1980—2014年新疆地區(qū)碳庫時空動態(tài)研究

李曉星 王周龍

摘要通過對1980—2014年新疆地區(qū)時空尺度上碳庫的動態(tài)進行研究，結(jié)果表明，1997年之前氣候變化波動相對較小，碳收支基本處于平衡狀態(tài)，1998—2008年有2次較大的碳流失現(xiàn)象發(fā)生。南疆和北疆呈現(xiàn)出不同的碳匯趨勢，碳匯發(fā)生在天山及阿爾泰山等山區(qū)的中低山帶，昆侖山北部山區(qū)以及阿爾泰山南緣出現(xiàn)較大程度的土壤碳降低態(tài)勢。

關(guān)鍵詞碳循環(huán)；時空；新疆

中圖分類號S181.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）12-0055-03

AbstractThe dynamics of carbon stocks on the spatiotemporal scale of Xinjiang from 1980 to 2014 was studied.The results showed that the fluctuation of climate change was relatively small before 1997，and the carbon budget was basically in equilibrium，and between 1998 and 2008，there were two times large loss of carbon.It showed different trends of carbon sequestration in southern and northern Xinjiang，and carbon sequestration occurred in the low altitude of Tianshan Mountain and Altai Mountain，and a large extent of soil carbon reduction occurred in the northern mountainous area of the Kunlun Mountains and southern Altay Mountains.

Key wordsCarbon cycle；Temporal and spatial scales；Xinjiang

“碳循環(huán)”是生物地球化學循環(huán)的關(guān)鍵過程[1-5]。自工業(yè)革命尤其是20世紀50年代以來，人為活動極大地加速了全球變化的變異性和不確定性，氣候變化以及環(huán)境問題日益突出[6]。陸地生態(tài)系統(tǒng)由于其在全球碳循環(huán)的作用舉足輕重，加之其敏感的環(huán)境適應機制和復雜的反饋機理，面對環(huán)境惡化的威脅首當其沖[2，4]。新疆地區(qū)約占我國1/6的國土面積，以深居內(nèi)陸的地理區(qū)位、干旱的大陸性氣侯、山盆相間的地貌格局、廣泛發(fā)育的內(nèi)陸流域、荒漠性的土壤植被與我國東部季風區(qū)和青藏高寒區(qū)形成鮮明的對比，在全球干旱區(qū)類型中也獨具特色，是全球變化比較敏感的區(qū)域之一[7-8]。因此，開展區(qū)域尺度的碳循環(huán)研究對于維持生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者對1980—2014年新疆地區(qū)時空尺度上碳庫動態(tài)進行研究，旨在為維持新疆生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

新疆地處歐亞大陸腹地，我國西北邊陲，地理坐標為73°32′～96°21′ E， 34°22′～49°33′ N（圖1），屬于中溫帶極端干旱的荒漠地帶。干旱少雨，多大風；冬季寒冷漫長，夏季炎熱短促，春秋氣溫變化劇烈等。新疆年降水量按面積平均不足150 mm，且分布不均。新疆地區(qū)年均氣溫為4～14 ℃，其中北疆為4～9 ℃，南疆9～12 ℃，吐魯番盆地高達14 ℃。由于降水稀少氣候干燥，幾大荒漠橫亙于此。該區(qū)域代表性的植被功能類型以荒漠灌叢為主，天山山區(qū)降水豐富，再加上適宜的低山帶氣候發(fā)展了物種豐富的植被類型，典型的有濕冷森林區(qū)和高山草甸區(qū)等。而且天山山區(qū)的高山牧場發(fā)展良好，南疆的極端干旱區(qū)年均溫較高，年降水極低，蒸散發(fā)劇烈，該區(qū)域植被以荒漠稀疏耐旱的灌木為主，如梭梭、檉柳等[7]。

1.2數(shù)據(jù)來源和處理

該研究數(shù)據(jù)采用1980—2014年日尺度的CFSR （Climate Forecast System Reanalysis）數(shù)據(jù)。主要包括降水、相對濕度、年均溫、最高氣溫、最低氣溫5種氣象數(shù)據(jù)，其空間分辨率是40 km×40 km，由美國國家環(huán)境預報中心再分析氣候預測系統(tǒng)（NCEP）（http：//rda.ucar.edu/pub/cfsr.html）提供。該研究將原始的1 h分辨率的氣象數(shù)據(jù)在UNIX平臺下利用CDO（Climate Data Operators）工具，結(jié)合Python腳本程序及ARCGIS WorkStation進行批量處理。通過平均值算法，經(jīng)過Data Correct（數(shù)據(jù)糾正）、Data Projection（數(shù)據(jù)重投影）、Data Mask（數(shù)據(jù)掩膜）、Grid to Float（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成bin格式），最終將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模型需要的輸入數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)包括坡度、坡向、高程等數(shù)據(jù)，主要來源是ASTER 30 m 全球高程數(shù)據(jù)集。CO2數(shù)據(jù)集主要來自美國Mauna Loa觀測臺觀測的全球年平均濃度數(shù)據(jù)（http：//co2now.org）。

該研究以新疆地區(qū)植被功能類型圖作為基礎模擬單元，實現(xiàn)不同功能型植被的模擬比較工作。結(jié)合中國植被圖，將中亞植被功能類型共分為針葉林、闊葉林（胡楊林）、草地、梭梭（非深根灌木）、檉柳（深根灌木）、農(nóng)田、居民地、旱作農(nóng)田、高山草甸。其中，該圖集主要用30 m×30 m空間分辨率的（TM遙感影像）土地利用與覆被數(shù)據(jù)目視解譯而來。同時，針對荒漠地區(qū)稀疏植被在目視解譯過程中難以分辨的事實，進一步利用1∶100萬的中國植被圖[9]與TM影像目視解譯結(jié)果進行合并與完善，最終得到適合模型輸入的新疆地區(qū)植被類型圖。每種植被類型在新疆地區(qū)植被類型圖每個格點中所占比例不同，但是各種植被功能型所占比例之和為1，填充滿整個格點。

2結(jié)果與分析

2.11980—2014 年新疆地區(qū)凈初級生產(chǎn)力（NPP）、總初級生產(chǎn)力（GPP）、自養(yǎng)呼吸（RA）時間動態(tài)

該研究結(jié)果表明，近35年（1980—2014年）新疆地區(qū)年平均NPP總量219.48 gC/m2，GPP總量為382.96 gC/m2，RA 總量為196.95 gC/m2。線性擬合結(jié)果（y=-0.697 6x+227.85）表明，近35年新疆地區(qū)NPP以0.697 6 gC/（m2·a）的總體趨勢減少，年際波動顯著。如果進行細分，這種氣候變化又可以細分為2段，以1997年為分界點，1997年之前氣候變化的波動相對較小，碳收支基本處于平衡狀態(tài)，1998—2008年有2次較大的碳流失現(xiàn)象發(fā)生，主要原因是持續(xù)偏低的降水與高溫對新疆地區(qū)植被生理生態(tài)過程造成了嚴重的脅迫。據(jù)統(tǒng)計，這段時間的降水約占同期（1980—2011）年均值的80%，降水偏低與海洋活動導致的“拉尼娜”現(xiàn)象密切相關(guān)。

2.2新疆地區(qū)不同植被功能類型植被碳（VEGC）和NPP量值

新疆地區(qū)植被功能類型（Plant Functional Types）多樣，該研究中，將新疆地區(qū)的植被分成常綠針葉林（ENF）、落葉闊葉林（BDF）、草地（GRS）、非深根冠木（NPS）、深根冠木（PS）、農(nóng)田（CRP）、雨養(yǎng)農(nóng)田（RNP）、高山草甸（MEW）及居民地（POP）九大類。對于不同植被類型而言，其所處的生態(tài)環(huán)境差異很大，從高緯度高寒冷環(huán)境下生存的高山草原或草甸到亞熱干燥環(huán)境下生存的深根冠木，從山區(qū)濕冷環(huán)境生存的森林生態(tài)系統(tǒng)到極端干旱環(huán)境下生存的稀疏灌叢，各種差異極大的生態(tài)環(huán)境、不同氣候的脅迫以及不同植被自身生理特征導致了它們對氣候變化具有不同的響應方式和反饋效果。為進一步了解在這種氣候變化下不同植被類型生產(chǎn)力（NPP、GPP）格局變化以及NPP的響應特點，筆者對氣候變化下的不同植被類型的生產(chǎn)力反饋特點進行了量化。

1980—2014年新疆地區(qū)各種植被功能類型的NPP對氣候變化的響應具有很大差異。常綠針葉林和農(nóng)田的NPP值顯著大于其他植被類型，這是由于常綠針葉林生存的環(huán)境降水豐沛，適合植被生長，而農(nóng)田（約占新疆地區(qū)面積的15%）由于人為因素的管理（如灌溉等），生長條件優(yōu)越，生產(chǎn)力較高。草地、深根植被及非深根植被的NPP值相對較低。草地和非深根灌木在新疆所占面積巨大，二者共占研究區(qū)總面積的75%左右，巨大的占比面積導致二者受氣候變化的影響較為明顯，而這對干旱區(qū)NPP的貢獻達57%左右。值得注意的是，深根灌木和非深根灌木在新疆地區(qū)被重點區(qū)分，這是由于二者不同的生理生態(tài)特點，如根部吸水特征和垂直根系分布特征，以及二者生長所處的環(huán)境條件較為惡劣，如非深根灌木（代表植被是梭梭）和深根灌木（代表植被是檉柳）一般生長在荒漠地區(qū)，降水稀少、氣候干旱。深根灌木的NPP略微高于非深根灌木，因為深根灌木金字塔形的根系分布特點可有效利用地下水補給自身缺水。旱作農(nóng)田（雨養(yǎng)農(nóng)田）、居民地、高山草甸雖然生產(chǎn)力要高于干旱區(qū)NPP均值，但由于量級較小，對區(qū)域NPP的貢獻微弱。

2.3新疆地區(qū)植被碳、土壤碳、凋落物碳、生物系統(tǒng)總碳密度的空間格局

為了探討新疆干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳庫對氣候變化響應的空間格局，該研究以2014年與1980年的碳庫差值作為指標，正值代表研究時段內(nèi)碳庫增加，負值為減少（圖2）。圖2表明，1980—2014年新疆地區(qū)呈強烈的碳庫空間變化特征。碳匯發(fā)生在天山及阿爾泰山等山區(qū)的中低山帶，昆侖山北部山區(qū)以及阿爾泰山南緣出現(xiàn)較大程度的土壤碳降低態(tài)勢。北疆地區(qū)氣候變化大約導致了約20 Tg的土壤有機碳匯，而南疆地區(qū)則大約減少了8 Tg。植被碳在北疆地區(qū)大約增加了13%，遠遠大于南疆地區(qū)的增加程度（9%），這可能與北疆氣候的暖濕型轉(zhuǎn)變有關(guān)。凋落物碳主要減少的狀況發(fā)生在阿爾泰山山區(qū)附近，北疆荒漠區(qū)也出現(xiàn)一定程度降低。氣候變化對新疆生態(tài)系統(tǒng)有機碳儲量動態(tài)的影響具顯著的空間異質(zhì)性。南疆和北疆呈現(xiàn)出不同的碳匯趨勢，土壤碳表現(xiàn)為碳流失的趨勢，植被碳突出表現(xiàn)在氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)碳匯的響應方面。

3討論

植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）是植被光合作用有機物質(zhì)的凈收益，是植被自身生理生態(tài)特性與外界各種氣候環(huán)境因子相互作用的結(jié)果，決定了地球上所有組成成分和自然生態(tài)的生命功能。NPP 是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是植被光合作用和呼吸作用的外在表征，是 CO2濃度等大氣成分變化的驅(qū)動者，而大氣成分的改變則進一步改變了地球上的相關(guān)物質(zhì)成分，研究 NPP 動態(tài)變化特征，對于了解干旱區(qū)尤其是新疆干旱區(qū)植被特殊的生理生態(tài)過程及界定植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)生存能力具有重要意義。碳循環(huán)作為一切有機（能量）物質(zhì)的基礎，處于生物地球化學循環(huán)研究的核心并與全球變化密切相連。陸地生態(tài)系統(tǒng)（包括土壤）在全球地化循環(huán)中不但擁有最大的絕對碳通量和僅次于海洋的最大碳儲量，而且對人類活動及其帶來的大氣、氣候變化非常敏感。新疆干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)覆蓋了全國約1/6的陸地面積，除了土地利用變化外，干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)對全球氣候變暖、降水格局（強度和周期）變化以及大氣成分變化也非常敏感。

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