汶川地震重灾区生态系统碳储存功能空间格局与地震破坏评估

2013-08-02王玉宽

生态学报 2013年3期

彭怡，王玉宽，*，傅斌，马飞

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041;2.成都理工大学，成都 610059)

在全球市场经济形势下，陆地生态系统碳汇服务的经济价值已经被广泛认识［1-6］。《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》开启了“碳政治”元年。中国为了适应国际市场的新形势，将减排指标纳入国民经济发展规划，并建立了中国绿色碳基金。生态系统通过释放和吸收大气中的CO2等温室气体(GHG)来调节地球气候。与大气生态系统的碳储存量相比，森林、草地、泥炭湿地等陆地生态系统的储存量更多，是减缓全球气候变化的关键所在［7］。而陆地生态系统碳储存量是减少大气中CO2的最主要的方式之一。随着3S技术的发展，基于遥感图和空间分析相关软件的生态系统功能评估方法也得到较快发展。其中以特定生态系统(如森林生态系统)地上部分碳库碳储存量及密度的评估较多［8-9］，而以栅格为单元的纵向空间多个碳库碳储存功能的评估还较少，地震灾区的评估尤为缺乏，在灾后生态系统功能重建中难以为决策者提供直观可靠的碳管理策略。

本研究区是长江上游地区碳储存功能热点区域。5.12汶川地震不仅在表观上对区域地形地貌、植被景观等形成破坏，还对生态系统各项功能造成了较大影响，其中包括了碳储存功能。因此，对灾区碳储存量及地震对碳储存的影响的空间格局进行评估，可为灾区灾后植被恢复、碳管理及碳交易等提供科学依据，为决策者制定碳管理方案提供基础数据及科学建议。同时，本研究基于栅格评估单元对生态系统四大碳库碳储存功能的评估在方法上也是一种有益的探索。

1 研究区概况

四川汶川地震重灾区位于四川省西北部，川西高原向盆地过渡地带，涉及四川省成都、绵阳、德阳、广元、阿坝、雅安等6个市(州)30个县(区)，总土地面积76142 km2，人口为1385.63万，是一个多民族聚居区。研究区海拔高差大，地质构造复杂。震中所在的龙门山区由一个东北-西南走向的强烈褶皱断裂带控制，地质岩石变质作用强烈，地表岩石结构破碎，松散固体物质丰富，易形成滑坡、崩塌和泥石流等地震次生山地灾害。研究区拥有森林、灌丛、草原和稀树草原、草甸、湿地、高山冻原以及各种农田生态系统等，且每种生态系统又包含多种气候型和土壤型。根据震前最新的植被图，按照生态系统中最小单元——群系统计，震区共有各种陆地生态系统类型90种，其中:森林生态系统45类，包括针叶林16类，阔叶林18类，竹林6类;灌丛生态系统24类;草原与草甸生态系统12类;高山冻原与高山垫状生态系统2类;农田生态系统7类。总体来看，震区陆地生态系统主要由森林生态系统、灌丛生态系统、草原与草甸生态系统和农田生态系统构成。汶川地震对植被造成了严重的破坏，使得植被景观破碎，受干扰的生态系统由于土地利用/植被覆盖的急剧改变将释放出大量的CO2。

2 数据来源与预处理

评估基础数据包括震前植被类型图(遥感解译，分辨率为100m×100m，2005年)、地震灾害分布图(遥感解译，分辨率为100m×100m，2008年)、相关植被类型的地上部分碳储存密度统计和土壤碳调查栅格图层，均为实测数据。

2.1 植被覆盖图

植被覆盖资料越详细，区域碳储量的评估越精确。如土地利用类型为有林地的，在植被覆盖图中可细化到不同林种，甚至有的资料可提供植被的龄级、健康度，生存区域的海拔、降雨量、温度等，这些因素都显著影响碳储存和碳汇评估的精确度［10-12］。在研究中，获取了灾区2005年的植被覆盖图和土地利用图，由于植被覆盖图比土地利用更详细地划分了灾区的植被类型和种类，因此在碳评估时用了植被覆盖图。灾后的植被图由于数据缺乏，则用地震破坏区域数据(地震及次生灾害分布图)替换2005年植被覆盖数据，将被替换的数据赋予裸地属性，所得图层大致认为是灾后的植被覆盖图(图1)。

图1 研究区震后植被覆盖类型Fig.1 Type of vegetation covered in the study area

2.2 土壤碳密度图

从中国科学院南京土壤研究所提供的长江上游土壤碳调查数据(ArcGIS GRID)裁剪获得灾区土壤碳密度图层(图2)。

3 评估方法

陆地生态系统不仅通过光合作用等方式吸收碳，还将碳储存在生物、死亡有机物及土壤之中，不断固定和累积。碳储存功能是指介质吸收并储存碳的能力。目前，国际上主要是通过碳储量、碳密度大小来衡量。碳储量反映了储存碳的大小，而碳密度则反映了吸收碳的能力。碳密度可以排除面积大小的干扰，更好的反映储碳能力。因此，本研究通过对研究区四大碳库(地上、地下、死亡有机物、土壤)碳密度、碳储存量计算及其空间分布的分析来评估生态系统碳储存功能。

图2 研究区土壤碳密度Fig.2 Carbon density of soil in the study area

3.1 地上部分碳密度

地上部分碳密度是主要根据王玉宽等GEF长江流域自然保护与洪水控制项目——《长江上游生态系统功能评估与保护区规划报告》中对各个生态系统类型下不同植被种类的碳密度值，结合黄从德等［13］、方精云［14］、吕超群［15］、周玉荣［16］等研究成果，与灾区植被覆盖类型对应，通过归并和统计获得。

3.2 地下部分碳和死亡有机碳碳密度

根据国内外文献［17-23］中对每种植被实测的地上部分生物量(碳)密度与地下部分生物量(碳)密度、死亡生物量(碳)密度比值及生物量-碳转换率等研究结果，换算出地下部分碳密度和死亡有机碳密度。按植被覆盖类型分别统计地上部分碳、地下部分碳和死亡有机碳生成表格数据(表1)，在ArcGIS中生成这三大碳库的总碳密度栅格图层。

3.3 地震前后碳储存功能空间分布

利用ArcGIS空间分析模块中的栅格运算工具，以研究区植被类型为单元统计灾区每个栅格三大碳库碳密度(地上、地下、死亡有机物)，将三大碳库碳密度与土壤碳密度图进行叠加后得到研究区生态系统碳密度空间分布图。其中地上碳库中极不稳定的碳(如1年生农作物)不予考虑，因为这些碳库相对稀少，更新太快。计算方法为:

式中，Ctot为栅格单元总碳储存量;Cveg为以植被为统计单元的总碳储量;Cabove为以植被类型为统计单元的地上部分碳储量;Cbelow为以植被类型为统计单元的地下部分碳储量;Cdead为以植被类型为统计单元的死亡有机物碳储量;Csoil为土壤碳储量调查图层数据。以上单位均为t/hm2。

4 结果与分析

4.1 地震前后研究区碳储存功能计算结果

基于研究区地震前后植被覆盖类型分别统计地上部分、地下部分和死亡有机碳密度(表1)，在ArcGIS中叠加生成这三大碳库的密度图，再与土壤密度图(图2)进行叠加，得到灾区生态系统震前碳储存功能空间分布图(图3)与震后碳储存功能空间分布图(图4)。

表1 地上部分碳、地下部分碳和死亡有机碳碳密度表Table 1 Carbon densities of aboveground biomass，belowground biomassand dead organic matter

续表

图3 灾区生态系统碳储存功能空间分布图(震前)Fig.3 Spatial distribution of carbon storage functon in the earthquake stricken area(pre-seismic)

4.2 研究区碳储存功能空间分布现状评估

地震灾区生态系统具有较高的碳储存能力。经统计，灾区碳储存总量为3.97×108t，平均碳密度52.2t/hm2。四大碳库总碳密度以龙门山断裂带为界，西高东低。碳储存功能最高的区域位于龙门山区，同时也是此次汶川地震植被破坏最为严重的地区;最低区域位于人类活动干扰较强的山前平原和盆中丘陵以南地区，主要土地利用类型为农田、道路和城镇。

通过分析纵向空间格局得到，四大碳库中地上部分碳密度的平均值为25.0t/hm2，碳储量为1.9×108t，占灾区总碳存量的46.4%，其中林地为1.8×108t，灌丛草地为9.5×107t，农地为4.2×106t;地下部分碳密度平均值为10.7 t/hm2，碳储量为8.1×107t，其中林地为5.4×107t，灌丛草地为2.6×107t，农地为8.0×105t;土壤碳密度平均值为16.4 t/hm2，碳存量为1.2×108t，其中林地为6.2 ×107t，灌丛草地为4.3×107t，农地为2.0×107t;死亡有机碳密度平均值为1.8t/hm2，碳储量为1.3×107t，其中林地为1.0×107t，灌丛草地为3.4×106t。

图4 灾区生态系统碳储存功能空间分布(震后)Fig.4 Spatial distribution of carbon storage functon in the earthquake stricken area(post-earthquake)

从水平空间格局分析，如图5，碳密度在0—80t/hm2之间时，碳储量随碳密度增高而增加，在碳密度为80t/hm2左右达到最高值，碳密度极高的区域所占面积较少，因此，碳密度＞80t/hm2时，碳储量逐渐降低。碳密度＞100 t/hm2的高碳储存功能区域主要分布于断裂带以西的龙门山区及川西高原过渡带的林地，碳存量达1.3×108t，占灾区总碳存量的33.5%，而面积仅占总面积的12.1%;碳密度在60—100 t/hm2的区域包括宝兴县、小金县、理县、平武县、茂县大部、汶川以西、北川以西、松潘以南及黑水县部分地区的高山灌丛、亚高山常绿针叶林、亚高山落叶阔叶林、中山落叶阔叶林、高山栎类林、低山竹林等，区域碳储量1.6×108t，占灾区总碳存量的40.4%，面积仅占25.6%;其次为地震带受损的亚高山落叶阔叶林、中山落叶阔叶林、低山常绿阔叶林等及川西高原过渡带的高山草甸、亚高山草甸和高山流石滩植被以及盆地北部丘陵区的低山常绿针叶林、低山-丘陵阔叶混交林、山地灌丛等，碳密度在20—60t/hm2之间，碳储量7.9×107t，占灾区碳存量的20.0%，面积占28.2%;面积占灾区总面积34.1%的山前平原区及南部丘陵区的农地、建筑用地碳储存量最低，碳密度为＜20 t/hm2，碳存量为2.4×107t，仅占灾区总碳存的6.1%。

图5 灾区碳储量及面积百分比Fig.5 Carbon storage volume and their percentage in the earthquake stricken area

图6 不同坡度下的碳储量Fig.6 Carbon storage with different slope

碳储量曲线除了在5—10°略有减少，基本随坡度增大而增加。如图6，在0—5°的平原地区土地利用以农田为主，作物收获导致碳的转移，故碳储存功能较低;5—10°因多为建筑、交通等人为开发用地，碳储存功能出现最低值;随着坡度继续增大，人类干扰降低，植被覆盖度增加，碳储存功能增加，其中坡度＞35°的区域碳储量占灾区碳储总量的33.9%。

图7 不同海拔碳储量Fig.7 Carbon storage with different elevation

碳储量随海拔增加呈现一个波动曲线(图7)，0—750m区域碳储量随海拔增加而增加，在750—1750m区域段碳储量出现下降，然后又随海拔增加而增加，到3250m时出现碳储存量高峰，储碳量达7273t，之后又逐渐下降。这是由于随海拔高度增加，碳储存密度较高的森林分布面积增加，且人口密度降低，人为干扰相对减少，因此碳储存量增加。在海拔700—1800m左右的汶川地震发生的龙门山断裂带，原分布的针叶林、草甸、针阔混交林、阔叶林等植被类型碳密度和碳储存功能较高，但由于地震直接造成大面积植被破坏，造成碳储量在该地区迅速降低。龙门山断裂带以西海拔在1800m以上的龙门山区，植被多为研究区碳密度最高的亚高山针叶林(碳密度达146.8t/hm2)，林下死亡有机物因温度低分解慢，土壤储存碳量也较大，加之距震源距离增大，威胁降低，碳储量又呈现增加，到3250m时出现碳储存量高峰。随着海拔继续增加，向川西高原草甸、流石滩植被及冰雪覆盖地过渡，碳储量逐渐下降。

图8 不同植被类型下的碳储量Fig.8 Carbon storage with different vegetation types

按植被类型统计四大碳库总碳储存量分布情况为:亚高山常绿针叶林＞低山常绿针叶林＞中山落叶混交林＞亚高山草甸＞农地＞亚高山落叶阔叶林＞低山落叶阔叶林＞高山草甸＞亚高山灌丛＞高山栎类林＞山地灌丛＞中山阔叶混交林＞高山流石滩植被＞中山常绿针叶林＞低山常绿阔叶林＞低山、丘陵阔叶阔叶林＞亚高山落叶针叶林＞中山常绿阔叶林＞高山灌丛＞中山亚高山经济林＞山地草丛＞其它(图8)。

4.3 地震对碳储存功能的影响

地震造成大量植被被毁，直接导致碳储存功能的消失或减弱。利用ArcGIS栅格计算工具，用震后碳储存功能评估图层(图4)减震前碳储存功能评估图层(图3)得到地震对灾区生态系统碳储存功能的影响图层(图9)。经统计，碳储存功能总体减少为9.98×106t，占研究区总碳储存功能的1%。由此可知，虽然下降地区所占面积不大，但受损地区下降程度较高，其中破坏有22.66%的区域碳储存功能减少超过120t/hm2，而下降超过20 t/hm2的地区占到90%以上。退化最严重的地区在彭州和什邡的北部山区，沿龙门山向西南方向延伸。

图9 地震对灾区生态系统碳储存功能的影响Fig.9 Impact ofearthquake on thecarbon storage of Ecosystem function

5 结论与讨论

(1)汶川地震灾区碳储存总量3.97×108t，平均碳密度52.2t/hm2。碳储存功能空间格局总体以龙门山断裂带为界，西高东低。

(2)研究区碳储存功能大致随坡度增加而递增，特别在大于35°时，碳储存功能迅速增加。主要原因一是坡度大的地区植被类型多为碳密度较高的天然林和人工林，且生物多样性丰富，单位面积生物量大;二是坡度在一定程度上反映了人为干扰的强度［24］。由于地形因素限制，建筑物和农地很少，人为干扰较小。

(3)研究区碳储存功能随海拔增加呈先上升后下降的趋势，但由于地震对植被的破坏，在海拔750—1750m原本碳储量高的区域出现大幅下降。研究表明，海拔在水分和温度上影响植被类型、生物量蓄积、死亡有机物分解速度等，从而决定生态系统碳储存功能的大小。本研究碳储存功能与海拔的关系曲线也体现了这样的关系，描述了研究区从低海拔的平原、丘陵到高海拔的龙门山脉碳储量的先增后减过程，这也同大多数研究结果一致［13，24］。

(4)不同植被类型在碳储存功能上差异很大。常绿针叶林、亚高山草甸、针阔混交林亚高山常绿针叶林的碳密度和碳储存功能最强，对灾区碳汇贡献最大。其中碳储存功能最高大的是亚高山常绿针叶林，其面积为灾区总面积的12.1%，碳储量却占灾区总量的32.9%。可以看出，森林在全球生态系统碳储存功能保持和碳管理中占有重要地位，这在其它的研究成果中已得到证实［25-26］。因此，扩大森林面积、提高森林质量是发挥森林碳储存功能的关键。在改造改造低产低效林和天然林保护的同时，应进一步加强退耕还林，扩大山区森林面积，提高森林质量，发挥森林生态系统碳储存能力。同时，在提高森林质量上要把好林种选育关，需因地制宜选择引进碳储存功能相对较高的林种，加强本地亚高山针叶林种等高碳储存潜力树种的繁育，最好采用封山育林的自然方式，并加强龙门山区及川西高原过渡带的高碳储存林地(图5中蓝色区域)及缓冲区(图中5中绿色区域)的保护和功能保持。此外，灾区农田面积大，在碳储存功能方面也有较大的提升空间。建议推行农业免耕方式，发展生态农业，禁止秸秆燃烧，提高秸秆综合利用率和还田，可以增强灾区农田碳汇贡献力。同时，加强草原地区载畜量控制，保护草原生态系统碳存碳汇功能，减少碳等温室气体排放。

(5)地震对灾区碳储存功能的影响主要是植被类型的急剧变化。地震导致的植被景观的破碎化可能从三个方面影响CO2排放:一是植被的生长受到威胁或直接导致死亡使得碳汇量降低;二是震后倒木被人工迁移，减少了斑块上地上部分碳储存量，同时不排除倒木被掩埋延长碳储存时间的可能;三是土地裸露加速了枯落物和地下储碳的释放。此次汶川地震造成灾区生态系统碳储存量减少9.98×106t，其中退化最严重的地区在彭州和什邡的北部山区，并沿龙门山向西南方向延伸。建议地震破坏区植被恢复应以封山育林的自然修复方式为主，辅以人工造林、滑坡体工程治理等人为方式。在重建破坏区生态系统碳储存功能的同时，降低次生灾害的危险系数。

本研究为生态系统碳储存功能保持提供了较可靠地基础数据和较客观的管理建议。此外，根据本研究评估结果，在未来碳贸易正式执行情况下很容易确定其价值量，以栅格为评估单元的评估方法更有利于在碳贸易活动中碳汇/碳源归属地的管理。

由于中国木材经营缺乏标准的采伐计划和营林策略，木材产品衰减率也无法获取。本研究主要计算了灾区四大碳库(地上部分碳、地下部分碳、死亡有机碳和土壤碳)的碳储存密度及其空间格局，未评估木材收获及降解等产生的碳转移和碳衰减，即第五碳库:木材产品或林副产品储碳量(HWPs)，如建材、家具等，这部分碳即使从原斑块中移走，也可以保存几十年甚至更久。然而，这部分碳量在当前中国管理措施下无法得到确切的数据，这也是当前提高生态系统碳储存功能评估精确度和动态评估所面临的瓶颈之一。另外，本研究因未获得震后最新的植被数据，对地震前后碳评估结果的准确度也有一定影响。

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