1、第 19 卷 第 1 期湿地科学与管理 Vol.19No.1 2023 年 2 月WETLAND sCiENCE&MANAGEMENT Feb.2023湿地在全球碳循环中扮演着重要角色。黄河流域是我国重要的生态屏障，黄河流域生态保护和高质量发展已成为重大国家战略，亟需开展黄河流域湿地碳汇核算及固碳功能研究（侯建坤等,2022;Xiaoetal.,2022）。湿地具有调节气候、均化洪水、涵养水源、维持生物多样性等重要的生态作用（崔丽娟等，2016；Gxokweetal.,2020），作为陕西黄河流域的重要组成部分，尤其在固碳方面具有很大意义。陕西黄河流域湿地碳汇在我国实现“碳达峰”和“碳中和”中
2、面临更高的需求，开展陕西黄河流域湿地碳汇核算与稳定技术，特别是湿地植被碳汇研究具有重要的应用价值，极具紧迫性。碳汇核算是研究湿地固碳能力以及湿地在全球变化中的地位和作用的前提和基础（Alelioetal.,2020;Aitalietal.,2022;Restrepoetal.,2022）。目前国内外有关碳汇核算方法多集中于森林和草地两大生态系统，湿地生态系统主要是估算自然沼泽湿地中泥炭的固碳能力，流域湿地关于植被固碳研究亟待深入（崔林丽等,2005;朱文泉等,2005;周伟等,2018;王立夫等,2020;钟宇峰基于植被净初级生产力（NPP）的陕西黄河湿地植被固碳潜力研究徐干君1 吴胜义1 马
3、 浩1 唐希颖2,3 聂磊超2,3 翟夏杰2,3 张 楠2,3 李 伟2,3赵欣胜2,3*（1国家林业和草原局西北调查规划设计院，陕西西安710048；2中国林业科学研究院湿地研究所，北京100091；3湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京100091）摘 要 为科学评估陕西黄河湿地植被固碳潜力，以陕西黄河湿地保护区为例，在获得研究区 33 个样地实测生物量数据和 2021 年植被净初级生产力（NPP）数据的基础上，借助地统计学方法建立了生物量与植被 NPP 之间的关系方程，明确了陕西黄河湿地保护区整体和不同湿地类型 NPP 分布格局和空间分异特征。结果表明：湿地植被 NPP 格局表现为沼
4、泽湿地高于坑塘湿地，其中草本沼泽湿地 NPP每年为 5 476.93 kgC，每平方米为 1.62 gC/a；灌木沼泽湿地 NPP 每年为 1 871.56 kgC，每平方米为 2.62 gC/a。本研究为湿地植被 NPP 的研究提供一种新的方法和途径。关键词 陕西；黄河湿地；碳汇；NPP；湿地植被中图分类号：X171文献标识码：A文章编号：1673-3290(2023)01-00015-05Carbon sequestration Potential of shaanxi Yellow River Wetland Vegetation Based on NPP DataXu Gan-jun1
5、 Wu sheng-yi1 MA Hao1 TANG Xi-ying2,3 NiE Lei-chao2,3 ZHAi Xia-jie2,3 ZHANG Nan2,3 Li Wei2,3 ZHAO Xin-sheng2,3*(1 Northwest surveying,Planning and Designing institute of National Forestry and Grassland Administration,Xian 710048,shanxi,China;2 institute of Wetland Research,Chinese Academy of Forestr
6、y,Beijing 100091,China;3 Beijing Key Laboratory of Wetland Ecological Function and Restoration,Beijing 100091,China)Abstract In order to scientifically assess the carbon sequestration potential of vegetation in the Yellow River wetland in shaanxi,this paper presents a case study of the Yellow River
7、Wetland Reserve in shaanxi,and establishes the relationship equation between biomass and vegetation net primary productivity(NPP)by means of geostatistical method on the basis of the measured biomass data from 33 sample plots in the study area and the vegetation net primary productivity(NPP)data in
8、2021,and clarifies the distribution pattern and spatial variation characteristics of vegetation NPP in the Yellow River wetland reserves in Shaanxi as a whole and in different wetland types.The relationship between biomass and vegetation NPP was established based on geostatistical data.The results s
9、howed that the NPP of wetland was higher in swamp wetlands than in pond wetlands,with the NPP of herbaceous swamp vegetation at 5 476.93 kgC per year,1.62 gC/(m2a),and the NPP of shrub swamp wetlands at 1 871.56 kgC per year,2.62 gC/(m2a).This study provides a new method of and approach to studying
10、net primary productivity(NPP)of wetland vegetation.Key words shanxi;The Yellow River wetland;Carbon sequestration;NPP;Wetland Vegetation收稿日期：2022-07-24基金项目：黄河流域湿地碳汇核算方法与固碳功能评估研究作者简介：徐干君，高级工程师，主要从事生态系统碳汇管理研究。E-mail:*通讯作者：赵欣胜，助理研究员，主要从事湿地生态研究。E-mail：DOi:10.3969/j.issn.1673-3290.2023.01.0316湿地科学与管理 第 1
11、9 卷等,2021;王连喜等,2022）。湿地生物量不仅反映了湿地生态系统生产能和湿地生态系统健康状况，也是评估湿地生态系统固碳潜力和分析生态过程关键因子的重要参数（高旭旭等,2022;王丽霞等,2022;王连喜等,2022）。湿地生态系统的固碳潜力在缓解全球气候变暖、固碳中的作用已经被国际社会所认识（Alelioetal.,2020;岳东霞等,2021），湿地不仅是重要的植被碳库，还维持着更大的土壤碳库。湿地碳库的大小不仅与湿地植被面积大小有关，还受到湿地植被净初级生产力（NetPrimaryProductivity，NPP）和单位面积生物量的影响（崔林丽等,2005;朱文泉等,2005;周
12、伟等,2018;王立夫等,2020;钟宇峰等,2021）。国际地圈生物圈计划（IGBP）、全球变化与陆地生态系统和京都协定等把植被净初级生产力（NPP）研究确定为核心内容之一（Jietal.,2020;Restrepoetal.,2022）。NPP 作为地表碳循环的重要组成部分，在全球变化及碳平衡中扮演着重要的作用（岳东霞等,2021;高旭旭等,2022;王丽霞等,2022;王连喜等,2022）。本文以陕西黄河湿地保护区为例，研究了陕西黄河湿地保护区整体及其不同湿地植被NPP 分布格局和空间分异特征，评估陕西省黄河流域湿地植被固碳潜力，其研究成果可服务湿地碳汇核算和碳交易需求，促进湿地碳汇计量
13、发展与创新，为研究区湿地保护和恢复提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于陕西省渭南市潼关县、大荔县、合阳县和韩城市境内（3438 3500 N，11008 11017 E），总面积为 45 986 hm2。其中，核心区面积为 18 209 hm2，缓冲区面积为 17 774 hm2，实验区面积为 10 003 hm2。属暖温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明，气候温和，光照充足，雨量较多，植物资源丰富（何冰等，2018），植被类型主要为以芦苇（Phragmites australis）、香蒲（Typha orientalis）、金色狗尾草（Setaria glauca）和香附
14、子（Cyperus rotundus）为主的禾本科及莎草科为主，土壤类型主要为黄棕壤。1.2 数据来源数据来源于地理空间数据云官网上（http:/ 8 影像，其空间分辨率为 30 m30 m，并将获取的影像进行几何校准、大气矫正以提高影像精度。气象等基础数据来源于 2021年中国国家气象局，数据内容包括月降水量、月平均气温、月总太阳辐射，以及各气象站点的经度、纬度和海拔高度。对数据进行精度验证，计算植被的净初级生产力需要栅格化的气象数据，并从空间上与遥感数据相匹配。通过在研究区监测获得了 33个生物量数据，用于表述研究区不同湿地类型的实测生产能力。1.3 研究方法本研究是基于光能利用率模型（G
15、Lo_PEM）计算获取，即通过模拟光能利用率，以植被生物量和气温及不同植被群落的维持性呼吸系数及温度关系模拟植被维持性呼吸（Rm）和生长性呼吸（Rg），获得 NPP。GLo_PEM 模型基于植被总初级生产力（GPP）与植被吸收的光合有效辐射（APAR）间以光能利用率（）呈线性关系的理论基础上建立（朱文泉等，2005；周伟等，2018），因此 NPP 可以表示为：NPP=PARFPAR-Ra （1）式中：PAR为光合有效辐射（W/m2），FPAR是植被吸收光合有效辐射比率，是基于 GPP 概念的现实光能利用率，Ra是植被自养呼吸（包括维持性呼吸Rm和生长性呼吸Rg）。在 GLo-PEM 模型中实
16、际光能利用率的计算公式如下：=*TES （2）式中：*为植物潜在光合利用率，T为空气温度对植物生长的影响系数；E为大气水汽对植物生长的影响系数；S为土壤水分缺失对植物生长的影响系数。为验证 NPP 估算结果的准确性，可参考刘双等（2013）的方法。2 结果与讨论2.1 湿地地类信息提取根 据 遥 感 解 译 分 类 结 果 显 示（图 1），研究区草本沼泽面积为 8 451.87 hm2、农田面积为8 495.16 hm2、农 村 宅 基 地 面 积 为 2 289.30 hm2、坑 塘 水 面 面 积 为 15 835.82 hm2、河 漫 滩 面 积 为2 916.70 hm2、河流湿地面
17、积为 15 138.42 hm2和灌木沼泽面积为 1 786.34 hm2。其中，坑塘水面占研究区面积的 28.84%，而灌木沼泽面积最小，仅占研究区面积的 3.25%。河流湿地和坑塘水面共占研究区面积的 56.41%，农村宅基地占研究区面积的 4.17%。整17 第 1 期体来看研究区湿地类型中坑塘水面和河流湿地面积最大，而灌木沼泽与河漫滩湿地面积占比最小，这与研究区有黄河流经密切相关，受到水文过程的影响，难以形成面积大稳定存在的沼泽湿地类型。2.2 湿地植被 NPP 空间变异分析地统计学中块金值/基台值（C0/C+C0）表示空间变异程度，称为块金效应，若该比值较高，说明由随机部分引起的空间
18、变异性程度较大。结构比=C/（C0+C），表示自相关部分导致的空间异质性程度的高低，也就是比值越大，结构因素在空间异质性上的作用越大（表 1）。各向异性是指区域化变量在不同方向上所表现出不同的空间结构。本研究为了分析研究区湿地植被 NPP 在不同方向上的变异程度，计算了 NPP 在多个方向上的半变异函数。表 1 表明，选取球状模型为最佳分析方法，由自相关引起的空间变异比高达95.00%，表现出较高的空间异质性，说明湿地植被NPP 自相关变异趋势更为显著，块金值为 1.41，基台值为 25.14，变程为 29 899，C0/V为 0.057，CI为0.950，而R2为 0.321。半变异函数是用
19、来描述土壤性质的空间连续变异的一个连续函数，反映土壤性质的不同距离观测值之间的变化，在 NPP 研究中也较为常用（刘双等,2013）。图 2 表明，湿地植被NPP 空间结构特征基本表现为各向同性，在不同的方向上差距较小。影响研究区植被净初级生产力的因素可归结为自然过程和人为过程两个方面（于成龙等,2019;王丽霞等,2022）。自然过程不仅包括陆地植被本身的光合作用、呼吸作用等生理过程，还包括外界的自然环境及其变化过程；人为过程主要包括改变土地利用方式、收割植物、人工管理等方面。研究区核心区植被净初级生产力属于河流湿地类型，受自然影响较大，黄河水位波动可能对植被净初级生产力影响较大；而实验区和
20、缓冲区主要受到围垦种植莲藕和道路建设影响，特别是草本沼泽湿地类型，由于围垦导致部分区域植被净初级生产力降低。因此，增加湿地生态系统的生产力功能主要从增加输入量、减少输出量和增加稳定性去实现，具体到黄河湿地保护区需要重点关注沼泽湿地固碳潜力提升，特别是草本沼泽湿地类型。2.3 湿地固碳潜力核算表 2 统计了 2021 年研究区灌木沼泽和草本沼泽 NPP 计算值，其中草本沼泽湿地 NPP 每年为5 476.93 kgC，每平方米为 1.62 gC/a；灌木沼泽湿地 NPP 每年为 1 871.56 kgC，每平方米为 2.62 gC/a。统计分析显示研究区草本沼泽固碳总量最大，而灌木沼泽最小，灌木
21、沼泽的单位面积固碳能力最大。草本沼泽和灌木沼泽是研究区固碳能力最大的地类和湿地类型，而河流湿地、坑塘水面其他湿地类型固碳潜力较低。整体来看，研究区固碳贡献主要来自草本沼泽和灌木沼泽湿地（图 3），但相比较于东北扎龙湿地核心区植被 NPP 有较大的差距（513.75 gC/（m2a），可能是由于研究区植被单一造成单位面积生物量较低的原因（于成龙，2019）。研究区草本沼泽湿地的优势植物群落主要是芦 苇（Phragmitesaustralis）、香 蒲（Typha图 1 研究区湿地分类Fig.1 Wetland classification in the study area表 1 植被净初级生产
22、力（NPP）半变异统计参数Table1 NPP semi-variation statistical parameters模型块金值基台值变程A0C0/VCIR2C0C0+C（m）(C0+C)(C0+C)球状1.4125.1429 8990.0570.9500.321指数3.0725.1338 9520.1220.8770.319高斯4.1025.1225 5200.1600.8390.321线性22.9925.4751 9800.9110.0880.059徐干君等：基于植被净初级生产力（NPP）的陕西黄河湿地植被固碳潜力研究18湿地科学与管理 第 19 卷orientalis）等构成，其生物
23、 量 为 1 989.14 g/m2；灌木沼泽湿地的优势植物群落主要是芦苇和旱柳（Salixmatsudana），其 生 物 量 为12 257.53 g/m2，比草本沼泽湿地类型比大，而河漫滩湿地和坑塘湿地（主要是人工种植的经济作物）生物量分别为 86.57 g/m2和 847.23 g/m2，说明研究区以芦苇和旱柳为优势植物的草本沼泽和灌木沼泽是初级生产力较高的重要原因，是主要的固碳湿地类型，也是黄河湿地保护区重点保护和管理的湿地类型。由于沼泽湿地和灌木沼泽湿地占研究区面积较小，其对研究区整体植物初级生产力的贡献仍然有限，研究区在后续管理中应加强对沼泽湿地类型的保护和恢复工作，积极推进退耕
24、还湿、退养还湿，且还湿以沼泽湿地优先，有助于提升湿地固碳潜力（吴海东等,2018）。3 结论1）研究区坑塘水面占研究区面积的 27.57%，灌木沼泽面积仅占研究区面积的 3.25%，河流湿地和坑塘水面合计占研究区面积的 56.41%。2）选取球状模型为最佳分析模型，由自相关引起的空间变异比高达 95.0%，表现出较高的空间异质性，说明湿地植被 NPP 自相关变异趋势更为显著。3）研究区沼泽湿地中草本沼泽固碳总量最大，而灌木沼泽总量最小，灌木沼泽湿地单位面积固碳能力最大。草本沼泽湿地 NPP 每年为 5 476.93 kgC，每平方米为 1.62 gC/a；灌木沼泽湿地 NPP 每年为1 871
25、.56 kgC，每平方米为 2.62 gC/a。整体来看，注：a:半变异函数曲线图(semivariogram)是半变异函数(h)值对距离 h 的函数图.它有 3 个特征参数:基台值(sill)、变程(range)和块金值(nugget).图 2 研究区植被净初级生产力(NPP)半变异统计图Fig.2 statistical map of NPP semi-variation in the study area图 3 研究区初级生产力Fig.3 Primary productivity of the study area表 2 沼泽湿地和灌木林地初级生产力转换成固碳数据Table 2 Prim
26、ary productivity of marshes and shrublands converted into carbon sequestration data生态系统面积/hm2净初级生产力净初级生产力类型/(kg C/a)/gC/(m2a)草本沼泽8 451.875 476.931.62灌木沼泽1 786.341 871.562.62合计10 238.217 348.4919 第 1 期研究区固碳贡献主要来自草本沼泽湿地和灌木沼泽湿地。参考文献崔丽娟,庞丙亮,李伟,等.2016.扎龙湿地生态系统服务价值评价 J.生态学报,36(3):828-836.崔林丽,史军,唐娉,等.2005.
27、中国陆地净初级生产力的季节变化研究 J.地理科学进展,24(3):8-16,127.高旭旭,于长文,张婧,等.2022.定量评估京津冀气候变化和人类活动对植被 NPP 变化的相对作用 J.中国农业气象,43(2):124-136.何冰,王保星.2018.陕西黄河湿地省级自然保护区湿地生态系统服务价值研究 J.陕西林业科技,46(6):104-109.侯建坤,陈建军,张凯琪,等.2022.基于 InVEST 和 GeoSoS-FLUS 模型的黄河源区碳储量时空变化特征及其对未来不同情景模式的响应 J/oL.环境科学:1-14.DoI:10.13227/j.hjkx.202201267.刘双,阮宏
28、华.2013.基于地统计学的广东和广西森林生物量和 NPP 空间格局分析 J.生态学杂志(9):2502-2509.王立夫,许方岳,彭琳玉,等.2020.抚河源自然保护区气候特征及植被 NPP 分析 J.江西林业科技,48(2):1-7.王丽霞,丁慧兰,刘招,等.2022.基于 CASA 模型探究泾河流域植被 NPP 时空动态及其对气候变化的响应 J.水土保持研究,29(1):7-14.王连喜,李萌萌,李琪,等.2015.基于 CASA 模型的陕西省NPP 遥感估算 J.西部林业科学,44(2):74-79.吴海东,崔丽娟,王金枝,等.2018.若尔盖高原泥炭地碳收支特征及固碳价值评价研究 J
29、.湿地科学与管理,14(1):16-19.徐干君,聂磊超,马浩,等.2022.陕西黄河湿地土壤碳氮含量高光谱估算反演 J.湿地科学与管理,18(4):10-14.徐干君,吴胜义,李伟,等.2022.陕西黄河湿地自然保护区典型植被区的碳储量估算.植物生态学报.DoI:10.17521/cjpe.2022.0071.于成龙,刘丹.2019.扎龙湿地 NPP 时空格局及其对气候因子变化的响应 J.生态环境学报,28(4):741-751.岳东霞,牟鑫亮,周妍妍,等.2021.疏勒河流域净初级生产力与土壤含水量耦合关系研究 J.兰州大学学报：自然科学版,57(4):518-527,536.赵志江,朱利
30、,李伟,等.2019.汉石桥湿地芦苇生长季末地上部分各器官中碳、氮和磷的生态化学计量特征及对其的固持能力 J.湿地科学,17(3):311-317.钟宇峰,牛涛,贾文贤,等.2021.阅海湿地芦苇 NPP 遥感估算及其时空变化分析 J.气象与环境学报,37(6):8-12.周伟,何顺兵,杨晗,等.2018.基于 BIoME-BGC 模型的三峡库区不同草地群落碳源/汇的动态变化研究 J.山地学报,36(1):13-22.朱文泉,潘耀忠,龙中华,等.2005.基于 GIS 和 RS 的区域陆地植被 NPP 估算-以中国内蒙古为例 J.遥感学报,9(3):300-307.Aitali R,snous
31、si M,Kolker A s,et al.2022.Effects of Land use/Land Cover Changes on Carbon storage in North African Coastal WetlandsJ.Journal of Marine science and Engineering,10(3):364.Cui L J,Dou Z G,Liu Z J,et al.2020.Hyperspectral inversion of Phragmites communis carbon,nitrogen,and phosphorus stoichiometry us
32、ing three modelsJ.Remote sensing,12(12):1998.DAlelio D,Rampone s,Cusano L M,et al.2020.Machine learning identifies a strong association between warming and reduced primary productivity in an oligotrophic ocean gyreJ.Scientific Reports,10(1):3287.Gxokwe s,Dube T,Mazvimavi D.2020.Multispectral Remote
33、sensing of Wetlands in semi-Arid and Arid Areas:A Review on Applications,Challenges and Possible Future Research DirectionsJ.Remote sensing,12(24):4190.Ji Y H,Zhou G s,Luo T X,et al.2020.Variation of net primary productivity and its drivers in Chinas forests during 2000-2018J.Forest Ecosystems,7(2):
34、190-200.Restrepo H i,Montes C R,Bullock B P,et al.2022.The effect of climate variability factors on potential net primary productivity uncertainty:An analysis with a stochastic spatial 3-PG modelJ.Agricultural and Forest Meteorology,315:108812.Xiao F J,Liu Q F,Xu Y Q.2022.Estimation of Terrestrial N
35、et Primary Productivity in the Yellow River Basin of China using Light use Efficiency ModelJ.Sustainability,14(12):7399.徐干君等：基于植被净初级生产力（NPP）的陕西黄河湿地植被固碳潜力研究湿地科学与管理开通快速评审发表通道为缩短优秀稿件的发表周期，湿地科学与管理编辑部于近日开通了快速评审发表通道。快速评审通道的稿件评审时间3周左右完成，稿件接受后35个月发表。请在投稿时附带说明快速评审。湿地科学与管理于2005年创刊，是由国家林业和草原局主管、中国林业科学研究院主办的湿地科
36、学领域的综合性学术期刊。2010年入选中国科技核心期刊，2014年入选中国学术期刊影响因子年报统计源期刊，2018年入选国家哲学社会科学学术期刊数据库。创刊10多年来，湿地科学与管理已成为我国湿地保护和管理领域的重要学术交流平台。主要栏目：研究报告、湿地工程、规划设计、湿地评价、保护管理、综述、专著述评等。服务对象：湿地、林业、环保、水利、城建、海洋、国土资源及相关学科的科技人员、大专院校师生、管理人员及相关人员。欢迎湿地专家、学者踊跃投稿，国家级、省级重点及各类基金项目论文、创新成果可优先录用。投稿网址：http:/刊号：CN 11-5389/G3，ISSN 1673-3290编辑部电话：010-62889021
