2000—2012年青海湖流域植被固碳释氧价值评估

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  摘  要:植被的固碳释氧功能对维护大气CO2稳定和全球气候平衡具有重要意义。本文基于CASA模型在计算了青海湖流域植被净初级生产力(NPP)的基础上,评估了2000-2012年青海湖流域植被的固碳释氧价值。结果表明,2000年青海湖流域植被的固碳释氧的总价值为3.36×109元,其中,固碳价值为1.10×109元,释氧价值为2.26×109元;2012年其总价值为3.88×109元,其中,固碳价值为1.27×109元,释氧价值为2.61×109元;近13年青海湖流域植被固碳释氧价值增加了5.3×108元。青海湖流域植被固碳释氧价值的空间分布总趋势表现为从东南向西北方向递减,青海湖水体为全流域固碳释氧价值最低的区域,最高值出现在青海湖北部的高山区和南岸青海南山部分地区。
  关键词:植被固碳释氧   价值    青海湖流域
  (1.青海师范大学 生命与地理科学学院,青海 西宁 810008;2.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室,青海 西宁 810008)
  目前全球气候变暖已成为人类面临的最严重的挑战。减排二氧化碳等温室气体已成为全人类应对气候变暖的关键举措。绿色植物通过光合作用吸收空气中的CO2,生成葡萄糖等碳水化合物并释放O2,这种功能对维护大气CO2稳定和全球气候平衡具有重要意义[1-3]。量化植被固碳释氧功能,对提高植被碳汇价值,促进生态环境管理与建设有重要理论和现实意义。
  青海湖是我国最大内陆咸水湖,也是世界七大湿地保护区和国家八大鸟类自然保护区。它是维系青藏高原东北部生态安全的重要水体,是控制西部荒漠化向东蔓延的天然屏障[4]。近几十年来,受气候变化和人为活动的影响,青海湖流域生态环境急剧恶化[4-7],青海湖流域生态质量的下降,不仅严重影响了当地群众的生存发展,而且威胁到青海省乃至西北地区的生态安全。为此,自2000开始国家把青海湖地区作为重点建设工程,在全流域实施了退耕还林还草工程和一系列生态环境保护和建设工程。经过10年多的治理,青海湖流域生态环境整体有所好转,2005年以来青海湖面积进入了增长期,已连续8年呈递增态势。在这种情况下其生态系统功能也有所增强。为此,本文就2000年以来青海湖流域植被固碳释氧价值进行定量评估,以期为青海湖流域生态环境保护工程的生态价值评估和生态环境治理提供理论参考和依据。
  1 材料及方法
  1.1 研究区概况
  青海湖流域位于青海省东北部,地处36°15ˊN-38°20ˊN,97°50ˊE-101°20ˊE,东西长106 km,南北宽63 km,周长约360 km,海拔3194-5174 m,流域面积29646km2。区内是典型的高原大陆性气候,以干旱、寒冷、多风为主要特征。多年平均气温-1.4~1.7℃,降水量253-515mm,蒸发量800~1 000mm[8]。降水主要集中夏季,夏季多年平均降水量为239.30mm,占全年降水量的65%左右[9]。入湖较大的支流有布哈河、沙柳河、哈尔盖河、乌哈阿兰河、黑马河。主要植被类型为高寒草甸、高寒草原、高寒流石坡稀疏植被、沙生植被、盐生草甸、寒漠草原和沼泽草甸等,土壤以草甸土、黑钙土、栗钙土、沼泽土和风沙土等类型为主[10]。
  1.2 数据及研究方法
  (1)数据来源:本文遥感影像数据采用NASA(http://ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)提供的MODIS15A2数据集,并经过大气校正、辐射校正和几何校正等预处理,气象数据采用托勒、野牛沟、祁连、德令哈、刚察、门源、都兰、恰不恰、西宁、兴海、天峻、海晏、湟源和大通14个气象站点的2000-2012年的气候数据。
  (2)青海湖流域植被NPP计算
  运用CASA模型根据植被所吸收的光合有效辐射APAR(x,t)与光能转化率ε(x,t)两个变量来确定植被净第一性生产力(NPP),计算公式如下[11-13]:
  (1)
  式中APAR(x,t)代表像元x在t月吸收的光合有效辐射,ε(x,t)代表像元x在t月实际的光能利用率,模型具體的相关参数计算见文献[11-13]。
  (3)青海湖流域植被固碳释氧价值计算
  根据光合作用方程式可知植物每生产1g干物质需要1.63g CO2,释放 1.20g O2,求算出其固定CO2释放O2物质量。固定 CO2的价值常用造林成本法和碳税法[14],释放O2价值常用造林成本法和工业制氧法[15]。本研究采用中国造林成本250元/t和国际碳税标准瑞典的碳税率150美元/t(C)(汇率为6.15)作为碳税标准,求算此两种方法得到的平均值作为青海湖流域植被的固定CO2价格(586.25元/t),释放O2按造林成本法为352. 93元/t,按工业制氧法为550元/t,求算此两种方法得到的平均值作为植被的释放O2价格(451.47元/t)。
  (2)
  (3)
  式中:VCi为象元i处每年吸收CO2的价值(元),NPPi为象元i处每年生产的有机物质(g C),RC为CO2中碳的含量,为27.27%,PC为固定CO2的价值,VOi为象元i处每年释放O2的价格(元),Po为释放的O2价值。
  2 结果
  2.1青海湖流域植被NPP变化
  青海湖流域植被NPP分布结果显示(图1),2000年其植被NPP总量为 4.21×1012 g C,NPP值主要分布在60 ~240 g C·m2间,占整个流域植被NPP的64%,流域西北部植被NPP明显较低,240-300 g C·m2占12%,NPP大于300 g C·m2的仅占2%。2012年青海湖流域植被NPP总量为 4.88×1012g C, 同退耕前相比,增加了0.66×1012g C,60 ~240 g C·m2间的NPP比例减小为55%,但240-300 g C·m2和大于300 gC·m2的NPP比例分别增加了7%和4%,整个流域植被NPP明显增加。   图 1 2000-2012年青海湖流域植被NPP分布
  Fig. 1 Distribution of vegetation NPP in Qinghai Lake basin from 2000 to 2012
  2.2青海湖流域植被固碳释氧价值变化
  经公式(2)和(3)计算结果表明,2000年青海湖流域植被固碳释氧价值的像元均值为0.11元/m2,总价值为3.36×109元,其中,固碳价值为1.10×109元,释氧价值为2.26×109元;2012年青海湖流域植被固碳释氧价值的像元均值为0.13元/m2,其总价值为3.88×109元,,其中,固碳价值为1.27×109元,释氧价值为2.61×109元。2000-2012年近13年青海湖流域植被固碳释氧价值增加了5.3×108元。青海湖流域植被固碳释氧价值的空间分布表明,青海湖水体为全流域固碳释氧价值最低的区域,除此之外,其价值总趋势为从东南向西北方向递减,总价值最高区出现在青海湖北部的高山区和南岸青海南山部分地区(图2)。从2000年到2012年青海湖流域植被固碳释氧价值呈明显增加趋势,像元均值平均增加了177.72×10-4元/m2。全流域青海湖水体的固碳释氧价值基本保持不变,青海湖环湖区,特别是青海湖南岸和青海湖流域西北部增加明显,青海湖北部山区和南部山地部分地区呈减少趋势,值得注意的是,青海湖北部刚察县境内的山地植被固碳释氧价值几乎呈片减少明显(图2和图3)。
  图 2  2000-2012年青海湖流域植被固碳释氧价值分布
  Fig. 2 Distribution of vegetation carbon fixation and oxygen release values in Qinghai Lake basin from 2000 to 2012
  图 3  2000-2012年青海湖流域植被固碳释氧价值变化趋势
  Fig. 3 Trends of vegetation carbon fixation and oxygen release values in Qinghai Lake basin from 2000 to 2012
  3 討论
  植被作为区域生态系统的主要组成部分,发挥着重要的生态系统功能,吸收CO2和释放O2是其最基础的生态功能,但却对保护地球生态环境具有不可替代的作用。根据本研究的评估结果,青海湖流域2000-2012年近13年里其植被固碳释氧功能在明显提高和改善,其价值增加了5.3×108元,这与近年来青海湖流域人类积极的生态环境保护活动和气候改善有直接关系。自2000年开始,相继在青海湖环湖三州四县进行了退耕还湖(草)工程的试点,并于2002年国家把青海湖地区作为重点建设工程,在全流域实施了退耕还林还草工程。2008年又启动了青海湖流域生态环境保护与综合治理项目,总投资15.67亿元,范围覆盖整个青海湖流域,实施期为10年,分两个阶段实施,前5年为第一阶段,以恢复和建设为主;后5年为第二阶段,以继续建设和巩固建设成果为主。目前这一项目的第一阶段现已完成。2011年由国家专项投资500万元的青海湖湿地治理项目正式启动,为期两年时间对青海湖周边13万亩广阔的沼泽湿地进行有效保护和恢复等等。诸多生态环境保护项目的实施在一定程度上遏制了青海湖流域生态环境的继续恶化,植被生产力明显提高,通过光合作用固定了更多的CO2,释放了更多的O2。另一方面,2000年以来青海湖流域进入增温增湿阶段,气温明显升高,降水明显增加,且高海拔区比低海拔的环湖区降水增加明显;春、夏和秋季降水均在增加[9]。气温和降水的双重组合导致植被物候期延长,生物量增加。陈晓光等的研究结果表明热量条件和春夏季降水是影响青海湖地区植被生长的关键性因素[16]。周国英等也报道青海湖地区芨芨草草原地上生物量的月增长率与月均气温和降雨量呈显著正相关关系[17]。可见,气候的增温增湿也促进了青海湖流域植被向好的方向转变,其净初级生产力增加,光合作用增强,进一步促进了其固碳释氧生态功能的提高。
  青海湖流域植被固碳释氧生态功能价值存在明显的空间分布规律,区域分布差异显著。这主要是因为不同的植被类型其光合作用能力各有不同,因此,其调节CO2 、O2物质量与价值量也差异较大。青海湖流域主要植被类型为高寒草甸、高寒草原、高寒流石坡稀疏植被、沙生植被、盐生草甸、寒漠草原和沼泽草甸等,植被分布表现出明显的规律性变化,草原分布于湖盆及河谷地带 由东而西植被更加适应寒旱趋势;以青海湖为中心,温性草原呈环带状分布,高寒草原分布则与生境寒冷干旱相一致。植被水平地带性分异受青海瑚的影响,表现为草原带、高寒灌丛与高寒草旬带以及高寒流失坡植被带的山地垂直带谱[18]。植被的空间分异造就了不同的植被组合特征,构成了不同的生态系统和土地利用类型,导致其固碳释氧功能也存在明显的空间分布规律性,其价值从东南向西北方向递减,但又受到青海湖的影响而被干扰,表现出一定的垂直分布规律。为此,对不同植被类型所构成的生态系统的固碳释氧功能需要进行进一步的研究和评估,已明确青海湖流域不同植被类型这一生态功能及其主体,从而为进一步的植被保护和恢复提供理论依据。   4 结论
  (1)2000年-2012年青海湖流域植被的固碳释氧总价值3.36×109元~3.88×109元,植被固碳释氧价值的空间分布表明,青海湖水体为全流域固碳释氧价值最低的区域,除此之外,其价值总趋势为从东南向西北方向递减,总价值最高区出现在青海湖北部的高山区和南岸青海南山部分地区。
  (2)2000年~2012年近13年青海湖流域植被固碳释氧呈明显增加趋势,像元均值平均增加了177.72×10-4元/m2,其总价值增加了5.3×108元,其中,固碳价值增加了为1.7×108元,释氧价值增加了3.6×108元。全流域青海湖水体的固碳释氧价值基本保持不变,青海湖环湖区,特别是青海湖南岸和青海湖流域西北部增加明显,青海湖北部山区和南部山地部分地区呈减少趋势。近年来青海湖流域人类积极的生态环境保护活动和气候改善共同促进了青海湖流域植被固碳释氧功能的改善和其价值的增加。
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