摘要
在气候和环境变化情况下，从区域到全球的碳循环过程也在随之发生变化。黄土高原在退耕还林（草）等植被持续建设措施的恢复和治理之下，流域的植被种类、密度和覆盖度明显提升，流域碳密度和碳储量也在发生改变。因此，以泾河流域为例，全面评估流域碳循环过程中碳密度和碳储量累积，全面分析流域碳固存过程的时空变异规律，探究影响碳循环过程的主要驱动因素，对于泾河流域生态保护以及固碳管理有重要作用。本文以RHESSys生态水文模型模拟为基础，估算了不同时段泾河流域碳密度和碳储量；针对气象（降水、最高温、最低温、蒸散发等）、植被（NDVI、植被面积变化）等环境因子数据，使用相关分析方法，分析了泾河流域碳循环中各层碳库时空分异的主控因子，提出与泾河流域相适应的生态管理建议。 主要研究结果如下： （1）验证了RHESSys生态水文模型的适用性。本研究将整理的泾河流域气象、水文、土壤、植被类型等下垫面数据进行前处理，构建适用于研究区的模型环境。模型预热，形成碳库和氮库分别平衡的模拟环境。对模型进行率定和多因素验证，调整模型参数直至达到适用于泾河流域分析的精度要求，并分析模型不确定性。 （2）阐明了流域各层碳库密度和储量在时间尺度上和空间尺度上的变化特征。分阶段模拟退耕还林（草）初期（1990~1999年）、中期（2000~2009年）、后期（2010~2019年）泾河流域流域各层碳库碳储量，提取流域内斑块（patch）尺度上的植被固碳、土壤固碳和枯落物固碳等数据结果并分析其时空变化。流域多年平均植被碳密度为1.240kgC/m2，流域多年平均土壤碳密度为4.819kgC/m2，多年平均枯落物碳密度为0.192kgC/m2，多年平均总碳密度为6.251kgC/m2，其中土壤碳库占总碳库比例最大。流域总碳储量为0.2973Pg，其中植被碳储量0.0595Pg，土壤碳储量为0.2292Pg，枯落物碳储量为0.0085Pg，占流域总碳储量的比例分别为20.03%、77.11%和2.56%。 （3）剖析了流域碳密度变化的主要影响因素。气候、土地利用类型、植被面积、植被覆盖度等因素均对泾河流域碳密度有方式各异和程度不一的影响，其中NDVI变化和植被面积变化在很大程度上影响各层碳库碳密度高低。在气象因素中，年降水量和蒸散发ET相比其他因素对碳密度影响作用更强。土地利用类型也是影响碳储量的主要原因之一。 （4）评估了不同生态系统的碳储量及其空间分布格局。森林、草地、农田生态系统碳储量分别为0.0195Pg、0.1309Pg、0.1199Pg，即碳储量主要在草地与农田生态系统，草地略高于农田生态系统。泾河流域总碳储量空间分布东南最高，西北最低，与土壤碳储量的空间分布情况相似。不同生态系统碳储量的空间分布格局总体均呈上述趋势。泾河流域水分利用效率整体呈现下降趋势表明，虽然流域碳储量和碳密度在逐渐上升，但是流域蒸发量增加相比更为显著，从而引起水分利用效率的下降。不同土地利用类型的碳储量及固碳能力不同，土壤水分条件也不同。因此若要增加流域碳汇，需制定科学合理、精准高效的区域管理措施，流域碳储量的增加应因地制宜，综合考虑多种因素，不能一概而论。 综上表明，泾河流域经过退耕还林工程等措施的植被恢复和生态建设后，生态环境有所改善，但碳密度仍相对较低，且空间分布不均。若要提升流域碳汇效果和能力，应将各种环境因素统筹考虑，因地制宜，制定适宜的管理措施，为实现双碳目标和未来生态建设提供指导。
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