汾河中下游土地生态系统固碳释氧动态测评

张 静，任志远，张嘉琪

(1.陕西理工大学历史文化与旅游学院， 陕西 汉中 723001； 2.陕西师范大学旅游与环境学院， 陕西 西安 710119)

陆地生态系统是人类赖以生存和发展的物质基础，具有十分重要的生态调节功能[1-4]。在生态系统形成和演变的过程中，人类从中获得各种惠益，既有有形的物质产品供给，又有无形的服务提供[5]。其中，生态系统对气候的调节功能是生态系统主要服务功能之一。大气的调节功能主要体现在CO2和O2平衡、O3防紫外线及SO2水平等方面的服务功能[6-8]。随着工业化的发展，CO2成为引起全球气候变暖的主要因素。然而陆地植被生态系统通过植物光合作用，不仅生产有机物质，还吸收空气中的二氧化碳(CO2)，生成葡萄糖等碳水化合物并释放出氧气(O2)，这种功能被称作固碳释氧。该功能对调节气候、平衡CO2和O2浓度具有重要意义。近年来国内外学者在这方面做了大量的研究，欧阳志云分别运用两种方法造林成本法和碳税法、造林成本法和工业制氧影子价格法，各自计算了中国陆地生态系统每年固定CO2的总经济价值和释放O2的间接经济价值，并对两种不同方法计算的固碳价值量和释氧价值量进行了对比[7]。鲁春霞分别运用两种方法瑞典碳税法和造林成本法、医用制氧影子价格法和造林成本法测算了青藏高原不同生态系统的固碳价值量和释氧价值量[9]。任志远、赵同谦等分别运用造林成本法和工业制氧法计算了不同区域森林生态系统的固碳价值量和释氧价值量[10-11]。总的来看，测算生态系统服务功能价值是当前生态学与生态经济学研究的热点问题。碳税法、造林成本法和影子价格法是固碳释氧价值量测算常用方法。其中，固碳价值量计算法中碳税法结果大于造林成本法，释氧价值量计算中制氧影子价格法结果大于造林成本法。汾河中下游流域为黄土高原生态脆弱区的流域单元，不仅是山西省重要的水源涵养地，也是其重要的人口密集区、粮棉主产区、经济发达区、生态功能区。近年来随着城市规模的快速扩张，人口的持续增长，以及社会对能源需求量的急增，流域内煤炭资源大量开采，经济开发力度不断增强，导致了水资源减少、气候干旱，生态环境恶化。目前，关于汾河中下游流域生态系统服务功能价值的研究还相对较少。本文通过定量方法对汾河中下游流域生态系统的固碳释氧价值进行测评，研究和揭示不同土地利用格局对生态系统服务功能造成的影响及演变规律性，对科学准确地评价流域内乃至黄土高原区的生态服务价值的作用机制具有重要意义，对实现区域可持续发展，为促进人类社会经济和生态环境协调发展提供重要的理论依据和实践指导。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

汾河中下游流域位于山西省的中南部，地貌上属于汾河谷地的一部分，河流主要流经地堑纵谷与盆地，地势平坦，水资源相对丰富，土壤肥沃，水热条件好，被誉为“山西粮仓”。地处中纬度内陆，为东部季风气候区与蒙新高原气候区的过渡地带，是半干旱大陆性季风气候区，南北差异及季节差异较大，平均气温在7℃～15℃之间，冬春季节常受到蒙古高原南下寒潮的影响，寒冷干燥；夏季高温多雨，降水集中。1月平均气温为-9.7℃～-2.6℃，7月平均气温20.0℃～26.8℃，春温高于秋温。年平均降水量在390～480 mm之间，且全年70%的降水量集中在6—9月。日照时数最多月份出现在5、6月份，最少出现在2月份。共辖榆次市、平遥县等20个县6个市辖区，见图1。土地面积约258.6万hm2，占山西省土地面积的16.49%，人口密集，经济文化发达，煤炭资源丰富。

图1研究区位置、DEM和气象站点

Fig.1 Location, DEM and meteorological stations of the study area

1.2 数据来源

Landsat TM遥感影像来自国际科学数据服务平台，时间选取2000年和2010年，解译得到土地利用数据；DEM数据来源于美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局联合测量的SRTM3数据，空间分辨率为90 m；SPOT-NDVI数据集来自比利时弗莱芒技术研究所，空间分辨率为1 km的旬数据，时间为2000—2010年。气象数据来自中国气象科学数据共享网，选取2000—2010年研究区及其周边完整且均匀分布的26个气象站点的旬值、月值的气温、降水、日照时数及日照辐射数据资料，其它空间数据来自1∶400万基础数据库。

1.3 测评模型

1.3.1 净第一性生产力计算模型 植被净第一性生产力(net primary productivity, NPP)是指在单位面积和单位时间上，绿色植物积累的有机物质量。它是生态系统功能状况的重要指标，反映了气候变化及人类活动对陆地植被覆盖综合作用的结果[4,6,12-13]。国内相关学者对比研究了植被净第一性生产力几种模型的评估效果[14]，常用模型有建立的植物生理生态学特点与水热平衡关系的模型[15]，目前在估算植被净第一性生产力的模型中，光能利用率模型在大尺度植被净第一性生产力的估算研究中被广泛应用[16-17]。具体模型如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)

APAR(x,t)=SOL(x,t)×FPAR(x,t)×0.5

FPAR(x,t)=(FPAR(x,t)NDVI+FPAR(x,t)SR)/2

FPAR(x,t)NDVI=

FPAR(x,t)SR=

SR(x,t)=(1+NDVI(x,t))/(1-NDVI(x,t))

ε(x,t)=f1(x,t)×f2(x,t)×w(x,t)×εmax

f1(x,t)=0.8+0.02×Topt(x)-0.0005×[Topt(x)]2

Wε(x,t)=0.5+0.5×E(x,t)/Ep(x,t)

上述公式中，APAR(x,t)表示t月份像元x处的光合有效辐射(MJ·m-2)，ε(x,t)表示t月份像元x处的实际光能利用率(g C·MJ-1)。

表1 主要指标和参数的含义[4,17]

注：当月均温T(x,t)≤-10℃时，f1=0；当T(x,t)比Topt(x)低13℃或高10℃时，f2等于最适温度Topt(x)时f2值的一半。

Note: if the monthly mean temperature of T(x,t)≤-10℃, f1=0; when T(x,t) is 13℃ less than Topt(x) or 10℃ more than Topt(x), f2is equal to half of the optimum temperature Topt(x).

1.3.2 固碳释氧测评模型 植物进行光合作用的同时，吸收CO2，释放O2和生成有机物质。其化学反应方程式为：6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2。该测算以植被NPP物质量为依据，运用光合作用方程，生产1 kg有机物能固定1.63 kg的CO2和释放1.2 kg的O2，从而得出固碳释氧物质量。再运用造林成本法、工业制氧影子价格法分别估算固定碳和释放氧气的价值量。本研究按照固定每吨CO2和释放每吨O2的成本价格标准分别为260.9 元·t-1和352.93 元·t-1[4,6]。

2 结果与分析

2.1 净第一性生产力物质量测评

绿色植被通过光合作用，对调节区域气候，改善生态环境具有重要意义。本研究基于遥感数据的光能利用率模型，计算了汾河中下游流域2000和2010年不同土地利用类型的NPP物质量。首先根据植被类型的特点，将土地利用类型合并为四大类：耕地、林地、草地和其他用地；然后采用不同土地类型NPP计算方法，得到相应土地利用类型的NPP物质量；最后分别求得2000年和2010年的NPP总物质量，见表2和图2。

土地利用结构和相关气象要素的变化使研究区2000年和2010年的NPP总物质量发生变化，分别为549.76万t和650.26万t。10年间NPP物质总量共增加了18.3%，见表2。其中耕地的NPP总物质量占研究区总物质量的50%以上。10年间耕地的NPP总物质量是增加的，但其占研究区NPP总物质量的比例由2000年的54.46%下降为2010年的50.73%；林地的NPP总物质量净增加10.22万t，但当年林地NPP总物质量占研究区NPP总物质量的比例由2000年的22.58%下降到20.66%；草地的NPP总物质量10年间净增加44.78万t；其他用地净增加15.01万t，当年其他用地NPP总物质量占研究区NPP总物质量的比例由2000年的0.83%上升到3.01%，见图2。从绝对数量上，各类用地NPP总物质量是增加的，但从分布比例来看，林地和耕地总物质量比例在下降，草地和其他用地总物质量比例在增加。从单位面积来看，各类用地单位面积NPP物质量均有所增加，但2010年耕地的单位面积NPP物质量最大，2000年林地的单位面积NPP物质量最大。即2000年各土地利用类型单位面积物质量的排序是：林地>耕地>草地>其他用地。2010年的排序是：耕地>林地>草地>其他用地。总体来看，不同年份不同土地利用类型的单位面积NPP物质量会产生差异。由于单位面积NPP物质量和土地利用结构的变化，不同土地利用类型的总物质量也会随着时间推移发生变化。

表2 汾河中下游流域各土地类型的NPP物质量

图2汾河中下游流域不同土地利用类型NPP物质量分布比例

Fig.2 Distributing ratio of NPP on different land types in Middle and Lower Reaches of Fenhe River Basin

由于土地利用结构在空间分布上的不均匀性，单位面积NPP物质量也会存在空间差异，并呈现一定的规律性。2000—2010年间单位面积NPP物质量高值区基本都分布在汾河下游地区的临汾盆地和运城盆地，见图3。汾河下游土地利用类型以耕地为主，由于地势低平、气候温和、热量较为充足、土壤肥沃，使得农业较为发达，是山西省主要的粮棉产区；单位面积NPP物质量次高的地区分布在研究区北部的晋中盆地，如寿阳县、太谷县、榆次市、平遥县等；研究区的东西部为山区丘陵地区，林地和草地分布较为广泛，单位面积NPP物质量也不是最低；单位面积NPP物质量最低值基本分布在城市建设用地较为密集的地区和煤矿聚集区，如清徐县的西山煤田，霍州市、汾西县的霍山煤田等。整体来看，单位面积NPP物质量在南部临汾盆地和运城盆地变化规律较为稳定，且单位面积NPP物质量最高；中部的汾西县、霍州市、灵石县、交口县、孝义市、介休市、汾阳县在2000—2010年间空间变化较为复杂，可能是由于研究期内流域的水热条件、光照条件差异以及人为改造自然环境的强度增加，尤其是城市化进程的加速，使得NPP的空间分布有所不同。

图3汾河中下游流域NDVI、土地利用类型和单位面积NPP物质量空间分布图

Fig.3 Spatial distribution of NDVI, land type and NPP per unit area in Middle and Lower Reaches of the Fenhe River Basin

2.2 固碳释氧物质量测评

根据固碳释氧测评模型，得出2000年和2010年固碳释氧物质量，见表3。2000年和2010年汾河中下游流域固定CO2的总物质量分别为897.56万t、1061.56万t，释放O2的物质量分别为661.15万t、780.74万t。2000—2010年间固定CO2和释放O2的物质量均呈增长趋势，分别净增加164.0万t和119.59万t，增加了18.27%和18.09%。其中，对比2000年，研究期内耕地固定CO2的物质量净增49.87万t，增加了为10.2%，林地固定CO2的物质量净增16.61万t，增加了8.19%，草地固定CO2净增加73.13万t，增加了36.88%。各类土地释放O2物质量也存在差异性。对比2000年释放氧O2物质量，2010年耕地、林地、草地分别净增36.31万t、11.63万t和53.74万t，增长率为10.09%、7.77%和36.77%。土地利用类型不同单位面积固碳释氧物质量也存在差异性。2000年不同土地利用类型单位面积上固定CO2和释放O2的物质量排序为：林地>耕地>草地>其他类型；而2010年则为：耕地>林地>草地>其他类型。而总物质量均是耕地大于林地。总之，释氧O2物质量随着固定CO2物质量的增加而增加，但释氧O2物质量增长率始终小于固定CO2物质量的增长率。由于气象要素的变化和人类活动强度的增加，耕地单位面积固碳释氧物质量是增加，而林地是减小的，林地和耕地对区域生态环境的影响和气候的调节作用明显增强。

表3 汾河中下游流域不同土地利用类型固碳释氧物质量

2.3 固碳释氧价值量测评

根据汾河中下游流域的固碳释氧物质量，分别采用造林成本法和工业制氧法估算出不同土地利用类型固碳释氧的价值量，造林成本标注为260.9 元·t-1和工业制氧法标注为352.93 元·t-1[4,6]，见表4。汾河中下游流域固碳释氧价值量由2000年的467.38×107元增加到552.24×107元，净增84.86×107元，增长率为18.16%。固碳释氧物质量与价值量呈正相关，即物质量高的地区价值量也高。2000年单位面积上固碳释氧价值量由大到小的排列顺序为：林地>耕地>草地>其他用地，2010年单位面积上固碳释氧价值量耕地大于林地，耕地单位面积固碳释氧价值量为2 200.11 元·hm-2·a-1，林地为2 158.55 元·hm-2·a-1。可能在于2000—2010年间农业科学技术的进步，耕地单位面积上的产量大大提高，导致固碳释氧能力的增强。而林地景观的退化和破碎化，会造成固碳释氧能力的下降。

表4 汾河中下游流域各土地利用类型固碳释氧价值量

同时，文中采用ArcGIS分区统计法，以县级行政单位为单元，统计了汾河中下游26个县区2000年和2010年的单位面积固碳释氧价值量和固碳释氧价值总量，见表5。2000—2010年间各县市的单位面积固碳释氧价值量大于单位面积NPP的价值量，因此固碳释氧总价值量同步大于NPP总价值量。2000年和2010年万荣县的单位面积NPP价值量和单位面积固碳释氧价值量均最高，单位面积NPP价值量分别为745.65 元·hm-2·a-1和846.95 元·hm-2·a-1，净增101.3 元·hm-2·a-1；单位面积固碳释氧价值量分别为2 730.10 元·hm-2·a-1和3 101.02 元·hm-2·a-1，净增370.92 元·hm-2·a-1。其次是新绛县和曲沃县，新绛县单位面积NPP价值量分别为708.48 元·hm-2·a-1和832.89 元·hm-2·a-1净增124.41 元·hm-2·a-1；单位面积固碳释氧价值量分别为2 594.01和3 049.52，净增455.51 元·hm-2·a-1。曲沃县单位面积NPP价值量分别为677.95 元·hm-2·a-1和740.09 元·hm-2·a-1，净增62.14 元·hm-2·a-1；单位面积固碳释氧价值量分别为2 482.23 元·hm-2·a-1和2 709.76 元·hm-2·a-1，净增227.53 元·hm-2·a-1。然而介休市的单位面积NPP价值量和单位面积固碳释氧价值量均最低。从NPP价值总量和固碳释氧价值总量来看，寿阳县最高，其次是洪洞县，最低的是侯马市。主要在于研究范围内寿阳县所辖面积最大200.7×103hm2，洪洞县是141.6×103hm2，侯马市只有21.0×103hm2。总体来看，汾河下游县区单位面积NPP价值量和单位面积固碳释氧价值量高，汾河中游城市化发展速度快的单位面积NPP价值量和单位面积固碳释氧价值量低。

表5 汾河中下游流域各县市NPP和固碳释氧价值量

3 结论与讨论

本文基于CASA模型测算了流域生态系统净初级生产力和其固碳释氧量。2000—2010年流域生态系统固碳释氧价值量和NPP物质量呈增加趋势，表明近年来气候变化和人类活动改善了区域生态环境。2000年以来，汾河中游地区经历了快速城市化进程，城镇面积不断扩大。而汾河下游地区盆地面积广，农业生产发达。水热条件好、生态型用地面积广的区域固碳释氧量和NPP物质量就高，水热条件差，建设用地面积增加快的区域固碳释氧量和NPP物质量就低，在一定程度上景观的退化和破碎化，也会影响到区域单位面积固碳释氧量的变化，表明流域固碳释氧经济价值的空间分布特征与土地覆被利用类型、水热条件以及人类活动密切相关，未来势必加强中游地区的生态环境治理和保护工作。

通过以上分析，得到如下结论：

1) 2000—2010年汾河中下游流域土地生态系统NPP物质量时空分布差异大。2000—2010年间NPP物质总量共增加了18.3%，各土地利用类型的NPP物质量均有所增加。流域内耕地面积占优势，NPP物质总量也高，耕地的单位面积NPP物质量有所上升，基本分布在汾河下游的临汾盆地和运城盆地。主要在于该区域地势低平、气候温和、热量较为充足、土壤肥沃，以耕地为主，农业较为发达，是山西省主要的粮棉产区。

2) 从固碳释氧物质量来看，释放O2物质量随着固定CO2物质量的增加而增加，但释放O2物质量增长率始终小于固定CO2物质量的增长率。其中耕地、林地和草地固定CO2的物质量在10年间分别增加了10.2%、16.61%和36.88%；2010年林地单位面积固碳释氧物质量的降低，可能在于林地景观的退化和破碎化，造成固碳释氧能力的下降。

3) 从固碳释氧价值量来看，由2000年的467.38×107元增加到552.24×107元，净增84.86×107元，增长率为18.16%。县域统计中，汾河下游县区单位面积NPP价值量和单位面积固碳释氧价值量高，而汾河中游城市化发展速度快的县区价值量低。

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