劉桂芳,關(guān)瑞敏,夏夢(mèng)琳,盧鶴立,3,4,*,徐 明,3,4,鄭 輝,3

1 河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院/河南大學(xué)黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心暨黃河文明省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,開(kāi)封 475004 2 黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河南大學(xué))/河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,開(kāi)封 475004 3 河南省地球系統(tǒng)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)封 475004 4 河南大別山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,開(kāi)封 475004

氣候變化已經(jīng)成為當(dāng)今人類(lèi)關(guān)注的最重要話題之一,人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的二氧化碳濃度增加是引起氣候變化的一個(gè)重要因素[1]。相對(duì)于溫帶和寒帶森林,熱帶雨林植被碳儲(chǔ)量更高,因而,熱帶雨林在應(yīng)對(duì)全球二氧化碳濃度增加方面扮演著關(guān)鍵性角色[2—3]。目前,熱帶雨林因森林砍伐導(dǎo)致的碳排放已占全球總溫室氣體排放量的20%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了交通部門(mén)碳排放量的占比。然而,由于核定和監(jiān)測(cè)問(wèn)題,以穩(wěn)定溫室氣體濃度、實(shí)現(xiàn)全球碳減排為目標(biāo)的京都議定書(shū),卻并沒(méi)有涉及到這個(gè)方面。因此,除非在國(guó)際減排框架中納入熱帶雨林地區(qū),全球溫室氣體減排目標(biāo)將不會(huì)最終實(shí)現(xiàn)[4—7]。基于此,減少發(fā)展中國(guó)家森林砍伐和退化而降低溫室氣體排放的機(jī)制在氣候變化談判中逐漸得到發(fā)展。2012年12月,在多哈世界氣候峰會(huì)上,與會(huì)國(guó)一致認(rèn)為：依據(jù)聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC),為了有效地應(yīng)對(duì)全球氣候變化,可以在發(fā)展中國(guó)家實(shí)施積極的激勵(lì)措施或補(bǔ)償措施,一方面可以減少由森林砍伐和退化造成的溫室氣體排放,另一方面也可以增強(qiáng)森林的固碳能力,即REDD+[8—10]。2013年11月,在華沙《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》第十九次締約方大會(huì)(COP19)暨《京都議定書(shū)》第九次締約方會(huì)議(CMP9)上,各方就REDD+資金議題、REDD+行動(dòng)方法指南議題、協(xié)調(diào)REDD+行動(dòng)支持議題和LULUCF(Land use, land use change and forestry)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題議題展開(kāi)深入討論,通過(guò)了與REDD+相關(guān)的7個(gè)決定,組成了REDD+華沙框架。2015年12月,《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》近200個(gè)締約方在巴黎氣候變化大會(huì)上通過(guò)《巴黎協(xié)定》,是繼《京都議定書(shū)》后第二份有法律約束力的氣候協(xié)議。2016年4月22日,包括中國(guó)在內(nèi)的170多個(gè)國(guó)家在紐約共同簽署了這一協(xié)定,承諾將全球氣溫升高幅度控制在2℃的范圍之內(nèi)[11]。《巴黎協(xié)定》不僅為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)做出了安排,同時(shí)也使該協(xié)定第五條涉及的REDD+機(jī)制得到了國(guó)際法上的確認(rèn),為國(guó)際社會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化森林在應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題上的效用,以及發(fā)展中國(guó)家擴(kuò)大森林經(jīng)營(yíng),實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展鋪平了道路。為積極應(yīng)對(duì)氣候變化,響應(yīng)《巴黎協(xié)定》約定, 2020年9月,中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向全世界宣布了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[11],而要實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo),顯然離不開(kāi)REDD+行動(dòng)框架。

毀林和森林退化不僅導(dǎo)致熱帶雨林地區(qū)碳儲(chǔ)量減少和固碳能力降低,也將引起植被構(gòu)成發(fā)生變化、土壤侵蝕加劇、土地退化及水污染等系列效應(yīng),從而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。目前,對(duì)REDD+的碳效應(yīng)和生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)估已成為REDD+研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[12—14]。鑒于此,本研究以中國(guó)的西雙版納地區(qū)為研究區(qū)域,以毀林最嚴(yán)重的1976—2007年為REDD+基線[15—20],嘗試對(duì)REDD+的碳匯效益和生態(tài)效益進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)估,并明確兩者之間的關(guān)系。研究中,基于衛(wèi)星影像,并結(jié)合植被指數(shù)(NDVI),提取了研究區(qū)的土地利用變化信息。基于IPCC溫室氣體清單方法,計(jì)算了研究區(qū)的森林碳儲(chǔ)量變化。在此基礎(chǔ)上,基于通用土壤流失方程(RUSLE)和景觀指數(shù)對(duì)包括土壤侵蝕和森林破碎化在內(nèi)的REDD+生態(tài)效益進(jìn)行了核算。文中最后對(duì)REDD+的機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

圖1 西雙版納全區(qū)圖Fig.1 Map of Xishuangbanna

西雙版納地區(qū)位于云南省南部邊緣(21°09′—22°36′N(xiāo),99°58′— 101°50′E),總面積約19674km2(圖1)。西雙版納擁有中國(guó)唯一保存面積最大、地球上分布最北的熱帶雨林,也是中國(guó)熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型最多的地區(qū)[21]。近年來(lái)由于人口增加和人類(lèi)活動(dòng)加劇,加之該區(qū)豐富的氣候資源和適宜的地形條件,橡膠等熱帶經(jīng)濟(jì)林或作物的種植面積不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致森林砍伐較嚴(yán)重,森林破碎化加劇。森林砍伐引起了土地利用/覆被變化,不僅使西雙版納地區(qū)的植被碳貯量不斷減少,碳儲(chǔ)量分布模式也由隨機(jī)離散分布逐漸趨向聚集分布[22]。此外,森林景觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。表現(xiàn)為核心森林面積減少、斑塊數(shù)量增加以及斑塊間的孤立程度提高等明顯的森林破碎化現(xiàn)象,減弱了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,對(duì)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境和生物多樣性產(chǎn)生顯著影響[23—24]。近年來(lái),土壤侵蝕問(wèn)題也有所增長(zhǎng),導(dǎo)致土地進(jìn)一步退化,森林和土壤對(duì)洪水的調(diào)控能力下降。上述問(wèn)題都會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的穩(wěn)定循環(huán),進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定構(gòu)成巨大威脅。

為界定REDD+活動(dòng)的參考時(shí)期和規(guī)模,REDD+框架設(shè)定了一種基準(zhǔn)情形,即REDD+基線。使用REDD+基線可以評(píng)估在REDD+減排增匯機(jī)制實(shí)施的情形下,與不實(shí)施的情形相比會(huì)產(chǎn)生多少減排量,從而為財(cái)政補(bǔ)償提供依據(jù)。過(guò)去的毀林時(shí)期通常被作為一個(gè)地區(qū)的REDD+基線。1976—2007年是西雙版納地區(qū)毀林最嚴(yán)重的時(shí)期,因此,研究中以1976—2007年為REDD+基線,對(duì)REDD+的碳效應(yīng)和生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)估。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究采用1976、1992、1999、2007年四期的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用解譯。其中,1976年的MSS和1992年TM影像來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http://www.usgs.gov/)；1999年和2007年的ETM/TM影像以及Terra MODIS影像均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。2007年的ETM數(shù)據(jù)使用地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)提供的條帶修復(fù)模型進(jìn)行修復(fù),修復(fù)方法為多影像自適應(yīng)局部回歸。Terra MODIS采用16天合成的L3數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD13Q1。軌道號(hào)、日期、云量和數(shù)據(jù)來(lái)源詳見(jiàn)表1。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)

根據(jù)研究區(qū)土地利用與覆被特點(diǎn),本研究將土地利用/覆被分為9種類(lèi)型：天然林、灌木林、橡膠園、茶園、旱地、水田、建設(shè)用地和其他用地。通過(guò)對(duì)研究區(qū)不同時(shí)期的衛(wèi)星影像進(jìn)行土地利用/覆被解譯,可以追蹤歷史上的毀林活動(dòng)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO的定義,毀林是指森林轉(zhuǎn)換為其他土地利用方式的過(guò)程,如轉(zhuǎn)換為新的農(nóng)業(yè)用地、種植園用地,或者長(zhǎng)期的林冠覆蓋面積減少的過(guò)程。因此,研究中把天然林和灌木林的變化都?xì)w于毀林的范疇。

1.3 研究方法

研究框架見(jiàn)圖2,研究目標(biāo)是分析REDD+的碳效應(yīng)和生態(tài)效益。首先基于衛(wèi)星遙感影像,并結(jié)合植被指數(shù)(NDVI),提取出西雙版納地區(qū)的土地利用變化信息,這是分析碳效應(yīng)和生態(tài)效益的基礎(chǔ)。在碳效應(yīng)方面,利用IPCC方法,得到西雙版納地區(qū)森林碳儲(chǔ)量變化,評(píng)估REDD+機(jī)制的碳匯效益；在生態(tài)效益方面,重點(diǎn)關(guān)注森林破碎化與土壤侵蝕：基于景觀指數(shù)計(jì)算破碎化,基于通用土壤流失方程(RUSLE)評(píng)估土壤侵蝕,并分別分析他們與碳變化之間的關(guān)系。

圖2 研究框架Fig.2 Research frameworkREDD+: 減少發(fā)展中國(guó)家因毀林和森林退化導(dǎo)致的溫室氣體排放和保持碳儲(chǔ)量 Reducing emissions from deforestation and forest degradation in developing countries; NDVI: 歸一化植被指數(shù) Normalized difference vegetation index; IPCC: 政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì) Intergovernmental panel on climate change; RUSLE: 修正的通用土壤流失方程 The revised universal soil loss equation

1.3.1IPCC溫室氣體清單計(jì)算方法

根據(jù)《IPCC土地利用、土地利用變化和林業(yè)優(yōu)良做法指南》,碳庫(kù)包括三部分,即活生物量(LB)碳庫(kù)、死有機(jī)質(zhì)(DOM)碳庫(kù)和土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)碳庫(kù)；其中,活生物量又包括地上部分生物量(AB)和地下部分生物量(BB),死有機(jī)質(zhì)又包括死木(DW)和枯枝落葉(LT)。

總碳庫(kù)儲(chǔ)量可以表示為：

CTotal=CLB+CDOM+CSOM

(1)

式中,CTotal為土地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)碳儲(chǔ)量(t)；CLB為活生物量碳儲(chǔ)量(t)；CDOM為死有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量(t)；CSOM為土壤有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量(t)；

其中：

CDOM=CDW+CLT

(2)

式中,CDW為死木碳儲(chǔ)量(t)；CLT為枯枝落葉碳儲(chǔ)量(t)。

土地利用變化的碳效應(yīng)評(píng)估是指按照以下指導(dǎo)方法從而計(jì)算出森林生態(tài)類(lèi)型的活生物量碳庫(kù)、死有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)的年度變化。

即：

ΔCTotal=ΔCLB+ΔCDOM+ΔCSOM

(3)

式中,ΔCTotal為土地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫(kù)碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)；ΔCLB為活生物量碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)；ΔCDOM為死有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)；ΔCSOM為土壤有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)。

其中：死有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量年際變化又等于死木和枯枝落葉碳儲(chǔ)量年際變化之和：

ΔCDOM=ΔCDW+ΔCLT

(4)

式中,ΔCDW為死木碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)；ΔCLT為枯枝落葉碳儲(chǔ)量年際變化(t/a)。

IPCC方法需要在成本和測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性之間進(jìn)行權(quán)衡。為此,IPCC在測(cè)算方法、參數(shù)和數(shù)據(jù)源方面確定了三個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)REDD+機(jī)制來(lái)講,允許測(cè)算結(jié)果存在一定的不確定性從而減少成本是十分必要的。我國(guó)學(xué)者在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)方面做了大量的工作,對(duì)西雙版納地區(qū)的植被、土壤碳儲(chǔ)量和碳密度進(jìn)行了大量研究,取得了豐碩的成果[25—27]。張修玉等[28]對(duì)西雙版納地區(qū)陸地植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究,李紅梅[29]等對(duì)該地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量和碳密度進(jìn)行了研究,蕭自位等[30]、龐家平[31]分別對(duì)西雙版納地區(qū)茶園、橡膠林地區(qū)植被、土壤碳密度進(jìn)行了研究,他們的研究為IPCC碳排放核算參數(shù)本地化提供了重要的參考,也為我們核算REDD+碳匯效益提供了依據(jù)。本文在綜合國(guó)內(nèi)大量相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,利用整合分析(Meta-analysis)方法,對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行分類(lèi)、綜合,得到參數(shù)表(表2)。

表2 碳排放估算中采用的各種參數(shù)/(t/hm2)

1.3.2森林破碎化度量

研究中采用景觀指數(shù)來(lái)度量研究區(qū)的森林破碎化程度。景觀指數(shù)通常用來(lái)測(cè)度土地覆被空間結(jié)構(gòu)的組成(數(shù)量、某一比例構(gòu)成出現(xiàn)頻率、景觀中景觀要素的多樣性)和配置(景觀中要素的分布和空間位置)等[34]。景觀指數(shù)分為斑塊、類(lèi)型、景觀3個(gè)級(jí)別,本文選取天然林和灌木林兩個(gè)類(lèi)型級(jí)別景觀指數(shù)和總體景觀指數(shù)共9項(xiàng)指標(biāo)來(lái)描述森林破碎化(表3)。

表3 景觀指數(shù)選擇

森林破碎化指數(shù)的計(jì)算使用了馬薩諸塞大學(xué)自然資源保護(hù)學(xué)院開(kāi)發(fā)的Fragstats程序。研究中使用的土地利用數(shù)據(jù)由遙感影像解譯得到,時(shí)間序列為1976年、1992年、1999年和2007年4期。

1.3.3基于RUSLE模型的土壤侵蝕評(píng)價(jià)

本研究中,采用修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)來(lái)估算土壤侵蝕。RUSLE模型[35]已被廣泛地應(yīng)用于評(píng)估自然和人類(lèi)活動(dòng)變化引起的土壤侵蝕變化。該模型揭示了在氣候、土壤、地形和土地覆被因素綜合作用下,通過(guò)下滲和地表徑流作用,土壤侵蝕過(guò)程的發(fā)生和變化[36]。RUSLE計(jì)算土壤侵蝕量的公式為：

A=R×K×L×S×C×P

(5)

式中,A為單位面積年平均土壤流失量(t/hm2)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1)；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1)；L為坡長(zhǎng)因子,S為坡度因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。其中：

R反映降雨引起土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力大小,即降雨產(chǎn)生土壤侵蝕的潛在能力。本研究采用楊子生的方法,使用雨季(5—10月)累積降雨量估算降雨侵蝕因子R[37]。

K表示在單位降雨侵蝕指標(biāo)下的土壤流失率,此因子取決于土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)和土壤透水性等。本文參考楊子生等[37—39]的研究,取其平均值0.326467 t h MJ-1mm-1。

L和S代表地形因素對(duì)侵蝕的影響,研究中采用由美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量的SRTM數(shù)據(jù),坡長(zhǎng)計(jì)算時(shí)使用到山脊線的距離作為近似值。由于L和S經(jīng)常共同影響土壤流失,因此,將L和S結(jié)合起來(lái),作為一個(gè)復(fù)合因子(即地形因子LS)進(jìn)行綜合測(cè)算,參考楊子生的方法[37],公式如下：

(6)

植被覆蓋不同對(duì)土壤侵蝕的影響也不同[40],C用來(lái)衡量植被覆蓋與植被管理對(duì)土壤侵蝕的影響。由于NDVI的差異可以表示植被覆蓋度的不同,本研究中采用植被指數(shù)NDVI來(lái)估算C值。利用歐洲土壤局提出的方程,基于NDVI可以得到近似的C因子：

(7)

式中,α、β為決定NDVI-C曲線形狀的參數(shù),通常α的值取2,β取1[41]。

P因子是采取水土保持措施后每單位面積土壤流失與順坡耕作的比值,不同的土地利用類(lèi)型由于管理方式的不同會(huì)造成P因子的差異。參考白曉松等[42]的結(jié)果,制定西雙版納地區(qū)9種不同土地類(lèi)型的水土保持措施因子(表4)。

表4 水土保持措施因子

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用變化

由影像解譯可得西雙版納地區(qū)1976、1992、1999、2007年的土地利用/覆被變化情況(圖3),分析表明：在此期間,土地利用/覆被發(fā)生了深刻的變化。從1976—2007共32年間,西雙版納天然林面積不斷減少,而經(jīng)濟(jì)林(橡膠園和茶園)面積持續(xù)增加,且增加速度不斷增大。1976年,該區(qū)天然林面積為1.35×106hm2,占總面積的68.62%,到2007年,已減至8.60×105hm2。1976—2007年間,天然林面積平均每年減少1.17%,其中,1976—1992年間平均每年減少0.74%,1992—1999年間平均每年減少1.20%,1999—2007年間平均每年減少2.64%,減少速度不斷加快。與此同時(shí),橡膠園面積則以年均26.23%速度增長(zhǎng), 1976—2007年間,該區(qū)橡膠園面積由2.58×104hm2增至2.36×105hm2,凈增2.10×105hm2。茶園的增長(zhǎng)速度也在加快,1976—1992年間平均每年增加5.20×102hm2,1992—1999年間平均每年增加1.36×103hm2,而到1999—2007年間平均每年增加值達(dá)到3.10×103hm2,分別是1976—1992、1992—1999年間的5.97倍和2.28倍。1976—2007年間,該區(qū)灌木林面積也在不斷增加,由2.23×105hm2增加至4.65×105hm2,平均每年增加7.80×103hm2,占總面積比重也由11.35%增至23.64%?；牟莸?、水田和旱地均呈現(xiàn)波動(dòng)性變化,總體趨勢(shì)較為穩(wěn)定。

圖3 1976、1992、1999、2007年不同土地利用類(lèi)型面積變化Fig.3 Area change of different land use types in 1976, 1992, 1999 and 2007

2.2 土地利用變化引起的碳排放

基于IPCC方法對(duì)西雙版納地區(qū)1976—2007年的碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示,該地區(qū)在這一時(shí)期內(nèi)的碳儲(chǔ)量大幅度減少。1976—2007年32年間,西雙版納地區(qū)的總碳儲(chǔ)量共減少了3.45×106t,其中,1976—1992年間平均每年減少0.54×104t,1999—2007年間平均每年減少1.60×104t,表明碳排放呈逐漸增加的趨勢(shì)。1976年天然林的碳儲(chǔ)量為1.96× 108t,占總碳儲(chǔ)量的78.24%,到2007年,天然林碳儲(chǔ)量減少至1.25×108t,占總碳儲(chǔ)量的50.52%,平均每年排放2.29×106t碳。在低海拔地區(qū),大量天然林轉(zhuǎn)化為灌木林、橡膠園和茶園。毀林呈現(xiàn)出逐漸由低海拔、小坡度、南坡地區(qū)向高海拔、大坡度、北坡擴(kuò)張的趨勢(shì)。1976、1992、1999、2007年不同土地利用類(lèi)型碳儲(chǔ)量變化情況見(jiàn)圖4。

圖4 1976、1992、1999、2007年不同土地利用類(lèi)型碳儲(chǔ)量變化Fig.4 Carbon storage change of different land use types in 1976, 1992, 1999 and 2007

2.3 森林破碎化分析

在景觀動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中,天然林和灌木林的斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、平均最近鄰距離和平均形狀指數(shù)均發(fā)生了明顯變化。計(jì)算表明,天然林的NP不斷增加,1976、1992、1999年分別為235、410和450,2007年已增加到517,為1976年的兩倍多；AREA_MN不斷減小,1976、1992、1999年分別為5743.7、2860.7、2327hm2,2007年下降到1609.5hm2；ENN_MN持續(xù)增長(zhǎng),從1976年的849.5m,增長(zhǎng)到1992年的908.8m、1999年的951.8m和2007年的1063.7m。與此同時(shí),天然林的SHAPE_MN持續(xù)下降。這些說(shuō)明天然林表現(xiàn)出了明顯的破碎化趨勢(shì)。由于通常自然狀態(tài)下的斑塊形狀較復(fù)雜,而經(jīng)過(guò)人類(lèi)活動(dòng)影響之后的斑塊形狀則會(huì)變得規(guī)整[43],可見(jiàn)該時(shí)段內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)天然林的影響是造成天然林破碎化程度加劇的重要原因。和天然林相反,灌木林的NP、ENN_MN均表現(xiàn)出下降趨勢(shì),而AREA_MN表現(xiàn)出上升趨勢(shì),說(shuō)明從1976年到2007年人為種植的灌木林景觀的聚集度增加。

研究中采用斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、景觀內(nèi)聚力指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均一性指數(shù)來(lái)分析研究區(qū)的整體景觀結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明,1976—2007年間,研究區(qū)的NP表現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。1976、1992、1999年分別為5022、5566和5720,到2007年已增加到6821。同時(shí)AREA_MN不斷減小,由1976年的391.7hm2減小到1992、1999、2007年的353.54hm2、343.97hm2和288.36hm2。研究區(qū)的NP的增加和AREA_MN的減小,表明研究區(qū)已呈現(xiàn)明顯的整體破碎化趨勢(shì)。此外,COHESION也由1976年的99.34下降到1992、1999、2007年的98.85、98.59和97.23,整體呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。

2.4 碳排放和森林破碎化之間的關(guān)系

本研究選取1976、1992、1999、2007年四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),來(lái)探討1976—2007年間研究區(qū)碳排放和森林破碎化之間的關(guān)系。圖5顯示了幾個(gè)時(shí)間段的碳儲(chǔ)量和森林破碎化指數(shù)的百分比變化情況。由圖5可知,以1976年的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),與1976年相比,1992年的碳儲(chǔ)量減少了1.7%,到1999、2007年分別減少了3.38%和8.16%。與此相對(duì)應(yīng)的是,1976—2007年32年間,NP增加了8.16%,SHDI和SHEI分別增加了51.39%和34.07%；同時(shí),AREA_MN和COHESION分別減小了26.26%和2.13%。以上數(shù)據(jù)表明,研究區(qū)森林砍伐引起的土地利用/覆被變化,不僅導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的減少,森林景觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化,破碎化趨勢(shì)明顯,二者變化相一致。

圖5 碳儲(chǔ)量和森林破碎化百分比變化圖Fig.5 Relationship between carbon storage change and fragmentation in 1976, 1992, 1999 and 2007SHEI: Shannon均勻度指數(shù) Shannon′s Evenness Index; SHDI: Shannon多樣性指數(shù) Shannon′s Diversity Index; COHESION: 景觀內(nèi)聚力指數(shù) Patch Cohesion Index; AREA_MN: 平均斑塊面積 Mean Patch Area; NP: 斑塊數(shù)量 Number of Patches

2.5 碳排放與土壤侵蝕之間的關(guān)系

研究中使用RUSLE模型對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行了核算。結(jié)果表明：1999—2007年間,西雙版納地區(qū)全年土壤侵蝕總量由6.44×107t增加到8.24×107t,年均增速為3.12%；全區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)由32.9t/hm2增加到42.08t/hm2；侵蝕模數(shù)80t/hm2以上的嚴(yán)重侵蝕區(qū)從2.31×105hm2增加到2.78×105hm2。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明1999—2007年間,西雙版納地區(qū)土壤侵蝕越來(lái)越嚴(yán)重(圖6)。

為了分析土壤侵蝕與碳排放之間的關(guān)系,按1999年和2007年的土壤侵蝕等級(jí)(輕度侵蝕、中度侵蝕、重度侵蝕、極重度侵蝕和劇烈侵蝕)對(duì)碳排放進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(圖6)。結(jié)果顯示,土壤侵蝕劇烈的區(qū)域,其平均碳排放也相對(duì)較高。1999年到2007年間,劇烈侵蝕區(qū)域的平均碳排放是輕度侵蝕區(qū)域的6倍多。由此可見(jiàn),隨著碳儲(chǔ)量的減少,區(qū)域的土壤侵蝕量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),碳排放和土壤侵蝕呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的相關(guān)性。

圖6 土壤侵蝕和碳排放的關(guān)系Fig.6 Relationship between carbon emissions and soil erosion

3 討論和結(jié)論

西雙版納地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)作為中國(guó)重要的碳庫(kù),維持其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,增加碳匯,減少碳排放,對(duì)中國(guó)落實(shí)《巴黎協(xié)定》約定,努力實(shí)現(xiàn)2060年前碳中和的目標(biāo)起著重要作用。同時(shí),對(duì)該區(qū)毀林導(dǎo)致的土地覆被變化的碳效應(yīng)和生態(tài)效益進(jìn)行系統(tǒng)綜合評(píng)估,可為REDD+研究提供重要借鑒。

(1)1976—2007年,由于森林砍伐和退化,西雙版納地區(qū)天然林碳儲(chǔ)量從占總碳儲(chǔ)量的78.24%減少至50.52%,這是造成該區(qū)碳儲(chǔ)量減少的主要原因。西雙版納地區(qū)毀林的主要原因是發(fā)展壓力,如：人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平提升等。但近年來(lái),隨著中國(guó)生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施,執(zhí)法力度進(jìn)一步加強(qiáng),西雙版納地區(qū)非法毀林現(xiàn)象已呈減少趨勢(shì)；同時(shí),通過(guò)“退耕還林”等行動(dòng),西雙版納地區(qū)進(jìn)一步增加了熱帶雨林的碳儲(chǔ)量,保護(hù)了雨林生物多樣性[44—47]。鑒于生態(tài)保護(hù)工程的成果,在REDD+林業(yè)談判中,中國(guó)可堅(jiān)持如下立場(chǎng)：在REDD+之內(nèi),強(qiáng)調(diào)造林和再造林的森林碳匯信用,以體現(xiàn)中國(guó)生態(tài)保護(hù)工程的效果；在REDD+之外,應(yīng)積極呼吁設(shè)立森林保護(hù)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制,用于激勵(lì)在森林保護(hù)上作出重要貢獻(xiàn)的發(fā)展中國(guó)家和地區(qū),如西雙版納地區(qū)。

(2)在西雙版納地區(qū)開(kāi)展REDD+項(xiàng)目,需要國(guó)際組織、國(guó)家、當(dāng)?shù)卣?、?dāng)?shù)鼐用竦木o密配合,還需要外部資金的緊密合作。而REDD+的核心是利用市場(chǎng)機(jī)制來(lái)鼓勵(lì)因森林砍伐導(dǎo)致的溫室氣體排放的國(guó)家減少森林破壞和防止森林退化,同時(shí)允許這些國(guó)家通過(guò)碳市場(chǎng)獲利。因此,在對(duì)外方面,中國(guó)需要表明發(fā)達(dá)國(guó)家有義務(wù)和責(zé)任幫助發(fā)展中國(guó)家,發(fā)達(dá)國(guó)家須提供充足的資金,通過(guò)技術(shù)培訓(xùn)提升發(fā)展中國(guó)家的能力,減少毀林和森林退化導(dǎo)致的碳排放,例如在西雙版納地區(qū)。在對(duì)內(nèi)方面,中國(guó)可以考慮開(kāi)放碳市場(chǎng)中的志愿市場(chǎng),從而在西雙版納地區(qū)引入森林生態(tài)有償服務(wù)機(jī)制。同時(shí),中國(guó)也可以先讓一些企業(yè)和發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)西雙版納地區(qū)的森林保護(hù)進(jìn)行投資,以保護(hù)西雙版納地區(qū)的森林和生態(tài)環(huán)境,通過(guò)增強(qiáng)森林碳儲(chǔ)量提高森林治理在西雙版納地區(qū)發(fā)展中的作用。

(3)研究發(fā)現(xiàn), 西雙版納地區(qū)的土壤侵蝕與碳儲(chǔ)量密切相關(guān)。同時(shí),隨著天然林被砍伐,森林破碎化迅速增加,對(duì)西雙版納地區(qū)的生物多樣性造成嚴(yán)重威脅[48—52]。這些結(jié)果說(shuō)明：通過(guò)停止毀林和森林退化,REDD+政策的實(shí)施可以給西雙版納地區(qū)帶來(lái)高的生態(tài)效益。在天然林方面,可以幫助恢復(fù)和改善林分的結(jié)構(gòu),增加西雙版納地區(qū)生物群落的棲息地和多樣性；在商品林方面,通過(guò)加強(qiáng)西雙版納地區(qū)的采伐與運(yùn)輸管理,可以提高森林的恢復(fù)力,有利于生物多樣性的保護(hù)。

致謝：感謝河南大別山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站的支持。