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1引言 土地利用/覆被變化(lucc，LandUseandCov-erChange)是影響陸地生態系統系統碳循環過程，引起區域碳收支變化的重要原因。自工業革命以來，全球LUCC在陸地與大氣碳交換中起著碳源作用，是造成大氣CO2濃度增加的主要人類活動之一。1850-1990年，全球LUCC導致了124PgC排放到大氣中，約相當于同期化石燃料燃燒排放量的一半，其中108PgC來自森林生態系統(熱帶森林占2/3，溫帶和北方林約占1/3)，其余16PgC的排放主要是中緯度的草地開墾造成的[1]。20世紀80年代，全球LUCC造成的陸地生態系統碳排放約為(1.4±0.9)PgC•yr-1，到90年代碳排放上升為(1.6±1.1)PgC•yr-1[2]。2000年以后，全球LUCC的年均C排放比20世紀90年代有所下降，同時中緯度地區轉變為弱的碳匯(<0.1PgC•yr1)[3]。然而，由于區域LUCC數據的不一致等原因，在當前關于全球碳平衡的計算中，LUCC對陸地生態系統碳收支的影響仍是最大的不確定因素[4]。因此，準確估計LUCC對陸地生態系統碳收支的影響已成為當前全球變化和全球碳循環研究的重點內容。中國是一個具有悠久歷史的傳統農業大國和人口大國，歷史上的土地墾殖擴展和近年來的人工造林活動是全球關注的焦點。在過去十多年間，LUCC對陸地生態系統碳收支的影響及其評估工作是陸地生態系統收支與碳循環過程研究關注的主要科學問題之一[5]。國外學者已經采用“簿記”模型估算了歷史時期中國LUCC及所引起的碳排放[6-7]。國內學者就中國LUCC也做了大量研究工作，并采用不同方法開展了中國區域LUCC對陸地生態系統碳收支的影響的評估，取得了一些具有重要影響的研究成果。但由于資料來源、研究時段及研究方法的差異，這些研究結果之間還存在較大差異。本文在評述區域LUCC對陸地碳收支影響的研究方法的基礎上，基于已有的各種研究結果和資料對近年來中國區域LUCC主要時空特征及其對陸地碳收支的影響進行系統總結，分析比較了基于統計資料和遙感資料的不同研究結果的差異，為今后開展中國區域陸地碳收支的綜合研究提供參考。 2區域LUCC對陸地碳收支影響的研究方法 關于LUCC對陸地生態系統碳收支影響的研究方法主要包括田間調查、經驗模型、遙感模型、過程模型、IPCC清單法等。通過田間調查獲得關于植被和土壤碳密度或者生態系統與大氣凈C交換量的野外實測數據，可以簡單易行地評價研究區域內LUCC引起的陸地生態系統碳收支的變化情況。在較大的空間尺度上，通常根據經驗關系建立統計相關模型來量化LUCC對陸地生態系統碳收支的影響，國際上此類研究以Houghton的“簿記(bookkeeping)”模型為代表[1,8-9]。近20多年以來，隨著遙感與GIS技術的發展以及模型開發和應用技術的逐漸成熟，基于遙感數據和各種模型方法來研究大尺度LUCC對生態系統過程的影響成為最為有效的技術手段[10]。利用遙感數據獲得的植被分布信息，并結合有關遙感模型(如CASA模型)，可估算植被生物量和凈初級生產力(NPP,NetPrimaryProduction)，從而評估LUCC造成的生態系統碳收支的變化[11]。生態系統過程模型(如TEM模型、LPJ模型、HYBRID模型)可以較為準確地模擬生態系統碳循環過程的動態變化，將其與“簿記”法相結合，就可以把LUCC信息與相關過程結合在一起，在很大程度上提高了對LUCC引起的碳循環動態變化的估算精度[4,12]。LUCC引起的陸地生態系統碳收支變化也是IPCC國家溫室氣體(GHG)清單的重要組成部分，為此，IPCC清單指南[13-15]提供了完整的方法學框架用以指導對LUCC引起的陸地生態系統碳收支變化的計量和評估，并且不斷地對該框架進行了相應的改進和完善。已有大量研究就中國局部地區LUCC對陸地生態系統碳收支的影響進行了評估，采用的方法主要包括：①衛星遙感法，其中大部分研究是利用遙感解譯的LUCC信息，結合文獻調研或采樣實測的植被和土壤碳密度數據進行估算[16-21]，少數研究是利用遙感解譯的LUCC信息，結合遙感模型進行估算[22-23]；②生態系統過程模型，如高志強等[24]運用CEVSA模型模擬了LUCC和氣候變化對中國農牧過渡區碳收支的影響。還有多個研究對全國尺度LUCC及其對碳收支的影響開展了綜合評估，它們主要是采用IPCC清單法、衛星遙感法、“簿記”法等，表1總結了多種不同方法對不同時期中國LUCC導致的陸地碳收支變化的評估結果。以上的研究工作基本上都是采用了2大類數據：①有關土地利用面積及其變化的數據，其來源可分為統計資料和遙感資料；②有關生態系統生物量碳密度和土壤碳密度及其變化的數據，其來源包括文獻資料、土壤剖面以及經驗假設等。在以往的許多研究中，葛全勝等[25]關注于中國歷史時期LUCC的主要特征及其對全國陸地生態系統碳收支的影響，因此其研究結論不包括在下面的分析比較中。 3近年來中國區域LUCC的時空特征 3.1基于多種來源統計資料的分析結果 中國有關土地利用面積的統計資料主要來自兩個統計口徑，一個是國土資源部(含原國家土地局)近年來公布的土地調查統計數據，包括1996年完成的第一次全國土地資源調查[30]，以及之后的逐年變更調查[31]；另一個口徑是林業和農業部門有關林地、耕地、草地、濕地的資源調查統計數據，包括第1～6次全國森林資源統計資料、國家統計局(或農業部)的歷年耕地面積數據、20世紀90年代初期完成的全國草地資源調查數據[32]以及2003年完成的全國首次濕地資源調查結果[33]等。相比較而言，土地調查統計數據包括的土地利用類別最為全面，與《IPCC2006指南》提出的土地利用分類具有較好的可比性，但資源調查數據則能夠提供更為詳細的分亞類面積與生物量信息，特別是體現在森林資源清查統計資料的應用方面。因此，將多種來源的統計資料結合起來，可以比較完整而準確地估算中國LUCC對陸地碳收支的影響。付超等[29]對上述來源的統計資料進行了比較分析，按照《IPCC2006指南》土地利用分類，構建了一套新的土地利用面積數據集，包括1991、1996、2001、2006年中國各類土地利用的面積(圖1)。在IPCC的6大土地利用類別中，將林地分為林分、經濟林、竹林、疏林地、灌木林5個亞類，將農田分為耕地、園地2個亞類，將濕地分為水域、沼澤2個亞類，而對草地、聚居地和其他土地不細分亞類，合計12個土地利用類別/亞類。從分析結果可以看出，近20年來，中國LUCC的主要變化趨勢為林分、灌木林面積持續增長，年均增長分別為313.0萬hm2、159.6萬hm2，疏林地、耕地面積持續下降，年均下降分別為88.0萬hm2、87.7萬hm2。目前，中國主要的土地利用類別為草地、森林(林分)、耕地，其面積分別為2.63×108hm2、1.56×108hm2、1.22×108hm2。#p#分頁標題#e# 3.2基于衛星遙感資料的分析結果 在過去10多年間，劉紀遠等[34-37]利用遙感和GIS技術，構建了反映中國20世紀90年代與21世紀初5年LUCC的時空信息平臺，并開展了相應的研究。目前，該平臺的土地利用/覆蓋數據主要為20世紀80年代末期、90年代中期、2000年以及2005年共4期的土地利用1km柵格成分數據集。按照遙感調查和土地利用特點，將中國土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉及工礦和居民用地、未利用土地6個一級類別，其下又分為25個二級類別。利用上述LUCC時空信息平臺進行的分析表明，20世紀90年代，全國耕地總面積呈北增南減、總量增加的趨勢，增量主要來自對北方草地和林地的開墾；林業用地面積呈現總體減少的趨勢，減少的林地主要分布于傳統林區，南方水熱充沛區造林效果明顯；全國草地總面積顯著減少，特別是在西北地區農牧交錯帶地區；中國城鄉建設用地整體上表現為持續擴張的態勢(表2)。在21世紀初的5年中，中國LUCC總體態勢是耕地面積減少，以南方水田的減少為主；城鄉建設用地顯著增加，以中國東南沿海地區及內陸地勢平坦地區為主，城鄉建設占用優質耕地是該期間土地利用變化的突出特征；林地面積呈現一定增加，以中西部“生態退耕還林”為主；草地總面積顯著減少，轉換類型以開墾為農田為主(表3)。20世紀90年代與21世紀初5年，中國LUCC都表現出明顯的時空差異，政策調控和經濟驅動是導致LUCC及其時空差異的主要原因。 3.3中國LUCC時空特征的基本結論 根據上述分析，由于采用的數據來源與分析方法的較大區別，基于多種來源統計資料比較分析得到的中國近期LUCC特征與基于遙感資料得到的結論存在著明顯差異，特別是在20世紀90年代中國林地和耕地面積的動態變化上，兩者結論相反。在這里，結合其他一些學者從不同角度對中國區域LUCC的格局與過程的探討，總結出近二三十年來中國LUCC呈現的以下特征：(1)由于6大造林工程(天然林資源保護工程、退耕還林工程、“三北”及長江中下游等重點防護林體系建設工程、京津風沙源治理工程、野生動植物保護及自然保護區建設工程、重點地區速生豐產用材林基地建設工程)的先后實施，中國森林覆蓋率不斷增加[41-42]。但基于遙感資料的分析表明，林地面積在20世紀90年代有所減少，隨著人工林面積的擴大及退耕還林政策的推廣，21世紀初才開始增加[36-37]。這說明對于近年來中國人工造林的實施效果還有待進一步檢驗。(2)中國最近的農田面積變化趨勢存在爭議。官方統計數據[43]及基于統計數據的研究結果[7,44]顯示中國的農田面積自1990年以來不斷減少；而基于遙感資料的研究表明20世紀90年代開始，中國耕地面積呈現北增南減、總量增加的趨勢，但到了21世紀初，隨著國家退耕還林還草政策的實施，耕地面積開始減少[36-37]。(3)北方和西部牧區草原退化問題嚴重。在中國北方和西部的主要放牧區，農田開墾、過度放牧和只放牧不管理使得草地退化問題非常嚴重，目前中國草原退化面積每年以200萬hm2速度遞增[45]。(4)中國濕地面積持續減少。從20世紀50年代-90年代中期，中國濕地面積銳減了50%，其中1990-2000年減少了14.83%[46]。目前，中國自然濕地面積為3620萬hm2[33]，而且盡管濕地面積減少速率下降，但是，這種減少趨勢還在繼續。(5)中國的土壤侵蝕與荒漠化問題嚴重。截止1999年，全國土壤侵蝕面積達492萬km2，占國土面積的51.2%，其中水蝕(水土流失)面積179萬km2，風蝕(沙漠化)面積188萬km2，中度以上荒漠化(沙漠化、水土流失)面積達181萬km2[47]。(6)由于人口迅速增長，城鎮建設和生活用地快速擴大，且大部分城市用地是由農田轉化而來。 4近年來中國區域LUCC對陸地碳收支的影響 4.1基于IPCC清單方法的研究結果付超等[29]對中國多種來源的統計資料進行了比較分析，構建了一套符合《IPCC2006指南》土地利用分類的土地利用面積數據集。基于該數據集，采用《IPCC2006指南》清單方法1，可估算1990年以來LUCC對中國陸地碳收支的影響。首先，利用各類土地利用面積，采用參考碳密度法，估算出1991、1996、2001、2006年的中國陸地碳儲量，其中生物量碳庫從1991年的8.83PgC增長到2006年的12.28PgC，0～30cm土壤有機碳(SOC)庫從1991年的42.97PgC增長到2006年的49.28PgC(圖2)。然后估算每年的陸地碳儲量變化量：對于生物量碳庫，將相鄰兩個清查年份的碳庫總量變化按5年進行平均，得到該時段內的年均生物量碳儲量變化量；對于土壤碳庫，以1991年為參考年份，估算出1996、2001、2006年中國陸地碳儲量的年度變化。分析結果表明，1996年中國陸地生物量碳庫、SOC庫的年度變化分別為132.56TgC•yr-1、103.59TgC•yr-1；2006年中國陸地生物量碳庫、SOC庫的年度變化分別為296.86TgC•yr-1、316.21TgC•yr-1(圖3)。因此，近年來中國LUCC導致陸地碳庫每年增加約0.24～0.61PgC。將全國劃分為6大區域，即東北(遼寧、吉林、黑龍江)、華北(北京、天津、河北、山西、內蒙古)、華東(上海、江蘇、浙江、安徽、福建、江西、山東)、中南(河南、湖北、湖南、廣東、廣西、海南)、西南(重慶+四川、貴州、云南、西藏)、西北(陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)，可得到各區域LUCC導致的陸地碳庫變化(圖4)。結果表明，從各區域來看，土地利用面積變化都導致了生物量碳庫、SOC庫的持續增長，西南地區陸地碳庫增長最為顯著。與20世紀90年代相比，在21世紀初，東北、華東、中南地區的生物量碳庫增長明顯加快，突出顯示了中國東部地區植樹造林引起的LUCC碳匯作用正在加強(圖4)。 4.2基于衛星遙感法的研究結果 LUCC時空信息平臺的構建為基于遙感法對中國區域LUCC導致的陸地碳收支變化進行評估打下基礎。利用2473個土壤剖面資料和20世紀80年代末-90年代末陸地衛星LandsatTM影像，劉紀遠等[28]分析了中國1990-2000年林地、草地、耕地間的土地利用變化對土壤碳蓄積量的影響。根據兩期LandsatTM影像，分別得到全國及6大地區內(林地、草地、耕地的凈變化面積與相互轉化面積，并且采用兩種不同的計量方法來估算各研究區域土壤有機碳儲量的變化。一種類似于上述《IPCC2006指南》清單方法1，根據各類土地利用面積凈變化、參考土壤碳密度、碳庫影響因子估算總的土壤碳儲量變化(下面簡稱為“清單法”)；一種類似于《IPCC2006指南》清單方法2，根據各類土地利用之間的轉化面積、土地利用變化后土壤碳儲量變化率進行估算(下面簡稱為“土地利用轉化法”)。清單法的估算結果表明，1990-2000年，中國林地、草地、耕地0～30cmSOC庫合計損失(77.6±35.2)TgC，其中耕地SOC庫增加(79.0±7.7)TgC，草地土壤碳庫損失(100.7±25.9)TgC，林地SOC庫損失(55.9±17.0)TgC。土地利用轉化法的估算結果表明，0～30cmSOC庫損失53.7TgC(表4)。對于各大地區來說，兩種方法計算的耕地、草地和林地結果差異較大，但總的變化量比較接近。總體來看，由于中國不同地區LUCC空間格局差異顯著，東北地區土壤碳排放量大，而華東地區排放較小。#p#分頁標題#e# 4.3中國LUCC導致陸地碳收支變化評估結果的不確定性關于近年來的中國LUCC對陸地碳收支影響評估的研究方面，采用《IPCC2006指南》清單方法1的評估結果與采用綜合評估方法的研究結果具有較好的可比性(表5)。這些研究共同表明，目前全國自然植被活動增強，土地利用活動，特別是農林活動正對陸地生態系統碳收支產生比較明顯的積極作用；在區域格局上，南方地區是中國主要的碳匯區?？墒切枰赋龅氖?，這里對中國陸地碳收支的綜合評估結果[48]不僅僅限于LUCC的影響，還包括由于氣候變化、CO2濃度升高導致的NPP變化等因素的影響。綜合上述分析可知，基于IPCC清單法和基于遙感法對于近年來中國LUCC碳源匯效應評估結果的差異很大，反映出在此方面的研究還存在著較大的不確定性問題，這種不確定性主要來自LUCC數據的準確性、生態系統生物量和SOC碳密度數據的可靠性兩個方面。(1)土地利用分類與定義的不一致性中國不同來源的數據采用的土地利用分類以及各類別的定義標準都存在著較大差別。一個明顯的例子是，自1994年以后，中國森林資源清查將森林定義中的郁閉度標準由30%下降為20%。如果不按照新標準進行重新計算，統計資料中較早基礎年份的有林地面積很可能被低估；而中國現有遙感資料采用30%的有林地郁閉度標準，再加上新增幼林地和林帶在遙感影像上難以識別，很可能低估了近年森林面積，從而得到與統計資料相反的森林面積變化趨勢。對不同來源統計數據進行整合時，也很難避免土地利用面積的重復計算或遺漏等問題。(2)生物量和SOC碳密度數據的可靠性精確的碳密度測度是估算陸地生態系統碳儲量變化的重要環節。在生物量碳庫估算中，不同生物量換算模型對森林生物量的估算結果差別明顯，直接影響到對整個陸地生物量碳庫變化的評估結果。對于SOC庫，SOC碳密度實測結果受到樣本量、測定方法、土壤類型的影響而存在一定的誤差；由于缺乏長期實測數據，對于各種LUCC影響下SOC的變化過程也缺乏深入了解，采用的簡化假設條件很可能不符合實際情況。《IPCC2006指南》清單方法1假定SOC庫線性變化，并且不考慮參考年份之前LUCC產生的滯后影響，造成越接近參考年份，SOC庫變化越小，是該方法學的主要缺陷之一。為了減少有關LUCC對中國區域陸地碳收支影響研究的不確定性，未來研究應著重發展和利用基于土地利用相互轉化面積的計量方法(例如，《IPCC2006指南》方法2和3、遙感法、“簿記”模型)，以更好地考慮SOC庫非線性變化的影響，把造林/再造林、毀林、開墾等主要的土地利用變化活動，以及森林管理、農田管理、放牧地管理、濕地退化與恢復、城市化等具有明顯碳效應的土地利用活動都納入計量范圍內，以提高評估工作的完整性。 5結語 在分析中國近年來LUCC變化特征的研究方面，采用基于多種來源統計資料的分析結果與基于遙感資料得到的結論之間存在著明顯的差異。前者認為，自1990年以來中國森林覆蓋率不斷增加，農田面積在不斷減少；而后者認為林地面積在20世紀90年代有所減少，耕地面積呈現北增南減、總量增加的趨勢，直到21世紀初，隨著國家退耕還林還草政策的實施，林地面積開始增加，耕地面積開始減少。其他的多種資料顯示，目前中國草原退化、土壤侵蝕與荒漠化、濕地退化問題嚴重，城市用地擴張迅速并占用大量農田。在分析近年來中國LUCC變化的碳源匯效應研究方面，采用基于IPCC清單法與基于遙感法的研究結論之間也存在很大差異?；诮y計資料，采用《IPCC2006指南》清單方法1的評估表明，近20年來中國LUCC導致陸地碳庫每年約增加0.24～0.61PgC；而基于遙感資料估算結果都表明，20世紀90年代中國林地、草地、耕地0～30cmSOC庫有較大的損失。但是對近年來中國區域陸地碳收支的綜合評估結果表明，目前全國土地利用活動，特別是農林活動正對陸地生態系統碳收支產生比較明顯的積極作用。由于受到LUCC變化特征數據和生物量與碳密度數據的限制，現在對中國LUCC變化導致的陸地碳收支變化的評估結果仍存在著較大的不確定性。未來研究工作重點應重視發展和利用基于土地利用相互轉化面積的計量方法(例如，《IPCC2006指南》清單方法2和3、“簿記”模型)，開展中國LUCC引起的陸地碳庫變化的精細估算，同時還要重視將多種具有明顯碳效應的土地利用變化與土地管理活動納入碳匯的計量范圍之內，提高評估工作的完整性。