CO2减排林特征及生态预警分析

王让会，宁虎森

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京，210044；

2.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京，210044；

3.新疆林科院造林治沙研究所，新疆 乌鲁木齐，830063)



CO2减排林特征及生态预警分析

王让会1,2，宁虎森3

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京，210044；

2.江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京，210044；

3.新疆林科院造林治沙研究所，新疆 乌鲁木齐，830063)

摘要：基于干旱区CO2减排林区自然地理与环境背景，以SPAC系统理念，重点研究减排林水盐耦合规律、生态安全机制以及减排林生态效应等问题；特别是从减排林区合理生态水位界定、水环境监测与人工调控等方面研究减排林区水资源的时空变化特征.研究表明:地下水合理生态水位以2.5～5.0 m为宜，地下水中的全盐Mg2+和Cl-的变化最为明显，并通过布设样地取样、监测及实验室分析，揭示水盐动态变化及互馈关系.将结果推广到整个减排林区，约有62.5%林区属于中警水平，风险等级较高.最后从减排林区生态安全预警与风险分析及水土资源合理利用的模式等方面，探讨减排林区可持续发展的若干问题.

关键词：CO2减排林；碳汇；生态水位；生态预警

0引言

干旱区的森林生态系统具有一系列重要特征，其光合作用对大气二氧化碳的吸收与固定作用，在维护生态系统稳定性方面发挥着重要作用，并逐渐被人们所认识而备受关注，成为评价全球变化背景下，干旱区碳汇效应的重要内容.干旱区森林生态系统的水土关系、水盐关系、水热关系成为探讨生态过程的重要途径，也成为实施节能减排、应对气候变化的重要切入点.通过研究CO2减排林(CDSF)水土资源变化，界定地下水位与生态需水量[1]，探索水土、水盐耦合关系的规律[2]，构建水土资源可持续利用及其生态安全指标体系，这对于科学认识与评价人工减排林CO2植物减排的基础性问题，调控水土及水盐关系，保障生态健康具有重要的理论价值和现实意义[3].

在干旱区自然地理背景下，生态系统物质循环、能量流动及信息传递具有固有的特性.目前，对于不同生态系统水土、水盐耦合关系，生态系统服务价值及碳汇研究已有诸多成果[4-9]，但针对干旱区人工植被的研究尚不多见，特别是依托石油城市资源开发过程的产业结构转型、低碳经济与循环经济模式等研究更少.在石油开发型城市克拉玛依建立人工植被，作为探讨其碳汇效应及维护城市生态安全的屏障[10-13]，并通过CDSF水土资源可持续利用等研究，分析CO2植物减排的基础性问题.本研究应用森林生态学与水文生态学原理，结合压力-状态-响应(PSR)模式与方法，针对克拉玛依减排林区自然地理与生态环境背景，以土壤-植被-大气连续体(SPAC)的理念[14-17]，在CDSF生态安全评价指标体系构建，CDSF生态系统服务价值估算，以及减排林水盐耦合规律、CDSF碳密度与景观格局分析等方面开展研究，以期科学认识与评价干旱区人工植被生态效应，探索资源节约、环境友好、生态安全的水土资源可持续利用模式具有重要的现实意义.

1研究区域及方法

1.1研究区概况研究区位于新疆克拉玛依市.减排林地位于准噶尔盆地西北边缘的湖积平原，最低海拔258 m，最高海拔276 m，自然坡度为0.26%，部分地区分布有沙丘；距克拉玛依市东南约30 km处，为中国石油新疆油田规模化CO2植树减排项目一期工程，研究区面积约6 866 hm2.

该区域属于典型的大陆性气候，干燥少雨，蒸发强烈，土质贫瘠，土壤含盐量高，土壤盐渍化现象明显.年平均日照时数2 705.6 h，年平均气温8.3 ℃，年均降水量108.9 mm，蒸发量3 008.9 mm；年平均风速3.4 m·s-1，大多为西北风，风沙灾害严重.天然植被以胡杨、柽柳、梭梭、骆驼刺、芦苇、芨芨草等为主.

1.2研究方法获取研究区Landsat/TM遥感影像，结合减排林区已有地下水监测井的地理位置，运用GPS辅助进行定位.采用典型和随机抽样法，在减排林区设置10 m×10 m的样地若干个.在每个样地内挖1个1 m×1 m土壤剖面,每个剖面以20 cm分层取土样.同时记录样地内植被类型、生长状况、郁闭度、盖度等数据.将土壤带回实验室，对土样化学性状等进行测定分析.

在此基础上，通过综合分析与系统研究的方法，了解减排林区水资源形成、转化与消耗的规律，从而进一步了解地表水资源的时空分布特征，分析减排林区水资源利用状况，提出减排林区水资源变化规律，评价减排林安全状况，并进行生态预警分析.

图1　克拉玛依人工减排林地理位

2减排林的主要特征

2.1具有特定的减碳效应

2.1.1林种的特殊性根据森林的不同培育目的，我国《森林法》规定了5大类林种，即防护林、用材林、经济林、薪炭林及特种用途林；而CDSF是基于森林吸收CO2的机制而界定的一类特殊森林类型,其造林树种、造林密度、植被配置、经营措施等方面具有相应的标准，CDSF具有一系列不同于普通林分类型的特点.

绿色植物通过光合作用吸收CO2，并将其固定在植被体中，从而减少了CO2气体在大气中的浓度，体现了碳减排的特征，具有碳汇效应.碳汇一般是指从空气中清除CO2的过程、活动及机制.由于绿色植被具有碳汇效应，因此，通过植树种草和植被保护等措施，可以降低大气中CO2浓度，减缓气候变暖的节奏，降低生态风险，保障生态安全.

由于林分类型的差异，植物种类亦不同，各类植物光合作用(即碳的固定过程)及其生理响应也就有所不同，物质循环、能量转换及信息传递等生态过程就不同；需要指出的是植物与其生境具有密切的关系，植物的光合作用等过程离不开特定的环境背景，环境背景的物质循环亦离不开植物；一方面，植物在个体发育过程中其枯枝落叶直接进入土壤，参与土壤的物质循环，另一方面，植物根系等与土壤形成的土-根界面，具有一系列复杂的水分及养分交换过程.CDSF是利用森林的储碳功能，通过植树造林、加强森林经营管理、减少植被破坏、保护和恢复森林植被等活动，体现碳汇效应的一类森林，随着人们对全球变化的日益关注，CDSF的一系列问题也备受重视.

2.1.2碳储量估算的不确定性由于CDSF具有碳汇功能，碳储量的估算就成为准确把握生态过程及生态风险评价的重要基础.在进行CDSF碳储量估算过程中，样地布局、取样过程以及样品保存与处理方法也就有所不同，复杂程度也就自然不同，很难直接借用相关观测方法就能凑效.特别是要监测、分析及估算CDSF土壤及植被的碳储量，其碳的赋存形式及转化过程亦与其他生态系统具有差异性，除了取样及测定具体环节有差异外，在模式估算的参量选择及经验参数的确定等方面亦有差异，同样也不是其他类型植被碳测定的具体过程完全能够适用其测定.国内外关于碳储量监测、评价等方面存在的一系列问题，特别是定量估算的不确定性要素来源表现在估算过程的不确定性以及估算结果的不确定性等诸多方面.针对CDSF的特殊结构与功能，在样地选取、参量选择、取样方法、分析方法、模型率定等过程中亦须充分考虑可能导致不确定性的可能性，才可减少CDSF碳储量估算的不确定性.

事实上，植被类型多种多样，不同的植被具有其独特性及复杂性，针对减排林的特征探索生态系统碳储量不确定性一系列原因，并建立估算模式，是碳储量定量化研究及生态系统功能评价的重要基础.

2.2具有相应的林分结构实地调查分析结果表明，克拉玛依CDSF的树种主要有俄罗斯杨、新疆杨、白蜡、柽柳、沙枣、梭梭等，树种较为单一.平均树高4.5～11.0 m，树高与直径的比值为79～219，在一定程度上反映了生长的差异性.从结构而言亦较单一，生物群落多样性低，抗病虫害能力较弱，再加上各林分结构的土壤养分及水分缺乏、病虫害危害严重,生长状况不佳.相对而言，CDSF东北区域林分结构生长状况最好,其蓄积量普遍比CDSF西北和中部区域林分结构高60%,而CDSF西北和中部区域比东南及南部区域林分结构的蓄积量高70%,各区域林分结构的生长状况相差悬殊.CDSF土壤全氮、全磷、全钾、有机质含量和分布与林分的生长状况成正相关关系；水盐也对CDSF生长有重要影响；受病虫害等因素影响的CDSF林木生长状况不佳，进一步改善克拉玛依CDSF的生长状况成为降低生态风险的重要途径.

2.3具有一定的合理生态水位根据对CDSF地下水、土壤水、植物生长与环境状况之间的定量关系，分析SPAC要素相互作用，界定合理的生态水位，确定减排林区生态需水量阈值.

借助于2009年及2010年在减排林区内监测调查的18眼地下水监测井水位数据，应用IDM反距离权重法进行插值，编制研究区地下水埋深等值线分布图(图2).从实地监测结果来看，减排林区地下水埋深最小值出现在10#区域，为0.85 m.

在实际调查监测过程中，分别于2005年8月、2009年8月和2010年8月3个时段，在减排林区获得了地下水埋深的系统监测数据；为了便于分析，选取8#、9#、10#、20#监测井，比较其在3个时段的地下水埋深变化特征(图3).

图2　2009年减排林区地下水埋深等值

图3　不同年度地下水埋

由图2可知，随着时间的推移，3个年份减排林地下水埋深平均值分别为7.62 m、6.62 m和4.03 m.2005年以来，各监测井地下水埋深总体呈变小趋势.

为研究植物生长状况与地下水埋深之间的关系，把减排林区内植被长势划分为良好、较好、一般和差4个等级，并分析俄罗斯杨、柽柳、沙枣、芦苇等植物的生长状况与地下水埋深的关系.观测表明，当地下水埋深小于2.3 m时，4种植物的长势一般；当地下水埋深处于2.3～4.0 m时，植物均长势趋好；当地下水埋深在4.0～6.0 m时，4种植物长势较好；当地下水埋深在6.0～8.0 m时，植物长势一般.而当地下水埋深大于8.0 m时，植物长势很差.监测分析表明，减排林地下水合理生态水位应为2.5～5.0 m.

2.4具有复杂的水土耦合关系通过对CDSF2010年8月地下水水质的分析结果，减排林地下水化学性质如表1,水盐动态变化及其互馈效应明显.

表1　地下水水化学特征　g·L-1

表2　不同盐离子含量的平均值

从图5可以看出，减排林区土壤总盐含量与土壤相对含水率呈负相关，即土壤总盐含量随土壤相对含水率的增加呈减小趋势.在克拉玛依减排林区，气候状况、地形特征、土地翻整方式及灌溉措施是影响CDSF土壤水盐关系的主要因素.

图4　不同年度地下水矿化

图5　土壤总盐含量与土壤相对含水率的关

从表3可以看出，0～20 cm、40～60 cm、60～80 cm土层总盐含量的变异系数分别为111.42%、131.63%、129.01%，属强变异性；20～40 cm、80～100 cm土层总盐量的变异系数分别为87.91%和65.52%，属中等变异性.造成这种现象的原因在于减排林区局部区域地势不平、土地翻整不均匀、植被类型及栽种模式不同以及灌溉方式不同等.

从表3还可知看出，随着深度的加深，土壤总盐含量呈下降趋势，说明表层土壤(0～20 cm)有一定的盐分累积.在研究区实地调查也可以发现，部分样地表层土壤有盐结皮现象，说明盐分离子的运动趋势以聚集为主，这与研究区降水稀少、蒸发强烈等气候因素以及漫灌方式等有密切的关系.

表3　不同土层总盐特征统计分析

克拉玛依人工减排林具有碳汇效应.人工减排林生态系统总有机碳密度为乔木层碳密度、草本层碳密度和土壤有机碳密度之和[19].研究表明，新疆克拉玛依CDSF生态系统平均碳密度为75.42 mg/hm2(包括乔木层的平均碳密度为37.04 mg/hm2，草本层平均碳密度为0.59 mg/hm2，0～100 cm标准剖面土壤层平均碳密度为37.79 mg/hm2)，从CDSF基地生态系统总有机碳密度空间分布图可以获知，人工减排林生态系统碳密度在西部最低，有机碳密度低于54 mg/hm2，在中部碳密度较高，超过72 mg/hm2，大部分区域介于60～62 mg/hm2.

克拉玛依人工减排林统计结果显示，克拉玛依CDSF生态系统总碳储量为502 849.8 mg，(包括乔木层的碳储量为246 935.7 mg，草本层碳储量为3 979.74 mg，0～100 cm标准剖面土壤层碳储量为251 934.4 mg)，在CDSF有机碳库储量中，植被层有机碳所占总有机碳49.11%，草本层为0.79%，土壤层为50.10%.

3减排林的生态预警

预警是对危机和危机状态的事先警告与提醒.19世纪末期预警思想被应用于宏观监测和调控领域；随着卫星遥感技术与信息技术的发展，20世纪80年代预警广泛应用于灾害监测领域；随着系统科学、3S技术等的发展和全球生态问题的日益严峻，科学预警理念与方法引起了人们的广泛关注.一般而言，生态预警是对生态环境质量和生态系统的逆向演替与退化现象进行监测并及时报警的过程，也是在多种不同时空尺度下对生态环境质量状况的多目标动态预测和综合预测评价.同时，对区域生态状态及时做出危害性变化和恶化速度的警告.干旱区的减排林，处于脆弱的生态环境背景下，生态系统易受到自然与人为要素影响表现出一系列不稳定性，对其生态状况进行监测、评价与预警具有一定的现实必要性.要实现对减排林生态安全状况的预警，还必须在系统生态学、水文生态学、自然地理学等原理指导下，根据减排林林分状况、立地条件的综合状况进行安全性评价与分析，进一步构建预警模式及标准，并对不同区域的林分进行预警程度的划分.

基于生态安全内涵及特点[20-21]，针对干旱区荒漠背景下环境状况，构建CDSF生态安全评价指标体系.减排林区生态安全指标体系是基于P-S-R模型建立的.P为压力，指减排林区所处的自然地理环境等影响其生存的主要自然条件；S为状态，表征减排林区环境现状；R为响应，表征CDSF项目实施到现在取得的成效.为方便起见，将林区气候、土壤、水文、植被及景观等各要素综合集成在一个体系中，分为3个层次，即准则层A、准则层B和指标层C.该指标体系中的数据主要来源于取样试验和遥感影像景观指数计算.从若干指标中筛选出14个指标，并通过权重赋值，最终构建一个生态安全度指数，结合其评价标准进行评价.同时，利用GIS等软件，结合研究区地形地貌状态及野外调查试验结果，将减排林区划分为不同区域，分别评价其生态安全程度.

在上述生态安全评价指标框架下，进一步建立CDSF生态安全的预警及风险分析模式[22]；并采用定性与定量相结合的方法，从时空特征等方面对生态安全进行评价.影响CDSF可持续发展的因素较多，由林区生态条件、管理水平等诸多因素综合作用的结果.本研究通过对研究区的实地调查及取样分析，对土壤、地下水提取生态预警指标.在确定指标权重时，考虑到各种土壤、水文因素的复杂性以及为了便于比较分析，作如下假设：指标层1中假设土壤养分和盐分指标(B1)与地下水指标在CDSF生态预警体系中的作用是相同的，即分别占权重的50%；同样，在指标层2中假设土壤养分指标即有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量，以及土壤盐分指标即土壤总盐量和土壤pH，在B1中具有同等重要的作用，则它们的权重都为1/12；地下水pH、矿化度、氯化物含量及硫酸盐含量在地下水指标B2中的权重相等，即均为0.125.

表4　减排林各样地生态预警指数及预警结果

基于2009年和2010年对克拉玛依CDSF的实地调查，按照已有地下水观测井空间位置以及减排林分布状况，剔除减排林植被类型及生态状况相似的样地，选取8个样地进行取样，实验室分析土壤养分和盐分状况及水样盐分状况.减排林区各样地生态预警指数及预警结果见表4.

可以看出，8个样地中有1个样地属于轻警，有5个属于中警，还有2个属于重警.将结果推广到整个减排林区，约有62.5%属于中警，相对应的风险等级较高，不利于减排林区的可持续发展.

4主要结论

1) CDSF是一类特殊类型的森林，具有一定的碳汇效应，其生物多样性不够丰富，结构单一，具有潜在的生态风险.

3) 基于P-S-R模型建立的CDSF生态安全的预警及风险模式，定量评价表明，CDSF区域约有62.5%面积属于中警状态，其风险等级较高，不利于减排林区的可持续发展.

4) 定量研究表明，CDSF总生态系统服务价值十分明显，总值可达为1.55×109元.在CDSF有机碳库储量中，植被层有机碳所占总有机碳的49.11%，草本层为0.79%，土壤层为50.10%，干旱区人工林生态系统中土壤是重要的碳库.

致谢参与本研究的项目组成员还有张慧芝、吉小敏、徐德福、李琪、郭靖、吕妍、孔维财、吴明辉、左成华等，一并表示致谢.

参考文献5

[1] Wang Ranghui,Lu Xinmin.Quantitative estimation models and their application of ecological water use at a basin scale[J].Water Resources Management,2009,23:1351-1365.

[2] 李均力，包安明，胡汝骥，等.亚洲中部干旱区湖泊的地域分异性研究[J].干旱区研究，2013，30(6)：941-950.

[3] 邱扬,傅伯杰,王军,等.黄土丘陵小流域土壤水分的空间异质性及其影响因子[J].应用生态学报,2001,12(5):715-720.

[4] 王让会，丁玉华，陆志家，等.景观规划与管理及其相关领域研究的新进展，生态环境学报,2010,19(9):2240-2245.

[5] 方创琳,杨玉梅.城市化与生态环境交互耦合系统的基本定律[J].干旱区地理,2006,29(1):1-8.

[6] Ottaviani D,Li Ji,Pastore G.A multidimensional approach to understanding agro-ecosystems:a case study in Hubei province,China[J].Agricultural System,2003,6:207-225.

[7] 方显瑞.杨树人工林生态系统碳交换及其环境响应[D].北京：北京林业大学，2011.

[8] 黄凤,乔旭宁,唐宏.近20年渭干河流域土地利用与生态系统服务价值时空变化[J].干旱地究,2013,31(2):214-224.

[9] 陈能汪，王龙剑，鲁婷.流域生态系统服务研究进展与展望[J].生态与农村环境学报，2012，28(2)：113-119.

[10] 角媛梅,肖笃宁.绿洲景观空间邻接特征与生态安全分析[J].应用生态学报，2004，15(1)：31-35.

[11] 朱婵璎,王让会.基于能源碳足迹的江苏省碳排放特征及规律分析[J].湖北大学学报：自然科学版，2013,35(2):258-264.

[12] Cheng Ge，Yue Xianping.Research and prediction of ecological security in Jiangsu province based on the ecological footprint[J].Asian Agricultural Research,2011,3(4): 48-53.

[13] 王让会，薛英，宁虎森，等.基于生态风险评价的流域生态补偿策略[J].干旱区资源与环境，2010,24(8):1-5.

[14] 徐力刚,许加星,董磊，等.土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展[J].干旱地区农业研究,2013,31(1):242-248.

[15] 杨启良,张富仓,刘小刚,等.植物水分传输过程中的调控机制研究进展[J].生态学报,2011(15):4427-4436.

[16] Breshears D D,Barnes F J.Inter relationships between plant functional types and soil moisture heterogeneity for semiarid landscapes within the grassland/forest continuum[J].Landscape Ecology,1999,14:465-468.

[17] 吉喜斌,康尔泗,赵文智,等.内陆绿洲灌溉农田SPAC系统土壤水分动态模拟研究[J].中国沙漠,2006,26(2):194-201.

[18] 施翔，唐翠平，周方龙.准噶尔盆地箭杆杨生长模型及生长进程动态分析[J].干旱区研究，2013，30(4)：652-658.

[19] 王让会，衣怀峰.基于NDVI的人工植被碳储量估算[J].遥感技术与应用，2011，26(4)：399-404.

[20] 肖笃宁,陈文波,郭福良.论生态安全的基本概念和研究内容[J].应用生态学报,2002,13 (3): 354-358.

[21] 张百平,姚永慧,朱运海，等.区域生态安全研究的科学基础与初步框架[J].地理科学进展,2005,24(6):1-7.

[22] 韩晨霞，赵旭阳，贺军亮，等.石家庄市生态安全动态变化趋势及预警机制研究[J].地域研究与开发，2010，29(5)：99-103.

(责任编辑郭定和)

Characteristic analysis and ecological early-alarming of carbon dioxide storage forest

WANG Ranghui1，2，NING Husen3

(1.School of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044，China；

2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing 210044,China；

3.Institute of Afforestation of Sand,Xinjiang Academy of Forestry,Urumuqi 830063,China)

Abstract:Using principle and methdology of geo-information science and hydrological ecology,based on the background of natural geography and ecological environment,some problems of CDSF are studied with the idea of SPAC.The issues including eco-system serve value,water and salt coupling,eco-safety mechanism,and ecological effects,etc..In particular,the spatial and temporal characteristics of water resource are studied which includes the variation characteristics of surface water resource,rational groundwater depth and eco-water demand,water environmental monitoring and man-made management.The research shows that reasonable ecological groundwater depth should be between 2.5 and 5.0 meters,meanwhile,the Mg2+and Cl-of total salt in the groundwater are changed obviously.Futhermore,the coupling relation between water and soil are studied based on feedback analysis and dynamic change of water and salt,driving force analysis of coupling between water and salt respond mechanism to water and soil elements.A total of area in CDSF is about 62.5% belong to the serious alarming area,the corresponding risk level is higher.In addition,some problems of eco-safety and sustainable development are studied based on building up eco-safety index system,early-alarming and risk analysis,and the sustainable utilization mode and approach of water and soil resource.

Key words:carbon dioxide storage forest (CDSF);carbon sink;ecological groundwater depth;ecological early-alarming

中图分类号:X523

文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.01.005

文章编号:1000-2375(2016)01-0025-07

作者简介:王让会(1963-)，男，教授，E-mail:rhwang@nuist.edu.cn；宁虎森，通信作者，研究员，E-mail:ninghusen@sina.com

基金项目:国家科技支撑计划(2012BAD16B0305,2012BAC23B01)、中国清洁发展机制基金赠款项目(2013013)及973计划(2006CB705809)资助

收稿日期:2015-06-19