LUCC对陆地碳收支的影响

1引言

土地利用/覆被变化(LUCC，LandUseandCov-erChange)是影响陆地生态系统系统碳循环过程，引起区域碳收支变化的重要原因。自工业革命以来，全球LUCC在陆地与大气碳交换中起着碳源作用，是造成大气CO2浓度增加的主要人类活动之一。1850-1990年，全球LUCC导致了124PgC排放到大气中，约相当于同期化石燃料燃烧排放量的一半，其中108PgC来自森林生态系统(热带森林占2/3，温带和北方林约占1/3)，其余16PgC的排放主要是中纬度的草地开垦造成的[1]。20世纪80年代，全球LUCC造成的陆地生态系统碳排放约为(1.4±0.9)PgC•yr-1，到90年代碳排放上升为(1.6±1.1)PgC•yr-1[2]。2000年以后，全球LUCC的年均C排放比20世纪90年代有所下降，同时中纬度地区转变为弱的碳汇(<0.1PgC•yr1)[3]。然而，由于区域LUCC数据的不一致等原因，在当前关于全球碳平衡的计算中，LUCC对陆地生态系统碳收支的影响仍是最大的不确定因素[4]。因此，准确估计LUCC对陆地生态系统碳收支的影响已成为当前全球变化和全球碳循环研究的重点内容。中国是一个具有悠久历史的传统农业大国和人口大国，历史上的土地垦殖扩展和近年来的人工造林活动是全球关注的焦点。在过去十多年间，LUCC对陆地生态系统碳收支的影响及其评估工作是陆地生态系统收支与碳循环过程研究关注的主要科学问题之一[5]。国外学者已经采用“簿记”模型估算了历史时期中国LUCC及所引起的碳排放[6-7]。国内学者就中国LUCC也做了大量研究工作，并采用不同方法开展了中国区域LUCC对陆地生态系统碳收支的影响的评估，取得了一些具有重要影响的研究成果。但由于资料来源、研究时段及研究方法的差异，这些研究结果之间还存在较大差异。本文在评述区域LUCC对陆地碳收支影响的研究方法的基础上，基于已有的各种研究结果和资料对近年来中国区域LUCC主要时空特征及其对陆地碳收支的影响进行系统总结，分析比较了基于统计资料和遥感资料的不同研究结果的差异，为今后开展中国区域陆地碳收支的综合研究提供参考。

2区域LUCC对陆地碳收支影响的研究方法

关于LUCC对陆地生态系统碳收支影响的研究方法主要包括田间调查、经验模型、遥感模型、过程模型、IPCC清单法等。通过田间调查获得关于植被和土壤碳密度或者生态系统与大气净C交换量的野外实测数据，可以简单易行地评价研究区域内LUCC引起的陆地生态系统碳收支的变化情况。在较大的空间尺度上，通常根据经验关系建立统计相关模型来量化LUCC对陆地生态系统碳收支的影响，国际上此类研究以Houghton的“簿记(bookkeeping)”模型为代表[1,8-9]。近20多年以来，随着遥感与GIS技术的发展以及模型开发和应用技术的逐渐成熟，基于遥感数据和各种模型方法来研究大尺度LUCC对生态系统过程的影响成为最为有效的技术手段[10]。利用遥感数据获得的植被分布信息，并结合有关遥感模型(如CASA模型)，可估算植被生物量和净初级生产力(NPP,NetPrimaryProduction)，从而评估LUCC造成的生态系统碳收支的变化[11]。生态系统过程模型(如TEM模型、LPJ模型、HYBRID模型)可以较为准确地模拟生态系统碳循环过程的动态变化，将其与“簿记”法相结合，就可以把LUCC信息与相关过程结合在一起，在很大程度上提高了对LUCC引起的碳循环动态变化的估算精度[4,12]。LUCC引起的陆地生态系统碳收支变化也是IPCC国家温室气体(GHG)清单的重要组成部分，为此，IPCC清单指南[13-15]提供了完整的方法学框架用以指导对LUCC引起的陆地生态系统碳收支变化的计量和评估，并且不断地对该框架进行了相应的改进和完善。已有大量研究就中国局部地区LUCC对陆地生态系统碳收支的影响进行了评估，采用的方法主要包括：①卫星遥感法，其中大部分研究是利用遥感解译的LUCC信息，结合文献调研或采样实测的植被和土壤碳密度数据进行估算[16-21]，少数研究是利用遥感解译的LUCC信息，结合遥感模型进行估算[22-23]；②生态系统过程模型，如高志强等[24]运用CEVSA模型模拟了LUCC和气候变化对中国农牧过渡区碳收支的影响。还有多个研究对全国尺度LUCC及其对碳收支的影响开展了综合评估，它们主要是采用IPCC清单法、卫星遥感法、“簿记”法等，表1总结了多种不同方法对不同时期中国LUCC导致的陆地碳收支变化的评估结果。以上的研究工作基本上都是采用了2大类数据：①有关土地利用面积及其变化的数据，其来源可分为统计资料和遥感资料；②有关生态系统生物量碳密度和土壤碳密度及其变化的数据，其来源包括文献资料、土壤剖面以及经验假设等。在以往的许多研究中，葛全胜等[25]关注于中国历史时期LUCC的主要特征及其对全国陆地生态系统碳收支的影响，因此其研究结论不包括在下面的分析比较中。

3近年来中国区域LUCC的时空特征

3.1基于多种来源统计资料的分析结果

中国有关土地利用面积的统计资料主要来自两个统计口径，一个是国土资源部(含原国家土地局)近年来公布的土地调查统计数据，包括1996年完成的第一次全国土地资源调查[30]，以及之后的逐年变更调查[31]；另一个口径是林业和农业部门有关林地、耕地、草地、湿地的资源调查统计数据，包括第1～6次全国森林资源统计资料、国家统计局(或农业部)发布的历年耕地面积数据、20世纪90年代初期完成的全国草地资源调查数据[32]以及2003年完成的全国首次湿地资源调查结果[33]等。相比较而言，土地调查统计数据包括的土地利用类别最为全面，与《IPCC2006指南》提出的土地利用分类具有较好的可比性，但资源调查数据则能够提供更为详细的分亚类面积与生物量信息，特别是体现在森林资源清查统计资料的应用方面。因此，将多种来源的统计资料结合起来，可以比较完整而准确地估算中国LUCC对陆地碳收支的影响。付超等[29]对上述来源的统计资料进行了比较分析，按照《IPCC2006指南》土地利用分类，构建了一套新的土地利用面积数据集，包括1991、1996、2001、2006年中国各类土地利用的面积(图1)。在IPCC的6大土地利用类别中，将林地分为林分、经济林、竹林、疏林地、灌木林5个亚类，将农田分为耕地、园地2个亚类，将湿地分为水域、沼泽2个亚类，而对草地、聚居地和其他土地不细分亚类，合计12个土地利用类别/亚类。从分析结果可以看出，近20年来，中国LUCC的主要变化趋势为林分、灌木林面积持续增长，年均增长分别为313.0万hm2、159.6万hm2，疏林地、耕地面积持续下降，年均下降分别为88.0万hm2、87.7万hm2。目前，中国主要的土地利用类别为草地、森林(林分)、耕地，其面积分别为2.63×108hm2、1.56×108hm2、1.22×108hm2。