土地利用變化對(duì)區(qū)域陸地碳儲(chǔ)量的影響研究綜述

唐 睿， 彭開麗，2

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，湖北武漢 430070； 2.湖北農(nóng)村發(fā)展研究中心，湖北武漢 430070)

土地利用變化使得地球原有的土地覆被格局、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能都發(fā)生改變，影響著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，且影響范圍廣、強(qiáng)度大，在其變化過程中，往往伴隨著大量的碳交換，從而導(dǎo)致溫室氣體的增加，土地利用變化是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)最直接的人為驅(qū)動(dòng)因素之一[1]。各項(xiàng)研究表明，土地利用變化對(duì)大氣中CO2的濃度急劇增加的影響僅次于化石能源燃燒，已成為第二大溫室氣體排放源[2]。而且，因土地利用變化所帶來的碳排放量在我國(guó)、亞熱帶、熱帶甚至全球范圍內(nèi)都占有很大的比重[3-6]。因此土地利用變化對(duì)于陸地碳儲(chǔ)量的影響這一問題受關(guān)注的程度越來越高，逐步成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

對(duì)于土地利用變化碳效應(yīng)的研究已經(jīng)從多個(gè)層面展開，其中多位學(xué)者研究了全球歷史不同時(shí)期土地利用變化對(duì)陸地碳循環(huán)的影響[7-9]。另有學(xué)者從國(guó)家及地方層面進(jìn)行研究，涉及到美國(guó)[10-11]、亞馬孫地區(qū)[12]、亞洲東南部[4]、印度[13]、中國(guó)[14]等國(guó)家。

本文全面綜述了近些年來學(xué)者們對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究，各種土地利用變化的影響，主要包括農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變及農(nóng)用地非農(nóng)用地間的轉(zhuǎn)變，以及學(xué)術(shù)界用于研究此問題較為普遍的研究方法，評(píng)述了土地利用變化過程中陸地碳儲(chǔ)量相關(guān)問題的研究進(jìn)展，以期為科學(xué)評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)陸地碳儲(chǔ)量的影響提供參考依據(jù)。

1 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究

生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量由植被碳和土壤碳構(gòu)成，但由于時(shí)間空間等各項(xiàng)因素，陸地碳儲(chǔ)量也有所不同。高艷妮等經(jīng)過系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力平均為(2.828±0.827) Pg C/年，在未來氣候情境下，中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力總體上可能呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)[15]。土地利用變化通過影響植被碳和土壤碳的固定、排放，從而引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的改變。

筆者綜合大量文獻(xiàn)資料，從土壤碳和植被碳2個(gè)方面對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行綜述。

1.1 土壤碳儲(chǔ)量

土壤具有存儲(chǔ)碳的能力，充當(dāng)了碳匯的角色，全球約有 1 576 Pg 的碳存儲(chǔ)在土壤中，土壤中的碳含量約是地上生物量的3倍，是大氣中碳含量的2倍[7，16]。目前世界碳損失嚴(yán)重，而由于世界農(nóng)業(yè)以及土壤退化造成的碳損失占全球歷史碳損失(42億～78億t)的50%～66%[8]。因此土壤碳含量對(duì)于陸地系統(tǒng)碳含量影響較大。

土地利用變化是改變土壤有機(jī)碳含量的原因之一，但土地利用變化對(duì)于土壤碳庫(kù)的影響較為復(fù)雜，土地利用變化到底能成為土壤碳庫(kù)的碳匯還是碳源，目前眾多學(xué)者還沒有統(tǒng)一的說法。研究表明，耕地轉(zhuǎn)林地、草地；草地轉(zhuǎn)林地；建設(shè)用地轉(zhuǎn)耕地、草地、林地；水域的轉(zhuǎn)出以及未利用地的轉(zhuǎn)出等能夠增加土壤碳儲(chǔ)量，即為碳匯，但到21世紀(jì)末，由于天然林轉(zhuǎn)坡耕地及其他土地利用變化、持續(xù)耕作土壤及一系列人類活動(dòng)等原因，我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)含量較1980年會(huì)下降10%左右，但如果及時(shí)采取灌溉農(nóng)田等有效措施，農(nóng)田土壤有機(jī)碳降低的現(xiàn)象會(huì)得以抑制，甚至提高[17-20]。

土壤碳含量的分布因?yàn)榈赜虻牟町愐灿兴煌?，土地利用變化是?dǎo)致碳儲(chǔ)量分布具有區(qū)域性特征的主要原因。裴志永等采用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合CASA模型，根據(jù)野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算出青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域上的土壤碳排放在區(qū)域上呈現(xiàn)出明顯的由東南向西北遞減的趨勢(shì)[21]。目前對(duì)于土壤碳含量變化的研究多集中于某一時(shí)刻不同土地利用類型之間的比較分析[18，22-23]，而時(shí)間維度上，對(duì)于不同時(shí)刻同一地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換后的土壤碳效應(yīng)差異研究還應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入[24-25]。

1.2 植被碳儲(chǔ)量

人類生活衣食住行的各個(gè)方面很大一部分都來自于植物生產(chǎn)力，植物通過光合作用將太陽(yáng)能固定并轉(zhuǎn)化為植物生物量。凈初級(jí)生產(chǎn)力(簡(jiǎn)稱NPP)通俗而言就是從植物由于光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后剩余的部分，是地表碳循環(huán)的重要組成部分。它反映了植被自身的生產(chǎn)能力，可以作為評(píng)定生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于NPP的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要通過收集遙感資料，利用各類模型，估算了不同植被類型的NPP，并對(duì)其時(shí)間空間特征，以及NPP對(duì)氣候變化的響應(yīng)做了大量的研究(表1)。但由于所研究的區(qū)域、時(shí)間段的選取，數(shù)據(jù)的收集，模型的選擇等有所不同，不同的研究結(jié)果間也存在著差異[6，26]。

根據(jù)眾多學(xué)者的研究，影響NPP大小的主要因素大致可以分為自然因素和人為因素，自然因素主要有降水、輻射和溫度。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，驅(qū)動(dòng)NPP數(shù)值變化的主要因素是降水，呈現(xiàn)出較為顯著的相關(guān)性，但溫度可以起到輔助作用，只是其顯著性沒有降水大[27-28]。Ren等敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明，氣候變化是控制森林NPP時(shí)空變化的主導(dǎo)因素[29]。但由于區(qū)域、季節(jié)以及植被覆蓋類型的不同，NPP的大小是不同的。國(guó)內(nèi)學(xué)者們運(yùn)用不同的模型，分析了東北三省[30-31]、陜北黃土高原[32]、西藏青藏高原[21]、南方丘陵區(qū)[33]不同植被覆蓋類型下植被NPP的大小。高艷妮等通過總結(jié)遙感模型對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的模擬結(jié)果得到，不同植被類型的單位面積NPP總體表現(xiàn)為常綠闊葉林顯著高于其他植被類型，但不同研究結(jié)果間變化范圍較大[15]。

還有部分學(xué)者認(rèn)為，不僅僅由于上述自然因素導(dǎo)致NPP的改變，一些人為因素，包括土地利用類型以及管理方式的轉(zhuǎn)變也會(huì)造成植被NPP的變化。高志強(qiáng)等運(yùn)用GLO-PEM模型研究發(fā)現(xiàn)，在中國(guó)北方土地利用發(fā)生變化的區(qū)域，由于土地利用變化所引起的對(duì)于植被NPP的影響約占97%[34]。謝寶妮等提出了對(duì)于區(qū)域而言，由退耕還林還草而引起的土地利用覆被變化是退耕區(qū)NPP增加的主要因素；干旱的緩解則是青海內(nèi)蒙等地NPP增加的主要因素[35]。張興榆等認(rèn)為近25年來，環(huán)太湖地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)中植被儲(chǔ)碳能力逐步減弱，主要原因就是由于碳密度較高的林地大量轉(zhuǎn)移為碳密度較低的耕地、草地[36]。王淵剛等認(rèn)為1962—1976年間瑪納斯河流域大面積林地開墾，新增較多耕地，所以植被碳增加；1976—1999年由于不合理的耕作或灌溉措施，大面積耕地棄耕為荒漠，植被碳儲(chǔ)量少量減少；1999—2008年由于滴灌技術(shù)大規(guī)模推廣，收復(fù)了大量的棄耕地，土地利用范圍擴(kuò)張，中部平原區(qū)綠洲逐漸連片，棄耕現(xiàn)象得以緩解，所以年植被碳儲(chǔ)量小幅增加[37]。

表1 我國(guó)部分區(qū)域?qū)τ谥脖惶純?chǔ)量的研究

2 土地利用變化對(duì)陸地碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制

土地利用變化的區(qū)域是陸地碳儲(chǔ)量變化的熱點(diǎn)區(qū)域，土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響主要體現(xiàn)在以下2種方式：一是農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變，本文主要介紹耕地、林地及草地間的相互轉(zhuǎn)換，二是農(nóng)用地與非農(nóng)用地間的相互轉(zhuǎn)變。土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制如圖1所示，在土地利用變化的過程中，伴隨著自然條件以及人類活動(dòng)，會(huì)使得土壤中的碳發(fā)生變化，而隨著植物的生長(zhǎng)，土壤中的碳可以很好地被固定在植物體內(nèi)，隨著時(shí)間的流失，植物凋謝死亡，其體內(nèi)的碳又重新回到土壤中，因此本文主要從植被碳和土壤碳2個(gè)方面來介紹土地利用變化對(duì)陸地碳儲(chǔ)量的影響。

2.1 農(nóng)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變

2.1.1 林地的轉(zhuǎn)變 森林是全球碳含量的重要影響因素，它大致包含了陸地碳儲(chǔ)量中地上部分的80%，以及地下部分的40%[38-40]。6%～17%的人類二氧化碳的排放是由于熱帶地區(qū)森林的砍伐及退化造成的，因此，國(guó)際上很多工業(yè)國(guó)家都撥出部分資金用于減少森林砍伐[41]。

林地變動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因素在不同的地區(qū)也有著不同的重要性，一般來說，大部分的農(nóng)村人口采用的是不可持續(xù)的耕作方式，從而造成了日益增長(zhǎng)的農(nóng)地需求[42-43]。為了增加工業(yè)用材或者薪材而砍伐森林，為了增加耕地、草地等的面積而毀林，為了增加城鎮(zhèn)化建設(shè)而占用林地，以及不恰當(dāng)?shù)墓芾矸椒ǖ纫捕际窃斐闪值匕l(fā)生改變的原因。特別是在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，以及人口壓力劇增的背景下，糧食需求的壓力不得不使我們進(jìn)一步擴(kuò)大耕地及草地面積。

林地的轉(zhuǎn)變是碳儲(chǔ)量損失最重要的原因。1983—1990年期間，在全球范圍內(nèi)，林地轉(zhuǎn)為農(nóng)田以及草地占總的土地利用變化面積的45%，但是其所帶來的碳儲(chǔ)量變化占總的土地利用變化造成的碳儲(chǔ)量變化的2/3和3/4，由此可見，相對(duì)于其他土地利用類型而言，林地的碳儲(chǔ)量相當(dāng)?shù)母摺Ｋ粤值氐淖儎?dòng)將會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量造成相當(dāng)大的影響。在北美以及歐洲，碳損失較為明顯，主要就是因?yàn)榇罅康霓r(nóng)地占用了林地[3]。

2.1.2 草地的轉(zhuǎn)變 我國(guó)的草地資源相當(dāng)豐富，總面積將近4億hm2，占全國(guó)土地總面積的40%，是耕地面積的3倍。其中最著名的四大草原分別是內(nèi)蒙古呼倫貝爾大草原、內(nèi)蒙古錫林郭勒大草原、新疆伊犁草原、西藏那曲高寒草原。

近些年來，國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)家及土壤學(xué)家對(duì)森林碳儲(chǔ)量的研究較為頻繁，不同地區(qū)、不同時(shí)間、不同類型的森林碳儲(chǔ)量，以及土地利用變化對(duì)森林碳儲(chǔ)量的影響都得到了廣泛的關(guān)注，但是對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究卻顯得關(guān)注不夠，有關(guān)土地利用變化對(duì)草原碳儲(chǔ)量的研究更為稀缺。

康文星等利用洞庭湖濕地苔草地改造成林地后，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在造林前5年損失率較高，為11.29%，造林后的第6～8年內(nèi)，土壤有機(jī)碳損失的速率下降，特別是在40～100 cm 的土層內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了凈積累，主要原因是隨著樹木的增長(zhǎng)，落葉量增加，從而使得土壤碳含量增加[43]。周濤等發(fā)現(xiàn)草地轉(zhuǎn)換為耕地后，土壤的平均有機(jī)碳儲(chǔ)量減少了 3.5 kg/m3，通過評(píng)估土壤碳對(duì)于溫度的敏感性，得出在全球變暖的趨勢(shì)下，退耕還林還草政策使得植物能夠?qū)⒏嗟奶脊潭ㄔ谕寥乐衃14]。

2.1.3 耕地的轉(zhuǎn)變 耕地的轉(zhuǎn)化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量也有著舉足輕重的影響。姜群鷗等研究發(fā)現(xiàn)黃淮平原地區(qū)耕地的轉(zhuǎn)移對(duì)于植被碳儲(chǔ)量的影響，估算得到1988—2000年間，耕地的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致研究區(qū)域植被碳儲(chǔ)量減少了0.24%，其中，最主要的因素是耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地[45]。

目前，有眾多學(xué)者就退耕還林還草政策對(duì)于土壤、植被碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行了深入的研究。他們多采用空間代替時(shí)間的方法，研究不同演替年限、不同土壤深度、植被不同部位中的碳儲(chǔ)量變化情況[46-48]。我國(guó)黃土丘陵區(qū)作為生態(tài)環(huán)境多次遭受破壞，水土流失較為嚴(yán)重的區(qū)域，眾多學(xué)者對(duì)其固碳能力進(jìn)行了多次評(píng)估。劉迎春等對(duì)黃土丘陵區(qū)實(shí)施退耕還林政策后固碳潛力進(jìn)行了評(píng)估，研究發(fā)現(xiàn)隨造林時(shí)間的延長(zhǎng)，植被碳儲(chǔ)量呈逐年遞增的趨勢(shì)，而土壤碳儲(chǔ)量則呈現(xiàn)為先減少后增加[49]，這與Goulden等的研究結(jié)果[50]相似。申家朋等采用實(shí)地采樣等方法，對(duì)黃土丘陵區(qū)退耕還林后的刺槐人工林進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤碳儲(chǔ)量受坡向及退耕年限影響較為顯著[47]。

2.2 農(nóng)用地向非農(nóng)用地轉(zhuǎn)變

隨著城鎮(zhèn)化工業(yè)化腳步的加快，建設(shè)用地占用農(nóng)用地的現(xiàn)象越加明顯。1990年起，森林砍伐率逐年降低，但是城市擴(kuò)張?jiān)谶^去30年間大步增長(zhǎng)。建設(shè)用地占用農(nóng)用地意味著：一方面，在農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地過程中，植被大量減少，降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳存量。另一方面，在土地利用的碳排放中，建設(shè)用地碳排放總量和強(qiáng)度最大，是其他用地類型碳排放強(qiáng)度的幾十倍甚至上百倍[51-52]。據(jù)Seto等[9]估計(jì)，2000—2030年泛熱帶地區(qū)由于城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐申懙氐厣喜糠值奶純?chǔ)量將損失1.38 Pg C[9]。

隨著全球氣候變化的深入研究，城市土壤碳庫(kù)及其變化也備受關(guān)注，但是相對(duì)于其他陸地生態(tài)系統(tǒng)，城市土壤碳庫(kù)的研究還是較少。綜合碳密度以及熱帶區(qū)域的森林轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換概率(75%～100%)來看，美洲和非洲在2030年的碳損失總量最多，分別為0.5、0.49 Pg C[9]。Pouyat等對(duì)美國(guó)巴爾摩縣的30個(gè)開發(fā)項(xiàng)目的地形變化進(jìn)行分析，估算出 2 600 m2的建設(shè)活動(dòng)會(huì)對(duì)2.7×104kg C有所干擾[53]。對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，Tao等計(jì)算出常州市城市中心的陸地碳儲(chǔ)量?jī)H為0.11～0.32 Tg C，遠(yuǎn)低于城市邊緣區(qū)域(2.41～7.50 Tg C)[14]。

3 土地利用變化碳效應(yīng)的研究方法

3.1 遙感模型

3.1.1 InVEST模型 InVEST模型由美國(guó)斯坦福大學(xué)世界自然基金會(huì)與大自然保護(hù)協(xié)會(huì)于2007年聯(lián)合開發(fā)?；贕IS平臺(tái)可以將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以地圖的形式表示出來，是該模型最突出的特點(diǎn)所在。模型中碳儲(chǔ)量版塊可以對(duì)陸地上某一區(qū)域某一時(shí)段內(nèi)的碳儲(chǔ)量及其價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，該模型以土地利用類型為評(píng)估單元，利用區(qū)域土地利用/覆被信息、各碳庫(kù)碳密度數(shù)據(jù)，通過柵格疊加計(jì)算生成不同土地利用類型上的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，得到區(qū)域碳儲(chǔ)量的空間分布。

運(yùn)用InVEST模型，研究土地利用變化與區(qū)域碳儲(chǔ)量之間的相互關(guān)系，這一問題在近年來受到了眾多學(xué)者的探索。大多學(xué)者從時(shí)間、空間兩方面對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量進(jìn)行了一系列的動(dòng)態(tài)研究[54-55]。Polasky等使用InVEST模型來量化1992—2001年明尼蘇達(dá)土地利用變化對(duì)土地所有者的回報(bào)[56]。榮月靜等利用InVEST模型分析了2000—2010年間太湖地區(qū)土地利用變化對(duì)于碳儲(chǔ)量的影響，由于濕地林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量減少了1 375.66萬(wàn)t[57]。郜紅娟等利用InVEST模型探索了貴州省烏江流域碳儲(chǔ)量的空間結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)2000—2010年期間，烏江北部、東南部碳儲(chǔ)量較高，南部及東北部較低；隨時(shí)間遷移，除南部及中部地區(qū)碳儲(chǔ)量有所降低之外，其他區(qū)域碳儲(chǔ)量均有所提升[58]。這些都是由于退耕還林以及快速城鎮(zhèn)化等土地利用變化因素造成。

3.1.2 CASA模型 CASA模型主要是運(yùn)用遙感技術(shù)，獲取模型所需的太陽(yáng)輻射、地表溫度、降水等數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用、植被類型分布圖，通過植被對(duì)光能的有效輻射吸收原理來研究區(qū)域碳儲(chǔ)量及其分布規(guī)律的模型。該模型使用起來較為簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，所需數(shù)據(jù)及模型參數(shù)大部分都能通過遙感技術(shù)獲取，而且所獲取的數(shù)據(jù)觀測(cè)范圍廣，周期較長(zhǎng)，分辨率較高，所以該模型已被廣泛應(yīng)用于評(píng)估區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以及凈生產(chǎn)力[44，59]。

3.1.3 GLO-PEM模型 GLO-PEM模型與CASA模型相似，只是在CASA模型的基礎(chǔ)上，添加了植被的呼吸過程，再通過有效輻射吸收利用原理來測(cè)算NPP的模型。它所需的數(shù)據(jù)也同樣是通過遙感技術(shù)獲取，這些遙感數(shù)據(jù)包括植物覆蓋指數(shù)(NDVI)以及各種氣象變量。姜群鷗等利用遙感數(shù)據(jù)以及GLO-PEM模型，估算了黃淮海平原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力，并測(cè)算了不同土地利用類型的植被碳密度[45]。一些學(xué)者常采用此方法來研究影響NPP大小的作用因素，發(fā)現(xiàn)主要是土地利用變化、降水、溫度等不同因素影響著NPP[60-61]。

3.2 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3.2.1 簿記(bookkeeping)模型 簿記模型以年為單位，常用來估算由于區(qū)域內(nèi)土地利用變化所導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)每年的碳凈變化量。它實(shí)際上是一個(gè)統(tǒng)計(jì)估算模型，單位面積上所考慮到的碳量范圍也較為全面，主要包括生物體、土壤、植物殘?bào)w(枯枝落葉等)以及木材產(chǎn)品中所包含的碳量，繼而對(duì)土地利用變化或管理等一系列活動(dòng)所導(dǎo)致各個(gè)方面的碳儲(chǔ)量的變化繪制出相應(yīng)的曲線。但是土地利用變化是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，一般的簿記模型都是以生物量和土壤碳儲(chǔ)量作為整個(gè)模型的重點(diǎn)，普遍缺乏對(duì)動(dòng)植物體移走腐爛等氧化過程中所釋放出來的碳的考慮。由于焚燒、薪柴、建房等移走植被利用方式的不同，王淵剛等將這種不同產(chǎn)品不同利用方式氧化速率的差別考慮進(jìn)bookkeeping模型中，估算出由于土地利用變化導(dǎo)致的瑪納斯河流域植被碳儲(chǔ)量增加量[37]，比柳梅英等的估算結(jié)果[59]要高。究其原因可能有以下幾點(diǎn)，首先，王淵剛等考慮了移走植被的不同氧化過程對(duì)植被碳儲(chǔ)量的影響；其次，二者對(duì)于碳密度數(shù)據(jù)收集的方法也不同，王淵剛等是參考已發(fā)表的文獻(xiàn)中所公開的資料數(shù)據(jù)，而后者是利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行估算得出的植被碳密度。所以，bookkeeping模型的誤差主要來自于土地利用變化以及單位面積碳密度數(shù)據(jù)的誤差。

3.2.2 IPCC統(tǒng)計(jì)方法 利用IPCC溫室氣體清單法進(jìn)行碳儲(chǔ)量變化的研究[36，62]也是經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法的一種，IPCC溫室氣體清單法涉及到平均土壤碳密度以及土地利用變化發(fā)生時(shí)的碳庫(kù)影響因子，同種土地利用類型采用同一土壤碳密度，同種影響因子。

這種統(tǒng)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)在于參數(shù)較少，簡(jiǎn)單易得，常常適用于數(shù)據(jù)缺乏以及資料難尋的情況，但與此同時(shí)也存在著一些弊端，例如它簡(jiǎn)化了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過程，土地利用類型對(duì)于碳儲(chǔ)量的影響機(jī)理也沒有很具體的體現(xiàn)在模型中。

3.3 動(dòng)態(tài)分析

目前，越來越多的學(xué)者充分考慮到土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制，對(duì)一些特定情境下的碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。一些學(xué)者結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和CLUE-S模型模擬出一定情景下的土地利用變化及各類用地的空間分布，然后根據(jù)碳密度估算出不同情境下土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響[63]。

CEVSA模型是常用的一種動(dòng)態(tài)分析模型。它主要包括以下幾個(gè)子模塊：生物物理子模型、植物生長(zhǎng)子模型、植物各器官中碳的分配以及凋落物的產(chǎn)生、生化子模型。

Mingkuncao等將目光投向非洲，他認(rèn)為雖然非洲提供了全球1/5的NPP，但其氣候變化也是很劇烈的，所以運(yùn)用CEVSA模型模擬了由于氣候變化導(dǎo)致的1901—1995年的碳循環(huán)及碳儲(chǔ)量變化的動(dòng)態(tài)過程，他認(rèn)為，其實(shí)非洲并不是一個(gè)很有效的碳匯地區(qū)，因?yàn)樗潭ǖ奶?，有很大一部分都因?yàn)橥恋乩米兓会尫臶64]。還有學(xué)者將CEVSA模型進(jìn)行改進(jìn)，考慮了冠層截留以及融雪對(duì)于土壤水分的影響，而且將CEVSA模型的模擬時(shí)間由“旬”縮短為“日”。運(yùn)用改進(jìn)后的模型分析了亞熱帶紅壤丘陵區(qū)的人工林自造林以來，陸地生態(tài)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征[65]。上述6種方法概括見表2。

4 研究進(jìn)展評(píng)述與展望

4.1 研究評(píng)述

早在20世紀(jì)90年代以前，土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響就引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的足夠重視。在過去的幾個(gè)世紀(jì)里，陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量的變化主要來自于人類的土地利用變化，強(qiáng)調(diào)了林地對(duì)于調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量起的重要作用，但是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化有很大的不確定性，因?yàn)闅夂蜃兓泊嬖诤艽蟮挠绊慬68-70]。因?yàn)槿蜃兣乃俣燃涌欤瑲夂蜃兣瘜?duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的影響越來越大，到21世紀(jì)初，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)者們開始細(xì)化研究區(qū)域，使用CEVSA、GLO-PEM等模型，將氣候變化和土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響分開，將研究對(duì)象陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分開，分為土壤碳和植被碳，對(duì)于土壤碳，著重研究不同深度的土壤碳儲(chǔ)量對(duì)于土地利用變化的響應(yīng)；對(duì)于植被碳儲(chǔ)量的研究，?；谥鹉赀b感數(shù)據(jù)，測(cè)算植被碳儲(chǔ)量隨時(shí)間變化的特征[6，28，62]。由于溫室效應(yīng)的嚴(yán)重，隨著科技的進(jìn)步，模型的針對(duì)性越來越強(qiáng)，約2010年以后，越來越多的學(xué)者注重土地利用變化碳效應(yīng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化以及空間格局的規(guī)劃，根據(jù)碳收支劃分不同區(qū)域，運(yùn)用情景模擬等方法，基于低碳排放的情景下模擬空間規(guī)劃[17，31]。基于以上的發(fā)展歷程，筆者將土地利用變化的碳效應(yīng)大致歸納出以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)陸地碳儲(chǔ)量受諸多因素影響，其中土地利用變化是重要影響因素之一。(2)陸地碳儲(chǔ)量(植被碳和土壤碳)具有時(shí)空特征。(3)林地的轉(zhuǎn)變是碳儲(chǔ)量損失最重要的原因之一。(4)退耕還林還草政策在一段時(shí)間后能夠增加碳儲(chǔ)量。(5)建設(shè)用地占用農(nóng)用地，一方面，在農(nóng)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地過程中，植被大量減少，降低了生態(tài)系統(tǒng)的碳存量；另一方面，建設(shè)用地碳排放總量和強(qiáng)度最大，是其他用地類型碳排放強(qiáng)度的幾十倍甚至上百倍，增加了碳排放。(6)評(píng)估方法多樣化，精確度也越來越高。

表2 土地利用變化碳效應(yīng)的研究方法

但目前的研究仍存在以下方面的不足：(1)研究數(shù)據(jù)缺乏且存在不確定性。土地利用變化的數(shù)據(jù)多基于遙感技術(shù)的使用，雖然遙感技術(shù)日益走向成熟，但在遙感影像解譯等過程中，由于操作人員主觀因素的影響，土地利用分類的精度難以保證。其次，由于植被、土壤種類眾多，再加上氣候環(huán)境的變化，造成了空間上的差異，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響也顯現(xiàn)出異質(zhì)性，所以陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量定位監(jiān)測(cè)技術(shù)仍有較大進(jìn)步空間。(2)關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量潛力以及質(zhì)量方面的研究較為缺乏。目前，土地利用變化對(duì)于陸地碳的影響較多集中在數(shù)量上的研究，主要為不同植被類型的不同生長(zhǎng)部位、不同研究區(qū)域以及不同演替時(shí)段的碳儲(chǔ)量對(duì)于土地利用變化數(shù)量上的響應(yīng)。例如，碳儲(chǔ)量數(shù)量上的降低在多久后能夠恢復(fù)到土地利用變化以前的水平？反之，如果上升，那么這種數(shù)量上的增加又有多大的提升空間？有學(xué)者表示土壤碳質(zhì)量對(duì)于土地利用變化的反應(yīng)比土壤碳數(shù)量對(duì)其反應(yīng)更為強(qiáng)烈[71]。但是目前對(duì)于土壤碳質(zhì)量的研究還顯得較為缺乏。(3)缺乏在低碳排放情境下的土地利用優(yōu)化格局。目前的研究較多集中于農(nóng)用地與建設(shè)用地間的相互轉(zhuǎn)化對(duì)植被碳、土壤碳的影響，但是反向思考較為缺乏，例如可研究在低碳排放的情景下土地利用的優(yōu)化格局，若能模擬出低碳排放情景下的土地利用格局，將大大減少日后為增加碳儲(chǔ)量減少碳排放而帶來的各方面壓力。(4)現(xiàn)有碳儲(chǔ)量模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土地利用變化對(duì)于碳儲(chǔ)量的影響程度。目前，InVest、CASA等模型對(duì)于大氣-植被-土壤間的碳循環(huán)過程進(jìn)行了模擬，綜合考慮了氣候因子以及人為因素對(duì)陸地碳儲(chǔ)量的影響，整個(gè)循環(huán)過程已經(jīng)模擬得較為全面。但是陸地碳儲(chǔ)量的變動(dòng)十分復(fù)雜，目前已有的模型有些還不具有全面的影響因子，各因子權(quán)重也不能很好地量化，因此現(xiàn)有模型并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土地利用變化對(duì)于未來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。

4.2 研究展望

4.2.1 建立長(zhǎng)期定位陸地碳儲(chǔ)量數(shù)量質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系，廣泛收集相關(guān)數(shù)據(jù) 針對(duì)數(shù)據(jù)的缺乏，應(yīng)大范圍有針對(duì)性地建立起長(zhǎng)期陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集時(shí)間段長(zhǎng)、空間跨度廣、不同土地利用類型的碳儲(chǔ)量變動(dòng)數(shù)據(jù)，為研究土地利用變化對(duì)于陸地碳儲(chǔ)量的影響奠定一定的基礎(chǔ)。

4.2.2 多領(lǐng)域跨越多學(xué)科融合，科學(xué)評(píng)價(jià)陸地碳儲(chǔ)量質(zhì)量狀況 基于目前學(xué)者對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究[72-73]，筆者認(rèn)為在探尋土地利用變化碳儲(chǔ)量數(shù)量變動(dòng)的同時(shí)也應(yīng)當(dāng)注意碳質(zhì)量的研究。如果將土地利用變化同土壤學(xué)等生態(tài)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，加強(qiáng)土地利用變化對(duì)于陸地碳儲(chǔ)量質(zhì)量上影響的研究，相信對(duì)于研究土地利用變化對(duì)陸地碳儲(chǔ)量造成的潛在影響能夠做出更好的預(yù)測(cè)、以及對(duì)碳儲(chǔ)量損失后所需要恢復(fù)時(shí)間的推斷都是一個(gè)很好的幫助。

4.2.3 測(cè)定土地利用變化后陸地碳儲(chǔ)量的潛力，優(yōu)化低碳排放下的土地利用空間格局 目前的研究主要停留在被動(dòng)地評(píng)判土地利用變化對(duì)于陸地碳儲(chǔ)量的影響上，所以應(yīng)當(dāng)反向思考，基于低碳排放的情境下，綜合各項(xiàng)目標(biāo)的用地需求，通過運(yùn)用土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，提供出優(yōu)化的土地利用空間格局，為土地利用決策提供更有現(xiàn)實(shí)意義的參考意見。

4.2.4 建立土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)耦合模型，優(yōu)化不同土地利用類型下碳循環(huán)模型 理清土地利用變化對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制，在分清不同的碳循環(huán)過程這一重要基礎(chǔ)上，對(duì)已有模型予以完善，綜合考慮環(huán)境、生化及人為因素等的影響，建立土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)相耦合的模型；再者，對(duì)于不同的土地利用變化過程采用與之相對(duì)應(yīng)的模型，發(fā)展針對(duì)不同用地類型、多時(shí)空的多種陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化模型或板塊，是未來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模型研究的一個(gè)重要方向。