土地利用/覆蓋類型的變化對陸地生態系統碳 收支的影響

張海鳳，崔桂善

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

據最新統計，在過去100年中，地表平均溫度上升了近0.85℃，同時截至2015年5月，在100年里大氣CO2體積分數從280×10-6上升至353×10-6，而且大氣CO2體積分數仍呈上升的趨勢[1]。2016 最新簽署的《巴黎協定》指出，要把全球平均氣溫的增長幅度控制在2℃之內，并努力將這一增長幅度限制在1.5℃之內[2]。為應對全球的氣候變化，各國都為實現碳減排而努力。陸地生態系統碳循環是影響CO2體積分數的重要因素[3]。而土地利用/覆蓋類型是決定陸地生態系統碳儲量和影響碳循環的重要因素。

目前，陸地生態系統的碳循環系統正在因為人類活動而發生變化。大量化石燃料的燃燒，使得大量的二氧化碳被釋放，再加上人為對森林資源的破壞，空氣中的二氧化碳無法被消耗，嚴重地破壞了陸地生態系統中的碳收支平衡，某些區域的生態系統甚至趨于崩潰，失去了消耗二氧化碳的能力。人類活動對陸地生態系統碳循環的影響主要表現在其對土地利用/覆被類型的影響。據估計，1980年有1.8×109～4.7×109t碳從植被生態系統釋放到大氣中，其中80%以上來自森林砍伐[4]。所以，明確每個土地覆被類型的碳收支特點，掌握土地覆被變化而導致的碳收支影響，是維持區域陸地生態系統碳收支的前提，也是應對氣候變化的重要依據。

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以及它們對陸地生態系統碳收支的影響進行闡述。其間針對典型的土地覆被變化的監測方法及其對陸地生態系統影響的量化方法進行了比較分析，重點闡述了基于模型分析土地覆被變化對陸地生態系統影響的研究現狀。

1 不同土地覆被類型中碳收支的特點

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系統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量占全球年固碳總量的68%。可以說森林是陸地生態系統中最大的碳庫。森林生態系統中的碳儲量可分為地上部分和地下部分，其中地上部分碳儲量為360～480 Pg，占陸地生態系統地上碳儲量的82%～86%[5]。地上部分的儲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，并通過自身的化學反應將碳轉化有機物一部分儲存在植物體內，另一部存在于植物的枯枝落葉中。而地下部分碳儲量主要包括地下生物碳儲量和有機土壤碳儲量。地下生物碳儲量主要是植物根的呼吸作用和分泌物提供的碳，土壤有機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，儲存的碳量約為761 Gt，草地活生物量及土壤有機質的碳儲量約占陸地生物區總碳儲量的25%[8]。草地生態系統碳素循環的機制主要可以從三個方面來闡述，即碳的固定、儲存和釋放。綠色植物通過自身的光合作用將空氣中的CO2轉化為有機碳，而被固定的碳素以各種形式儲存在草地生態系統中，包括植物有機碳、土壤有機碳等。

由于草地生態系統中地上植被矮小的特點，草地生態系統總的碳主要儲存在土壤中，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體進入土壤中，主要以有機質的形式存在[9]。而碳素的釋放過程就比較復雜，草地生態系統碳素的釋放主要包括植物自身的自養呼吸、凋落物的異養呼吸以及土壤的呼吸代謝，其中土壤呼吸是草地生態系統釋放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，尤其是反芻動物對CH4的排放，一方面排放量較大，另一方面CH4造成的溫室效應比是CO2劇烈[11]。

1.3 濕地

濕地是陸生和水生生態系統的交錯區域，被認為是生產力最高的生態系統[12]。全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%，卻蘊含350～535 Pg 的碳，占陸地生態系統碳儲量的35%，與森林、海洋共同組成全球三大生態系統[13-14]。濕地作為一種特別的土地覆蓋類型對陸地生態系統碳收支起到了很大的調節作用，一直被認作是重要的碳匯。2004年估算的中國濕地土壤固碳量顯示，占國土面積不到4%的濕地土壤中儲存了約全國10%的碳[14]。

濕地生態系統中固碳過程可以分為兩個階段：一是綠色植物通過光合作用固定大氣中的CO2并形成總初級生產力，二是植物的枯枝落葉和殘體經過微生物的分解轉化，一部分轉化為顆粒有機碳（POC）和簡單的可溶性有機碳（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，濕地因為泥炭的積累而成為重要的碳匯，但同時濕地也是大量CH4的源頭，CH4是土壤有機質厭氧分解的最終產物，CH4的產生間接地影響陸地生態系統的碳收支平衡[16-17]。

1.4 農田

農田生態系統同樣是陸地生態系統的重要組成部分，全球耕地面積占陸地面積的38.5%，總碳儲量占陸地生態系統碳儲量的10%左右。農田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，農田生態系統是最活躍的碳庫，可以在很短的時間內通過人為活動進行調節，是受人類活動影響最大的類型。農田生態系統的固碳周期短，呈季節性變化，蓄積碳量大[19]。農田生態系統的主要碳固定過程包括兩個階段：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物質，特別是土壤碳庫中的一部分碳來自有機肥和化肥[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化下的碳收支變化分析

不同的土地覆被類型對碳的固定能力是不同的，對陸地生態系統碳收支的影響也有所不同。森林、草地、濕地和農田都是典型的陸地生態系統覆蓋類型，由于自身的結構不同，其碳收支狀況不同，又因為每種土地覆被類型受人類活動的影響程度不同，其間不斷發生著碳“源”“匯”的變化。

聯合國糧農組織（FAO）發表的“2015年全球森林資源評估”報告顯示，隨著人口不斷增長，林地不斷被轉變為農田和其他用途，世界森林面積持續減少。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變為農田或其他利用類型，以及較小程度上的森林退化所導致的[1]。森林的地上、地下生物碳量相對而言都比較大，當森林退化或是轉換為草地時大部分的地上和地下生物量碳都會以CO2的形式被釋放。人類活動影響了森林生態系統原有的碳收支平衡，造成“碳失匯”[19]。而人工恢復和再生的森林對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，其結果將會是整個森林生態系統呈現的是一個碳源。

據調查，由于放牧、開墾、國家對牧區政策偏差等原因，草地大面積退化，導致地上生物量極少或無法補給土壤碳庫，土壤固碳量大大減少[20]。另外，農田開墾造成草地土壤有機碳的大量釋放，同時土壤的呼吸作用得到加強，加速了土壤有機質的分解[21]。草地轉換成農田就會導致原本生態系統固碳能力的降低，造成碳源匯的變化。研究結果顯示，草地開墾為農田后，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碳儲存庫，其單位面積碳儲量在陸地上各種生態系統中是最高的。據估算，濕地植物含有的有機碳平均值的回歸量是農作物的8倍以上，也就是說濕地被開墾為農田以后，有機碳回歸量將會減少約85%[23]。在沒有人類干擾的情況下，濕地表現為CO2的凈吸收，濕地開墾為農田以后就會使濕地由“碳匯”變成“碳源”。

3 結語

人口增長和高速的社會經濟發展使得土地覆被類型不斷發生變化，這些變化在一定程度上增加了CO2的排放，影響著陸地生態系統的碳循環過程。森林、草地、濕地、農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，人類活動對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，人們已經開展了大量的研究，把生態系統碳收支的監測由原來的靜態統計分析向生態系統機制性模擬的方向轉變，取得了顯著的進展。但是由于生態系統的復雜性和人類活動的無規律性，加上人們對生態系統與人類活動、氣候變化等其他因素的響應與機制關系認識還不夠深入，還有許多亟待解決的問題。今后，應在動態監測生態系統機制分析的基礎上，重點發展與完善生態系統機制的模擬模型，結合長期的樣地清查數據對監測模型進行優化和改善，實現遙感、模型、Senser 一體化的監測體系，為更全面更準確地量化土地覆被變化對陸地生態系統碳收支的影響提供技術支撐，為區域生態系統平衡提供理論依據。