西安市植被碳匯時(shí)空演變特征及影響因素解析

趙月帥，張秀紅，范田禾，王 銳，寧 博

（1.陜西華地勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710018）

隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，學(xué)術(shù)界對(duì)植被碳匯的研究受到空前的重視。影響植被固碳能力的一大關(guān)鍵因素為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）[1-3]，是反映植被生長變化的重要指標(biāo)。在NPP基礎(chǔ)上扣掉土壤和凋落物分解（Rh）的部分為植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP），通常將NEP 作為估算碳源、碳匯的重要指標(biāo)，盡管在區(qū)域尺度上NEP不等于碳匯，但常常作為碳匯大小的量度[4-5]?；诖耍疚囊訫OD17A3 NPP數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用土壤微生物呼吸模型，動(dòng)態(tài)模擬西安市2001—2015年NEP的時(shí)空分布格局，研究其變化規(guī)律，探討市域碳匯空間分布差異、年際變化特征，并對(duì)植被碳匯影響因子進(jìn)行解析，探索驅(qū)動(dòng)因素，以期為該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展決策、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

西安市地處關(guān)中平原中部，南至秦嶺主梁，北至黃河最大支流渭河，地勢南高北低，海拔高度懸殊。地形地貌豐富多樣且界限清晰，分布有秦嶺山地、驪山丘陵、黃土臺(tái)塬、渭河沖積平原。境內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，森林資源豐富，優(yōu)質(zhì)農(nóng)田集中連片發(fā)展，基本形呈“一山橫亙，九塬環(huán)抱、八水繞城、林田共生”的自然地理格局。受季風(fēng)氣候影響，全市冷暖干濕四季分明。西安地處暖溫帶落葉闊葉林帶，植被垂直分布規(guī)律明顯，南部山地、丘陵區(qū)天然次生林集中分布，北部平原、臺(tái)塬區(qū)多為耕地或園地，植被長勢良好。從全國地理空間格局來看，西安市位于我國南北方過渡區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對(duì)敏感[6]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)來自美國蒙大拿大學(xué)提供的2001—2015 年MOD17A3 數(shù)據(jù)集（http://www.ntsg.umt.edu/），空間分辨率為1 km；氣候氣象數(shù)據(jù)包括2001—2015年年均降水量、年均氣溫等，數(shù)據(jù)來源于西安市氣象主管部門，通過整理和計(jì)算，空間插值處理生成；高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)均來源于第三次全國國土調(diào)查成果；生態(tài)系統(tǒng)植被類型數(shù)據(jù)來源于《基于多源數(shù)據(jù)融合方法的中國1 公里土地覆蓋圖》，該數(shù)據(jù)采用IGBP 分類系統(tǒng)，精度相對(duì)較高。

2 研究方法

2.1 植被NEP估算模型

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與土壤微生物呼吸碳排放量之間的插值為植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP），在不考慮其他因素影響下，可將植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力表示為碳匯，計(jì)算公式為：

式中， NEP 為植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力； NPP 為植被凈初級(jí)生產(chǎn)力；RH為土壤微生物呼吸量。當(dāng)NEP ＞0時(shí)，說明固碳能力大于碳排放能力，表現(xiàn)為碳匯，反之為碳源[7]。

基于此，裴志永[8]研究了高寒地區(qū)碳排放與環(huán)境因子的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立了溫度、降水與碳排放的回歸方程，估測土壤微生物呼吸的分布情況；湯潔[5]、袁倩文[9]、許明子[10]分別在吉林西部、北部灣城市群、秦嶺山區(qū)的碳匯研究中將該方程予以應(yīng)用，該方程已適用于全國范圍內(nèi)碳相關(guān)研究，計(jì)算公式為：

式中，RH為土壤微生物呼吸；T為氣溫；R為降水量。

2.2 植被NEP變化趨勢分析

采用一元線性回歸方法，分析西安市2001—2015年植被NEP變化趨勢的空間分布特征，以時(shí)間t為自變量，對(duì)NEP值和年份進(jìn)行回歸分析，線性回歸斜率即為NEP變化速率[11]，公式為：

式中，S為NEP變化速率；N=15，為年數(shù)；xi為第i年的NEP 值；t為年份。當(dāng)S＞0 時(shí)，表示隨著t增加，NEP呈上升趨勢；反之，NEP呈下降趨勢，S值的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

用F檢驗(yàn)法檢驗(yàn)NEP變化趨勢的顯著性，檢驗(yàn)結(jié)果能夠反映變化趨勢的可信程度，檢驗(yàn)公式為：

式中，為第i年NEP的回歸值；為15 a NEP的平均值；xi為第i年的NEP值。查F分布臨界值表檢驗(yàn)顯著性，結(jié)合NEP變化趨勢，可將NEP變化分為3個(gè)等 級(jí)： 顯 著 減 少（S＜0，P＜0.05）， 顯 著 增 加（S＞0，P＜0.05），變化不顯著（p＞0.05）。

2.3 植被NEP變化相關(guān)性分析

分別計(jì)算植被NEP與降水、氣溫的相關(guān)系數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，Rxy為x、y兩變量的相關(guān)系數(shù)；xi和yi分別為x、y變量第i年的值；N為樣本數(shù)；為變量x的均值；為變量y的均值。

3 植被碳匯時(shí)空變化分析

3.1 西安植被碳匯空間變化特征

基于2001—2015 年MOD17A3 NPP 數(shù)據(jù)，運(yùn)用土壤呼吸模型，可計(jì)算出西安市歷年植被NEP 值。取15 a NEP均值，可以反映西安市15 a 間植被碳匯的整體空間分布，整體分布呈“西高東低，北高南低”的特征，多年平均值為374.4 gC·m-2·a-1，最小值為72.9 gC·m-2·a-1，最大值為916.41 gC·m-2·a-1，說明市域內(nèi)植被均表現(xiàn)為碳匯。

計(jì)算不同NEP 范圍的面積及百分比，NEP 在0～200 gC·m-2·a-1之間的面積是518.22 km2，占全市面積的5.13%，主要分布在城鎮(zhèn)周邊及市域東南秦嶺山地，城鎮(zhèn)周邊植被類型以人工植被為主，市域東南秦嶺山地幼齡林占比大，植被生產(chǎn)力水平較低，導(dǎo)致碳匯能力不高；NEP在200～400 gC·m-2·a-1之間的面積是4 430.87 km2，占全市面積的43.88%，主要分布在臺(tái)塬地區(qū)及秦嶺山地區(qū)，表現(xiàn)出一定的碳匯能力；NEP在400～600 gC·m-2·a-1之間的面積是4 509.49 km2，占全市面積的44.66%，主要分布在渭河平原，該地區(qū)主要用地類型為耕地、園地，土壤肥沃，氣候適宜，灌溉條件良好，植被生產(chǎn)力水平較高，碳匯能力較大；NEP大于600 gC·m-2·a-1的面積是19.99 km2，占全市面積的0.20%，零星分布在周至縣境內(nèi)秦嶺山地，碳匯能力最高。整體而言，高值區(qū)位于市域西北部平原地區(qū)，該區(qū)域耕地條件較好，植被生產(chǎn)力比區(qū)域內(nèi)其他自然植被更好，低值區(qū)位于市域東南部秦嶺山地區(qū)域，說明市域內(nèi)林地的生產(chǎn)力相對(duì)較弱。

植被NEP 變化速率空間分布圖（圖1）中可以看出，NEP 變化速率大部分介于-15～15 gC·m-2·a-1，變化速率為正的區(qū)域面積占89.54%，正值區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)值區(qū)，表明NEP整體呈增加趨勢。從NEP變化顯著性檢驗(yàn)結(jié)果（圖2）中可知，顯著增加區(qū)域面積占比44.48%，主要位于周至縣、鄠邑區(qū)境內(nèi)秦嶺山地區(qū)及驪山丘陵地區(qū)，說明植被生長環(huán)境得到改善；顯著減少區(qū)域面積占比2.57%，主要位于城區(qū)周邊，主要與人口增加、城市擴(kuò)張對(duì)城區(qū)周邊植被造成破壞存在較大關(guān)聯(lián)；增加和減少不明顯區(qū)域面積占比52.95%，主要位于平原地區(qū)及長安區(qū)、藍(lán)田縣境內(nèi)秦嶺山地區(qū)。

圖1 2001-2015年西安市植被NEP變化速率空間分布

3.2 西安植被碳匯年際變化特征

西安市2001—2015 年植被碳匯量多年均平均值為3.55 TgC，呈現(xiàn)年際波動(dòng)升高趨勢，波動(dòng)范圍在2.46～4.18 TgC 之間。其中，2001 年植被碳匯量最低，僅2.46 TgC，為平均值的69.3%，2010年植被碳匯量最高，達(dá)4.18 TgC，超出平均值17.7%。2001年、2002年、2010年、2012年植被碳匯量離散程度較高，其余年份圍繞平均值上下浮動(dòng)，變化較小。植被NEP年均增量為0.11 TgC，表明西安市植被固碳能力增強(qiáng)，也在一定程度上反映了西安市植被覆蓋增加、生態(tài)環(huán)境改善。

3.3 不同生態(tài)系統(tǒng)類型植被碳匯變化特征

西安市不同生態(tài)系統(tǒng)類型的碳匯總量存在較大差異，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最高，均在1.31 TgC以上；其次是森林生態(tài)系統(tǒng)，介于0.51～1.31 TgC；草地生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)最低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)的年均NEP 總量共計(jì)2.52 TgC，占市域NEP總量的73%，是對(duì)西安市生態(tài)系統(tǒng)碳匯最具貢獻(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)，其他三類年均NEP總量為0.95 TgC，占市域NEP總量的27%，碳匯貢獻(xiàn)能力較低。

4 植被碳匯影響因素分析

從目前學(xué)者的研究成果看，影響碳匯能力的因素主要包括高程、坡度、降水、氣溫、經(jīng)緯度、土壤、群落結(jié)構(gòu)、經(jīng)營管理、人類活動(dòng)等[13]，本次研究結(jié)合西安市區(qū)域尺度及數(shù)據(jù)掌握情況，重點(diǎn)分析高程、坡度、降水、氣溫與植被碳匯能力的相關(guān)關(guān)系。

4.1 碳匯能力與地形因子的關(guān)系

選取200 m 高程和3°坡度為間隔，分別統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)NEP 均值，分析NEP 隨高程和坡度的變化特征。植被NEP 與高程相關(guān)性可劃分四階段：階段一（600 m 以下），西安市最低海拔為336 m，在高程336～600 m 區(qū)間內(nèi)，NEP 均值相對(duì)平穩(wěn)，呈微弱上升趨勢；階段二（600～1600 m），緩慢下降，高程每升高100 m，NEP 均值減少11.8 gC·m-2·a-1；階段三（1 600～3 200 m），平穩(wěn)上升階段，高程每升高100 m，NEP 均 值 增 加6.9 gC·m-2·a-1；階段四（3 200 m 以上），急劇下降，高程每升高100 m，NEP 均值減少31 gC·m-2·a-1。隨著海拔上升，NEP均值變化呈現(xiàn)“相對(duì)平穩(wěn)-緩慢下降-平穩(wěn)上升-急劇下降”的變化特征。由此可見，研究區(qū)內(nèi)，中低海拔區(qū)域植被碳匯能力受高程因素影響較小，高海拔區(qū)域植被碳匯能力受高程因素影響較大。

根據(jù)植被NEP 與坡度的相關(guān)性（圖3）可知：0～3°時(shí)，NEP均值最大；6～21°時(shí)，NEP均值呈現(xiàn)微弱下降趨勢，坡度每增加1°，NEP均值減少3.5 gC·m-2·a-1；21～51°時(shí)，NEP均值呈現(xiàn)微弱上升趨勢，坡度每增加1°，NEP 均值增加1.5 gC·m-2·a-1。總體而言，與高程相比，NEP均值受坡度因素影響較小。

圖3 2001-2015年西安市植被NEP均值與坡度的關(guān)系

4.2 碳匯能力與氣候因子的關(guān)系

植被生長與氣候變化密切相關(guān)，二者之間的相關(guān)關(guān)系是國內(nèi)外全球變化研究的主要內(nèi)容[14]，為定量分析氣候因子對(duì)植被碳匯的影響，逐柵格計(jì)算2001—2015年植被NEP與降水、氣溫之間的相關(guān)系數(shù)。

植被NEP與降水的相關(guān)性分析顯示（圖4），兩者相關(guān)系數(shù)介于-0.81～0.99 之間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明植被NEP對(duì)降水因子的相應(yīng)表現(xiàn)出顯著的空間差異性，呈正相關(guān)的區(qū)域占總面積的80.7%，主要分布在秦嶺山區(qū)、驪山丘陵地區(qū)，主要原因是該區(qū)域海拔較高，植被類型多為林地，降水對(duì)其影響植被NEP 影響較大；呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域主要位于平原地區(qū)，植被類型多為耕地、園地，具有相對(duì)完善的灌溉設(shè)施，降水對(duì)其植被NEP 影響較小。該區(qū)域有4.05%的區(qū)域通過P＜0.05顯著性檢驗(yàn)。整體而言，植被碳匯與降水呈正相關(guān)性特征。分析植被NEP與氣溫的相關(guān)性可知（圖5），兩者相關(guān)系數(shù)在-0.71～0.48之間，呈正相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)規(guī)模的25.7%，主要分布在西北部平原地區(qū)及東部臺(tái)塬地區(qū)、驪山丘陵地區(qū)，呈負(fù)相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)規(guī)模的74.3%，集中分布在秦嶺山地及東北部平原地區(qū)。該區(qū)域均未通過P＜0.05顯著性檢驗(yàn)。整體而言，植被碳匯與氣溫呈負(fù)相關(guān)性特征。

圖5 2001-2015年植被NEP與氣溫相關(guān)系數(shù)空間分布

5 討論與結(jié)論

5.1 討 論

1）統(tǒng)計(jì)分析西安市植被碳匯量表明，如果不考慮其他自然和人為干擾條件影響，西安市除建設(shè)用地之外的所有用地均屬于碳匯用地。

2）西安市2001—2015 年植被NEP 整體呈增加趨勢，但遠(yuǎn)低于全國平均增速[15]。

3）從地形地貌特征來看，植被NEP 與高程、坡度間存在階段性變化特征，且高程影響幅度較大。

4）本研究發(fā)現(xiàn)NEP 整體與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但局部存在較大差異。

5.2 結(jié) 論

植被碳匯是一個(gè)長期、動(dòng)態(tài)的變化過程，本文研究了西安市2001—2015年共15 a的NEP變化，能否準(zhǔn)確反映西安市植被生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力規(guī)律有待商榷，以后研究中可延長時(shí)間段，以反映更長時(shí)間尺度的變化情況。影響碳匯的因素眾多，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，本次研究僅從高程、坡度、降水、氣溫等方面初步分析了影響碳匯的因素，除此之外還有很多因子對(duì)NEP有潛在影響，比如人類活動(dòng)、管理方式，今后研究中可以加入。另外，不同的數(shù)據(jù)來源、不同的模型計(jì)算方法會(huì)對(duì)估算結(jié)果造成較大差異，因此采用科學(xué)性更高的數(shù)據(jù)、多模型對(duì)比選擇最優(yōu)估算模型也是后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。