔ)量約為2.29 Pg,植被與土壤有機(jī)碳密度均低于全國(guó)平均水平,森林、草地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別占總碳儲(chǔ)量的43%,48%,9%。地上生物量碳儲(chǔ)量,地下生物量碳儲(chǔ)量,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別占總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的19%、14%和67%。各碳庫(kù)組分碳密度均存在較強(qiáng)的空間變異性,大致呈自東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)。氣象、地形、土壤質(zhì)地、植被覆蓋狀況等因子中,年均降水、海拔、粘粒含量是影響碳密度空間格局的重要因素。未來(lái)應(yīng)針對(duì)不同地區(qū)碳儲(chǔ)量背景以及不同環(huán)境條件采取不同的區(qū)域管理措施,以提高黃土高原地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量。另外,本研究?jī)H包含了黃土高原森林(含灌木)、草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),且不同尺度的數(shù)據(jù)提取存在一定的誤差,未來(lái)應(yīng)納入更多的生態(tài)系統(tǒng)類型,如濕地等,結(jié)合更多環(huán)境因子,使用更加精確的估算方法,如結(jié)合輔助變量的插值方法等,降低研究的不確定性,更準(zhǔn)確地對(duì)黃土高原碳儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)估。