乔亚军, 张 慧,2, 刘 坤, 王 智, 徐网谷
(1.生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042;2.南京信息工程大学 大气环境与装备技术协同创新中心, 地理与遥感学院, 南京 210044)
生态交错带受气候、土壤、生物等因素影响具有过渡性和波动性的特点，对气候变化和人类活动反应敏感。气候变化会改变生态交错带的生物地球化学循环过程，进而影响生态服务功能。人类活动干扰会改变交错带环境，例如农作物种植和过度放牧等社会经济因素会导致植被变化，使交错带对气候变化的响应复杂化[1-2]。研究生态交错带生态服务功能对气候变化和人类活动的响应，对管理和改善区域生态环境具有重要意义[2]。
固碳释氧功能是生态服务功能的重要组成部分，对于调节碳平衡、维护全球气候、缓解温室效应和改善人居生活环境质量具有重要作用。森林生态系统的净初级生产力(Net Primary Production，NPP)比其他生态系统类型高，其固碳释氧功能受到的关注较多。许多研究首先估算森林植被净初级生产力，再根据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721-2008)中的方法评估森林生态系统的固碳释氧量[3]。在区域尺度上，目前普遍基于GIS利用遥感影像通过模型估算植被NPP，再根据光合作用方程式来估算区域固碳释氧物质量[4-5]。例如，周自翔等[6]通过光能利用率模型估算了关中—天水经济区的NPP，进而基于光合作用方程式评估了区域固碳释氧量。也有学者直接通过CITYGREEN模型对深圳市绿地的碳存储量进行了评估[7]。以往对固碳释氧功能变化的驱动力研究通常采用回归分析、主成分分析等方法，但不能反映影响因子随着空间变化对因变量作用程度的不同[8]。而地理加权回归(Geographical weighted regression, GWR)模型将空间相关性和线性回归相结合，自变量的回归参数与空间位置相关，可展现影响因子与因变量关系的空间变化特征[9]。目前该模型在社会经济学、城市地理、气象学等领域的应用已取得良好效果[9-10]，但在生态服务功能方面的应用尚不多见。
呼伦贝尔林草交错带是大兴安岭林区向呼伦贝尔草原区过渡的地带，是我国生态系统结构保存最完整和健康状况最良好的林草交错带，是我国北方地区重要的生态屏障[1]。许多学者对其植被空间分布特征、气候变化和景观格局变化等展开了研究，但对其固碳释氧功能的研究较少，特别是对2015年以来该区域的植被固碳状况鲜有研究。因此，本研究结合最新的土地利用现状，基于NPP遥感估算该区域近20年的固碳释氧功能变化，并通过相关性分析和GWR模型探讨该区域固碳释氧功能变化的主要驱动因子。不仅对维护区域生态安全和保护我国北方森林草原具有重要意义，而且可为碳减排、碳达峰以及碳中和背景下我国交错带地区的碳交易以及可持续发展提供支撑。
1.1 研究区概况
呼伦贝尔林草交错带植被上属于大兴安岭林区向呼伦贝尔草原区的过渡地带，位于中国内蒙古自治区呼伦贝尔市中部，地理位置处于东经117°33′—122°55′和北纬46°10′—53°26′，行政区域涉及呼伦贝尔市的额尔古纳市、根河市、牙克石市、陈巴尔虎旗、海拉尔区、鄂温克族自治旗和新巴尔虎左旗共7个旗市。地势由东南向西北倾斜，地形以高平原为主，由绵延起伏的低山丘陵、孤立的残丘和冲击平原组成，局部地区有零星沙地分布。研究区由东向西从寒温带大陆季风气候向中温带大陆性气候过渡，冬季长而冷，夏季短而凉，春季大风、寒潮天气多，夏季降水变率大，年平均气温-2.2～2.4℃，年降水量为290～450 mm[1]。呼伦贝尔林草交错带典型草原和温带森林两种植被类型共存，其重要植被类型为：寒温带针叶林、温带针阔混交林、夏绿阔叶林等森林植被，以及林缘草甸、草甸草原、典型草原、低地草场、沙地草场等草原植被[11]。
1.2 数据来源与处理
根据2000年、2010年Landsat5TM遥感影像(空间分辨率30 m)，以及2018年Landsat8TM遥感影像(空间分辨率30 m)(https:∥glovis.usgs.gov/)，通过面向对象分类法，并结合目视解译，获得研究区2000年、2010年、2018年土地覆被类型数据，总体分类精度达85%以上，一级分类精度达95%以上，变化检测总体精度达85%以上。
归一化植被指数(NDVI)月值数据(空间分辨率500 m)，来源于资源环境科学与数据中心网站(http:∥www.resdc.cn/)。气象数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn)，包括月总降水量(mm)、月平均温度(℃)和月太阳总辐射量(MJ/m2)；
在ArcGIS中，根据气象站点的经纬度信息，对研究区及其周围气象站点的气象数据进行Kriging插值得到气象要素栅格数据，空间分辨率设置为250 m。在ENVI中分别对上述2000年、2010年、2018年逐月NDVI、降水量、平均温度和太阳总辐射量栅格数据进行合成，得到研究区2000年、2010年、2018年月NDVI、月总降水量、月平均温度和月太阳总辐射量的时间序列数据。以上所涉及的数据均转换到同一坐标系，空间分辨率均统一转换为为250 m。
1.3 NPP估算
利用朱文泉植被净初级生产力软件模块对NPP进行评估，该软件模块 V1.0是基于改进的 CASA模型在IDL软件平台下开发而成，将该模型在 ENVI 5.3进行运算。
模型原理：植被NPP由植物吸收的光合有效辐射(APAR)和实际光能利用率(ε)两个因子来决定，其估算公式[12]如下：
NPP(x,t)=APAR(x,t) ×ε(x,t)
(1)
式中:APAR(x,t)表示像元x在t月吸收的光合有效辐射(MJ/m2)；
ε(x,t)表示像元x在t月的实际光能利用率(gC/MJ)。APAR(x,t)和ε(x,t)的计算过程请参考朱文泉等[12]。
模型需要配置静态参数文件：本研究根据朱文泉植被净初级生产力(NPP)软件模块说明手册和朱文泉等[12]研究成果，结合文献资料确定NDVI和比值植被指数(SR)的最大值和最小值，以及最大光能利用率(εmax)。植被类型按照各植被类型的编码来设置。
1.4 固碳释氧功能评估
在生态系统中，有机物吸收空气中二氧化碳，通过光合作用生成碳水化合物并释放出氧气，其化学式为：
CO2+H2O→CH2O+O2
(2)
本次测算是以净初级生产力(NPP)为基础，根据光合作用方程式，每生产1.00 kg干物质能固定1.63 kg CO2，释放1.20 kg的O2，以此为基础，根据生态系统的NPP测算出生态系统固定CO2的质量及释放O2的质量[6,13]。
1.5 相关性分析
本研究采用Pearson相关系数，在ArcGIS中通过“栅格计算器”计算每个像元的年均固碳释氧量与气候因子(年降水量和年均气温)之间的相关系数，来分析固碳释氧量对气候因子的响应，Pearson相关系数的计算公式如下：
(3)
1.6 地理加权回归分析
本研究以乡(镇、苏木、街道)为单元，基于ArcGIS的“空间统计(Spatial Statistics Tool)”-“空间关系建模工具集(Modeling Spatial Relationships)”，采用“地理加权回归(Geographically Weighted Regression)”工具分析固碳释氧功能变化的驱动因子。
yi=β0(ui,vi) +β1(ui,vi)xi1+β2(ui,vi)xi2+ … +βk(ui,vi)xik+εi
(4)
式中:yi表示i乡(镇、苏木、街道)的因变量；
(ui,vi)表示i乡(镇、苏木、街道)的地理坐标；
xik表示i乡(镇、苏木、街道)的第k个自变量；
εi表示i乡(镇、苏木、街道)的随机误差项；
β0表示常数项；
βk表示第k个自变量的回归系数。本研究中因变量为某一时间段呼伦贝尔林草交错带镇域NPP变化量;自变量为某一时间段镇域年降水量变化量和气温变化量。
模型参数的设置：因变量字段为归一化(最大值最小值法)后的NPP变化量，自变量字段为归一化(最大值最小值法)后的年降水量和年均气温变化量。核的类型选择“固定距离法”，核带宽选择“AIC(最小信息准则)”[9]。
2.1 固碳释氧功能时空变化特征
2.1.1 固碳释氧功能空间分布特征 由图1可以看出，2000年、2010年不同行政区的固碳释氧能力大小排序均为：额尔古纳市>牙克石市>根河市>鄂温克族自治旗>陈巴尔虎旗>新巴尔虎左旗>海拉尔区，而2018年陈巴尔虎旗<新巴尔虎左旗，其他排序不变。本研究直接根据NPP估算得到植被固碳释氧量，固定CO2物质量与释放O2物质量之间只存在简单的倍数关系，在此仅以固定CO2的物质量为例进行阐述(下同)。从空间分布情况来看，年平均固定CO2900 g/m2分界线大体沿着林草交错地带(即山地丘陵与高平原交错带)分布，年平均固定CO2大于900 g/m2的区域(以下简称高值区)主要集中在林区的额尔古纳市、根河市和牙克石市；
而年平均固定CO2小于900 g/m2且大于600 g/m2的区域(以下简称中值区)主要集中在林草交错区和草原区的陈巴尔虎旗、海拉尔区、鄂温克族自治旗和新巴尔虎左旗；
年平均固定CO2小于600 g/m2的区域(以下简称低值区)主要分布在陈巴尔虎旗南部和新巴尔虎左旗地区。
2.1.2 固碳释氧功能时空变化特征 2018年整个呼伦贝尔林草交错带吸收CO2的总量比2000年增加2.30×107t，提高了21.38%。各市(区)旗吸收CO2的物质量都明显增加，增加率10.41%～43.40%(图2)，尤其是草原区的新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗西南部和鄂温克族自治旗西部，其单位面积固定CO2的物质量较2000年增加了50%以上(图1)。
图1 2000年、2010年、2018年研究区固定CO2物质量及其变化的空间分布特征
图2 各市(区)旗固定CO2的物质总量及其变化
2.2 土地覆被变化对固碳释氧功能的影响
2000—2018年研究区土地覆被面积变化不大，林地、草地、湿地、沙地的面积变化仅为-0.28%～0.88%，耕地面积减少3.69%，但2018年整个研究区的固碳释氧总量较2000年提高了21.38%，并且各土地覆被类型的固碳释氧总量和单位面积平均值均有所增加，尤其是沙地(总量37.36%，均值36.53%)、草地(总量27.86%，均值26.51%)和林地(总量20.01%，均值19.62%)(图3)，说明各土地覆被类型的面积变化对其固碳释氧功能的影响有限。因此土地覆被类型的变化不是研究区整体固碳释氧功能变化的主要原因。
图3 不同土地覆被类型单位面积固定CO2物质量和固定总量及其变化
表1 2000-2018年土地利用转移矩阵 km2
2.3 气候变化对固碳释氧功能的影响
根据气象站点资料，2000—2018年研究区内图里河、额尔古纳、海拉尔和新巴尔虎左旗站点的年降水量整体上均呈现出波动增加的趋势，除了海拉尔站点，其他3个站点的年均气温均呈现出缓慢上升趋势(图4)。根据气候因子插值结果，在栅格像元尺度上，2000年研究区年降水量均值为280.3 mm，年平均气温均值为-2.3℃；
2010年年降水量均值为340.0 mm，年平均气温均值为-2.4℃；
而2018年年降水量均值为416.1 mm，研究区年平均气温均值为-1.3℃。
图4 2000-2018年研究区内主要气象站点年降水量和年均气温变化趋势
为了分析研究区固碳释氧量对气候变化的响应关系，在栅格像元尺度上采用Pearson相关系数分析探究固碳释氧量与年降水量和年平均气温之间的关系，并在乡镇尺度上通过地理加权回归分析探究固碳释氧量与气候变化的响应关系。Pearson相关性分析结果表明：大部分区域固碳释氧物质量与年降水量和年均气温呈正相关关系，尤其是草原区、林草交错区域的南部和林区的南部其固碳释氧量与年降水量的Pearson相关系数在0.8以上，林草交错区域的南部和林区的中部、北部其固碳释氧量与年平均气温的Pearson相关系数也在0.8以上(图5)。
地理加权回归分析结果表明：年降水量和年均气温可解释固碳释氧变化量空间分布差异的58%(调整后R2=0.58)。模型在新巴尔虎左旗、鄂温克族自治旗南部、牙克石市南部比其他区域的拟合度好(图6)。林草交错带林区固碳释氧变化量与气温和降水正相关，与气温之间的回归系数大于降水，主要影响因子是气温；
而草原区固碳释氧变化量与降水正相关，与气温负相关，与降水之间的回归系数大于气温，主要影响因子是降水；
林草交错区域固碳释氧变化量与降水之间的回归系数大于气温，主要影响因子是降水。
图5 固定CO2物质量与气候因子(年降水量及
本研究基于改进的光能利用率模型对呼伦贝尔林草交错带NPP进行了遥感估算，由于NPP实测数据未能获得，通过与其他模型NPP模拟值比较来进行验证。数值地形动态模拟组(NTSG)开发的MOD17A3 NPP数据(https:∥www.ntsg.umt.edu)，是基于MODIS卫星遥感数据，通过Biome-BGC模型估算出的全球陆地植被NPP年际数据[14]。将2000年、2010年、2018年MODIS NPP与本研究估算NPP值进行比较，结果显示两者之间呈显著正相关关系(R2=0.84，p<0.01)。与Miami，Thornthwaite和CEVSA等模型比较，不同土地覆被类型NPP值均在正常范围内。以上说明本研究NPP估算值是可靠的。需指出，模型所需的气象网格数据是基于观测站点的实测气候数据进行空间内插得到的，插值过程会引入误差，对NPP评估精度产生影响。
图6 2000-2018年研究区固定CO2物质量的变化量与气候因子变化量之间的地理加权回归分析结果
对于整个呼伦贝尔林草交错带，本研究发现2000—2018年土地覆被类型的变化并非固碳释氧功能变化的主要驱动因素。但在局部地区，生态保护措施的实施使植被覆盖度提高，对固碳释氧功能的提升起到了积极的作用。如陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗、海拉尔区、鄂温克族自治旗和新巴尔虎右旗，是呼伦贝尔草地沙化的主要发生区域[15]，为抑制草地沙化退化的扩展，该区域实施了退牧还草、退耕还草和沙化土地封禁等项目，植被盖度明显增加[16-18]。2010—2018年期间沙地面积减少，沙地固碳释氧总量和单位面积固碳释氧量明显提高，分别增加了22.88%和23.56%；
特别是过去沙化较为严重的新巴尔虎左旗固碳释氧功能显著提升(图1)，整个新巴尔虎左旗吸收CO2的物质量较2010年提高了26.21%(图2)。因此呼伦贝尔林草交错带沙化地区固碳释氧功能的提升与该区域的生态保护修复成效密不可分。
气温和降水的变化往往会影响植被的固碳能力。本研究相关性分析显示，绝大多数像元的固碳释氧量与其年降水量和年平均气温正相关，且大部分Pearson相关系数达到0.8以上。地理加权回归模型分析显示，不同区域的固碳释氧量对两个气候因子变化的响应有所不同：林区主要驱动因子是气温，而草原区和林草交错区的主要驱动因子是降水。这与其他学者的研究结果基本一致，森林NPP与气温有显著正相关关系，草原NPP与降水有显著正相关关系[11,19]。气温(尤其最低气温)升高会使植物生长季提前或导致生长季延迟结束，从而促进植被NPP的积累[20]。生长季降水量的增加，使草原秋季物候推迟，从而提高草原的固碳能力[21-22]。但考虑到气候的多变性和林草交错带植被对极端气候反应的敏感性，仅靠年累积降水量和平均气温可能无法精准指示气候的变异程度，难以清晰地反映气候变化对林草交错带固碳能力的影响，后续研究将关注温度极值、降水均匀度、降水月值数据变化等对植被固碳释氧功能的影响。
(1) 2000—2018年期间，呼伦贝尔林草交错带吸收CO2的总量增加了21.38%，各市(区)旗吸收CO2的物质量均有所增加，尤其是草原区的新巴尔虎左旗北部和西部、陈巴尔虎旗西南部和鄂温克族自治旗西部，其单位面积固定CO2的物质量增加了50%以上。
(2) 沙地、草地和林地的固碳释氧总量和单位面积平均值明显提高，其中沙地上升幅度最为明显，分别增加37.36%和36.53%。尤其是过去沙化严重的新巴尔虎左旗地区，由于沙化土地封禁等系列生态修复措施，固碳释氧功能得到快速提升，是研究区内变化最明显的地区。整体上，气候变化是研究区固碳释氧服务功能提升的主要驱动力。其中林区固碳释氧变化的主要影响因子是气温；
而草原区和林草交错区域固碳释氧功能提升的主要影响因子是降水。