碳固定是捕获、收集碳并封存至安全碳库的过程,其方式可分为自然植被固碳与人工固碳^[1-2]。陆地自然植被具有强大的固碳功能,根据植被光合作用可知,生态系统每生产1g干物质就能够吸收1.63g二氧化碳,这就是陆地生态系统的碳固定服务。因此,陆地生态系统的质量越好、生物量越高,则其碳固定服务越强。陆地生态系统的碳固定功能与人工固碳相比,不需提纯二氧化碳(CO₂)从而可节省分离、捕获、压缩CO₂气体的成本^[2]。比如,造林的成本远低于采用能源转换策略减少温室气体排放所需的成本。同时,自然植被固碳还能产生水源涵养、水土保持等其它生态效益。

森林生态系统生物量占全球陆地植被总生物量的85%-90%,且每年森林与大气进行的碳交换量约占整个陆地生态系统碳交换量的70%^[3-4],可吸收固定全球每年大约25%的化石燃料燃烧所排放的CO₂,所吸收的CO₂主要以有机碳和无机碳的形式自然封存在土壤中^[5]。草地生态系统的碳贮量约占陆地植被总碳贮量的25%^[6-7],我国天然草地是面积最大的陆地生态系统,在减少与固定CO₂过程中具有重要的作用。湿地生态系统在植物生长、促淤造陆等生态过程中积累了大量的无机碳和有机碳,从大气中获取大量的二氧化碳,贮藏着全球高达20%-35%的碳物质^[8-10]。我国森林、草地、湿地三类主要陆地生态系统碳固定服务能力如何？在过去20年中服务能力是提升还是下降？未来服务能力有可能发生哪些变化？

因此,本文基于政府间气候变化专门委员会(IPCC)的土地利用、土地利用变化及林业(LULUCF)方法框架,构建中国陆地生态系统碳固定服务定量评估技术体系,结合我国的实际情况,充分利用近些年我国科学家在区域碳循环方面的最新资料和研究成果,采用文献参数整理和类型赋值等方法,以中国森林、草地和湿地等陆地生态系统作为评估对象,通过估算国家尺度的生态系统植被和土壤有机碳固定量以及近20年(1990-2010年)生态系统碳固定变化量,预测未来20年(2010-2030年)3种不同社会发展情景下主要陆地生态系统的碳固定潜力,评估我国主要陆地生态系统碳固定服务的现状及过去变化,揭示陆地生态系统碳固定服务变化的驱动因素,探讨中国陆地生态系统的碳固定潜力及其空间格局。

1 数据与方法

陆地生态系统碳固定服务的定量评估,首先获得森林、草地、湿地等生态系统亚类的时空变化数据,划分为不同的植被碳库和土壤有机碳库,利用文献参数整理的方法确定森林、草地、湿地亚类的碳固定估算参数,采用森林、草地和湿地碳固定量赋值和估算方法得到不同生态系统的碳固定量现状,运用不同碳库的碳固定变化估算方法得到不同区域、不同时段的碳固定变化量,通过对不同时段碳固定量及其变化量的对比分析,评估陆地生态系统碳固定服务及其变化状况。

1.1 主要生态系统类型的时空分布数据

采用全国土地利用变化数据库^[11]的1980年代末、2000年、2010年全国1km百分比栅格土地利用数据集,提取森林、草地、湿地生态系统一级类型信息。根据国际地圈生物圈计划(IGBP)分类系统,采用遥感自动分类方法,进一步将森林生态系统分为常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林和灌丛六类。利用1∶100万中国草地资源图集(1980)数字化的草地类型数据,草地类型划分为20个草地亚类。草地生态系统一级类型空间分布叠加中国1∶100万草地类型数据,获得不同时段的草地亚类空间分布信息。湿地生态系统一级类型空间分布叠加全国湿地分布1km百分比栅格湿地亚类数据^[12],获得洪泛湿地与内陆沼泽亚类的空间分布信息。

2030年生态系统未来情景是基于对中国未来20年土地利用时空格局变化情景的设计与分析,结合地面观测数据、社会经济统计和历史调查数据,遴选中国土地利用宏观结构变化的驱动因子,利用土地动态变化模拟(DLS)模型预测了中国土地利用时空格局的变化特征,从系统的角度综合模拟大尺度生态系统宏观结构的演替,并将预测结果展布到10km栅格单元上^[13]。设计了基准情景、环境持续发展情景、经济快速增长情景3种情景方案。基准情景主要考虑各地区土地利用总体规划与远景规划,假设各生态区的发展均遵循历史趋势,土地利用变化的各类影响因素作用缓慢,各种政策对生态系统宏观结构不会产生急剧影响。环境持续发展情景是强化环境保育相关政策,包括积极实施生态保护与恢复、合理控制城市化进程等,增加对环境保护与恢复的资金支持。经济快速增长情景则强化有利于经济快速增长的相关政策,城镇化快速发展,侧重对地方经济发展的激励,从而增加对生态环境的压力。

1.2 文献参数整理

利用文献整合(Meta-analysis)方法^[14],获得森林、草地、湿地生态系统碳固定估算的相关参数。文献资料遴选的具体标准:①所有文献均是关于森林、草地、湿地生态系统的碳库现状及变化的正式发表研究论文(含专著和会议报告等);②包含中国不同区域不同优势树种和森林类型、各种草地亚类、洪泛湿地与内陆沼泽的生物量碳密度、表层土壤(0-30 cm)碳含量,如果某一研究结果的土层厚度低于或高于30cm,则通过公式进行转换后开展分析。③采用的研究结果必须是在地面进行实地调查得到的,不包括通过模型模拟得到的结果。④研究报道数据需为具体数值,若是以图表方式表征的数据,则需要对图表进行转化,能得到具体的研究数字,数据应包含平均值和标准差(或标准误、变异系数等)。

森林生态系统目标变量包括地理位置(经纬度、地名),森林类型,优势树种及比例,林分起源,林龄或龄级,土壤类型、土壤厚度,林分(包括干、枝、叶、根)、枯落物和0-30cm土壤的碳密度与储量,生物量分配比例,不同器官的碳含量,生物量转换因子,木材密度等。草地生态系统目标变量包括地理位置(经纬度、地名),草地类型,地上、地下或总的生物量密度、碳密度,地下与地上部分生物量比例系数,土壤类型、土壤厚度,土壤有机碳密度与储量等。湿地生态系统目标变量包括地理位置(经纬度、地名),湿地类型,优势植被,生物量密度或碳密度,土壤有机碳密度与储量等。

1.3 森林资源清查数据

收集了第一次至第七次(1973-1976年、1977-1983年、1984-1988年、1989-1993年、1994-1998年、1999-2003年、2004-2008年)的森林资源清查统计数据,包括优势树种、龄级、蓄积量、面积等。同时,收集了国家森林资源清查的9078个地面样方数据,包括位置、起源、立地条件、土壤类型、土壤深度、优势树种、林龄、蓄积量等。

1.4 森林生态系统碳固定量估算

森林生态系统碳库主要包括植被(包括干、枝、叶、根)和0-30cm土壤有机碳(SOC):

(1) 森林植被碳固定量及其变化量估算

(1)

式中,C_veg为森林植被碳固定量(MgC),A为林分面积(hm²),V是单位面积森林蓄积量(m³/hm²),WD为木材密度(Mg/m³),BEF为生物量扩展因子;CF为碳含量(MgC/Mg)。通过文献参数整理的各类参数见表 1。 森林生长的碳固定增量估算:以全国森林资源清查样方数据为数据源,选择几类广泛使用的理论生长方程Richards(1959)、Logistic(1838)、Korf(1988)、Gompertz(1825)和Mitscherlich(1919)^[15-16],利用空间代替时间方法分别拟合我国不同区域的各类森林生长曲线。方程拟合过程中,设置不同初始值(0.2、0.3、0.5、0.8、1)得到不同拟合参数,选择不同区域、不同树种最适宜生长曲线^[17]。

造林导致的森林植被碳库变化表示为:

(2)

(3)

式中,ΔC_i为区域i的森林植被碳固定变化量(MgC),C_i(t)是第t时段的森林植被碳固定量,A_ijk是已造林或规划造林的树种j的面积(hm²),V_ijk是树种j龄级k的单位面积森林蓄积量(m³/ hm²),其余参数同上。

毁林导致森林植被碳固定量变化一般发生在毁林初年。假设毁林后森林植被碳固定量即为零,则毁林导致的森林植被碳库变化可表示为:

(4)

式中,ΔC_d表示毁林对森林植被碳固定量的影响,A_ijk是区域i的毁林面积,V_i表示区域i的单位面积森林蓄积量(m³/ hm²),其余参数同上。

(2) 土壤有机碳固定及其变化估算

采用中国土壤有机碳密度^[18]作为初始值。造林导致土壤有机碳库的变化与造林前土地利用类型及当地环境条件有关,其变化通常是非线性的^[19-20]。根据Yang等^[21],土壤有机碳库的先减少随后增加趋势可表示为:

(5)

(6)

式中,x表示土地利用变化时间(a),y表示土壤有机碳含量(Mg/hm²),a、b、c、d、e是拟合系数。

造林/毁林导致的土壤有机碳固定量变化可以表示为:

(7)

式中,ΔC_S是土壤有机碳固定量变化(MgC),R_i表示土壤有机碳的变化率(MgC hm^-2 a^-1),B_density为土地利用变化前的土壤有机碳密度。

造林导致的土壤有机碳的变化率可以通过拟合表示为:

(8)

毁林导致的土壤有机碳变化率可以通过拟合表示为:

(9)

1.5 草地、湿地生态系统碳固定量估算

根据文献整合分析方法整理出不同草地亚类的植被碳密度(表 2)、湿地植被生物量(表 3)等,基于草地和湿地亚类的空间分布,采用类型空间赋值法得到草地和湿地植被碳密度现状的空间分布数据。根据1990-2000年、2000-2010年草地与湿地动态变化数据,估算草地和湿地植被碳固定量变化的空间分布数据。采用中国土壤有机碳密度^[18]作为初始值,基于杨元合^[22]测定北方地区草地土壤有机碳变化速率,估算1990、2000、2010年我国草地土壤有机碳固定量。

1.6 碳固定量估算结果验证

通过与相同区域其它研究结果对比的方法,对本文估算结果进行验证与评价(表 4)。本文估算的全国尺度森林植被碳固定量值高于其它结果,主要由于本研究考虑龄级、不同器官、林分生长以及造林/毁林对影响。本文仅估算0-30cm深度的森林、湿地土壤有机碳,因此结果低于其它研究,而本文估算的草地植被土壤有机碳低于或接近于其它研究结果。

2 中国陆地生态系统碳固定服务现状评估

2010年,中国主要陆地生态系统碳固定总量达17.29PgC,其中植被碳固定量8.70PgC,30cm土壤有机碳固定量8.59PgC,森林碳固定量占总量的73.26%,草地占21.55%,湿地占5.18%(图 1,图 2)。西南地区主要陆地生态系统碳固定总量占全国总量的30.93%,其中森林碳固定量占70.48%,草地占26.67%,湿地占2.85%。西北地区占15.01%,森林、草地、湿地分别占37.11%、54.26%、8.64%。东北地区占14.94%,森林、草地、湿地分别占82.88%、4.14%、12.98%。华北地区占13.58%,森林、草地、湿地分别占62.49%、30.49%、7.02%。华南地区占8.77%,森林、草地、湿地分别占98.56%、1.34%、0.10%。华东地区占8.75%,森林、草地、湿地分别占97.74%、1.35%、0.91%。华中地区占8.02%,森林、草地、湿地分别占97.68%、2.03%、0.29%。

3 近20年中国主要陆地生态系统碳固定服务的变化评估 3.1 主要陆地生态系统碳固定服务变化

1990-2000年(图 3,表 5),我国主要陆地生态系统碳固定总量轻微下降,碳固定总量减少了186.01TgC,减少比例为2.15%。其中,东北地区碳固定总量较明显下降,减少了95.49TgC(6.92%),华东、华南和西南地区基本持衡,华北、华中和西北地区轻微下降,分别减少了33.7TgC(3.49%)、10.21TgC(1.09%)和11.84TgC(1.55%)。2000-2010年(表 5,图 3),我国主要陆地生态系统碳固定总量轻微上升,碳固定总量增加了247.23TgC,增加比例为2.92%。其中,西北地区碳固定基本持衡,碳固定总量增加了0.28TgC(0.04%),说明退牧还草工程在局部区域初显成效。其余6个区域的碳固定总量皆呈现轻微上升态势,其中西南地区碳固定总量增加了98.23TgC(3.94%),说明天然林保护工程和石漠化综合治理工程的实施效果较好。前、后两个10年相比,我国主要陆地生态系统碳固定总量从轻微下降转变为轻微上升趋势,说明生态系统恢复效果较好。

3.2 森林生态系统碳固定服务变化

1990-2000年,我国森林碳固定服务轻微下降,碳固定量减少了1.12%。其中,华北、西南、西北和东北地区的森林碳固定轻微下降,碳固定量分别减少了1.63%、1.04%、1.54%和2.38%。华东、华中、华南地区的森林碳固定服基本持衡。2000-2010年,我国森林碳固定轻微上升,碳固定量增加了3.72%。西北地区森林碳固定较明显上升,碳固定量增加了5.52%。其余6个区域的森林碳固定皆处于轻微上升态势。前、后两个10年相比,我国森林碳固定服务从下降或基本持衡趋势转变为上升趋势。

3.3 草地生态系统碳固定服务变化

1990-2000年,我国草地碳固定服务基本持衡,碳固定量减少了0.97%。其中,西南和西北地区的草地碳固定同全国趋势一致。华北、华东、华中和华南地区的草地碳固定处于轻微下降态势,碳固定量分别减少了1.27%、2.7%、2.14%和4.12%。东北地区草地碳固定呈现明显下降态势,碳固定量减少了17.92%。2000-2010年,我国草地生态系统碳固定基本持衡,碳固定量减少了0.62%。其中,华北、华中、华南、西南、西北与全国趋势一致。华东和东北地区的草地碳固定皆处于轻微下降态势,碳固定量分别减少了4.26%和2.75%。前、后两个10年相比,我国草地碳固定持续处于基本持衡态势,碳固定减少量和减少比例有所下降,说明草地生态系统退化趋势有所遏制。就区域而言,华北地区、华中地区、华南地区和东北地区的草地生态系统碳固定服务有所提升,西南地区则相对下降。

3.4 湿地生态系统碳固定服务变化

1990-2000年,我国湿地碳固定服务明显下降,碳固定量减少了20.19%。其中,华北、华东、华中、东北与全国趋势一致,碳固定量分别减少了25.74%、39.72%、29.58%和29.99%。西南和西北处于轻微下降趋势,碳固定量减少了4.13%和4.09%。而华南则呈现出明显上升趋势,碳固定量增加了50.17%。2000-2010年,我国湿地碳固定服务较明显下降,碳固定量减少了5.59%。其中,华北与全国趋势一致,湿地碳固定量减少了7.88%。华中、华南和西北呈现明显下降趋势,分别减少了32.92%、61.48%和17.96%。华东和西南明显上升,分别增加了16.85%和12.08%。东北地区则轻微下降了1.75%。前、后两个10年相比,我国湿地碳固定服务有所好转,下降趋势有所缓解。部分区域有所提升,比如华东、西南,部分区域下降趋势有所缓解,比如华北和东北,而部分区域则有所下降甚至恶化比如华中、华南和西北。

4 未来20年中国陆地生态系统碳固定服务变化的情景分析

至2030年(图 4,表 6),3种社会经济发展情景下,我国主要陆地生态系统碳固定总量都将呈现较明显上升的态势。环境持续发展情景下碳固定总量增加最多,约498.06 TgC,增加的比例可达5.97%,其次是基准情景(增加5.51%),经济快速增长情景的增量最小,约为5.15%。华北、华中、西南、西北和东北地区的主要陆地生态系统碳固定服务与全国较明显上升趋势一致,而华东和华南地区则轻微上升。

至2030年(图 4),3种社会经济发展情景下,我国森林碳固定服务都将呈现较明显上升的态势,环境持续发展情景下森林碳固定量增加最多(增加6.55%),其次是基准情景(增加6.06%),经济快速增长情景的增量最小,约为5.68%。我国草地碳固定服务都将处于基本持衡态势,经济快速增长情景下草地碳固定量将减少最多(减少约1.94TgC),其次是基准情景(减少约1.24TgC),环境持续发展情景将减少约0.36TgC。

5 结论与讨论

本文中陆地生态系统碳固定及其变化量估算不确定性的产生与估算参数、输入数据源等有关。第一,估算参数方面,由于缺少相关研究结果,森林生态系统BEF、WD和CF等采用1个树种1个通用值而没有考虑龄级变化的影响,导致结果具有较大不确定性,这些需要更多实验数据进行订正。第二,关于土壤有机碳库深度,由于需要有一个土壤有机碳密度初始值,本研究初始值源自第二次全国土壤普查,因此土壤深度仅为30cm。因此,对于森林、湿地土壤有机碳计量多以60cm或100cm为主而言,本文估算SOC碳库量值偏小。第三,本文估算的森林、草地、湿地生态系统碳固定量变化主要源于土地利用变化和部分植被生长导致的变化,暂时缺乏更加合适的方法进行结果验证,因此只能通过不同区域在时间片段上估算结果与前人结果的大致对比,同时由于使用数据源与估算方法差异、以及验证数据有限等原因,因此产生了估算结果验证可行性问题。

此外,忽略了干扰和恢复的随机过程给陆地生态系统碳库带来的不确定性。森林经营管理管理措施如间伐、抚育等如何影响森林碳库?生态系统退化与恢复对土壤有机碳影响如何？各种突发的自然灾害如火灾、病虫害、地震等如何影响陆地生态系统的碳蓄积与碳循环？这些问题目前研究较少且多停留在定性描述阶段。因此,如何深入研究土地利用变化、生态保护与恢复等人类活动对陆地生态系统碳储量或碳固定量的影响及其机理,是准确评价陆地生态系统碳固定服务未来需要解决的关键问题。

本研究结果表明,1990-2000年与2000-2010年前、后两个10年相比,我国森林、草地、湿地等主要陆地生态系统碳固定服务有所提升,发展态势从轻微下降转变为轻微上升。其中,森林生态系统碳固定服务提升最多,说明退耕还林、天然林保护工程成效显著;草地生态系统碳固定服务有所恢复,说明草地生态系统退化趋势有所遏制,部分区域的退牧还草等草地保护工程具有积极作用;湿地生态系统碳固定服务有所好转,说明重点湿地保护工程初见成效。当然,西南地区草地生态系统碳固定服务和华中地区、华南地区、西北地区湿地生态系统碳固定服务的下降甚至恶化,说明未来生态建设的重点和难点所在。按照中国未来规划蓝图,强化环境保育相关政策,增加对环境保护与恢复的资金支持等措施,将更有利于陆地生态系统碳固定服务的提升。当然,碳固定服务只是生态系统服务的一部分,如何平衡生态系统各项服务以达到经济发展与环境保育的平衡,还需深入进行生态系统服务综合分析。