黃　麟，劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴，鄧祥征

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京　100101

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1990—2030年中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)時空變化

黃麟*，劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴，鄧祥征

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101

以中國森林、草地、濕地等主要陸地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，估算了植被和土壤有機(jī)碳固定量現(xiàn)狀與近20年生態(tài)系統(tǒng)碳固定變化量，預(yù)測了未來20年3種不同社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下主要陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定潛力，評估了我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的現(xiàn)狀、過去變化及未來潛力。結(jié)果表明：(1)2010年，中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量達(dá)17.29PgC，其中植被碳固定量8.70PgC，30cm深度土壤有機(jī)碳固定量8.59PgC。其中，森林碳固定量占73.26%，草地占21.55%，濕地占5.18%。(2)1990—2000年，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量減少了2.15%，其中森林、草地和濕地分別減少了1.12%、0.97%、20.19%。2000—2010年，碳固定總量增加了2.92%，其中森林增加了3.72%，草地和濕地分別減少了0.62%和5.59%。(3)前、后兩個10年相比，碳固定總量從輕微下降轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微上升趨勢。其中，森林碳固定量從下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，說明生態(tài)工程成效明顯。草地碳固定量處于基本持衡態(tài)勢，碳固定減少量和減少比例有所下降，濕地碳固定量的下降趨勢亦有所緩解，說明草地退化、濕地破壞趨勢有所遏制，但仍需要重點關(guān)注。(4)至2030年，3種社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量將呈現(xiàn)較明顯的上升態(tài)勢，增量可達(dá)430.11—498.06TgC, 增加比例5.15—5.97%，以森林碳固定量增加為主，而草地碳固定服務(wù)呈現(xiàn)微弱減少態(tài)勢。

中國；森林；草地；濕地；碳固定；時空格局

碳固定是捕獲、收集碳并封存至安全碳庫的過程，其方式可分為自然植被固碳與人工固碳[1-2]。陸地自然植被具有強(qiáng)大的固碳功能，根據(jù)植被光合作用可知，生態(tài)系統(tǒng)每生產(chǎn)1g干物質(zhì)就能夠吸收1.63g二氧化碳，這就是陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定服務(wù)。因此，陸地生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量越好、生物量越高，則其碳固定服務(wù)越強(qiáng)。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定功能與人工固碳相比，不需提純二氧化碳(CO2)從而可節(jié)省分離、捕獲、壓縮CO2氣體的成本[2]。比如，造林的成本遠(yuǎn)低于采用能源轉(zhuǎn)換策略減少溫室氣體排放所需的成本。同時，自然植被固碳還能產(chǎn)生水源涵養(yǎng)、水土保持等其它生態(tài)效益。

森林生態(tài)系統(tǒng)生物量占全球陸地植被總生物量的85%—90%，且每年森林與大氣進(jìn)行的碳交換量約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換量的70%[3-4]，可吸收固定全球每年大約25%的化石燃料燃燒所排放的CO2，所吸收的CO2主要以有機(jī)碳和無機(jī)碳的形式自然封存在土壤中[5]。草地生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量約占陸地植被總碳貯量的25%[6-7]，我國天然草地是面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在減少與固定CO2過程中具有重要的作用。濕地生態(tài)系統(tǒng)在植物生長、促淤造陸等生態(tài)過程中積累了大量的無機(jī)碳和有機(jī)碳，從大氣中獲取大量的二氧化碳，貯藏著全球高達(dá)20%—35%的碳物質(zhì)[8-10]。我國森林、草地、濕地三類主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)能力如何？在過去20年中服務(wù)能力是提升還是下降？未來服務(wù)能力有可能發(fā)生哪些變化？

因此，本文基于政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的土地利用、土地利用變化及林業(yè)(LULUCF)方法框架，構(gòu)建中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)定量評估技術(shù)體系，結(jié)合我國的實際情況，充分利用近些年我國科學(xué)家在區(qū)域碳循環(huán)方面的最新資料和研究成果，采用文獻(xiàn)參數(shù)整理和類型賦值等方法，以中國森林、草地和濕地等陸地生態(tài)系統(tǒng)作為評估對象，通過估算國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤有機(jī)碳固定量以及近20年(1990—2010年)生態(tài)系統(tǒng)碳固定變化量，預(yù)測未來20年(2010—2030年)3種不同社會發(fā)展情景下主要陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定潛力，評估我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的現(xiàn)狀及過去變化，揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化的驅(qū)動因素，探討中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳固定潛力及其空間格局。

1　數(shù)據(jù)與方法

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的定量評估，首先獲得森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)亞類的時空變化數(shù)據(jù)，劃分為不同的植被碳庫和土壤有機(jī)碳庫，利用文獻(xiàn)參數(shù)整理的方法確定森林、草地、濕地亞類的碳固定估算參數(shù)，采用森林、草地和濕地碳固定量賦值和估算方法得到不同生態(tài)系統(tǒng)的碳固定量現(xiàn)狀，運(yùn)用不同碳庫的碳固定變化估算方法得到不同區(qū)域、不同時段的碳固定變化量，通過對不同時段碳固定量及其變化量的對比分析，評估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)及其變化狀況。

1.1主要生態(tài)系統(tǒng)類型的時空分布數(shù)據(jù)

采用全國土地利用變化數(shù)據(jù)庫[11]的1980年代末、2000年、2010年全國1km百分比柵格土地利用數(shù)據(jù)集，提取森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)一級類型信息。根據(jù)國際地圈生物圈計劃(IGBP)分類系統(tǒng)，采用遙感自動分類方法，進(jìn)一步將森林生態(tài)系統(tǒng)分為常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林和灌叢六類。利用1∶100萬中國草地資源圖集(1980)數(shù)字化的草地類型數(shù)據(jù)，草地類型劃分為20個草地亞類。草地生態(tài)系統(tǒng)一級類型空間分布疊加中國1∶100萬草地類型數(shù)據(jù)，獲得不同時段的草地亞類空間分布信息。濕地生態(tài)系統(tǒng)一級類型空間分布疊加全國濕地分布1km百分比柵格濕地亞類數(shù)據(jù)[12]，獲得洪泛濕地與內(nèi)陸沼澤亞類的空間分布信息。

2030年生態(tài)系統(tǒng)未來情景是基于對中國未來20年土地利用時空格局變化情景的設(shè)計與分析，結(jié)合地面觀測數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計和歷史調(diào)查數(shù)據(jù)，遴選中國土地利用宏觀結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因子，利用土地動態(tài)變化模擬(DLS)模型預(yù)測了中國土地利用時空格局的變化特征，從系統(tǒng)的角度綜合模擬大尺度生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的演替，并將預(yù)測結(jié)果展布到10km柵格單元上[13]。設(shè)計了基準(zhǔn)情景、環(huán)境持續(xù)發(fā)展情景、經(jīng)濟(jì)快速增長情景3種情景方案?；鶞?zhǔn)情景主要考慮各地區(qū)土地利用總體規(guī)劃與遠(yuǎn)景規(guī)劃，假設(shè)各生態(tài)區(qū)的發(fā)展均遵循歷史趨勢，土地利用變化的各類影響因素作用緩慢，各種政策對生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生急劇影響。環(huán)境持續(xù)發(fā)展情景是強(qiáng)化環(huán)境保育相關(guān)政策，包括積極實施生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)、合理控制城市化進(jìn)程等，增加對環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)的資金支持。經(jīng)濟(jì)快速增長情景則強(qiáng)化有利于經(jīng)濟(jì)快速增長的相關(guān)政策，城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，側(cè)重對地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的激勵，從而增加對生態(tài)環(huán)境的壓力。

1.2文獻(xiàn)參數(shù)整理

利用文獻(xiàn)整合(Meta-analysis)方法[14]，獲得森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定估算的相關(guān)參數(shù)。文獻(xiàn)資料遴選的具體標(biāo)準(zhǔn)：①所有文獻(xiàn)均是關(guān)于森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫現(xiàn)狀及變化的正式發(fā)表研究論文(含專著和會議報告等)；②包含中國不同區(qū)域不同優(yōu)勢樹種和森林類型、各種草地亞類、洪泛濕地與內(nèi)陸沼澤的生物量碳密度、表層土壤(0—30 cm)碳含量，如果某一研究結(jié)果的土層厚度低于或高于30cm，則通過公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后開展分析。③采用的研究結(jié)果必須是在地面進(jìn)行實地調(diào)查得到的，不包括通過模型模擬得到的結(jié)果。④研究報道數(shù)據(jù)需為具體數(shù)值，若是以圖表方式表征的數(shù)據(jù)，則需要對圖表進(jìn)行轉(zhuǎn)化，能得到具體的研究數(shù)字，數(shù)據(jù)應(yīng)包含平均值和標(biāo)準(zhǔn)差(或標(biāo)準(zhǔn)誤、變異系數(shù)等)。

森林生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)變量包括地理位置(經(jīng)緯度、地名)，森林類型，優(yōu)勢樹種及比例，林分起源，林齡或齡級，土壤類型、土壤厚度，林分(包括干、枝、葉、根)、枯落物和0—30cm土壤的碳密度與儲量，生物量分配比例，不同器官的碳含量，生物量轉(zhuǎn)換因子，木材密度等。草地生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)變量包括地理位置(經(jīng)緯度、地名)，草地類型，地上、地下或總的生物量密度、碳密度，地下與地上部分生物量比例系數(shù)，土壤類型、土壤厚度，土壤有機(jī)碳密度與儲量等。濕地生態(tài)系統(tǒng)目標(biāo)變量包括地理位置(經(jīng)緯度、地名)，濕地類型，優(yōu)勢植被，生物量密度或碳密度，土壤有機(jī)碳密度與儲量等。

1.3森林資源清查數(shù)據(jù)

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)的森林資源清查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括優(yōu)勢樹種、齡級、蓄積量、面積等。同時，收集了國家森林資源清查的9078個地面樣方數(shù)據(jù)，包括位置、起源、立地條件、土壤類型、土壤深度、優(yōu)勢樹種、林齡、蓄積量等。

1.4森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定量估算

森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫主要包括植被(包括干、枝、葉、根)和0—30cm土壤有機(jī)碳(SOC)：

(1)森林植被碳固定量及其變化量估算

Cveg=A×V×WD×BEF×CF

(1)

式中，Cveg為森林植被碳固定量(MgC)，A為林分面積(hm2)，V是單位面積森林蓄積量(m3/hm2)，WD為木材密度(Mg/m3)，BEF為生物量擴(kuò)展因子；CF為碳含量(MgC/Mg)。通過文獻(xiàn)參數(shù)整理的各類參數(shù)見表1。森林生長的碳固定增量估算：以全國森林資源清查樣方數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選擇幾類廣泛使用的理論生長方程Richards(1959)、Logistic(1838)、Korf(1988)、Gompertz(1825)和Mitscherlich(1919)[15-16]，利用空間代替時間方法分別擬合我國不同區(qū)域的各類森林生長曲線。方程擬合過程中，設(shè)置不同初始值(0.2、0.3、0.5、0.8、1)得到不同擬合參數(shù)，選擇不同區(qū)域、不同樹種最適宜生長曲線[17]。

表1　森林植被碳固定量估算參數(shù)Table 1　The estimation parameters of forest vegetation carbon

造林導(dǎo)致的森林植被碳庫變化表示為：

(2)

(3)

式中，ΔCi為區(qū)域i的森林植被碳固定變化量(MgC)，Ci(t)是第t時段的森林植被碳固定量，Aijk是已造林或規(guī)劃造林的樹種j的面積(hm2)，Vijk是樹種j齡級k的單位面積森林蓄積量(m3/ hm2)，其余參數(shù)同上。

毀林導(dǎo)致森林植被碳固定量變化一般發(fā)生在毀林初年。假設(shè)毀林后森林植被碳固定量即為零，則毀林導(dǎo)致的森林植被碳庫變化可表示為：

(4)

式中，ΔCd表示毀林對森林植被碳固定量的影響，Aijk是區(qū)域i的毀林面積，Vi表示區(qū)域i的單位面積森林蓄積量(m3/ hm2)，其余參數(shù)同上。

(2)土壤有機(jī)碳固定及其變化估算

采用中國土壤有機(jī)碳密度[18]作為初始值。造林導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫的變化與造林前土地利用類型及當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件有關(guān)，其變化通常是非線性的[19-20]。根據(jù)Yang等[21]，土壤有機(jī)碳庫的先減少隨后增加趨勢可表示為：

y=ax+b

(5)

y=axbexpcxd+e

(6)

式中，x表示土地利用變化時間(a)，y表示土壤有機(jī)碳含量(Mg/hm2)，a、b、c、d、e是擬合系數(shù)。

造林/毀林導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳固定量變化可以表示為：

ΔCS=AiRiBdensity

(7)

式中，ΔCS是土壤有機(jī)碳固定量變化(MgC)，Ri表示土壤有機(jī)碳的變化率(MgC hm-2a-1)，Bdensity為土地利用變化前的土壤有機(jī)碳密度。

造林導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳的變化率可以通過擬合表示為：

Ri=a×ln(age)-b

(8)

毀林導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳變化率可以通過擬合表示為：

(9)

1.5草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量估算

根據(jù)文獻(xiàn)整合分析方法整理出不同草地亞類的植被碳密度(表2)、濕地植被生物量(表3)等，基于草地和濕地亞類的空間分布，采用類型空間賦值法得到草地和濕地植被碳密度現(xiàn)狀的空間分布數(shù)據(jù)。根據(jù)1990—2000年、2000—2010年草地與濕地動態(tài)變化數(shù)據(jù)，估算草地和濕地植被碳固定量變化的空間分布數(shù)據(jù)。采用中國土壤有機(jī)碳密度[18]作為初始值，基于楊元合[22]測定北方地區(qū)草地土壤有機(jī)碳變化速率，估算1990、2000、2010年我國草地土壤有機(jī)碳固定量。

表2　中國草地植被碳密度(gC/m2)Table 2　the vegetation carbon density of grassland in China

表3　中國濕地植被碳密度Table 3　The vegetation carbon density of wetland in China

1.6碳固定量估算結(jié)果驗證

通過與相同區(qū)域其它研究結(jié)果對比的方法，對本文估算結(jié)果進(jìn)行驗證與評價(表4)。本文估算的全國尺度森林植被碳固定量值高于其它結(jié)果，主要由于本研究考慮齡級、不同器官、林分生長以及造林/毀林對影響。本文僅估算0—30cm深度的森林、濕地土壤有機(jī)碳，因此結(jié)果低于其它研究，而本文估算的草地植被土壤有機(jī)碳低于或接近于其它研究結(jié)果。

表4　陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量估算結(jié)果比較Table 4　The estimated terrestrial ecosystem carbon sequestration compared with other studies

2　中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)現(xiàn)狀評估

2010年，中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量達(dá)17.29PgC，其中植被碳固定量8.70PgC，30cm土壤有機(jī)碳固定量8.59PgC，森林碳固定量占總量的73.26%，草地占21.55%，濕地占5.18%(圖1，圖2)。西南地區(qū)主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量占全國總量的30.93%，其中森林碳固定量占70.48%，草地占26.67%，濕地占2.85%。西北地區(qū)占15.01%，森林、草地、濕地分別占37.11%、54.26%、8.64%。東北地區(qū)占14.94%，森林、草地、濕地分別占82.88%、4.14%、12.98%。華北地區(qū)占13.58%，森林、草地、濕地分別占62.49%、30.49%、7.02%。華南地區(qū)占8.77%，森林、草地、濕地分別占98.56%、1.34%、0.10%。華東地區(qū)占8.75%，森林、草地、濕地分別占97.74%、1.35%、0.91%。華中地區(qū)占8.02%，森林、草地、濕地分別占97.68%、2.03%、0.29%。

圖1　2010年中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量空間分布圖Fig.1　The carbon sequestration map of major terrestrial ecosystem in China, 2010

圖2　2010年中國各區(qū)域主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量統(tǒng)計圖Fig.2　the charts on regional carbon sequestration of major terrestrial ecosystem in China, 2010

3　近20年中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的變化評估

3.1主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化

1990—2000年(圖3，表5)，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量輕微下降，碳固定總量減少了186.01TgC，減少比例為2.15%。其中，東北地區(qū)碳固定總量較明顯下降，減少了95.49TgC(6.92%)，華東、華南和西南地區(qū)基本持衡，華北、華中和西北地區(qū)輕微下降，分別減少了33.7TgC(3.49%)、10.21TgC(1.09%)和11.84TgC(1.55%)。2000—2010年(表5，圖3)，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量輕微上升，碳固定總量增加了247.23TgC，增加比例為2.92%。其中，西北地區(qū)碳固定基本持衡，碳固定總量增加了0.28TgC(0.04%)，說明退牧還草工程在局部區(qū)域初顯成效。其余6個區(qū)域的碳固定總量皆呈現(xiàn)輕微上升態(tài)勢，其中西南地區(qū)碳固定總量增加了98.23TgC(3.94%)，說明天然林保護(hù)工程和石漠化綜合治理工程的實施效果較好。前、后兩個10年相比，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量從輕微下降轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微上升趨勢，說明生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)效果較好。

圖3　1980年代末以來中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量變化圖Fig.3　the carbon sequestration change map of major terrestrial ecosystem in China since 1980s

表5　1980年代末以來中國各區(qū)域主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量變化統(tǒng)計Table 5　The regional carbon sequestration change of major terrestrial ecosystem in China since 1980s

3.2森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化

1990—2000年，我國森林碳固定服務(wù)輕微下降，碳固定量減少了1.12%。其中，華北、西南、西北和東北地區(qū)的森林碳固定輕微下降，碳固定量分別減少了1.63%、1.04%、1.54%和2.38%。華東、華中、華南地區(qū)的森林碳固定服基本持衡。2000—2010年，我國森林碳固定輕微上升，碳固定量增加了3.72%。西北地區(qū)森林碳固定較明顯上升，碳固定量增加了5.52%。其余6個區(qū)域的森林碳固定皆處于輕微上升態(tài)勢。前、后兩個10年相比，我國森林碳固定服務(wù)從下降或基本持衡趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔荨?/p>

3.3草地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化

1990—2000年，我國草地碳固定服務(wù)基本持衡，碳固定量減少了0.97%。其中，西南和西北地區(qū)的草地碳固定同全國趨勢一致。華北、華東、華中和華南地區(qū)的草地碳固定處于輕微下降態(tài)勢，碳固定量分別減少了1.27%、2.7%、2.14%和4.12%。東北地區(qū)草地碳固定呈現(xiàn)明顯下降態(tài)勢，碳固定量減少了17.92%。2000—2010年，我國草地生態(tài)系統(tǒng)碳固定基本持衡，碳固定量減少了0.62%。其中，華北、華中、華南、西南、西北與全國趨勢一致。華東和東北地區(qū)的草地碳固定皆處于輕微下降態(tài)勢，碳固定量分別減少了4.26%和2.75%。前、后兩個10年相比，我國草地碳固定持續(xù)處于基本持衡態(tài)勢，碳固定減少量和減少比例有所下降，說明草地生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢有所遏制。就區(qū)域而言，華北地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)和東北地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)有所提升，西南地區(qū)則相對下降。

3.4濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化

1990—2000年，我國濕地碳固定服務(wù)明顯下降，碳固定量減少了20.19%。其中，華北、華東、華中、東北與全國趨勢一致，碳固定量分別減少了25.74%、39.72%、29.58%和29.99%。西南和西北處于輕微下降趨勢，碳固定量減少了4.13%和4.09%。而華南則呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，碳固定量增加了50.17%。2000—2010年，我國濕地碳固定服務(wù)較明顯下降，碳固定量減少了5.59%。其中，華北與全國趨勢一致，濕地碳固定量減少了7.88%。華中、華南和西北呈現(xiàn)明顯下降趨勢，分別減少了32.92%、61.48%和17.96%。華東和西南明顯上升，分別增加了16.85%和12.08%。東北地區(qū)則輕微下降了1.75%。前、后兩個10年相比，我國濕地碳固定服務(wù)有所好轉(zhuǎn)，下降趨勢有所緩解。部分區(qū)域有所提升，比如華東、西南，部分區(qū)域下降趨勢有所緩解，比如華北和東北，而部分區(qū)域則有所下降甚至惡化比如華中、華南和西北。

4　未來20年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)變化的情景分析

至2030年(圖4，表6)，3種社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下，我國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定總量都將呈現(xiàn)較明顯上升的態(tài)勢。環(huán)境持續(xù)發(fā)展情景下碳固定總量增加最多，約498.06 TgC，增加的比例可達(dá)5.97%，其次是基準(zhǔn)情景(增加5.51%)，經(jīng)濟(jì)快速增長情景的增量最小，約為5.15%。華北、華中、西南、西北和東北地區(qū)的主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)與全國較明顯上升趨勢一致，而華東和華南地區(qū)則輕微上升。

圖4　2030年中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量變化空間分布圖Fig.4　the potential carbon sequestration change map of major terrestrial ecosystem in China till 2030

表6　2030年中國各區(qū)域主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量變化統(tǒng)計Table 6　The potential regional carbon sequestration change of major terrestrial ecosystem in China till 2030

至2030年(圖4)，3種社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下，我國森林碳固定服務(wù)都將呈現(xiàn)較明顯上升的態(tài)勢，環(huán)境持續(xù)發(fā)展情景下森林碳固定量增加最多(增加6.55%)，其次是基準(zhǔn)情景(增加6.06%)，經(jīng)濟(jì)快速增長情景的增量最小，約為5.68%。我國草地碳固定服務(wù)都將處于基本持衡態(tài)勢，經(jīng)濟(jì)快速增長情景下草地碳固定量將減少最多(減少約1.94TgC)，其次是基準(zhǔn)情景(減少約1.24TgC)，環(huán)境持續(xù)發(fā)展情景將減少約0.36TgC。

5　結(jié)論與討論

本文中陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定及其變化量估算不確定性的產(chǎn)生與估算參數(shù)、輸入數(shù)據(jù)源等有關(guān)。第一，估算參數(shù)方面，由于缺少相關(guān)研究結(jié)果，森林生態(tài)系統(tǒng)BEF、WD和CF等采用1個樹種1個通用值而沒有考慮齡級變化的影響，導(dǎo)致結(jié)果具有較大不確定性，這些需要更多實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。第二，關(guān)于土壤有機(jī)碳庫深度，由于需要有一個土壤有機(jī)碳密度初始值，本研究初始值源自第二次全國土壤普查，因此土壤深度僅為30cm。因此，對于森林、濕地土壤有機(jī)碳計量多以60cm或100cm為主而言，本文估算SOC碳庫量值偏小。第三，本文估算的森林、草地、濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定量變化主要源于土地利用變化和部分植被生長導(dǎo)致的變化，暫時缺乏更加合適的方法進(jìn)行結(jié)果驗證，因此只能通過不同區(qū)域在時間片段上估算結(jié)果與前人結(jié)果的大致對比，同時由于使用數(shù)據(jù)源與估算方法差異、以及驗證數(shù)據(jù)有限等原因，因此產(chǎn)生了估算結(jié)果驗證可行性問題。

此外，忽略了干擾和恢復(fù)的隨機(jī)過程給陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫帶來的不確定性。森林經(jīng)營管理管理措施如間伐、撫育等如何影響森林碳庫?生態(tài)系統(tǒng)退化與恢復(fù)對土壤有機(jī)碳影響如何？各種突發(fā)的自然災(zāi)害如火災(zāi)、病蟲害、地震等如何影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳蓄積與碳循環(huán)？這些問題目前研究較少且多停留在定性描述階段。因此，如何深入研究土地利用變化、生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)等人類活動對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量或碳固定量的影響及其機(jī)理，是準(zhǔn)確評價陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)未來需要解決的關(guān)鍵問題。

本研究結(jié)果表明，1990—2000年與2000—2010年前、后兩個10年相比，我國森林、草地、濕地等主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)有所提升，發(fā)展態(tài)勢從輕微下降轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微上升。其中，森林生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)提升最多，說明退耕還林、天然林保護(hù)工程成效顯著；草地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)有所恢復(fù)，說明草地生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢有所遏制，部分區(qū)域的退牧還草等草地保護(hù)工程具有積極作用；濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)有所好轉(zhuǎn)，說明重點濕地保護(hù)工程初見成效。當(dāng)然，西南地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)和華中地區(qū)、華南地區(qū)、西北地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的下降甚至惡化，說明未來生態(tài)建設(shè)的重點和難點所在。按照中國未來規(guī)劃藍(lán)圖，強(qiáng)化環(huán)境保育相關(guān)政策，增加對環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)的資金支持等措施，將更有利于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)的提升。當(dāng)然，碳固定服務(wù)只是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一部分，如何平衡生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)以達(dá)到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保育的平衡，還需深入進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合分析。

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Temporal and spatial patterns of carbon sequestration services for primary terrestrial ecosystems in China between 1990 and 2030

HUANG Lin*，LIU Jiyuan，SHAO Quanqin，DENG Xiangzheng

InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

We selected forest, grassland, wetland ecosystems to estimate the status of vegetation and soil organic carbon sequestration capacity and changes in ecosystem carbon sequestration between 1990 and 2010. Then, we projected the potential for ecosystem carbon sequestration under three different social development situations up to 2030. The past, current, and future potential of carbon sequestration services for mainly terrestrial ecosystems were assessed. (1) In 2010, carbon sequestration of mainly terrestrial ecosystems was 17.29 PgC in China, of which vegetation carbon was 8.7 PgC and soil organic carbon was 8.59 PgC at a depth of 30 cm. Forest carbon accounted for 73.26%; grassland carbon, 21.55%; and wetland carbon, 5.18%. (2) Between 1990 and 2000, carbon sequestration services of mainly terrestrial ecosystems increased slightly, and overall carbon sequestration reduced by 2.15%; forest, grassland, and wetland carbon decreased by 1.12%, 0.97%, and 20.19%, respectively. Between 2000 and 2010, carbon sequestration services of mainly terrestrial ecosystems increased slightly, and the amount of carbon fixed increased by 2.92%; forest carbon increased by 3.72%, and grassland and wetland carbon decreased by 0.62% and 5.59%, respectively. (3) When the former 10 years were compared to the latter 10 years, carbon sequestration services of mainly terrestrial ecosystems showed a shift from a slight drop to a slightly upward trend. The variation trends of carbon sequestration services for forest changed from decreasing or basically unchanging to increasing. Grassland carbon sequestration services continued to show a basic balance and a decline in the proportion of carbon sequestration. The reducing trend of wetland carbon sequestration services has improved. (4) Up to 2030, carbon sequestration services of main terrestrial ecosystems will show an obvious rising trend, (up to 430.11—498.06 TgC), with an increase of 5.15%—5.97% in the proportion of carbon sequestration.

China; forest; grassland; wetland; carbon sequestration service; temporal and spatial pattern

10.5846/stxb201411012141

國家自然科學(xué)基金面上項目(41371019)；國家“十二五”科技支撐計劃課題(2013BAC03B04)

2014-11-01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-29

Corresponding author.E-mail: huanglin@lreis.ac.cn

黃麟，劉紀(jì)遠(yuǎn)，邵全琴，鄧祥征.1990—2030年中國主要陸地生態(tài)系統(tǒng)碳固定服務(wù)時空變化.生態(tài)學(xué)報,2016,36(13):3891-3902.

Huang L，Liu J Y，Shao Q Q，Deng X Z.Temporal and spatial patterns of carbon sequestration services for primary terrestrial ecosystems in China between 1990 and 2030.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):3891-3902.