土地利用/覆盖类型的变化对陆地生态系统碳 收支的影响

张海凤，崔桂善

（1.延边大学理学院地理系；2.延边大学湿地研究中心，吉林 延吉 133000）

据最新统计，在过去100年中，地表平均温度上升了近0.85℃，同时截至2015年5月，在100年里大气CO2体积分数从280×10-6上升至353×10-6，而且大气CO2体积分数仍呈上升的趋势[1]。2016 最新签署的《巴黎协定》指出，要把全球平均气温的增长幅度控制在2℃之内，并努力将这一增长幅度限制在1.5℃之内[2]。为应对全球的气候变化，各国都为实现碳减排而努力。陆地生态系统碳循环是影响CO2体积分数的重要因素[3]。而土地利用/覆盖类型是决定陆地生态系统碳储量和影响碳循环的重要因素。

目前，陆地生态系统的碳循环系统正在因为人类活动而发生变化。大量化石燃料的燃烧，使得大量的二氧化碳被释放，再加上人为对森林资源的破坏，空气中的二氧化碳无法被消耗，严重地破坏了陆地生态系统中的碳收支平衡，某些区域的生态系统甚至趋于崩溃，失去了消耗二氧化碳的能力。人类活动对陆地生态系统碳循环的影响主要表现在其对土地利用/覆被类型的影响。据估计，1980年有1.8×109～4.7×109t碳从植被生态系统释放到大气中，其中80%以上来自森林砍伐[4]。所以，明确每个土地覆被类型的碳收支特点，掌握土地覆被变化而导致的碳收支影响，是维持区域陆地生态系统碳收支的前提，也是应对气候变化的重要依据。

基于此，本文主要从不同的土地利用/覆盖类型的碳收支特点以及它们对陆地生态系统碳收支的影响进行阐述。其间针对典型的土地覆被变化的监测方法及其对陆地生态系统影响的量化方法进行了比较分析，重点阐述了基于模型分析土地覆被变化对陆地生态系统影响的研究现状。

1 不同土地覆被类型中碳收支的特点

1.1 森林

2015年，全球森林面积占陆地总面积的30.6%，森林总碳储碳量为745～1 405 亿t（Gt）。森林与大气之间碳的交换量占陆地生态系统与大气碳总交换量的至少90%，另外森林植被和森林土壤的碳储量占全球年固碳总量的68%。可以说森林是陆地生态系统中最大的碳库。森林生态系统中的碳储量可分为地上部分和地下部分，其中地上部分碳储量为360～480 Pg，占陆地生态系统地上碳储量的82%～86%[5]。地上部分的储碳量主要是通过地表绿色植物的光合作用吸收空气中的CO2，并通过自身的化学反应将碳转化有机物一部分储存在植物体内，另一部存在于植物的枯枝落叶中。而地下部分碳储量主要包括地下生物碳储量和有机土壤碳储量。地下生物碳储量主要是植物根的呼吸作用和分泌物提供的碳，土壤有机碳的收支过程主要是地上植物形成的凋落物向土壤中输入碳素，同时通过土壤呼吸作用向大气中输出碳，此外还因径流和淋溶作用损失一定量的碳[6-7]。

1.2 草地

草地是地球上分布范围最广的植被覆盖类型之一，覆盖了约20%的陆地面积，储存的碳量约为761 Gt，草地活生物量及土壤有机质的碳储量约占陆地生物区总碳储量的25%[8]。草地生态系统碳素循环的机制主要可以从三个方面来阐述，即碳的固定、储存和释放。绿色植物通过自身的光合作用将空气中的CO2转化为有机碳，而被固定的碳素以各种形式储存在草地生态系统中，包括植物有机碳、土壤有机碳等。

由于草地生态系统中地上植被矮小的特点，草地生态系统总的碳主要储存在土壤中，土壤中的碳主要是通过土壤微生物分解植物的根系以及植物残体进入土壤中，主要以有机质的形式存在[9]。而碳素的释放过程就比较复杂，草地生态系统碳素的释放主要包括植物自身的自养呼吸、凋落物的异养呼吸以及土壤的呼吸代谢，其中土壤呼吸是草地生态系统释放CO2的重要途径[10]。另外，在以放牧为主的草地上，牲畜的呼吸作用所释放的碳也是不容忽视的，尤其是反刍动物对CH4的排放，一方面排放量较大，另一方面CH4造成的温室效应比是CO2剧烈[11]。

1.3 湿地

湿地是陆生和水生生态系统的交错区域，被认为是生产力最高的生态系统[12]。全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%，却蕴含350～535 Pg 的碳，占陆地生态系统碳储量的35%，与森林、海洋共同组成全球三大生态系统[13-14]。湿地作为一种特别的土地覆盖类型对陆地生态系统碳收支起到了很大的调节作用，一直被认作是重要的碳汇。2004年估算的中国湿地土壤固碳量显示，占国土面积不到4%的湿地土壤中储存了约全国10%的碳[14]。

湿地生态系统中固碳过程可以分为两个阶段：一是绿色植物通过光合作用固定大气中的CO2并形成总初级生产力，二是植物的枯枝落叶和残体经过微生物的分解转化，一部分转化为颗粒有机碳（POC）和简单的可溶性有机碳（DOC），在水中直接或间接氧化为CO2（HCO3-），另一部分形成泥碳长年累积[15]。长期自然条件下，湿地因为泥炭的积累而成为重要的碳汇，但同时湿地也是大量CH4的源头，CH4是土壤有机质厌氧分解的最终产物，CH4的产生间接地影响陆地生态系统的碳收支平衡[16-17]。

1.4 农田

农田生态系统同样是陆地生态系统的重要组成部分，全球耕地面积占陆地面积的38.5%，总碳储量占陆地生态系统碳储量的10%左右。农田CO2排放量为温室气体排放量的21%～25%[18]。与森林、草地，湿地等几种土地利用类型相比，农田生态系统是最活跃的碳库，可以在很短的时间内通过人为活动进行调节，是受人类活动影响最大的类型。农田生态系统的固碳周期短，呈季节性变化，蓄积碳量大[19]。农田生态系统的主要碳固定过程包括两个阶段：一是通过作物的光合作用固定大气中CO2的植物固碳过程；二是土壤固碳过程。土壤碳库主要来源是植物的凋落物、植物根系释放的有机物质，特别是土壤碳库中的一部分碳来自有机肥和化肥[20]。而碳的释放过程主要是由作物和土壤的呼吸作用来完成的。

2 不同土地覆被类型转化下的碳收支变化分析

不同的土地覆被类型对碳的固定能力是不同的，对陆地生态系统碳收支的影响也有所不同。森林、草地、湿地和农田都是典型的陆地生态系统覆盖类型，由于自身的结构不同，其碳收支状况不同，又因为每种土地覆被类型受人类活动的影响程度不同，其间不断发生着碳“源”“汇”的变化。

联合国粮农组织（FAO）发表的“2015年全球森林资源评估”报告显示，随着人口不断增长，林地不断被转变为农田和其他用途，世界森林面积持续减少。从1990年到2015年的25年里，全球森林面积约减少了1.28 亿hm2。在这期间，全球森林生物碳储量减少了近110 Gt。森林的减少主要是土地覆被类型由森林转变为农田或其他利用类型，以及较小程度上的森林退化所导致的[1]。森林的地上、地下生物碳量相对而言都比较大，当森林退化或是转换为草地时大部分的地上和地下生物量碳都会以CO2的形式被释放。人类活动影响了森林生态系统原有的碳收支平衡，造成“碳失汇”[19]。而人工恢复和再生的森林对碳的吸收量不足以平衡由于森林被破坏所增加的碳排放量，其结果将会是整个森林生态系统呈现的是一个碳源。

据调查，由于放牧、开垦、国家对牧区政策偏差等原因，草地大面积退化，导致地上生物量极少或无法补给土壤碳库，土壤固碳量大大减少[20]。另外，农田开垦造成草地土壤有机碳的大量释放，同时土壤的呼吸作用得到加强，加速了土壤有机质的分解[21]。草地转换成农田就会导致原本生态系统固碳能力的降低，造成碳源汇的变化。研究结果显示，草地开垦为农田后，土壤碳总量的损失为30%～50%[22]。

湿地与其他几种覆盖类型相比比较特殊，湿地土壤和泥炭是陆地上重要的有机碳储存库，其单位面积碳储量在陆地上各种生态系统中是最高的。据估算，湿地植物含有的有机碳平均值的回归量是农作物的8倍以上，也就是说湿地被开垦为农田以后，有机碳回归量将会减少约85%[23]。在没有人类干扰的情况下，湿地表现为CO2的净吸收，湿地开垦为农田以后就会使湿地由“碳汇”变成“碳源”。

3 结语

人口增长和高速的社会经济发展使得土地覆被类型不断发生变化，这些变化在一定程度上增加了CO2的排放，影响着陆地生态系统的碳循环过程。森林、草地、湿地、农田这几种重要的土地覆被类型其碳收支的状况有很大的差异，人类活动对不同的土地覆被类型的碳收支的影响也存在较大的差异。在过去几十年中，人们已经开展了大量的研究，把生态系统碳收支的监测由原来的静态统计分析向生态系统机制性模拟的方向转变，取得了显著的进展。但是由于生态系统的复杂性和人类活动的无规律性，加上人们对生态系统与人类活动、气候变化等其他因素的响应与机制关系认识还不够深入，还有许多亟待解决的问题。今后，应在动态监测生态系统机制分析的基础上，重点发展与完善生态系统机制的模拟模型，结合长期的样地清查数据对监测模型进行优化和改善，实现遥感、模型、Senser 一体化的监测体系，为更全面更准确地量化土地覆被变化对陆地生态系统碳收支的影响提供技术支撑，为区域生态系统平衡提供理论依据。