中国植被和土壤碳贮量估算

中国植被和土壤碳贮量估算

陆地生态系统的碳储存和变化对全球碳循环以及气壤二氧化合物浓度的变化起着非常重要的作用。陆地生态系统是一个巨大的碳储量。据估计，全球陆地生态系统碳储量约为2500kg，是世界碳储量（750gt）的三倍。其中，全球植被碳储量约为500gt，1米厚土壤碳储量约为2000kg，后者为前者的四倍。陆地生态系统一方面通过植物光合作用吸收大气CO2,另一方面,又通过如自养呼吸和异养呼吸等过程将碳以CO2和CH4或CO的形式返回大气.在陆地生态系统中,有机碳也通过一些自然扰动,如生物量燃烧等释放进入大气.上述过程形成了大气-植被-土壤完整碳循环.许多因素,如气候变化、大气CO2增加、污染物氮沉降等影响陆地生态系统碳过程,导致净碳吸收,成为所谓的“失踪碳汇”(missingcarbonsink).尽管对全球气候变化有重要影响,但目前对陆地生态系统碳贮量及其随时间变化的估计还有很大的不确定性.目前估算的全球植被碳贮量约变化在420～830Gt之间,土壤碳贮量变化在1200～2000Gt之间.近年来,一些作者开始关注和研究中国陆地生态系统碳贮量,但由于所用资料和方法的不同,估算结果有很大差异.这些研究主要以样点测定推断,以植被、土壤和气候对生态系统碳过程综合影响为基础的定量研究较少.近年来机理生态系统模型在中国的应用多集中于研究净初级生产力,尚未见估算国家尺度的土壤和植碳贮量的报道.本文应用以0.5°经纬网格分辨率的气候、土壤和植被数据驱动一个生物地球化学模型,估算当前中国陆地生态系统(植被和土壤)碳贮量,根据模拟的结果分析了植被和土壤碳贮量的空间分布特征及其与气候、植被和土壤状况的关系.1碳贮量估计模型本研究应用植被、土壤和大气碳交换(CEVSA)模型,通过对净初级生产力、碳分配、植被积累、凋落物产生、土壤有机碳转换与分解过程的计算,估计植被和土壤碳贮量.该模型包括三个子模型(图1):一是计算辐射、水分和热量输送,确定气孔传导度、蒸散和土壤水分的生物物理子模型;二是描述光合作用、自养呼吸、植物有机质碳分配、叶面积指数(LAI)和凋落物产生的植物生长子模型;三是模拟土壤有机质分解、转化和氮输入输出的土壤子模型.模型的主要过程描述如下,详细描述参见文献[10～12].1.1cevsa模型大气CO2通过植物光合作用把CO2固定为有机碳,从此进入陆地生态系统碳循环.植物光合作用取决于由光合生物化学过程控制的CO2的同化效率和由大气扩散通过气孔进入叶细胞间隙的CO2传导,这两个过程均受环境条件如气候、土壤水分、大气CO2浓度和氮有效性及其相互作用的影响.由于两种过程的相互依赖性,CEVSA模型以由生物化学反应和气孔传导度决定的光合速率相等为限制条件,采用迭代法解有关的非线性方程组的方法,求出实际的光合速率.计算时,植物冠层被分成与叶面积指数(LAI)相当的层次,每层CO2的同化速率分别计算.叶面积指数根据植物冠层碳同化最大化的原则,其水的有效性的限制因素取决于土壤供水(来自降水和土壤水贮存)与蒸散发之间的平衡.1.2不同类型植被的碳贮量和凋落物产生量为平衡叶冠碳固定与根系水和养料吸收以及这些物质在植物器官间的传输,植物对光合固定的碳在首先满足叶片和根系的生长条件下,在各个器官之间按比例进行分配.模型中,对草类植物碳在叶、茎和根之间的分配按固定分配参数进行计算,对树木和灌丛整个冠层固定的碳(AI)向叶(CL)、茎(CS)和根(CR)中的分配计算公式如下:按上述所得的叶面积指数(LAI)计算:式中S是比叶面积,其值因植物类型而异.按照Givnish理论,f为碳分配到叶中的部分,按下面的公式估算:是CO2在叶肉组织中的扩散阻抗、RS是水分蒸腾的气孔阻抗.根据计算得到的f和CL计算CR:分配到植物器官碳的一部分通过自养呼吸消耗或作为凋落物进入土壤.自养呼吸包括生长性和维持性呼吸,它们受温度,光合速率和碳贮量的影响.各种植物器官中的碳滞留时间随植物类型而异.CEVSA依据碳分配、自养呼吸、滞留时间和死亡率估算各种植物器官中的碳贮量和凋落物产生量.凋落物产生量的季节性变化按各种植物类型的物候关系来确定.植被净初级生产量(NPP)和碳贮量(VGC)随时间变化的计算公式如下:式中Ri和LTi分别为叶、茎和根的自养呼吸和凋落物产生量.1.3碳库及其碳贮量的变化凋落物进入土壤转变为土壤有机物质,通过微生物分解返回大气.CEVSA模型把土壤有机物质分为茎叶凋落物、根系凋落物、土壤微生物、慢和惰性碳库等,并把这些库的碳转化与分解作为一级变化率反应来计算.各个碳库有特定的分解速率,并因土壤温度、含水量、有效氮含量、土壤质地和凋落物质量(木质素与氮的比值)而异.HR是在各种碳库的微生物分解中气体碳损失之和:式中SOCi和Ki分别是各个库碳贮量和分解速率,ε是微生物同化作用效率,即被分解的有机碳转化为微生物组织的部分.土壤有机碳总贮量(SOC)的变化是总凋落物产生量(LT)与呼吸损失(HR)之差:2数据来源及处理在本研究中,CEVSA模型以月为时间步长,以0.5°经纬度网格为空间单元运行.所需要的气象资料(月平均温度、降雨量、相对湿度和云量)来自英国Norwich大学气候室的全球气候数据库.月平均大气CO2浓度由美国夏威夷MaunaLoa观测所观测.土壤类型和质地数据来自由联合国粮农组织(FAO)、国际应用系统分析研究所(IIASA)和国际土壤资源信息中心(ISRIC)最新编制的0.5°经纬度全球土壤数据库.植被类型分布数据(图2)取自根据美国大气和海洋管理局气候遥感卫星NDVI(NomoralDifferenceVegetationIndeX)数据制作的8km全球植被图,它代表当前植被类型的实际分布.在模型模拟中,首先应用1951～1980年平均气象数据驱动模型至生态系统平衡态.然后用1951～1998每月气象数据和大气CO2进行动态模拟.1951～1980年的模型运行是为消除假定的生态系统状态变量初始值(即平衡态假设)对动态模拟输出的影响.本研究应用所得到的1981～1998年植被和土壤碳贮量年平均值分析其空间分布以及与气候和植被状况的关系.3结果3.1中国土壤碳密度和碳贮量CEVSA模型计算表明,中国陆地生态系统植被碳贮量平均值为13.34Gt,土壤碳贮量平均值为82.65Gt,它们分别占全球植被碳贮量(466Gt)和1m深土壤碳贮量(2011Gt)3%和4%.全国平均植被和土壤碳密度分别为1.47和9.17kg/m2.估算的植被碳密度变化于稀疏灌丛的0.11kg/m2到常绿阔叶林的14.24kg/m2之间(表1).随着温度、降水和植被类型变化,植被碳密度一般从中国的东北地区向西南地区增大.大兴安岭经六盘山至青藏高原的地理边界以东的碳密度相对较高,边界以西较低.最高植被碳密度出现在中国的东南和西南地区.森林和林地植被碳密度平均值为7.03kg/m2,这些植被类型的碳贮量为8.72Gt,占全国总量的65.6%(全球约占77%).森林总面积为60.85×104km2,仅占总国土面积的6.8%(全球约占28%).虽然中国热带、亚热带常绿阔叶林由于良好的温度和水分条件,碳密度最高,但由于在中国的面积很小,其碳贮量在各种植被类型中仅为中等水平.草地和灌丛面积占全国国土面积一半以上,但由于碳密度很低,其碳贮量很少(表1).土壤碳密度从稀疏灌丛的5.43kg/m2增加到落叶针叶林的27kg/m2,混合林土壤碳密度居中,为22.57kg/m2.土壤碳密度的总体分布大致也是东部高于西部,最高土壤碳密度主要出现在东北地区的北部和东部以及青藏高原的东南缘,这里森林和林地的土壤碳密度均在12kg/m2以上.中国的森林和林地总面积约为121.63×104km2,约占国土总面积的13.5%.土壤有机碳贮量约为232.07×108t,占中国土壤总碳贮量的28.1%.森林的土壤碳高密度主要因为大量凋落物输入和低的木质凋落物分解速率.由于草地初级生产力和凋落物输入低,所以土壤碳密度很低,但由于中国有林草地和草地的巨大面积(约263.26×104km),土壤有机碳贮量为28.97Gt,占全国土壤总碳贮量的35.0%(表1).在非林地植被类型中,农田的土壤碳密度最高,其面积占国土总面积的1/5,其土壤碳贮量为18.73Gt,在各种土地覆被类型中占首位.灌丛土壤的碳密度最低,尽管面积最大,但土壤碳贮量为11.77Gt,仅占全国土壤总碳贮量的14.2%(表1).3.2我国有机碳贮量的分布从图3和图4可以看出,中国东部地区的植被和土壤碳贮量高于西部地区,这决定于这些地区由良好的温度和降水条件所产生高的植被密度和初级生产力.中国南方热带和亚热带森林初级生产力高于东北地区的温带针叶林,因此西南地区和东南地区的植被森林碳密度在8kg/m2以上.但由于温暖气候促进了土壤有机碳的分解,土壤碳密度并不高.华北地区初级生产力低,而且土壤有机碳分解速率较高,土壤有机碳密度相对较低.西北地区有大片的草原和沙漠分布,植被分布稀疏,土壤有机碳贮量低于东部地区,尤其是在三大盆地的沙漠区域(除了新疆的北疆和高山地区),植被和土壤碳密度几乎为零.东北地区的东部和北部由于有大量的原始森林,地表凋落物层厚,加上温度低,土壤有机质分解缓慢,土壤有机碳含量最高.青藏高原东南缘主要是高寒草甸,多为沼泽地,地表滞水,温度低,土壤有机质分解较慢,因而土壤碳贮量高.从不同纬度带的土壤有机碳贮量的分布来看,我国北纬20°～35°之间土壤有机碳贮量高,约为43L98×108t,占全国贮量的55.04%,北纬40°以北地区的土壤有机碳含量为298.32×108t,占全国的36.63%.在北纬35°～40°,土壤有机碳贮量比较低.从东经75°～110°和北纬27.5°～40°,是我国土壤有机碳贮量最低的区域,也正是我国最大沙漠集中分布的区域.3.3资料与模型方法表2和3给出CEVSA模型的计算结果与根据实测资料研究估算的植被和土壤碳贮量及碳密度的比较.如表所示,模型计算的植被和土壤碳库总贮量与方精云等计算结果有一定差异,而土壤碳库总贮量与金峰等的结果较为接近.由于使用的植被和土壤分类系统以及资料来源的不同,CEVSA模型与其他利用实测资料估算的植被和土壤碳贮量有一定差异是很自然的.以下分析差异的具体原因:(1)本文采用以卫星遥感数据为基础的901.14×104km2作为总植被和土壤面积计算中国的陆地碳库,而方精云等和Wang等采用的国土面积各不相同,面积差异往往导致计算结果之间的差异被放大或缩小;(2)资料源和资料数量两个方面有很大不同,如Wang根据2473个典型土种剖面估算碳密度,方精云等根据725个土壤剖面资料进行计算,本文则采用遥感资料和模型方法计算每个0.5°经纬度网格的植被和土壤碳密度;(3)本文采用遥感数据反演生成的实际植被分布,而他们的研究是根据不同尺度的植被和土壤分类系统进行计算;(4)方精云等和Wang等的估算是基于实测的土壤剖面资料,用于计算的不同土壤类型的土壤深度不一,而CEVAS模型计算所有的土壤碳;(5)方精云等和Wang等用了0.58的Bemmelen转换系数将有机质含量转换成土壤有机碳含量,而本研究直接以碳作为计算单位.值得指出的是,金峰等(个人通信)利用实测资料所作的估算与作者模拟计算的结果较为接近.如金峰用全国第二次土壤普查资料(1979～1994年),按土壤类型对全国3600个土种、230个亚类和61种土类的有机碳资料统计结果表明,全国碳贮量为81.77Gt,碳密度为9.53kg·m-2.Li等对我国热带、亚热带植被有机碳贮量的估算结果与本研究的估计也很相近.本文同时将CEVSA模型估算的碳密度与根据实测样方数据得到的碳密度结果进行对比分析(表3).表3显示CEVSA模型模拟的植被和土壤碳密度大部分处于实测值的范围之内,并表现出良好的一致性.但本研究的估计也存在一定的不确定性:(1)空间分辨率比较粗,0.5°×0.5°的格点相当于50～60km,在此范围内的各种环境和生物条件有很大变化,均一化的结果会造成很多细节的损失,例如,模型模拟的单个格点土壤碳密度最高为29.5kg/m2,而实际上中国东北原始森林、湿地和青藏高原的高寒草甸、沼泽地的土壤碳密度甚至超过了50～100kg/m2;(2)本研究采用的由8km分辨率卫星资料得到的植被类型与实际植被类型仍存在一定的差距;(3)模型估算大部分沙漠地区土壤有机碳为零,但实际上这些地区虽然碳密度很低,仍然有一定的有机碳存在.4模型假设及未来研究方向本研究应用由0.5°分辨率的气候、土壤和由卫星遥感获得的植被数据驱动生物地球化学模型,估算了当前中国植被和土壤碳贮量及其空间分布特征.主要结论如下:(1)中国陆地生态系统植被和土壤碳库总贮量分别为13.33和82.65Gt,分别为全球植被和土壤碳贮量的3%和4%,全国平均植被和土壤碳密度分别为1.47和9.17kg/m2.(2)中国陆地植被和土壤碳