基于MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)的三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量時(shí)空變化研究

張繼平，劉春蘭*，郝海廣，孫莉，喬青，王輝，寧楊翠

1. 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

基于MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)的三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量時(shí)空變化研究

張繼平1，劉春蘭1*，郝海廣2，孫莉1，喬青1，王輝1，寧楊翠1

1. 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，北京 100037；2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究是全球變化與地球科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)問題，準(zhǔn)確地評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳匯量是估算未來大氣 CO2濃度，預(yù)測(cè)氣候變化及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵。已有相關(guān)研究多集中于對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳匯量的量的估算，而缺乏針對(duì)時(shí)間尺度上的變化過程的分析，以及對(duì)變化特征空間差異性的分析。本研究基于MODIS NPP數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)及土壤有機(jī)碳密度分布數(shù)據(jù)，對(duì)三江源地區(qū)2000─2010年草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，同時(shí)，基于MODIS GPP數(shù)據(jù)及China FLUX和America FLUX數(shù)據(jù)，建立草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算模型，對(duì)其碳匯量的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，以期明確該地區(qū)的碳儲(chǔ)存能力及其變化過程，為該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明：（1）三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為53.38×108t，平均碳密度為14.94 kg·m-2（以C計(jì)）。土壤和植被碳儲(chǔ)量分別為53.07×108t和0.31×108t，平均碳密度分別為14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2。（2）近10多年來，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)多年平均碳匯量為0.4×108t，單位面積平均碳匯量為86.80 g·m-2·a-1（以C計(jì)），表明該地區(qū)草地生態(tài)體統(tǒng)是一個(gè)碳匯。（3）2000年以來，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量及總碳匯量均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，碳匯功能有所增強(qiáng)。（4）三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量的空間分布格局及其變化趨勢(shì)的空間分布均呈現(xiàn)明顯的空間差異性。（5）MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)能夠支撐較大尺度草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量格局與變化趨勢(shì)分析，較傳統(tǒng)方法更為便捷高效。

MODIS GPP；MODIS NPP；草地生態(tài)系統(tǒng)；碳儲(chǔ)量；碳匯量；三江源地區(qū)

全球碳循環(huán)研究受到人們的普遍關(guān)注，成為當(dāng)前全球變化研究的三大熱點(diǎn)之一（于貴瑞，2003）。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的過程中發(fā)揮重要角色，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)規(guī)律和機(jī)制的研究是全球碳循環(huán)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（Dixon等，1994）。準(zhǔn)確把握各種陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的大小、分布，并切實(shí)評(píng)估不同類型植被和土壤的碳儲(chǔ)存能力，對(duì)合理評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中所起的作用具有重要意義（Schimel等，2001）。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，這些研究涵蓋了包括森林、草地、農(nóng)田和濕地等不同的植被類型（Buffam等，2011；陳曉鵬和尚占環(huán)，2011；崔麗娟等，2012）。草地是世界上最廣泛分布的植被類型之一，估算草地生態(tài)系統(tǒng)碳素儲(chǔ)量是全球草地碳循環(huán)研究的重點(diǎn)之一，對(duì)系統(tǒng)分析草地植被在全球變化中的生態(tài)價(jià)值和貢獻(xiàn)、研究陸地碳循環(huán)機(jī)制和全球碳收支平衡都具有重要意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面的研究大都集中在低海拔地區(qū)的溫帶和熱帶草原，而對(duì)于分布在我國(guó)高海拔地區(qū)，尤其是青藏高原的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面的研究仍較為薄弱（岳廣陽等，2010）。三江源地區(qū)地處青藏高原腹地，是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地，也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境的極敏感區(qū)和氣候變化的啟動(dòng)區(qū)。以往對(duì)該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中于全球變化對(duì)高寒草地的影響及草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等方面（Li等，2010；王常順等，2013），而對(duì)高寒草地的碳匯功能較少關(guān)注（裴志永等，2003；Pei等，2009；Wang等，2010）。此外，已有研究多集中于對(duì)某一地區(qū)或某一種植被類型的土壤碳儲(chǔ)量或碳通量的研究（Zhu等，2010；Page等，2011），已有相關(guān)研究多集中于對(duì)碳儲(chǔ)量和碳匯量的量的估算，而缺乏針對(duì)時(shí)間尺度上的變化過程的分析，以及對(duì)變化特征空間差異性的分析。本研究利用MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)及土壤有機(jī)碳密度分布數(shù)據(jù)，對(duì)三江源地區(qū) 2000─2010年的碳儲(chǔ)量及碳匯量的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。以期明確該地區(qū)的碳儲(chǔ)存能力及其變化過程，為該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三江源地區(qū)位于東經(jīng) 89°45′～102°23′，北緯31°39′～36°12′之間，行政區(qū)域涉及玉樹、果洛、海南、黃南4個(gè)藏族自治州的16個(gè)縣和格爾木市的唐古拉鄉(xiāng)，總面積36.3萬km2（圖1）。三江源地區(qū)以山地地貌為主，山脈綿延、地勢(shì)高聳、地形復(fù)雜，海拔范圍為3335～6564 m。源區(qū)氣候?qū)偾嗖馗咴瓪夂蛳到y(tǒng)，為典型的高原大陸性氣候，表現(xiàn)為冷熱兩季交替、干濕兩季分明、年溫差小、日溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng)烈、無四季區(qū)分的氣候特征。平均氣溫為-5.6～3.8 ℃，年平均降水量 262.2～772.8 mm，年蒸發(fā)量在730～1700 mm之間。日照百分率為50%～65%，年日照時(shí)數(shù)2300～2900 h。由于海拔高，絕大部分地區(qū)空氣稀薄、植物生長(zhǎng)期短。三江源區(qū)植被類型以高寒草甸和高寒草原為主，主要植物種有小嵩草（Kobresia pygmaea）、藏嵩草（Kobresia tibetca）、矮嵩草（Kobresia humilis）、青藏苔草（Carex moorcroftii）、釘柱委陵菜（Potentilla saundersiana）、金露梅（Potentilla fruticosa）、紫花針茅（Stipa purpurea）等。區(qū)域內(nèi)的土壤分布具有明顯的垂直地帶性規(guī)律，以高山草甸土為主，沼澤化草甸土也較普遍，凍土層極為發(fā)育（Zhang等，2014）。

圖1 三江源地區(qū)地理位置圖Fig. 1 Location of the Three-River Headwaters Region

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究對(duì)三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯的估算主要基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）GPP/NPP數(shù)據(jù)。美國(guó)NASA于1999年發(fā)射了具有中分辨率成像光譜儀（MODIS）的TERRA極軌環(huán)境衛(wèi)星，其傳送回來的遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地表覆蓋變化、生物生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域（Turner等，2006；Rasmus等，2006；Peng等2010）。MODIS對(duì)陸地監(jiān)測(cè)產(chǎn)品提供了2000─2010年分辨率為1 km的年GPP與NPP產(chǎn)品（MOD17A3）。該數(shù)據(jù)首先基于光能利用率模型估算日GPP與NPP值，再進(jìn)一步推算出年GPP與NPP值。目前該數(shù)據(jù)已在全球和區(qū)域植被生物量估算、碳循環(huán)和全球變化等研究中得到驗(yàn)證和廣泛應(yīng)用（國(guó)志興等，2009）。本研究通過對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、重采樣、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、影像裁剪與拼接等預(yù)處理，得到研究區(qū)MODIS NPP和MODIS GPP年值數(shù)據(jù)集。

三江源地區(qū)碳儲(chǔ)量包括植被碳儲(chǔ)量及土壤碳儲(chǔ)量?jī)刹糠?。植被碳?chǔ)量為植被生物量與含碳系數(shù)的乘積。由于三江源地區(qū)的草地植被為一年生草本植物，可將草地植被的年NPP值視為植被碳儲(chǔ)量。本研究基于MODIS NPP年值數(shù)據(jù)，結(jié)合 2000、2005、2010年三江源地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，以草地為掩模，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行分析。土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算主要根據(jù)全國(guó)1∶400萬土壤（0～100 cm）有機(jī)碳密度分布數(shù)據(jù)（來源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)），并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果（李生軍，2010），確定三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征，進(jìn)而計(jì)算土壤碳儲(chǔ)量。由于該地區(qū)受人類活動(dòng)的影響較小，土壤理化性質(zhì)較為穩(wěn)定，相關(guān)研究表明，近 30多年來青藏高原區(qū)域內(nèi)的高寒草地土壤有機(jī)碳庫沒有顯著變化（Yang等，2009），因此，本研究在分析碳儲(chǔ)量變化過程時(shí)，假定 2000─2010年土壤碳儲(chǔ)量保持不變。

三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量為總初級(jí)生產(chǎn)力Gross Primary Productivity（GPP）與生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）之差。值為正，表示碳吸收量大于碳排放量，為碳匯區(qū)；值為負(fù)，表示碳吸收量小于碳排放量，為碳源區(qū)。在區(qū)域尺度上，生態(tài)系統(tǒng)呼吸與光合生產(chǎn)力相關(guān)。本研究根據(jù) China FLUX和America FLUX的數(shù)據(jù)，分析草地Reco與GPP及氣溫的相關(guān)性，建立草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算模型：

式中，Ta為年均溫。本研究基于三江源及其周邊共47個(gè)氣象站點(diǎn)2000─2010年的年均溫?cái)?shù)據(jù)，采用Kringing空間插值法得到研究區(qū)各年度年均溫空間柵格數(shù)據(jù)（高彥華，2010）。

為分析研究區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量近 10年來變化趨勢(shì)的空間分布特征，采用一元回歸趨勢(shì)分析法，以時(shí)間t為自變量，對(duì)年均碳儲(chǔ)量及年均碳匯與年份進(jìn)行回歸分析，得到一元線性回歸方程。通過計(jì)算方程的斜率 SLOPE可以分析其變化趨勢(shì)，SLOPE<0表示碳儲(chǔ)量及碳匯量呈減小趨勢(shì)，SLOPE>0表示碳儲(chǔ)量及碳匯量呈增加趨勢(shì)，SLOPE的計(jì)算公式如下：

式（2）中，SLOPE是一元線性方程的回歸斜率，CSi為第i年的碳儲(chǔ)量及碳匯量，n為監(jiān)測(cè)時(shí)間段的累積年數(shù)，i取值從1到n（Zhang等，2014）。

3 研究結(jié)果

3.1 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其空間分布

本研究在對(duì) 2000─2010年各年度草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算的基礎(chǔ)上，計(jì)算碳儲(chǔ)量多年平均值，進(jìn)而分析草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量特征。研究表明，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為 53.38×108t（以C計(jì)，下同），平均碳密度為14.94 kg·m-2（以C計(jì)，下同），其中，土壤和植被碳儲(chǔ)量分別為53.07×108t和0.31×108t，平均碳密度分別為14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2。土壤碳儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于植被碳儲(chǔ)量。由于研究區(qū)位于青藏高原腹地，年均溫較低、土壤有機(jī)質(zhì)分解速率緩慢，有機(jī)質(zhì)逐年積累，因而土壤碳密度較高（田玉強(qiáng)等，2008）。

從碳儲(chǔ)量的空間分布來看（圖 2），三江源東部地區(qū)和中部地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量較高，西北部地區(qū)及瑪多縣碳儲(chǔ)量較低，最高值出現(xiàn)在3條大河發(fā)源地的沼澤化草甸濕地分布區(qū)。碳儲(chǔ)量的分布主要受土壤碳儲(chǔ)量分布的影響，土壤碳儲(chǔ)量與土壤類型密切相關(guān)。東部及中部絕大部分地區(qū)分布有高山草甸土，西北部地區(qū)及瑪多縣多分布高山草原土及寒漠土，河流發(fā)源地多分布泥炭沼澤土，3種土壤類型的土壤有機(jī)碳密度不同，導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量空間分布的差異性。

圖2 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布圖Fig. 2 Distribution of carbon storage of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region

3.2 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量及其空間分布

研究表明，2000─2010年間，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量的多年平均值為0.4×108t（以C計(jì)，下同），單位面積碳匯量為86.80 g·m-2·a-1（以C計(jì)，下同）。除治多縣西北部及曲麻萊縣西北部的局部地區(qū)外，三江源地區(qū)范圍內(nèi)絕大部分草地的碳匯量為正值，表明三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)碳匯（圖3）。研究區(qū)單位面積碳匯量呈現(xiàn)出從東向西依次減少的趨勢(shì)。東部同德、澤庫、瑪沁、久治、河南蒙古族自治縣及班瑪?shù)瓤h的碳匯量最大，多在150 g·m-2·a-1以上。中南部地區(qū)的瑪多縣南部、治多縣東南部、雜多縣東部、曲麻萊縣南部、玉樹縣、達(dá)日縣、稱多縣、囊謙縣多在50～100 g·m-2·a-1。廣大西部地區(qū)的單位面積碳匯量普遍較低，多在 50 g·m-2·a-1以下。治多縣西北部及曲麻萊縣西北部的局部地區(qū)表現(xiàn)為碳源。

圖3 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳匯量空間分布圖Fig. 3 Distribution of carbon sink density of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region

3.3 三江源地區(qū)碳儲(chǔ)量變化過程分析

2000年以來，三江源區(qū)總碳儲(chǔ)量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。由于本研究中假定土壤碳儲(chǔ)量沒有變化，總碳儲(chǔ)量的變化與植被NPP年值的變化直接相關(guān)。由圖4可知，碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)，這主要是由于全球氣候變暖背景下，青藏高原地區(qū)增溫明顯，有利于高寒地區(qū)植被生長(zhǎng)，因而植被 NPP增加所致（Wischnewski等，2011）。

從三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的空間分布特征來看（圖5），近10多年來，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)顯著的空間差異性。除治多縣和唐古拉鄉(xiāng)西北部、曲麻萊縣北部外，三江源地區(qū)范圍內(nèi)絕大部分地區(qū)的碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)?？傮w而言，區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量的增加趨勢(shì)由東至西依次遞減。

圖4 2000─2010年三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)Fig. 4 Change trend of total carbon storage of grassland ecosystem in the study area from 2000 to 2010

圖5 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)（SLOPE）空間分布圖Fig. 5 Spatial distribution of SLOPE of carbon storage of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2010

3.4 三江源地區(qū)碳匯變化過程分析

2000年以來，三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，表明該地區(qū)碳吸收量逐步增加，碳匯功能有所增強(qiáng)，側(cè)面反映出區(qū)域內(nèi)的植被狀況有所改善，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所提高（圖6）。

圖6 2000─2010年三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量變化趨勢(shì)Fig. 6 Change trend of total carbon sink of grassland ecosystem in the study area from 2000 to 2010

從三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量變化的空間分布特征來看（圖7），近10多年來，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出一定的空間差異性。總體而言，東部各縣除河南州、澤庫縣東南部及久治縣東部等地區(qū)碳匯量呈下降趨勢(shì)外，其他地區(qū)碳匯量呈增加勢(shì)，廣大中西部地區(qū)變化相對(duì)較小，碳匯量呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。澤庫縣、河南州及久治縣是三江源地區(qū)超載情況較為突出，草地退化形式較為嚴(yán)峻的地區(qū)，研究結(jié)果在一定程度上也反映出超載放牧和草地退化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的負(fù)面影響。

圖7 三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量變化趨勢(shì)（SLOPE）空間分布圖Fig. 7 Spatial distribution of SLOPE of carbon sink of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2010

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

韓道瑞等（2011）對(duì)青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，結(jié)果表明原生草甸和退化草甸碳密度分別為17.10和5.64 kg·m-2；趙娜等（2011）研究發(fā)現(xiàn)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為 18.20 kg·m-2，略高于本研究結(jié)果。就土壤碳密度而言，陶貞等（2006）測(cè)得的青海省海北地區(qū)高寒草甸土壤碳密度為26.9 kg·m-2；方精云等（2010）研究發(fā)現(xiàn)青藏高原草地土壤有機(jī)碳密度為20.9 kg·m-2，高于本研究結(jié)果。研究結(jié)果的差異主要是由于不同學(xué)者所采用的數(shù)據(jù)源、樣本數(shù)量、土壤屬性，以及所采用土壤圖比例尺、土壤深度標(biāo)準(zhǔn)和估算方法等存在不同導(dǎo)致的。就植被碳密度而言，王建林等（2009）研究發(fā)現(xiàn)西藏草地生態(tài)系統(tǒng)植被平均碳密度為230.79 g·m-2，不同植被類型差異較大，其碳密度在39.60～2047.12 g·m-2之間波動(dòng)。與相關(guān)研究結(jié)果相比，本文的研究結(jié)果較低。究其原因，大部分針對(duì)草地植被碳密度的研究均是在對(duì)草地植被生物量進(jìn)行估算的基礎(chǔ)上，用生物量乘以含碳系數(shù)（草地植被取 0.45）得到植被碳密度。本研究采用NPP年值代表植被碳密度，其值低于生物量推演法。目前對(duì)草地植被生物量的估算，主要基于地面采樣數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)擬合推演得到，估算精度與地面采樣的樣本量及樣方的代表性直接相關(guān)。針對(duì)大尺度的研究，利用實(shí)時(shí)發(fā)布的長(zhǎng)時(shí)序的NPP數(shù)據(jù)估算區(qū)域草地植被碳密度及碳儲(chǔ)量，可在短時(shí)間內(nèi)獲取研究區(qū)植被碳儲(chǔ)量格局及動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)的地面采樣方法更為便捷高效，可節(jié)約大量的人力物力成本。

王斌等（2012）利用渦度相關(guān)技術(shù)對(duì)三江源區(qū)未退化高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)凈生態(tài)系統(tǒng) CO2交換量（net ecosystem CO2exchange, NEE）為-120.9 g·m-2·a-1（即單位面積碳匯量為120.9 g·m-2·a-1），表現(xiàn)為碳匯；而退化草甸NEE為11.69 g·m-2·a-1（即單位面積碳匯量為-11.69 g·m-2·a-1），表現(xiàn)為碳源。趙亮等（2002）對(duì)青藏高原矮嵩草草甸、金露梅灌叢草甸和藏嵩草沼澤化草甸等3種植被類型生態(tài)系統(tǒng)CO2通量進(jìn)行了觀測(cè)和分析，結(jié)果表明嵩草草甸和灌叢草甸的單位面積碳匯量分別為 282和 53 g·m-2·a-1，表現(xiàn)為碳匯。總體而言，本研究結(jié)果與相關(guān)研究結(jié)果較為一致。

研究表明，MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)可用于較大尺度上的草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量格局與動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析，較傳統(tǒng)方法更為便捷高效。為進(jìn)一步提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量的估算精度，應(yīng)將MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)與地面調(diào)查數(shù)據(jù)密切結(jié)合，通過一定量的實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)土壤碳密度及生態(tài)系統(tǒng)呼吸反演參數(shù)的本地化，進(jìn)而獲取更精確的區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量估算結(jié)果。

4.2 結(jié)論

本研究利用MODIS NPP數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)及土壤有機(jī)碳密度分布數(shù)據(jù)，對(duì)三江源地區(qū)2000─2010年草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，同時(shí)，基于MODIS GPP數(shù)據(jù)及China FLUX和America FLUX數(shù)據(jù)，建立草地生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算模型，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯量時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳密度為14.94 kg·m-2，土壤和植被碳密度分別為14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2；近10多年來三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯總量的多年平均值0.4×108t，單位面積碳匯量為86.80 g·m-2·a-1，整體表現(xiàn)為碳匯；2000年以來，三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量及總碳匯量均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，碳匯功能有所增強(qiáng)；三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量的空間分布格局及其變化趨勢(shì)的空間分布均呈現(xiàn)明顯的空間差異性。

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Spatial-temporal Change of Carbon Storage and Carbon Sink of Grassland Ecosystem in the Three-River Headwaters Region Based on MODIS GPP/NPP Data

ZHANG Jiping1, LIU Chunlan1*, HAO Haiguang2, SUN Li1, QIAO Qing1, WANG Hui1, NING Yangcui1
1. Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Carbon cycling of terrestrial ecosystem has become the research front and focus of global change and geo-science. Precision evaluation of the carbon storage and carbon sink plays an important role in the assessment of future atmospheric CO2concentration, climate change prediction and its impact on terrestrial ecosystem. Existing studies have mainly focused on the amount estimation of carbon storage and carbon sink of regional ecosystem, but analysis of the change process on time scale and the spatial difference of changing trend is limited. This paper uses MODIS GPP data, together with land use data and soil organic carbon density data to analyze the spatial-temporal change of carbon storage of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2010. Meanwhile, the spatial-temporal change of carbon sink is analyzed using MODIS GPP, China FLUX and America Flux data applied in the modeling of grassland ecosystem respiration to specify the carbon-carrying capacity and its change process of the study area and provide scientific basis for protection and management of regional grassland ecosystem. The results show that: (1) the total carbon storage of grassland ecosystem is 53.38×108t with the average carbon density of 14.94 kg·m-2(measured in C). The carbon storage of soil and vegetation is 53.07×108t and 0.31×108t, respectively, with the average carbon density of 14.85 kg·m-2and 86.77 g·m-2, respectively; (2) during recent 10 years, the total carbon sink of grassland ecosystem is 0.4×108t with the average carbon sink per area of 86.80 g·m-2·a-1(measured in C), which shows that the grassland ecosystem in the study area is a carbon sink; (3) both of the total amount of carbon storage and carbon sink of grassland ecosystem show an increasing trend since 2000; (4) the distribution of carbon storage and carbon sink of grassland ecosystem and their changing trend shows great spatial difference; (5) It is proved that the MODIS GPP/NPP data can be applied to analyze the carbon storage and carbon sink pattern, as well as its changing trend of grassland ecosystem in large scale, which is more efficient and convenient than traditional approach.

MODIS GPP; MODIS NPP; grassland ecosystem; carbon storage; carbon sink; Three-River Headwaters Region

Q14

A

1674-5906（2015）01-0008-06

張繼平，劉春蘭，郝海廣，孫莉，喬青，王輝，寧楊翠. 基于MODIS GPP/NPP數(shù)據(jù)的三江源地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯量時(shí)空變化研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(1): 8-13.

ZHANG Jiping, LIU Chunlan, HAO Haiguang, SUN Li, QIAO Qing, WANG Hui, NING Yangcui. Spatial-temporal Change of Carbon Storage and Carbon Sink of Grassland Ecosystem in the Three-River Headwaters Region Based on MODIS GPP/NPP Data [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 8-13.

環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（20110930）

張繼平（1983年生），女，助理研究員，博士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)遙感。E-mail: jipyzhang407@163.com *通信作者：E-mail: liuchunlan@cee.cn

2014-07-13

DOI : 10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.002