張掖黑河濕地近15 a來景觀格局變化及其碳儲量價(jià)值評估

任 敏，王海波

（1.蘭州大學(xué)西北少數(shù)民族研究中心，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境與資源研究院黑河遙感試驗(yàn)研究站，甘肅 蘭州 730000）

引 言

濕地被譽(yù)為“地球之腎”，是地球上單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高［1］、固碳能力最強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)［2］，它是地表重要的土地覆被類型之一，在涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生物多樣性和提供生產(chǎn)、生活資源等方面發(fā)揮重要作用［3］。濕地景觀格局研究是揭示濕地生態(tài)狀況、空間異質(zhì)性特征以及生態(tài)過程的重要手段［4］，分析濕地景觀動態(tài)變化過程有助于揭示濕地景觀變化規(guī)律和機(jī)制及其與自然生態(tài)過程和社會經(jīng)濟(jì)活動之間的相互關(guān)系［5］。

遙感技術(shù)具有快速提取大尺度、長時間序列地表覆蓋的能力［6－7］，是濕地景觀信息獲取的重要手段。受遙感影像資料的精度和時間等條件的限制，濕地研究大多為區(qū)域尺度上的景觀格局動態(tài)分析及其驅(qū)動因素探討［4－5，8］。干旱區(qū)濕地景觀地處我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)的綠洲與荒漠交錯地帶，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，作為內(nèi)陸河流域水源涵養(yǎng)的紐帶，其對于構(gòu)筑區(qū)域生態(tài)安全屏障意義重大。與濕潤區(qū)域的河流、湖泊和海濱濕地相比，內(nèi)陸干旱區(qū)濕地地理位置獨(dú)特，生態(tài)功能顯著，面積相對狹小，獨(dú)立性和稀有性使其景觀彌足珍貴。因此，有必要開展內(nèi)陸干旱區(qū)濕地景觀格局的動態(tài)變化研究。

濕地固碳是其參與全球陸地碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。研究表明，僅占全球陸地面積6%的濕地生態(tài)系統(tǒng)儲存的碳占陸地土壤有機(jī)碳庫的18%～30%［9］，是重要的碳庫之一，對全球碳循環(huán)意義重大［10］。濕地碳計(jì)量是濕地資源保護(hù)和增匯技術(shù)實(shí)施的前提［11］，廣泛應(yīng)用于濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值評估中。盡管濕地碳計(jì)量研究發(fā)展迅速，但也存在一些亟待解決的問題［11］，如不同研究對全球和中國的濕地碳庫估算結(jié)果差異較大，碳儲量分別為 154～550 Pg［9－11］和3.67～12.20 Pg［12－14］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評估方法主要有市場價(jià)值法、邊際機(jī)會成本法、替代法、費(fèi)用支出法和條件價(jià)值法等［15－16］，其中部分方法應(yīng)用于濕地碳儲量的生態(tài)服務(wù)價(jià)值研究［17－20］。但是，關(guān)于濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的量化，國際上尚未形成統(tǒng)一、規(guī)范和完善的評估標(biāo)準(zhǔn)［21］。當(dāng)前，對于我國西北干旱區(qū)內(nèi)流河流域濕地碳儲量及其價(jià)值研究相對較少，且多數(shù)研究只針對一期濕地監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性有限，缺乏濕地生態(tài)價(jià)值的動態(tài)評估。

黑河濕地作為河西走廊的重要生態(tài)屏障，在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)、防風(fēng)固沙，以及維系區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用［22］。由于儲存有豐富的碳儲量，黑河濕地是西北干旱區(qū)碳庫的重要組成部分，對區(qū)域碳循環(huán)與生態(tài)穩(wěn)定意義重大。同時，黑河流域濕地受人類活動影響劇烈，其動態(tài)變化非常顯著，有必要開展?jié)竦靥純α颗c價(jià)值功能的動態(tài)評估。為此，本文以張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)（簡稱“張掖黑河濕地”）為研究區(qū)域，基于4期衛(wèi)星遙感影像和地理國情調(diào)查結(jié)果［23］，對地表濕地進(jìn)行提取、歸并，利用景觀格局指數(shù)分析濕地景觀格局動態(tài)變化。在此基礎(chǔ)上采用文獻(xiàn)計(jì)量法，對保護(hù)區(qū)濕地碳儲量及其價(jià)值功能進(jìn)行動態(tài)評估，以期為該區(qū)域濕地資源開發(fā)利用及碳匯功能評價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)位于我國西北典型干旱內(nèi)陸河流域——黑河流域中游，河西走廊中部，跨甘州、臨澤、高臺 3縣區(qū)，介于 99°17′24″E—100°30′15″E、38°56′39″N—39°52′30″N之間（圖1），總面積411.65 km2。該區(qū)域地形地貌獨(dú)特，生物多樣性突出，由內(nèi)陸山地、荒漠、綠洲構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，濕地包括河流濕地、沼澤濕地、湖泊濕地等天然濕地和水庫、淡水養(yǎng)殖場等人工濕地等類型，典型性和代表性明顯。保護(hù)區(qū)氣候?qū)俚湫偷拇箨懶愿珊禋夂颍?4－25］，日照充足，晝夜溫差大，年日照時數(shù) 2683～3088 h，年平均氣溫為7℃，降水稀少而集中，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年降水量僅129 mm，年蒸發(fā)量為2047 mm。

張掖黑河濕地自然保護(hù)區(qū)成立于20世紀(jì)90年代初。1992年，甘肅省自然保護(hù)區(qū)主管部門首先批準(zhǔn)設(shè)立了“高臺縣黑河流域自然保護(hù)區(qū)”。2004年，甘肅省人民政府批準(zhǔn)功能區(qū)劃，定名為“甘肅高臺黑河濕地省級自然保護(hù)區(qū)”，并于2009年批復(fù)調(diào)整范圍，保護(hù)區(qū)規(guī)劃面積4.12×104hm2，由原來的高臺縣擴(kuò)大到甘州、臨澤、高臺3縣區(qū)，更名為“甘肅張掖黑河濕地省級自然保護(hù)區(qū)”。2011年4月16日，國務(wù)院正式批復(fù)建立“甘肅張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)”，并于2015年12月，被國際濕地公約組織列入國際重要濕地名錄。

圖1 張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)地理位置Fig.1 The geographic location of the Heihe Wetland National Nature Reserve in Zhangye

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

濕地碳儲量計(jì)算所需的土壤碳密度、植被碳密度數(shù)據(jù)主要通過參考文獻(xiàn)［24］中的方法獲得。其中，生物量密度樣方的生物量調(diào)查和土壤樣品的取樣時間是2012年10月，分別在甘州區(qū)、臨澤縣和高臺縣典型濕地選定3個樣帶、8條樣線調(diào)查獲得［24］；植物地上生物量，采用剪草法和割灌法取樣，植物地下生物量采用土鉆法取樣，并用烘干法測量生物量，而土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測試［24－25］。

濕地范圍的確定是濕地碳計(jì)量的重要前提［11］。因此，收集了研究區(qū)2000、2007、2011年7—9月豐水期質(zhì)量較好的Landsat TM／ETM＋影像（表1），以及2014年甘肅省測繪地理信息局的地理國情普查成果［23］，結(jié)合野外實(shí)地考察，利用人機(jī)交互解譯方法，對影像上濕地信息進(jìn)行提取，得到2000、2007、2011和2014年4期保護(hù)區(qū)濕地資源分布信息。為了適應(yīng)濕地碳儲量估算及其價(jià)值評估的需要，在原有的土地國情調(diào)查分類基礎(chǔ)上［23］，對濕地分類系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，歸并部分濕地類型。同時，在濕地分類提取過程中，沿甘州、臨澤、高臺的黑河沿線進(jìn)行濕地資源野外詳細(xì)調(diào)查，共獲取考察樣本點(diǎn)342個，并利用這些采樣數(shù)據(jù)對濕地提取精度進(jìn)行評價(jià)。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)源Tab.1 Datasets of satellite images in study area

2.2 研究方法

2.2.1 濕地景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息、反映結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)［26］，已廣泛應(yīng)用于資源景觀格局研究中［4－5］。本研究基于景觀生態(tài)學(xué)理論，利用景觀格局分析軟件，在充分了解景觀格局指標(biāo)意義基礎(chǔ)上，選用平均斑塊大小、分維數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)［26］等生態(tài)意義較明確的景觀度量指數(shù)，分析濕地景觀格局空間結(jié)構(gòu)特征的演變規(guī)律，了解其結(jié)構(gòu)組成特征、空間配置關(guān)系與時間過程的關(guān)系［27］。其中，平均斑塊大小、斑塊密度等可以反映景觀破碎化程度［5］；斑塊平均形狀指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)、多樣性指數(shù)反映不同景觀類型分布的均勻性和復(fù)雜性程度［27］；優(yōu)勢度指數(shù)用于測度景觀結(jié)構(gòu)組成中某種景觀要素支配景觀的程度，亦即反映某種景觀斑塊類型在景觀中所處的位置或重要性［27］。

2.2.2 碳儲量的計(jì)算

生物量清查法因其直接明確、技術(shù)簡單而被廣泛應(yīng)用于全球或國家尺度碳儲量估算研究［14］。濕地碳儲量主要包括植被碳儲量和土壤碳儲量。植被碳儲量可以根據(jù)實(shí)際樣方調(diào)查和實(shí)驗(yàn)，通過植被生物量與碳儲量之間轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算得到［10］。土壤碳儲量（kg）通過各濕地土壤類型的分布面積和碳密度的乘積累計(jì)得到［21］。其中，土壤碳密度的計(jì)算公式為：

式中：C（kg·m－2）為土壤碳密度；Co（g·kg－1）為有機(jī)碳含量；H（cm）為土壤厚度，本文取40 cm；B（g·cm－3）為土壤容重，根據(jù)文獻(xiàn)［28］，本文土壤容重取 1.17 g·cm－3。

2.2.3 濕地碳儲存價(jià)值的估算

采用碳稅法進(jìn)行濕地碳儲存價(jià)值的估算，是把生態(tài)指標(biāo)換算成經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，從而得出固定碳的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。碳稅法是一種由多國制定、旨在削減溫室氣體排放的稅收制度，即對CO2排放進(jìn)行收費(fèi)來確定損失價(jià)值的方法［16］。根據(jù)全球政策論壇經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organisation for Economic Co－operation and Development，OECD）2018年發(fā)布的報(bào)告中碳稅率價(jià)格［29］，即為 110歐元·t－1，按照當(dāng)前匯率（1歐元＝7.5313人民幣元）計(jì)算，折合人民幣為828.44元·t－1，則碳儲存價(jià)值量的計(jì)算公式為：

式中：Y（元）為碳儲存價(jià)值量；Wi（t）為第 i類濕地植被與土壤的總碳儲量，i為濕地類型；A為碳稅率。

3 結(jié)果與分析

3.1 濕地景觀面積變化

表2是近15 a來張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)濕地景觀面積的變化?？梢钥闯?，2014年保護(hù)區(qū)濕地總面積為16 407.21 hm2，包含河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地等自然濕地類型和水庫、池塘等人工濕地類型。其中，自然濕地面積為14 864.13 hm2，占濕地總面積的90.6%，且以河流濕地和沼澤濕地為主，而人工濕地面積為1543.08 hm2，占總面積的9.4%。自2000年以來，保護(hù)區(qū)濕地總面積呈先減小后緩慢增加的變化趨勢。其中，2000—2007年，濕地面積急劇減小，濕地退化非常嚴(yán)重；2007—2011年，濕地面積繼續(xù)減小，濕地退化速度減緩；2011年以后，濕地面積緩慢增加，濕地生態(tài)環(huán)境有所改善。另外還發(fā)現(xiàn)，不同類型濕地的變化趨勢不盡相同，河流濕地面積呈持續(xù)減少趨勢，而其他類型大多與濕地總面積的變化趨勢一致。

3.2 濕地景觀格局變化特征

從圖2看出，2000—2014年張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)的濕地景觀空間格局變化顯著，表現(xiàn)為濕地景觀的斑塊數(shù)持續(xù)增加，平均斑塊大小逐漸減??；分維數(shù)、平均形狀指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均呈先減后增的變化趨勢，總體呈增加趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)則呈先增后減的變化趨勢。這些變化表明，保護(hù)區(qū)濕地景觀整體向區(qū)域破碎化和復(fù)雜化趨勢演變，人類活動趨勢加劇。濕地景觀平均斑塊大小的減小表示斑塊的破碎程度增加；優(yōu)勢度指數(shù)的減小說明景觀內(nèi)各類型所占比例差異減小，優(yōu)勢度與多樣性的變化趨勢正相反；均勻性表示各景觀類型面積差異大小，均勻度增大表示景觀內(nèi)異質(zhì)性增加；分維數(shù)的增大表明景觀的整體形狀趨于復(fù)雜化，是人類活動影響的強(qiáng)烈表現(xiàn)。

表2 2000年以來張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)濕地面積Tab.2 The wetland areas with different types in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye since 2000 單位：hm2

圖2 2000—2014年張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)景觀格局指數(shù)變化Fig.2 Dynamic changes of landscape pattern indexes in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye from 2000 to 2014

3.3 濕地植被生物量和碳儲量

表3是2000—2014年保護(hù)區(qū)濕地植被的碳密度、總生物量及總碳儲量?？梢钥闯觯?014年保護(hù)區(qū)濕地植被總生物量為3.1935×105t，總碳儲量為1.4051×105t。其中，沼澤濕地植被的總生物量和碳儲量最大，分別為 1.9007×105t和8.363×104t，均約占總量的60%；其次為河流濕地植被，其他濕地類型的植被總生物量、碳儲量相對較少，這與各濕地類型的面積和碳密度息息相關(guān)。通過比較，近15 a來濕地植被總生物量和總碳儲量均呈先減后微弱增加的變化趨勢，與2000年基準(zhǔn)年相比，植被總碳儲量減少 2.845×104t，減少了 16.84%。其中，河流濕地植被碳儲量變化最大，碳儲量減少3.912×104t，變化幅度為－41.49%。

3.4 濕地土壤碳儲量

表4是2000—2014年保護(hù)區(qū)不同濕地類型的土壤碳密度及碳儲量?？梢钥闯觯?014年保護(hù)區(qū)濕地土壤總碳儲量為1.588×105t，其中沼澤濕地的土壤碳儲量最大，為9.259×104t，其次為河流濕地，其他濕地類型土壤碳儲量相對較少，這與濕地類型的面積有關(guān)。另外，近15 a來保護(hù)區(qū)濕地土壤總碳儲量呈先減后微弱增加的變化趨勢，這與植被總碳儲量的變化趨勢一致。

表3 近15 a來張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)濕地植被生物量和碳儲量Tab.3 Biomass and carbon storage of wetland vegetation in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye in recent 15 years

表4 2000—2014年張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)濕地土壤碳儲量Tab.4 Soil carbon storages of wetland in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye during 2000－2014

3.5 濕地總生物量、碳儲量的價(jià)值估算

表5是近15 a來張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)濕地總生物量和總碳儲量及其價(jià)值?？梢钥吹?，2014年保護(hù)區(qū)濕地植被和土壤的總生物量和總碳儲量分別為3.19×105t和2.99×105t，濕地碳儲存價(jià)值約2.48×108元；近15 a來，保護(hù)區(qū)濕地總生物量、碳儲量及價(jià)值的變化與各濕地類型面積的變化規(guī)律非常相似，呈先減少后緩慢增加的變化趨勢，較基準(zhǔn)年總量明顯減少。其中，濕地總生物量減少約6.5×104t，減少幅度為 16.93%，總碳儲量減少約5.9×104t，變化幅度為 16.48%；碳儲存總價(jià)值減少約5.2×107元，減幅為17.33%。

表5 2000—2014年張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)的濕地總生物量、碳儲量及其價(jià)值Tab.5 Total biomass，carbon storage and its value of wetland in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye during 2000－2014

4 討 論

4.1 濕地景觀格局及其碳儲量價(jià)值評估動態(tài)變化成因

濕地景觀格局動態(tài)變化引起濕地碳儲量發(fā)生變化，使得濕地碳儲量價(jià)值也隨之發(fā)生變化。根據(jù)本研究結(jié)果，近15 a來張掖黑河濕地國家級自然保護(hù)區(qū)的濕地面積呈先減少后緩慢增加的變化趨勢，這與流域內(nèi)氣候變化和人類活動密切相關(guān)。近年來，中國西北干旱區(qū)氣溫以“增暖”為主要特征［30］，降雨量呈增加趨勢［31］。氣溫升高引起蒸散量加大，使得保護(hù)區(qū)濕地的水分減少，而降雨量的增加則有利于濕地植被的生長。在2000年之前，受氣候變暖影響，流域內(nèi)表現(xiàn)出草地退化、土地荒漠化日趨加重的趨勢［30］。為遏制黑河下游生態(tài)環(huán)境不斷惡化，2000年開始實(shí)施了黑河流域生態(tài)輸水計(jì)劃［32］，人類活動影響逐漸明顯。張掖濕地自然保護(hù)區(qū)正式建立于2011年，其時間節(jié)點(diǎn)與濕地動態(tài)變化過程存在一定的相關(guān)性。在保護(hù)區(qū)建立之前，由于水資源政策因素影響和不合理的人類活動，導(dǎo)致黑河濕地區(qū)域的可用水量略顯不足，濕地面積逐漸減??；2011年以來，隨著保護(hù)區(qū)的建立，“黑節(jié)工程”等政策的實(shí)施，保護(hù)區(qū)的濕地生態(tài)環(huán)境明顯改善，濕地面積逐漸增大。

4.2 濕地景觀格局動態(tài)及其碳儲量價(jià)值評估的不確定性

通過對保護(hù)區(qū)濕地景觀格局及其碳儲量價(jià)值的動態(tài)評估，可以較好地反映研究區(qū)景觀格局變化及其碳儲量價(jià)值現(xiàn)狀與變化過程，但也存在一些不確定性。首先，碳計(jì)量方法是一種簡單直接的碳儲量計(jì)算方法。傳統(tǒng)的生物量清查法（如樣帶調(diào)查法、生物量收割法和土鉆法等）是一種以點(diǎn)帶面的方法，在大尺度范圍內(nèi)因區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化和景觀空間異質(zhì)性的影響，很難實(shí)現(xiàn)對區(qū)域尺度碳儲量的準(zhǔn)確估算。其次，濕地面積和范圍的準(zhǔn)確確定也是生物量清查方法估算濕地碳儲量的前提和關(guān)鍵因素。此外，受遙感數(shù)據(jù)源的空間分辨率和精度要求的影響，以及不同的濕地分類標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)查方法的差異，濕地面積提取結(jié)果也存在差異。這些因素都會導(dǎo)致碳儲量及其價(jià)值估算的不確定性。本研究關(guān)心的是濕地面積的動態(tài)變化，而Landsat影像30 m的空間分辨率已然滿足濕地分類的精度需求，在相同的分類標(biāo)準(zhǔn)下，新的濕地調(diào)查面積與前期結(jié)果具有一定的可比性，其結(jié)果也與實(shí)際情況比較符合。

5 結(jié) 論

（1）2000—2014年，張掖黑河濕地景觀的空間格局發(fā)生顯著變化，濕地面積呈先減少、后緩慢增加的變化趨勢，濕地景觀的斑塊數(shù)持續(xù)增加，平均斑塊大小逐漸減小，分維數(shù)、平均形狀指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均呈先減后增的變化趨勢，而優(yōu)勢度指數(shù)則呈先增后減的變化趨勢，說明保護(hù)區(qū)濕地景觀整體表現(xiàn)為區(qū)域破碎化和復(fù)雜化趨勢，人類活動干擾加劇。

（2）2014年保護(hù)區(qū)濕地總碳儲量為2.99×105t，其碳儲量價(jià)值為2.48×108元，濕地碳儲量隨濕地面積變化而變化。近年來，隨著濕地保護(hù)工作的開展，保護(hù)區(qū)濕地環(huán)境得到逐漸改善，但相比2000年，保護(hù)區(qū)濕地總面積減少2959.11 hm2，碳儲量減少5.9×104t，碳儲量價(jià)值相應(yīng)減少5.2×107元。