2000—2015年青海高原植被碳源/匯時空格局及變化

劉 鳳,曾永年

1 中南大學空間信息技術與可持續發展研究中心,長沙 410083 2 中南大學地球科學與信息物理學院,長沙 410083

碳循環能夠綜合地反映生態系統對氣候變化的響應及人類活動的影響[1- 3],因而成為全球氣候變化研究的重要內容之一[4- 6],也是近年來全球碳計劃、全球變化與陸地生態系統響應計劃等一系列國際全球變化研究核心計劃的焦點內容。陸地植被碳循環是碳循環的重要組成部分,目前陸地植被碳循環的相關研究從對GPP(植被總生產力,Gross Primary Productivity)、NPP(植被凈初級生產力, Net Primary Productivity)的研究,進一步發展到對NEP(植被凈生態系統生產力, Net Ecosystem Productivity)的估算、區域碳收支的確定、碳源/匯的估算以及定量的評估氣候因素變化、人類活動對植被碳儲量的影響[7- 9]。NEP表示NPP與RH(土壤異養呼吸, Heterotrophic Respiration)之間的差值,是植被生態系統碳的凈吸收或凈儲存,可以定量描述植被生態系統碳源/匯的能力。當NEP>0時,表示生態系統發揮碳匯功能,反之則為碳源[10- 11]。因此,NEP作為表征植被活動的關鍵參量,對其準確估算不僅有助于衡量植被生態系統健康程度,更有助于定量分析區域植被生態系統的固碳狀況與潛力。

青海高原平均海拔在3000 m以上,是全球海拔最高的獨特自然地理單元——青藏高原的重要組成部分,是我國以及南亞、東南亞地區的“江河源”、“生態源”,是區域乃至全球氣候變化的“啟動器”和“調節器”,也是我國和全球生物多樣性保護地和生態安全屏障[12]。因此,青海高原植被碳源/匯時空格局及變化的研究,對深刻認識和理解青海高原植被生態系統碳匯功能及對全球變化的響應與影響具有重要的科學意義,對青海高原植被生態系統碳循環的合理調控和生態保護工程的實施具有重要的科學參考價值。目前,已有較多的研究對青海高原相關地區植被覆蓋度變化及植被NPP進行了分析[13- 16],對我國、青藏高原、三江源的陸地生態系統碳收支進行了分析[17-22]。然而,目前對青海高原植被NEP及其碳源/匯時空格局研究的尺度尚不夠精細,研究的時間序列有限從而影響到全面、精細地認識青海高原植被碳源/匯的時空分布差異及其影響因素。因此,采用適用于青海高原的NEP估算模型,利用較高時空分辨率的MODIS數據,定量估算并分析青海高原植被碳源/匯的時空格局及變化具有重要的理論與實踐意義。

本研究利用高分辨率遙感數據、氣象數據,采用改進的CASA模型(基于過程的遙感模型,Carnegie Ames Stanford Approach Model)、土壤呼吸模型,估算青海高原不同生態區植被NEP,分析NEP的時空分布格局與變化,探討不同生態區碳源/匯分布差異、年際變化及NEP對氣候因素變化的響應,以期深入揭示青海高原碳源/匯時空格局及其區域差異性。

1 研究區及數據

1.1 研究區概況

青海高原位居我國西部,青藏高原東北部,地處東部季風區、西北干旱區和青藏高原區三大地理區域的交匯處,是長江、黃河、瀾滄江的發源地[23]。地理位置介于東經89°25′—103°04′,北緯31°40′—39°19′之間,土地總面積72.23萬km2,地勢西高東低,南北高中間低,平均海拔3000 m以上,地形復雜,地貌多樣。氣候屬大陸性高原氣候,冬季漫長寒冷、夏季短暫涼爽[24],年降水量為15—750 mm,降水量時空分布不均,從西北到東南漸增。年均溫為-6—9℃,氣溫的垂直變化明顯。主要植被類型有常綠針葉林、落葉闊葉林、高寒灌叢、高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠、溫性草原等,植被水平與垂直地帶性分異顯著。青海高原生態區包括5個一級生態分區和14個二級生態分區：I—1阿爾金山荒漠生態區；I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態區；II—1柴達木盆地荒漠生態區；II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態區；III—1西祁連山高寒荒漠草原生態區；III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態區；III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態區；III—4湟水谷地農業生態區；IV北羌塘高寒荒漠草原生態區；V—1長江源高寒草甸草原生態區；V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態區；V—3黃河源高寒草甸草原生態區；V—4共和盆地高寒草原生態區；V—5海東—甘南高寒草甸草原生態區(圖1)。

圖1 青海高原生態區劃及DEM示意圖 Fig.1 Ecological regionalization and DEM schematic of Qinghai PlateauI—1阿爾金山荒漠生態區；I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態區；II—1柴達木盆地荒漠生態區；II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態區；III—1西祁連山高寒荒漠草原生態區；III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態區；III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態區；III—4湟水谷地農業生態區；IV北羌塘高寒荒漠草原生態區；V—1長江源高寒草甸草原生態區；V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態區；V—3黃河源高寒草甸草原生態區；V—4共和盆地高寒草原生態區；V—5海東—甘南高寒草甸草原生態區

1.2 數據來源與預處理

數據包括遙感影像數據、氣象數據、地形數據、植被覆蓋數據及其他數據。其中,遙感數據來源于NASA官網(http://edcimswww.cr.usgs.gov/pub/imswelcome/)提供的EOS/MODIS產品2000—2015年青海高原365期MOD13Q1—NDVI(歸一化差值植被指數,Normalized Difference Vegetation Index)數據集,數據空間分辨率為250 m×250 m,時間分辨率為16 d。采用MRT軟件與ArcGIS軟件,完成影像的拼接、裁剪、最大值合成等預處理,并對NDVI數據作濾波處理,剔除異常值,獲得2000—2015年研究區逐月NDVI序列數據。

氣象數據來源于中國氣象數據網(http://cdc.nmic.cn/)提供的2000—2015年青海高原及其周圍59個氣象站點的月總降水量、月平均氣溫觀測數據,以及8個太陽輻射站點的月太陽總輻射量數據。為提高模型中氣象數據的精度,利用覆蓋研究區的DEM數據及經緯度數據,在SPSS和ArcGIS軟件中,采用多元線性回歸法[25]完成氣象數據的空間插值,該方法引入多個影響因子(如經度、緯度、高程等)作為自變量,結合已知氣象站點觀測值,采用線性回歸的方法,最終獲得與NDVI數據一致空間分辨率、一致投影信息的氣象要素柵格數據集。

地形數據源自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)下載的30 m分辨率DEM數據；植被覆蓋數據來源于地球系統科學數據共享網(http://www.geodata.cn/)中,中國地區2005年1：25萬土地覆蓋遙感調查與監測數據,該數據集的分類精度為80%—90%,隨后為了分析不同植被類型NPP,依據分類標準將青海高原主要植被類型合并為草地、森林、農田,3個一級土地覆蓋類型。青海高原行政區劃數據源自國家基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。生態區邊界數據采用中國陸地生態系統數據庫[26](http://www.ecosystem.csdb.cn/)中青海高原生態區劃數據,并根據不同生態區的生態系統類型、地理特征等自然條件,分為5個一級生態分區和14個二級生態分區。

2 模型與方法

2.1 NEP估算模型

植被NEP是衡量區域上植被碳源、碳匯的重要指標,在不考慮其他自然和人為因素的影響下,NEP等于植被NPP與土壤微生物呼吸消耗碳量的差值[27],計算公式如下：

NEP(x,t)=NPP(x,t)-RH(x,t)

(1)

式中,NEP(x,t)為像元x在第t月的植被凈生態系統生產力,單位為gC/m2,NPP(x,t)為像元x在第t月的植被凈初級生產力(gC/m2),RH(x,t)表示像元x在第t月的土壤微生物呼吸量(gC/m2)。當NEP>0,說明植被固定的碳多于土壤呼吸排放碳,植被固碳體現為碳匯作用,反之,則為碳源作用。

采用朱文泉等[28- 29]改進的CASA模型實現對青海高原2000—2015年植被NPP的估算,模型中通過植被吸收的光合有效輻射和光能利用率,兩個驅動因子計算NPP,公式如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

(2)

式中,APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效輻射(MJ/m2)；ε(x,t)表示像元x在t月的實際光能利用率(gC/MJ),公式中相關參數的計算參見文獻[28- 31]。

土壤異養呼吸消耗RH的估算,采用裴永志等[32]建立的模型,即：

RH(x,t)=0.22×(exp(0.0912T(x,t))+ln(0.3145R(x,t)+1))×30×46.5%

(3)

式中,T(x,t)表示像元x在第t月的平均氣溫(℃)；R(x,t)表示像元x在第t月的月平均降水量(mm)。

2.2 時空變化分析方法

2.2.1NEP年際變化率

采用一元線性回歸法分析植被NEP的年際波動規律與動態變化[33],計算研究區逐像元多年回歸趨勢線斜率,用于反映植被NEP年際變化率。計算公式如下：

(4)

式中,θslope表示趨勢斜率,n表示估算年數,NEP表示第i年的植被NEP,利用NEP值與時間序列的相關關系表示NEP年際變化的顯著性,θslope>0表示增加,反之減少。

2.2.2變異系數(穩定性分析)

2000—2015年青海高原植被NEP的穩定性用基于像元的變異系數[34](式5)衡量,

(5)

2.2.3NEP與氣候因素相關性

采用基于像元的空間分析法,分析植被NEP與氣候因素(降水量、氣溫)的相關性,確定氣候因素與NEP的相關系數(式(6)),以及偏相關系數(式(7))。

(6)

式中,Rxy表示x、y變量間的相關關系；xi為第i年的NEP；yi表示第i年變量y的值；xp為多年NEP的平均值；yp為變量y多年平均值；n為樣本數。

(7)

式中,rxy,ryz,rxz分別表示變量x與y,y與z,及x與z的相關系數,rxy·z指變量z固定后,變量x與y之間的偏相關系數。

采用T檢驗法[35]對各相關系數、偏相關系數進行顯著性檢驗,顯著性水平取α=0.05。依據顯著性水平將各系數劃分為顯著正相關(R>0,P<0.05)、不顯著正相關(R>0,P≥0.05)、顯著負相關(R<0,P<0.05)和不顯著負相關(R<0,P≥0.05),并將研究區按不同顯著性水平劃分為4種不同的區域。

2.2.4精度評價

在分析研究區相關文獻資料的基礎上,統計野外站點植被NPP實測值、地上凈初級生產量、野外樣地生物量實測數據[36- 40]。為利用地上生物量實測數據獲得植被NPP值,首先,確定地上生物量與地下生物量的比率關系(即根冠比,R/S),本文選用的R/S為5.8[40],根據根冠比計算出相應植被的地下生物量,并計算得到總生物量,再根據生物量與NPP的換算比率將生物量轉換成碳單位,本文采用0.45[41]的比率將生物量轉換成碳單位,得到統計NPP實測數據；其次,對于實測數據中有氣象站點位置信息的,提取對應位置、時間的RH計算結果,對于僅有所在縣級單位的實測數據,提取對應年份、月份,同一縣級單元RH計算結果平均值。最后,利用NPP、RH值計算獲得NEP實測數據,并采用與RH同樣的提取方式,提取本文模擬植被NEP值,利用SPSS軟件分析模擬植被NEP與實測植被NEP的相關性,并檢驗其顯著性。同時,整理統計其他研究模擬的NEP結果,提取與本研究對應時間、相同植被類型的NEP值進行對比分析與評價分析。

3 結果與分析

3.1 NEP估算精度評價

根據2000—2015年青海高原野外氣象站點植被NPP、植被凈初級生產量、植被地上生物量觀測數據換算獲得的植被NPP實測值,結合土壤呼吸消耗RH計算結果,獲得植被NEP實測數據,再與本文估算植被NEP結果進行相關性分析、顯著性檢驗,結果表明(圖2),本文模擬植被NEP結果與統計實測數據的相關系數為0.87(P<0.01,R2=0.759)(n=27),模擬值與實測值呈顯著相關,說明模型估算植被NEP結果的可靠性。

圖2 植被凈生態系統生產力(NEP)模擬值與實測值對比 Fig.2 Comparison of Net Ecosystem Productivity (NEP) simulated value and measured value

3.2 青海高原植被碳源/匯空間分布格局

2000—2015年,青海高原植被NEP空間分布格局呈東高西低、南高北低,由西北向東南逐步增加趨勢,青海高原不同生態區植被NEP空間分布及其特征,如圖3、圖4所示。

青海高原植被年NEP多年平均值為128.40 gC m-2a-1,年平均固碳量約為51.69 TgC/a。其中,碳匯區(NEP>0)面積約為39.56 萬km2,約占植被總面積的73.11%,年固碳量平均值為188.43 gC m-2a-1,年平均碳匯量約為59.1 TgC/a；碳源區(NEP<0)面積約為14.55萬km2,約占植被總面積的26.89%,年碳排放量平均值為-61.70 gC m-2a-1,年平均碳排放量為-7.39 TgC/a,年平均凈碳匯總量約為51.7 TgC/a(圖3)。

圖3 植被NEP平均值空間分布Fig.3 Spatial distribution of vegetation NEP mean value

2000—2015年,青海高原植被累積NEP平均值為1101.92 gC/m2。其中,碳匯區平均累積NEP為3014.92 gC/m2,總固碳量約為0.946 PgC；碳源區平均累積NEP約為-987.13 gC/m2,總碳排放量為-0.119 PgC(圖4)。

圖4 植被NEP—16年總值空間分布Fig.4 Spatial distribution of 16 years′ total value of NEP

青海高原各生態區植被NEP及碳匯/源分布的空間格局特征如下：

I帕米爾—昆侖山—阿爾金山生態區

該生態區,地處青海高原西北部,植被分布稀疏,區內降水量稀少,氣溫偏高,土地沙漠化、荒漠化趨勢明顯,不利于植被NEP累積,多數區域土壤呼吸消耗碳大于植被NPP累積量。因此,該生態區整體上屬于青海高原植被NEP低值區,16年累積固碳總量約為8.631 TgC,屬弱碳匯區。

I—1阿爾金山荒漠生態區,該區地處柴達木盆地西北部,荒漠化嚴重,植被生態系統呈現為碳源。植被年NEP平均值為-5.31 gC m-2a-1,年固碳量約為-0.02 TgC；16年植被累積NEP平均值為-49.51 gC m-2,累積碳排放總量約為-0.329 TgC。

I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態區,該區地處柴達木盆地南緣的高寒荒漠草原區,整體以碳匯效應為主,但固碳能力較弱。植被年NEP平均值僅8.73 gC m-2a-1,年固碳量為0.56 TgC；16年植被累積NEP平均值為139.65 gCm2,累積固碳總量約為8.96 TgC。

II柴達木盆地生態區

該生態區植被覆蓋稀少,土壤沙化、鹽漬化嚴重,氣候干燥少雨,屬青海高原植被NEP的低值區,全區16年累積固碳總量為-40.37 TgC,屬碳源區。

II—1柴達木盆地荒漠生態區,位于柴達木盆地中部,天然牧草地呈現不同程度的退化,土地沙漠化嚴重,屬碳源區。植被年NEP平均值為-20.57 gC m-2a-1,年累積固碳量為-2.77 TgC；16年累積植被NEP平均值為-329.20 gCm2,累積碳排放量約為-44.37 TgC。

II—2柴達木盆地東北部山地高寒荒漠草原生態區,地處柴達木盆地東北部,植被年NEP平均值為6.95 gC m-2a-1,年平均固碳量為0.25 TgC/a；16年累積植被NEP平均值為111.09 gCm2,累積固碳總量約為4.003 TgC,屬弱碳匯區。

III祁連山生態區

該生態區屬青海高原草地、荒漠草原的重要分布區之一,分布有豐富的森林、草地資源,區內水熱條件耦合作用良好[42],年植被NEP平均值在36.52—232.17 gC m-2a-1之間,16年累積固碳總量為0.198 PgC,植被NEP較高,以碳匯作用為主。

III—1西祁連山高寒荒漠草原生態區,位于祁連山地西北部,該區草地和森林資源較為豐富,草地有輕微退化現象,植被年NEP平均值為36.52 gC m-2a-1,年平均固碳量為 0.576 TgC；16年累積植被NEP平均值為584.30 gCm2,累積固碳總量約為9.275 TgC。

III—2東祁連山云杉林——高寒草甸生態區,地處祁連山地東部,林草資源豐富,植被NEP年平均值為185.31 gC m-2a-1,年固碳量為3.85 TgC；16年累積植被NEP平均值為2964.25 gCm2,累積固碳總量約為61.58 TgC,該區為青海高原的碳匯區。

III—3青海湖濕地及上游高寒草甸生態區,草地、沼澤濕地、森林資源富足,水熱組合條件良好,植被年NEP平均值為118.40 gC m-2a-1,年平均固碳量為3.83 TgC,16年累積植被NEP平均值為1893.5 gCm2,累積固碳總量約為61.30 TgC。

III—4湟水谷地農業生態區,位于青海高原東部,地處河湟谷地,是青海高原重要的耕地分布區,氣候條件溫暖濕潤,有利于植被生長,植被年NEP平均值為232.17 gC m-2a-1,年平均固碳量為4.13 TgC,16年累積植被NEP平均值為3711.79 gCm2,累積固碳總量約為66.08 TgC。

IV 北羌塘高寒荒漠草原生態區

該生態區地處青南高原西北部,地勢偏高,牧草稀疏,降水少、氣溫低,氣候條件惡劣,碳匯能力有限,屬于弱碳匯區。年植被NEP平均值為25.93 gC m-2a-1,年平均固碳量為1.07 TgC,16年累積植被NEP平均值為414.71 gCm2,累積固碳總量約為17.117 TgC。

V江河源生態區

該生態區年植被NEP平均值在32.21—167.61 gC m-2a-1,多年累積固碳總量為0.669 PgC, 是青海高原主要的碳匯區。區內不同生態子區之間固碳量差異與區域植被分布差異及水熱耦合作用相異有關。

V—1長江源高寒草甸草原生態區,地處三江源西部與南部,該區降水量偏少,氣溫偏低,植被NEP由西北向東南漸增,碳匯作用逐步增強。植被年NEP平均值為99.72 gC m-2a-1,年平均固碳量約為16.26 TgC,16年累積植被NEP平均值為1593.79 gCm2,累積固碳總量約為260.16 TgC。

V—2瀾滄江源高寒草甸草原生態區,植被以高寒草甸草原為主,區內水熱組合條件良好,草地資源豐富,植被NEP較高,植被年NEP平均值為159.34 gC m-2a-1,年總固碳量為6.07 TgC；16年累積植被NEP平均值為2544.34 gCm2,累積固碳總量約為97.12 TgC。

V—3黃河源高寒草甸草原生態區,位于三江源東部,該區植被覆蓋類型以草地為主[42-43],低、中等覆蓋度草地占絕對優勢,降水充足、氣溫適宜,水熱耦合作用良好,植被年NEP平均值為167.61 gC m-2a-1,年平均固碳量為16.39 TgC,16年累積植被NEP平均值為2679.78 gCm2,累積固碳總量約為262.24 TgC,該區NEP較高,植被固碳能力強。

V—4共和盆地高寒草原生態區,植被NEP自北向南逐步增加,年NEP平均值為32.21 gC m-2a-1,年平均固碳量為0.54 TgC,16年累積植被NEP平均值為515.16 gC/m2,累積固碳總量約為8.64 TgC。

V—5海東—甘南高寒草甸草原生態區,降水量充沛,氣溫適宜,植被年NEP平均值為158.71 gC m-2a-1,年平均固碳量為2.54 TgC,16年累積植被NEP平均值為2537.51 gC/m2,累積固碳總量約為40.64 TgC。

3.3 青海高原植被碳源/匯時空變化特點

3.3.1植被碳源/匯年際變化特點

2000—2015年,青海高原年植被NEP分布在-3.2—64.42 TgC,植被碳循環總體以碳匯為主。2000—2015年植被NEP總值年際變化率為1.06 TgC/a,植被固碳總值逐年增加,呈平穩上升趨勢(圖5)。

圖5 2000—2015年青海高原年NEP總值年際變化 Fig.5 Inter-annual variation of the annual NEP value of Qinghai Plateau from 2000 to 2015

依據植被年NEP總值變化趨勢將2000—2015年劃分為以下幾個階段：2000年,研究區植被覆蓋度低,氣候干燥少雨,植被總體固碳量較少,土壤呼吸排放碳量大于植被固定碳量,植被起碳源作用,總固碳量為-3.2 TgC；2001年,青海高原降水量增加、氣溫升高,氣候條件的改善使植被固碳量增加,去除土壤呼吸消耗碳,植被發揮碳匯作用；2002—2015年,植被固碳出現四個波峰,固碳總值在波動中較前期明顯增加,土壤呼吸排放碳量小于植被固定碳量,植被固碳表現為碳匯。其中,2002—2008年,年NEP總值基本在多年平均值附近波動,呈平穩增加態勢,并在2002、2006年達到階段性最大值；2007、2008年NEP總值較2006年稍有下降,但總體固碳水平仍體現為碳匯；2009—2012年,年NEP總值較前期明顯提升,隨著氣候的逐步暖濕化,植被的生長條件改善、生長期延長,植被光合作用總體固碳量增加,植被總碳匯量增加；2013年,由于研究區降水量偏少,氣溫偏高,氣候干燥少雨,植被NPP總體偏少,去除土壤呼吸消耗之后,NEP總值較2012年明顯減少；2014年,雖植被NPP總值較2013年有所增加,但土壤呼吸消耗也相繼增加,植被NEP總值較2013年略有下降；2015年的氣象條件與2013年較為相似,表現為干燥少雨,雖降水量較往年偏少但氣溫適宜植被生長,且受2014年氣候條件對植被的滯后影響,其植被NPP總值較往年顯著增加,扣除土壤呼吸消耗,植被NEP總值較前期上升,植被固碳體現為碳匯。

總體上,2000—2015年青海高原碳匯功能逐步增強,年凈固碳量在42.86 TgC與64.42 TgC之間波動。

3.3.2植被碳匯空間變化特點

2000—2015年,青海高原年NEP呈現逐步增加的趨勢(圖6),平均趨勢系數為1.52。年NEP增加的區域占植被總面積的25.72%,其中,年NEP明顯增加的區域占植被總面積的8.22%,集中分布于III—4湟水谷地農業生態區的中部、南部,V—3黃河源高寒草甸草原生態區的東北部,V—4共和盆地高寒草原生態區南部,以及V—5海東—甘南高寒草甸草原生態區的中部,這些區域處于青海高原河湟谷地及周圍地區,溫度適宜、水源豐富,植被NEP明顯增加,且降水量、氣溫年際變化幅度較小,土壤呼吸消耗碳量偏少,植被碳匯能力逐年增加。同時,自2000年以來,一系列的生態保護工程實施,包括退耕還林還草、已墾草原還草、草地病蟲害、鼠害治理、水土保持與治理等[43],改善了這些區域植被生態環境的狀況,有利于植被固碳能力,增強了植被碳匯功能；年NEP輕微增加區域占植被總面積的17.5%,主要分布于I—2昆侖山東段高寒荒漠草原生態區的西北部與東南部,該區植被覆蓋度增加,植被固碳能力增強,總固碳量大于土壤呼吸消耗,植被碳匯功能增強。

圖6 青海高原植被NEP空間變化趨勢 Fig.6 Spatial variation trend of vegetation NEP in Qinghai Plateau

2000—2015年,青海高原年NEP減少的區域較少,僅占植被總面積的1.06%,其中,明顯減少的區域為0.29%,輕微減少的區域為0.77%,零星分布于III—2東祁連山生態區東南部、III—3青海湖濕地生態區東北部、III—4湟水谷地生態區中部,以及V—1、V—2、V—3三江源流域生態區的東南部,這些區域年降水量、年均溫逐步增加,氣候條件的逐步暖濕化,使土壤呼吸消耗碳增加,多年植被NEP有減小趨勢,導致區域碳匯功能下降。

2000—2015年,青海高原其余植被分布區植被年NEP基本穩定,約占青海高原植被總面積的39%?？傮w上,研究區年NEP空間變化中,以基本穩定、輕微好轉、明顯好轉為主,所占植被總面積百分比分別為39%、17.5%、8.22%。

3.3.3青海高原植被碳匯變化趨勢分析

2000—2015年,青海高原植被NEP變異系數空間分布呈中部高邊緣低趨勢,青海高原不同生態區植被NEP變異系數的空間分布存在明顯的差異,變異系數以中等、較高、高波動居多(圖7)。

圖7 青海高原植被NEP變異系數 Fig.7 Coefficient of variation of vegetation NEP in Qinghai Plateau

高波動地區主要分布在柴達木盆地東部、祁連山地北部、環青海湖湖區周邊、河湟谷地流域、長江源區的中部與東南部、黃河源區西北部,說明這些區域植被NEP易受到自然或人為因素的干擾,穩定性較低。結合高波動地區植被NEP空間變化趨勢(圖6),這些區域植被NEP呈增加態勢,說明這部分地區在生態保護工程的實施、氣候暖濕化的條件下,植被碳匯功能得到增強；

中等波動區集中分布于青海高原東南部,即祁連山地東部、環青海湖流域、湟水谷地北部、海東—甘南生態區南部、三江源地區東南部；較低波動區分布于柴達木盆地中部、青海湖南部、東部地區、長江源西北部、黃河源東南部亦有零星分布,說明這部分區域植被NEP較為穩定,受外界干擾較少。

植被NEP低、較低、中等、較高、高波動區占青海高原植被總面積的比例分別為1.42%、6.26%、20.25%、5.06%和9.11%,說明研究區大部分植被NEP動態變化以較低、中等波動為主,穩定性較高。

3.4 青海高原NEP與氣候因素的相關性

青海高原年氣候因素空間分布差異明顯,降水量從西北向東南遞增,氣溫的垂直變化明顯。2000—2015年,青海高原年平均降水量為1—774 mm,年均溫-14—10 ℃。

植被NEP與降水量的平均相關系數為0.075,總體上植被NEP與降水量呈正相關(圖8)。研究區植被NEP與降水量呈顯著正相關的區域占總植被面積的13.26%。主要分布于祁連山地東南部(III—1、III—2生態區)、青海湖周邊濕地區域(III—3區)、湟水谷地農業區(III—4區),以及長江源生態區的西北部(V—1區),這些區域植被NEP隨降水量的增加而升高；植被NEP與降水量顯著負相關的區域占總植被面積比為3.75%,分布于柴達木盆地中部及三江源地區東南部,該地區隨降水量增加,土壤呼吸消耗碳增加,植被NEP減少。

圖8 NEP與降水量、氣溫相關性Fig.8 Correlation between NEP and precipitation, temperature

在氣溫不變的情況下,NEP與降水量的偏相關分析表明(圖8),顯著正相關區域占總植被面積為7.28%。主要分布于祁連山地東南部(III—2區)、瀾滄江生態區的西北部(V—2區)及黃河源生態區(V—3區),說明這些區域降水量、氣溫對植被生長的影響以耦合作用為主,兩者共同作用于植被生長。

植被NEP與氣溫的平均相關系數為-0.20(圖8),以顯著負相關為主,負相關區域占總植被面積的27.90%,占據著青海高原植被分布區的大部分面積,說明氣溫的升高阻礙NEP積累,這可能是由于氣溫的升高使得植被蒸騰作用加強,導致植被生長所需水熱不同步,使植被積累的NPP總量較少,而氣溫的升高又致使土壤呼吸作用增加,消耗大量有機碳,故植被NEP減少；植被NEP與氣溫顯著正相關區域占總植被面積的0.16%,零星的分布在青海高原的東南部,這進一步充分說明氣溫對研究區植被NEP以阻礙作用為主。

在控制降水量對NEP的影響的條件下,氣溫與NEP顯著負相關的區域占總植被面積比例下降為16.37%,顯著正相關區域的面積比稍有增加(圖8)?？臻g分布上,主要分布于三江源生態區的東南部(V—1、V—3區),表明該地區氣候因素對植被生長的作用以耦合作用為主,降水量、氣溫共同調節植被NEP的變化與積累。

植被NEP與氣候因素的相關、偏相關分析表明,降水量對NEP積累以促進作用為主,氣溫對其以抑制作用為主,氣溫對研究區植被NEP的影響范圍明顯高于降水量,且降水、氣溫對NEP的耦合作用較為顯著。

3.5 討論

(1)青海高原植被NEP與降水量、氣溫與之間的相關分析表明,降水量對植被NEP起促進作用的區域占植被分布區的13.26%,對植被生長起到良好促進作用的區域僅占總植被分布區的4.98%,其中,0.04%的分布區,氣溫對植被NEP亦表現為促進作用；其余4.94%的分布區僅降水量對植被NEP表現為促進作用,氣溫對植被NEP的影響不明顯。另外,占植被分布區8.28%的區域,由于受氣溫對NEP抑制作用的影響,使降水量對NEP的積極作用削弱；

(2)氣溫對NEP起阻礙作用的區域占植被分布區面積的27.90%,明顯高于降水量對NEP影響的區域,其中,8.28%的分布區由于降水量對NEP的積極作用,使氣溫對植被固碳的阻礙作用有所緩解,促進了植被固碳；氣溫對植被NEP起較強抑制作用的區域占植被分布區的19.62%,其中3.01%的區域,降水量對植被NEP也表現為抑制作用,氣象因素阻礙植被NEP積累；剩余16.61%的區域中,僅氣溫對植被NEP表現為抑制作用,降水量對植被NEP的影響不顯著。這說明氣溫是控制青海高原植被NEP積累的主要氣候因素,部分區域降水量、氣溫對植被NEP的耦合作用較為明顯。

(3)本文通過估算植被NEP在一定程度上揭示了青海高原植被碳源/匯空間分布的特征與規律。因植被碳循環、土壤呼吸均是較為復雜的生態學過程,通過模型估算均存在一定的不確定性。受NPP估算和RH估算不確定性的影響,NEP估算結果仍存在一定程度的不確定性。

(4)本文僅考慮青海高原不同生態區的植被NEP、碳匯時空變化,定量分析了氣象因素對NEP的影響,但植被NEP是自然和人類活動共同作用的結果,除氣溫和降水量外,大氣CO2濃度、地表蒸散、地形因子、土壤、放牧、人工圍欄等對植被NEP空間分布和植被碳收支均具有重要影響。因此,進一步研究中將定量的分析人類活動、氣象因素、地形因素對植被NEP動態波動的影響,以及不同植被類型的固碳能力與年際變化,以便更為深刻地認識青海高原地區植被生態系統碳循環的增匯減源貢獻機制。

4 結論

本研究在土壤呼吸模型和改進的CASA模型基礎上,估算青海高原植被NEP,分析了2000—2015年青海高原植被NEP、區域碳源/匯的時空格局、年際動態變化與穩定性,并就氣候因素變化對植被NEP的變化進行了多角度定量分析,主要結論如下：

(1)2000—2015年,青海高原植被年NEP空間分布呈東高西低、南高北低,由西北向東南逐步增加趨勢,不同生態區之間差異顯著,碳匯區集中于祁連山生態區、三江源生態區。

(2)2000—2015年,青海高原植被年碳匯功能逐步增強,植被NEP變異系數的空間分布以較低、中等波動為主,穩定性較高。

(3)2000—2015年,青海高原年NEP空間變化中,以基本穩定、輕微好轉、明顯好轉為主。年際波動以中等波動為主,穩定性較高,自然與人為因素對植被NEP的改善作用明顯。

(4)青海高原降水量對植被NEP以促進作用為主,氣溫以抑制作用為主,氣溫對NEP的影響范圍強于降水。去除兩者之間的相互影響,降水量對NEP起促進作用的面積比為4.94%,氣溫對NEP起抑制作用的面積比為16.61%。