森林储存了大量的碳汇,对全球碳循环产生了巨大的影响^[1]。近几十年来,随着经济的快速发展及人类不合理的开发利用,导致全球CO₂浓度的增加和地球不断变暖。陆地森林碳汇有助于抵消25%人为排放的化石燃料,为减缓大气CO₂浓度升高应对气候变化发挥着重要的作用^[2]。森林碳储量在区域尺度上的时空分布也可以揭示碳汇的变化,为合理的碳减排目标和森林管理方案提供依据^[3]。因此,准确估算森林碳储量是陆地碳循环研究的基础。

目前,估算森林碳储量的方法很多,主要有野外获取法^[4-5]、模型模拟^[6-7]和遥感估算^[8-9]。野外收获碳储量在世界各地得到了广泛的应用。然而,野外测量数据的获取需要消耗大量的人力,不能提供大面积碳储量的空间分布。近年来,模型估算被广泛应用于当前和未来气候条件下植被生长和植被覆盖度的定量估算。例如,Potter等^[6]利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型绘制了2000—2010年东南亚地区的森林碳储量动态变化。Sitch等^[7]利用LPJ(Lund-Potsdam-Jena)模型对全球陆地碳循环进行了研究。值得注意的是,LPJ模型充分模拟了陆地生态系统的碳循环,从气候强迫和特定的初始条件来预测生态系统的状态。然而,由于模型构建、碳储量转换系数和输入数据的差异,森林碳储量模拟结果差异较大^[10]。

遥感技术具有广泛的覆盖面和重复观测能力,促进了森林碳储量空间分布和时间变化的研究。例如,Liu等^[8]通过卫星观测估算了1993—2012年全球森林和非森林生物群落的地上碳储量,发现从2003年起,俄罗斯和中国的森林面积扩大,热带森林砍伐量下降。Exbrayat等^[3]利用卫星观测估算了1993—2012年期间砍伐森林和气候变化对亚马逊盆地地上碳储量的影响。目前的遥感产品虽然具有较高的空间分辨率,但记录长度有限。最近,一些学者利用遥感估算和全球动态植被模型分析了生态工程对森林碳储量的影响。例如,Tong等^[9]利用卫星数据发现中国西南喀斯特地区地上碳储量在2000年后呈增加趋势,而LPJ模型模拟的地上碳储量呈下降趋势,研究表明生态工程可以对碳循环起到积极作用,以减缓气候变化。

长江流域是我国生物多样性保护的热点地区和生态环境保护的重点区域。2000年前后,国家在长江流域启动实施了退耕还林、天然林资源保护工程,加快了长江流域森林面积的显著增加,提高了森林的固碳能力。前人在长江流域对森林碳储量时空变化进行了一定研究。例如,贾松伟^[11]利用第七次全国森林清查数据,发现长江流域森林植被的碳储量在1989—2008年间从1 345.30 Tg C增加到了1 924.98 Tg C。郭焱等^[12]研究表明,1998—2008年实施天然林资源保护后,长江上游森林碳储量增加了705.12 Tg C。尽管一些学者对长江流域森林碳储量进行了一定研究,但针对长江流域森林碳储量的整体性及系统研究报告较少。因此,本文基于实测数据、遥感估算和LPJ模型模拟,探索1993—2012年长江流域森林地上碳储量的时空动态变化及其驱动因素。本研究对我国应对气候变化的可持续森林管理政策的制定具有一定的借鉴意义。

长江流域是我国重要的亚热带林区,尤其是长江上游地区。嘉陵江流域和汉江流域的森林地上碳储量相对较高,而西部山区相对较低。这种分布格局与植被类型、气温和降水分布密切相关。针叶林分布在嘉陵江流域和汉江流域,具有较高的生物量和碳储量。然而,青海省森林资源相对匮乏,森林碳储量较低。这与之前的研究相似。例如,张林等^[19]基于森林资源调查资料,结果发现,四川盆地和嘉陵江流域的森林碳密度较高。刘双娜等^[20]等利用国家第六次森林清查资料和遥感数据,结果表明长江流域四川、云南两省生物量值较大,西部山区生物量值较低。我们的研究结果还表明,近20 a来长江流域森林地上碳储量呈显著增长趋势。遥感估算的森林碳库从1993年的2 563.91 Tg C增加到2012年的2 893.17 Tg C,增长率为12.84%。已有学者对长江流域碳储量的变化做出类似的研究^[11-12]。

本文中森林地上碳储量与温度呈正相关关系,但与降水呈负相关关系。这与之前的研究结果相似。例如,Lucht等^[21]发现当北半球气温上升0.8℃,植被呈现出变绿的趋势。Peñuelas等^[22]研究表明,欧洲地区当气温升高约1℃时,灌木林生态系统的地上碳储量会增加15%。然而,极端干旱可能对植被活动产生不利影响。Yang等^[23]的研究表明,在2005年的特大干旱之后,整个亚马逊流域的碳损失率达到了平均每年(0.3±0.2)Pg C。此外,Clifford等^[24]发现,当年平均降水量大于600 mm时,森林对温度更加敏感,降水量的减少可以间接促进森林活动。Stegen等^[25]发现在相对干燥的环境中降水对森林碳储量的变化具有重要的驱动作用,而在相对湿润地区温度等其他因素对植被碳储量起决定性作用。总的来说,降水增加超过植被所需时,对植被活动产生不利的影响。

生态工程对森林地上碳储量变化也起到了重要作用。遥感估算森林地上碳储量的增长率由1993—2000年的3.15%提高到2001—2012年的8.01%。遥感估算和LPJ模拟的地上碳储量的变化趋势在2000年前是比较一致的。但2000年实施重大生态工程后,遥感估算的地上碳储量迅速增加。为了应对气候变化,改善生态环境,我国在长江流域实施的三大生态工程见表2。天然林资源保护工程始于2000年,目的是对生物多样性保护、减少土壤侵蚀和洪水的风险,同时起到了对其他自然灾害的预防作用。退耕还林工程始于1999年,促进了荒山荒地向森林的转变。退耕还林工程是目前世界上规模最大的生态工程。三北、长江流域等重点防护林建设工程始于1978年,是针对长江流域等生态脆弱地区而建立的,旨在抗洪、减少水土流失。通过生态工程的实施,长江流域森林面积不断扩大,森林碳汇逐渐增加。植树造林和生态工程对植被覆盖度和碳储量有显著的影响,这与其他研究结果一致。例如,Woodbury等^[26]研究发现,从1990—2004年,实施植树造林促进美国地区的森林固碳能力提高到平均每年11 Tg C。Ouyang等^[27]指出中国实施生态工程对碳汇的增加做出了重要贡献,2000—2010年中国的碳汇增加了23.4%。Li等^[28]认为,森林碳储量的增加主要由森林面积扩大和植被生长促进,特别是造林计划的实施。

表2 长江流域三大生态工程基本概述

由于数据的限制,研究结果存在一定的不确定性。其一,实测数据来自中国森林生态系统生物量数据库,数据库的构建是根据1978—2008年公开发表和出版的中国森林生物量研究的资料,并筛选出具有代表性、客观性和可比性的数据资料,在筛选过程中有可能存在一定误差; 其二,不同数据之间的分辨率可能也会影响到研究结果精度。如遥感估算的地上碳储量的分辨率是0.25°,但LPJ模型模拟的地上碳储量的分辨率是0.5°。诚然,本研究主要集中在长江流域区域尺度使用地上碳储量数据集来评价近20 年的植被活动,并没有直接量化气候变化和生态工程对森林碳储量的影响。但是我们研究使用了遥感估算和LPJ模型模拟对比,强调了生态工程重要性。生态工程可促进植被的绿化趋势,并对植被的固碳能力产生积极影响,这表明有必要将气候变化和生态工程的双重影响纳入未来植被碳储量动态变化的研究之中。

(1)遥感估算的长江流域森林地上碳储量在1993—2012年呈显著增长趋势。碳库从1993年的2 563.91 Tg C增加到2012年的2 893.17 Tg C,增长率为12.84%。森林地上碳储量的分布具有明显的空间异质性,嘉陵江流域和汉江流域森林地上碳储量值较高,西部山区较低。

(2)气候变化,尤其是降水和温度的变化,对于森林地上碳储量有着重要影响。总体上,长江流域地区森林地上碳储量与温度呈正相关关系,但与降水呈负相关关系。森林地上碳储量随温度的增加而增加,随降水的减少而增加。

(3)从森林地上碳储量变化的时间序列表现出,遥感估算的森林碳库增长率由1993—2000年的3.15%提高到2001—2012年的8.01%。LPJ模拟的碳库从1993年的4 159.06 Tg C增加到2012年的4 210.88 Tg C,增长率仅为1.25%。长江流域森林地上碳储量的增加可能是由于2000年后生态工程的实施。