中國森林面積變化及其溫室氣體儲量模擬研究

張帥帥, 崔耀平,*, 傅聲雷, 付一鳴, 劉小燕, 唐希穎, 陳良雨, 李 楠

1 黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室, 開封 475004 2 河南大學環境與規劃學院, 開封 475004

土地覆被變化既影響陸地生態系統的格局和功能,又影響陸地生態系統的溫室氣體(Greenhouse Gas, GHG)排放與吸收,對調節全球氣候變化有重要作用[1- 4]。陸地生態系統碳主要貯存在森林生態系統中[5- 7],有研究表明,1850—2000年全球土地覆被變化導致156 Pg CO2的CO2凈排放,而其中約87%是源于森林砍伐[8-10]。在中國,森林生態系統變化劇烈,僅1990—2000年森林的土壤碳儲量減少量就超過了38.9 Tg C[10-11]。研究中國森林面積的變化并量化其封存的主要GHG儲量對研究其氣候調節效應具有重要意義。

森林在地圈、生物圈的生物地球化學過程中起著重要的“緩沖器”和“閥”功能[12-13],約80%的地上碳和約40%的地下碳貯存在森林生態系統中[14-15]。當前在森林碳循環方面的研究往往基于實測樣點或站點數據展開,且多關注CO2,而在區域大尺度上對森林承載的其他主要GHG,如CH4和N2O等的模擬研究還相對不足。

森林生態系統的變化既直接改變地表植被,也對土壤也造成影響[16]。對植被碳儲量,Fang等估算中國70年代后期到80年代初的森林碳儲存量為4.38 Pg[17]；周玉榮利用1989—1993森林清查資料估算結果為6.02 Pg[18],2000年下降到5.9 Pg[19]；李克讓估算中國森林碳儲量為8.72 Pg[20]；根據國家第八次森林清查資料顯示森林總碳儲量達8.43 Pg[21]。對土壤碳儲量,解憲麗基于1979—1985年第二次全國土壤普查數據估算中國森林1 m厚度土壤有機碳儲量達17.39 Pg[22],周玉榮利用利用1989—1993年森林清查資料估算結果為21.02 Pg[19]；而李克讓估測的中國森林土壤碳儲量為23.21 Pg[21]?？梢?縱然是森林碳循環方面的研究,在森林植被及土壤碳儲量方面,不同學者的結果已存在很大差異,而對其他主要GHG (CH4和N2O)當前更是缺乏足夠的認知。因此,在評估中國森林生態系統的氣候調節服務時,如何量化中國森林封存的主要GHG儲量就成為了一個亟待解決的問題。

本研究通過引入一個新的生態系統溫室氣體值模型(Greenhouse Gas Value of Ecosystem model, GHGV)[6-23],在模型自帶參數和本地化參數的支持下,模擬分析中國森林生態系統對三大主要溫室氣體(CO2、CH4和N2O)的儲量。

1 數據與方法

1.1 數據獲取

本研究數據包括土地利用數據和植被類型數據兩部分,數據均來自中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率為1 km,共有2000和2010年兩期。本研究基于土地利用數據,參考中國1:100萬植被類型圖,調整土地利用類型為“國際地圈-生物圈計劃”的地表植被覆蓋類型(International Geosphere-Biosphere Programme, IGBP),最終劃分中國森林為常綠針葉林(CLZ)、落葉闊葉林(LYK)、常綠闊葉林(CLK)、針闊混交林(HJ)和灌木林(GM)等5種類型[23]。同時為更好地反映中國各類型森林生態系統時空變化,依據地理區位將中國劃分為東北、華北、西北、西南、中南、華東六個大區。其中東北包含黑龍江、吉林、遼寧3??；華北包含山西、河北、內蒙古、北京、天津等5省及自治區；西北包括陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆等5省及自治區,西南包括西藏、云南、貴州、四川、重慶等5省及自治區,中南包括河南、湖北、湖南、廣東、廣西及港澳等7省及自治區,華東包括山東、安徽、江蘇、江西、浙江、福建、臺灣及上海等8個省及直轄市。

1.2 生態系統的溫室氣體值模型

GHGV模型是一個可以量化維持特定生態系統氣候效應值的指標[23]。該模型考慮了生態系統被完全清除后生態系統與大氣之間所發生的所有GHG的交換情況,包括三塊內容：1)有機物(植被)清除后的GHG釋放；2)生態系統與大氣之間穩定的GHG通量；3)其他擾動引起的GHG交換。模型主要是通過輻射強迫代換將其他GHG統一轉換成CO2來衡量不同生態系統的GHG釋放量。

(1)

(2)

(3)

式中,Ix(kmol x hm-2a-1)是生態系統到大氣的GHG輸送量,A是大氣的氣體摩爾值。ρx是在tA時間大氣中存在的GHG,可通過x一個脈沖的衰減來計算。

Ix(tE)=Sx(tE)-Fx(tE)-Dx(tE)

(4)

式中,Sx是在清除土地上有機物后GHG的潛在釋放量,Fx是生態系統的GHG年度通量,Dx是自然干擾引起的差異。

有機物分解燃燒的GHG表示為：

(5)

1.3 本地化參數Meta分析

考慮到參數是基礎,本研究不僅使用了模型自帶的參數,還接合現有對中國區域的研究,開展模型參數的本地化工作。根據模型及本研究的目標要求,結合國內文獻數據可獲得性,對這5種森林類型的生物量密度、地表生物量密度、地下根系生物量密度、凋落物/枯枝落葉有機質密度、土壤有機質密度和生態系統CO2年通量等數據進行了收集整理與分析。在具體的選取過程中,不局限與長期監測數據等,主要標準有：一是對空間尺度的考慮,要求是全國性的研究,以便參數更具有廣泛的代表性；二是時間尺度的考慮,雖然長時間的模擬(100年)會使初始參數值的敏感性有所減弱,但本研究要求一定是多年平均的結果,如果有多個研究結果則用平均值,以便使參數盡量保持穩態,去契合模型的長時間尺度模擬。最終,在對以上數據進行Meta分析基礎上,得到本地化參數(表1)。

表1 中國各森林生態系統的參數選取

2 研究結果

2.1 本地參數與模型自帶參數的模擬結果比較

將中國各類型森林生態系統的本地化參數帶入GHGV模型后,由于輸入參數的差異,得到的模擬結果也與世界相近生態系統類型的模擬結果存在差異(圖1)。中國3種闊葉林GHGV數值及其年際變化均非常接近,但在100年模擬時段內,中國闊葉林與世界溫帶森林的GHGV之間的差值越來越大。中國針葉林的GHGV值及其年際變化與世界針葉林系統的情況比較接近；而中國灌木林的GHGV初始值與世界灌木林的比較接近,但隨后兩者之間的差異逐漸變大。

圖1 中國和世界數據森林GHGV結果的對比Fig.1 Comparison of China and World Data Forest GHGV Results

ICO2(kmol CO2/hm2)代表著生態系統有機質氧化分解的GHG到大氣的凈輸送量。中國混交林生態系統的有機質GHG凈釋放量ICO2初始值是最高的,達3 939.61 kmol CO2/hm2(圖2)；世界針葉林的ICO2值較中國針葉林要小,且初始值差異非常大；而世界灌木林與中國灌木林的ICO2初始值與值得衰減速度接近。中國兩類闊葉林生態系統的ICO2初始值非常接近,衰減幅度也一致,但世界溫帶森林的ICO2在初始時遠小于以上三種中國溫帶森林生態系統。盡管如此,世界溫帶森林的GHGV值卻高于中國森林的。究其原因,世界溫帶森林ICO2的初始值較低主要是由CO2通量和土壤有機質密度引起的,而植被的生物密度(包括：地表、根系和枯枝落葉凋落物)對應全球溫帶森林的相應值是高于中國森林的。生態系統不同碳庫輸入到大氣的GHG量及其衰減函數(會影響GHG的積分時長)、以及輻射效率的差異最終導致了GHGV的不同。

圖2 中國和世界單位面積森林溫室氣體潛在凈釋放量的對比Fig.2 Comparison of potential net greenhouse gas emissions per unit area of forests in China and world

2.2 中國森林面積變化分析

圖3 中國各區域森林時空變化Fig.3 Temporal and spatial changes in forests in various regions of China

中國森林主要分布在華東、中南地區的南部、西南地區的東部,以及東北和華北地區的北部山區。研究時段內,東北、華東地區的森林面積減少,而華北、西北、西南及中南地區森林面積有所增加(圖3)。具體而言,東北地區森林面積減少明顯,減少了122400 hm2,主要是針葉林及落葉闊葉林面積減少；西南地區森林面積增加最多,超過200000 hm2,主要是HJ及GM增加；華北與西北地區森林面積也呈增長態勢,HJ面積增加顯著；華東與中南地區由于CLZ減少與HJ增加相抵消使整個區域森林面積變化并不明顯。

在森林植被中,HJ所占面積比重最大,大于48%,CLK面積占比最小,占5%左右。2000—2010年,中國森林面積由224.3×106hm2增加到224.6×106hm2,共增加了339000 hm2,其中LYK、CLK、CLZ面積是減少的,CLZ面積減少最多,達到351600 hm2,而HJ與GM的面積是增加的,HJ的面積增加多達767700 hm2(圖4)。

圖4 中國森林時空變化Fig.4 Time and space changes of forests in China

2.3 森林生態系統的溫室氣體儲量

整體上,在研究時段內中國森林生態系統的GHG儲量有所提升。對森林生態系統承載的三大GHG的量進行分析,結果表明：中國森林生態系統的GHG儲量由154.03 Pg CO2當量增長為154.37 Pg CO2當量,10年間增加了約0.34 Pg CO2當量。其中,CLZ、CKJ、LYK在研究時段內的GHG儲量是減少的(圖5),減少量分別為0.22、0.05和0.06 Pg CO2當量,HJ與GM的GHG儲量分別增加了0.65與0.01 Pg CO2當量?？梢?GHG儲量變化較為明顯的是CLZ與HJ兩類。

分區來看,中西部地區的森林對GHG的儲量普遍增加,而東部森林的GHG儲量確有所減少。具體而言,華北、西北、西南、中南地區的GHG儲量均增加；而東北與華東地區的GHG儲量減少。其中,GHG儲量在華北、西北與西南地區,分別增長了0.13、0.12與0.15 Pg CO2當量；GHG儲量減少較為明顯的區域是東北地區,十年來共減少約0.1 Pg CO2當量。

圖5 森林系統GHGV的變化(2000—2010)Fig.5 Changes in the forest system GHGV from 2000 to 2010

3 不確定性分析

模型參數選取和模型算法的不確定性。在選取中國森林生態系統模型參數值時發現,參數的選取本身存在很多挑戰。很多學者對中國各生態系統的碳循環開展了多尺度的研究,但在最基本的碳循環問題上仍無法保持一致,且這個問題在全球范圍內的各個生態系統均一直存在[36-37]。方精云等人用700多個剖面數據得到中國僅植被碳儲量就已超過120 Pg[38]；Yu等的研究顯示,中國的碳儲量為97.95—118.93 Pg[39]；而Tang等利用14多萬個樣點得到的碳儲量為89.3 Pg[40]。實際上,不同研究所獲得的植被碳儲量和土壤碳儲量差異甚至超過一個數量級,差距最多可達12.5倍[36]。除此之外,對CH4和N2O的研究也面臨更加嚴重的參數缺乏及不統一的問題。本研究在具體的參數選取時,雖然有一定的標準,但并不能解決參數差異性問題(圖6),因此本研究還同時運算出了模型自帶參數的GHGV結果,以便有更多的具體數據值可以做參考。具體到兩套參數而言,在地表生物量密度方面,世界溫帶森林比國內常綠闊葉林、落葉闊葉林和混交林都要大,世界針葉林和灌木林的地表生物量值比中國的也要高,這可能與中國森林多次生林、林齡較小有關。在地下生物量密度方面,各森林類型與地表生物量接近,而中國森林的生物量密度較模型自帶參數總體偏低。世界溫帶森林和針葉林的枯落物生物量密度及CO2年均通量也存在參數差異性問題。此外,剖析算法可以發現,模型算法本身采用輻射強迫轉換CH4和N2O的單位為CO2當量時,在時間序列上為一組固定的經驗參數值,這說明該模型算法本身也有進一步完善的空間[23]。

森林面積和模擬結果的不確定性。實際上,森林面積這一基本問題由于基本其定義和數據源等問題而仍不一致。本研究用的是中國科學院資源環境科學數據中心的遙感解譯數據,包括灌木林,中國森林面積約224×106hm2,這個數值較方精云、李克讓等學者[17-20,41]采用的森林面積要大,但與第八次中國森林清查數據(208×106hm2)接近[21],也與Qin基于多種衛星數據測得的2010年中國森林面積(202×106hm2)接近[42]。同時,本研究直接模擬得到的結果是森林生態系統變化對應的三大主要GHG的儲量,該結果是無法與其他學者對碳儲量的結果直接對比的。為了使本研究的值與他人的研究具有可比性,這里進一步簡單利用摩爾質量轉換GHGV模擬值為碳量開展了對比分析(圖7)。結果表明本研究本地化參數模擬的中國森林2000—2010年碳匯速率為0.09 PgC/10a,而采用模型自帶參數計算結果為0.012 PgC/a,均介于其他學者的結果值范圍(-0.09 PgC/10a—0.98 PgC/10a)[26- 27, 43]。但也有差異,可能的原因除了與研究數據及對森林定義有關,還可能是因為GHGV是設定在長時間的一種潛量模擬,其考慮GHG在大氣中衰減的逐年積分量,從而造成模型的最終模擬結果對短期的森林面積波動雖可以體現,但并不十分敏感[23]。同時,對比結果也說明了利用模擬手段可以作為實測或清查資料結果的一個補充。雖然模型模擬無法替代實測分析,但也應意到模擬研究在大尺度上分析的可行性,且其可以在全球不同區域上開展類比,更利于尺度推繹[6]。

圖6 模型中國本地化參數與模型自帶參數的對比Fig.6 Comparison of model China local parameters and world parameters

圖7 本研究結果與其他學者研究結果的比較Fig.7 Comparison of the results of this study with those of other scholars

此外,本研究將中國森林類型劃分為5類,這個尺度水平會掩蓋區域同生態系統間的異質性帶來的不確定性。已有研究已經在繼續探索精細分類,如有學者劃分6種森林和4種灌木類型,在更精細的森林類型下開展研究[40,44-45]。具體到某一區域,如東北,其森林承載的GHG量主要反映的是面積減少帶來的結果(圖3),可能的原因包括了森林砍伐和耕地開荒等,限于本研究主題,這里沒有加以具體分析。但根據新(2017年)的《中國原始森林分布圖》,中國原始森林面積占中國森林總面積的7.59%,其中在大興安嶺分布廣泛。因此,未來需要在一個統一框架下,細化生態系統內部的參數差異,并考慮用多源數據和多種手段來探討區域森林生態系統承載的GHG儲量問題。

4 結論

2000—2010年,中國森林面積由224.3×106hm2增加到224.6×106hm2,共增加了0.34×106hm2,這個數據包含了灌木林的面積。其中落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉林面積是減少的,而混交林與灌木林的面積是增加的。相對應,中國森林生態系統的主要溫室氣體(CO2, CH4, N2O)總的儲量增加了0.334 Pg CO2當量,說明了森林生態系統對溫室氣體的吸收和氣候調節作用。

本研究還從森林面積、參數、模型算法和模擬結果等幾個方面探討了模型的不確定性,同時也揭示出相關研究存在的量值不一致問題。對比他人的結果,說明模擬手段可以作為實測或清查資料分析結果的一個有效補充,且其可以在大尺度上開展研究。