土地利用/覆蓋類型的變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳 收支的影響

張海鳳，崔桂善

（1.延邊大學(xué)理學(xué)院地理系；2.延邊大學(xué)濕地研究中心，吉林 延吉 133000）

據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，在過去100年中，地表平均溫度上升了近0.85℃，同時(shí)截至2015年5月，在100年里大氣CO2體積分?jǐn)?shù)從280×10-6上升至353×10-6，而且大氣CO2體積分?jǐn)?shù)仍呈上升的趨勢[1]。2016 最新簽署的《巴黎協(xié)定》指出，要把全球平均氣溫的增長幅度控制在2℃之內(nèi)，并努力將這一增長幅度限制在1.5℃之內(nèi)[2]。為應(yīng)對(duì)全球的氣候變化，各國都為實(shí)現(xiàn)碳減排而努力。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是影響CO2體積分?jǐn)?shù)的重要因素[3]。而土地利用/覆蓋類型是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和影響碳循環(huán)的重要因素。

目前，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)系統(tǒng)正在因?yàn)槿祟惢顒?dòng)而發(fā)生變化。大量化石燃料的燃燒，使得大量的二氧化碳被釋放，再加上人為對(duì)森林資源的破壞，空氣中的二氧化碳無法被消耗，嚴(yán)重地破壞了陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳收支平衡，某些區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)甚至趨于崩潰，失去了消耗二氧化碳的能力。人類活動(dòng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響主要表現(xiàn)在其對(duì)土地利用/覆被類型的影響。據(jù)估計(jì)，1980年有1.8×109～4.7×109t碳從植被生態(tài)系統(tǒng)釋放到大氣中，其中80%以上來自森林砍伐[4]。所以，明確每個(gè)土地覆被類型的碳收支特點(diǎn)，掌握土地覆被變化而導(dǎo)致的碳收支影響，是維持區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的前提，也是應(yīng)對(duì)氣候變化的重要依據(jù)。

基于此，本文主要從不同的土地利用/覆蓋類型的碳收支特點(diǎn)以及它們對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響進(jìn)行闡述。其間針對(duì)典型的土地覆被變化的監(jiān)測方法及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的量化方法進(jìn)行了比較分析，重點(diǎn)闡述了基于模型分析土地覆被變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究現(xiàn)狀。

1 不同土地覆被類型中碳收支的特點(diǎn)

1.1 森林

2015年，全球森林面積占陸地總面積的30.6%，森林總碳儲(chǔ)碳量為745～1 405 億t（Gt）。森林與大氣之間碳的交換量占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳總交換量的至少90%，另外森林植被和森林土壤的碳儲(chǔ)量占全球年固碳總量的68%?？梢哉f森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫。森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量可分為地上部分和地下部分，其中地上部分碳儲(chǔ)量為360～480 Pg，占陸地生態(tài)系統(tǒng)地上碳儲(chǔ)量的82%～86%[5]。地上部分的儲(chǔ)碳量主要是通過地表綠色植物的光合作用吸收空氣中的CO2，并通過自身的化學(xué)反應(yīng)將碳轉(zhuǎn)化有機(jī)物一部分儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，另一部存在于植物的枯枝落葉中。而地下部分碳儲(chǔ)量主要包括地下生物碳儲(chǔ)量和有機(jī)土壤碳儲(chǔ)量。地下生物碳儲(chǔ)量主要是植物根的呼吸作用和分泌物提供的碳，土壤有機(jī)碳的收支過程主要是地上植物形成的凋落物向土壤中輸入碳素，同時(shí)通過土壤呼吸作用向大氣中輸出碳，此外還因徑流和淋溶作用損失一定量的碳[6-7]。

1.2 草地

草地是地球上分布范圍最廣的植被覆蓋類型之一，覆蓋了約20%的陸地面積，儲(chǔ)存的碳量約為761 Gt，草地活生物量及土壤有機(jī)質(zhì)的碳儲(chǔ)量約占陸地生物區(qū)總碳儲(chǔ)量的25%[8]。草地生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)的機(jī)制主要可以從三個(gè)方面來闡述，即碳的固定、儲(chǔ)存和釋放。綠色植物通過自身的光合作用將空氣中的CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，而被固定的碳素以各種形式儲(chǔ)存在草地生態(tài)系統(tǒng)中，包括植物有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳等。

由于草地生態(tài)系統(tǒng)中地上植被矮小的特點(diǎn)，草地生態(tài)系統(tǒng)總的碳主要儲(chǔ)存在土壤中，土壤中的碳主要是通過土壤微生物分解植物的根系以及植物殘?bào)w進(jìn)入土壤中，主要以有機(jī)質(zhì)的形式存在[9]。而碳素的釋放過程就比較復(fù)雜，草地生態(tài)系統(tǒng)碳素的釋放主要包括植物自身的自養(yǎng)呼吸、凋落物的異養(yǎng)呼吸以及土壤的呼吸代謝，其中土壤呼吸是草地生態(tài)系統(tǒng)釋放CO2的重要途徑[10]。另外，在以放牧為主的草地上，牲畜的呼吸作用所釋放的碳也是不容忽視的，尤其是反芻動(dòng)物對(duì)CH4的排放，一方面排放量較大，另一方面CH4造成的溫室效應(yīng)比是CO2劇烈[11]。

1.3 濕地

濕地是陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)區(qū)域，被認(rèn)為是生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)[12]。全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%，卻蘊(yùn)含350～535 Pg 的碳，占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的35%，與森林、海洋共同組成全球三大生態(tài)系統(tǒng)[13-14]。濕地作為一種特別的土地覆蓋類型對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支起到了很大的調(diào)節(jié)作用，一直被認(rèn)作是重要的碳匯。2004年估算的中國濕地土壤固碳量顯示，占國土面積不到4%的濕地土壤中儲(chǔ)存了約全國10%的碳[14]。

濕地生態(tài)系統(tǒng)中固碳過程可以分為兩個(gè)階段：一是綠色植物通過光合作用固定大氣中的CO2并形成總初級(jí)生產(chǎn)力，二是植物的枯枝落葉和殘?bào)w經(jīng)過微生物的分解轉(zhuǎn)化，一部分轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳（POC）和簡單的可溶性有機(jī)碳（DOC），在水中直接或間接氧化為CO2（HCO3-），另一部分形成泥碳長年累積[15]。長期自然條件下，濕地因?yàn)槟嗵康姆e累而成為重要的碳匯，但同時(shí)濕地也是大量CH4的源頭，CH4是土壤有機(jī)質(zhì)厭氧分解的最終產(chǎn)物，CH4的產(chǎn)生間接地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支平衡[16-17]。

1.4 農(nóng)田

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)同樣是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，全球耕地面積占陸地面積的38.5%，總碳儲(chǔ)量占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的10%左右。農(nóng)田CO2排放量為溫室氣體排放量的21%～25%[18]。與森林、草地，濕地等幾種土地利用類型相比，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是最活躍的碳庫，可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過人為活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是受人類活動(dòng)影響最大的類型。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳周期短，呈季節(jié)性變化，蓄積碳量大[19]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的主要碳固定過程包括兩個(gè)階段：一是通過作物的光合作用固定大氣中CO2的植物固碳過程；二是土壤固碳過程。土壤碳庫主要來源是植物的凋落物、植物根系釋放的有機(jī)物質(zhì)，特別是土壤碳庫中的一部分碳來自有機(jī)肥和化肥[20]。而碳的釋放過程主要是由作物和土壤的呼吸作用來完成的。

2 不同土地覆被類型轉(zhuǎn)化下的碳收支變化分析

不同的土地覆被類型對(duì)碳的固定能力是不同的，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響也有所不同。森林、草地、濕地和農(nóng)田都是典型的陸地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋類型，由于自身的結(jié)構(gòu)不同，其碳收支狀況不同，又因?yàn)槊糠N土地覆被類型受人類活動(dòng)的影響程度不同，其間不斷發(fā)生著碳“源”“匯”的變化。

聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）發(fā)表的“2015年全球森林資源評(píng)估”報(bào)告顯示，隨著人口不斷增長，林地不斷被轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田和其他用途，世界森林面積持續(xù)減少。從1990年到2015年的25年里，全球森林面積約減少了1.28 億hm2。在這期間，全球森林生物碳儲(chǔ)量減少了近110 Gt。森林的減少主要是土地覆被類型由森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田或其他利用類型，以及較小程度上的森林退化所導(dǎo)致的[1]。森林的地上、地下生物碳量相對(duì)而言都比較大，當(dāng)森林退化或是轉(zhuǎn)換為草地時(shí)大部分的地上和地下生物量碳都會(huì)以CO2的形式被釋放。人類活動(dòng)影響了森林生態(tài)系統(tǒng)原有的碳收支平衡，造成“碳失匯”[19]。而人工恢復(fù)和再生的森林對(duì)碳的吸收量不足以平衡由于森林被破壞所增加的碳排放量，其結(jié)果將會(huì)是整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)的是一個(gè)碳源。

據(jù)調(diào)查，由于放牧、開墾、國家對(duì)牧區(qū)政策偏差等原因，草地大面積退化，導(dǎo)致地上生物量極少或無法補(bǔ)給土壤碳庫，土壤固碳量大大減少[20]。另外，農(nóng)田開墾造成草地土壤有機(jī)碳的大量釋放，同時(shí)土壤的呼吸作用得到加強(qiáng)，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解[21]。草地轉(zhuǎn)換成農(nóng)田就會(huì)導(dǎo)致原本生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的降低，造成碳源匯的變化。研究結(jié)果顯示，草地開墾為農(nóng)田后，土壤碳總量的損失為30%～50%[22]。

濕地與其他幾種覆蓋類型相比比較特殊，濕地土壤和泥炭是陸地上重要的有機(jī)碳儲(chǔ)存庫，其單位面積碳儲(chǔ)量在陸地上各種生態(tài)系統(tǒng)中是最高的。據(jù)估算，濕地植物含有的有機(jī)碳平均值的回歸量是農(nóng)作物的8倍以上，也就是說濕地被開墾為農(nóng)田以后，有機(jī)碳回歸量將會(huì)減少約85%[23]。在沒有人類干擾的情況下，濕地表現(xiàn)為CO2的凈吸收，濕地開墾為農(nóng)田以后就會(huì)使?jié)竦赜伞疤紖R”變成“碳源”。

3 結(jié)語

人口增長和高速的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得土地覆被類型不斷發(fā)生變化，這些變化在一定程度上增加了CO2的排放，影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程。森林、草地、濕地、農(nóng)田這幾種重要的土地覆被類型其碳收支的狀況有很大的差異，人類活動(dòng)對(duì)不同的土地覆被類型的碳收支的影響也存在較大的差異。在過去幾十年中，人們已經(jīng)開展了大量的研究，把生態(tài)系統(tǒng)碳收支的監(jiān)測由原來的靜態(tài)統(tǒng)計(jì)分析向生態(tài)系統(tǒng)機(jī)制性模擬的方向轉(zhuǎn)變，取得了顯著的進(jìn)展。但是由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和人類活動(dòng)的無規(guī)律性，加上人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)與人類活動(dòng)、氣候變化等其他因素的響應(yīng)與機(jī)制關(guān)系認(rèn)識(shí)還不夠深入，還有許多亟待解決的問題。今后，應(yīng)在動(dòng)態(tài)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)發(fā)展與完善生態(tài)系統(tǒng)機(jī)制的模擬模型，結(jié)合長期的樣地清查數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測模型進(jìn)行優(yōu)化和改善，實(shí)現(xiàn)遙感、模型、Senser 一體化的監(jiān)測體系，為更全面更準(zhǔn)確地量化土地覆被變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響提供技術(shù)支撐，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡提供理論依據(jù)。