陆地生态系统碳循环是全球变化研究的核心内容之一。陆地生态系统各碳库的碳储量、碳密度及其空间变化研究已取得了很多成果^[1-2], 但由于陆地生态系统碳循环过程机制的复杂性, 定量评估生态系统的碳库变化过程、生态系统碳源/碳汇强度及时空变化规律, 是当前急需回答的重要科学问题^[3]。陆地生态系统碳循环及其对气候变化的响应研究多集中在植被净初级生产力(NPP)^[4-6], 即单位时间单位面积上植被所能生产的有机干物质总量, 是光合作用所吸收的碳和呼吸消耗的碳的差值^[7]。目前, 对陆地碳循环的研究转向净生态系统生产力(NEP)^[8-9], 即生态系统碳的净吸收或净排放, 代表着陆地生态系统和大气生态系统的净CO₂交换量, 定量描述了陆地生态系统碳源汇的能力^[10]。国内外对陆地生态系统碳收支进行了大量研究, 普遍认为陆地生态系统起着大气CO₂碳汇的作用, 但是对碳汇及其空间格局变化的估算仍存在很大的不确定性^[11-13]。国际上对NEP的研究主要集中在NEP的时空动态、影响因素及不确定性分析, 认为气候变化、降水、温度、海拔和土壤等对NEP有重要影响^{[8, 14-15]}, 且研究主要集中在草地和森林等生态系统类型；国内常借助CEVSA模型、Biome-BGC模型以及CASA模型等分析NEP的时空动态变化^{[9, 16-17]}。区域的NEP变化研究及其生态系统碳汇及碳源变化对于碳循环过程研究、预测气候变化及制定政策都具有重要意义^[18-19]。

甘肃白龙江流域作为长江上游重要的水源地和生态屏障, 地质构造复杂, 地貌类型多样, 生态环境脆弱, 地质灾害频发。该地区碳循环对气候变化的响应的研究主要集中在碳储量、碳密度、生物量及净初级生产力的研究^[20-23], NEP时空动态及地形因子对NEP影响的分析报道较为鲜见。本文结合MODIS与气象数据对甘肃白龙江流域2000—2013年的净生态系统生产力时空动态进行了研究, 并探讨了其与地形因子的关系, 以期为该地区生态系统碳循环、碳储蓄动态变化提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

甘肃白龙江流域(32°36′ — 34°24′N, 103°00′ — 105°30′E)位于甘肃省东南部, 是长江二级支流嘉陵江上游重要的水土保持和水源涵养地。流域面积约18437.7 km², 在行政单元上包括迭部县、舟曲县、武都区、宕昌县和文县, 地势自西北向东南倾伏, 海拔高差大, 高山峻岭与峡谷盆地相间分布、沟壑纵横。气候类型复杂多样, 夏季高温多雨, 冬季温凉少雨, 年均气温6 — 15℃, 年均降水量400 — 850 mm。流域土壤以山地棕壤、淋溶褐土、黑垆土、黄壤土为主, 有机质含量高, 土壤肥沃, 但是坡陡土薄, 极易造成严重的土壤侵蚀和水土流失使土壤肥力、生产能力下降^[22]。由于境内山大沟深, 高低相差悬殊, 植被垂直分异明显, 白龙江林区海拔在600 m以下主要为常绿阔叶林, 栎类较多；600 — 3700 m之间多为亚高山针叶林；3700 — 4100 m之间为高山灌丛分布带；4100 m以上主要被裸岩和高山草甸覆盖^[24]。常绿落叶阔叶混交林属于亚热带植被类型, 在武都区和文县都有分布, 落叶阔叶林主要以栎、杨、桦类为主^[22]。

1.2 数据来源

本文研究使用的遥感数据为2000—2013年250 m分辨率的MOD13Q1数据, 气象数据来源于白龙江流域各市县气象局和中国气象科学数据共享服务网等, 主要包括2000—2013年1—12月甘肃白龙江流域及其周边17个气象站点的逐月降水量(mm), 逐月平均气温(℃)、逐月平均风速、逐月日照时数和逐月相对湿度数据, 利用CASA模型计算得到流域植被NPP^[22]。基于气象数据利用Kriging进行空间插值, 生成250 m分辨率的气温和降水栅格数据。

1.3 NEP计算

净生态系统生产力(NEP)定义为生态区内植被净初级生产力(NPP)与土壤微生物呼吸碳排放(RH)之差^{[7, 25]}, 其被认为是陆地和大气生态系统的碳交换率^[26], 是区域上碳平衡估算的重要指标, 常常作为碳汇大小的度量^[27]。NEP的计算公式为：

(1)

式中, NEP为植被净生态系统生产力(g C m^-2 a^-1), NPP为植被净初级生产力(g C m^-2 a^-1), RH为土壤微生物呼吸量(g C m^-2 a^-1)。若NEP＞0, 则表明植被固定的碳高于土壤排放的碳, 表现为碳汇；反之, 若NEP＜0, 则表现为碳源。上式中的RH可利用温度、降水与碳排放的回归方程计算得来^[19]：

(2)

式中, T为气温(℃), R为降水(mm)。

2 结果分析 2.1 植被净生态系统生产力空间分布特征

2000—2013年甘肃白龙江流域年平均单位面积NEP空间分布差异显著(图 1)；各年不同单位面积NEP的面积分布变化明显(图 2), 单位面积NEP年平均值为226.65 g C m^-2 a^-1。可以看出, 甘肃白龙江流域大部分地区为碳汇区, NEP为正值的区域占研究区域总面积的97.20%, 其中, 单位面积NEP为100—300 g C m^-2 a^-1的分布面积最大, 约占59.54%, 且2000—2013年每年的碳汇与碳源面积波动变化。单位面积NEP较高的区域主要为迭部县大部, 宕昌县西南部, 舟曲中部, 武都区南缘, 文县的大部, 约在200 g C m^-2 a^-1以上；而宕昌县东北部和东南部、舟曲县城周边, 武都区南部、文县的西部北部边缘等地单位面积NEP较低, 约为0—200 g C m^-2 a^-1；迭部县北部边缘、舟曲县东部边缘、武都区北部、文县县城周边等为碳源区, 碳源区面积约占研究区域总面积的2.80%。

甘肃白龙江流域各植被类型年均NEP统计结果如表 1, 不同植被类型中常绿阔叶林、常绿/落叶阔叶混交林和落叶阔叶林的单位面积NEP较高, 其次是高山草地, 而耕地、针叶林、灌丛单位面积NEP值差别不显著, 高寒草地单位面积NEP最小。在植被NEP总量中, 落叶阔叶林的最大(为1.51 Tg C/a), 占研究区植被NEP总量的37.70%；其次是耕地和常绿针叶林, NEP总量分别为0.68 Tg C/a和0.66 Tg C/a, 两者占研究区植被NEP总量的33.70%；高山草地的NEP总量最少(为0.03 Tg C/a)。

2.2 植被净生态系统生产力时间分布特征

2000—2013年甘肃白龙江流域NEP总量总体上呈增加的趋势(图 3), 年均值为4.04 Tg C/a, 年均NEP总量最大值为2013年(4.90 Tg C/a), 其次是2003年(4.89 Tg C/a), 最小值为2000年(3.01 Tg C/a)。甘肃白龙江流域单位面积NEP年际变化趋势呈现出明显的空间差异性(图 4), 且以正值为主, 占研究区域总面积的64.00%, 主要分布在研究区中部和西北部, 单位面积NEP明显增加的面积占0.97%(NEP年际变化趋势＞15 g C m^-2 a^-1), 主要分布在白龙江中游两岸；单位面积NEP减少的区域主要分布在迭部县东北部、宕昌县西部、文县南部和武都区南部, 其中, 武都区东南部大团鱼河的下游单位面积NEP较少较明显。研究时段内, 甘肃白龙江流域单位面积NEP明显增加的植被类型为耕地(2.63 g C m^-2 a^-1)、常绿阔叶林(2.41 g C m^-2 a^-1)、高寒草地(2.12 g C m^-2 a^-1)；单位面积NEP减少的植被类型为常绿、落叶阔叶混交林(-1.31 g C m^-2 a^-1)和高山草地(-0.20 g C m^-2 a^-1)(表 1)。 3 甘肃白龙江流域2000—2013年NEP总量时间动态 Interannual variations in annual total NEP during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province 4 甘肃白龙江流域2000—2013年单位面积NEP变化趋势的空间分布 Spatial distribution of unit area NEP change trend during 2000—2013 in the Bailongjiang Watershed of Gansu Province

从NEP的月际变化趋势来看, 4—9月月均NEP为正值, 为碳汇季节(图 5)。在碳汇季节, 2003年8月月均单位面积NEP最高(90.40 g C m^-2 a^-1), 其次是2008年6月的月均单位面积NEP(79.70 g C m^-2 a^-1)。总体来看, 在2000—2013年时间段内, 8月和6月的月变化幅度最大, 且各月的月均单位面积NEP逐年增加(除7月外)；从10月开始研究区逐渐从碳汇转变为碳源, 11—2月月均NEP为负值, 为碳源季节, 且各月月均NEP逐年变大(除11月外), 碳源能力减小。

3.3 典型地形因子对植被净生态系统生产力的影响分析 3.3.1 甘肃白龙江流域单位面积NEP随海拔梯度的变化特征

甘肃白龙江流域海拔落差很大(海拔568 — 4866 m), 且峰高坡陡、山峦起伏。根据研究区植被在垂直地带上的分布状况及同一植被景观类型在海拔梯度上的临界高差等实际情况, 为了研究NEP在不同海拔上的变化趋势, 以200m为一个梯度, 将流域海拔划分为22个级别。研究表明, 流域内单位面积NEP总体上随海拔高度增加呈先增加后减小的态势(图 6)。具体地, 在568 — 1400 m的海拔区段, 流域内单位面积NEP随海拔高度增加而不变或轻微减小, 在1400 — 3400 m的海拔区段内, 单位面积NEP随海拔高度增加而增加, 在3200 — 3400 m出现最大值, 其单位面积NEP约270 g C m^-2 a^-1。在3400 m以上的海拔区域, 流域内NEP逐渐减少, 在4200 m以上转为负值。从年际变化趋势上看, 甘肃白龙江流域单位面积NEP在不同高程上的变化的空间差异性很小, 主要集中在5.81 g C m^-2 a^-1附近, 在800 — 2200 m海拔区域段内略高于其他区域。

3.3.2 甘肃白龙江流域单位面积NEP随坡度的变化特征

甘肃白龙江流域单位面积NEP随坡度增加整体变化不大, 在170 — 240 g C m^-2 a^-1之间波动, 呈先增加后减小的趋势(图 7)。具体地, 在0° — 65°之间单位面积NEP逐渐增加, 在＞65°的陡坡, 单位面积NEP随坡度的增加而减少, 且减少趋势相对明显。从年际变化趋势上看, 甘肃白龙江流域单位面积NEP在不同坡度上的变化的空间差异性很小, 主要集中在5.87 g C m^-2 a^-1附近, 具体地, 随坡度增大, 在0° — 25°单位面积NEP的增加趋势缓慢增长, 在25° — 40°单位面积NEP的增加趋势保持稳定, ＞40°单位面积NEP的增加趋势逐渐下降, 极陡坡的单位面积NEP的增长趋势最小。

3.3.3 甘肃白龙江流域单位面积NEP随坡向的变化特征

甘肃白龙江流域内不同坡向上单位面积NEP分布差异很小(平均为227.34 g C m^-2 a^-1), 但具有一定的分布规律, 单位面积NEP表现为阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡(图 8)。从年际变化趋势上看, 甘肃白龙江流域内不同坡向上单位面积NEP的变化趋势变化不大, 集中在5.86 g C m^-2 a^-1附近, 但分布格局与单位面积NEP相反, 阴坡的变化趋势小于阳坡。

3 讨论

已有的NEP影响因素研究多集中在气温、降水量^{[9, 16]}和NDVI, 而地形是影响气候的重要因素^[28], 目前, 地形对NEP的影响研究还较罕见, 缺少相关的研究。本文研究发现, 地形因素(如海拔、坡度、坡向)对NEP的影响明显, 其可能的原因是在低海拔区植被类型、温度、降雨量变化较小, 人类干扰强, 植被分布较少且长势较差, 而随着海拔的升高, 人类活动强度减弱, 人为干扰减小, 水热条件较好, 森林分布最密集, 分布有中山落叶阔叶林-中山常绿阔叶林-中山阔叶混交林-亚高山针阔混交林-亚高山常绿针叶林等乔木林, 单位面积NEP较高, 在高海拔地区, 植被类型为高寒草地和灌丛, 单位面积NEP较低, 故在4200 m以上的海拔区表现为碳源。

从NEP变化趋势上看, 在2000 m以下的平缓区域单位面积NEP变化相对较大, 高海拔区单位面积NEP变化很小, 可能与人类活动变化^[17]有关。且坡度越陡单位面积NEP增加的越小, 要注重陡坡区的土地管理与保护。阳坡的水热条件较好, 比阴坡的单位面积NEP变化大, 碳汇潜力比阴坡大。

从植被类型上看, 甘肃白龙江流域单位面积NEP与基于CASA和CEVSA模型的石羊河上游^[29]和西南高山^[30]的单位面积NEP空间分布结果相似, 数值上存在差异, 流域土壤微生物呼吸碳排放是导致研究结果差异性的重要原因。耕地的单位面积NEP为197.28 g C m^-2 a^-1, NEP总量较高(0.68 Tg C/a), 且单位面积NEP变化率最高(2.63 g C m^-2 a^-1), 由于耕地的面积较大, 在流域内单位面积NEP增长最快, 故耕地的碳汇总量仅次于落叶阔叶林, 是研究区重要的碳汇区。同时, 常绿、落叶阔叶混交林具有很高的单位面积NEP(408.87 g C m^-2 a^-1), 但年际变化趋势为负值(-1.31 g C m^-2 a^-1), 表明单位面积NEP正逐年降低, 这与人类活动干扰有关^[17]。

4 结论

甘肃白龙江流域单位面积NEP年平均值为226.65 g C m^-2 a^-1, 流域碳汇面积远高于碳源面积, 单位面积NEP呈现出白龙江流域的上游和下游明显高于白龙江中游。单位面积NEP高值区主要分布在低中海拔的常绿阔叶林、常绿/落叶阔叶林, 其次是耕地、草地、灌丛, 而高海拔区的高寒草地的单位面积NEP较低。地形因素(如海拔、坡度、坡向)对NEP的影响明显, NEP具有明显空间差异性：单位面积NEP总体上随海拔高度增加呈现为基本不变-增加-减小的态势, 随坡度增大呈现增加-减少的趋势；阴坡的单位面积NEP最高, 阳坡的单位面积NEP变化趋势相对较大。2000—2013年, 甘肃白龙江流域64.00%以上区域的单位面积NEP呈增加的趋势, 尤其耕地的固碳能力增强最明显。4—9月为碳汇季节, 其中, 8月和6月的碳汇能力变化幅度最大。

通过分析不同植被和景观类型的单位面积NEP分布及变化趋势, 在耕地的碳汇能力逐渐增强的同时, 今后应对研究区林地加强保护, 在维持和保护流域现存天然林等森林外, 在低海拔和缓坡等区域应继续开展和实施天然林保护等生态建设工程, 努力改造低产低效林, 多引进碳汇功能相对较高的树种, 改变其碳汇能力下降的趋势(尤其是常绿、落叶阔叶混交林覆被区)。

本文分析了甘肃白龙江流域NEP的时空变化情况, 发现不同覆被类型和典型地形因子对NEP有明显影响。但由于NEP是自然和人类活动共同作用的结果, 因此, 定量分析人类活动对白龙江流域生态系统NEP的影响是下一步的研究重点, 应采取不同方法和模型对陆地生态系统的碳源汇进行衡量, 来减少估算的不确定性, 以便更好地认识陆地生态系统碳循环。