基于GEE遥感云平台的三江源植被碳源/汇时空变化研究
张祯祺1, 蔡惠文1,2, 张平平1, 王泽琳1, 李婷婷2
1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院,舟山 316022
2.国家海洋设施养殖工程技术研究中心,舟山 316022
摘要:
净生态系统生产力(net ecosystem productivity, NEP)表征了区域生态系统的固碳能力。文章利用谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE)平台,基于MODIS和气候数据探讨了2001—2020年20 a间三江源地区NEP时空变化特征及其与气候因子的关系。结果表明: ①三江源区是重要的碳汇功能区,碳汇区占区域总面积的99.89%,碳源区主要分布在西北部,面积仅占0.11%,三江源生态系统NEP总体上呈现东南高西北低、从东南向西北逐渐递减的空间分布格局,且不同生态区之间差异显著; ②20 a间,三江源生态系统NEP总体呈增长趋势,年增长率为1.13 gC/(m2·a),具有巨大的固碳潜力; ③三江源生态系统NEP呈增长趋势的面积占总面积的95.05%,生态工程建设等对植被NEP的改善作用明显,碳汇功能逐步增强且稳定性较高; ④三江源生态系统NEP年平均值为120.93 gC/(m2·a),NEP与年降水量呈正相关,与年平均温度和年太阳辐射呈负相关。气候的暖湿化趋势和生态工程建设均促进了三江源地区植被的碳汇功能,这对于提高陆地生态系统碳汇价值,实现国家“双碳”目标意义重大。
0 引言
陆地生态系统大约可以吸收45%人为排放的CO2[1],CO2是全球的第二大碳库,其碳收支及变化对全球气候变化的影响具有重要的意义,一直是热点研究问题[2]。增强陆地生态系统碳汇是控制大气CO2浓度和减缓全球变暖趋势的重要手段,也是我国实现“双碳”目标的关键环节[3]。定量研究陆地生态系统碳动态变化及影响因素对掌握研究区域的生态系统碳循环及变化极为重要。净生态系统生产力(net ecosystem productivity, NEP)这一概念最早是Woodwell等[4]在分析陆地生物圈到底是大气CO2之源还是汇的问题时提出的,代表着陆地生态系统和大气之间的净CO2交换量,当NEP > 0 时,表明该生态系统为汇,反之则为源。因此,NEP的定量化预测不仅有助于衡量植被生态系统健康程度,而且对定量分析区域植被生态系统的固碳状况与潜力也有重要价值。
三江源地区位于我国青藏高原腹地,属于典型的高原高寒地区,是我国江河中下游地区生态环境安全和区域可持续发展的重要生态屏障[5],同时,也是我国重要的陆地生态系统碳收支变化敏感区,因此,三江源地区生态系统的碳源/汇变化研究对于我国“双碳”战略目标的达成意义重大。国内外学者对三江源典型生态系统碳源/汇的变化[6-7]、植被碳利用率[8]、生态系统有机碳储量[9-10]、碳密度[11]、碳排放[12]等方面开展了许多研究,研究结果表明,三江源生态系统具有较强的碳汇功能。任小丽等[13]收集整理了2001—2010年青藏高原10个通量观测站点的观测数据估算了三江源区草地生态系统NEP,结果表明高寒湿地草甸碳汇能力最强,而高寒草甸草原为碳源,NEP变化主要受到气温和光合有效辐射(photosynthetic active radiation, PAR)影响; 陈雪娇等[6]基于BIOME-BGC模型,得出2001—2017年三江源草地群落NEP模拟值并发现三江源草地生态系统具有显著的碳汇贡献,且不同群落NEP对气温和降水的响应程度有所差异。这些研究主要是基于实测数据,仅对三江源地区单种生态系统的碳源/汇做出了定量化分析。然而,三江源地区生态系统涵盖了森林、草原、荒漠、湿地等多种生态系统,仅对单种生态系统的碳源/汇定量化分析不能代表整个区域的情况。同时,因三江源地区特殊的地理位置以及脆弱的生境使得实测数据的获取较为困难,所以,仅靠实测手段难以对整个三江源地区多种生态系统的碳源/汇空间格局实现全面的、定量化的研究。
基于此,为了定量化分析三江源地区的碳储存能力及其变化过程,本研究拟应用谷歌地球引擎(Google Earth Engine, GEE)作为数据云端运算平台[14],利用较高时空分辨率的MODIS数据,对整个三江源区域自2001—2020年共20 a间的森林、草地、荒漠、湿地等植被生态系统NEP进行模型计算,运用Slope一元线性回归分析方法对其长时间序列的动态变化特征进行分析,并采用偏相关分析法探讨降水、气温、太阳辐射等气候因素对不同生态系统植被NEP的综合影响。以期为该区域开展碳汇管理,制定有效的生态保护策略以及陆地生态修复工程的成效评估方法提供支撑。
1研究区域概况与数据源
1.1 研究区域概况
三江源地区(E89°45'~102°23',N31°39'~36°12')平均海拔3 500~4 800 m,总面积为30.25万km2,其大部分隶属于青海省,约占青海省总面积的43%(图1),是我国典型的高寒地区。三江源地区河流密布、湖泊、沼泽众多,雪山冰川广布,是世界上海拔最高、面积最大、湿地类型最丰富的地区,被誉为“中华水塔”。该地区属高原大陆性气候,虽无四季之分,但干湿两季分明、冷热两季交替,日照时间久、太阳辐射强烈[15]。为了研究三江源地区不同生态区的碳源/汇状况,本文依据中国科学院傅伯杰院士及其团队开发的中国生态区划方案[16]将三江源区分为6个生态分区,分别为: Ⅲ3(2)可可西里半荒漠、荒漠生态区; Ⅲ3(1)柴达木盆地荒漠、盐壳生态区; Ⅲ2(5)羌塘高原高寒草原生态区; Ⅲ2(3)江河源区高寒草甸生态区; Ⅲ2(2)青海东部农牧生态区; Ⅲ1(2)青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区。
1.2 数据来源及处理
本文所采用的遥感数据均基于GEE平台获取(见表1)。NPP资料来源于MOD17A3HGF V6产品提供的500 m空间分辨率的年度NPP数据。气温和太阳辐射数据采用ERA5-Land Hourly - ECMWF Climate Reanalysis逐小时数据集,空间分辨率为 0.1°; 降水数据采用气候危害组红外降水与站点数据(CHIRPS)准全球降水数据集,空间分辨率为0.05°。土地覆盖率和数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据分别来自GlobeLand30: 全球地理信息公共产品和地理空间数据云平台,空间分辨率均为30 m。
表1 基于GEE平台的数据清单
GEE是由Google提供的基于云计算的行星级地理空间分析平台,存储着海量公开的地理空间数据集,具有强大的计算力,为较大时空尺度的研究提供便捷[17]。为了保证不同数据源之间的几何匹配精度,本文在GEE平台中对研究区NPP、气温、降水和太阳辐射等数据进行预处理。利用Reproject算法将投影转化为EPSG: 4326并设置scale为500,将影像转换到GCS_WGS_1984地理坐标系,采用最邻近插值法对影像进行重采样至500 m。
2 研究方法
2.1 NEP估算模型
2.2 趋势分析和稳定性分析
为反映三江源地区生态系统20 a间碳汇/源的时空演变特征,采用趋势分析法对随时间变化的序列数据进行回归分析,从而预测其长期变化态势[24]。
2.3 偏相关性分析
生态系统是一个有机的整体,各生态要素间相互联系、相互制约和相互渗透,某一要素的变化会导致其他要素甚至整个生态系统状态的改变。因此,常通过偏相关分析法对生态系统的影响因素进行分析。偏相关分析方法是指在对其他变量的影响进行控制的条件下,分析多个变量中某2个变量之间的线性相关程度,并计算偏相关系数[28]。
3 结果与讨论
3.1 三江源NEP的时空变化分析
3.1.1 年际变化分析
通过对三江源区NEP均值的年际变化分析(图2)可以看出,自2001年来,三江源区年均NEP呈波动上升趋势,年际变化率为1.13 gC/(m2·a),其中,2010年达到最大值139.92 gC/(m2·a),而在2008年出现最小值104.68 gC/(m2·a),碳循环总体以碳汇为主(图3)。2001—2020年共20 a间,三江源区碳源区(NEP<0)的面积占三江源区总面积的比重呈波动下降的趋势,其中2002年碳源区面积占比最大。研究资料发现,三江源地区在21世纪初气温发生了突变,年平均气温增温现象显著,三江源地区生态环境不断恶化[15]; 同时,受到过度放牧、垦殖和采矿等人类活动的影响,三江源区地区出现较为严重的水土流失[29],多种原因导致植被总体固碳量较少,土壤呼吸排放碳量大于植被固定碳量,碳源能力增强。近20 a来,碳汇区(NEP>0)的面积呈波动上升趋势,并在2014年以后变化趋于平稳。自2014年实施三江源区生态保护和建设二期工程以来,退牧还草、退耕还林、恶化退化草场治理、水土保持[30]等政策的积极实施,大大改善了区域的整体生态环境,三江源区生态系统的植被覆盖度、生产力明显提高,碳吸收量逐步增加,碳汇功能显著增强,NEP呈显著上升趋势。与之相反,碳源区的面积明显减少且变化趋于稳定。
为了解各个不同生态区NEP的变化状况,对6个生态区NEP20 a间的变化分别进行了计算分析,可以看出三江源区6个生态区的NEP均呈现增加趋势,但增加速度存在一定差异(图4)。
1)20 a间,可可西里半荒漠、荒漠生态区的植被生态系统NEP值一直偏低(图4(a)),在11.22~25.27 gC/(m2·a)之间变化,年际变化率为0.65 gC/(m2·a),最低值出现在2003年,最大值出现在2020年。该生态区NEP的平均值为17.94 gC/(m2·a),累积NEP为358.88 gC/(m2·a),虽然生态区的NEP一直维持在较低的水平,但仍然表现为弱碳汇区。
2)柴达木盆地荒漠、盐壳生态区因植被覆盖稀少,土壤沙化、盐渍化严重,气候干燥少雨,植被的总体固碳量较少。由图4(b)可知,该地区是三江源6个生态区中NEP最低的区域,累积NEP仅为234.70 gC/(m2·a),20 a间的NEP平均值为11.73 gC/(m2·a),年际变化率为0.47 gC/(m2·a)。在2001年该生态区气温较低,太阳辐射较弱,NEP仅为6.65 gC/(m2·a),2020年达到最大值,为18.54 gC/(m2·a)。虽然NEP值很低,但仍属于弱碳汇区。
3)羌塘高原高寒草原生态区位于青海高原西北部,地势偏高,降水少、气温低,气候条件恶劣,仅适合高寒草原植被生长,植被覆盖度总体偏低,牧草分布稀疏。20 a间,该生态区NEP在17.26~33.46 gC/(m2·a)之间(图4(c)),平均值为25.08 gC/(m2·a),累积NEP为501.55 gC/(m2·a),年际变化率为0.6 gC/(m2·a)。2008年该生态区的NEP到达最小值,可能是气温的突然降低导致的; 在2018年达到最大值。虽然高寒草原生态区的碳汇能力有限,但属于明显的弱碳汇区。
4)随着地理位置的变化,江河源区高寒草甸生态区NEP明显增高(图4(d))。20 a间的NEP在97.23~132.78 gC/(m2·a)之间变化,平均值为114.01 gC/(m2·a),累积NEP达到为2 280.24 gC/(m2·a),年际变化率为1.07 gC/(m2·a)。虽然2008年该生态区NEP的最小值为97.23 gC/(m2·a),但已远高于高寒草原区、柴达木盆地荒漠区和可可西里荒漠区,2010年则达到20 a间的最大值。该地区植被覆盖类型以草地为主,低、中等覆盖度草地占绝对优势,降水充足、气温适宜,水热耦合作用良好,植被固碳能力显著增强,属于显著的碳汇区。
5)青海东部农牧生态区位于青海高原东部,地处河湟谷地,是三江源区重要的耕地分布区,该地区气候温暖湿润,有利于植被生长。由图4(e)可知,20 a间,NEP在190.5~267.93 gC/(m2·a)之间变化,平均值为227.25 gC/(m2·a),累积NEP为4 545.28 gC/(m2·a),年际变化率为2.54 gC/(m2·a)。2001年水热条件较差,该生态区NEP到达最小值; 2018年降水丰富,NEP达到最大值。根据生态区平均NEP和累积NEP来看,青海东部农牧生态区是重要的碳汇生态区。
6)青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区20 a间NEP在230.42~295.36 gC/(m2·a)间变化(图4(f)),平均值为258.91 gC/(m2·a),累积NEP平均值为5 178.46 gC/(m2·a),年际变化率为0.94g C/(m2·a),在2004年到达最小值,在2006年达到最大值。该区草地和森林资源较为丰富,水热组合条件良好,是三江源区最为重要的碳汇贡献区域。
3.1.2 空间变化分析
2001—2020年三江源区地区NEP的空间格局存在明显的空间异质性(图5),其变化梯度由东南向西北递减,与区域高程变化相反。三江源区NEP多年平均值为120.93 gC/(m2·a),累积NEP平均值为2 418.51 gC/(m2·a)。其中,碳汇区(NEP>0)面积约为39.56万km2,占总面积的99.89%,年平均固碳量为188.43 gC/(m2·a); 碳源区(NEP<0)面积约为14.55万km2,占总面积的0.11%,年碳排放量平均值为-61.70 gC/(m2·a)。因此,三江源区是明显的碳汇区,具有非常重要的二氧化碳吸收价值。
NEP高值区主要分布在三江源区东部和中部区域,包括青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区、青海东部农牧生态区和江河源区高寒草甸生态区东南部,这些区域主要植被类型是针叶林、灌丛和草甸等。NEP低值主要分布在西部地区,包括柴达木盆地荒漠、盐壳生态区、可可西里半荒漠、荒漠生态区和羌塘高原高寒草原生态区,这些区域地处青藏高原西北部,植被覆盖稀少,土壤沙化、盐渍化严重,气候干燥少雨,土壤呼吸排放碳量大于植被固定碳量。研究表明,这些地区海拔比较高,水热条件较差,不利于生态建设工程实施,人类活动方式主要为放牧,生态环境处于持续退化状态[31⇓-33]。
3.1.3 三江源NEP趋势变化和稳定性变化
本文利用ESRI公司开发的ArcGIS10.7软件,将趋势分析和稳定性分析的结果按自然间断点法分为明显变差、轻微变差、基本不变、轻微变好、明显变好5类变化趋势以及稳定性低、较低、中等、较高、高5级。
根据对三江源区20 a间的NEP变化趋势分析结果发现,三江源区地区大部分地区的NEP是增加的,平均趋势系数为1.29,表明2001—2020年三江源区地区植被碳汇功能总体呈增强趋势(表2,图6)。
表2 三江源区2001—2020年NEP趋势变化统计
NEP有增加趋势的地区占总面积的95.05%,其中,明显好转区域的面积占66.30%,轻微好转面积占14.79%。NEP明显好转的区域主要分布在青海东部农牧生态区和江河源区高寒草甸生态区西南部和中部部分地区,这些区域温度适宜、水源丰富,植被NEP明显增加,且降水量、气温年际变化幅度较小,土壤呼吸消耗碳量偏少,植被碳汇能力逐年增加。轻微好转的区域主要分布在研究区西部。
相比之下,NEP减少的面积稀少且分散,仅占总面积的4.94%,其中,明显变差的区域仅占总面积的2.09%,轻微变差的区域为2.85%。这些变差区域呈斑块状分布在研究区的东南部和北部极少数地区,虽然降水的增加改善了干旱对这些地区胁迫,但温度的持续升高使土壤的呼吸作用增加,消耗了大量有机碳,抑制了植被NEP[34],导致区域碳汇功能下降。
研究区域中NEP基本稳定的区域约占总面积的13.96%,主要分布在可可西里半荒漠、荒漠生态区、柴达木盆地荒漠、盐壳生态区以及江河源区高寒草甸生态区西部部分地区。
稳定性分析结果表明,2001—2020年,三江源区NEP变异系数存在明显的空间差异,总体呈现出从东南向西北递增的趋势,变异系数以低、较低波动居多,仅在有限地区呈现高波动,稳定性较高(表3,图7)。NEP波动低、较低、中等、较高、高区域占总面积的比例分别为36.76%、38.00%、18.51%、4.57%和2.16%。低波动区主要分布于青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区、青海东部农牧生态区东南部和江河源区高寒草甸生态区东南部。结合图5可以看出,低波动区域的分布与NEP高值区分布基本一致,表明这些地区20 a间持续且稳定地发挥着碳汇功能。高波动区主要分布在三江源区西部,包括可可西里半荒漠、荒漠生态区和江河源区高寒草甸生态区西部。这些区域荒漠、半荒漠化严重,气候严寒,生态环境极其脆弱,植被覆盖度较低,生态敏感性高,降水、温度等气候因子的任何异常均会导致该生态区植被及植被NEP的变化,植被碳汇功能不稳定。
表3 三江源区2001—2020年NEP稳定性变化统计
3.2 三江源区NEP与气候因子的关系
植被的固碳过程非常复杂,受到多种因素的综合影响,单一气候因素无法对这一过程进行分析和解释,因此本文采用二阶偏相关系数分析法,对气温、降水和太阳辐射三种气候因素对三江源NEP变化的影响进行了分析。
结果表明,三江源70.05%的区域NEP与气温呈负相关,这些生态区NEP随温度升高而降低(图8(a)、图 9(a))。其中江河源区高寒草甸生态区、青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区和青海东部农牧生态区NEP与气温呈负相关的面积分别为93.73%,71.6%和76.85%。这是因为高温会显著影响光合作用的酶活性以及植被蒸腾作用和营养物质的运输[35],抑制植被生长,从而导致植被总体固碳量减少,土壤的呼吸排放碳量大于植被固定碳量,碳源趋势增强。与植被分布茂密的区域不同,在气温寒冷,植被稀疏的在羌塘高原高寒草原生态区和可可西里半荒漠、荒漠生态区,分别有79.53%和81.16%的地区NEP与气温呈正相关,区内NEP随温度升高而增加。尤其是在羌塘高原高寒草原生态区,有13.7%的地区偏相关系数在0.5~0.8之间,相比其他生态区,区域NEP与气温相关关系较高。高寒地区,适当的温度升高能较好地促进植被生长,光合作用明显增强,植被覆盖度、生产力提高[36],同时,植被的生长期被延长,碳吸收量增加,碳汇功能随着温度的升高有所增强。前文关于各生态区NEP的研究结果也发现羌塘高原高寒草原生态区NEP的最低值出现在2008年,这与当年的气温偏低,降水量偏少,各种条件均不利于植被生长有显著关系。
降水与三江源生态区NEP的相关性分析发现,偏相关系数在0.5~0.8之间的区域分别占羌塘高原高寒草原生态区、江河源区高寒草甸生态区和青海东部农牧生态区的68.75%,61.08%,50.46%,而在可可西里半荒漠、荒漠生态区,偏相关系数大于0.8的区域占54.11%,三江源99.79%的地区NEP与降水呈正相关(图8(b)、图9(b)),表明降水是影响该地区NEP的关键因子。土壤含水量是保证植被所需养分运输的最重要介质[36],降水量的增多提高了土壤湿度,促进了植被生长,增强了植被生产力。与此同时,植被的生长也促进了土壤微生物的活性,增加了土壤的碳输入和碳储存,最终表现为整个生态区NEP随降水量的增加而提高。这与降水量增加能够促进草地生态系统水平的碳循环的结论相一致[37⇓-39]。生态区NEP与降水呈负相关的区域主要集中在柴达木盆地荒漠、盐壳生态区,该生态区32.2%的地区NEP与降水呈负相关。荒漠区土壤贫瘠,过多的降水会导致土壤中的氮磷等营养物质缺失,同时,植被根系及土壤微生物因水分过多而缺氧,从而对本就稀疏的植被生长带来威胁[40],进而影响植被固碳功能。
NEP与太阳辐射的偏相关分析表明(图8(c)、图9(c)),在江河源区高寒草甸生态区、青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区和青海东部农牧生态区内,偏相关系数在-0.3~0.3之间的区域所占面积分别为80.27%,99.68%和81.15%,说明这些地区NEP与太阳辐射之间的关系较弱,NEP对太阳辐射的响应不显著。在青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区、江河源区高寒草甸生态区和青海东部农牧生态区内有少部分地区偏相关系数在0.3~0.5之间,表明太阳辐射的增加会加快植被光合作用的效率,提高了该区域NEP。羌塘高原高寒草原生态区、可可西里半荒漠、荒漠生态区和柴达木盆地荒漠、盐壳生态区NEP与太阳辐射呈负相关的面积均达98%以上,这些地区海拔较高,太阳辐射过强,增加了水分蒸发,不利于植被生长,从而使得该地区NEP降低。
近年来,大量的监测和研究证实,中国西北地区正变得越来越温暖和潮湿[41-42],温暖湿润的水热条件为植被的生长提供了有利的条件,从而增强了三江源地区的固碳能力。
4 结论
本研究利用长时间序列遥感数据,分析了2001—2020年共20 a间三江源区地区NEP的时空变化特征,并探讨了NEP与气温、降水和太阳辐射等气候因素之间的关系。结果表明:
1)三江源生态系统NEP总体上呈现东南高、西北低、从东南向西北逐渐递减的空间分布格局,不同生态区之间差异显著。三江源区NEP的平均值为120.93 gC/(m2·a),碳汇区(NEP>0)占研究区域总面积的99.89%; 碳源区(NEP<0)仅占总面积的0.11%,因此,三江源地区是重要的陆地生态系统碳汇区。
2)通过20 a的长时间序列上看出,三江源生态系统NEP总体上呈增长趋势,年增长率为1.13 gC/(m2·a),年平均值在104~140 gC/(m2·a)之间波动,三江源区植被碳汇功能逐步增强。
3)从空间变化格局上看,20 a间三江源生态系统NEP呈增长趋势的地区占研究区域总面积的95.05%。变化趋势以明显变好为主,碳汇功能随着生态系统的稳定变好而逐步增强,生态工程等人为活动对植被NEP的改善作用明显。
4)三江源NEP与降水呈正相关,与气温和太阳辐射呈负相关。99.79%的区域NEP与降水呈正相关关系,其中极显著相关的区域占14.13%,主要分布在江河源区高寒草甸生态区的西部和南部; 气温对NEP产生负面影响的区域占总面积的70.05%,主要发生在青藏高原东部暗针叶林、高寒草甸生态区、青海东部农牧生态区和江河源区高寒草甸生态区的中部和东南部地区。
综合来看,生态系统NEP的动态变化受多种因素的共同影响,自然环境条件改变和人为因素均对三江源生态系统碳源/汇发展和变化产生重要影响,需要建立多种耦合模型进行更加精准的分析和验证。 （原文有删减）
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
