萬(wàn)華偉,李灝欣,高吉喜,*,孫晨曦,李廣宇,高彥華,厲 青

1 生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094

2 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010000

3 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094

自18世紀(jì)60年代人類進(jìn)行工業(yè)革命以來(lái),人類對(duì)自然資源需求不斷增加,人類社會(huì)在發(fā)展的過(guò)程中同時(shí)也對(duì)自然環(huán)境造成了難以逆轉(zhuǎn)的傷害[1—3],在當(dāng)前諸多環(huán)境問(wèn)題當(dāng)中,氣候變暖是全球十大環(huán)境問(wèn)題之首[4—6]。人們焚燒化石燃料(如石油,煤炭等)或木材時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體,這些溫室氣體對(duì)來(lái)自太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光具有高度透過(guò)性,而對(duì)地球發(fā)射出來(lái)的長(zhǎng)波輻射具有高度吸收性,進(jìn)而產(chǎn)生所謂的“溫室效應(yīng)”[7—8],如果不對(duì)溫室氣體排放進(jìn)行管控,全球氣候系統(tǒng)將進(jìn)一步變暖,進(jìn)入“熱室地球”這一不穩(wěn)定狀態(tài),加劇全球自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)所面臨的氣候風(fēng)險(xiǎn)[9—11]。針對(duì)這一全球性問(wèn)題,世界各國(guó)以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體,從而遏制溫室效應(yīng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。2020年9月22日,習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo),為我國(guó)下一階段的能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展指明了方向,也展現(xiàn)了中國(guó)踐行《巴黎協(xié)定》氣候行動(dòng)承諾的決心。

“碳中和”是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量,然后通過(guò)植樹(shù)造林、節(jié)能減排等形式,抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量,實(shí)現(xiàn)二氧化碳“零排放”的過(guò)程[12—13]。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)是指植物通過(guò)光合作用吸收大氣當(dāng)中的CO2,經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)的生理生化過(guò)程所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì),它是植物光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分。NPP是碳循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要表現(xiàn)形式,同時(shí)也是表征植被固碳能力最直接最顯著的參量[14—17]。基于植被的光合作用對(duì)大氣中的CO2進(jìn)行捕捉是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的主要手段[18—20],因此,對(duì)植被的固碳能力及其固碳能力提升潛力進(jìn)行精確、定量的描述具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前,已有諸多學(xué)者對(duì)植被的固碳能力進(jìn)行深入研究。如劉軍會(huì)等根據(jù)我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀以及固碳相關(guān)的最新研究結(jié)果和政府文件,以森林、草地生態(tài)系統(tǒng)作為主要研究對(duì)象,采用GIS空間疊置方法,明確的界定了我國(guó)典型陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳重點(diǎn)區(qū)域[21]。李奇等利用全國(guó)第七次、和第八次森林資源清查數(shù)據(jù),采用IPCC法對(duì)中國(guó)森林中人工林的碳儲(chǔ)量和碳密度進(jìn)行分析,并分析得出在未來(lái)人工林中幼齡林和中齡林具有更高的碳匯能力[22]。Tang等基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)模型LPJ-GUESS估算了新英格蘭的潛在森林植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和生物量, 并與其他氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,成功的揭示了森林植被凈初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)歷史氣候變化的敏感性響應(yīng)[23]。Chen等基于植被固碳能力建立了碳足跡壓力指數(shù),對(duì)全球范圍內(nèi)的60個(gè)樣本國(guó)家在2000—2015年間的碳足跡壓力進(jìn)行了分析,并探明了影響各國(guó)碳足跡壓力的驅(qū)動(dòng)力因素[24]。這些研究從不同角度,基于當(dāng)前權(quán)威統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)或成熟的理論模型對(duì)植被固碳能力現(xiàn)狀進(jìn)行綜合全面的評(píng)估,為不同生態(tài)系統(tǒng)類型的固碳能力研究提供了重要參考和借鑒。然而,以上大多數(shù)研究重心通常聚焦在當(dāng)前現(xiàn)狀的植被固碳能力的強(qiáng)弱,而對(duì)于當(dāng)下植被固碳能力提升潛力大小的研究相對(duì)較少,實(shí)際上,植被固碳能力的提升潛力同樣是區(qū)域綜合固碳能力評(píng)估的重要組成部分,該指標(biāo)決定了區(qū)域固碳量容積的大小以及飽和程度,可為實(shí)現(xiàn)“碳中和”提供定量化的參考依據(jù)。此外,我國(guó)于2016年規(guī)劃的生態(tài)功能區(qū)作為國(guó)家的生態(tài)安全屏障,承擔(dān)著水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性維護(hù)等重要生態(tài)功能,而植被固碳作為生物圈碳循環(huán)的重要一環(huán),不僅能夠影響生態(tài)功能區(qū)的氣候條件[25—26],而且也能在一定程度上反映植被的功能性狀,但這一因素卻并未作為生態(tài)功能區(qū)的劃定依據(jù)考慮進(jìn)來(lái)。綜上,本文圍繞植被的固碳能力提升潛力進(jìn)行了相關(guān)研究,并將得出的結(jié)果與我國(guó)的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行疊加分析,以期能為今后生態(tài)功能區(qū)劃分的政策制定起到一定啟示作用。

本文通過(guò)NPP水平來(lái)表征植被固碳能力的強(qiáng)弱,分別從植被自身角度以及氣候變化的角度出發(fā),基于1982—2017年的全球陸表特征參量-植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(GLASS NPP)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和目前較為成熟且應(yīng)用最為廣泛的Miami模型構(gòu)建全國(guó)NPP最優(yōu)值以及全國(guó)NPP潛在值,通過(guò)與2017年全國(guó)NPP年際累積值進(jìn)行差值計(jì)算構(gòu)建得到兩套全國(guó)范圍的植被固碳能力提升潛力空間分布結(jié)果,并對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行了空間特征分析以及差異性比較,最后將兩套植被固碳能力提升潛力結(jié)果與我國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行疊加分析,探究?jī)烧咴诳臻g分布上的相關(guān)關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文中NPP數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為1982—2017年,采用當(dāng)前較為前沿的GLASS系列地表植被參數(shù)產(chǎn)品,空間分辨率為5km。該套數(shù)據(jù)集目前總共包含三套數(shù)據(jù),分別是基于MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建的空間分辨率為500m(時(shí)間跨度2000—2018年)和空間分辨率為0.05°(時(shí)間跨度2000—2018年)的全球NPP產(chǎn)品,以及基于甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)數(shù)據(jù)構(gòu)建的空間分辨率為5km(時(shí)間跨度1982—2018年)的全球NPP產(chǎn)品,時(shí)間分辨率均為8天合成(每套數(shù)據(jù)也提供了年際合成數(shù)據(jù))。產(chǎn)品模型在計(jì)算過(guò)程中充分考慮了大氣輻射傳輸影響以及地表蒸散發(fā)作用,數(shù)據(jù)受環(huán)境誤差的影響較小,同時(shí),在時(shí)間連續(xù)性以及空間連續(xù)性方面GLASS NPP產(chǎn)品較其他產(chǎn)品也有明顯優(yōu)勢(shì)[27—29]。數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)為HDF格式,通過(guò)程序批量處理將1982—2017年間所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TIF格式,統(tǒng)一裁剪拼接后轉(zhuǎn)換在WGS 1984坐標(biāo)系下。

地表溫度數(shù)據(jù)以及降水?dāng)?shù)據(jù)采用TerraClimate數(shù)據(jù)產(chǎn)品,該數(shù)據(jù)集提供了1958—2018年全球范圍內(nèi)的陸地表面月氣候以及降水?dāng)?shù)據(jù),空間分辨率為1/24°(約4km)。TerraClimate使用氣候輔助插值,結(jié)合來(lái)自WorldClim數(shù)據(jù)集的高空間分辨率氣候正態(tài)線,以及來(lái)自其他來(lái)源的粗分辨率時(shí)變數(shù)據(jù)(即月數(shù)據(jù)),生成包含降水量、最高和最低溫度、風(fēng)速、水汽壓和太陽(yáng)輻射值的月尺度數(shù)據(jù)集。通過(guò)與地面站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證,該數(shù)據(jù)集產(chǎn)品精度較高,相較于其他粗分辨率的格網(wǎng)數(shù)據(jù),TerraClimate氣候數(shù)據(jù)集在總體平均絕對(duì)誤差和空間真實(shí)感方面有顯著改善[30]。TerraClimate數(shù)據(jù)集提供TIF格式數(shù)據(jù),通過(guò)程序?qū)?017年度的地表溫度以及降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)一裁剪拼接后轉(zhuǎn)換在WGS 1984坐標(biāo)系下,并通過(guò)均值法得到2017年的年均地表溫度數(shù)據(jù)以及降水?dāng)?shù)據(jù)。

基于國(guó)家層面劃定的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)是指生態(tài)系統(tǒng)十分重要,關(guān)系全國(guó)或較大范圍區(qū)域的生態(tài)安全,目前生態(tài)系統(tǒng)有所退化,需要在國(guó)土空間開(kāi)發(fā)中限制進(jìn)行大規(guī)模高強(qiáng)度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開(kāi)發(fā),以保持并提高生態(tài)產(chǎn)品供給能力的區(qū)域[31—32]。我國(guó)劃定的全國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)包括大小興安嶺森林生態(tài)功能區(qū)等25個(gè)地區(qū),占全國(guó)陸地國(guó)土面積的51.9%,分為水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙、生物多樣性維護(hù)四種生態(tài)功能類型。

本文土地覆蓋分類數(shù)據(jù)采用由“中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所”構(gòu)建的2018年全國(guó)30m分辨率土地覆蓋分類產(chǎn)品,該產(chǎn)品以Landsat-TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)解譯數(shù)據(jù),通過(guò)人機(jī)交互目視判讀的方式構(gòu)建。通過(guò)與實(shí)地采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,平均遙感解譯精度達(dá)到88.95%。本文中土地覆蓋分類數(shù)據(jù)主要用于對(duì)城鎮(zhèn)地表進(jìn)行掩膜。

本文所涉及到的基本數(shù)據(jù)信息如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)源基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 固碳能力提升潛力計(jì)算

本文主要采用兩種方法對(duì)全國(guó)固碳能力提升潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,并將預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

(1)基于遙感觀測(cè)為最大潛力值的方法得到全國(guó)固碳能力提升潛力

如前文所述,植被凈初級(jí)生產(chǎn)力與地表固碳能力關(guān)系緊密,是植被固碳水平最直觀的體現(xiàn)。本文以1982—2017年的GLASS NPP數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)最大值合成法將36年間對(duì)應(yīng)的每一期NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值合成,再將合成后的數(shù)據(jù)集進(jìn)行累加計(jì)算,得到的結(jié)果作為在過(guò)去36年在氣候條件和人類活動(dòng)條件限制下所能達(dá)到的NPP最優(yōu)值空間分布結(jié)果,將該結(jié)果與2017年NPP年際累加值結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算,所得結(jié)果表示的即為當(dāng)前全國(guó)NPP提升空間的大小,以此進(jìn)一步表征全國(guó)當(dāng)前的植被固碳能力提升潛力。

具體計(jì)算方式如下：

PCSNPP=NPPmax-NPP2017

(1)

式中,NPPmax表示36年來(lái)全國(guó)每期NPP最大值合成累加結(jié)果,即NPP最優(yōu)值；NPP2017表示2017年度NPP累積值;PCSNPP表示基于遙感觀測(cè)的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算得到的植被固碳能力提升潛力,即植被凈初級(jí)生產(chǎn)力提升空間。

(2)基于氣候模型模擬為最大潛力值的方法得到全國(guó)固碳能力提升潛力

Miami模型是當(dāng)前國(guó)際上發(fā)展比較成熟且應(yīng)用最為廣泛的氣候生產(chǎn)潛力模型之一,該模型是 Lieth 根據(jù)世界各地植物生長(zhǎng)狀況及其生物量與年平均溫度、年降水量之間的關(guān)系,基于最小二乘法建立模型計(jì)算得到的[33—35]。Miami模型能夠反應(yīng)自然狀態(tài)下水熱單因子對(duì)潛在植被生產(chǎn)潛力的影響,從植物自身的生理生態(tài)角度出發(fā),具有數(shù)據(jù)獲取便捷,參數(shù)簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。Miami模型估算潛在NPP及植被固碳能力提升潛力的計(jì)算方法如下：

(2)

PCSmiami=PNPP-NPP2017

(3)

式中,PNPP表示NPP潛在值,t表示年均溫度(℃),r表示年均降水量(mm),PCSmiami表示基于Miami模型計(jì)算得到的植被固碳能力提升潛力。

1.2.2 固碳潛力空間特征分析方法

本文基于Getis-Ord Gi*熱點(diǎn)分析模型以及Moran′ s I空間自相關(guān)分析模型,分別對(duì)上文兩種方法所得到的全國(guó)固碳能力提升潛力的空間分布特征進(jìn)行分析。

Getis-Ord Gi*模型可對(duì)研究要素的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行空間劃分。該模型通過(guò)計(jì)算具有明顯空間統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z得分以及顯著性水平P值,來(lái)表征統(tǒng)計(jì)特征量的高值區(qū)域或低值區(qū)域在空間上發(fā)生聚類的位置[36]。其工作原理為：查看鄰近要素環(huán)境中的每一個(gè)要素,當(dāng)要素自身具有高值,且被其他同樣具有高值的要素所包圍時(shí),該要素及其相鄰要素的局部總和將與所有要素的總和進(jìn)行比較,當(dāng)局部總和與所有要素的總和有很大差異,以至于無(wú)法成為隨機(jī)產(chǎn)生的結(jié)果時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z得分,并劃分出差異產(chǎn)生的范圍,即熱點(diǎn)(冷點(diǎn))。

Moran′ s I空間自相關(guān)模型表征的含義是各要素在空間上的聚集或者離散是否會(huì)影響到自身的某種屬性,是對(duì)來(lái)源于不同對(duì)象的同一個(gè)屬性在空間上的分析。全局空間自相關(guān)要同時(shí)根據(jù)要素位置和要素值來(lái)度量空間自相關(guān)程度,在給定一組要素及相關(guān)屬性的情況下,評(píng)估研究要素所表達(dá)的模式是聚類模式、離散模式還是隨機(jī)模式,通過(guò)計(jì)算Moran′ s I指數(shù)值來(lái)表征聚類或離散程度,并進(jìn)一步計(jì)算Z得分和P值來(lái)對(duì)該指數(shù)的顯著性進(jìn)行評(píng)估[37—38]。 進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析共得到五個(gè)返回參數(shù),五個(gè)參數(shù)表征的意義為：

Moran′ s I指數(shù)：表征要素的空間分布屬性,如果Moran′sI指數(shù)值為正則表示要素呈聚類趨勢(shì),值越高則要素之間正相關(guān)程度越大(高值與高值發(fā)生聚類,低值與低值發(fā)生聚類)；如果Moran′ s I指數(shù)值為負(fù)則表示要素呈離散趨勢(shì),值越小則要素之間負(fù)相關(guān)程度越大(值越高越傾向與低值發(fā)生聚類,反之亦然)；如果Moran′ s I指數(shù)值為0則表示要素的空間分布呈隨機(jī)性,無(wú)聚類或離散特征?？臻g自相關(guān)的 Moran′ s I 統(tǒng)計(jì)可表示為：

(4)

式中,zi是要素i的屬性與其平均值(xi-X)的偏差,ωi,j是要素i和j之間的空間權(quán)重,n等于要素總數(shù),S0是所用空間權(quán)重的聚合：

(5)

預(yù)期指數(shù)：作為預(yù)期值,用于和Moran′sI指數(shù)對(duì)比。

(6)

式中,E(I)表示期望指數(shù),n表示所有數(shù)值的個(gè)數(shù)。

方差：用于評(píng)價(jià)Z得分及P值。

(7)

Z得分：表示標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),Z得分越高,則要素發(fā)生集聚或離散的程度越大。統(tǒng)計(jì)的Z得分按以下形式計(jì)算：

(8)

式中,E[I]=-1/(n-1),V[I]=E[I2]-E[I]2。

P值：表示所觀測(cè)到的空間模式是由某一隨機(jī)過(guò)程創(chuàng)建而成的概率,是根據(jù)已知分布的曲線得出的面積近似值(受檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量限制)。P值越小,則生成數(shù)據(jù)的隨機(jī)性越小,研究對(duì)象越具有研究?jī)r(jià)值。

1.2.3 固碳潛力與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空間關(guān)系分析方法

基于Getis-Ord Gi*模型分別得出兩種固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)(冷點(diǎn))空間分布結(jié)果后,以95%置信區(qū)間作為判定標(biāo)準(zhǔn),分別提取出兩種方法計(jì)算獲得的全國(guó)固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)區(qū)域與冷點(diǎn)區(qū)域,并與我國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)進(jìn)行空間疊加分析,統(tǒng)計(jì)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)相重合的熱點(diǎn)、冷點(diǎn)區(qū)域面積以及占比情況,以此分析我國(guó)固碳能力提升潛力與全國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)劃的空間分布關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 全國(guó)植被固碳能力提升潛力空間分布

通過(guò)1.2.1章節(jié)所述兩種方法,分別計(jì)算出的2017年全國(guó)植被固碳能力提升潛力的空間分布結(jié)果,如圖1、圖2所示。圖1為基于遙感觀測(cè)為最大潛力值計(jì)算出的全國(guó)植被固碳能力提升潛力(PCSNPP),從圖1中可以看出,植被固碳能力提升潛力整體上東南地區(qū)普遍高于西北地區(qū)。高值區(qū)主要分布在四川省、貴州省、海南省、重慶市以及西藏自治區(qū)東部和內(nèi)蒙古自治區(qū)的東北部；低值區(qū)主要分布在青海省、甘肅省、西藏自治區(qū)中西部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部以及新疆自治區(qū)的中部和南部；由于本研究對(duì)城區(qū)進(jìn)行了掩膜處理,因此在部分城市化程度較高的省份(直轄市)會(huì)有部分為空值,空值面積較大的區(qū)域主要分布在山東省、河北省、河南省、江蘇省以及北京市和天津市。基于氣候模型模擬為最大潛力值得出的全國(guó)植被固碳能力提升潛力(PCSmiami)如圖2所示,其整體分布趨勢(shì)可分為高值、中值、低值三個(gè)區(qū)間段,且各區(qū)間段分化較為顯著。高值區(qū)主要分布在南方的十三個(gè)省份(海南省、廣東省、廣西省、云南省、貴州省、湖南省、江西省、福建省、浙江省、安徽省、湖北省、重慶市、四川省東部)且空間分布趨勢(shì)高度集中；中值區(qū)主要分布在東北地區(qū)的黑龍江省、吉林省、遼寧省以及中東部的陜西省、山西省、湖南省和山東??；低值區(qū)主要分布在西北地區(qū)的西藏自治區(qū)、新疆自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海省、甘肅省、以及四川省西部；空值區(qū)與前種方法一致。

圖1 基于遙感觀測(cè)為最大潛力值的2017年全國(guó)植被固碳能力提升潛力

圖2 基于氣候模型模擬為最大潛力值的2017年全國(guó)植被固碳能力提升潛力

2.2 全國(guó)固碳能力提升潛力空間集散特征及熱點(diǎn)分析

分別對(duì)兩種方法所得到的全國(guó)植被固碳能力提升潛力結(jié)果在全國(guó)市級(jí)行政區(qū)劃層面進(jìn)行空間自相關(guān)分析,以探究植被固碳能力提升潛力在空間關(guān)系上的聚合和離散特征。從分析結(jié)果來(lái)看(表2),各項(xiàng)結(jié)果的解釋如下：兩種方法中數(shù)據(jù)的隨機(jī)程度檢測(cè)結(jié)果均小于0.01,相應(yīng)的P值均為0,表示各要素?cái)?shù)據(jù)是隨機(jī)生成的概率極小,通過(guò)了隨機(jī)性檢驗(yàn),數(shù)據(jù)集具有研究意義；Z得分分別為23.039和28.034,遠(yuǎn)大于聚合特征判別值1.65,因此全國(guó)植被固碳能力提升潛力在空間分布上呈現(xiàn)出高度聚合的特征；Moran′sI指數(shù)分別為0.773與0.945,說(shuō)明全國(guó)范圍內(nèi)各市級(jí)行政區(qū)之間具有明顯的空間正相關(guān)性,即全國(guó)植被固碳能力提升潛力整體呈現(xiàn)“高高聚集”或“低低聚集”。

表2 全局自相關(guān)分析結(jié)果

通過(guò)以上全局空間自相關(guān)分析可以看出,在空間分布特征方面,基于兩種方法得出的我國(guó)植被固碳能力提升潛力在市級(jí)行政區(qū)劃層面均存在高度的空間自相關(guān)現(xiàn)象,且整體表現(xiàn)為空間集聚模式,為了進(jìn)一步探究這類集聚特征所發(fā)生的位置,以及我國(guó)固碳能力提升潛力空間分布的熱點(diǎn)與冷點(diǎn)區(qū)域,對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行Getis-Ord Gi*熱點(diǎn)分析。

基于兩種方法得到的全國(guó)植被固碳能力提升潛力熱點(diǎn)分析結(jié)果分別如圖3、4所示。從結(jié)果可以看出,兩種方法計(jì)算得出的固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)(冷點(diǎn))區(qū)域分布差異較為明顯。以大于95%置信區(qū)間作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),基于PCSNPP得到的植被固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在四川省的成都市、眉山市、樂(lè)山市及其周邊的16個(gè)市區(qū)；江蘇省的泰州市、常州市以及浙江省的湖州市及其周邊的14個(gè)市區(qū)；廣東省廣州市、中山市及其周邊的6個(gè)市區(qū)。冷點(diǎn)區(qū)域所占面積較大,主要分布在新疆自治區(qū)的阿克蘇地區(qū)、和田地區(qū)、哈密地區(qū)；西藏自治區(qū)的阿里地區(qū)、那曲地區(qū)；內(nèi)蒙古自治區(qū)的阿拉善盟、包頭市、鄂爾多斯市及其周邊；青海省的海西蒙古族藏族自治州以及甘肅省境的酒泉市、張掖市、武威市及其周邊地區(qū)?；赑CSmiami得到的植被固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在江西省的宜春市、撫州市、吉安市；廣東省的清遠(yuǎn)市、佛山市、江門市；廣西省的貴港市、桂林市。冷點(diǎn)區(qū)分布面積較大,幾乎涵蓋了我國(guó)東北、西北以及中西部的全部地區(qū)。

圖3 基于遙感觀測(cè)為最大潛力值的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)(冷點(diǎn))分布圖

圖4 基于氣候模型模擬為最大潛力值的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)(冷點(diǎn))分布圖

2.3 固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空間關(guān)系分析

兩種方法計(jì)算得出的植被固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域空間分布與我國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的空間分布關(guān)系分別如圖5、圖6所示。從圖中可以看出,基于PCSNPP的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)重疊面積較大的區(qū)域主要分布在重慶市東部；四川省北部的阿壩藏族羌族自治州、綿陽(yáng)市、雅安市以及中部的涼山彝族自治州、樂(lè)山市；云南省的麗江市、迪慶藏族自治州以及怒江傈僳族自治州。與PCSNPP方法熱點(diǎn)區(qū)相交的生態(tài)功能區(qū)主要屬于川滇森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)、若爾蓋草原濕地生態(tài)功能區(qū)、甘南黃河重要水源補(bǔ)給生態(tài)功能區(qū)以及秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū),這些功能區(qū)所對(duì)應(yīng)的主要生態(tài)功能為生物多樣性維護(hù)和水源涵養(yǎng)?；赑CSmiami的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)與生態(tài)功能區(qū)發(fā)生重疊的區(qū)域較上種方法空間位置變化較大,且空間分布較為零散,最大的兩個(gè)重疊區(qū)域主要分布在以廣東、湖南、江西三省交界處為中心的韶關(guān)市、郴州市、贛州市及其周邊市區(qū),以及廣西壯族自治區(qū)的北部和湖南省南部的五個(gè)市區(qū)(邵陽(yáng)市、婁底市、懷化市、柳州市、河池市)及其周邊。與PCSmiami方法熱點(diǎn)區(qū)相交的生態(tài)功能區(qū)主要屬于秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)、武陵山區(qū)生物多樣性與水土保持生態(tài)功能區(qū)、南嶺山地森林及生物多樣性生態(tài)功能區(qū)、桂黔滇喀斯特石漠化防治生態(tài)功能區(qū)以及海南島中部山區(qū)熱帶雨林生態(tài)功能區(qū),以上功能區(qū)的主要生態(tài)功能為生物多樣性維護(hù)、水源涵養(yǎng)以及水土保持。

圖5 基于遙感觀測(cè)為最大潛力值的固碳能力提升潛力與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空間分布

圖6 基于氣候模型模擬為最大潛力值的固碳能力提升潛力與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)空間分布

統(tǒng)計(jì)計(jì)算兩種方法得出的熱點(diǎn)區(qū)域與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的重疊面積。基于PCSNPP的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)相交的面積為2.63×105km2,占熱點(diǎn)區(qū)域總面積的40.69%,占重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)總面積的5.34%?；赑CSmiami的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)相交的面積為3.32×105km2,占熱點(diǎn)區(qū)域總面積的29.56%,占重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)總面積的6.74%。

通過(guò)逐像元累加計(jì)算得出,2017年全國(guó)基于PCSNPP計(jì)算得出的植被固碳能力提升潛力總和約為7.42×102tC, 其中重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)的植被固碳能力提升潛力總和約為3.55×102tC,占比約為全國(guó)的47.8%。2017年全國(guó)基于PCSmiami計(jì)算得出的植被固碳能力提升潛力總和約為3.66×103tC,重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)內(nèi)的植被固碳能力提升潛力總和約為1.48×103tC,占比約為全國(guó)的40.4%?；诓煌?jì)算方式得到的植被固碳能力提升潛力全國(guó)占比情況如表3所示。

表3 基于不同計(jì)算方式的植被固碳能力提升潛力全國(guó)占比

3 討論

3.1 全國(guó)固碳能力提升潛力空間分布特征分析

基于兩種不同算法得到的全國(guó)植被固碳能力提升潛力結(jié)果在空間分布上表現(xiàn)出明顯差異。通過(guò)PCSNPP得到的固碳能力提升潛力高值區(qū)主要分布在我國(guó)中部、南部以及新疆的阿爾泰地區(qū)、天山地區(qū)；低值區(qū)則主要集中在西北地區(qū),這樣的空間分布特征與我國(guó)的植被指數(shù)(NDVI)空間分布特征相一致[39],這是由于基于PCSNPP的固碳能力提升潛力是以1982—2017年間NPP年際最優(yōu)累積值作為理想值,通過(guò)與2017年NPP實(shí)際累積值做差值來(lái)表征地表固碳能力的提升空間,因此植被的空間分布情況直接影響到最終計(jì)算的固碳能力提升潛力水平。我國(guó)植被分布水平較高的東北地區(qū)、東南地區(qū)、西南地區(qū)由于植被群落長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定,植被空間分布情況年間變化幅度較小[40—41],因此不同年份間NPP的年際變化幅度較小,導(dǎo)致相應(yīng)的固碳能力提升潛力較中部和南部地區(qū)相對(duì)低一些。西北地區(qū)由于自然條件惡劣,包含塔克拉瑪干、庫(kù)姆塔格、羅布泊等大面積沙漠或戈壁灘,以及昆侖山脈、天山山脈等海拔常年居于雪線之上的高山積雪地區(qū),植被分布稀疏[42],NPP水平常年處于較低水平,變化不明顯,因此固碳能力提升潛力較小。對(duì)比36年來(lái)的年最大合成NPP結(jié)果發(fā)現(xiàn),歷年間NPP變化幅度最大的區(qū)域主要集中在四川省、云南省、江蘇省、臺(tái)灣省以及西藏自治區(qū)東部和內(nèi)蒙古自治區(qū)北部,同時(shí)以上地區(qū)植被分布水平也較高,因此有較高水平的固碳能力提升潛力。

通過(guò)PCSmiami得到的固碳能力提升潛力空間分布結(jié)果高值區(qū)與低值區(qū)南北分化十分明顯。從植被指數(shù)空間分布結(jié)果來(lái)看[39],我國(guó)東北地區(qū)以及中東部地區(qū)植被分布水平較高,與南方各地區(qū)基本持平,但由于以上地區(qū)植被在春秋季節(jié)枯落的原因,在計(jì)算得出年際NPP累積值后東北及中東部地區(qū)要低于南方地區(qū),但仍高于西北地區(qū)[43]。基于Miami模型計(jì)算得出的NPP潛在值綜合考慮了溫度及降水情況,通過(guò)選取氣溫生產(chǎn)潛力與降水生產(chǎn)潛力的最小值估算出的NPP潛在值結(jié)果后發(fā)現(xiàn),其分布趨勢(shì)與2017年NPP年際累積值基本一致,即南方地區(qū)NPP潛在值普遍較高,東北、中東部地區(qū)次之,西北地區(qū)最低,這樣的研究結(jié)果也與李威等關(guān)于我國(guó)森林公園碳儲(chǔ)量/固碳速率的空間分布結(jié)果一致[44],因此將Miami模型計(jì)算得出的2017年NPP潛在值結(jié)果與2017年NPP年際累積值做差后得出的固碳能力提升潛力結(jié)果分成三個(gè)區(qū)間段,高值區(qū)主要集中在南方地區(qū),東北和中南地區(qū)固碳能力提升潛力居中,西北地區(qū)最低。

3.2 兩種固碳能力提升潛力結(jié)果差異性分析

對(duì)比分析基于兩種不同方法計(jì)算得出的固碳能力提升潛力熱(冷)點(diǎn)空間分布圖發(fā)現(xiàn),兩者的冷熱點(diǎn)空間分布特征差異較大。相較于基于PCSNPP得出的固碳能力提升潛力冷熱點(diǎn)空間分布特征,基于PCSmiami得出的冷點(diǎn)與熱點(diǎn)區(qū)域面積均大于基于PCSNPP得出的結(jié)果。就冷點(diǎn)區(qū)域而言,兩者的差異主要體現(xiàn)在東北地區(qū)、青海和四川的交界地區(qū)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)北部和新疆地區(qū)北部,基于PCSmiami的固碳能力提升潛力冷點(diǎn)區(qū)域范圍更大也更為分散,幾乎涵蓋了我國(guó)西北及東北的全部區(qū)域；對(duì)于熱點(diǎn)區(qū)域而言,兩者的差異主要體現(xiàn)在中部地區(qū)和南部地區(qū),基于PCSNPP的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)主要集中分布在三個(gè)區(qū)域：四川省中東部及其周邊、廣東省中部、江蘇省中部和南部及其周邊；基于PCSmiami的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域則集中分布在以湖南省、江西省、廣東省為核心的南方地區(qū),空間聚集度較高。

兩種計(jì)算方法產(chǎn)生這種空間分布差異的原因可能是兩者的出發(fā)角度不同,如前文所述,基于PCSNPP得出的固碳能力提升潛力受植被水平及其空間分布特征的影響較大,同時(shí)植被的季節(jié)性變化也會(huì)對(duì)這種方法計(jì)算得出的固碳能力提升潛力結(jié)果產(chǎn)生影響,對(duì)于東北地區(qū)以及內(nèi)蒙古自治區(qū)北部和新疆北部等地區(qū),雖然植被水平較高,但由于植被季節(jié)性變化的影響,使得計(jì)算出的PCSNPP介于南方地區(qū)和西北地區(qū)之間,因此導(dǎo)致以上地區(qū)無(wú)法成為固碳能力提升潛力的冷點(diǎn)或熱點(diǎn)區(qū)域。而基于Miami模型計(jì)算的PCSmiami,只考慮溫度和降水的影響,依據(jù)Miami模型的計(jì)算原理,溫度越高、降水量越大,則PCSmiami越大[45],相較于南方各地區(qū),北方地區(qū)的溫度及降水量均較低,因此在北方的大部分地區(qū)形成了固碳能力提升潛力的冷點(diǎn)區(qū)域,而在降雨量充足、年均溫較高的南方地區(qū)形成熱點(diǎn)區(qū)域。

基于Miami模型計(jì)算的PCSmiami固碳能力提升潛力方法較為簡(jiǎn)單,只考慮了氣候條件的影響,沒(méi)有考慮人類活動(dòng)的影響；而基于遙感觀測(cè)手段計(jì)算的PCSNPP固碳能力提升潛力方法充分發(fā)揮了遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),空間上更為細(xì)致。然而,目前兩者得出的理論結(jié)果還是存在一定差異,氣候模型得到的NPP值遠(yuǎn)大于遙感觀測(cè)結(jié)合植被模型所得到的值,導(dǎo)致所得到的空間格局存在較大差異。需要在未來(lái)的研究中將進(jìn)一步將兩種方法進(jìn)行同化融合,以期能夠更加細(xì)致的預(yù)測(cè)未來(lái)區(qū)域固碳能力提升潛力的發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 固碳能力提升潛力與生態(tài)功能區(qū)空間關(guān)系分析

從固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的空間疊加結(jié)果中可以看出,兩種固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)區(qū)與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的疊加面積占生態(tài)功能區(qū)總面積的比重并不大,這是由于我國(guó)生態(tài)功能區(qū)的劃定不僅僅只考慮自然環(huán)境因素,而是通過(guò)全面考慮生態(tài)服務(wù)功能強(qiáng)度、生態(tài)保護(hù)空間結(jié)構(gòu)、人口密度及增長(zhǎng)比例等多方面因素包含諸多生態(tài)系統(tǒng)類型的綜合結(jié)果[46],因此劃定的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)既包括如大/小興安嶺森林、長(zhǎng)白山森林、若爾蓋草原等植被長(zhǎng)勢(shì)旺盛、氣候降水適宜的生態(tài)條件優(yōu)異地區(qū),也包含黃土高原丘陵溝壑、塔克拉瑪干沙漠、羅布泊等植被覆蓋稀疏、常年干旱少雨的生態(tài)條件惡劣地區(qū)。不同生態(tài)功能區(qū)的職責(zé)功能不盡相同,如大/小興安嶺森林、長(zhǎng)白山森林等生態(tài)功能區(qū)的主要職責(zé)是地區(qū)水源涵養(yǎng)[46],黃土高原丘陵溝壑生態(tài)功能區(qū)的主要職責(zé)是水土保持,塔克拉瑪干、庫(kù)姆塔格生態(tài)功能區(qū)的主要職責(zé)是防風(fēng)固沙[31],因此在部分固碳能力提升潛力較低的地區(qū)(冷點(diǎn)區(qū)),由于在其他功能價(jià)值方面比較突出,因此被劃定為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),而部分地區(qū)雖然固碳能力提升潛力較高(熱點(diǎn)區(qū)),但在綜合比較后在其他功能價(jià)值方面或許較低,因此沒(méi)有被劃定在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)范圍內(nèi)。這就導(dǎo)致了兩種固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)區(qū)與生態(tài)功能區(qū)的疊加面積所占熱點(diǎn)區(qū)整體比重較小。

本文在研究過(guò)程中同樣存在以下不足,即沒(méi)有考慮未來(lái)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)植被固碳能力的影響,在接下來(lái)的研究中將會(huì)圍繞這一問(wèn)題進(jìn)一步討論。

3.4 固碳能力提升潛力空間分布格局對(duì)區(qū)域碳中和的意義

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的主要手段包括兩種形式,一是碳封存,主要由土壤、植被和海洋等天然碳匯吸收儲(chǔ)存空氣中的二氧化碳；二是碳抵消,通過(guò)投資開(kāi)發(fā)可再生能源和低碳清潔技術(shù),減少一個(gè)行業(yè)的二氧化碳排放量來(lái)抵消另一個(gè)行業(yè)的排放量。因此在陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被的固碳能力提升潛力是限制區(qū)域碳匯強(qiáng)度的重要因素之一,對(duì)區(qū)域“碳中和”的飽和程度和工作重心具有一定的指示作用。例如,從空間分布結(jié)果來(lái)看,兩種計(jì)算方法得到的植被固碳能力提升潛力均顯示我國(guó)西北地區(qū)的植被固碳能力提升潛力水平較低,說(shuō)明區(qū)域內(nèi)植被的固碳能力已接近當(dāng)下的飽和值,很難再通過(guò)植被碳封存的形式實(shí)現(xiàn)“碳中和”,因此在西北地區(qū)是否應(yīng)考慮將“碳中和”的工作重點(diǎn)放在碳抵消的形式上；以湖北、湖南、江西為核心的南方地區(qū)植被固碳能力提升潛力水平較高,表明區(qū)域內(nèi)的植被固碳能力還有很大的挖掘空間,因此針對(duì)在這些區(qū)域進(jìn)行“碳中和”的工作時(shí),工作重心是否應(yīng)考慮充分結(jié)合碳封存和碳抵消兩種形式。此外,基于像元尺度的植被固碳能力提升潛力空間分布格局更加精細(xì)化的表征了不同地理區(qū)間植被的固碳潛力,也可根據(jù)實(shí)際需要聚合到省、市、縣級(jí)不同尺度,更加精確化的服務(wù)于不同區(qū)域“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

針對(duì)本文做出的研究,主要得出以下結(jié)論：

(1)兩種方法得到的全國(guó)固碳能力提升潛力空間分布整體趨勢(shì)基本一致,均表現(xiàn)為南高北低,且空間分布特征均表現(xiàn)出高度空間自相關(guān)特性(空間正相關(guān)性),但局部差異較大。

(2)基于PCSNPP的全國(guó)固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在四川省、江蘇省、浙江省以及廣東省境內(nèi)及其周邊的部分地區(qū)。基于PCSmiami得到的固碳能力提升潛力熱點(diǎn)區(qū)域主要分布以江西省、廣東省、廣西省為核心的南方八個(gè)省份。

(3)兩種固碳能力提升潛力的熱點(diǎn)區(qū)與生態(tài)功能區(qū)的重疊面積較小,當(dāng)前我國(guó)生態(tài)保護(hù)區(qū)的劃定依據(jù)主要從水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護(hù)、防風(fēng)固沙、洪水調(diào)蓄、土壤保持五個(gè)方面出發(fā),但是,作為當(dāng)前應(yīng)對(duì)全球氣候變暖問(wèn)題主要方式的植被固碳能力及其固碳能力提升潛力并未考慮到其中,而從固碳潛力的數(shù)值來(lái)看,全國(guó)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)總面積約占全國(guó)陸地總面積的 51.9%,根據(jù)本文兩種固碳潛力計(jì)算方法,區(qū)域內(nèi)固碳提升潛力分別占全國(guó)固碳能力提升潛力總和的47.8%和40.4%,因此建議有關(guān)部門在今后的政策制定過(guò)程中將這一方面也加以考慮?？偟膩?lái)說(shuō),本文可為全國(guó)植被固碳潛力的相關(guān)研究起到一定促進(jìn)作用。