基于遥感和FORCCHN的中国森林生态系统NPP及生态服务功能评估

赵俊芳，曹云，马建勇，姜月清

1．中国气象科学研究院/灾害天气国家重点实验室，北京 100081；2. 国家气象中心，北京 100081；3.华中农业大学植物科学技术学院，湖北 武汉 430070

碳循环、水循环及食物与纤维已成为当今全球变化研究的 3大热点（周广胜等，2002）。其中，碳循环由于与引起全球变暖的大气CO2浓度持续增加有密切关系而引起各国政府、科学家及公众的广泛重视（Cui et al.，2018；Cox et al.，2000；Snelgrove et al.，2018），而陆地碳循环是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收支中占主导地位。因此，在全球变化背景下，准确评估陆地生态系统碳循环不仅是准确估算未来大气CO2浓度、预测气候变化及其对陆地生态系统影响的关键，也是一个国家履行《联合国气候变化框架公约(UNFCCC)》与《京都议定书》国际公约及制定应对策略的科学依据。

植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）是植物在单位时间、单位面积上累积的有机物数量，是光合作用产生的有机物质总量扣除自养呼吸后的剩余部分（Lieth，1973）。NPP是定量表示植被物质和能量交换的一个重要参数，是碳循环过程中的一个重要组成部分，也是表征生态系统功能的一个重要指标（Gu et al.，2017）。作为陆地生态系统的主体，森林不仅具有改善和维护区域生态环境的功能，而且在全球碳收支中起着主导作用，其 NPP分别占全球生态系统和全球陆地生态系统NPP的35%和65%（焦翠翠等，2014），其土壤碳贮量约占世界陆地土壤总碳库的 73%（周广胜，2003），每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3（黄耀，2008），成为生物圈中对地球初级生产的最大贡献者。因此，森林生态系统在调节全球碳平衡、减缓温室气体浓度上升以及维护全球气候等方面中具有不可替代的作用（Metz et al.，2001）。中国森林生态系统以未成熟林为主（Zhao et al.，2012），在全球碳收支中的作用不容忽视（Ju et al.，2007）。森林生态系统的生态服务功能是指森林及其生态过程为人类提供的自然环境条件与效用，是当前森林生态系统研究的热点之一（周亚东，2015）。因此，定量评估中国森林生态系统NPP及其生态服务功能，是准确估算中国陆地生态系统碳收支的重要组成部分，亦直接影响到中国森林固碳对策的制定。

近年来，国内对森林NPP格局变化及森林生态服务功能开展了大量研究（周亚东，2015；韩其飞等，2014；王美等，2012；王姝等，2015；李登科等，2018；白保勋等，2018；李奇等，2018；Chen et al.，2018）。周亚东（2015）基于GIS对海南岛森林涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护、森林防护和森林游憩等8个方面14个指标进行了生态系统服务功能价值评估。韩其飞等（2014）基于Biome-BGC模拟了 1959—2009年天山北坡森林生态系统净初级生产力（NPP）、碳收支（NEP）和土壤呼吸的变化趋势，通过分析气温在干旱区的正负效应，表明气温升高促进了天山北坡森林生态系统的NPP。王美等（2012）对辽宁省农田防护林生态系统服务价值进行了核算，发现各项生态服务指标的价值由大到小依次为：减弱蒸发、减灾防护、保育土壤、固碳释氧、净化空气，其中减弱蒸发和减灾防护价值占总服务价值的 60.23%。王姝等（2015）基于MODIS NPP（植被净初级生产力）数据，利用线性趋势法、ESDA（Exploratory Spatial Data Analysis）及固碳释氧价值模型，探讨 2000—2012年生态恢复背景下陕甘宁地区NPP变化及及固碳释氧价值，发现该区NPP年增长率为4.3%，固碳释氧价值累计增加 9.34×1010yuan，生态恢复创造效益比较明显。李登科等（2018）基于MOD17A3的NPP数据、地表覆盖类型MCD12Q1数据，采用趋势线分析法对中国2000—2015年陆地植被NPP时空格局、变化规律进行研究，结果表明，全国植被NPP线性增长趋势达到显著水平；大部分地区年NPP变化趋势不明显，占79.9%的陆地区域植被NPP变化趋势不明显，18.4%的陆地区域植被NPP呈显著增加趋势，仅1.7%的陆地区域植被NPP呈显著减少趋势。

以上各方面的研究均取得了有意义的进展，但目前国内的相关研究多是在小尺度范围内进行的分析，而在全国尺度上针对中国森林生态系统NPP及其固碳释氧生态服务功能的研究依旧薄弱。

本研究利用遥感数据驱动基于个体的中国森林生态系统碳收支模型 FORCCHN，模拟了 1981—2017年中国森林生态系统NPP并对其固碳释氧生态服务功能进行了评估，以期更好地理解全球变化背景下中国森林生态系统碳循环的演变规律，为正确评价森林在生态环境建设中的作用、绿色GDP核算及生态补偿机制建立提供依据。

1 研究方法和资料

1.1 FORCCHN模型简介

本研究采用基于个体生长过程的中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN（FORest Ecosystem Carbon Budget Model For CHiNa）（延晓冬等，2007）进行分析。该模型由每日气象条件驱动，逐个计算一定面积斑块上每株树木的碳收支，通过求和及耦合土壤碳循环模型所计算的土壤碳收支得到生态系统在单位面积上的碳收支（图1）。FORCCHN模型包括5个子模块：（1）初始化模块：主要根据叶面积指数、常绿树份额、落叶树份额和森林类型，随机挑选树木株数、种类和逐株树木大小，最大限度地接近实际森林；（2）生态气候子模块：主要计算逐日水分收支、能量收支，计算出土壤含水率和冠层光合有效辐射及光合、呼吸、分解等过程的数量影响因子；（3）碳平衡子模块：以日为步长，计算每株树木逐日的光合、呼吸和凋落，得出森林生态系统植物部分的碳收支；（4）土壤碳氮收支子模块：以日为步长，计算凋落物层、土壤腐殖质层的呼吸、转移和氮的矿化过程，算出土壤碳收支和土壤有效氮量；（5）年树木生长和碳平衡子模块：以年为步长，根据逐株树木日碳收支的累积数计算当年果实凋落和用于结构生长的碳量，进而推算出树木胸径和树高的年增长量（赵俊芳等，2008）。

模型通过两种步长运行，步长为日的基本过程包括林分的光合作用、呼吸作用、凋落、光合产物分配和土壤有机物呼吸和转移过程；步长为年的基本过程包括林分的同化物分配、树高和胸径增长、大凋落物生成过程。对于每株树木个体而言，每日计算一次光合作用、维持呼吸、氮吸收和部分凋落物通量，土壤水、有机质的分解和氮的矿化都是以日为步长发生的。假定每株树木个体每日不同时刻，维持呼吸，部分叶、细根凋落、土壤有机质分解和氮矿化速率速率相同，从而避免在较短步长上计算有关通量。树木个体碳氮的年净增加量，加上前一年储存的碳量，最后每年都分配到不同的树木组成成分中去。当没有足够的碳用于产生叶片时，认为树木已经死亡，故树木的储存碳量减少。死亡的树木中所包含的碳、氮，以及活的木质部分、花、果、树皮、叶和根的凋落物通量在每年的最后一日（12月31日）加入到土壤枯枝落叶库中。由于本研究模拟时间较短（小于50年），故假定树木不发生更新。

图1 模型FORCCHN考虑的主要过程和计算流程图Fig. 1 The primary process and flow chart of FORCCHN model

模型的主要控制方程为个体树木碳收支及对应的林分碳收支方程：

式中，xi、GPPi、RMi、RGi、Li分别表示个体碳增量、总光合、维持呼吸、生长呼吸、凋落量，单位均为（kg·d-1）；t_resp表示气温对植物呼吸的影响系数，无量纲，在0～1之间变化。

1.2 数据来源与处理

FORCCHN模型的分辨率为10 km×10 km，假设每个网格内森林植被一样，且土壤与成熟林、幼林无关。驱动模型的数据包括气象、土壤、植被 3方面的数据：

1.2.1 气象数据

本研究所用的气象数据来源于国家气象信息中心，数据内容包括1981—2017年全国2100个气象站点日降水量、日最高、最低、平均气温、日空气相对湿度、日平均风速、地表太阳辐射以及气象站点的经纬度和海拔高度信息，根据最近领域法和反向距离法基本原理，按照Thronton et al.（1997）的方法对气象数据进行空间插值（地表太阳辐射除外），获取模型输入所需的10 km×10 km气象要素值。由于常规气象要素观测数据库中没有各个站点逐日地表太阳辐射数据，故需通过模式估算。估算日均地表太阳辐射（W·m-2）所需要的参数包括海拔高度、纬度、日序、日最高最低气温、降水、湿度等。本研究采用Thronton et al.（2000）的算法，该算法的基本原理是通过计算大气透明度来估算大气对大气层顶太阳辐射的衰减作用，同时还考虑到冬春季节积雪及其融化对太阳辐射的发射作用。日均大气透明度主要依据气温日较差和湿度进行估算。降水对辐射的影响在这个算法中除了通过日较差来体现外，还以一种常系数（0.7）的方式表示与同等条件下无降水日的辐射差别。

1.2.2 土壤数据

本研究所用的土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所 1∶1400万土壤质地图，主要包括土壤类型的颗粒组成（沙粒含量、粉粒含量、粘粒含量）、土壤田间持水量、萎蔫含水量和容重以及土壤碳储存量和土壤氮储存量，空间化处理形成分辨率为10 km×10 km的土壤要素数据集。

1.2.3 植被数据

本研究所用的土植被特征数据根据遥感数据反演得到。由于没有直接的森林叶面积指数地面测量数据，故初始时刻的森林叶面积指数由 1981年NOAA卫星上AVHRR的NDVI数据集通过遥感模型计算获得。具体的算法如下：

式中，LAI为森林叶面积指数；FPAR为光合有效辐射吸收比，FPARmax可通过本地年度最大NDVI值计算得到；LAIv是一个与土地覆盖类型相关的参数；NDVImax和NDVImin分别是与土地覆盖类型相关的最大和最小NDVI值。

植被类型数据利用美国LP DAAC（Land Process Distributed Active Archive Center）2001年中国地区1 km MODIS植被指数产品（MOD13）中的归一化植被指数（NDVI），包括全年16 d合成数据产品，辅以高程数据和1∶400万中国植被图，采用新的土地覆盖分类体系，运用分层分类与监督分类法进行中国土地覆盖植被类型分类。其中，常绿针叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林和针阔混交林均指郁闭度>30%、高度>2 m的天然林和人工林。

1.3 模型运行

在模型模拟过程中，为了消除假定的生态系统状态变量初始值（即平衡态假设）对动态模拟结果的影响，首先应用 1980年气候资料运行至生态系统平衡态，即净初级生产力NPP、凋落物量和土壤呼吸量相等，即净生态系统生产力NEP为零，然后用 1981—2017年逐日气象资料驱动模型进行动态模拟。

1.4 森林植被固碳释氧价值评价

1.4.1 森林植被年固碳价值

采用碳税法对森林固碳价值进行评估，固碳价格参照瑞典政府发布的碳税率（150 dollar·t-1）。森林植被年固碳价值量的计算公式如下：

式中，UC为森林植被年固碳价值，yuan·a-1；A为森林面积，hm2；CC为固碳价格，yuan·t-1；ωC为CO2中碳的质量分数，为27.27%；B为森林净生产力 NPP 量，t·hm-2·a-1。

1.4.2 森林年释放氧气价值

森林年释放氧气的价值量公式为：

式中，UO为森林植被年释放氧气价值，yuan·a-1；A为森林面积，hm2；CO为氧气价格，采用林业行业标准（LY/T1721—2008）推荐值 1000 yuan·t-1（周亚东，2015）；B为森林净生产力 NPP量，t·hm-2·a-1。

2 结果与分析

2.1 中国森林生态系统NPP时间演变特征与变化趋势

FORCCHN模拟结果显示，1981—2017年，中国森林生态系统NPP量呈波动上升趋势。其中，单位面积 NPP 量在 974.0～1214.9 g·m-2·a-1之间波动，平均为1135.5 g·m-2·a-1；NPP总量在2.03～2.53 Pg·a-1之间波动，平均为2.36 Pg·a-1，约占全球NPP总量的1.53%～1.82%（以IPCC第三次评估报告中估算的结果59.6～62.6 Gt为参考，1 Gt=1 Pg）（表1）。NPP总量变异系数（CV）为4.79%，标准差为0.11Pg；波动幅度为0.51 Pg，占36年平均值的21.21%。36年间，单位面积NPP量亦呈波动上升趋势（图2），其中1984年、2004年、2008年总量相对较大，1981年、2010年、2011年总量相对较小，最大值出现在2004年，为2.53 Pg，最小值出现在2010年，为2.03 Pg。这主要是因为在全球变化背景下，中国各地的年平均温度得到显著升高，延长了植被生长季，春季植物起始生长的日期提前，秋季落叶期推后，因此NPP也得到显著增加。

表1 1981—2017年中国森林生态系统NPP估算值Table 1 The estimates of NPP in China's forest ecosystem from 1981 to 2017

2.2 中国森林生态系统NPP5年际和年代际变化

图2 中国森林生态系统单位面积NPP量年际变化Fig. 2 Interannual variations of per unit area NPP of China's forest ecosystem

图3 1981—2017年中国森林生态系统单位面积NPP量空间分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of per unit area NPP of the forest ecosystem in China during1981—2017

以1981—2015年作为研究时段，进行每5年的NPP变化分析，结果表明：中国森林生态系统在1981—1985年、1986—1990年、1991—1995年、1996—2000年、2001—2005年、2006—2010年和2011—2015年的年平均NPP总量分别为2.29、2.40、2.36、2.40、2.44、2.29 和 2.36 Pg·a-1，单位时间单位面积NPP平均值分别为 1105.6、1152.4、1130.4、1154.4、1174.0、1099.1 和 1132.9 g·m-2·a-1。由此可见，20世纪80年代和20世纪90年代的前半段以及21世纪10年代的后半段，NPP增长明显，其中20世纪80年代的后半段增加幅度最大。对年代际的变化进行计算发现，20世纪80年代（1981—1990）NPP总量平均值和单位NPP平均值分别为2.36 Pg·a-1和1128.9 g·m-2·a-1，90 年代（1991—2000）分别为 2.38 Pg·a-1和 1142.4 g·m-2·a-1，21 世纪 00 年代（2001—2010）分别为 2.29 Pg·a-1和 1099.11 g·m-2·a-1，21 世纪10年代（2011—2017）分别为2.36 Pg·a-1和1133.6 g·m-2·a-1。同年际变化相似，年代际增长也十分明显，其中21世纪00年代和21世纪10年代之间的增加幅度最大，这与大气CO2浓度持续增长和90年代以来中国气候的异常变暖有密切关系，同时，这一年代际增长趋势与全球范围内的模拟结果也是一致的（Cao et al.，2002）。

2.3 中国森林生态系统NPP空间分布特征

从 1981—2017年全国各地区的平均状况来看，中国森林生态系统单位面积NPP量空间分布的基本特点是南高北低，其中西南林区单位面积NPP量最高，东北林区和东南林区次之，西北林区较低（图3）。

东北部的大兴安岭、小兴安岭和长白山是中国最大的天然林区，一般称为东北林区。由于接近寒带，其耐寒的针叶树种相对较多，是中国唯一的大面积落叶松林分布地区。长白山林区（包括完达山森林、张广才岭森林、老爷岭森林和辽东山地森林）是东北森林生长最佳气候的立地区，气候温暖湿润，植被覆盖较好，该区年均温为 2～6 ℃，大于10 ℃积温为 2300～3200 ℃·d，年降水量为500～1100 mm，生长期长为130～150 d，因此该区的年NPP多大于888.9 g·m-2·a-1。小兴安岭东南部较温暖湿润，地势低平，年均温为0～2.6 ℃，大于10 ℃积温为 2200～2500 ℃·d，无霜期为 110～130 d，年降水量为 540～610 mm，NPP也较大，约在444.4～1333.3 g·m-2·a-1之间。大兴安岭南部及小兴安岭北部的部分地区NPP较小，处于444.4 g·m-2·a-1以下。

西南林区是中国第二大天然林区，主要包括四川、云南和西藏三省区交界处的横断山区，以及西藏东南部的喜马拉雅山南坡等地区。该地属于亚热带季风气候，受东南风和西南风影响，夏季炎热多雨，冬季暖和降水偏少，受地形地势影响，地区差异性较大。总体而言，和其他林区相比，西南林区森林单位面积NPP量最高。其中，喜马拉雅山南坡森林面积NPP量处于2666.7～3333.3 g·m-2·a-1之间。

东南林区主要包括秦岭、淮河以南，云贵高原以东的广大地区，人工林和次生林比重大。该区以季风气候为主，北部是温带季风气候，南部是亚热带季风气候，地形主要是平原和丘陵山地，河流较多，流速较快，植被主要是落叶和常绿阔叶林，土壤为棕壤、红壤、黄壤或者砖红壤。东部季风区季风气候明显，气温变化小于中西部，降水主要集中在夏季。这里气候温暖，雨量充沛，植物生长条件良好，树木种类繁多，是中国热带和亚热带的森林宝库。东南林区森林单位面积NPP量较高，大部分地区森林面积 NPP 量处于 1333.3～ 2666.7 g·m-2·a-1之间。

总体而言，近 36年中国各地森林生态系统单位面积NPP量增加比较明显。其中，西南林区单位面积 NPP量增加最为明显，最大增幅超过 666.7 g·m-2·a-1。东南林区单位面积NPP量增加也很明显，最大增幅超过 444.4 g·m-2·a-1。

2.4 中国森林固碳释氧价值评价

基于 FORCCHN模型的评估结果表明，1981—2017年间，中国森林生态系统固碳释氧总价值140883.3×109yuan，其中固碳总价值为 36889.1×109yuan，释放氧气总价值为103994.6×109yuan，释放氧气价值为固碳价值的2.82倍。近36年来，中国森林生态系统固碳价值和释放氧气价值均呈波动增加趋势，增长率分别为 0.17×109yuan·a-1和0.49×109yuan·a-1（P＜0.01）（图4）。1981—2017年 间 ， 森 林 固 碳 价 值 在 855.2×109～1066.7×109yuan·a-1之间变动，平均为 997.0×109yuan·a-1；释放氧气价值在2410.8×109～3007.1×109yuan·a-1之间变动，平均为 2910.7×109yuan·a-1。

图4 基于FORCCHN模型的1981—2017年中国森林生态系统固碳释氧价值评估值Fig. 4 Evaluation of carbon sequestration and oxygen release of forest ecosystem in China during 1981—2017 based on FORCCHN model

3 讨论

本研究采用基于个体的中国森林生态系统碳收支模型 FORCCHN，该模型以植物生理学、森林生态学和土壤环境学的基本原理为基础，能合理解释中国森林生态系统中幼龄林碳收支的动态机理。该模型在模拟过程中还存着一定的不确定性，有待于进一步改进：一方面，鉴于森林生态系统相关的生物地球化学过程非常复杂，在进行机理表达时总会进行一定程度地简化，而忽略掉一些非决定性的细节过程，如没有考虑极端天气事件、火灾和病虫害的影响等等，这些因素都是影响森林生长发育的重要影响因子，如果在影响评价中没有考虑这些因素必将增加影响评价结果的不确定性。理论上，对模型机理描述得越细致、越全面，其精度越高。然而，在模型的实际运用过程中，其精度往往相悖于它的普遍适用性，因为一般模型的精度越高，驱动模型所需的参数越多，而这些参数在大尺度空间范围内通常难以获得；另一方面，模型的参数和初始场也不完全和真实情况一样，如作为输入数据的土地覆盖类型是假设不变的，模型还假设10 km×10 km网格内森林植被一样，土壤与森林植被关系被忽视等等，这些都给模拟结果的准确性带来一定的影响。

植被NPP的变化在空间上因区域环境条件、气候因子、土壤条件、土地覆盖类型和人为及自然扰动情况而异。本研究结果表明，在研究时段内，中国森林生态系统 NPP总量年际变化呈现较为明显的增长趋势，NPP空间分布的基本特点是南高北低，这与前人的定性研究结果一致（Cao et al.，2003；李登科等，2018）。森林生态系统服务功能价值评估有利于较好地解决森林生态效益补偿的定量化问题，对于推动森林生态效益补偿具有重要意义。其评估形式既可采用不变价，也可采用当年价，其中，不变价能更多反映森林生态功能对其服务价值的影响，当年价则还能反映人们对生态服务功能支付意愿的变化（王轶浩等，2016）。本研究采用林业行业标准推荐的社会公共数据，以不变价进行计算，结果表明，1981—2017年间，中国森林生态系统固碳释氧总价值为140883.3×109yuan，平均每年为2810.7×109yuan，年平均固碳释氧占中国森林生态系统服务功能总价值的38.1%（王兵等，2011）。这不仅能科学回答人们所关注的森林生态服务价值问题，使人们更加直观认识中国森林所发挥的重大生态价值，而且也反映出中国森林资源在国民经济社会发展中占有的重要地位。根据中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》，森林生态系统服务功能包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、生物多样性保护等（王兵等，2011）。由于受资料的限制，本研究仅定量估算了近 36年中国森林生态系统固碳释氧量及固碳释氧生态服务中的经济价值，在后续的研究中，需深入探讨中国森林其他几方面的生态效益，其对生境的影响也有待进一步分析、验证。

4 结论

基于遥感数据和 FORCCHN模型从全国尺度上对 1981—2017年中国森林生态系统净初级生产力NPP的时空分布格局及演变趋势进行了分析，并对其固碳释氧生态服务功能进行了评估，研究结果表明：

（1）1981—2017年，中国森林生态系统 NPP总量年际变化呈现较为明显的波动增长趋势（2.02～2.53 Pg·a-1），平均为 2.36 Pg·a-1，约占全球NPP总量的1.53%～1.82%，最大值出现在2004年，为2.53 Pg，最小值出现在2010年，为2.02 Pg。

（2）1981—2017年，中国森林生态系统NPP总量和单位面积量年代际增长均十分明显，其中21世纪00年代和21世纪10年代之间的增加幅度最大。

（3）就空间分布状况而言，中国森林NPP空间分布的基本特点是南高北低，其中，西南林区单位面积NPP量最高，东北林区和东南林区次之，西北林区最低。各地森林生态系统单位面积NPP量增加比较明显，其中，西南林区单位面积NPP量增加最为明显，最大增幅超过666.7 g·m-2·a-1；东南林区单位面积NPP量增加也很明显，最大增幅超过444.4 g·m-2·a-1。

（4）1981—2017年，中国森林固碳释氧总价值为 140883.3×109yuan，其中固碳总价值为36889.1×109yuan，释放氧气总价值为 103994.2×109yuan，释放氧气价值为固碳价值的2.82倍。固碳价值和释放氧气价值均呈波动增加趋势，增长率分别为 0.17×109yuan·a-1和 0.49×109yuan·a-1。