气候变化背景下我国陆地生态系统固碳增汇分区研究

陈福军，郭 英，李 倩

(1.河北省唐山市曹妃甸区国土资源局，河北唐山 063200；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)



气候变化背景下我国陆地生态系统固碳增汇分区研究

陈福军1，2，郭 英2*，李 倩1

(1.河北省唐山市曹妃甸区国土资源局，河北唐山 063200；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄 050021)

[目的]使我国生态系统尽可能地适应全球性的气候变化。[方法]对陆地植被固碳增汇的区域差异管理进行分区，运用归一化植被指数(NDVI)对气候变化的响应关系，对我国陆地生态系统固碳增汇分区进行研究。[结果]将我国陆地生态系统划分为3个主动适应气候变化固碳增汇区域。Ⅰ气候暖湿化驱动型区，包括华北、华南及西北等大部分区域；Ⅱ气候暖干化驱动型区，主要分布于东北大小兴安岭、长白山等亚寒带地区、青藏高原高寒区域大部、天山、祁连山及横断山脉等高海拔地区；Ⅲ气候冷湿化驱动型区，主要分布于内蒙古东部及北部沙漠化严重地区、长江流域下游水稻主产区及西藏林芝热带半湿润地区。[结论]以县级行政界线为基本划分单元的气候变化背景下我国陆地生态系统固碳增汇分区，可为生态系统区域差异管理提供参考。

气候变化；固碳增汇；NDVI；气候因子；分区

2013年9月联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第五次全球气候变化评估报告显示，2003—2012年全球海陆表面平均气温比1850—1900年上升了0.78 ℃[1]，气候变化已成为世界各国高度关注的全球性问题。根据不同区域的气候变化类型，以及与之对应的自然界响应关系来制订具体的适应性措施，是人类社会在全球气候变化大环境下寻求可持续发展的重要途径。归一化植被指数(NDVI)是监测大尺度生态系统植被的常用指标之一，与植被吸收的光合有效辐射、生物固碳量呈线性关系[2]。朴世龙等[3]利用AVHRR/NDVI数据分析了1982—1999年我国植被覆盖动态变化；宋怡等[4]于2008年对我国寒区、旱区NDVI与气候因子变化间的相互关系进行了研究，结果表明我国寒区、旱区植被变化与降水、气温呈正相关关系。然而，结合气候变化类型对我国全域陆地生态系统固碳增汇区域划分却鲜见报道。笔者利用1981—2010年我国气温和降水的变化趋势及生态系统植被与之对应的响应关系，定量识别植被与气候的相互作用机制，结合我国地形特点，以县级行政单元区划为基本划分单元，研究气候变化背景下我国陆地生态系统固碳增汇分区，旨在为生态系统区域差异管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源 采用1981～2006年8 km分辨率的逐旬AVHRR/NDVI数据[5]，使用最大值合成法(MVC)求出逐月最大NDVI。2007～2010年遥感数据采用MODIS/NDVI产品[6]，AVHRR/NDVI数据持续至2006年，与MODIS卫星数据在时间上有6个重合年份，运用2001—2006年AVHRR/NDVI数据和MODIS/NDVI数据，从2种数据分别选取相同时间和相同地点的NDVI数值对多组，应用线性回归方法对该数据组进行回归，利用回归方程对2007—2010年MODIS/NDVI数据进行校正。

气象数据基于1981～2010年我国境内及周边637个站点的气象资料[7]，运用Arcmap软件克里金插值方法进行月均温、月降水量的空间插值，得到分辨率8 km气象要素的空间栅格数据。

地形数据来源于美国地质勘探局(USGS)提供的Global 30 Arc-Second Elevation(GTOPO30)高程数据集，数据集的空间分辨率重采样为8 km 分辨率。

1.2 计算方法 为计算分析NDVI对气温和降水的响应关系，逐像元计算我国陆地生态系统近30年间NDVI年累积值与标准化的年降水、年均温栅格数据的相关系数，并对计算结果进行显著性检验，当相关系数通过显著性水平(P<0.05)时，表示NDVI与气候因子(气温或降水)变化呈显著线性相关关系。计算公式为：

按照以上计算结果，若某区域植被NDVI与年均温变化呈显著正相关，与年降水变化呈显著正相关，则该区域为Ⅰ 气候暖湿化驱动型区；若某区域植被NDVI与年均温变化呈显著正相关，与年降水变化呈显著负相关，则该区域为Ⅱ 气候暖干化驱动型区；若某区域植被NDVI与年均温变化呈显著负相关，与年降水变化呈显著正相关，则该区域为Ⅲ气候冷湿化驱动型区。

1.3 分区原则及方法 区域划分主要遵循以下原则：①行政单元完整原则。保持县级行政单元界线的完整，在分区时沿县级行政单元的边界线划定分区界线。②主导因素原则。在分区时以植被对气候变化响应显著为主导因素，若某个行政单元中有几种显著响应类型，以面积占优者为准进行划定。③空间分布连续性原则。在分区过程中要根据分区空间范围的大小进行适当的取舍，以保持分区结果的完整性。④大尺度地形单元一致性原则。我国纬度跨度较大、地貌阶梯格局复杂， 使得不同地域植被类型响应气候变化的规律受大尺度地形单元的影响，因此在分区中将大尺度地形相对一致的县级单元划分在一个气候变化区内。

根据上述分区原则，采用遥感数据提取感兴趣区域(ROI)方法，对我国生态系统植被NDVI与气候因子显著响应区域进行提取，再采用GIS空间叠置方法，将上述提取的ROI区域与我国县级行政单元矢量数据以及大范围地形(高程与地貌单元)进行叠加，综合分析确定我国陆地生态系统固碳增汇分区。

2 结果与分析

2.1 植被NDVI对气候因子响应的区域分异 从图1可见，年均气温升高对植被(NDVI)生长不利的地区包括内蒙古东部及北部沙漠化严重地区(呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、浑沙达克沙地和巴丹吉林沙漠等)、长江流域下游水稻主产区及西藏林芝热带半湿润地区，其余大部分区域年均气温升高对生态系统植被生长有利。年降水量升高对植被(NDVI)生长不利的地区包括我国东北大小兴安岭、长白山等亚寒带地区、青藏高原高寒区域大部、天山、祁连山及横断山脉等高海拔地区，其余我国大部分区域年降水量升高对生态系统植被生长有利。

注：a为植被NDVI对年均气温的响应；b为植被NDVI对年降水量的响应。Note：a response of vegetation NDVI to annual average temperature；b response of vegetation NDVI to annual precipitation.图1 植被NDVI 对气候因子响应的区域分异Fig.1 Response of vegetation NDVI to climatic factors in different regions

图2 1981—2010年我国陆地生态系统固碳增汇分区Fig.2 Carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem during 1981-2010

2.2 我国陆地生态系统固碳增汇分区及分布特征 根据陆地生态系统植被长势情况(以NDVI为标识因子)对气候变化的响应关系，将我国陆地划分为3个主动适应气候变化固碳增汇区域：Ⅰ 气候暖湿化驱动型区、Ⅱ 气候暖干化驱动型区、Ⅲ气候冷湿化驱动型区(图2)。其中，Ⅱ 气候暖干化驱动型区主要分布于我国东北大小兴安岭、长白山等亚寒带地区、青藏高原高寒区域大部、天山、祁连山及横断山脉等高海拔地区，该区域若年均气温升高、年降水量减少对陆地生态系统植被生长有利，相反则对植被生长不利；Ⅲ 气候冷湿化驱动型区主要分布于内蒙古东部及北部沙漠化严重地区、长江流域下游水稻主产区及西藏林芝热带半湿润地区，该区域若年均气温降低、年降水量增多对陆地生态系统植被生长有利，相反则对植被生长不利；其余大部分区域均属于Ⅰ 气候暖湿化驱动型区，该区域年均气温升高，同时年降水量增多对陆地生态系统植被生长有利，相反则对植被生长不利。

3 结论与讨论

(1)该研究依托的空间数据有植被NDVI数据、年均气温数据和年降水量数据，其中NDVI数据来自2种不同渠道，运用线性回归方法对2007～2010年MODIS/NDVI数据进行校正，可以避免数据在时间尺度上的突变。气象数据依据我国境内及周边637个站点的气象资料进行空间插值取得，因我国气象站点东西部分布不均、坐落地形或与城市距离不同、插值方法不同等，空间插值结果可能存在误差，今后应选定一批具有代表性、分布均匀的气象站作为参考站，对插值结果进行验证[8]。

(2)固碳增汇分区选取县级行政区为基本单元，目的是尽量详实细致地对不同类型的区域进行分类，同时也考虑到目前县级区域是我国行政管理的基本单元。而实际分类过程中，我国西部省份有些县域面积较大，或某些县域包括了几种不同植被NDVI对气候变化的响应类型。这种情况只能按照主导因素原则将面积较大的类型作为该县域固碳增汇的基础类型进行划分。

(3)该研究应用植被NDVI对气候变化的响应关系，将我国陆地划分为3个主动适应气候变化固碳增汇区域：Ⅰ气候暖湿化驱动型区，包括除Ⅱ、Ⅲ类型以外我国大部分区域；Ⅱ气候暖干化驱动型区，主要分布于我国东北大小兴安岭、长白山等亚寒带地区、青藏高原高寒区域大部、天山、祁连山及横断山脉等高海拔地区；Ⅲ气候冷湿化驱动型区，主要分布于内蒙古东部及北部沙漠化严重地区、长江流域下游水稻主产区及西藏林芝热带半湿润地区。

(4)以上我国陆地生态系统固碳增汇分区是依托1981—2010年气候变化背景下植被长势情况计算得到，为了在该研究成果的基础上主动适应气候变化，提高生态系统植被固碳增汇能力，今后需要结合我国气候变化的基本区域分异，优化生态系统的人为管理。

[1] IPCC.Climate change 2013：The physical science basis[M]//Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change.cambridge：Cambridge University Press，2013.

[2] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京：科学出版社，2004.

[3] 朴世龙，方精云.最近18年来中国植被覆盖的动态变化[J].第四纪研究，2001，21(4)：294—302.

[4] 宋怡，马明国.基于GIMMS AVHRR/NDVI数据的中国寒旱区植被动态及其与气候因子的关系[J].遥感学报，2008，12(3)：500-505.

[5] TUCKER C J，PINZON J E，BROWN M E.Global inventory modeling and mapping studies，NA94apr15b.n11-VIg，2.0[M].Maryland：Global Land Cover Facility University of Maryland，College Park，2004.

[6] Land Processes Distributed Active Archive Center.ASTER Level 1B Registered Radiance at the Sensor.Version 3.NASA EOSDIS Land Processes DAAC，USGS Earth Resources Observation and Science(EROS)Center，Sioux Falls，South Dakota(https：//lpdaac.usgs.gov)，accessed January 1，2015，at http：//dx.doi.org/10.5067/ASTER/AST_L1B.003.

[7] MENNE M J，DURRE I，VOSE R S，et al.An overview of the global historical climatology network-daily database[J]. Journal of atmospheric and oceanic technology，2012，29(7)：897-910.

[8] 任国玉，张爱英，初子莹，等.我国地面气温参考站点遴选的依据、原则和方法[J].气象科技，2010，38(1)：78-85.

Study on Carbon Sequestration Increase Zoning of China Terrestrial Ecosystem under Climate Change

CHEN Fu-jun1,2, GUO Ying2*, LI Qian1

(1. Tangshan Caofeidian Land Resources Bureau, Tangshan, Hebei 063200; 2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050021)

[Objective] The aim was to provide theoretical basis for the ecological system in China to adapt to global climate change as much as possible. [Method] The response of vegetation NDVI to climate change was applied to study on carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem. [Result] The terrestrial ecosystem in China was divided into three regions: Ⅰ warm and humid climate driven type region, including most areas of China, as North China, South China and the northwest of China, Ⅱ warm and dry climate driven type region, mainly distributed in Daxing’an and Xiaoxing’an Mountains, Changbai Mountain in the subarctic region of Northeast China, high altitude areas, as Qinghai Tibet Plateau alpine region, Tianshan Mountains, Qilian Mountains and Hengduan Mountains, Ⅲ cold and humid climate driven region, mainly distributed in the eastern part and the northern desert region of Inner Mongolia, the main produce areas of rice in the lower reaches of the Yangtze River and the tropical semi humid regions of Linzhi, Tibet. [Conclusion] Carbon sequestration increase zoning of China terrestrial ecosystem under climate change with county administrative boundaries as the basic unit can provide reference for regional difference management of ecosystem.

Climate change; Carbon sequestration; NDVI; Climatic factor; Zoning

陈福军(1983- )，男，河北唐山人，工程师， 硕士，从事气候变化与生态系统碳循环研究。*通讯作者，助理研究员，博士，从事生态水文模型与遥感研究。

2016-08-29

S 181；P 966.7

A

0517-6611(2016)31-0064-03