中國(guó)植被和土壤碳貯量估算

中國(guó)植被和土壤碳貯量估算

陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存和變化對(duì)全球碳循環(huán)以及氣壤二氧化合物濃度的變化起著非常重要的作用。陸地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大的碳儲(chǔ)量。據(jù)估計(jì)，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為2500kg，是世界碳儲(chǔ)量（750gt）的三倍。其中，全球植被碳儲(chǔ)量約為500gt，1米厚土壤碳儲(chǔ)量約為2000kg，后者為前者的四倍。陸地生態(tài)系統(tǒng)一方面通過植物光合作用吸收大氣CO2,另一方面,又通過如自養(yǎng)呼吸和異養(yǎng)呼吸等過程將碳以CO2和CH4或CO的形式返回大氣.在陸地生態(tài)系統(tǒng)中,有機(jī)碳也通過一些自然擾動(dòng),如生物量燃燒等釋放進(jìn)入大氣.上述過程形成了大氣-植被-土壤完整碳循環(huán).許多因素,如氣候變化、大氣CO2增加、污染物氮沉降等影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳過程,導(dǎo)致凈碳吸收,成為所謂的“失蹤碳匯”(missingcarbonsink).盡管對(duì)全球氣候變化有重要影響,但目前對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其隨時(shí)間變化的估計(jì)還有很大的不確定性.目前估算的全球植被碳貯量約變化在420～830Gt之間,土壤碳貯量變化在1200～2000Gt之間.近年來,一些作者開始關(guān)注和研究中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量,但由于所用資料和方法的不同,估算結(jié)果有很大差異.這些研究主要以樣點(diǎn)測(cè)定推斷,以植被、土壤和氣候?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)碳過程綜合影響為基礎(chǔ)的定量研究較少.近年來機(jī)理生態(tài)系統(tǒng)模型在中國(guó)的應(yīng)用多集中于研究?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力,尚未見估算國(guó)家尺度的土壤和植碳貯量的報(bào)道.本文應(yīng)用以0.5°經(jīng)緯網(wǎng)格分辨率的氣候、土壤和植被數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)一個(gè)生物地球化學(xué)模型,估算當(dāng)前中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)(植被和土壤)碳貯量,根據(jù)模擬的結(jié)果分析了植被和土壤碳貯量的空間分布特征及其與氣候、植被和土壤狀況的關(guān)系.1碳貯量估計(jì)模型本研究應(yīng)用植被、土壤和大氣碳交換(CEVSA)模型,通過對(duì)凈初級(jí)生產(chǎn)力、碳分配、植被積累、凋落物產(chǎn)生、土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)換與分解過程的計(jì)算,估計(jì)植被和土壤碳貯量.該模型包括三個(gè)子模型(圖1):一是計(jì)算輻射、水分和熱量輸送,確定氣孔傳導(dǎo)度、蒸散和土壤水分的生物物理子模型;二是描述光合作用、自養(yǎng)呼吸、植物有機(jī)質(zhì)碳分配、葉面積指數(shù)(LAI)和凋落物產(chǎn)生的植物生長(zhǎng)子模型;三是模擬土壤有機(jī)質(zhì)分解、轉(zhuǎn)化和氮輸入輸出的土壤子模型.模型的主要過程描述如下,詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[10～12].1.1cevsa模型大氣CO2通過植物光合作用把CO2固定為有機(jī)碳,從此進(jìn)入陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán).植物光合作用取決于由光合生物化學(xué)過程控制的CO2的同化效率和由大氣擴(kuò)散通過氣孔進(jìn)入葉細(xì)胞間隙的CO2傳導(dǎo),這兩個(gè)過程均受環(huán)境條件如氣候、土壤水分、大氣CO2濃度和氮有效性及其相互作用的影響.由于兩種過程的相互依賴性,CEVSA模型以由生物化學(xué)反應(yīng)和氣孔傳導(dǎo)度決定的光合速率相等為限制條件,采用迭代法解有關(guān)的非線性方程組的方法,求出實(shí)際的光合速率.計(jì)算時(shí),植物冠層被分成與葉面積指數(shù)(LAI)相當(dāng)?shù)膶哟?每層CO2的同化速率分別計(jì)算.葉面積指數(shù)根據(jù)植物冠層碳同化最大化的原則,其水的有效性的限制因素取決于土壤供水(來自降水和土壤水貯存)與蒸散發(fā)之間的平衡.1.2不同類型植被的碳貯量和凋落物產(chǎn)生量為平衡葉冠碳固定與根系水和養(yǎng)料吸收以及這些物質(zhì)在植物器官間的傳輸,植物對(duì)光合固定的碳在首先滿足葉片和根系的生長(zhǎng)條件下,在各個(gè)器官之間按比例進(jìn)行分配.模型中,對(duì)草類植物碳在葉、莖和根之間的分配按固定分配參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)樹木和灌叢整個(gè)冠層固定的碳(AI)向葉(CL)、莖(CS)和根(CR)中的分配計(jì)算公式如下:按上述所得的葉面積指數(shù)(LAI)計(jì)算:式中S是比葉面積,其值因植物類型而異.按照Givnish理論,f為碳分配到葉中的部分,按下面的公式估算:是CO2在葉肉組織中的擴(kuò)散阻抗、RS是水分蒸騰的氣孔阻抗.根據(jù)計(jì)算得到的f和CL計(jì)算CR:分配到植物器官碳的一部分通過自養(yǎng)呼吸消耗或作為凋落物進(jìn)入土壤.自養(yǎng)呼吸包括生長(zhǎng)性和維持性呼吸,它們受溫度,光合速率和碳貯量的影響.各種植物器官中的碳滯留時(shí)間隨植物類型而異.CEVSA依據(jù)碳分配、自養(yǎng)呼吸、滯留時(shí)間和死亡率估算各種植物器官中的碳貯量和凋落物產(chǎn)生量.凋落物產(chǎn)生量的季節(jié)性變化按各種植物類型的物候關(guān)系來確定.植被凈初級(jí)生產(chǎn)量(NPP)和碳貯量(VGC)隨時(shí)間變化的計(jì)算公式如下:式中Ri和LTi分別為葉、莖和根的自養(yǎng)呼吸和凋落物產(chǎn)生量.1.3碳庫及其碳貯量的變化凋落物進(jìn)入土壤轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥烙袡C(jī)物質(zhì),通過微生物分解返回大氣.CEVSA模型把土壤有機(jī)物質(zhì)分為莖葉凋落物、根系凋落物、土壤微生物、慢和惰性碳庫等,并把這些庫的碳轉(zhuǎn)化與分解作為一級(jí)變化率反應(yīng)來計(jì)算.各個(gè)碳庫有特定的分解速率,并因土壤溫度、含水量、有效氮含量、土壤質(zhì)地和凋落物質(zhì)量(木質(zhì)素與氮的比值)而異.HR是在各種碳庫的微生物分解中氣體碳損失之和:式中SOCi和Ki分別是各個(gè)庫碳貯量和分解速率,ε是微生物同化作用效率,即被分解的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為微生物組織的部分.土壤有機(jī)碳總貯量(SOC)的變化是總凋落物產(chǎn)生量(LT)與呼吸損失(HR)之差:2數(shù)據(jù)來源及處理在本研究中,CEVSA模型以月為時(shí)間步長(zhǎng),以0.5°經(jīng)緯度網(wǎng)格為空間單元運(yùn)行.所需要的氣象資料(月平均溫度、降雨量、相對(duì)濕度和云量)來自英國(guó)Norwich大學(xué)氣候室的全球氣候數(shù)據(jù)庫.月平均大氣CO2濃度由美國(guó)夏威夷MaunaLoa觀測(cè)所觀測(cè).土壤類型和質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來自由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)、國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)和國(guó)際土壤資源信息中心(ISRIC)最新編制的0.5°經(jīng)緯度全球土壤數(shù)據(jù)庫.植被類型分布數(shù)據(jù)(圖2)取自根據(jù)美國(guó)大氣和海洋管理局氣候遙感衛(wèi)星NDVI(NomoralDifferenceVegetationIndeX)數(shù)據(jù)制作的8km全球植被圖,它代表當(dāng)前植被類型的實(shí)際分布.在模型模擬中,首先應(yīng)用1951～1980年平均氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型至生態(tài)系統(tǒng)平衡態(tài).然后用1951～1998每月氣象數(shù)據(jù)和大氣CO2進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬.1951～1980年的模型運(yùn)行是為消除假定的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值(即平衡態(tài)假設(shè))對(duì)動(dòng)態(tài)模擬輸出的影響.本研究應(yīng)用所得到的1981～1998年植被和土壤碳貯量年平均值分析其空間分布以及與氣候和植被狀況的關(guān)系.3結(jié)果3.1中國(guó)土壤碳密度和碳貯量CEVSA模型計(jì)算表明,中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被碳貯量平均值為13.34Gt,土壤碳貯量平均值為82.65Gt,它們分別占全球植被碳貯量(466Gt)和1m深土壤碳貯量(2011Gt)3%和4%.全國(guó)平均植被和土壤碳密度分別為1.47和9.17kg/m2.估算的植被碳密度變化于稀疏灌叢的0.11kg/m2到常綠闊葉林的14.24kg/m2之間(表1).隨著溫度、降水和植被類型變化,植被碳密度一般從中國(guó)的東北地區(qū)向西南地區(qū)增大.大興安嶺經(jīng)六盤山至青藏高原的地理邊界以東的碳密度相對(duì)較高,邊界以西較低.最高植被碳密度出現(xiàn)在中國(guó)的東南和西南地區(qū).森林和林地植被碳密度平均值為7.03kg/m2,這些植被類型的碳貯量為8.72Gt,占全國(guó)總量的65.6%(全球約占77%).森林總面積為60.85×104km2,僅占總國(guó)土面積的6.8%(全球約占28%).雖然中國(guó)熱帶、亞熱帶常綠闊葉林由于良好的溫度和水分條件,碳密度最高,但由于在中國(guó)的面積很小,其碳貯量在各種植被類型中僅為中等水平.草地和灌叢面積占全國(guó)國(guó)土面積一半以上,但由于碳密度很低,其碳貯量很少(表1).土壤碳密度從稀疏灌叢的5.43kg/m2增加到落葉針葉林的27kg/m2,混合林土壤碳密度居中,為22.57kg/m2.土壤碳密度的總體分布大致也是東部高于西部,最高土壤碳密度主要出現(xiàn)在東北地區(qū)的北部和東部以及青藏高原的東南緣,這里森林和林地的土壤碳密度均在12kg/m2以上.中國(guó)的森林和林地總面積約為121.63×104km2,約占國(guó)土總面積的13.5%.土壤有機(jī)碳貯量約為232.07×108t,占中國(guó)土壤總碳貯量的28.1%.森林的土壤碳高密度主要因?yàn)榇罅康蚵湮镙斎牒偷偷哪举|(zhì)凋落物分解速率.由于草地初級(jí)生產(chǎn)力和凋落物輸入低,所以土壤碳密度很低,但由于中國(guó)有林草地和草地的巨大面積(約263.26×104km),土壤有機(jī)碳貯量為28.97Gt,占全國(guó)土壤總碳貯量的35.0%(表1).在非林地植被類型中,農(nóng)田的土壤碳密度最高,其面積占國(guó)土總面積的1/5,其土壤碳貯量為18.73Gt,在各種土地覆被類型中占首位.灌叢土壤的碳密度最低,盡管面積最大,但土壤碳貯量為11.77Gt,僅占全國(guó)土壤總碳貯量的14.2%(表1).3.2我國(guó)有機(jī)碳貯量的分布從圖3和圖4可以看出,中國(guó)東部地區(qū)的植被和土壤碳貯量高于西部地區(qū),這決定于這些地區(qū)由良好的溫度和降水條件所產(chǎn)生高的植被密度和初級(jí)生產(chǎn)力.中國(guó)南方熱帶和亞熱帶森林初級(jí)生產(chǎn)力高于東北地區(qū)的溫帶針葉林,因此西南地區(qū)和東南地區(qū)的植被森林碳密度在8kg/m2以上.但由于溫暖氣候促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解,土壤碳密度并不高.華北地區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力低,而且土壤有機(jī)碳分解速率較高,土壤有機(jī)碳密度相對(duì)較低.西北地區(qū)有大片的草原和沙漠分布,植被分布稀疏,土壤有機(jī)碳貯量低于東部地區(qū),尤其是在三大盆地的沙漠區(qū)域(除了新疆的北疆和高山地區(qū)),植被和土壤碳密度幾乎為零.東北地區(qū)的東部和北部由于有大量的原始森林,地表凋落物層厚,加上溫度低,土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢,土壤有機(jī)碳含量最高.青藏高原東南緣主要是高寒草甸,多為沼澤地,地表滯水,溫度低,土壤有機(jī)質(zhì)分解較慢,因而土壤碳貯量高.從不同緯度帶的土壤有機(jī)碳貯量的分布來看,我國(guó)北緯20°～35°之間土壤有機(jī)碳貯量高,約為43L98×108t,占全國(guó)貯量的55.04%,北緯40°以北地區(qū)的土壤有機(jī)碳含量為298.32×108t,占全國(guó)的36.63%.在北緯35°～40°,土壤有機(jī)碳貯量比較低.從東經(jīng)75°～110°和北緯27.5°～40°,是我國(guó)土壤有機(jī)碳貯量最低的區(qū)域,也正是我國(guó)最大沙漠集中分布的區(qū)域.3.3資料與模型方法表2和3給出CEVSA模型的計(jì)算結(jié)果與根據(jù)實(shí)測(cè)資料研究估算的植被和土壤碳貯量及碳密度的比較.如表所示,模型計(jì)算的植被和土壤碳庫總貯量與方精云等計(jì)算結(jié)果有一定差異,而土壤碳庫總貯量與金峰等的結(jié)果較為接近.由于使用的植被和土壤分類系統(tǒng)以及資料來源的不同,CEVSA模型與其他利用實(shí)測(cè)資料估算的植被和土壤碳貯量有一定差異是很自然的.以下分析差異的具體原因:(1)本文采用以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的901.14×104km2作為總植被和土壤面積計(jì)算中國(guó)的陸地碳庫,而方精云等和Wang等采用的國(guó)土面積各不相同,面積差異往往導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果之間的差異被放大或縮小;(2)資料源和資料數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面有很大不同,如Wang根據(jù)2473個(gè)典型土種剖面估算碳密度,方精云等根據(jù)725個(gè)土壤剖面資料進(jìn)行計(jì)算,本文則采用遙感資料和模型方法計(jì)算每個(gè)0.5°經(jīng)緯度網(wǎng)格的植被和土壤碳密度;(3)本文采用遙感數(shù)據(jù)反演生成的實(shí)際植被分布,而他們的研究是根據(jù)不同尺度的植被和土壤分類系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算;(4)方精云等和Wang等的估算是基于實(shí)測(cè)的土壤剖面資料,用于計(jì)算的不同土壤類型的土壤深度不一,而CEVAS模型計(jì)算所有的土壤碳;(5)方精云等和Wang等用了0.58的Bemmelen轉(zhuǎn)換系數(shù)將有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)換成土壤有機(jī)碳含量,而本研究直接以碳作為計(jì)算單位.值得指出的是,金峰等(個(gè)人通信)利用實(shí)測(cè)資料所作的估算與作者模擬計(jì)算的結(jié)果較為接近.如金峰用全國(guó)第二次土壤普查資料(1979～1994年),按土壤類型對(duì)全國(guó)3600個(gè)土種、230個(gè)亞類和61種土類的有機(jī)碳資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,全國(guó)碳貯量為81.77Gt,碳密度為9.53kg·m-2.Li等對(duì)我國(guó)熱帶、亞熱帶植被有機(jī)碳貯量的估算結(jié)果與本研究的估計(jì)也很相近.本文同時(shí)將CEVSA模型估算的碳密度與根據(jù)實(shí)測(cè)樣方數(shù)據(jù)得到的碳密度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析(表3).表3顯示CEVSA模型模擬的植被和土壤碳密度大部分處于實(shí)測(cè)值的范圍之內(nèi),并表現(xiàn)出良好的一致性.但本研究的估計(jì)也存在一定的不確定性:(1)空間分辨率比較粗,0.5°×0.5°的格點(diǎn)相當(dāng)于50～60km,在此范圍內(nèi)的各種環(huán)境和生物條件有很大變化,均一化的結(jié)果會(huì)造成很多細(xì)節(jié)的損失,例如,模型模擬的單個(gè)格點(diǎn)土壤碳密度最高為29.5kg/m2,而實(shí)際上中國(guó)東北原始森林、濕地和青藏高原的高寒草甸、沼澤地的土壤碳密度甚至超過了50～100kg/m2;(2)本研究采用的由8km分辨率衛(wèi)星資料得到的植被類型與實(shí)際植被類型仍存在一定的差距;(3)模型估算大部分沙漠地區(qū)土壤有機(jī)碳為零,但實(shí)際上這些地區(qū)雖然碳密度很低,仍然有一定的有機(jī)碳存在.4模型假設(shè)及未來研究方向本研究應(yīng)用由0.5°分辨率的氣候、土壤和由衛(wèi)星遙感獲得的植被數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)模型,估算了當(dāng)前中國(guó)植被和土壤碳貯量及其空間分布特征.主要結(jié)論如下:(1)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤碳庫總貯量分別為13.33和82.65Gt,分別為全球植被和土壤碳貯量的3%和4%,全國(guó)平均植被和土壤碳密度分別為1.47和9.17kg/m2.(2)中國(guó)陸地植被和土壤碳