全 文 ：第 33 卷第 9 期
2013 年 5 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 9
May,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金项目 (41001388,41071057,40901131)
收稿日期:200-00-00; 　 　 修订日期:200-00-00
∗通讯作者 Corresponding author. E-mail: lijing@ snnu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201202130187
周自翔,李晶,冯雪铭 .基于 GIS的关中-天水经济区土地生态系统固碳释氧价值评价.生态学报,2013,33(9):　 - 　 .
Zhou Z X, Feng X M, Li J. The value of fixing carbon and releasing oxygen in the Guanzhong-Tianshui economic region using GIS. Acta Ecologica Sinica,
2013,33(9):　 - 　 .
基于 GIS的关中-天水经济区土地
生态系统固碳释氧价值评价
周自翔,李　 晶∗,冯雪铭
(陕西师范大学旅游与环境学院, 西安　 710062)
摘要:气体调节服务功能是生态服务功能的重要的一部分,生态系统的固碳释氧功能,对于人类社会和整个动物界以及全球气
候平衡,都具有重要意义。 本文采用光合作用方程式,利用遥感估算模型,基于植被 NPP(第一性生产力)物质量测算结果,测
算关中-天水天经济区绿色植物固碳释氧物质量,以此为基础,分别采用造林成本法和工业制氧法测算其价值量,探讨关天经济
区生态系统固碳释氧价值的时间变化、空间分布。 结果表明:1)1998—2007 年关天水经济区年固定 CO2 的价值量为 226. 35 亿
元 / a。 十年间 2005 年固定 CO2的价值量最高,为 301. 73 亿元 / a,2002 年最低,为 159. 06 元 / a。 释放 O2 价值量取两种测评方法
的平均值,年平均价值量为 240. 45 亿元 / a,比固定 CO2 的年均值多 14. 1 亿元 / a。 2)从各土地利用类型来看,1998 年和 2007 年
平均固碳释氧价值排序为:林地>草地>耕地>其他类型。 耕地向林地、草地转变时,平均固碳释氧价值分别增加了 1614. 29 元 /
(hm2·a)、1960. 67 元 / (hm2·a),林地、草地向耕地转变时平均固碳释氧价值分别减少了 1081. 37 元 / ( hm2·a)、1706. 60 元 /
(hm2·a)。 3)从空间分布上来看,南部各县的单位面积固定 CO2 和释放 O2 价值普遍高于北部各县,总体上分布沿南部向北部
逐渐降低。
关键词:NPP;土地生态系统;固碳释氧价值;关中-天水经济区
The value of fixing carbon and releasing oxygen in the Guanzhong-Tianshui
economic region using GIS
ZHOU Zixiang, FENG Xueming, LI Jing
College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, Shaanxi, China
Abstract: Quantitatively evaluating the functions of CO2 fixation and O2 production is important in the study of ecological
systems. This article attempts to measure and evaluate the rate of carbon fixation and oxygen release in terrestrial ecological
systems using remote sensing, to provide baseline data for the regional environment. Changing land use and land cover types
influence vegetation composition and health, so understanding the effects of these changes on carbon fixation and oxygen
production provides an important tool for monitoring ecosystem responses to environmental change. Solar radiation is the
primary source for physical and biological processes in the atmosphere and on the surface of the earth. This is the only
energy source used by green plants during photosynthesis. Green plants produce all organic assimilates through
photosynthesis. Net plant productivity (NPP) is the total amount of organic matter accumulated by vegetation per unit area
and time, and equals the difference between the carbon absorbed by photosynthesis and the carbon released by autotrophic
respiration NPP reflects not only the productivity of a plant community in its natural environment, but also its ability to
sequester carbon. The balance between carbon fixation and oxygen production plays a key role in global biogeochemical
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carbon cycles. So, carbon flows through an ecosystem are an important determinant of the ecosystems ability to act as a
carbon sink. Using remote-sensing images and precipitation, temperature, and total solar radiation data from1998 to 2007,
and a light utilization efficiency model, we studied the effects of changes in these parameters and land use and cover types
on the ability of plants to fix carbon and produce oxygen in the Guanzhong-Tianshui economic region. The results show: 1)
the economic value of carbon fixation is 22. 635 billion yuan·a-1 in the Guanzhong-Tianshui economic region. Over the
past ten years, the highest value of carbon fixation was in 2005 at 30. 173 billion yuan·a-1; the minimum was 15. 906
billion yuan a-1 in 2002. By taking an average of the two measuring methods the value of oxygen released, the average value
is 24. 045 billion yuan a-1, more than 1. 41 billion yuan a - 1 higher than the value of carbon fixation. 2) From the
perspective of land use types in the Guanzhong-Tianshui economic region, forestland > grassland > cultivated land > other
types. From 1998 to 2007, the value for farmland converted to forest land or grassland for average carbon fixation and
oxygen production has increased by 1,614. 29 yuan / hm2 a and 1,960. 67 yuan / hm2 a ,respectively. Forest land and
meadow changed to cultivated land has had the average value for carbon fixation and oxygen production reduced to 1,081. 37
yuan / hm2 a and 1706. 60 yuan / hm2 a, respectively. 3) From a spatial distribution perspective, unit area value of carbon
fixation and oxygen production in the southern counties is higher than in the northern counties of the Guanzhong-Tianshui
economic region with the value gradually declining from the south to north. By examining the values of carbon fixation and
oxygen production based on the NDVI data in various climate scenarios, we were able to explore the influences of land use
and cover changes on carbon fixation and oxygen production, as well as the effects of climate change. Carbon fixation and
oxygen production in northern Chinas agriculture and animal husbandry region and the endangered central loess region—
which has serious soil erosion and high evaporation rates is—declining in value. Therefore, study of this fragile ecological
environment is relevant.
Key Words: carbon fixation; Guanzhong-Tianshui economic region; ecosystem NPP; oxygen production
生态系统服务一般指自然生态系统及其所属物种支撑和维持人类生存的条件和过程[1]。 有机质生产为
人类的生存和生产提供最基本的物质资料,植被净第一性生产力(Net Primary Productivity, NPP),即绿色植
物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量,能很好地来说明植物的生理生态过程,也是研究碳循环的重
要指标[2-4]。 气体调节服务功能也是生态服务功能的重要的一部分。 气体调节服务功能指的是生态系统对
于 CO2 / O2 平衡,O3防紫外线,SO2 水平方面的服务功能[5]。 本文只考虑生态系统的 CO2 / O2 平衡功能。 绿色
植物通过光合作用吸收空气中的 CO2,生成葡萄糖等有机物质并释放出 O2,绿色植物的这种功能对于维护大
气中 CO2 / O2 的稳定有着重要作用[6
-8]。 随着工业生产的发展,排入大气的 CO2 越来越多,而绿色植物在光合
作用中能够固定大气中的 CO2 并释放出 O2,因此对缓解大气 CO2 浓度升高有重要作用[9-10]。 因此定量评价
生态系统固定 CO2 和释放 O2 功能的价值,对于人类合理生产生活行为具有重要意义。
国内外虽然对生态系统的服务功能分类不尽相同,而且固碳释氧功能有多种名称或类别,但实际的功能
是一样的。 Constanza[11]及 Daily[12]等在世界上最先开展了对全球生物圈生态服务价值的估算。 根据 Costanza
等[11]的估算,森林生态系统气候调节(温室气体调节等)的平均价值是 141·hm-2·a-1 美元,土壤形成(有机
物积累等)的平均价值是 10·hm-2·a-1 美元,原材料(木材等)的平均价值是 138·hm-2·a-1 美元。 国内不
少学者对区域植被净第一生产力和固碳释氧价值的总量进行了研究,张宪洲[13]利用 Miami 模型、筑构模型、
TM模型,分别估算了我国自然植被净第一性生产力。 余新晓等[14]根据全国第 5 次资源清查资料(1994—
1998 年)及 Costanza等人的计算方法估算了我国森林生态系统固碳释氧服务功能的经济价值是 14399. 23 亿
元 / a。 马长欣等[15]估算了 1999—2003 年陕西省森林生态系统年固碳经济价值是 328. 27 亿元,年释氧经济
价值为 732. 35 亿元,总价值 1060. 62 亿元。 陈莉等[16]应用 CITYGREEN 模型估算了深圳市 1990、1995、
2000、2005 年绿地固碳释氧的生态服务价值分别为 44. 69 亿元、45. 49 亿元、44. 71 亿元、40. 78 亿元。
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关中-天水经济区作为环北部湾经济区和继成渝经济区之后西部的第 3 个重点发展经济区,政治、经济和
文化得到快速发展。 本文以关中-天水经济区为研究区,利用 SPOT(NDVI)数据并采用模型估算第一性生产
力(NPP)计算该区域生态系统服务的物质量,依据光合作用方程式,基于植被 NPP 测算结果,分别测算关中-
天水经济区土地生态系统固碳释氧物质量、价值量,研究其时空变化情况,为土地资源可持续利用和经济社会
可持续发展的顺利实施提供决策基础,对于保护和改善区域生态环境、深化人地关系研究, 具有十分重要的
意义。
1　 数据源和研究方法
1. 1　 研究区概况
关中-天水经济区在行政单元上分为关中地区、陕南商洛部分区县和甘肃省天水市。 地理坐标为 104°34′
47″E—110°48′38″E,35°51′17″N—33°21′38″N总面积约 8. 01×104 km2。 关中包括西安、铜川、宝鸡、咸阳、渭南
5 个省辖地级市;陕南商洛地区,位于陕西省东南部,秦岭南麓,与鄂豫两省交界,辖商州、洛南、丹凤、山阳、商
南、镇安、柞水 7 县(区);天水位于甘肃东南部,辖武山、甘谷、秦安、清水、张家川回族自治县五县和秦州、麦
积两区(见图 1)。 关中-天水经济区地处内陆,降水量偏少,属暖温带半湿润、半干旱气候。 这里地势平坦,土
壤肥沃,渠道纵横,自然条件优越,适宜人类生产、生活。 关中-天水经济区是《国家西部大开发 “十一五”规
划》中提出的三大重点经济区之一,是深入推进西部大开发的一个重大措施,对于贯彻落实科学发展观,推动
甘陕两省乃至整个西北地区的长远发展,都具有重大的战略意义。
图 1　 关中-天水经济区行政区划图
Fig. 1　 Administrative Division of the Guanzhong-Tianshui Economic zone
1. 2　 数据来源和方法
本文主要基础数据包括 1998 年和 2007 年的美国陆地卫星 TM影像,分辨率为 30 m,1998—2007 年 10 年
的 SPOT(NDVI)数据,分辨率为 1000 m。 本文采用辅助数据为关中-天水经济区的行政区划、土壤植被分布
图、自然地理基础资料和野外样点调查资料,数字高程数据。 用 ArcGIS9. 3 作为数据处理分析平台,参照关
中-天水经济区土地利用图,在 ERDAS环境下,将 TM遥感影像进行拼接、辐射校正、裁剪和监督分类,根据研
究区域范围相对较大,地形不很复杂的特点,建立了关天地区六大类土地景观类型,分为耕地、林地、草地、水
体、建筑用地和未利用地。
3　 9 期 　 　 　 周自翔　 等:基于 GIS的关中-天水经济区土地生态系统固碳释氧价值评价 　
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1. 2. 1　 第一性生产力 NPP 物质量计算
第一性生产力(NPP),是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量,它反映了植覆被类
型在一定环境条件下的生产能力。 目前,NPP 模型分为三类,即气候生产力模型、生理生态过程模型和遥感
模型(光能利用率模型) [2,17-18],其中植被 NPP 估算的主要发展方向之一是光能利用率模型。 NPP 是陆地地
表碳循环过程的重要组成部分,能够反应出陆地生态系统的质量状况,因为在区域或全球尺度上,人们无法直
接和全面测量 NPP,利用光能利用率模型估算 NPP 成为一种重要的研究方法。 本文在分析对比各类 NPP 评
测模型的基础上,选择基于遥感数据的光能利用率模型对关中-天水经济区 10 个年份 NPP 空间格局进行构
建,并和国内其它研究以及实测数据进行比较,使得结果更加可靠。 光能利用率模型中植被 NPP 可以由植被
吸收的光合有效辐射( APAR )和实际光能利用率(ε)两个因子的积表示,具体模型如下:
NPP(x,t) = APAR(x,t) × ε x,t( ) (1)
式中, APAR(x,t) 表示像元 x在 t月份吸收的光合有效辐射(MJ / m2); ε x,t( ) 表示像元 x 在 t月份的实际光
能利用率(gC / MJ)。
APAR x,t( ) = SOL x,t( ) × FPAR x,t( ) × 0. 5 (2)
FPAR x,t( ) = FPAR x,t( ) NDVI + FPAR x,t( ) SR( ) / 2
FPAR x,t( ) NDVI =
NDVI x,t( ) - NDVIi,min( ) × FPARmax - FPARmin( )
NDVIi,max - NDVIi,min( )
+ FPARmin
FPAR x,t( ) SR =
SR x,t( ) - SR i,min( ) × FPARmax - FPARmin( )
SR i,max - SR i,min( )
+ FPARmin
SR x,t( ) = 1 + NDVI x,t( )( )
1 - NDVI x,t( )( )
式中, SOL x,t( ) 表示 t月份在像元 x处的太阳总辐射(MJ / m2); FPAR x,t( ) 为植被层对入射光合有效辐
射的吸收比例;常数 0. 5 表示植被所能利用的太阳有效辐射(波长为 0. 38—0. 71 μm)占太阳总辐射的比例;
FPAR x,t( ) NDVI 和 FPAR x,t( ) SR 分别表示由归一化植被指数( NDVI )和比值植被指数( SR )计算所得的植被
层对入射光合有效辐射的吸收比例; FPAR x,t( ) max 和 FPAR x,t( ) min 的取值与植被类型无关,分别为 0. 95 和
0. 001; NDVIi,min和 NDVIi,max分别为第 i种植被类型的 NDVI最小值和最大值; SR i,max和 SR i,min和分别为第 i种
植被类型的比值植被指数最大值和最小值; NDVI x,t( ) )和 SR x,t( ) 分别表示 t 月份像元 x 处的归一化植被
指数和比值植被指数。
Potter等[19]认为在理想条件下植被具有最大光能利用率,而在现实条件下的最大光能利用率主要受温度
和水分的影响,即:
ε x,t( ) = Tε1 x,t( ) × Tε2 x,t( ) × wε x,t( ) × εmax (3)
式中, Tε1 x,t( ) 、 Tε2 x,t( ) 和 wε x,t( ) 分别表示低温、高温和水分的胁迫系数;εmax 是理想条件下的最大
光能利用率( gC / MJ );取值根据朱文泉等人[20]的研究方法获得。
Tε1 x,t( ) = 0. 8 + 0. 02 × Topt x( ) - 0. 0005 × Topt x( )[ ] 2
Tε2 x,t( ) =
1. 184
1 + exp 0. 2 × Topt x( ) - 10 - T x,t( )( )[ ]{ }
× 1
1 + exp 0. 3 × ( - Topt x( ) - 10 + T(x,t))[ ]{ }
　 Wε x,t( ) = 0. 5 + 0. 5 × E x,t( ) / Ep x,t( )
E(x,t) =
P x,t( ) × Rn x,t( ) × P x,t( )( ) 2 + Rn x,t( )( ) 2 + P x,t( ) × Rn x,t( )[ ]{ }
P(x,t) + Rn(x,t)[ ] × P x,t( )( ) 2 + Rn x,t( )( ) 2[ ]{ }
Rn x,t( ) = Epo x,t( ) × P x,t( )[ ] 0. 5 × 0. 369 + 0. 589 ×
Epo x,t( )
P x,t( )
é
ë
ù
û
0. 5{ }
Ep x,t( ) = E x,t( ) + Epo x,t( )[ ] / 2
式中 Topt x( ) 为研究区内 NDVI值达到最高时的月均气温。 式中 E x,t( ) 为区域实际蒸散量, P x,t( ) 为
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向元 x在 t月的降水量(mm), Rn x,t( ) 为太阳净辐射量, Epo x,t( ) 为局地潜在蒸散量(mm),由 Thornthwaite
植被-气候关系模型的计算法求取[18],取月均值。
1. 2. 2　 固碳释氧测评模型
在生态系统中,有机物吸收空气中二氧化碳,通过光合作用生成碳水化合物并释放出氧气,其化学式为:
CO2+H2O→CH2O+O2
本次测算是以净第一性生产力为基础,根据光合作用方程式,每生产 1. 00 kg干物质能固定 1. 63 kgCO2,
释放 1. 2 kg的 O2,以此为基础,从生态系统的净第一性生产力物质量可以测算出生态系统固定 CO2 的物质量
及固定 O2 的物质量。 使用造林成本法可以估算出该区生态系统固定 CO2 的价值。 本研究采用中国造林成
本 260. 90 元 / t。 使用工业制氧法估算其释放 O2 的价值。 本研究采用中国造林成本 352. 93 元 / t和工业制氧
成本 0. 4 元 / kg[8,21]的平均值。
1. 2. 3　 固碳释氧价值量变化趋势分析方法
为了研究固碳释氧价值量的空间整体趋向性,本文引入最小二乘法,计算每个象元在时间上的动态倾向。
计算公式如下:
B =
∑
n
i = 1
X iTi -
1
N∑
n
i = 1
X i∑
n
i = 1
Ti
∑
n
i = 1
Ti2 -
1
N ∑
n
i = 1
Ti( )
2
(4)
式中: B为线性倾向值; x为固碳释氧象元价值量; t为年份; n =10,当 B >0 时,随着时间 t的增加, x呈
上升趋势;当 B <0,随着时间 t的增加, x呈下降趋势。
2　 结果分析
2. 1　 土地生态系统净第一性生产力测评
1998—2007 年关中-天水经济区的 NPP 单位面积物质量基本围绕 7 t / (hm2·a)上下波动,以 5 年为一个
周期。 前 5 年波动比后 5 年波动大。 前 5 年最大值为 1999 年的 8. 40 t / (hm2·a),最小值为 2002 年 4. 68 t /
(hm2·a),极差为 3. 82 t / (hm2·a);后 5 年最大值是 2005 年的 8. 88 t / (hm2·a),最小值为 2003 年的 6. 09
t / (hm2·a),极差为 2. 79 t / (hm2·a)。 其中 2002 年 NPP 值处最低谷,这是由于当年降雨量较少,人类破坏
较明显,因此 NPP 值低。
由表 1 和图 2 可以看出 1998—2007 年十年间关中-天水经济区各土地利用类型的 NPP 的变化趋势,由于
无法获得每一年的土地利用数据,本文只考虑了研究初期和研究末期的土地生态系统各土地利用类型的植被
NPP 物质量以及固定和释放氧气的物质量价值量变化。 从均值看,1998 年和 2007 年 NPP 排列顺序均为林
地>草地>耕地>其它类型。 由于在分类过程中,将滩涂、湿地等归入未利用地,因此,1998 年未利用地的 NPP
平均值高于耕地的平均值。 从总量来看,1998 年各类型 NPP 排序为耕地>林地>草地>其它类型。 2007 年
NPP 排列顺序为耕地>草地>林地>其它类型。 这是由各类型面积决定的。
表 1　 关中-天水经济区土地生态系统 NPP变化表
Table 1　 Net primary productivity of different landuse types in Guanzhong-Tianshui Economic Zone
土地类型
Landuse catagory
土地利用面积 / hm2
Landuse area
1998 年 2007 年
NPP (t / a)
The matter amount of NPP
1998 年 2007 年
NPP 平均值(t / hm2·a)
Average of The matter
amount of NPP
1998 年 2007 年
耕地 Cropland 3554103. 08 3531712. 47 18068916 19791951 5. 215 5. 763
林地 Woodland 1954046. 47 1860564. 77 17369961 14519391 9. 307 8. 067
草地 Grassland 2283670. 80 2340985. 40 15548169 15321134 7. 063 6. 765
水域 Water body 81959. 32 89584. 35 387200. 1 429649 4. 945 5. 008
建筑用地 Buildland 141119. 77 159660. 35 598156. 3 719856. 6 4. 376 4. 653
未利用地 Unuse land 13095. 04 9799. 51 74098. 36 46695. 66 5. 369 4. 670
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图 2　 关中-天水经济区土地生态系统 NPP物质量均值和总量变化
Fig. 2　 The change of Net primary productivity release by landuse ecosystem in Guanzhong-Tianshui Economic Zone
2. 2　 土地生态系统固碳释氧物质量测评
土地生态系统固碳释氧物质量由 NPP 测算得到。 见表 2,关中-天水经济区 1998—2007 年固定 CO2,2007
年比 1998 年减少了 0. 2% 。 总体来看,10 年来,固定 CO2 动态变化持稳定状态。 而各市每年变化情况也同整
个区域变化趋势基本相同,总体来看,咸阳市增加了 1% ,商洛市减少了 0. 3% ,天水市增加了 0. 2% ,宝鸡市
减少了 1% ,杨凌区增加了 1. 9% ,渭南市增加了 0. 5% ,西安市减少了 0. 8% ,铜川市减少了 0. 1% 。 整个关
中-天水经济区释放 O2 1998—2007 年呈减少趋势,各市变化情况与固定 CO2 基本相同。
表 2　 关中-天水经济区固定 CO2 和释放 O2 物质量变化表( t / a)
Table 2　 The matter of CO2 fixation and O2 release in Guanzhong-Tianshui Economic Zone
市级 City name 1998 1999 2000 2001 2002
咸阳市 固定 CO2 CO2 fixation 8294092 12052921 10349245 7646167 6024350
释放 O2 O2 release 6106080 8873316 7619076 5629080 4435104
商洛市 固定 CO2 CO2 fixation 13342772. 5 17202857 15284706 10975018 9543699
释放 O2 O2 release 9822900 12664680 11252544 8079768 7026036
天水市 固定 CO2 CO2 fixation 12954897. 7 16397311 15017027 10576842 10624047
释放 O2 O2 release 9537348 12071640 11055480 7786632 7821384
宝鸡市 固定 CO2 CO2 fixation 23661732 28528912 26156773 17569770 15577877
释放 O2 O2 release 17419680 21002880 19256520 12934800 11468376
杨凌区 固定 CO2 CO2 fixation 78404. 956 123278 109233 78029. 4 58297. 28
释放 O2 O2 release 57721. 44 90756. 84 80416. 92 57444. 96 42918. 24
渭南市 固定 CO2 CO2 fixation 10603850. 9 15431357 13316921 9111211 8013553
释放 O2 O2 release 7806516 11360508 9803868 6707640 5899548
西安市 固定 CO2 CO2 fixation 12064200. 5 14697743 13090220 9389419 8652545
释放 O2 O2 release 8881620 10820424 9636972 6912456 6369972
铜川市 固定 CO2 CO2 fixation 3835846. 4 4953391 4460674 3142624 2469695
释放 O2 O2 release 2823936 3646668 3283932 2313588 1818180
总和 Total 固定 CO2 CO2 fixation 84835796. 96 1. 09E+08 97784799 68489081 60964062
释放 O2 O2 release 62455801 80530873 71988809 50421409 44881518
市级 City name 2003 2004 2005 2006 2007
咸阳市 固定 CO2 CO2 fixation 8496994 9835273 12963716 9120029 9153982
释放 O2 O2 release 6255456 7240692 9543840 6714132 6739128
商洛市 固定 CO2 CO2 fixation 13033773 14709854 17927392 12198529 12934343
释放 O2 O2 release 9595416 10829340 13198080 8980512 9522216
天水市 固定 CO2 CO2 fixation 12355628 13399969 18920877 13243603 13268119
释放 O2 O2 release 9096168 9865008 13929480 9749892 9767940
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宝鸡市 固定 CO2 CO2 fixation 20210696 22388865 29748315 20982175 21366692
释放 O2 O2 release 14879040 16482600 21900600 15447000 15730080
杨凌区 固定 CO2 CO2 fixation 77522. 64 97551. 91 132911 92082. 45 93150. 91
释放 O2 O2 release 57071. 88 71817. 36 97848. 6 67790. 76 68577. 36
渭南市 固定 CO2 CO2 fixation 10754903 11748421 15395448 10404926 11082011
释放 O2 O2 release 7917720 8649144 11334072 7660068 8158536
西安市 固定 CO2 CO2 fixation 10782157 11774370 15350313 10680200 11151890
释放 O2 O2 release 7937784 8668248 11300844 7862724 8209980
铜川市 固定 CO2 CO2 fixation 3622871 4026312 5212365 3560474 3800557
释放 O2 O2 release 2667144 2964156 3837324 2621208 2797956
总和 Total 固定 CO2 CO2 fixation 79334545 87980616 1. 16E+08 80282019 82850745
释放 O2 O2 release 58405800 64771005 85142089 59103327 609944134
由表 3 可以看出,关中-天水经济区土地生态系统 1998 年固定 CO2 为 84835797 t / a,2007 年为 82850745
t / a,整体上看,2007 年比 1998 年减少了 2. 3% ,从各土地利用类型来看,1998 年固定 CO2的物质量总量排序
分别为:耕地>林地>草地>其它类型,2007 年为耕地>草地>林地>其它类型。 1998—2007 年整个关中-天水经
济区释放 O2的物质量呈减少趋势,变化情况与固定 CO2的物质量一致。
表 3　 关中-天水经济区土地生态系统固定 CO2和释放 O2 物质量变化表( t / a)
Table 3　 The matter of CO2 fixation and O2 release of different landuse types in Guanzhong-Tianshui Economic Zone
土地类型
Landuse catagory
固定 CO2 的物质量
The matter of CO2 fixation
1998 年 2007 年
释放 O2 物质量
The matter of O2 release
1998 年 2007 年
耕地 Cropland 29452333. 83 32260880 21682700 23750341
林地 Woodland 28313037 23666607 20843954 17423269
草地 rassland 25343514. 95 24973449 18657802 18385361
水域 Water body 631136. 1398 700327. 9 464640. 1 515578. 8
建筑用地 Buildland 974994. 7057 1173366 717787. 5 863827. 9
未利用地 Unuse land 120780. 3274 76113. 92 88918. 03 56034. 79
合计 total 84835796. 96 82850745 62455801 60994413
2. 3　 土地生态系统固定 CO2 和释放 O2价值量测评
基于关中-天水经济区固定 CO2和释放 O2 物质量的测算结果,得出 1998—2007 年固定 CO2的价值量年均
值为 226. 35 亿元 / a,其中 2005 年价值量最大,为 301. 73 亿元 / a,2002 年价值量最小,为 159. 06 亿元 / a。 释
放 O2 的价值取中国造林成本 352. 93 元 / t和工业制氧成本 0. 4 元 / k[8,21]的平均值,测算出年平均值为 240. 45
亿元 / a,比固定 CO2的平均值多 14. 1 亿元 / a。 土地生态系统 1998 年固定 CO2 的价值量为 221. 33 亿元,2007
年为 216. 16 亿元,释放 O2 的价值 1998 年为 235. 12 亿元,2007 年为 229. 62 亿元。 从各土地利用类型来看,
1998 年和 2007 年平均单位面积固碳释氧价值排序为:林地>草地>耕地>其他类型。
研究土地利用覆盖类型的变化对 NPP 的影响,得出 1998 年—2007 年固碳释氧价值的变化。 由表 4 和图
3 可以看出,当耕地向林地、草地转变时,平均固碳释氧价值分别增加了 1614. 29 元 / ( hm2·a)、1960. 67 元 /
(hm2·a),而向其他用地类型转变时,则减少了 1099. 15 元 / (hm2·a);林地、草地向耕地转变时分别减少了
1081. 37 元 / (hm2·a)、1706. 60 元 / (hm2·a),向其他用地类型转变时 ,分别减少了 2571. 96 元 / h(hm2·a)、
2929. 37 元 / (hm2·a);其他用地类型向耕地、草地、林地转变时,分别增加了 1302. 591 元 / (hm2·a)、2017. 85
元 / (hm2·a)、2276. 465 元 / (hm2·a)。 因为其他用地类型即水域、建筑用地和未利用地本身具有较低的平
均 NPP 值。
2. 4　 固定 CO2 和释放 O2价值的空间差异
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图 3　 (a)1998—2007 年关天经济区土地利用变化和(b)土地生态系统固定 CO2和释放 O2价值量变化
Fig. 3　 The change of value of CO2 fixation and O2 release by landuse ecosystem in Guanzhong-Tianshui Economic Zone
本文基于 ArcGIS软件,将关中-天水经济区的 10 个时期的固碳释氧价值图与行政区划图进行叠加,得出
1998-2007 年 10a关中-天水经济区县域平均固碳释氧价值量空间分布图(图 4)和变化趋势图(图 5)。
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表 4　 1998 年—2007 年土地利用转移和固碳释氧价值变化
Table 4　 Change of landuse and CO2 fixation and O2 release value in 1998—2007
1-耕地 2-林地 3-草地 4-其他
土地类型
Landuse category
面积 / hm2
Area
转移价值 / (元 / hm2·a)
Transfer Value
地类
Landuse category
面积 / hm2
Area
转移价值 / (元 / hm2·a)
Transfer Value
12 28132. 65 1614. 29 31 54590. 49 -1706. 60
13 73705. 14 1960. 67 32 28557. 09 -871. 72
14 26618. 67 -1099. 15 34 4340. 25 -2929. 37
21 41508. 36 -1081. 37 41 8882. 73 1302. 591
23 79906. 50 153. 92 42 1376. 37 2017. 85
24 3646. 62 -2571. 96 43 2301. 93 2276. 465
　 　 图 4 中可见,南部各县的单位面积固定 CO2和释放 O2价值普遍高于北部各县,总体上从南部向北部逐渐
降低。 关中三大地貌区中,在秦岭-关山这一地貌区,林地是主体的土地利用类型,植被覆盖度高,所以此区
的价值量最高,如处于秦岭的凤县、太白县、丹凤县、柞水县、周至县、商州区,其 10 年平均价值量分别为
7306. 35 元 / (hm2·a)、7304. 34 元 / ( hm2·a)、6906. 37 元 / ( hm2·a)、6840. 94 元 / ( hm2·a)、6461. 57 元 /
(hm2·a)、6167. 27 元 / (hm2·a);关中盆地由于分布有大面积的耕地,此区的价值量也较高,如岐山县、扶风
县、武功县、临潼区等具有较高的价值量,分别为 5088. 54 元 / (hm2·a)、5024. 71 元 / (hm2·a)、4894. 70 元 /
(hm2·a)、4645036 元 / (hm2·a),而大荔县由于存在面积较大的沙苑,区域平均价值量较低,为 3886. 76 元 /
(hm2·a),西安市区由于建筑用地居多,其价值量最低,为 2537. 58 元 / (hm2·a);渭北高原区植被覆盖度较
低,导致此区价值量较低,如彬县、长武县等价值量较低,分别为 3755. 62 元 / ( hm2·a)、3657. 04 元 / ( hm2·
a),而处于子午岭南段的宜君县境内森林覆盖率高具有较高的价值量,为 4885. 64 元 / (hm2·a);天水市天然
林地主要分布在东部、东南部的小陇山、西秦岭和关山林区,导致其单位面积固定 CO2和释放 O2 价值量整体
分布上由东南向西北依次降低,东南部麦积区价值量最高,为 5954. 69 元 / (hm2·a)a,而西部甘谷县价值量
最低,为 3354. 99 元 / (hm2·a)。
从图 5 可见,减少显著的象元主要分布在西安市城区、洛南县、凤县、渭滨区的小部分区域,倾向度<-80,
此部分面积占全区的 2% ;减少较显著的像元主要分布在秦岭-关山区大部分区域和渭北高原的旬邑县、宜君
县,倾向度介于-80—0之间,占全区的 17% ;增加较显著的像元主要分布在秦岭-关山区的小部分区域,如周
志、户县的交界地带,华县的北部,关中盆地的东部,如合阳县,澄城县,蒲城县,西部如陈仓区、金台区,天水市
的张家川回族自治区,倾向度介于 0—80,占全区的 23% ;增加显著的像元占大部分面积,占全区的 57% ,倾向
度>80,主要分布在天水市、渭北高原区、关中盆地大部分区域以及商洛市。
3　 讨论
本文采用改进的 NPP 遥感估算模型,模拟了 1998—2007 年关中-天水经济区的植被净第一生产力 NPP
和固碳释氧的物质量和价值量,并对其变化趋势及其价值量进行了时空分析。 由于生态系统的复杂性及所选
模型的差异,对 NPP 及固碳释氧的测定有一定的误差。 该研究方法基于遥感数据,而景象选取时间的天气状
况的差异也会造成遥感影像效果的差异,所以给解译结果造成误差。 本研究使用的 SPOT(NDVI)数据,分辨
率较低, 使得数据准确性不太好,在今后的研究中 NPP 的测算精度有待进一步提高。 但是运用遥感模型能
够模拟参数在空间上的连续分布,由于本文采用 10 年连续数据,数据过多,为了便于展示,采用区域统计的方
法,在 ArcGIS空间分析模块下计算了 10 年平均价值量,更加清晰地展示了空间分布效果,且在县域尺度上定
量分析了关中-天水经济区固碳释氧服务功能的差异及其变化度,对进一步完善协调区域生态系统结构、功能
提供科学合理的参考价值。 在算法上涉及经济参数,这些参数本身是变动的,只能采用一个参考量,其在取值
上会存在偏差。 本研究中所涉及的经济参数比较多,如:工业制氧价格等,这些参数本身也是随时间而变动
的,使得计算结果存在误差。 本文仅做了 NPP 在时间的变化分析,由于全球环境恶化,有很多动因,以后将重
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图 4　 998—2007 年关中-天水经济区各个县固定 CO2和释放 O2平均价值量(元 / hm2·a)空间分布图
Fig. 4　 The distribution of CO2 fixation and O2 release in Guanzhong-Tianshui Economic Zone in 1998—2007
图 5　 1998—2007 年关中-天水经济区固碳释氧价值量变化趋势
Fig. 5　 Change trend of CO2 fixation and O2 release in Guanzhong-Tianshui Economic Zone from 1998—2007
点研究 NPP 与其经济、生活的相互关系。 在关中-天水经济区水热条件较好的地区,实施退耕还林(草)工程
对植被生长的变化及不同生态系统的固碳释氧有着较明显的积极作用,但对于干旱地区的作用,尚不明确。
至于关中-天水经济区生态系统固碳释氧的根本制约因子有待于进一步地深入研究。
4　 结论
本文以关中-天水经济区为研究区,利用 SPOT(NDVI)数据并采用光能利用率模型估算第一性生产力
(NPP)计算该区域生态系统服务的物质量,依据光合作用方程式,基于植被 NPP 测算结果,分别测算关中-天
水经济区土地生态系统固碳释氧物质量,研究其时空变化,并进行分析得到以下结论:
(1)1998—2007 年 10 年间关天经济区的 NPP 变化以 5 年为一个周期。 前 5 年波动比后 5 年波动大。 对
01 　 生　 态　 学　 报　 　 　 33 卷　
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于各种土地利用类型而言,10 年来 NPP 平均值排列顺序为林地>草地>耕地>其它类型。 各类型 10 年间变化
较小,基本稳定。
(2)关中-天水经济区 1998—2007 年固定 CO2的物质量,整体上看,2007 年比 1998 年减少了 2. 3% ,从各
土地利用类型来看,固定 CO2的物质量排序为:1998 年为耕地>林地>草地>其它类型。 2007 年为耕地>草地>
林地>其它类型。 整个关中-天水经济区释放 O2的物质量从 1998—2007 年整体时段来看呈减少趋势,变化情
况与固定 CO2的物质量基本相同。
(3)关中-天水经济区 1998—2007 年固定 CO2的价值量年均值为 226. 35 亿元 / a,其中 2005 年价值量最
大,为 301. 73 亿元 / a,2002 年价值量最小,为 159. 06 亿元 / a。 释放 O2 的价值取两种测评方法的平均值,年平
均值为 240. 45 亿元 / a,比固定 CO2的平均值多 14. 1 亿元 / a。 土地利用各类型之间的转换,固碳释氧价值也
随着发生转移。
(4)从空间分布来看,南部各县的单位面积固定 CO2 和释放 O2 价值普遍高于北部各县,总体上分布沿南
部向北部逐渐降低。 关中三大地貌区中,在秦岭-关山这一地貌区,林地是主体的土地利用类型,植被覆盖度
高,所以此区的价值量最高,但 10 年间下降趋势较显著。 关中盆地由于分布有大面积的耕地,此区的价值量
居中,渭北高原区由于植被覆盖度较低,导致此区价值量最低,但两区大部有显著的上升趋势。 天水市单位面
积固定 CO2 和释放 O2 价值量整体分布上由东南向西北此次降低,价值量呈显著增加的趋势。
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21 　 生　 态　 学　 报　 　 　 33 卷