基于3S技术的石家庄市土壤碳汇时空变化研究

刘 征，王晓蕊，冯晓淼，张夏坤

（石家庄学院 资源与环境科学学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

20世纪60年代，碳汇研究由国际科学联合会发起，国际生物学计划标志着全球碳循环研究的开端，目前全球土壤有机碳总库存量报道较多，有关城市土壤地球化学循环的研究仍处于起步阶段[1].国外大部分研究证明城市区域土壤有机碳大于郊区[2，3]，我国对杭州等旅游城市碳汇研究[4-6]的结果表明，城市土壤的平均有机碳储量远高于远郊区土壤，各城市功能区有机碳储量不同，不同土地利用的有机碳储量变化不相同[5].不同地块碳汇不断变化，城市土地覆被变化导致约25%的碳库损失[7].然而，也有少量研究提出了不同的观点，认为城区土壤有机碳储量低于郊区，这可能是由于细根生物量的显著减少和土壤有机碳分解增加[8].有机碳含量的高低具有不确定性，其影响因素较多，目前，关于城市有机碳储量单一时相的研究报道较多，基于多时相的土壤有机碳的研究较少.

采用遥感过程模型法估算碳汇较为流行，包括两种方法：一是通过光能利用模型和土壤基础呼吸模型建立土壤碳通量生态机理遥感模型，估算区域碳储量[9-11]；二是通过构建光谱指数建立土壤碳通量遥感反演模型，估算区域碳储量[12].以上两种方法均较为繁琐，而利用朱文泉教授计算植被净初级生产力（NPP）插件进行计算则更加方便快捷.本研究利用此插件，首先计算NPP，进一步利用土壤基础呼吸模型建立土壤碳通量生态机理遥感模型，对石家庄市的土壤碳汇进行估算，并分析其时空演变格局及其影响因子，为石家庄市的生态环境治理与保护提供理论依据与科学指导.

1 研究区概况

河北省省会石家庄是河北省的政治、经济、科技等中心，是国务院批复确定的京津冀地区重要的中心城市，距离首都北京283 km[13].石家庄市跨太行山地和华北平原两大地貌单元，西部地区处于太行山中部，东部为滹沱河冲积平原，地势东南低西北高.石家庄市属于典型的温带季风气候，四季寒暑分明，雨量集中于夏秋季节.石家庄市干湿季明显，夏冬季长，春秋季短.石家庄市辖区内河流分属海河流域、大清河水系和子牙河水系.目前，石家庄市划分为7个行政区（图1）.

图1 石家庄市区行政区划图

2 数据源与数据处理

2.1 MODIS归一化植被指数（NDVI）数据

来源于LAADS DAAC https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov网站所提供的16日合成数据，空间分辨率为1 km的MOD13A2数据，时间为2009年与2019年，共计批量下载遥感影像数据184幅，行列号为h26v05与h27v05数据.

2.2 气象数据

源于中国气象科学数据共享服务http://data.cma.cn/site/index.html，运用ArcGIS进行重投影与克里金插值[14]，得到石家庄市的气象数据.

2.3 植被类型数据

来源于寒区旱区科学数据中心中的中国地区土地覆盖综合数据集下载的数据.

3 石家庄市土壤碳汇计算

3.1 植被NPP计算

利用NPP插件求取石家庄市2009年与2019年的植被NPP值，CASA模型是一个基于过程的遥感模型，模型中的NPP主要由植被所吸收的光合有效辐射（APAR）与光能转化率两个变量来确定.利用朱文泉教授的NPP计算插件得到石家庄市2009年与2019年的植被NPP最终结果[15].

3.2 土壤碳汇计算

土壤碳汇可以表示为NPP与土壤微生物呼吸量（RH）碳排放之间的差值，即净生态系统生产力（NEP），其表达式[16]为：

3.2.1RH计算

借鉴裴志永等[17]研究碳排放与环境因子关系建立的回归方程：

式中：T代表气温，R代表降水.

3.2.2RH时空分布

对计算出的2009年和2019年逐月RH和平均RH分别在Excel中进行绘制，并进行对比分析，结果如图2～图5所示.

图2 石家庄市2009年与2019年月平均RH变化

通过图2可以清楚地看出6～8月RH整体较高，都大于30 gC·m-2·a-1，7月都高于40 gC·m-2·a-1，而1～2月、11～12月整体偏低.整体来看，RH年内呈先增长后下降趋势，此趋势与研究区气候相关：石家庄市属于温带季风气候，夏季高温多雨，6～8月气温与降水均较高，RH的影响因素中气温与降水是两个重要因子，气温、降水的增加与下降影响着RH的增加与下降，二者呈正相关关系.

通过计算，石家庄市2009年与2019年各月RH平均值如图3所示，通过图3可以清晰得出石家庄市的RH月变化平缓，石家庄市2009年与2019年RH年际变化较为平缓，说明RH较稳定.

图3 石家庄市2009年与2019年逐月RH变化

由图4和图5可见RH与气温、降水的相关性，5～9月气温、降水均较高，RH也呈现出较高趋势，RH随着气温、降水的增加而增加，气温降水高的月份RH也较高.

图4 石家庄市2009年气温、降水和RH趋势图

图5 石家庄市2019年气温、降水和RH趋势图

3.2.3 NEP时空分布

通过运用公式（1）计算石家庄市2009年与2019年的NPP与RH，得到石家庄市2009年与2019年逐月平均NEP及其空间分布.

从时间变化上（图6）看，2009～2019年石家庄市NEP从1月到12月呈正态分布，这种分布与季节变化有关；NEP随着气温和降水的增加而增加（图7和图8），将2009年和2019年逐月NEP进行比较，十年间每月都明显下降.2009年石家庄市NEP平均为48.45 gC·m-2·a-1，此时石家庄市植被面积大，植物凋落物源源不断地补充碳，同时微生物作用也可固碳，因此土壤是碳汇；2019年石家庄市NEP平均为-0.48 gC·m-2·a-1，下降趋势明显，此时土壤是碳源，植物凋落物补充的碳小于土壤呼吸作用向大气排放的CO2、CH4.十年间，石家庄市NEP由碳汇到碳中和转为碳源，一方面是植被面积减少，另一方面是由于城市环境卫生管控逐渐加强，植物凋落物被集中清理，无法存留于土壤表面而转化为土壤碳，使土壤碳汇功能逐渐减弱.

图6 石家庄市2009年与2019年逐月NEP结果

图7 石家庄市2009年气温、降水和NEP趋势图

图8 石家庄市2019年气温、降水和NEP趋势图

从空间变化上（图9～图12）看，石家庄市逐月NEP与平均NEP都呈现从外围向中心逐渐递减的态势，越靠近中心城区，NEP越小.石家庄市中心城区为裕华区、新华区等市区，经济水平高，植被覆盖率低，多为城市绿化的植被，NEP较低；石家庄市外围则为经济水平较低的栾城、藁城等城区，种有农田等植被，NEP较高.这种分布趋势说明NEP和石家庄市土地利用性质有关，绿地、农用地区域NEP高，建设用地、裸地NEP低.

从时空变化上（图11和图12）看，石家庄市西南部的鹿泉区NEP变化最大，主要是由于2009年鹿泉城市化建设水平低，大多为农田和森林等植被，随着城市化水平的提升及经济的快速发展，鹿泉区在2019年由农业为主逐渐转变为工业发展，加之旅游开发，大量土地由农田和林区转变为建筑用地[14，18]，植被覆盖率大大降低，因此造成了鹿泉区的NEP大幅度下降.

图11 石家庄市2009年NEP空间分布图

图12 石家庄市2019年NEP空间分布图

正是由于经济发展、城市化建设的提高，造成了石家庄市的植被覆盖率大大降低，2009年植被覆盖率本来就低的中心市区更是随着城市规模的发展和用地建设的转变[13，18]，植被覆盖率进一步降低，造成中心市区的NEP也快速下降.

通过比较图9和图10可以看出，NEP量随着气温、降水的增加而增加，其中7～9月最高，由于这3个月气温高、降水较多，NPP较高，相应的NEP量也较高.

图9 石家庄市2009年NEP逐月空间分布图

图10 石家庄市2019年NEP逐月空间分布图

石家庄市鹿泉区抱犊寨海拔较高，导致NEP较低，这与贠银娟等[19]研究NEP含量与海拔关系中的结论相一致.

4 影响因子分析

利用CASA模型，将NPP与RH作为基础计算得到石家庄市NEP，进一步分析NEP与气温、降水、人类活动和NDVI的关系.

4.1 气温对NEP的影响

石家庄市为温带季风气候，夏季高温，冬季寒冷，植被生长受气温的影响较大.夏季温度高，太阳辐射量大，植被生长快速，因此植被覆盖率高，2009年1月的平均NEP为10.07 C·m-2·a-1，而7月的平均NEP为91.54 gC·m-2·a-1，数值远高于1月数据.徐丽梅等[20]的研究认为，地处华北地区的太行山与燕山山脉地区随着海拔的升高，气温不断下降，随之NPP下降明显，这与本研究中气温对NEP影响的研究结果相符合.

4.2 降水对NEP的影响

石家庄市夏季降水量较大，冬季降水量较少，通过图9和图10可以看出石家庄市NEP与降水呈正相关趋势，7、8月降水量较多，石家庄市的NEP也处于较高值，降水量越多植被覆盖率越高，土壤的RH和NEP也越高.

4.3 人类活动对NEP的影响

石家庄市裕华区、新华区等市区NEP较低，藁城区、栾城区等地NEP较高.因为市区植被覆盖率低，造成NEP含量较低.随着城市化建设进程[13，18]，农业用地逐渐转变为非农业用地，植被覆盖率逐渐降低；城市环境卫生管控逐渐加强，植物凋落物被集中清理，无法转化为土壤碳而缓慢排放，也使得2019年NEP低于2009年.

4.4 NDVI对NEP的影响

NDVI直接反映植被生长状态，植被生长状态越好，NDVI数值越大，二者呈正相关趋势.石家庄市主要植被类型为温带落叶阔叶林，夏季植被生长旺盛，光合作用强于呼吸作用，冬季落叶，主要为呼吸作用，NDVI也随之变化.

5 结论

通过运用CASA模型结合Modis NDVI数据得到石家庄市NEP空间分布图，并通过研究分析得出以下结论：

1）空间格局：2009～2019年，石家庄市年NEP呈现自中心市区至四周增加趋势，石家庄市中心地区NEP数值较低，藁城区和栾城区NEP数值较高.

2）年际变化：2009年石家庄市NEP平均为48.45 gC·m-2·a-1，2019年低于-0.48 gC·m-2·a-1，年际变化明显.这主要是由于随着经济发展、城市化建设水平的提高，石家庄市的植被覆盖率大大降低，同时，城市环境卫生管控造成植物凋落物无法转化为土壤碳而缓慢排放，因此2009年到2019年NEP大幅度降低，土壤由碳汇转为碳源.

3）季节变化：石家庄市NEP变化中6至9月数值高，12月至次年3月数值小，主要是因为石家庄市属于温带季风气候，夏季温度高降水多，冬季温度低降水少，植被生长呈季节性变化，因此，石家庄市NEP与气温和降水密切相关.

4）影响因子：石家庄市西南部鹿泉区十年间经济发展迅速，土地利用变化明显，NEP变化较其他区变化明显.NEP随着海拔的增高而降低，鹿泉抱犊寨海拔高于石家庄市其他区，因此，NEP也较石家庄市其他地区低.