基于3S技術(shù)的石家莊市土壤碳匯時(shí)空變化研究

劉 征，王曉蕊，馮曉淼，張夏坤

（石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

20世紀(jì)60年代，碳匯研究由國際科學(xué)聯(lián)合會(huì)發(fā)起，國際生物學(xué)計(jì)劃標(biāo)志著全球碳循環(huán)研究的開端，目前全球土壤有機(jī)碳總庫存量報(bào)道較多，有關(guān)城市土壤地球化學(xué)循環(huán)的研究仍處于起步階段[1].國外大部分研究證明城市區(qū)域土壤有機(jī)碳大于郊區(qū)[2，3]，我國對(duì)杭州等旅游城市碳匯研究[4-6]的結(jié)果表明，城市土壤的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)郊區(qū)土壤，各城市功能區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量不同，不同土地利用的有機(jī)碳儲(chǔ)量變化不相同[5].不同地塊碳匯不斷變化，城市土地覆被變化導(dǎo)致約25%的碳庫損失[7].然而，也有少量研究提出了不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為城區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量低于郊區(qū)，這可能是由于細(xì)根生物量的顯著減少和土壤有機(jī)碳分解增加[8].有機(jī)碳含量的高低具有不確定性，其影響因素較多，目前，關(guān)于城市有機(jī)碳儲(chǔ)量單一時(shí)相的研究報(bào)道較多，基于多時(shí)相的土壤有機(jī)碳的研究較少.

采用遙感過程模型法估算碳匯較為流行，包括兩種方法：一是通過光能利用模型和土壤基礎(chǔ)呼吸模型建立土壤碳通量生態(tài)機(jī)理遙感模型，估算區(qū)域碳儲(chǔ)量[9-11]；二是通過構(gòu)建光譜指數(shù)建立土壤碳通量遙感反演模型，估算區(qū)域碳儲(chǔ)量[12].以上兩種方法均較為繁瑣，而利用朱文泉教授計(jì)算植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）插件進(jìn)行計(jì)算則更加方便快捷.本研究利用此插件，首先計(jì)算NPP，進(jìn)一步利用土壤基礎(chǔ)呼吸模型建立土壤碳通量生態(tài)機(jī)理遙感模型，對(duì)石家莊市的土壤碳匯進(jìn)行估算，并分析其時(shí)空演變格局及其影響因子，為石家莊市的生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)提供理論依據(jù)與科學(xué)指導(dǎo).

1 研究區(qū)概況

河北省省會(huì)石家莊是河北省的政治、經(jīng)濟(jì)、科技等中心，是國務(wù)院批復(fù)確定的京津冀地區(qū)重要的中心城市，距離首都北京283 km[13].石家莊市跨太行山地和華北平原兩大地貌單元，西部地區(qū)處于太行山中部，東部為滹沱河沖積平原，地勢(shì)東南低西北高.石家莊市屬于典型的溫帶季風(fēng)氣候，四季寒暑分明，雨量集中于夏秋季節(jié).石家莊市干濕季明顯，夏冬季長，春秋季短.石家莊市轄區(qū)內(nèi)河流分屬海河流域、大清河水系和子牙河水系.目前，石家莊市劃分為7個(gè)行政區(qū)（圖1）.

圖1 石家莊市區(qū)行政區(qū)劃圖

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

2.1 MODIS歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)

來源于LAADS DAAC https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov網(wǎng)站所提供的16日合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km的MOD13A2數(shù)據(jù)，時(shí)間為2009年與2019年，共計(jì)批量下載遙感影像數(shù)據(jù)184幅，行列號(hào)為h26v05與h27v05數(shù)據(jù).

2.2 氣象數(shù)據(jù)

源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)http://data.cma.cn/site/index.html，運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行重投影與克里金插值[14]，得到石家莊市的氣象數(shù)據(jù).

2.3 植被類型數(shù)據(jù)

來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心中的中國地區(qū)土地覆蓋綜合數(shù)據(jù)集下載的數(shù)據(jù).

3 石家莊市土壤碳匯計(jì)算

3.1 植被NPP計(jì)算

利用NPP插件求取石家莊市2009年與2019年的植被NPP值，CASA模型是一個(gè)基于過程的遙感模型，模型中的NPP主要由植被所吸收的光合有效輻射（APAR）與光能轉(zhuǎn)化率兩個(gè)變量來確定.利用朱文泉教授的NPP計(jì)算插件得到石家莊市2009年與2019年的植被NPP最終結(jié)果[15].

3.2 土壤碳匯計(jì)算

土壤碳匯可以表示為NPP與土壤微生物呼吸量（RH）碳排放之間的差值，即凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP），其表達(dá)式[16]為：

3.2.1RH計(jì)算

借鑒裴志永等[17]研究碳排放與環(huán)境因子關(guān)系建立的回歸方程：

式中：T代表氣溫，R代表降水.

3.2.2RH時(shí)空分布

對(duì)計(jì)算出的2009年和2019年逐月RH和平均RH分別在Excel中進(jìn)行繪制，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2～圖5所示.

圖2 石家莊市2009年與2019年月平均RH變化

通過圖2可以清楚地看出6～8月RH整體較高，都大于30 gC·m-2·a-1，7月都高于40 gC·m-2·a-1，而1～2月、11～12月整體偏低.整體來看，RH年內(nèi)呈先增長后下降趨勢(shì)，此趨勢(shì)與研究區(qū)氣候相關(guān)：石家莊市屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，6～8月氣溫與降水均較高，RH的影響因素中氣溫與降水是兩個(gè)重要因子，氣溫、降水的增加與下降影響著RH的增加與下降，二者呈正相關(guān)關(guān)系.

通過計(jì)算，石家莊市2009年與2019年各月RH平均值如圖3所示，通過圖3可以清晰得出石家莊市的RH月變化平緩，石家莊市2009年與2019年RH年際變化較為平緩，說明RH較穩(wěn)定.

圖3 石家莊市2009年與2019年逐月RH變化

由圖4和圖5可見RH與氣溫、降水的相關(guān)性，5～9月氣溫、降水均較高，RH也呈現(xiàn)出較高趨勢(shì)，RH隨著氣溫、降水的增加而增加，氣溫降水高的月份RH也較高.

圖4 石家莊市2009年氣溫、降水和RH趨勢(shì)圖

圖5 石家莊市2019年氣溫、降水和RH趨勢(shì)圖

3.2.3 NEP時(shí)空分布

通過運(yùn)用公式（1）計(jì)算石家莊市2009年與2019年的NPP與RH，得到石家莊市2009年與2019年逐月平均NEP及其空間分布.

從時(shí)間變化上（圖6）看，2009～2019年石家莊市NEP從1月到12月呈正態(tài)分布，這種分布與季節(jié)變化有關(guān)；NEP隨著氣溫和降水的增加而增加（圖7和圖8），將2009年和2019年逐月NEP進(jìn)行比較，十年間每月都明顯下降.2009年石家莊市NEP平均為48.45 gC·m-2·a-1，此時(shí)石家莊市植被面積大，植物凋落物源源不斷地補(bǔ)充碳，同時(shí)微生物作用也可固碳，因此土壤是碳匯；2019年石家莊市NEP平均為-0.48 gC·m-2·a-1，下降趨勢(shì)明顯，此時(shí)土壤是碳源，植物凋落物補(bǔ)充的碳小于土壤呼吸作用向大氣排放的CO2、CH4.十年間，石家莊市NEP由碳匯到碳中和轉(zhuǎn)為碳源，一方面是植被面積減少，另一方面是由于城市環(huán)境衛(wèi)生管控逐漸加強(qiáng)，植物凋落物被集中清理，無法存留于土壤表面而轉(zhuǎn)化為土壤碳，使土壤碳匯功能逐漸減弱.

圖6 石家莊市2009年與2019年逐月NEP結(jié)果

圖7 石家莊市2009年氣溫、降水和NEP趨勢(shì)圖

圖8 石家莊市2019年氣溫、降水和NEP趨勢(shì)圖

從空間變化上（圖9～圖12）看，石家莊市逐月NEP與平均NEP都呈現(xiàn)從外圍向中心逐漸遞減的態(tài)勢(shì)，越靠近中心城區(qū)，NEP越小.石家莊市中心城區(qū)為裕華區(qū)、新華區(qū)等市區(qū)，經(jīng)濟(jì)水平高，植被覆蓋率低，多為城市綠化的植被，NEP較低；石家莊市外圍則為經(jīng)濟(jì)水平較低的欒城、藁城等城區(qū)，種有農(nóng)田等植被，NEP較高.這種分布趨勢(shì)說明NEP和石家莊市土地利用性質(zhì)有關(guān)，綠地、農(nóng)用地區(qū)域NEP高，建設(shè)用地、裸地NEP低.

從時(shí)空變化上（圖11和圖12）看，石家莊市西南部的鹿泉區(qū)NEP變化最大，主要是由于2009年鹿泉城市化建設(shè)水平低，大多為農(nóng)田和森林等植被，隨著城市化水平的提升及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鹿泉區(qū)在2019年由農(nóng)業(yè)為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)發(fā)展，加之旅游開發(fā)，大量土地由農(nóng)田和林區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄖ玫豙14，18]，植被覆蓋率大大降低，因此造成了鹿泉區(qū)的NEP大幅度下降.

圖11 石家莊市2009年NEP空間分布圖

圖12 石家莊市2019年NEP空間分布圖

正是由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化建設(shè)的提高，造成了石家莊市的植被覆蓋率大大降低，2009年植被覆蓋率本來就低的中心市區(qū)更是隨著城市規(guī)模的發(fā)展和用地建設(shè)的轉(zhuǎn)變[13，18]，植被覆蓋率進(jìn)一步降低，造成中心市區(qū)的NEP也快速下降.

通過比較圖9和圖10可以看出，NEP量隨著氣溫、降水的增加而增加，其中7～9月最高，由于這3個(gè)月氣溫高、降水較多，NPP較高，相應(yīng)的NEP量也較高.

圖9 石家莊市2009年NEP逐月空間分布圖

圖10 石家莊市2019年NEP逐月空間分布圖

石家莊市鹿泉區(qū)抱犢寨海拔較高，導(dǎo)致NEP較低，這與贠銀娟等[19]研究NEP含量與海拔關(guān)系中的結(jié)論相一致.

4 影響因子分析

利用CASA模型，將NPP與RH作為基礎(chǔ)計(jì)算得到石家莊市NEP，進(jìn)一步分析NEP與氣溫、降水、人類活動(dòng)和NDVI的關(guān)系.

4.1 氣溫對(duì)NEP的影響

石家莊市為溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫，冬季寒冷，植被生長受氣溫的影響較大.夏季溫度高，太陽輻射量大，植被生長快速，因此植被覆蓋率高，2009年1月的平均NEP為10.07 C·m-2·a-1，而7月的平均NEP為91.54 gC·m-2·a-1，數(shù)值遠(yuǎn)高于1月數(shù)據(jù).徐麗梅等[20]的研究認(rèn)為，地處華北地區(qū)的太行山與燕山山脈地區(qū)隨著海拔的升高，氣溫不斷下降，隨之NPP下降明顯，這與本研究中氣溫對(duì)NEP影響的研究結(jié)果相符合.

4.2 降水對(duì)NEP的影響

石家莊市夏季降水量較大，冬季降水量較少，通過圖9和圖10可以看出石家莊市NEP與降水呈正相關(guān)趨勢(shì)，7、8月降水量較多，石家莊市的NEP也處于較高值，降水量越多植被覆蓋率越高，土壤的RH和NEP也越高.

4.3 人類活動(dòng)對(duì)NEP的影響

石家莊市裕華區(qū)、新華區(qū)等市區(qū)NEP較低，藁城區(qū)、欒城區(qū)等地NEP較高.因?yàn)槭袇^(qū)植被覆蓋率低，造成NEP含量較低.隨著城市化建設(shè)進(jìn)程[13，18]，農(nóng)業(yè)用地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)業(yè)用地，植被覆蓋率逐漸降低；城市環(huán)境衛(wèi)生管控逐漸加強(qiáng)，植物凋落物被集中清理，無法轉(zhuǎn)化為土壤碳而緩慢排放，也使得2019年NEP低于2009年.

4.4 NDVI對(duì)NEP的影響

NDVI直接反映植被生長狀態(tài)，植被生長狀態(tài)越好，NDVI數(shù)值越大，二者呈正相關(guān)趨勢(shì).石家莊市主要植被類型為溫帶落葉闊葉林，夏季植被生長旺盛，光合作用強(qiáng)于呼吸作用，冬季落葉，主要為呼吸作用，NDVI也隨之變化.

5 結(jié)論

通過運(yùn)用CASA模型結(jié)合Modis NDVI數(shù)據(jù)得到石家莊市NEP空間分布圖，并通過研究分析得出以下結(jié)論：

1）空間格局：2009～2019年，石家莊市年NEP呈現(xiàn)自中心市區(qū)至四周增加趨勢(shì)，石家莊市中心地區(qū)NEP數(shù)值較低，藁城區(qū)和欒城區(qū)NEP數(shù)值較高.

2）年際變化：2009年石家莊市NEP平均為48.45 gC·m-2·a-1，2019年低于-0.48 gC·m-2·a-1，年際變化明顯.這主要是由于隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化建設(shè)水平的提高，石家莊市的植被覆蓋率大大降低，同時(shí)，城市環(huán)境衛(wèi)生管控造成植物凋落物無法轉(zhuǎn)化為土壤碳而緩慢排放，因此2009年到2019年NEP大幅度降低，土壤由碳匯轉(zhuǎn)為碳源.

3）季節(jié)變化：石家莊市NEP變化中6至9月數(shù)值高，12月至次年3月數(shù)值小，主要是因?yàn)槭仪f市屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季溫度高降水多，冬季溫度低降水少，植被生長呈季節(jié)性變化，因此，石家莊市NEP與氣溫和降水密切相關(guān).

4）影響因子：石家莊市西南部鹿泉區(qū)十年間經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，土地利用變化明顯，NEP變化較其他區(qū)變化明顯.NEP隨著海拔的增高而降低，鹿泉抱犢寨海拔高于石家莊市其他區(qū)，因此，NEP也較石家莊市其他地區(qū)低.