唐 睿， 彭開麗，2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，湖北武漢 430070； 2.湖北農(nóng)村發(fā)展研究中心，湖北武漢 430070)

土地利用變化使得地球原有的土地覆被格局、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能都發(fā)生改變，影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，且影響范圍廣、強(qiáng)度大，在其變化過程中，往往伴隨著大量的碳交換，從而導(dǎo)致溫室氣體的增加，土地利用變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)最直接的人為驅(qū)動因素之一[1]。各項研究表明，土地利用變化對大氣中CO2的濃度急劇增加的影響僅次于化石能源燃燒，已成為第二大溫室氣體排放源[2]。而且，因土地利用變化所帶來的碳排放量在我國、亞熱帶、熱帶甚至全球范圍內(nèi)都占有很大的比重[3-6]。因此土地利用變化對于陸地碳儲量的影響這一問題受關(guān)注的程度越來越高，逐步成為一個研究熱點。

對于土地利用變化碳效應(yīng)的研究已經(jīng)從多個層面展開，其中多位學(xué)者研究了全球歷史不同時期土地利用變化對陸地碳循環(huán)的影響[7-9]。另有學(xué)者從國家及地方層面進(jìn)行研究，涉及到美國[10-11]、亞馬孫地區(qū)[12]、亞洲東南部[4]、印度[13]、中國[14]等國家。

本文全面綜述了近些年來學(xué)者們對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究，各種土地利用變化的影響，主要包括農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變及農(nóng)用地非農(nóng)用地間的轉(zhuǎn)變，以及學(xué)術(shù)界用于研究此問題較為普遍的研究方法，評述了土地利用變化過程中陸地碳儲量相關(guān)問題的研究進(jìn)展，以期為科學(xué)評價土地利用變化對陸地碳儲量的影響提供參考依據(jù)。

1 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究

生態(tài)系統(tǒng)碳儲量由植被碳和土壤碳構(gòu)成，但由于時間空間等各項因素，陸地碳儲量也有所不同。高艷妮等經(jīng)過系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力平均為(2.828±0.827) Pg C/年，在未來氣候情境下，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力總體上可能呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢[15]。土地利用變化通過影響植被碳和土壤碳的固定、排放，從而引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的改變。

筆者綜合大量文獻(xiàn)資料，從土壤碳和植被碳2個方面對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進(jìn)行綜述。

1.1 土壤碳儲量

土壤具有存儲碳的能力，充當(dāng)了碳匯的角色，全球約有 1 576 Pg 的碳存儲在土壤中，土壤中的碳含量約是地上生物量的3倍，是大氣中碳含量的2倍[7，16]。目前世界碳損失嚴(yán)重，而由于世界農(nóng)業(yè)以及土壤退化造成的碳損失占全球歷史碳損失(42億～78億t)的50%～66%[8]。因此土壤碳含量對于陸地系統(tǒng)碳含量影響較大。

土地利用變化是改變土壤有機(jī)碳含量的原因之一，但土地利用變化對于土壤碳庫的影響較為復(fù)雜，土地利用變化到底能成為土壤碳庫的碳匯還是碳源，目前眾多學(xué)者還沒有統(tǒng)一的說法。研究表明，耕地轉(zhuǎn)林地、草地；草地轉(zhuǎn)林地；建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地、草地、林地；水域的轉(zhuǎn)出以及未利用地的轉(zhuǎn)出等能夠增加土壤碳儲量，即為碳匯，但到21世紀(jì)末，由于天然林轉(zhuǎn)坡耕地及其他土地利用變化、持續(xù)耕作土壤及一系列人類活動等原因，我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫含量較1980年會下降10%左右，但如果及時采取灌溉農(nóng)田等有效措施，農(nóng)田土壤有機(jī)碳降低的現(xiàn)象會得以抑制，甚至提高[17-20]。

土壤碳含量的分布因為地域的差異也有所不同，土地利用變化是導(dǎo)致碳儲量分布具有區(qū)域性特征的主要原因。裴志永等采用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合CASA模型，根據(jù)野外試驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗關(guān)系估算出青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域上的土壤碳排放在區(qū)域上呈現(xiàn)出明顯的由東南向西北遞減的趨勢[21]。目前對于土壤碳含量變化的研究多集中于某一時刻不同土地利用類型之間的比較分析[18，22-23]，而時間維度上，對于不同時刻同一地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換后的土壤碳效應(yīng)差異研究還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入[24-25]。

1.2 植被碳儲量

人類生活衣食住行的各個方面很大一部分都來自于植物生產(chǎn)力，植物通過光合作用將太陽能固定并轉(zhuǎn)化為植物生物量。凈初級生產(chǎn)力(簡稱NPP)通俗而言就是從植物由于光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后剩余的部分，是地表碳循環(huán)的重要組成部分。它反映了植被自身的生產(chǎn)能力，可以作為評定生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的標(biāo)準(zhǔn)。

對于NPP的研究，國內(nèi)學(xué)者主要通過收集遙感資料，利用各類模型，估算了不同植被類型的NPP，并對其時間空間特征，以及NPP對氣候變化的響應(yīng)做了大量的研究(表1)。但由于所研究的區(qū)域、時間段的選取，數(shù)據(jù)的收集，模型的選擇等有所不同，不同的研究結(jié)果間也存在著差異[6，26]。

根據(jù)眾多學(xué)者的研究，影響NPP大小的主要因素大致可以分為自然因素和人為因素，自然因素主要有降水、輻射和溫度。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，驅(qū)動NPP數(shù)值變化的主要因素是降水，呈現(xiàn)出較為顯著的相關(guān)性，但溫度可以起到輔助作用，只是其顯著性沒有降水大[27-28]。Ren等敏感性試驗結(jié)果表明，氣候變化是控制森林NPP時空變化的主導(dǎo)因素[29]。但由于區(qū)域、季節(jié)以及植被覆蓋類型的不同，NPP的大小是不同的。國內(nèi)學(xué)者們運(yùn)用不同的模型，分析了東北三省[30-31]、陜北黃土高原[32]、西藏青藏高原[21]、南方丘陵區(qū)[33]不同植被覆蓋類型下植被NPP的大小。高艷妮等通過總結(jié)遙感模型對陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的模擬結(jié)果得到，不同植被類型的單位面積NPP總體表現(xiàn)為常綠闊葉林顯著高于其他植被類型，但不同研究結(jié)果間變化范圍較大[15]。

還有部分學(xué)者認(rèn)為，不僅僅由于上述自然因素導(dǎo)致NPP的改變，一些人為因素，包括土地利用類型以及管理方式的轉(zhuǎn)變也會造成植被NPP的變化。高志強(qiáng)等運(yùn)用GLO-PEM模型研究發(fā)現(xiàn)，在中國北方土地利用發(fā)生變化的區(qū)域，由于土地利用變化所引起的對于植被NPP的影響約占97%[34]。謝寶妮等提出了對于區(qū)域而言，由退耕還林還草而引起的土地利用覆被變化是退耕區(qū)NPP增加的主要因素；干旱的緩解則是青海內(nèi)蒙等地NPP增加的主要因素[35]。張興榆等認(rèn)為近25年來，環(huán)太湖地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被儲碳能力逐步減弱，主要原因就是由于碳密度較高的林地大量轉(zhuǎn)移為碳密度較低的耕地、草地[36]。王淵剛等認(rèn)為1962—1976年間瑪納斯河流域大面積林地開墾，新增較多耕地，所以植被碳增加；1976—1999年由于不合理的耕作或灌溉措施，大面積耕地棄耕為荒漠，植被碳儲量少量減少；1999—2008年由于滴灌技術(shù)大規(guī)模推廣，收復(fù)了大量的棄耕地，土地利用范圍擴(kuò)張，中部平原區(qū)綠洲逐漸連片，棄耕現(xiàn)象得以緩解，所以年植被碳儲量小幅增加[37]。

表1 我國部分區(qū)域?qū)τ谥脖惶純α康难芯?/p>

2 土地利用變化對陸地碳儲量的影響機(jī)制

土地利用變化的區(qū)域是陸地碳儲量變化的熱點區(qū)域，土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響主要體現(xiàn)在以下2種方式：一是農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變，本文主要介紹耕地、林地及草地間的相互轉(zhuǎn)換，二是農(nóng)用地與非農(nóng)用地間的相互轉(zhuǎn)變。土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響機(jī)制如圖1所示，在土地利用變化的過程中，伴隨著自然條件以及人類活動，會使得土壤中的碳發(fā)生變化，而隨著植物的生長，土壤中的碳可以很好地被固定在植物體內(nèi)，隨著時間的流失，植物凋謝死亡，其體內(nèi)的碳又重新回到土壤中，因此本文主要從植被碳和土壤碳2個方面來介紹土地利用變化對陸地碳儲量的影響。

2.1 農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變

2.1.1 林地的轉(zhuǎn)變 森林是全球碳含量的重要影響因素，它大致包含了陸地碳儲量中地上部分的80%，以及地下部分的40%[38-40]。6%～17%的人類二氧化碳的排放是由于熱帶地區(qū)森林的砍伐及退化造成的，因此，國際上很多工業(yè)國家都撥出部分資金用于減少森林砍伐[41]。

林地變動的驅(qū)動因素在不同的地區(qū)也有著不同的重要性，一般來說，大部分的農(nóng)村人口采用的是不可持續(xù)的耕作方式，從而造成了日益增長的農(nóng)地需求[42-43]。為了增加工業(yè)用材或者薪材而砍伐森林，為了增加耕地、草地等的面積而毀林，為了增加城鎮(zhèn)化建設(shè)而占用林地，以及不恰當(dāng)?shù)墓芾矸椒ǖ纫捕际窃斐闪值匕l(fā)生改變的原因。特別是在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，以及人口壓力劇增的背景下，糧食需求的壓力不得不使我們進(jìn)一步擴(kuò)大耕地及草地面積。

林地的轉(zhuǎn)變是碳儲量損失最重要的原因。1983—1990年期間，在全球范圍內(nèi)，林地轉(zhuǎn)為農(nóng)田以及草地占總的土地利用變化面積的45%，但是其所帶來的碳儲量變化占總的土地利用變化造成的碳儲量變化的2/3和3/4，由此可見，相對于其他土地利用類型而言，林地的碳儲量相當(dāng)?shù)母?。所以林地的變動將會對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量造成相當(dāng)大的影響。在北美以及歐洲，碳損失較為明顯，主要就是因為大量的農(nóng)地占用了林地[3]。

2.1.2 草地的轉(zhuǎn)變 我國的草地資源相當(dāng)豐富，總面積將近4億hm2，占全國土地總面積的40%，是耕地面積的3倍。其中最著名的四大草原分別是內(nèi)蒙古呼倫貝爾大草原、內(nèi)蒙古錫林郭勒大草原、新疆伊犁草原、西藏那曲高寒草原。

近些年來，國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家及土壤學(xué)家對森林碳儲量的研究較為頻繁，不同地區(qū)、不同時間、不同類型的森林碳儲量，以及土地利用變化對森林碳儲量的影響都得到了廣泛的關(guān)注，但是對于草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究卻顯得關(guān)注不夠，有關(guān)土地利用變化對草原碳儲量的研究更為稀缺。

康文星等利用洞庭湖濕地苔草地改造成林地后，土壤有機(jī)碳儲量在造林前5年損失率較高，為11.29%，造林后的第6～8年內(nèi)，土壤有機(jī)碳損失的速率下降，特別是在40～100 cm 的土層內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了凈積累，主要原因是隨著樹木的增長，落葉量增加，從而使得土壤碳含量增加[43]。周濤等發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)換為耕地后，土壤的平均有機(jī)碳儲量減少了 3.5 kg/m3，通過評估土壤碳對于溫度的敏感性，得出在全球變暖的趨勢下，退耕還林還草政策使得植物能夠?qū)⒏嗟奶脊潭ㄔ谕寥乐衃14]。

2.1.3 耕地的轉(zhuǎn)變 耕地的轉(zhuǎn)化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量也有著舉足輕重的影響。姜群鷗等研究發(fā)現(xiàn)黃淮平原地區(qū)耕地的轉(zhuǎn)移對于植被碳儲量的影響，估算得到1988—2000年間，耕地的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致研究區(qū)域植被碳儲量減少了0.24%，其中，最主要的因素是耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地[45]。

目前，有眾多學(xué)者就退耕還林還草政策對于土壤、植被碳儲量的影響進(jìn)行了深入的研究。他們多采用空間代替時間的方法，研究不同演替年限、不同土壤深度、植被不同部位中的碳儲量變化情況[46-48]。我國黃土丘陵區(qū)作為生態(tài)環(huán)境多次遭受破壞，水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，眾多學(xué)者對其固碳能力進(jìn)行了多次評估。劉迎春等對黃土丘陵區(qū)實施退耕還林政策后固碳潛力進(jìn)行了評估，研究發(fā)現(xiàn)隨造林時間的延長，植被碳儲量呈逐年遞增的趨勢，而土壤碳儲量則呈現(xiàn)為先減少后增加[49]，這與Goulden等的研究結(jié)果[50]相似。申家朋等采用實地采樣等方法，對黃土丘陵區(qū)退耕還林后的刺槐人工林進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤碳儲量受坡向及退耕年限影響較為顯著[47]。

2.2 農(nóng)用地向非農(nóng)用地轉(zhuǎn)變

隨著城鎮(zhèn)化工業(yè)化腳步的加快，建設(shè)用地占用農(nóng)用地的現(xiàn)象越加明顯。1990年起，森林砍伐率逐年降低，但是城市擴(kuò)張在過去30年間大步增長。建設(shè)用地占用農(nóng)用地意味著：一方面，在農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地過程中，植被大量減少，降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳存量。另一方面，在土地利用的碳排放中，建設(shè)用地碳排放總量和強(qiáng)度最大，是其他用地類型碳排放強(qiáng)度的幾十倍甚至上百倍[51-52]。據(jù)Seto等[9]估計，2000—2030年泛熱帶地區(qū)由于城市建設(shè)用地擴(kuò)張造成陸地地上部分的碳儲量將損失1.38 Pg C[9]。

隨著全球氣候變化的深入研究，城市土壤碳庫及其變化也備受關(guān)注，但是相對于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)，城市土壤碳庫的研究還是較少。綜合碳密度以及熱帶區(qū)域的森林轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換概率(75%～100%)來看，美洲和非洲在2030年的碳損失總量最多，分別為0.5、0.49 Pg C[9]。Pouyat等對美國巴爾摩縣的30個開發(fā)項目的地形變化進(jìn)行分析，估算出 2 600 m2的建設(shè)活動會對2.7×104kg C有所干擾[53]。對于國內(nèi)而言，Tao等計算出常州市城市中心的陸地碳儲量僅為0.11～0.32 Tg C，遠(yuǎn)低于城市邊緣區(qū)域(2.41～7.50 Tg C)[14]。

3 土地利用變化碳效應(yīng)的研究方法

3.1 遙感模型

3.1.1 InVEST模型 InVEST模型由美國斯坦福大學(xué)世界自然基金會與大自然保護(hù)協(xié)會于2007年聯(lián)合開發(fā)?；贕IS平臺可以將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以地圖的形式表示出來，是該模型最突出的特點所在。模型中碳儲量版塊可以對陸地上某一區(qū)域某一時段內(nèi)的碳儲量及其價值進(jìn)行評估，該模型以土地利用類型為評估單元，利用區(qū)域土地利用/覆被信息、各碳庫碳密度數(shù)據(jù)，通過柵格疊加計算生成不同土地利用類型上的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，得到區(qū)域碳儲量的空間分布。

運(yùn)用InVEST模型，研究土地利用變化與區(qū)域碳儲量之間的相互關(guān)系，這一問題在近年來受到了眾多學(xué)者的探索。大多學(xué)者從時間、空間兩方面對區(qū)域碳儲量進(jìn)行了一系列的動態(tài)研究[54-55]。Polasky等使用InVEST模型來量化1992—2001年明尼蘇達(dá)土地利用變化對土地所有者的回報[56]。榮月靜等利用InVEST模型分析了2000—2010年間太湖地區(qū)土地利用變化對于碳儲量的影響，由于濕地林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地導(dǎo)致土壤碳儲量減少了1 375.66萬t[57]。郜紅娟等利用InVEST模型探索了貴州省烏江流域碳儲量的空間結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)2000—2010年期間，烏江北部、東南部碳儲量較高，南部及東北部較低；隨時間遷移，除南部及中部地區(qū)碳儲量有所降低之外，其他區(qū)域碳儲量均有所提升[58]。這些都是由于退耕還林以及快速城鎮(zhèn)化等土地利用變化因素造成。

3.1.2 CASA模型 CASA模型主要是運(yùn)用遙感技術(shù)，獲取模型所需的太陽輻射、地表溫度、降水等數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用、植被類型分布圖，通過植被對光能的有效輻射吸收原理來研究區(qū)域碳儲量及其分布規(guī)律的模型。該模型使用起來較為簡單，實用性強(qiáng)，所需數(shù)據(jù)及模型參數(shù)大部分都能通過遙感技術(shù)獲取，而且所獲取的數(shù)據(jù)觀測范圍廣，周期較長，分辨率較高，所以該模型已被廣泛應(yīng)用于評估區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量以及凈生產(chǎn)力[44，59]。

3.1.3 GLO-PEM模型 GLO-PEM模型與CASA模型相似，只是在CASA模型的基礎(chǔ)上，添加了植被的呼吸過程，再通過有效輻射吸收利用原理來測算NPP的模型。它所需的數(shù)據(jù)也同樣是通過遙感技術(shù)獲取，這些遙感數(shù)據(jù)包括植物覆蓋指數(shù)(NDVI)以及各種氣象變量。姜群鷗等利用遙感數(shù)據(jù)以及GLO-PEM模型，估算了黃淮海平原植被凈初級生產(chǎn)力，并測算了不同土地利用類型的植被碳密度[45]。一些學(xué)者常采用此方法來研究影響NPP大小的作用因素，發(fā)現(xiàn)主要是土地利用變化、降水、溫度等不同因素影響著NPP[60-61]。

3.2 經(jīng)驗統(tǒng)計

3.2.1 簿記(bookkeeping)模型 簿記模型以年為單位，常用來估算由于區(qū)域內(nèi)土地利用變化所導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)每年的碳凈變化量。它實際上是一個統(tǒng)計估算模型，單位面積上所考慮到的碳量范圍也較為全面，主要包括生物體、土壤、植物殘體(枯枝落葉等)以及木材產(chǎn)品中所包含的碳量，繼而對土地利用變化或管理等一系列活動所導(dǎo)致各個方面的碳儲量的變化繪制出相應(yīng)的曲線。但是土地利用變化是一個較為復(fù)雜的過程，一般的簿記模型都是以生物量和土壤碳儲量作為整個模型的重點，普遍缺乏對動植物體移走腐爛等氧化過程中所釋放出來的碳的考慮。由于焚燒、薪柴、建房等移走植被利用方式的不同，王淵剛等將這種不同產(chǎn)品不同利用方式氧化速率的差別考慮進(jìn)bookkeeping模型中，估算出由于土地利用變化導(dǎo)致的瑪納斯河流域植被碳儲量增加量[37]，比柳梅英等的估算結(jié)果[59]要高。究其原因可能有以下幾點，首先，王淵剛等考慮了移走植被的不同氧化過程對植被碳儲量的影響；其次，二者對于碳密度數(shù)據(jù)收集的方法也不同，王淵剛等是參考已發(fā)表的文獻(xiàn)中所公開的資料數(shù)據(jù)，而后者是利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行估算得出的植被碳密度。所以，bookkeeping模型的誤差主要來自于土地利用變化以及單位面積碳密度數(shù)據(jù)的誤差。

3.2.2 IPCC統(tǒng)計方法 利用IPCC溫室氣體清單法進(jìn)行碳儲量變化的研究[36，62]也是經(jīng)驗統(tǒng)計方法的一種，IPCC溫室氣體清單法涉及到平均土壤碳密度以及土地利用變化發(fā)生時的碳庫影響因子，同種土地利用類型采用同一土壤碳密度，同種影響因子。

這種統(tǒng)計方法優(yōu)點在于參數(shù)較少，簡單易得，常常適用于數(shù)據(jù)缺乏以及資料難尋的情況，但與此同時也存在著一些弊端，例如它簡化了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程，土地利用類型對于碳儲量的影響機(jī)理也沒有很具體的體現(xiàn)在模型中。

3.3 動態(tài)分析

目前，越來越多的學(xué)者充分考慮到土地利用變化對碳儲量的影響機(jī)制，對一些特定情境下的碳儲量變化進(jìn)行預(yù)測。一些學(xué)者結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)和CLUE-S模型模擬出一定情景下的土地利用變化及各類用地的空間分布，然后根據(jù)碳密度估算出不同情境下土地利用變化對碳儲量的影響[63]。

CEVSA模型是常用的一種動態(tài)分析模型。它主要包括以下幾個子模塊：生物物理子模型、植物生長子模型、植物各器官中碳的分配以及凋落物的產(chǎn)生、生化子模型。

Mingkuncao等將目光投向非洲，他認(rèn)為雖然非洲提供了全球1/5的NPP，但其氣候變化也是很劇烈的，所以運(yùn)用CEVSA模型模擬了由于氣候變化導(dǎo)致的1901—1995年的碳循環(huán)及碳儲量變化的動態(tài)過程，他認(rèn)為，其實非洲并不是一個很有效的碳匯地區(qū)，因為它所固定的碳，有很大一部分都因為土地利用變化而被釋放[64]。還有學(xué)者將CEVSA模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了冠層截留以及融雪對于土壤水分的影響，而且將CEVSA模型的模擬時間由“旬”縮短為“日”。運(yùn)用改進(jìn)后的模型分析了亞熱帶紅壤丘陵區(qū)的人工林自造林以來，陸地生態(tài)碳儲量的時空變化特征[65]。上述6種方法概括見表2。

4 研究進(jìn)展評述與展望

4.1 研究評述

早在20世紀(jì)90年代以前，土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響就引起了國內(nèi)外學(xué)者的足夠重視。在過去的幾個世紀(jì)里，陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量的變化主要來自于人類的土地利用變化，強(qiáng)調(diào)了林地對于調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量起的重要作用，但是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化有很大的不確定性，因為氣候變化也存在很大的影響[68-70]。因為全球變暖的速度加快，氣候變暖對于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的影響越來越大，到21世紀(jì)初，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)者們開始細(xì)化研究區(qū)域，使用CEVSA、GLO-PEM等模型，將氣候變化和土地利用變化對碳儲量的影響分開，將研究對象陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分開，分為土壤碳和植被碳，對于土壤碳，著重研究不同深度的土壤碳儲量對于土地利用變化的響應(yīng)；對于植被碳儲量的研究，?；谥鹉赀b感數(shù)據(jù)，測算植被碳儲量隨時間變化的特征[6，28，62]。由于溫室效應(yīng)的嚴(yán)重，隨著科技的進(jìn)步，模型的針對性越來越強(qiáng)，約2010年以后，越來越多的學(xué)者注重土地利用變化碳效應(yīng)的時空動態(tài)變化以及空間格局的規(guī)劃，根據(jù)碳收支劃分不同區(qū)域，運(yùn)用情景模擬等方法，基于低碳排放的情景下模擬空間規(guī)劃[17，31]。基于以上的發(fā)展歷程，筆者將土地利用變化的碳效應(yīng)大致歸納出以下幾個特點：(1)陸地碳儲量受諸多因素影響，其中土地利用變化是重要影響因素之一。(2)陸地碳儲量(植被碳和土壤碳)具有時空特征。(3)林地的轉(zhuǎn)變是碳儲量損失最重要的原因之一。(4)退耕還林還草政策在一段時間后能夠增加碳儲量。(5)建設(shè)用地占用農(nóng)用地，一方面，在農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地過程中，植被大量減少，降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳存量；另一方面，建設(shè)用地碳排放總量和強(qiáng)度最大，是其他用地類型碳排放強(qiáng)度的幾十倍甚至上百倍，增加了碳排放。(6)評估方法多樣化，精確度也越來越高。

表2 土地利用變化碳效應(yīng)的研究方法

但目前的研究仍存在以下方面的不足：(1)研究數(shù)據(jù)缺乏且存在不確定性。土地利用變化的數(shù)據(jù)多基于遙感技術(shù)的使用，雖然遙感技術(shù)日益走向成熟，但在遙感影像解譯等過程中，由于操作人員主觀因素的影響，土地利用分類的精度難以保證。其次，由于植被、土壤種類眾多，再加上氣候環(huán)境的變化，造成了空間上的差異，對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響也顯現(xiàn)出異質(zhì)性，所以陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量定位監(jiān)測技術(shù)仍有較大進(jìn)步空間。(2)關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量潛力以及質(zhì)量方面的研究較為缺乏。目前，土地利用變化對于陸地碳的影響較多集中在數(shù)量上的研究，主要為不同植被類型的不同生長部位、不同研究區(qū)域以及不同演替時段的碳儲量對于土地利用變化數(shù)量上的響應(yīng)。例如，碳儲量數(shù)量上的降低在多久后能夠恢復(fù)到土地利用變化以前的水平？反之，如果上升，那么這種數(shù)量上的增加又有多大的提升空間？有學(xué)者表示土壤碳質(zhì)量對于土地利用變化的反應(yīng)比土壤碳數(shù)量對其反應(yīng)更為強(qiáng)烈[71]。但是目前對于土壤碳質(zhì)量的研究還顯得較為缺乏。(3)缺乏在低碳排放情境下的土地利用優(yōu)化格局。目前的研究較多集中于農(nóng)用地與建設(shè)用地間的相互轉(zhuǎn)化對植被碳、土壤碳的影響，但是反向思考較為缺乏，例如可研究在低碳排放的情景下土地利用的優(yōu)化格局，若能模擬出低碳排放情景下的土地利用格局，將大大減少日后為增加碳儲量減少碳排放而帶來的各方面壓力。(4)現(xiàn)有碳儲量模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測土地利用變化對于碳儲量的影響程度。目前，InVest、CASA等模型對于大氣-植被-土壤間的碳循環(huán)過程進(jìn)行了模擬，綜合考慮了氣候因子以及人為因素對陸地碳儲量的影響，整個循環(huán)過程已經(jīng)模擬得較為全面。但是陸地碳儲量的變動十分復(fù)雜，目前已有的模型有些還不具有全面的影響因子，各因子權(quán)重也不能很好地量化，因此現(xiàn)有模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測土地利用變化對于未來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響。

4.2 研究展望

4.2.1 建立長期定位陸地碳儲量數(shù)量質(zhì)量監(jiān)測體系，廣泛收集相關(guān)數(shù)據(jù) 針對數(shù)據(jù)的缺乏，應(yīng)大范圍有針對性地建立起長期陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量定位監(jiān)測系統(tǒng)，收集時間段長、空間跨度廣、不同土地利用類型的碳儲量變動數(shù)據(jù)，為研究土地利用變化對于陸地碳儲量的影響奠定一定的基礎(chǔ)。

4.2.2 多領(lǐng)域跨越多學(xué)科融合，科學(xué)評價陸地碳儲量質(zhì)量狀況 基于目前學(xué)者對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究[72-73]，筆者認(rèn)為在探尋土地利用變化碳儲量數(shù)量變動的同時也應(yīng)當(dāng)注意碳質(zhì)量的研究。如果將土地利用變化同土壤學(xué)等生態(tài)領(lǐng)域的專業(yè)知識相結(jié)合，加強(qiáng)土地利用變化對于陸地碳儲量質(zhì)量上影響的研究，相信對于研究土地利用變化對陸地碳儲量造成的潛在影響能夠做出更好的預(yù)測、以及對碳儲量損失后所需要恢復(fù)時間的推斷都是一個很好的幫助。

4.2.3 測定土地利用變化后陸地碳儲量的潛力，優(yōu)化低碳排放下的土地利用空間格局 目前的研究主要停留在被動地評判土地利用變化對于陸地碳儲量的影響上，所以應(yīng)當(dāng)反向思考，基于低碳排放的情境下，綜合各項目標(biāo)的用地需求，通過運(yùn)用土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，提供出優(yōu)化的土地利用空間格局，為土地利用決策提供更有現(xiàn)實意義的參考意見。

4.2.4 建立土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，優(yōu)化不同土地利用類型下碳循環(huán)模型 理清土地利用變化對于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響機(jī)制，在分清不同的碳循環(huán)過程這一重要基礎(chǔ)上，對已有模型予以完善，綜合考慮環(huán)境、生化及人為因素等的影響，建立土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)相耦合的模型；再者，對于不同的土地利用變化過程采用與之相對應(yīng)的模型，發(fā)展針對不同用地類型、多時空的多種陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化模型或板塊，是未來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量模型研究的一個重要方向。