宁夏生态系统碳汇/碳源变化及其对气候变化的响应

Changes in carbon sink / carbon source dynamics of Ningxia ecosystem and its response to climate change

摘要

为评估宁夏生态系统碳汇时空分布特征、变化规律，及其对不同气候因子的响应，利用全球净生态系统碳交换量数据集（global environment database-net ecosystem exchange， GED-NEE）和MERRA-2数据集，通过像素级的相关分析方法，计算净生态系统碳交换量（net ecosystem exchange，NEE）与多气候因素数据之间的相关系数，以确定气候变化对NEE的影响；利用一元线性回归分析生态系统碳汇/源的变化趋势，并使用逐步像元回归量化影响NEE变化的关键驱动因子，得到不同气候因子对生态系统碳汇的相对贡献率。研究表明，宁夏NEE为-71.38 g·m^-2·a^-1，但地域差异显著，空间分布最大变化区间在-291.43~-14.56 g·m^-2·a^-1，南部山区及北部黄河沿岸碳汇较高，中部荒漠地区生态系统碳汇相对较低；NEE季节差异较大，春、夏、秋、冬的NEE分别为-81.46~-36.87、-354.93~-4.50、-25.66~61.34、-21.75~53.31 g·m^-2；NEE年际最大变化区间为-18.44~12.22 g·m^-2·a^-1，其中，14.35%的地区生态系统碳汇呈增加趋势。研究提升了气候和植被覆盖变化对陆地生态系统固碳潜力的认识，为准确评估区域生态系统碳汇稳定性及其在碳中和中的地位奠定了基础。

Abstract

To assess the spatiotemporal distribution characteristics and variation patterns of carbon sinks in the Ningxia ecosystem， as well as their responses to different climatic factors， this study uses global environment database-net ecosystem exchange （GED-NEE） and MERRA-2 datasets. A pixel-level correlation analysis is employed to calculate the correlation coefficients between NEE and multiple climate factor data to determine the impact of climate change on NEE. A univariate linear regression analysis is conducted to analyze the trend of changes in ecosystem carbon sinks/sources. Stepwise pixel regression is used to quantify the drivers of NEE variation， yielding relative contributions of different climatic factors to the ecosystem carbon sinks. The research indicates that the NEE of Ningxia is -71.38 g·m^-2·a^-1， with significant regional differences. The spatial distribution shows the largest variation range from -291.43 to -14.56 g·m^-2·a^-1， with higher carbon sinks in the southern mountainous areas and along the northern Yellow River， while the central desert regions have relatively lower ecosystem carbon sinks. There are considerable seasonal variations in NEE， with values of -81.46 to -36.87 g·m^-2 in spring， -354.93 to -4.50 g·m^-2 in summer， -25.66 to 61.34 g·m^-2 in autumn， and -21.75 to 53.31 g·m^-2 in winter. The interannual variation range of NEE is from -18.44 to 12.22 g·m^-2·a^-1， with 14.35% of the regions showing an increasing trend in ecosystem carbon sinks. This study enhances the understanding of the carbon sequestration potential of terrestrial ecosystems concerning climate and vegetation cover changes， laying a foundation for accurately assessing the stability of ecosystem carbon sinks and their role in carbon neutrality.

Graphical abstract

关键词

碳汇/源 / 陆地生态系统 / 净生态系统碳交换（NEE） / 气候变化 / 宁夏

Key words

carbon sink / carbon source / terrestrial ecosystem / net ecosystem carbon exchange（NEE） / climate change / Ningxia

愈演愈烈的气候变化正在对生态系统产生巨大而深远的影响^[1-2]，已成为全球关注的问题。随着气候变化和人类活动的不断增强，部分地区的生态功能甚至出现丧失的情况，从而威胁到生态系统的稳定以及人类的可持续发展^[3-5]。陆地生态系统包含一系列时空连续、尺度多元且互相联系的生态学过程^[6-7]，在缓解全球气候变化方面发挥着重要作用^[8]。其中，中国陆地面积约占全球陆地面积的6.5%，贡献了相当于全球陆地生态系统净CO₂吸收量的10%~31%，表明中国陆地生态系统在全球生态系统碳汇中具有重要作用^[9-10]。自2000年以来，中国净生态系统生产力（net ecosystem productivity，NEP）整体呈增加趋势^[11]。然而，国内不同区域NEP的年际变化趋势并不相同，例如，2000—2020年西南地区^[12]和2000—2015年青海高原的NEP呈显著上升趋势^[13]，而2000—2020年海南岛森林NEP呈不显著的下降趋势^[14]。

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一^[15]。宁夏位于我国西部黄土高原边缘地区，地处半干旱向干旱过渡带，生态环境较为脆弱。近年来，生态工程的实施使得宁夏植被生态环境有所改善，学者开始关注气候变化和人类活动对宁夏草地植被动态的贡献。赵慧等^[6]研究发现，2000—2022年宁夏植被潜在净初级生产力、实际净初级生产力分别以4.27、6.60 g·m^-2·a^-1的速率呈增长趋势。杨猛^[16]通过构建CASA（carnegie-ames-stanford approach）模型和回归模型，发现2000—2019年宁夏NEP呈增强趋势，年际NEP呈南北高、中间低的分布特征，其中，南部山区与北部引黄灌区整体表现为碳汇，中部干旱带整体表现为碳源。然而，有关气候变化对宁夏生态系统碳汇影响及关键影响因子的研究仍相对不足。

宁夏作为对全球气候变化响应最敏感的地区之一，气候正经历“暖干化”向“暖湿化”的潜在转变^[6]。气温升高加剧了土壤微生物活性，导致土壤有机碳分解加速，削弱了碳汇功能。同时，降水模式的改变，特别是降水的增加，促进了植被生长，增强了光合作用，从而提升了碳汇能力。此外，该地气候类型多样、自然地理条件复杂和空间组合变化明显、降水和气温空间分布很不平衡、植被覆盖存在很大的空间异质性^[17]。以上升温、增湿，以及植被变化等因素之间的博弈，是决定宁夏碳汇变化方向的核心自然驱动力。为进一步明确气候变化和人类活动在宁夏不同地区植被变化中的相对作用，并明确不同时间尺度宁夏生态系统碳汇/源分布特征，以及不同气候因子对该区域生态系统碳汇的贡献，本文依据全球环境数据库的净生态系统碳交换量数据集（global environment database-net ecosystem exchange，GED-NEE），结合遥感、气象等数据，探析1999—2019年宁夏地区NEE的时空分布特征、变化趋势及其对不同气候因子的响应，以期为促进宁夏地区减排增汇、生态保护和高质量发展提供理论支撑。

1 研究地区与资料

1.1 研究地区

宁夏位于我国西部内陆，地处黄土高原、蒙古高原和青藏高原的交汇地带，属黄河中上游地区。全区位于半干旱向干旱过渡带，属温带大陆性干旱、半干旱气候，生态系统脆弱而敏感。宁夏东邻陕西省，西部、北部接内蒙古自治区，南部与甘肃省相连，总面积为6.64万km²；地理位置介于104°17′E—107°39′E，35°14′N—39°23′N。

1.2 研究资料

使用全球环境数据库的净生态系统碳交换量数据集（GED-NEE），该数据集中数据的持续时间为1999—2019年，空间分辨率为0.1°×0.1°，时间分辨率为10 d，单位为g·m^-2·10^-1·d^-1。本文将10 d的数据转换为月数据。

相比已有研究使用的总初级生产力和净第一性生产力数据^[8，18-19]，GED-NEE减去了自养呼吸和异养呼吸、火烧、病虫害、动物啃食、森林砍伐，以及农林产品等非生物呼吸代谢的光合产物^[22-23]。因此，使用GED-NEE对生态系统碳汇的描述更为准确。NEE<0，表示生态系统为碳汇；NEE>0，表示生态系统为碳源；NEE=0，表示碳收支平衡。

气候及地表通量资料来自MERRA-2（Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications， version 2）和GEE-CHIRPS（Google Earth Engine，Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Stations）1980—2022年空间分辨率为0.1°×0.1°的数据集。

2 研究方法

2.1 生态系统碳汇分析方法

陆地生态系统NEE年际变化趋势采用一元线性回归分析法，趋势斜率（NEE_slope）表示NEE的年际变化速率，由此得到宁夏生态系统每个像元的变化趋势，进而反应NEE在全球范围内的时空变化规律。NEE_slope的计算公式为

\begin{array}{l}\mathrm{N}\mathrm{E}{\mathrm{E}}_{\mathrm{s}\mathrm{l}\mathrm{o}\mathrm{p}\mathrm{e}}=\\ \frac{n\cdot {\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\left(i\cdot \mathrm{N}\mathrm{E}{\mathrm{E}}_i\right)-{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n\mathrm{N}\mathrm{E}{\mathrm{E}}_i{\sum }_{i=\mathrm{1}}^{n}i}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{i}^{\mathrm{2}}-{({\sum }_{i=\mathrm{1}}^{n}i)}^{\mathrm{2}}}\end{array}。（1）

式中：n为NEE时序数据所跨的年数（n=21）；NEE _i 为第i年的NEE值，g·m^-2。当NEE_slope>0时，表示NEE随着时间变化呈现增加趋势，反之，则不然。

2.2 逐步回归分析方法

选取土壤温度（ST）、土壤含水量（SM）、气温（T）、2 m高度大气昼夜温差（DTR）、地表热通量（Q_g）、地表感热通量（Q_h）、地表潜热通量（Q_le）、有效降水天数（Wetdays）等关键指标详细量化影响NEE的成因。

逐步回归可以通过一个预设的、标准化的统计流程自动筛选出最重要的变量，极大地减少了研究者凭个人经验或主观偏好选择变量可能带来的偏差，使模型的构建过程更加客观和具有可重复性。因此，本研究选用逐步回归分析方法，计算影响生态系统碳汇/源变化的主要影响因子。具体方法为在R Studio中，使用leaps包中的regsubsets函数，利用逐步向前回归分析法，每次添加一个影响因子到模型中，直到模型中R²不再增加为止。

3 结果与分析

3.1 生态系统碳汇/源的季节变化特征

3.1.1 生态系统碳汇/源的空间分布

宁夏NEE在春、夏、秋、冬4 个季节的分布分别为-36.87~

-81.46、-354.93~-4.50、-25.66~61.34、-21.75~

53.31 g·m^-2（图1）。陆地NEE的最小值-354.93 g·m^-2出现在夏季（图1b），而最高值81.46 g·m^-2出现在春季（图1a），这与中国陆地生态系统NEE最高值出现在冬季不同。图1表明，宁夏生态系统碳汇具有明显的季节性变化，从单位面积来看，夏季该生态系统表现为显著碳汇，而冬季表现为显著碳源。

从区域角度分析，春季NEE最低值出现在宁夏中部的吴忠市，而最高值出现在宁夏北部的银川市，分别为-36.87，81.46 g·m^-2（图1a）。宁夏中东部、北部贺兰山地区均表现为显著碳汇；相反，宁夏南部山区以及北部的黄河沿岸表现为显著碳源（图1a）。整体来看，春季宁夏地区NEE为-7.45 g·m^-2，其中，75.94%的地区表现为生态系统碳汇，20.09%的地区表现为生态系统碳源，而剩余3.97%的地区生态系统呈碳平衡状态（图2）。

夏季宁夏地区均表现为生态系统碳汇（图1b）。夏季NEE最低值出现在南部山区的固原市，而最高值出现在中卫市，分别为-354.93、-4.50 g·m^-2。整体来看，夏季宁夏地区NEE均值为-62.70 g·m^-2。南部山区和北部平原地区碳汇作用最为显著（图1b）。

秋季NEE最低值出现在宁夏中部的吴忠市，而最高值出现在宁夏北部的银川市，分别为-25.66、61.34 g·m^-2（图1c）。宁夏中部、北部贺兰山山脉碳汇较为明显，南部山区以及北部的银川市表现为明显的碳源（图1c）。整体来看，秋季宁夏地区NEE均值为-2.57 g·m^-2，其中，72.63%的地区表现为生态系统碳汇，20.97%的地区表现为生态系统碳源，而剩余6.40%的地区呈生态系统碳平衡（图2）。

冬季NEE最低值出现在宁夏中部的吴忠市，而最高值出现在宁夏北部的银川市，分别为-21.75、53.31 g·m^-2（图1d）。宁夏中部、北部贺兰山山脉碳汇较为明显，而南部山区以及北部的黄河沿岸表现为明显的碳源（图1d）。整体来看，冬季是宁夏地区唯一表现为碳源的季节，NEE均值为1.89 g·m^-2，其中，48.12%的地区表现为生态系统碳汇，45.70%的地区表现为生态系统碳源，而剩余6.18%的地区呈生态系统碳平衡（图2）。

3.1.2 生态系统碳汇/源的季节变化特征

气候条件差异影响植被物候、群落动态及生态系统生产力，造成生态系统碳汇的时间变化。应用一元线性回归分析方法，计算得出1999—2019年宁夏生态系统NEE逐个像元的季节变化趋势。宁夏生态系统NEE的空间变化相对较大，春季NEE的最大变化率在-5.12~7.25 g·m^-2（图3a，表1）。整体来看，春季94.92%的地区生态系统碳汇呈减弱趋势，仅5.08%的地区生态系统碳汇呈增强趋势。从空间角度来讲，春季NEE下降的最低值出现在北部贺兰山区；南部山区NEE也表现为明显的下降趋势，碳汇能力趋于增强；而其余多数地区，NEE均表现为增长趋势，碳汇能力趋于下降。

夏季是宁夏NEE变化最大的季节，在-16.79~4.49 g·m^-2（图3b，表1）。整体来看，夏季57.40%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，42.60%的地区生态系统碳汇呈减弱趋势。从空间角度来讲，北部银川平原和南部山区NEE均表现为明显的下降趋势，碳汇能力趋于增强；而中部地区，NEE表现为增长趋势，碳汇能力趋于下降。

宁夏秋季NEE变化区间为-1.98~2.59 g·m^-2（图3c，表1）。整体来看，秋季23.84%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，76.16%的地区生态系统碳汇呈减弱趋势。从空间角度来讲，南部山区多数地区NEE表现为明显的下降趋势，碳汇能力趋于增强；北部银川平原和贺兰山部分地区碳汇能力也呈增强趋势；中部和北部多数地区，NEE表现为增长趋势，碳汇能力趋于下降。

宁夏冬季NEE变化区间为-2.70~3.60 g·m^-2（图3d，表1）。整体来看，冬季5.96%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，94.04%的地区生态系统碳汇呈减弱趋势。从空间角度来讲，南部山区和北部银川平原、贺兰山部分地区NEE表现为明显的下降趋势，碳汇能力趋于增强；而中部的广阔地区，生态系统碳汇均呈下降趋势。

3.2 生态系统碳汇/源空间分布的年际变化特征

3.2.1 生态系统碳汇/源的年空间分布

1999—2019年，宁夏地区生态系统年均NEE在-291.43~-14.56 g·m^-2，逐个像元的年均分布具有明显的地域差异（图4）。年均NEE在[-291.43，-275）g·m^-2约占0.22%；在[-275，-250）g·m^-2约占0.44%；在[-250，-225）g·m^-2，[-225，-200）g·m^-2，[-200，-175）g·m^-2，[-175，-150）g·m^-2均约占0.22%；在[-150，-125）g·m^-2约占0.44%；在[-125，-100）g·m^-2约占7.95%；在[-100，-75）g·m^-2约占20.53%；在[-75，-50）g·m^-2约占53.64%；在[-50，-25）g·m^-2约占13.69%；在[-25，-14.56）g·m^-2约占0.66%。总体而言，1999—2019年间宁夏地区年均NEE为-71.38 g·m^-2，表明宁夏地区整体表现为生态系统碳汇。

宁夏地区生态系统碳汇最高值和最低值均出现在南部山区。此外，北部也存在低NEE的片状地区，这也正是黄河流经地区，表明我国在黄河流域开展生态保护工程效果显著，对提高区域生态系统固碳贡献卓越。然而，中部荒漠地区的生态系统碳汇相对较低，最主要原因是积温和降水变化不足以满足区域植被生长。

3.2.2 生态系统碳汇/源的年际变化特征

应用一元线性回归分析方法，计算得出1999—2019年宁夏NEE逐个像元的年际变化空间分布，最大变化区间在-18.44~-12.22 g·m^-2·a^-1（图5）。NEE_slope在-18.44~-15 g·m^-2·a^-1约占1.10%，在-14~-12 g·m^-2·a^-1约占0.22%，在-11~-9 g·m^-2·a^-1约占0.66%，在-8~-6 g·m^-2·a^-1约占1.77%，在-5~-3 g·m^-2·a^-1约占3.98%，在-2~0 g·m^-2·a^-1约占6.62%，为0 g·m^-2·a^-1约占18.10%，在1~3 g·m^-2·a^-1约占23.84%，在4~6 g·m^-2·a^-1约占16.56%，在7~9 g·m^-2·a^-1约占20.75%，在10~12 g·m^-2·a^-1约占6.40%。宁夏14.35%的地区的NEE呈现减弱态势，表明这些地区生态系统碳汇呈增强趋势；18.10%的地区的NEE保持不变，表明这些地区保持碳平衡；67.55%的地区NEE呈增加趋势，表明这些地区碳吸收能力呈现减弱趋势。

整体看来，1999—2019年宁夏地区碳汇显著增加的区域主要集中在宁夏南部山区，其次是北部贺兰山区和黄河流经地区；碳汇减少区主要集中在中部荒漠区。21 a间，宁夏地区生态系统碳汇增加的地区显著小于碳排放增加的地区，生态系统碳排放以2.92 g·m^-2·a^-1的速率呈增加趋势，表明宁夏地区生态系统碳汇能力呈减弱趋势。

3.3 生态系统碳汇/源变化的影响因素

从气候因子对宁夏生态系统碳汇/源变化的综合影响来看，暖湿化是生态系统碳汇增加的主要原因（图6）。具体来说，伴随土壤温度（ST）、土壤含水量（SM）、地表潜热通量（Q_le），以及有效降水天数（Wetdays）的增加，宁夏地区NEE呈现极显著的快速下降趋势（图6a~6c，6f）。逐步像元回归表明，以上气候因子对NEE的贡献度为0.971 8。其中，ST（0~10）和ST（40~100）与NEE的决定系数分别为0.71和0.56（图6a），SM（0~10）与NEE的决定系数为0.66（图6b）。潜热通量（Q_le）和Wetdays对NEE的决定系数分别为0.88和0.86（图6c，6f），对碳汇的积累起到重要作用。其次是气温（T）与NEE的决定系数为0.71（图6d）。然而，SM（40~100）、地表热通量（Q_g）与NEE的决定系数仅为0.08和0.30（图6b，6c）。而2 m高度大气昼夜温差（DTR）与NEE无显著相关性（图6e）。因此，可以判断暖湿化是引起宁夏生态系统碳汇增强的主要原因。

4 结论与讨论

4.1 结论

宁夏生态系统整体表现为碳汇，但其强度呈现明显的时空异质性。本研究表明，宁夏NEE为-71.38 g·m^-2·a^-1。NEE的空间变化相对较大，具有明显的纬度和地域差异，空间分布最大变化区间在-291.43~-14.56 g·m^-2·a^-1，整体表现为南部山区及北部黄河沿岸碳汇较高；中部荒漠地区生态系统碳汇相对较低，这主要是因为积温和降水变化不足以满足区域植被生长。1999—2019年宁夏地区NEE年际最大变化区间为-18.44~12.22 g·m^-2·a^-1，14.35%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，18.10%的地区保持碳平衡，67.55%的地区碳汇能力呈现减弱趋势。从气候变化角度分析，暖湿化是引起宁夏生态系统增汇的主要原因。

冬季是宁夏地区一年中唯一整体表现为碳源的季节，其余季节均表现为生态系统碳汇。春季仅5.08%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，夏季57.40%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，秋季23.84%的地区生态系统碳汇呈增强趋势，冬季5.96%的地区生态系统碳汇呈增强趋势。

4.2 讨论

植被固碳是陆地生态系统碳汇的重要组成部分，植被恢复亦成为提升碳汇的主要手段^[20]。探讨生态系统碳汇/源空间分布及变化趋势，对于区域生态安全和“双碳”战略的实施具有重要意义。中国陆地生态系统碳汇大体呈东南高，西北低的空间格局^[21-23]。20世纪末以来，中国通过生态恢复增加了植被覆盖度，增加了陆地碳汇^[21]。通过将遥感和机器学习与建模方法相结合，发现气候变化和人类活动（如生态恢复、耕地扩张和城市化）交互作用改变了中国陆地生态系统结构和功能的生物和物理途径，包括植被覆盖、地表热通量、水通量和植被碳汇，2010年中国植被固碳呈加速增长趋势^[21]。北方农牧交错带、黄土高原、关中平原、秦岭以及东北地区的兴安岭、长白山等地区也表现出较强的碳汇能力^[23-24]。

气候变化背景下，中国陆地生态系统碳汇呈明显增加趋势，但区域差异显著，东部季风区碳汇增加显著，季风过渡带和非季风区碳汇呈波动增长趋势，尤其黄河沿岸等地区碳汇增加显著^[25]。20世纪末，我国在黄土高原地区开展大规模生态工程，森林、灌丛和草地的面积显著增加。通过庞大的灌溉渠系，黄河为这些生态工程提供了保障，直接提供了形成这些碳汇系统所必需的水分条件。黄土高原成为我国植被固碳增加幅度最大的区域之一^[26]。赵慧等^[6]研究发现，2000—2022年，宁夏地区生态系统碳汇呈增长趋势，其中74.4%的地区生态系统碳汇增长与降水呈正相关。杨猛^[16]通过构建CASA模型和回归模型研究发现，2000—2019年宁夏NEP呈增强趋势，年际NEP呈南北高、中间低的分布特征。马益婷^[27]研究表明，贺兰山森林生态系统碳储量变化受相对湿度影响较大，这与本研究所得结论暖湿化是引起生态系统碳汇增强的主要原因相一致。

相较于以往的研究，本研究将不同时间尺度纳入研究范围，量化了宁夏生态系统碳汇不同时间的空间分布、变化趋势以及影响因素，弥补了以行政区为单元的局限性，能以较小的国土空间资源投入获得较大的固碳增汇效益，有利于推动构建面向“双碳”目标的国土空间格局体系，助力“双碳”目标顺利实现。

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基金资助

秦岭和黄土高原生态环境气象重点实验室开放研究基金项目(2024G-43)