巨灾胁迫下植被碳储量地域分异规律研究*

邱铃珂，曾 文，戴 玥，李俊辉，边 昂，盖宏坤，第宝锋

(1.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065； 2.四川大学-香港理工大学 灾后重建与管理学院，四川 成都 610207；3.四川大学 计算机学院，四川 成都 610065)

伴随IPCC《全球1.5℃温升特别报告》的发布和第26届联合国气候变化大会的召开，气候变化受到越来越多的重视。“碳中和”被认为是应对气候变化的有效方式[1]。实现碳中和的关键在于碳源、碳汇的平衡，主要的碳汇包括植物光合作用和海洋吸收，其中，森林碳汇在减少大气中温室气体的浓度和减缓全球变暖方面发挥着重要作用[2-3]。森林生态系统碳储量占陆地生态碳储量的46.6%[4]。厘清森林生态系统碳储量的地域分异规律对高效利用森林碳储能力和具有重要意义。

国内外学者对森林生态系统的碳储量和碳汇功能进行了大量研究[5-7]，森林生态系统的碳储量受到多种因素的影响，其中，自然灾害(如地震)是重要影响因素之一[8]。地震会部分或彻底地毁坏自然生态系统的结构与功能，尤其是灾害易发的山区生态系统，受灾退化后更加难以恢复[9]。强烈的冲击和余震引起的地表形变，以及滑坡、泥石流等次生灾害会导致地震灾区内树木的死亡率升高，从而改变区域碳源碳汇平衡[8,10-11]。地震引起的植被破坏或造成陆地生物量的减少、二氧化碳排放量的增加以及土地表面反照率的变化，或在一定程度上通过影响局部气候进而影响全球变暖进程[12]。地震对森林的直接破坏和随后的有机物质降解，导致森林在震后数年中被视为二氧化碳的潜在来源[8,13]。

震级≥6级的地震被称为强震，强震影响范围广、胁迫作用持续时间长等特点导致受灾区域碳储量的地域分异复杂，但国内外对地震带来的植被碳储量时空变化定量研究较少。本研究以汶川地震重灾区为研究区，通过定量估算该区域2001—2019年间逐年碳储量，探究地震对于区域碳储量的影响，厘清震损植被碳储量地域分异的特征规律，探索地震及其他因素对碳储量变化的驱动作用。研究成果可服务汶川地震影响区生态恢复重建工作，同时可为碳中和目标提供有关森林碳储量的数据支撑。主要研究内容包括以下三个部分：①地震灾区植被碳储量地域分异特征研究。探究地震前后研究区域内年植被碳储量的时空变化趋势，厘清地震灾区植被碳储量地域分异规律以及震后碳储量恢复特征；②地震及相关因素对植被碳储量影响研究。提取地震前后不同地震烈度区域植被碳储量变化情况，定量表述单位面积植被碳储量变化与地震烈度之间的关系，以及断裂带、同震滑坡对于植被碳储量的影响；③非地震因素对植被碳储量的影响。探讨气候、人类活动等对于地震重灾区植被碳储量的影响。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

以汶川地震重灾区作为研究区，考虑空间连续性与受灾严重程度，以极重灾区内的10个和重灾区内的37个县(市、区)作为研究区[14]。汶川地震重灾区地处四川盆地西缘，为四川盆地向青藏高原的过渡地带[15]，地跨四川、甘肃、陕西三省，海拔跨度约275～7 124 m，整个地势由西北向东南倾斜，西部以高山峡谷区为主，东部以平原、丘陵为主[16]。研究区内复杂的地形与气候特点造就了良好的植被生长条件，植被类型丰富，植被分布呈垂直地带性规律[17]。此外，区内构造活动复杂，地形被严重割断，地震活动较为频发，山区灾害频发[18]。汶川地震具有震级强、破裂带长、地表破坏强烈、余震多且震级高的特点[19]，因此，由汶川地震导致的森林生态系统功能的改变也较一般灾害更为明显。

1.2 数据来源

本研究数据包括土地利用、地质灾害、土壤等，涉及MODIS系列产品、遥感资料等栅格、矢量、数值数据，数据分辨率及来源见表1。

所有栅格数据均使用最邻近法重采样至500 m栅格大小，投影至统一的投影坐标系，生成GeoTiff格式数据。研究区域生态多样性较为丰富，土地利用类型多样，故土地利用类型进一步选用国际地球圈—生物圈计划(IGBP)分类的数据类型，再进行整理与合并。研究区域内地震烈度分布情况是利用GIS地理空间配准矢量化汶川地震烈度分布得到。同震滑坡区分布数据使用ArcMap筛选出面积50 000 m2以上的滑坡区域，共计2 273个，总面积218.77 km2。

图1 汶川地震重灾区概况及行政区划示意图(审图号：GSGS(2016)2923号，底图无修改，下同 。灾害范围来源于《汶川地震灾害范围评估结果》[14])

表1 关键数据构成及特征

1.3 研究方法

1.3.1 碳储量计算方法

碳储量计算采用生态系统服务和权衡综合评估模型(InVEST,Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)，由美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会联合开发[25]。国内基于InVEST模型研究区域总碳储量的研究较多，包括使用InVEST模型评价生态质量、碳储量功能、水源供给功能等多项生态系统服务与生态系统功能[26-27]，以及运用InVEST进行碳储量计算[7,28]。总体上看，InVEST模型具有需要的数据量较少，模型简单便捷，输出结果具有很强的空间表达性等优点[27]，为评价区域碳储量与研究其空间分布提供了较可靠的方法。

InVEST模型以土地利用覆被类型为评估单元，根据不同覆被类型的分类情况，分别计算不同地类的地上碳库、地下碳库、土壤碳库和死亡有机碳库的平均碳密度，然后用各种地类的面积与碳密度相乘并求和，计算得到研究区域的总碳储量[25]。InVEST模型的碳储量模块计算公式为：

C=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil。

(1)

式中：Cabove为地上碳储量，Cbelow为地下碳储量，Cdead为死亡有机碳储量，Csoil为土壤碳储量。

1.3.2 碳储量地域分异研究方法

碳储量地域分异分析采用slope趋势分析方法。slope趋势分析是对逐个栅格进行一元线性回归，分析其在时间序列的变化趋势，单像元趋势的组合即可呈现出空间整体的变化特征和规律。在研究时间段内，根据逐年的碳储量，可计算模拟研究区各栅格碳储量的年际变化趋势。计算方法如下：

(2)

式中：n为研究时长(年)，i为初始值为1的年份序列数，Ci为第i年碳储量值。θslope值为线性方程的斜率(即变化趋势)，当θslope>0时，表明该栅格单位内的碳储量值在研究期间呈现增加趋势；θslope<0则表明该栅格碳储量值呈现减少趋势。

2 碳储量时空变化特征分析

2.1 碳储量空间分布特征

2.1.1 区域碳储量分布规律

研究基于多源时空数据和InVEST模型计算得到了2001—2019年间研究区单位面积碳储量的均值(图2)，汶川地震重灾区碳储量的高值区主要集中在山地林区、龙门山及北部的高山峡谷区中的大面积混交林、阔叶林和草地，气候温和，森林覆盖率高。而汶川地震震中位于碳储量高值区附近，对森林碳储量的威胁较为强烈。研究区内较低水平的碳储量主要集中在东南部，主要为平原地形，农田和稀树灌木草丛分布面积广阔；北部武都区、成县、徽县等地碳储量也较低；西南部小金县、理县、汶川县、宝兴县四县交界处主要为干旱河谷区，属于西南地区特殊山地类型，有大量高山峡谷，海拔落差大，气候干旱，导致区域内生态环境脆弱，碳储量也较低。

图2 研究区单位面积平均碳储量空间分布图(2001—2019年)

2.1.2 地貌对碳储量分异的影响

参考《第一次全国地理国情普查公报》中的海拔、坡度分级分类方法，将汶川地震重灾区内的海拔分为低海拔区(0～1 000 m)、中海拔区(1 000～3 500 m)、高海拔区(3 500～5 000 m)和极高海拔区(5 000 m以上)，将坡度分为平坡地(0°～2°)、较平坡地(2°～5°)、缓坡地(5°～15°)、较缓坡地(15°～25°)、陡坡地(25°～35°)和极陡坡地(35°～90°)六大类，统计各海拔和分区内年度单位面积平均碳储量水平(图3)。

图3 研究区海拔及坡度分级的逐年平均碳储量

由图3可知，由海拔分级的变化可知，中海拔区域单位面积平均碳储量最高，高海拔次之，低海拔和极高海拔最低。低海拔区用地类型主要为建设用地、耕地、灌丛等，中海拔区林地比例增大，而随着海拔进一步上升，气温降低，降水减少，林地植物生长受限，高海拔区域与极高海拔区单位面积平均碳储量明显减小。由坡度分级的变化可知，研究区单位面积平均碳储量随坡度升高，同样呈增大—峰值—减小变化特征，而单位面积平均碳储量是在相对较高坡度(即陡坡地)范围内才达到峰值。

对比汶川地震震前、震后阶段逐年平均碳储量，从海拔分类看，震前震后研究区覆被在海拔上的变化趋势具有一致性，均呈现增大—峰值—减小趋势，除造成覆被退化外，地震对区域碳储量在海拔方面的分异特征未造成明显影响；从坡度分类看，较缓坡地、陡坡地与极陡坡地的单位面积平均碳储量均在震后下降，说明地震对区域碳储量的坡度分异特征影响较为明显。

2.2 碳储量时间变化趋势

2.2.1 区域碳储量变化趋势

分区统计并绘制不同区域对应的碳储量变化情况(图4)。地震后区域总碳储量较2007年损失7.36×106tC，下降率为1.22%。烈度Ⅹ及Ⅺ度区域碳储量在震后2年(2008—2010年)间持续下降，2010年时两个区域的碳储量损失分别为震前多年平均碳储量水平的6.61%和14.74%，此后碳储量开始缓慢恢复，且2019年时烈度Ⅹ度区域大致恢复到震前水平，Ⅺ度区域则仍未恢复到震前水平(约为震前多年平均碳储量水平的91.77%)。研究大区域范围及低烈度区(烈度Ⅵ～Ⅸ度区域)的总碳储量整体均呈现上升趋势，研究区域碳储量每年上升约1.45×106tC(即0.12 tC/(hm2·a))，仅在2001—2002年、2006—2008年期间受到多因素干扰有所下降；低烈度区的上升幅度约0.13 tC/(hm2·a)。低烈度区与烈度Ⅹ及Ⅺ度区域震后碳储量的变化趋势显示出地震对于距离震中越近的位置碳储量破坏越明显。

图4 不同区域碳储量年际变化(2001—2019年)

2.2.2 碳储量的slope趋势分析

为进一步分析逐像元总碳储量的变化趋势，采用式(2)计算逐像元的斜率slope，使用均值—标准差法进行等级的划分，得到2001—2019年变化斜率slope的空间分布。由图5可知，2001—2019年间汶川地震重灾区范围内大部分区域属于总碳储量无明显变化(-22≤slope<24)的区域，碳储量较为稳定；碳储量呈明显减少(slope<-35)的区域主要分布在烈度Ⅹ及Ⅺ度区域；碳储量明显增加(slope≥41)的区域主要分布在研究区东北部，主要分布于烈度Ⅷ度区域，且远离地震震中；研究区东南部部分地区呈现中度减少(-35≤slope<-23)与轻度减少(-23≤slope<﹣10)，且分布于烈度Ⅶ度区域，地震烈度较小。可知，地震影响下的重灾区碳储量变化趋势和地震烈度有一定关系，对碳储量的变化进行分烈度区域的分析以更好地揭示这一规律。

地震发生后，2008—2010年间烈度Ⅹ及Ⅺ度区域植被受较强烈的地震干扰，碳储量下降，而烈度较低区域的碳储量则呈上升趋势，故总碳储量在两年间呈较快速的恢复；而2010—2016年间研究区总碳储量平稳增加，但区域差异较大，烈度较高区域及东北部植被逐渐恢复，碳储量逐渐增大，而东南部广汉市、德阳市等地碳储量呈下降趋势。

图5 区域碳储量变化趋势空间分布

图6 不同地震烈度区域逐年平均碳储量

2.2.3 不同烈度区域的碳储量变化情况

以地震发生后所划分的地震烈度区为空间上的研究单元，统计不同烈度区域内的单位面积年平均碳储量(图6)。由图6可知，地震发生前，研究区内单位面积平均碳储量显示出随烈度增大而升高的趋势，大约从42 tC/hm2上升到69 tC/hm2，震中附近森林较为密集，故烈度高区也是碳储量高值区域。在空间分布上，研究区内西北部高原边缘区和龙门山区内植被景观多样性最为丰富，以阔叶林、针阔混交林为主，盆地范围内的低山丘陵地区次之，而平原地区则最低，其植被类型组成相对较为单一，以人工植被和农田为主[29,30]。

在时间序列上，2001—2019年间，低烈度区内碳储量呈上升趋势，而烈度Ⅹ及Ⅺ度区域内的碳储量呈现先上升—下降—上升趋势。地震发生后，烈度Ⅹ及Ⅺ度区域的单位面积平均碳储量发生了较大程度的降低，分别降为64.06 tC/hm2和58.18 tC/hm2。灾后植被的恢复包括人工干预和自然恢复两种形式，主要方式为人工植苗造林、人工点撒播、封山育林、自然演替等[17,31]。

3 碳储量变化的驱动力分析

3.1 地震及相关因素对植被碳储量的影响

不同地震烈度区域的单位面积平均碳储量变化情况如图7所示。地震烈度越大，地震造成的单位面积碳储量损失越高。在地震烈度为Ⅵ～Ⅷ度的区域，地震前后单位面积平均碳储量几乎不变；而在地震烈度Ⅸ度以上的区域，随着地震烈度的增大，单位面积碳储量随之降低，并且变化幅度逐渐增大，烈度Ⅺ度区域震后单位面积平均碳储量下降达7.29 tC/hm2，约为烈度Ⅹ度区域下降的2倍、Ⅸ度区域下降的14倍。

图7 震后不同地震烈度区域的单位面积平均碳储量变化

由地震造成的植被碳储量减少在破坏严重的高地震烈度区现象明显，在低烈度区现象不明显。邬丽娟[32]研究发现地震前后的植被覆盖变化在一定程度上可以反映烈度的分布特征。欧阳志云等[15]计算得出地震烈度为Ⅸ～Ⅺ的地区内森林面积减少了744 km2。本研究中震后高地震烈度区域中植被碳储量的明显下降，符含高烈度区内植被遭受严重破坏。

图8为汶川地震后碳储量损失点的空间分布，叠加重灾区范围内分布的断裂带和同震滑坡分布可知：震后碳储量损失较高的区域与龙门山地震断裂带及同震滑坡区具有空间耦合性。断裂带区域地质运动活跃、地形复杂，是余震及次生山地灾害高频区。断裂带上的构造破碎会直接影响上覆的现代森林冠层，通过隔离大量斑块而改变其结构，造成地面暴露于不同的水文条件，导致普遍的树木死亡[33]、植被碳储量的损失。

图8 震后植被碳储量损失点及断裂带的空间分布(注：断裂带参考中国地震局数据)

地震引发的滑坡、泥石流以及其他地质灾害会对森林造成严重破坏[34]。也是导致植被碳储量下降的重要因素。熊轲等[35]认为山区强震及其诱发的滑坡、崩塌等次生地质灾害会严重破坏土体的整体性，导致坡体失稳，植被破坏，产生大量的松散堆积物，可以进一步解释我们的结果。孙崇绍等[36]发现中国随地震发生的崩塌、滑坡大多发生在Ⅶ度及Ⅶ度以上的地区，Ⅷ度以上发生的可能性急剧增大，数次规模特大、破坏特重的滑坡都发生在Ⅸ度及以上的地区。WANG等[37]研究地震对于生态系统的影响得知，汶川地震Ⅹ和Ⅺ度地震烈度区占整个地震影响区生态系统服务损失的80%以上，Ⅷ和Ⅸ度区域也遭受了一些损失，但不如Ⅹ和Ⅺ度区域严重。以上研究都与本研究结论一致。在小范围内，地震导致的山体滑坡可能会掩埋森林，导致连续的森林破碎为斑块化[38]。地震引起的土地表面裂缝和松散的土壤层可能直接引起森林植被破坏或倾斜、折断和倒塌[8]。HILTON等[13]发现，从长期的角度来看，地震及同震滑坡导致南阿尔卑斯山西部地区的森林碳储量下降，下降速率约为0.05～0.09 tC/(hm2·a)。DUAN等[39]提出汶川地震中生态系统服务退化主要集中在地震烈度Ⅹ和Ⅺ度区，同时也是同震滑坡密集区域，体现了地震及其次生灾害对于生态的巨大影响，所以烈度Ⅹ度及以上的地区是促进碳汇恢复的关键区域。

3.2 非地震因素对植被碳储量变化的影响

除地震因素外，非地震因素对区域植被碳储量变化的影响是普遍存在的。

除2008年受地震影响外，2002年及2006年碳储量仍存在下降情况(图4)。对比2001年和2002年的土地利用状况可知，2年间的碳储量下降主要是由平原丘陵区域的土地利用类型转变引起的，包括稀疏灌木草丛转换为农用地及城市及建筑区[40]，以及在退耕还林初期，地表扰动大且林木覆盖率低，土壤侵蚀反而加强，土壤养分及持水能力下降，导致植被覆盖有所降低[41-42]，造成了较大的碳储量损失。随着2000年后退耕还林还草政策的实施，这些区域总体上碳储量较为稳定，并在此后逐步得到改善。对比2006年和2007年的土地利用状况并结合气象条件可知，2年间的下降主要是由土地利用变化导致的，大约804 km2的混交林转换为稀树灌木草丛，而土地利用变化与2006年夏季发生在川渝地区的高温干旱有关，森林和草地植被长势差于近3年同期[43]，净生态系统生产力亦低于多年平均水平[44]，植被固碳能力减弱。

除高地震烈度区外，研究区东南部还存在较大面积的碳储量下降情况(图5)。对比土地利用类型图和遥感图像可知，2001—2019年间研究区域南部的中江县、什邡市、德阳市、广汉市和绵竹市等平原与丘陵区碳储量总体呈下降趋势，主要是由农田的开垦与城市和建筑区的扩张造成的[40]。2001—2019年间青川县、市中区、朝天区、旺苍县等县市碳储量呈现较明显的上升趋势，主要是因为该区域远离汶川地震震中，地震烈度较小，且随着退耕还林还草工程的实施，人工林种植面积较大。

4 结论

本文在研究汶川地震重灾区2001—2019年区域碳储量时空变化特征的基础上，分析汶川地震烈度及土地利用改变等因素对区域碳储量的影响，为分析地震对植被碳储量的影响及驱动因素提供了研究思路，为管理地震灾区植被，恢复灾区植被碳储存能力提供了数据支撑。得到主要研究结论如下：

(1)碳储量空间分布特征。研究区单位面积平均碳储量随海拔与坡度升高，都呈增大—峰值—减小的变化特征，但单位面积平均碳储量是在相对较高的陡坡地(坡度范围25°～35°)内达到峰值。地震对区域碳储量的海拔分异特征未造成明显影响，而地震对坡度分异特征影响则较为显著，尤其是陡坡地与极陡坡地范围。

(2)碳储量时间变化趋势。研究期间，研究区域总碳储量大致呈现上升趋势，每年上升约1.45×106tC。2008—2010年间区域总碳储量快速恢复，2010—2016年间总碳储量稳步上升。受地震影响强烈的烈度Ⅹ及Ⅺ度区域单位面积平均碳储量在震后两年间持续下降，2010年时两个区域的碳储量损失分别为震前多年平均碳储量水平的6.61%和14.74%，此后碳储量开始缓慢恢复，且2019年时烈度Ⅹ度区域大致恢复到震前水平，Ⅺ度区域则仅恢复到震前多年平均水平的91.77%。

(3)地震及相关因素对植被碳储量的影响。地震后碳储量损失较高的区域大致沿龙门山断裂带分布。地震烈度越大，同震滑坡越密集，地震及其次生灾害造成的单位面积碳储量损失越高。在地震烈度为Ⅵ～Ⅷ度的区域，地震前后单位面积平均碳储量几乎不变；在地震烈度Ⅸ度以上的区域，随着地震烈度的增大，单位面积碳储量随之降低，并且变化幅度逐渐增大，烈度Ⅺ度区域震后单位面积平均碳储量下降达7.29 tC/hm2，约为烈度Ⅹ度区域下降的2倍，烈度Ⅸ度区域下降的14倍。

(4)非地震因素对植被碳储量的影响。研究期间受干旱、退耕还林、城市扩张、农田开垦等因素影响，碳储量在年际间表现出一定的波动性，2002年及2006年研究区碳储量存在下降情况，但总体呈现上升趋势。