**黑河流域植被碳源汇的时空动态与驱动机制**

《Geocarto International》：Spatiotemporal dynamics and driving mechanisms of vegetation carbon sources and sinks in the Heihe River Basin

　　

净生态系统生产力（NEP）是衡量生态系统碳平衡与植被碳源-汇动态的关键指标。黑河流域（HRB）是中国西北地区一个典型的干旱半干旱内陆盆地，为长期的碳动态研究提供了理想的天然实验室。尽管具有重要的生态意义，但以往研究很少系统量化该流域净初级生产力（NPP）和NEP的长期大尺度格局。研究人员利用改进的CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型和一个土壤呼吸模型，量化了2000年、2005年、2010年、2015年和2022年的NPP和NEP。结果显示，黑河流域整体作为碳源，但NEP从-113.10增加至-96.33 g C·m^-2·a^-1。NEP表现出显著的季节性，7月达到峰值，1月降至最低。在空间上，南部和东部地区的NEP较高，祁连县和民乐县表现为碳汇。温度、降水和海拔是主要驱动因素，且温度-降水交互作用强烈。

### **基于遥感与空间统计的黑河流域植被碳源汇动态研究解读**

**一、 研究背景与意义**

在全球气候变化加剧和中国提出“双碳”目标的背景下，准确量化陆地生态系统碳汇能力及其时空分布格局，对于评估气候变化效应、制定区域碳管理策略具有重要的科学意义。植被作为陆地生态系统最大的碳库，其通过光合作用吸收大气二氧化碳（CO₂）的能力是调节全球碳平衡的关键过程。黑河流域作为中国西北典型的干旱半干旱内陆河流域，生态系统脆弱，水资源限制显著，但同时也拥有从高山冰川到绿洲荒漠的完整景观序列，是研究水陆相互作用和碳循环过程的天然实验室。然而，以往关于该流域植被碳汇的研究多集中在短期或局部区域，缺乏长时间序列、全流域尺度的生态系统净碳交换（即净生态系统生产力，NEP）的系统评估，对其时空演变格局及驱动机制的认识尚不清晰。因此，研究人员旨在通过综合多源数据，定量解析黑河流域植被碳源汇的时空动态特征，揭示气候与人类活动等多因子对其空间分异的驱动机制，以期为干旱区内陆河流域的生态系统可持续管理与碳中和路径规划提供科学依据。

**二、 主要关键技术方法概述**

本研究整合了多源数据与模型模拟，主要关键技术方法包括：1. 采用基于光能利用率理论的改进卡内基-安塞-斯坦福方法（CASA）模型，利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）的归一化植被指数（NDVI）等遥感数据，估算了植被净初级生产力（NPP）。2. 应用一个经验性的土壤微生物呼吸模型，结合气象数据，估算了土壤异养呼吸（R_h）。3. 通过NPP与R_h的差值计算获得净生态系统生产力（NEP），以此表征生态系统碳源汇强度。4. 利用地理探测器（GeoDetector）模型，通过因子探测和交互探测，定量分析了地形、气候和人类活动等多因子对NEP空间分异的解释力及交互作用。研究数据涵盖2000年至2022年的MODIS遥感产品、气象、土地利用及社会经济数据，并统一重采样至500米空间分辨率进行分析。

**三、 研究结果分析**

**1. 基于改进CASA模型的植被NPP估算**

研究人员利用改进的CASA模型估算了2000年至2022年黑河流域的月度及年度植被NPP。结果表明，在整个研究期间，流域年平均植被NPP呈稳步增长趋势，从2000年的38.65 g C·m^-2·a^-1增加至2022年的47.48 g C·m^-2·a^-1。高值区主要集中在上游祁连山及绿洲地区，这些区域水热条件优越，利于植物生长；低值区则分布在下游干旱荒漠地区，气候干旱、植被稀疏。为验证估算精度，研究人员将2022年的模拟结果与MODIS NPP产品（MOD17A3HGF）进行了对比，二者在空间分布上具有较高一致性，随机采样点的相关系数达到0.97（p < 0.01），决定系数（R²）为0.95，证明了改进CASA模型在该区域的适用性。

**2. 黑河流域植被碳源汇的时空格局**

**（1） NEP计算结果与碳源汇空间格局**
结合估算的NPP与R_h，研究人员计算了流域植被NEP。结果表明，2000年至2022年间，流域年均植被NEP从-113.09 g C·m^-2·a^-1增至-96.33 g C·m^-2·a^-1，整体呈现“东高西低、南高北低”的空间分布格局。将NEP < 0的区域定义为碳源区，NEP > 0的区域定义为碳源汇区。分析显示，黑河流域整体表现为碳源，多年平均植被NEP约为-105.42 g C·m^-2·a^-1。空间上，碳源区占流域总面积的87.59%，广泛分布于中下游地区；碳汇区主要分布在上游区域，但面积较小。在县级行政单元中，仅祁连县和民乐县表现为碳汇效应，而额济纳旗是碳源效应最强的区域。

**（2） 碳源汇的垂直分异特征**
NEP的空间分布表现出明显的海拔分异特征。在海拔低于1200米、1200-1700米及1700-2400米的区域，以碳源（NEP ≤ -100或-100 < NEP ≤ 0）为主。随着海拔升高，在2400-3200米和3200-3900米区域，碳汇（NEP > 0）的比例显著增加，尤其在3200-3900米区间，高碳汇（NEP > 100）的面积占比达到最大，表明该海拔带生态系统具有显著的碳积累潜力。在坡度方面，平坦区域（坡度≤0.5°）因适宜农业和城镇发展，碳源效应显著；随着坡度增加，植被类型多样化，碳汇效应在缓坡和陡坡区域逐渐突出。

**（3） 碳源汇的年际变化与稳定性**
从时间趋势看，2000年至2022年，黑河流域植被NEP整体呈增长趋势，碳排放总量减少约14.78%，碳汇面积扩大了3991平方千米。线性回归分析显示，流域平均NEP年际变化斜率为正（约0.82 g C·m^-2·a^-1）。空间上，55.25%的区域NEP呈增长趋势，其中显著改善的区域占20.27%，主要位于黑河干流两侧的绿洲及祁连山东部；仅2.24%的区域呈下降趋势。NEP的稳定性分析表明，变异系数（CV）以低波动（CV ≤ 0.1）和较低波动（0.1 < CV ≤ 0.3）为主，二者合计占流域面积的88.49%，表明大部分区域植被碳汇功能相对稳定。但高波动区（CV > 0.5）分布在祁连山北麓及河西走廊，这些区域易受自然或人类活动干扰，稳定性较差，但其总体NEP呈增加趋势。

**（4） 碳源汇的季节变化特征**
流域植被NEP表现出明显的季节性特征，与植物生长周期高度一致。春季至夏季（约5月至8月），随着气温回升、冰雪融水增加和太阳辐射增强，碳汇区域扩张，碳源区域收缩，但整个流域仍以碳源属性为主，并在7月达到碳排放峰值（平均NEP约-18.57 g C·m^-2·月^-1）。从9月开始，碳汇区域收缩，碳源区域扩张，碳排放效应逐渐减弱，并在1月降至最低（平均NEP约-0.89 g C·m^-2·月^-1）。对比多年月平均值，2022年流域NEP整体增加，碳汇区扩大，碳源区收缩，表现出积极向好的趋势。

**3. 植被碳源汇空间分异的驱动因子分析**

**（1） 单因子探测结果**
研究人员应用GeoDetector模型，分析了地形（海拔、坡度、坡向）、气候（温度、降水、太阳辐射）和人类活动（人口密度、GDP、土地利用类型）三类因子对NEP空间分异的解释力（q值）。结果显示，温度、海拔和降水的q值持续位居前列（均高于0.75），是解释NEP空间格局的主导驱动因子，构成第一梯队。土地利用类型、太阳辐射和坡度构成第二梯队，其解释力显著低于前三者但仍具一定影响力。GDP、人口密度和坡向的q值均小于0.1，属于第三梯队，对NEP空间分布的直接驱动作用不显著。

**（2） 交互探测结果**
交互探测分析表明，任何两个因子的共同作用对NEP空间分异的解释力均强于单一因子，表现为双因子增强或非线性增强。这说明黑河流域植被碳源汇的空间格局是多因子协同作用的结果。其中，温度与降水的交互作用解释力最强，多年平均q值超过0.870。此外，土地利用类型与海拔、温度、降水等因子的交互作用也表现出极强的增强效应（q值最高达0.870），凸显了在干旱区，人类对土地和水资源的管理活动与气候背景耦合，共同调控着生态系统的碳循环过程。

**四、 讨论与结论**

**（1） 讨论**
本研究揭示了黑河流域植被碳源汇的复杂时空格局及其驱动机制。流域整体表现为碳源，这主要归因于极端干旱的气候、大面积的荒漠植被以及下游区域严重的水分限制。尽管如此，NEP在长时间尺度上呈增长趋势，碳汇面积扩大，这得益于气候暖湿化趋势（如冰川融水增加）以及政府实施的流域统一水权分配、生态输水、禁牧围栏等生态保护与修复政策的积极效应。GeoDetector分析强调了气候因子（温度、降水）的主导地位，这与干旱区植被生产力主要受水分和热量条件控制的基本规律相符。同时，土地利用类型作为人类活动的直接表征，其与气候因子的强烈交互作用，印证了在水资源匮乏地区，合理的土地与水资源管理对于提升生态系统碳汇能力至关重要。

**（2） 研究结论**
本研究系统量化了2000-2022年黑河流域植被净生态系统生产力（NEP）的时空动态，并揭示了其空间格局、时间趋势和季节变化特征。结果表明，该流域在此期间整体作为碳源，但NEP呈现显著的长期增长趋势，碳汇区域不断扩展，表明区域碳平衡状况逐步改善。空间驱动因子分析进一步表明，气候因素，尤其是温度和降水，主导了NEP的空间分异，而土地利用类型则有效捕捉了人类活动的直接影响。多驱动因子之间强烈的交互效应凸显了黑河流域植被碳源汇动态受到气候变异与人类水土管理耦合作用的调控，而非单一因子的孤立作用。本研究通过在流域尺度整合基于遥感的碳收支估算与空间驱动分析，为一个典型干旱内陆河流域的植被碳动态提供了长期而全面的认识。研究发现深化了对水陆受限生态系统碳源汇过程的理解，并为其他面临类似挑战的干旱半干旱区域提供了可借鉴的启示。从实践角度看，研究成果为在持续气候变化背景下优化水土管理、增强生态系统碳汇能力以及推进气候减缓战略提供了科学支撑。