任 敏，王海波

（1.兰州大学西北少数民族研究中心，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院西北生态环境与资源研究院甘肃省遥感重点实验室，甘肃 兰州 730000；3.中国科学院西北生态环境与资源研究院黑河遥感试验研究站，甘肃 兰州 730000）

引 言

湿地被誉为“地球之肾”，是地球上单位面积生态服务价值最高［1］、固碳能力最强的生态系统［2］，它是地表重要的土地覆被类型之一，在涵养水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候、维护生物多样性和提供生产、生活资源等方面发挥重要作用［3］。湿地景观格局研究是揭示湿地生态状况、空间异质性特征以及生态过程的重要手段［4］，分析湿地景观动态变化过程有助于揭示湿地景观变化规律和机制及其与自然生态过程和社会经济活动之间的相互关系［5］。

遥感技术具有快速提取大尺度、长时间序列地表覆盖的能力［6－7］，是湿地景观信息获取的重要手段。受遥感影像资料的精度和时间等条件的限制，湿地研究大多为区域尺度上的景观格局动态分析及其驱动因素探讨［4－5，8］。干旱区湿地景观地处我国西北内陆干旱区的绿洲与荒漠交错地带，生态环境极为脆弱，作为内陆河流域水源涵养的纽带，其对于构筑区域生态安全屏障意义重大。与湿润区域的河流、湖泊和海滨湿地相比，内陆干旱区湿地地理位置独特，生态功能显著，面积相对狭小，独立性和稀有性使其景观弥足珍贵。因此，有必要开展内陆干旱区湿地景观格局的动态变化研究。

湿地固碳是其参与全球陆地碳循环的重要环节。研究表明，仅占全球陆地面积6%的湿地生态系统储存的碳占陆地土壤有机碳库的18%～30%［9］，是重要的碳库之一，对全球碳循环意义重大［10］。湿地碳计量是湿地资源保护和增汇技术实施的前提［11］，广泛应用于湿地生态服务价值评估中。尽管湿地碳计量研究发展迅速，但也存在一些亟待解决的问题［11］，如不同研究对全球和中国的湿地碳库估算结果差异较大，碳储量分别为 154～550 Pg［9－11］和3.67～12.20 Pg［12－14］。生态系统服务功能价值评估方法主要有市场价值法、边际机会成本法、替代法、费用支出法和条件价值法等［15－16］，其中部分方法应用于湿地碳储量的生态服务价值研究［17－20］。但是，关于湿地生态系统服务功能价值的量化，国际上尚未形成统一、规范和完善的评估标准［21］。当前，对于我国西北干旱区内流河流域湿地碳储量及其价值研究相对较少，且多数研究只针对一期湿地监测数据，数据的现势性有限，缺乏湿地生态价值的动态评估。

黑河湿地作为河西走廊的重要生态屏障，在涵养水源、调节气候、净化水质、防风固沙，以及维系区域经济可持续发展和生态安全等方面发挥着重要作用［22］。由于储存有丰富的碳储量，黑河湿地是西北干旱区碳库的重要组成部分，对区域碳循环与生态稳定意义重大。同时，黑河流域湿地受人类活动影响剧烈，其动态变化非常显著，有必要开展湿地碳储量与价值功能的动态评估。为此，本文以张掖黑河湿地国家级自然保护区（简称“张掖黑河湿地”）为研究区域，基于4期卫星遥感影像和地理国情调查结果［23］，对地表湿地进行提取、归并，利用景观格局指数分析湿地景观格局动态变化。在此基础上采用文献计量法，对保护区湿地碳储量及其价值功能进行动态评估，以期为该区域湿地资源开发利用及碳汇功能评价提供参考。

1 研究区概况

张掖黑河湿地国家级自然保护区位于我国西北典型干旱内陆河流域——黑河流域中游，河西走廊中部，跨甘州、临泽、高台 3县区，介于 99°17′24″E—100°30′15″E、38°56′39″N—39°52′30″N之间（图1），总面积411.65 km2。该区域地形地貌独特，生物多样性突出，由内陆山地、荒漠、绿洲构成的复合系统，湿地包括河流湿地、沼泽湿地、湖泊湿地等天然湿地和水库、淡水养殖场等人工湿地等类型，典型性和代表性明显。保护区气候属典型的大陆性干旱气候［24－25］，日照充足，昼夜温差大，年日照时数 2683～3088 h，年平均气温为7℃，降水稀少而集中，蒸发强烈，年降水量仅129 mm，年蒸发量为2047 mm。

张掖黑河湿地自然保护区成立于20世纪90年代初。1992年，甘肃省自然保护区主管部门首先批准设立了“高台县黑河流域自然保护区”。2004年，甘肃省人民政府批准功能区划，定名为“甘肃高台黑河湿地省级自然保护区”，并于2009年批复调整范围，保护区规划面积4.12×104hm2，由原来的高台县扩大到甘州、临泽、高台3县区，更名为“甘肃张掖黑河湿地省级自然保护区”。2011年4月16日，国务院正式批复建立“甘肃张掖黑河湿地国家级自然保护区”，并于2015年12月，被国际湿地公约组织列入国际重要湿地名录。

图1 张掖黑河湿地国家级自然保护区地理位置Fig.1 The geographic location of the Heihe Wetland National Nature Reserve in Zhangye

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

湿地碳储量计算所需的土壤碳密度、植被碳密度数据主要通过参考文献［24］中的方法获得。其中，生物量密度样方的生物量调查和土壤样品的取样时间是2012年10月，分别在甘州区、临泽县和高台县典型湿地选定3个样带、8条样线调查获得［24］；植物地上生物量，采用剪草法和割灌法取样，植物地下生物量采用土钻法取样，并用烘干法测量生物量，而土壤有机碳采用重铬酸钾容量法测试［24－25］。

湿地范围的确定是湿地碳计量的重要前提［11］。因此，收集了研究区2000、2007、2011年7—9月丰水期质量较好的Landsat TM／ETM＋影像（表1），以及2014年甘肃省测绘地理信息局的地理国情普查成果［23］，结合野外实地考察，利用人机交互解译方法，对影像上湿地信息进行提取，得到2000、2007、2011和2014年4期保护区湿地资源分布信息。为了适应湿地碳储量估算及其价值评估的需要，在原有的土地国情调查分类基础上［23］，对湿地分类系统进行调整，归并部分湿地类型。同时，在湿地分类提取过程中，沿甘州、临泽、高台的黑河沿线进行湿地资源野外详细调查，共获取考察样本点342个，并利用这些采样数据对湿地提取精度进行评价。

表1 遥感影像数据源Tab.1 Datasets of satellite images in study area

2.2 研究方法

2.2.1 湿地景观格局指数

景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息、反映结构组成和空间配置特征的定量指标［26］，已广泛应用于资源景观格局研究中［4－5］。本研究基于景观生态学理论，利用景观格局分析软件，在充分了解景观格局指标意义基础上，选用平均斑块大小、分维数、Shannon多样性指数和均匀度指数［26］等生态意义较明确的景观度量指数，分析湿地景观格局空间结构特征的演变规律，了解其结构组成特征、空间配置关系与时间过程的关系［27］。其中，平均斑块大小、斑块密度等可以反映景观破碎化程度［5］；斑块平均形状指数、分维数指数、多样性指数反映不同景观类型分布的均匀性和复杂性程度［27］；优势度指数用于测度景观结构组成中某种景观要素支配景观的程度，亦即反映某种景观斑块类型在景观中所处的位置或重要性［27］。

2.2.2 碳储量的计算

生物量清查法因其直接明确、技术简单而被广泛应用于全球或国家尺度碳储量估算研究［14］。湿地碳储量主要包括植被碳储量和土壤碳储量。植被碳储量可以根据实际样方调查和实验，通过植被生物量与碳储量之间转换系数计算得到［10］。土壤碳储量（kg）通过各湿地土壤类型的分布面积和碳密度的乘积累计得到［21］。其中，土壤碳密度的计算公式为：

式中：C（kg·m－2）为土壤碳密度；Co（g·kg－1）为有机碳含量；H（cm）为土壤厚度，本文取40 cm；B（g·cm－3）为土壤容重，根据文献［28］，本文土壤容重取 1.17 g·cm－3。

2.2.3 湿地碳储存价值的估算

采用碳税法进行湿地碳储存价值的估算，是把生态指标换算成经济指标，从而得出固定碳的经济价值。碳税法是一种由多国制定、旨在削减温室气体排放的税收制度，即对CO2排放进行收费来确定损失价值的方法［16］。根据全球政策论坛经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co－operation and Development，OECD）2018年发布的报告中碳税率价格［29］，即为 110欧元·t－1，按照当前汇率（1欧元＝7.5313人民币元）计算，折合人民币为828.44元·t－1，则碳储存价值量的计算公式为：

式中：Y（元）为碳储存价值量；Wi（t）为第 i类湿地植被与土壤的总碳储量，i为湿地类型；A为碳税率。

3 结果与分析

3.1 湿地景观面积变化

表2是近15 a来张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地景观面积的变化。可以看出，2014年保护区湿地总面积为16 407.21 hm2，包含河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地等自然湿地类型和水库、池塘等人工湿地类型。其中，自然湿地面积为14 864.13 hm2，占湿地总面积的90.6%，且以河流湿地和沼泽湿地为主，而人工湿地面积为1543.08 hm2，占总面积的9.4%。自2000年以来，保护区湿地总面积呈先减小后缓慢增加的变化趋势。其中，2000—2007年，湿地面积急剧减小，湿地退化非常严重；2007—2011年，湿地面积继续减小，湿地退化速度减缓；2011年以后，湿地面积缓慢增加，湿地生态环境有所改善。另外还发现，不同类型湿地的变化趋势不尽相同，河流湿地面积呈持续减少趋势，而其他类型大多与湿地总面积的变化趋势一致。

3.2 湿地景观格局变化特征

从图2看出，2000—2014年张掖黑河湿地国家级自然保护区的湿地景观空间格局变化显著，表现为湿地景观的斑块数持续增加，平均斑块大小逐渐减小；分维数、平均形状指数、多样性指数、均匀度指数均呈先减后增的变化趋势，总体呈增加趋势，而优势度指数则呈先增后减的变化趋势。这些变化表明，保护区湿地景观整体向区域破碎化和复杂化趋势演变，人类活动趋势加剧。湿地景观平均斑块大小的减小表示斑块的破碎程度增加；优势度指数的减小说明景观内各类型所占比例差异减小，优势度与多样性的变化趋势正相反；均匀性表示各景观类型面积差异大小，均匀度增大表示景观内异质性增加；分维数的增大表明景观的整体形状趋于复杂化，是人类活动影响的强烈表现。

表2 2000年以来张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地面积Tab.2 The wetland areas with different types in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye since 2000 单位：hm2

图2 2000—2014年张掖黑河湿地国家级自然保护区景观格局指数变化Fig.2 Dynamic changes of landscape pattern indexes in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye from 2000 to 2014

3.3 湿地植被生物量和碳储量

表3是2000—2014年保护区湿地植被的碳密度、总生物量及总碳储量。可以看出，2014年保护区湿地植被总生物量为3.1935×105t，总碳储量为1.4051×105t。其中，沼泽湿地植被的总生物量和碳储量最大，分别为 1.9007×105t和8.363×104t，均约占总量的60%；其次为河流湿地植被，其他湿地类型的植被总生物量、碳储量相对较少，这与各湿地类型的面积和碳密度息息相关。通过比较，近15 a来湿地植被总生物量和总碳储量均呈先减后微弱增加的变化趋势，与2000年基准年相比，植被总碳储量减少 2.845×104t，减少了 16.84%。其中，河流湿地植被碳储量变化最大，碳储量减少3.912×104t，变化幅度为－41.49%。

3.4 湿地土壤碳储量

表4是2000—2014年保护区不同湿地类型的土壤碳密度及碳储量。可以看出，2014年保护区湿地土壤总碳储量为1.588×105t，其中沼泽湿地的土壤碳储量最大，为9.259×104t，其次为河流湿地，其他湿地类型土壤碳储量相对较少，这与湿地类型的面积有关。另外，近15 a来保护区湿地土壤总碳储量呈先减后微弱增加的变化趋势，这与植被总碳储量的变化趋势一致。

表3 近15 a来张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地植被生物量和碳储量Tab.3 Biomass and carbon storage of wetland vegetation in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye in recent 15 years

表4 2000—2014年张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地土壤碳储量Tab.4 Soil carbon storages of wetland in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye during 2000－2014

3.5 湿地总生物量、碳储量的价值估算

表5是近15 a来张掖黑河湿地国家级自然保护区湿地总生物量和总碳储量及其价值。可以看到，2014年保护区湿地植被和土壤的总生物量和总碳储量分别为3.19×105t和2.99×105t，湿地碳储存价值约2.48×108元；近15 a来，保护区湿地总生物量、碳储量及价值的变化与各湿地类型面积的变化规律非常相似，呈先减少后缓慢增加的变化趋势，较基准年总量明显减少。其中，湿地总生物量减少约6.5×104t，减少幅度为 16.93%，总碳储量减少约5.9×104t，变化幅度为 16.48%；碳储存总价值减少约5.2×107元，减幅为17.33%。

表5 2000—2014年张掖黑河湿地国家级自然保护区的湿地总生物量、碳储量及其价值Tab.5 Total biomass，carbon storage and its value of wetland in the Heihe Wetland National Nature Reserve of Zhangye during 2000－2014

4 讨 论

4.1 湿地景观格局及其碳储量价值评估动态变化成因

湿地景观格局动态变化引起湿地碳储量发生变化，使得湿地碳储量价值也随之发生变化。根据本研究结果，近15 a来张掖黑河湿地国家级自然保护区的湿地面积呈先减少后缓慢增加的变化趋势，这与流域内气候变化和人类活动密切相关。近年来，中国西北干旱区气温以“增暖”为主要特征［30］，降雨量呈增加趋势［31］。气温升高引起蒸散量加大，使得保护区湿地的水分减少，而降雨量的增加则有利于湿地植被的生长。在2000年之前，受气候变暖影响，流域内表现出草地退化、土地荒漠化日趋加重的趋势［30］。为遏制黑河下游生态环境不断恶化，2000年开始实施了黑河流域生态输水计划［32］，人类活动影响逐渐明显。张掖湿地自然保护区正式建立于2011年，其时间节点与湿地动态变化过程存在一定的相关性。在保护区建立之前，由于水资源政策因素影响和不合理的人类活动，导致黑河湿地区域的可用水量略显不足，湿地面积逐渐减小；2011年以来，随着保护区的建立，“黑节工程”等政策的实施，保护区的湿地生态环境明显改善，湿地面积逐渐增大。

4.2 湿地景观格局动态及其碳储量价值评估的不确定性

通过对保护区湿地景观格局及其碳储量价值的动态评估，可以较好地反映研究区景观格局变化及其碳储量价值现状与变化过程，但也存在一些不确定性。首先，碳计量方法是一种简单直接的碳储量计算方法。传统的生物量清查法（如样带调查法、生物量收割法和土钻法等）是一种以点带面的方法，在大尺度范围内因区域生态环境质量变化和景观空间异质性的影响，很难实现对区域尺度碳储量的准确估算。其次，湿地面积和范围的准确确定也是生物量清查方法估算湿地碳储量的前提和关键因素。此外，受遥感数据源的空间分辨率和精度要求的影响，以及不同的湿地分类标准和调查方法的差异，湿地面积提取结果也存在差异。这些因素都会导致碳储量及其价值估算的不确定性。本研究关心的是湿地面积的动态变化，而Landsat影像30 m的空间分辨率已然满足湿地分类的精度需求，在相同的分类标准下，新的湿地调查面积与前期结果具有一定的可比性，其结果也与实际情况比较符合。

5 结 论

（1）2000—2014年，张掖黑河湿地景观的空间格局发生显著变化，湿地面积呈先减少、后缓慢增加的变化趋势，湿地景观的斑块数持续增加，平均斑块大小逐渐减小，分维数、平均形状指数、多样性指数、均匀度指数均呈先减后增的变化趋势，而优势度指数则呈先增后减的变化趋势，说明保护区湿地景观整体表现为区域破碎化和复杂化趋势，人类活动干扰加剧。

（2）2014年保护区湿地总碳储量为2.99×105t，其碳储量价值为2.48×108元，湿地碳储量随湿地面积变化而变化。近年来，随着湿地保护工作的开展，保护区湿地环境得到逐渐改善，但相比2000年，保护区湿地总面积减少2959.11 hm2，碳储量减少5.9×104t，碳储量价值相应减少5.2×107元。