基于MODIS GPP/NPP数据的三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇量时空变化研究

张继平，刘春兰*，郝海广，孙莉，乔青，王辉，宁杨翠

1. 北京市环境保护科学研究院，北京 100037；2. 中国环境科学研究院，北京 100012

基于MODIS GPP/NPP数据的三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇量时空变化研究

张继平1，刘春兰1*，郝海广2，孙莉1，乔青1，王辉1，宁杨翠1

1. 北京市环境保护科学研究院，北京 100037；2. 中国环境科学研究院，北京 100012

陆地生态系统碳循环研究是全球变化与地球科学研究领域的前沿与热点问题，准确地评估陆地生态系统碳储量和碳汇量是估算未来大气 CO2浓度，预测气候变化及其对陆地生态系统影响的关键。已有相关研究多集中于对区域生态系统碳储量和碳汇量的量的估算，而缺乏针对时间尺度上的变化过程的分析，以及对变化特征空间差异性的分析。本研究基于MODIS NPP数据，结合土地利用数据及土壤有机碳密度分布数据，对三江源地区2000─2010年草地生态系统碳储量时空变化特征进行了分析，同时，基于MODIS GPP数据及China FLUX和America FLUX数据，建立草地生态系统呼吸估算模型，对其碳汇量的时空变化特征进行了分析，以期明确该地区的碳储存能力及其变化过程，为该区域草地生态系统保护和管理提供科学依据。研究结果表明：（1）三江源地区草地生态系统总碳储量为53.38×108t，平均碳密度为14.94 kg·m-2（以C计）。土壤和植被碳储量分别为53.07×108t和0.31×108t，平均碳密度分别为14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2。（2）近10多年来，三江源地区草地生态系统多年平均碳汇量为0.4×108t，单位面积平均碳汇量为86.80 g·m-2·a-1（以C计），表明该地区草地生态体统是一个碳汇。（3）2000年以来，三江源地区草地生态系统总碳储量及总碳汇量均呈波动增加趋势，碳汇功能有所增强。（4）三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇量的空间分布格局及其变化趋势的空间分布均呈现明显的空间差异性。（5）MODIS GPP/NPP数据能够支撑较大尺度草地生态系统碳储量及碳汇量格局与变化趋势分析，较传统方法更为便捷高效。

MODIS GPP；MODIS NPP；草地生态系统；碳储量；碳汇量；三江源地区

全球碳循环研究受到人们的普遍关注，成为当前全球变化研究的三大热点之一（于贵瑞，2003）。陆地生态系统的碳循环在调节大气CO2浓度的过程中发挥重要角色，陆地生态系统碳循环规律和机制的研究是全球碳循环研究的关键环节（Dixon等，1994）。准确把握各种陆地生态系统碳储量的大小、分布，并切实评估不同类型植被和土壤的碳储存能力，对合理评价陆地生态系统在全球碳循环中所起的作用具有重要意义（Schimel等，2001）。目前，国内外关于陆地生态系统碳循环的研究进行了大量的实验和观测，这些研究涵盖了包括森林、草地、农田和湿地等不同的植被类型（Buffam等，2011；陈晓鹏和尚占环，2011；崔丽娟等，2012）。草地是世界上最广泛分布的植被类型之一，估算草地生态系统碳素储量是全球草地碳循环研究的重点之一，对系统分析草地植被在全球变化中的生态价值和贡献、研究陆地碳循环机制和全球碳收支平衡都具有重要意义。国内外对草地生态系统碳循环方面的研究大都集中在低海拔地区的温带和热带草原，而对于分布在我国高海拔地区，尤其是青藏高原的高寒草地生态系统碳循环方面的研究仍较为薄弱（岳广阳等，2010）。三江源地区地处青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江三大河流的发源地，也是我国生态环境的极敏感区和气候变化的启动区。以往对该地区草地生态系统的研究主要集中于全球变化对高寒草地的影响及草地生态系统服务功能等方面（Li等，2010；王常顺等，2013），而对高寒草地的碳汇功能较少关注（裴志永等，2003；Pei等，2009；Wang等，2010）。此外，已有研究多集中于对某一地区或某一种植被类型的土壤碳储量或碳通量的研究（Zhu等，2010；Page等，2011），已有相关研究多集中于对碳储量和碳汇量的量的估算，而缺乏针对时间尺度上的变化过程的分析，以及对变化特征空间差异性的分析。本研究利用MODIS GPP/NPP数据，结合土地利用数据及土壤有机碳密度分布数据，对三江源地区 2000─2010年的碳储量及碳汇量的时空变化特征进行分析。以期明确该地区的碳储存能力及其变化过程，为该区域草地生态系统保护和管理提供科学依据。

1 研究区概况

三江源地区位于东经 89°45′～102°23′，北纬31°39′～36°12′之间，行政区域涉及玉树、果洛、海南、黄南4个藏族自治州的16个县和格尔木市的唐古拉乡，总面积36.3万km2（图1）。三江源地区以山地地貌为主，山脉绵延、地势高耸、地形复杂，海拔范围为3335～6564 m。源区气候属青藏高原气候系统，为典型的高原大陆性气候，表现为冷热两季交替、干湿两季分明、年温差小、日温差大、日照时间长、辐射强烈、无四季区分的气候特征。平均气温为-5.6～3.8 ℃，年平均降水量 262.2～772.8 mm，年蒸发量在730～1700 mm之间。日照百分率为50%～65%，年日照时数2300～2900 h。由于海拔高，绝大部分地区空气稀薄、植物生长期短。三江源区植被类型以高寒草甸和高寒草原为主，主要植物种有小嵩草（Kobresia pygmaea）、藏嵩草（Kobresia tibetca）、矮嵩草（Kobresia humilis）、青藏苔草（Carex moorcroftii）、钉柱委陵菜（Potentilla saundersiana）、金露梅（Potentilla fruticosa）、紫花针茅（Stipa purpurea）等。区域内的土壤分布具有明显的垂直地带性规律，以高山草甸土为主，沼泽化草甸土也较普遍，冻土层极为发育（Zhang等，2014）。

图1 三江源地区地理位置图Fig. 1 Location of the Three-River Headwaters Region

2 数据与方法

本研究对三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇的估算主要基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）GPP/NPP数据。美国NASA于1999年发射了具有中分辨率成像光谱仪（MODIS）的TERRA极轨环境卫星，其传送回来的遥感数据已经广泛应用于地表覆盖变化、生物生产力和生态环境监测等领域（Turner等，2006；Rasmus等，2006；Peng等2010）。MODIS对陆地监测产品提供了2000─2010年分辨率为1 km的年GPP与NPP产品（MOD17A3）。该数据首先基于光能利用率模型估算日GPP与NPP值，再进一步推算出年GPP与NPP值。目前该数据已在全球和区域植被生物量估算、碳循环和全球变化等研究中得到验证和广泛应用（国志兴等，2009）。本研究通过对该数据进行投影转换、重采样、数据格式转换、影像裁剪与拼接等预处理，得到研究区MODIS NPP和MODIS GPP年值数据集。

三江源地区碳储量包括植被碳储量及土壤碳储量两部分。植被碳储量为植被生物量与含碳系数的乘积。由于三江源地区的草地植被为一年生草本植物，可将草地植被的年NPP值视为植被碳储量。本研究基于MODIS NPP年值数据，结合 2000、2005、2010年三江源地区土地利用数据，以草地为掩模，对草地生态系统植被碳储量进行分析。土壤碳储量的计算主要根据全国1∶400万土壤（0～100 cm）有机碳密度分布数据（来源于中国科学院地理科学与资源研究所地球系统科学数据共享网），并结合相关文献研究结果（李生军，2010），确定三江源地区草地生态系统土壤有机碳密度的空间分布特征，进而计算土壤碳储量。由于该地区受人类活动的影响较小，土壤理化性质较为稳定，相关研究表明，近 30多年来青藏高原区域内的高寒草地土壤有机碳库没有显著变化（Yang等，2009），因此，本研究在分析碳储量变化过程时，假定 2000─2010年土壤碳储量保持不变。

三江源地区草地生态系统碳汇量为总初级生产力Gross Primary Productivity（GPP）与生态系统呼吸（Reco）之差。值为正，表示碳吸收量大于碳排放量，为碳汇区；值为负，表示碳吸收量小于碳排放量，为碳源区。在区域尺度上，生态系统呼吸与光合生产力相关。本研究根据 China FLUX和America FLUX的数据，分析草地Reco与GPP及气温的相关性，建立草地生态系统呼吸估算模型：

式中，Ta为年均温。本研究基于三江源及其周边共47个气象站点2000─2010年的年均温数据，采用Kringing空间插值法得到研究区各年度年均温空间栅格数据（高彦华，2010）。

为分析研究区草地生态系统碳储量及碳汇量近 10年来变化趋势的空间分布特征，采用一元回归趋势分析法，以时间t为自变量，对年均碳储量及年均碳汇与年份进行回归分析，得到一元线性回归方程。通过计算方程的斜率 SLOPE可以分析其变化趋势，SLOPE<0表示碳储量及碳汇量呈减小趋势，SLOPE>0表示碳储量及碳汇量呈增加趋势，SLOPE的计算公式如下：

式（2）中，SLOPE是一元线性方程的回归斜率，CSi为第i年的碳储量及碳汇量，n为监测时间段的累积年数，i取值从1到n（Zhang等，2014）。

3 研究结果

3.1 三江源地区草地生态系统碳储量及其空间分布

本研究在对 2000─2010年各年度草地生态系统碳储量进行估算的基础上，计算碳储量多年平均值，进而分析草地生态系统碳储量特征。研究表明，三江源地区草地生态系统总碳储量为 53.38×108t（以C计，下同），平均碳密度为14.94 kg·m-2（以C计，下同），其中，土壤和植被碳储量分别为53.07×108t和0.31×108t，平均碳密度分别为14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2。土壤碳储量远大于植被碳储量。由于研究区位于青藏高原腹地，年均温较低、土壤有机质分解速率缓慢，有机质逐年积累，因而土壤碳密度较高（田玉强等，2008）。

从碳储量的空间分布来看（图 2），三江源东部地区和中部地区草地生态系统碳储量较高，西北部地区及玛多县碳储量较低，最高值出现在3条大河发源地的沼泽化草甸湿地分布区。碳储量的分布主要受土壤碳储量分布的影响，土壤碳储量与土壤类型密切相关。东部及中部绝大部分地区分布有高山草甸土，西北部地区及玛多县多分布高山草原土及寒漠土，河流发源地多分布泥炭沼泽土，3种土壤类型的土壤有机碳密度不同，导致土壤碳储量空间分布的差异性。

图2 三江源地区草地生态系统碳储量空间分布图Fig. 2 Distribution of carbon storage of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region

3.2 三江源地区草地生态系统碳汇量及其空间分布

研究表明，2000─2010年间，三江源地区草地生态系统碳汇总量的多年平均值为0.4×108t（以C计，下同），单位面积碳汇量为86.80 g·m-2·a-1（以C计，下同）。除治多县西北部及曲麻莱县西北部的局部地区外，三江源地区范围内绝大部分草地的碳汇量为正值，表明三江源地区草地生态系统是一个碳汇（图3）。研究区单位面积碳汇量呈现出从东向西依次减少的趋势。东部同德、泽库、玛沁、久治、河南蒙古族自治县及班玛等县的碳汇量最大，多在150 g·m-2·a-1以上。中南部地区的玛多县南部、治多县东南部、杂多县东部、曲麻莱县南部、玉树县、达日县、称多县、囊谦县多在50～100 g·m-2·a-1。广大西部地区的单位面积碳汇量普遍较低，多在 50 g·m-2·a-1以下。治多县西北部及曲麻莱县西北部的局部地区表现为碳源。

图3 三江源地区草地生态系统单位面积碳汇量空间分布图Fig. 3 Distribution of carbon sink density of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region

3.3 三江源地区碳储量变化过程分析

2000年以来，三江源区总碳储量呈波动增加趋势。由于本研究中假定土壤碳储量没有变化，总碳储量的变化与植被NPP年值的变化直接相关。由图4可知，碳储量呈增加趋势，这主要是由于全球气候变暖背景下，青藏高原地区增温明显，有利于高寒地区植被生长，因而植被 NPP增加所致（Wischnewski等，2011）。

从三江源地区草地生态系统碳储量变化的空间分布特征来看（图5），近10多年来，三江源地区草地生态系统碳储量的变化趋势呈现显著的空间差异性。除治多县和唐古拉乡西北部、曲麻莱县北部外，三江源地区范围内绝大部分地区的碳储量呈增加趋势。总体而言，区域内碳储量的增加趋势由东至西依次递减。

图4 2000─2010年三江源地区草地生态系统碳储量变化趋势Fig. 4 Change trend of total carbon storage of grassland ecosystem in the study area from 2000 to 2010

图5 三江源地区草地生态系统碳储量变化趋势（SLOPE）空间分布图Fig. 5 Spatial distribution of SLOPE of carbon storage of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2010

3.4 三江源地区碳汇变化过程分析

2000年以来，三江源区草地生态系统碳汇总量呈波动增加趋势，表明该地区碳吸收量逐步增加，碳汇功能有所增强，侧面反映出区域内的植被状况有所改善，生态环境质量有所提高（图6）。

图6 2000─2010年三江源地区草地生态系统碳汇总量变化趋势Fig. 6 Change trend of total carbon sink of grassland ecosystem in the study area from 2000 to 2010

从三江源地区草地生态系统碳汇量变化的空间分布特征来看（图7），近10多年来，三江源地区草地生态系统碳汇量的变化趋势也呈现出一定的空间差异性。总体而言，东部各县除河南州、泽库县东南部及久治县东部等地区碳汇量呈下降趋势外，其他地区碳汇量呈增加势，广大中西部地区变化相对较小，碳汇量呈稳定态势。泽库县、河南州及久治县是三江源地区超载情况较为突出，草地退化形式较为严峻的地区，研究结果在一定程度上也反映出超载放牧和草地退化对草地生态系统碳汇功能的负面影响。

图7 三江源地区草地生态系统碳汇量变化趋势（SLOPE）空间分布图Fig. 7 Spatial distribution of SLOPE of carbon sink of grassland ecosystem in the Three-River Headwaters Region from 2000 to 2010

4 讨论与结论

4.1 讨论

韩道瑞等（2011）对青藏高原高寒草甸生态系统碳储量进行了估算，结果表明原生草甸和退化草甸碳密度分别为17.10和5.64 kg·m-2；赵娜等（2011）研究发现高寒草甸生态系统平均碳密度为 18.20 kg·m-2，略高于本研究结果。就土壤碳密度而言，陶贞等（2006）测得的青海省海北地区高寒草甸土壤碳密度为26.9 kg·m-2；方精云等（2010）研究发现青藏高原草地土壤有机碳密度为20.9 kg·m-2，高于本研究结果。研究结果的差异主要是由于不同学者所采用的数据源、样本数量、土壤属性，以及所采用土壤图比例尺、土壤深度标准和估算方法等存在不同导致的。就植被碳密度而言，王建林等（2009）研究发现西藏草地生态系统植被平均碳密度为230.79 g·m-2，不同植被类型差异较大，其碳密度在39.60～2047.12 g·m-2之间波动。与相关研究结果相比，本文的研究结果较低。究其原因，大部分针对草地植被碳密度的研究均是在对草地植被生物量进行估算的基础上，用生物量乘以含碳系数（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。目前对草地植被生物量的估算，主要基于地面采样数据和遥感数据拟合推演得到，估算精度与地面采样的样本量及样方的代表性直接相关。针对大尺度的研究，利用实时发布的长时序的NPP数据估算区域草地植被碳密度及碳储量，可在短时间内获取研究区植被碳储量格局及动态变化数据，比传统的地面采样方法更为便捷高效，可节约大量的人力物力成本。

王斌等（2012）利用涡度相关技术对三江源区未退化高寒草甸生态系统净生态系统 CO2交换量（net ecosystem CO2exchange, NEE）为-120.9 g·m-2·a-1（即单位面积碳汇量为120.9 g·m-2·a-1），表现为碳汇；而退化草甸NEE为11.69 g·m-2·a-1（即单位面积碳汇量为-11.69 g·m-2·a-1），表现为碳源。赵亮等（2002）对青藏高原矮嵩草草甸、金露梅灌丛草甸和藏嵩草沼泽化草甸等3种植被类型生态系统CO2通量进行了观测和分析，结果表明嵩草草甸和灌丛草甸的单位面积碳汇量分别为 282和 53 g·m-2·a-1，表现为碳汇。总体而言，本研究结果与相关研究结果较为一致。

研究表明，MODIS GPP/NPP数据可用于较大尺度上的草地生态系统碳储量及碳汇量格局与动态变化趋势分析，较传统方法更为便捷高效。为进一步提高生态系统碳储量及碳汇量的估算精度，应将MODIS GPP/NPP数据与地面调查数据密切结合，通过一定量的实地监测数据，实现土壤碳密度及生态系统呼吸反演参数的本地化，进而获取更精确的区域草地生态系统碳储量及碳汇量估算结果。

4.2 结论

本研究利用MODIS NPP数据，结合土地利用数据及土壤有机碳密度分布数据，对三江源地区2000─2010年草地生态系统碳储量时空变化特征进行了分析，同时，基于MODIS GPP数据及China FLUX和America FLUX数据，建立草地生态系统呼吸估算模型，对草地生态系统碳汇量时空变化特征进行了分析。研究结果表明：三江源地区草地生态系统碳密度为14.94 kg·m-2，土壤和植被碳密度分别为14.85 kg·m-2和86.77 g·m-2；近10多年来三江源地区草地生态系统碳汇总量的多年平均值0.4×108t，单位面积碳汇量为86.80 g·m-2·a-1，整体表现为碳汇；2000年以来，三江源地区草地生态系统总碳储量及总碳汇量均呈波动增加趋势，碳汇功能有所增强；三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇量的空间分布格局及其变化趋势的空间分布均呈现明显的空间差异性。

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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

张继平，刘春兰，郝海广，孙莉，乔青，王辉，宁杨翠. 基于MODIS GPP/NPP数据的三江源地区草地生态系统碳储量及碳汇量时空变化研究[J]. 生态环境学报, 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.

环保公益性行业科研专项（20110930）

张继平（1983年生），女，助理研究员，博士，研究方向为生态遥感。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