西北干旱区净初级生产力的模拟与优化研究——以酒泉市为例

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随着科技和生产力的发展,人类活动对生态系统的影响逐渐增强,出现了全球变暖等环境问题。为应对气候变化问题,多个国家签署了《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》和《巴黎协定》,我国宣布力争在2030年前二氧化碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和。“增汇”作为实现双碳目标的重要举措,目前主要是通过提高植被覆盖水平来增强生态系统的自然固碳能力。净初级生产力(NPP)是衡量陆地生态系统植被固碳能力的重要指标,开展NPP时空分布与变化特征研究、辨析不同因素对NPP变化的影响以及预测NPP发展趋势,对于评价区域生态基底、研判区域生态潜力以及支撑决策的科学制定具有重要意义。西北干旱区是我国重要的生态功能区,陆地生态系统极度脆弱,受到破坏后恢复困难,影响其固碳能力和区域的碳平衡。以往研究多探讨NPP的空间分布,对NPP影响因素及优化预测研究较少。本文以酒泉市为研究区,使用基于光能利用率的模型(CASA)计算出酒泉市2000—2019年NPP值,分析了其分布特征与时空变化趋势。其次基于Thornthwaite Memorial模型和残差法计算了酒泉市潜在净初级生产力(PNPP)和人为因素对NPP的影响(HNPP),定量比较了气候和人为因素在不同区域对NPP的相对影响大小。最后基于土地利用变化特征分析和模拟预测,计算了不同情景下2030年酒泉市的NPP总量和经济效益,对西北干旱区提高碳汇潜力具有一定参考价值。本文主要得出以下结论:1.酒泉市净初级生产力分布特征及变化趋势:酒泉市NPP平均值较低,整体特征为中部高、南北部低。2000—2019年NPP高值区域面积明显增大,不同类型土地NPP差异较大且随时间波动变化,不同季节NPP分布差异明显。多数区域NPP呈缓慢升高趋势,其中南部区域增加显著,北部存在下降趋势,区域分布不均衡且差别较大。2.气候和人为因素对酒泉市NPP的相对影响评价:所有区域PNPP均保持正向增长,高值区主要分布在南部祁连山区,低值区主要分布在西部荒漠区,气温升高和降水增多对植被恢复有利。人类活动对NPP的消极影响较为普遍,但多数地区消极影响的程度在逐渐减弱。在NPP增加区,南部主要受气候变化的影响,中部主要受人为因素的影响。在NPP减小区,主要影响因素是人为因素。3.酒泉市土地利用类型时空演变特征与NPP优化模拟:2000—2018年酒泉市生态恢复区和生态退化区错杂分布,敦煌市、阿克塞哈萨克族自治县和肃北县部分地区生态得到恢复。各县区建设用地增加,农田开发水平提高。林地、草地等面积在2000—2018年间先降低再升高,耕地面积和建设用地面积呈增加趋势,增速分别由快变慢和由慢变快。使用灰色多目标优化和斑块生成土地利用模拟(GMOP-PLUS)模型预测自然发展情景、NPP最大情景和NPP-经济平衡情景下2030年酒泉市的NPP总量与经济效益,NPP-经济平衡情景下可实现综合效益最优,酒泉市在保护原有林地、草地等面积不减少、符合生态要求的情况下,可考虑在不同地区将部分未利用地转化为耕地或建设用地。
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