汶川地震重災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能空間格局與地震破壞評估

彭 怡，王玉寬，*，傅 斌，馬 飛

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041;2.成都理工大學(xué)，成都 610059)

在全球市場經(jīng)濟(jì)形勢下，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價值已經(jīng)被廣泛認(rèn)識［1-6］?！堵?lián)合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》開啟了“碳政治”元年。中國為了適應(yīng)國際市場的新形勢，將減排指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃，并建立了中國綠色碳基金。生態(tài)系統(tǒng)通過釋放和吸收大氣中的CO2等溫室氣體(GHG)來調(diào)節(jié)地球氣候。與大氣生態(tài)系統(tǒng)的碳儲存量相比，森林、草地、泥炭濕地等陸地生態(tài)系統(tǒng)的儲存量更多，是減緩全球氣候變化的關(guān)鍵所在［7］。而陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲存量是減少大氣中CO2的最主要的方式之一。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，基于遙感圖和空間分析相關(guān)軟件的生態(tài)系統(tǒng)功能評估方法也得到較快發(fā)展。其中以特定生態(tài)系統(tǒng)(如森林生態(tài)系統(tǒng))地上部分碳庫碳儲存量及密度的評估較多［8-9］，而以柵格為單元的縱向空間多個碳庫碳儲存功能的評估還較少，地震災(zāi)區(qū)的評估尤為缺乏，在災(zāi)后生態(tài)系統(tǒng)功能重建中難以為決策者提供直觀可靠的碳管理策略。

本研究區(qū)是長江上游地區(qū)碳儲存功能熱點區(qū)域。5.12汶川地震不僅在表觀上對區(qū)域地形地貌、植被景觀等形成破壞，還對生態(tài)系統(tǒng)各項功能造成了較大影響，其中包括了碳儲存功能。因此，對災(zāi)區(qū)碳儲存量及地震對碳儲存的影響的空間格局進(jìn)行評估，可為災(zāi)區(qū)災(zāi)后植被恢復(fù)、碳管理及碳交易等提供科學(xué)依據(jù)，為決策者制定碳管理方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及科學(xué)建議。同時，本研究基于柵格評估單元對生態(tài)系統(tǒng)四大碳庫碳儲存功能的評估在方法上也是一種有益的探索。

1 研究區(qū)概況

四川汶川地震重災(zāi)區(qū)位于四川省西北部，川西高原向盆地過渡地帶，涉及四川省成都、綿陽、德陽、廣元、阿壩、雅安等6個市(州)30個縣(區(qū))，總土地面積76142 km2，人口為1385.63萬，是一個多民族聚居區(qū)。研究區(qū)海拔高差大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。震中所在的龍門山區(qū)由一個東北-西南走向的強(qiáng)烈褶皺斷裂帶控制，地質(zhì)巖石變質(zhì)作用強(qiáng)烈，地表巖石結(jié)構(gòu)破碎，松散固體物質(zhì)豐富，易形成滑坡、崩塌和泥石流等地震次生山地災(zāi)害。研究區(qū)擁有森林、灌叢、草原和稀樹草原、草甸、濕地、高山凍原以及各種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等，且每種生態(tài)系統(tǒng)又包含多種氣候型和土壤型。根據(jù)震前最新的植被圖，按照生態(tài)系統(tǒng)中最小單元——群系統(tǒng)計，震區(qū)共有各種陸地生態(tài)系統(tǒng)類型90種，其中:森林生態(tài)系統(tǒng)45類，包括針葉林16類，闊葉林18類，竹林6類;灌叢生態(tài)系統(tǒng)24類;草原與草甸生態(tài)系統(tǒng)12類;高山凍原與高山墊狀生態(tài)系統(tǒng)2類;農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)7類?？傮w來看，震區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)主要由森林生態(tài)系統(tǒng)、灌叢生態(tài)系統(tǒng)、草原與草甸生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成。汶川地震對植被造成了嚴(yán)重的破壞，使得植被景觀破碎，受干擾的生態(tài)系統(tǒng)由于土地利用/植被覆蓋的急劇改變將釋放出大量的CO2。

2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括震前植被類型圖(遙感解譯，分辨率為100m×100m，2005年)、地震災(zāi)害分布圖(遙感解譯，分辨率為100m×100m，2008年)、相關(guān)植被類型的地上部分碳儲存密度統(tǒng)計和土壤碳調(diào)查柵格圖層，均為實測數(shù)據(jù)。

2.1 植被覆蓋圖

植被覆蓋資料越詳細(xì)，區(qū)域碳儲量的評估越精確。如土地利用類型為有林地的，在植被覆蓋圖中可細(xì)化到不同林種，甚至有的資料可提供植被的齡級、健康度，生存區(qū)域的海拔、降雨量、溫度等，這些因素都顯著影響碳儲存和碳匯評估的精確度［10-12］。在研究中，獲取了災(zāi)區(qū)2005年的植被覆蓋圖和土地利用圖，由于植被覆蓋圖比土地利用更詳細(xì)地劃分了災(zāi)區(qū)的植被類型和種類，因此在碳評估時用了植被覆蓋圖。災(zāi)后的植被圖由于數(shù)據(jù)缺乏，則用地震破壞區(qū)域數(shù)據(jù)(地震及次生災(zāi)害分布圖)替換2005年植被覆蓋數(shù)據(jù)，將被替換的數(shù)據(jù)賦予裸地屬性，所得圖層大致認(rèn)為是災(zāi)后的植被覆蓋圖(圖1)。

圖1 研究區(qū)震后植被覆蓋類型Fig.1 Type of vegetation covered in the study area

2.2 土壤碳密度圖

從中國科學(xué)院南京土壤研究所提供的長江上游土壤碳調(diào)查數(shù)據(jù)(ArcGIS GRID)裁剪獲得災(zāi)區(qū)土壤碳密度圖層(圖2)。

3 評估方法

陸地生態(tài)系統(tǒng)不僅通過光合作用等方式吸收碳，還將碳儲存在生物、死亡有機(jī)物及土壤之中，不斷固定和累積。碳儲存功能是指介質(zhì)吸收并儲存碳的能力。目前，國際上主要是通過碳儲量、碳密度大小來衡量。碳儲量反映了儲存碳的大小，而碳密度則反映了吸收碳的能力。碳密度可以排除面積大小的干擾，更好的反映儲碳能力。因此，本研究通過對研究區(qū)四大碳庫(地上、地下、死亡有機(jī)物、土壤)碳密度、碳儲存量計算及其空間分布的分析來評估生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能。

圖2 研究區(qū)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據(jù)王玉寬等GEF長江流域自然保護(hù)與洪水控制項目——《長江上游生態(tài)系統(tǒng)功能評估與保護(hù)區(qū)規(guī)劃報告》中對各個生態(tài)系統(tǒng)類型下不同植被種類的碳密度值，結(jié)合黃從德等［13］、方精云［14］、呂超群［15］、周玉榮［16］等研究成果，與災(zāi)區(qū)植被覆蓋類型對應(yīng)，通過歸并和統(tǒng)計獲得。

3.2 地下部分碳和死亡有機(jī)碳碳密度

根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)［17-23］中對每種植被實測的地上部分生物量(碳)密度與地下部分生物量(碳)密度、死亡生物量(碳)密度比值及生物量-碳轉(zhuǎn)換率等研究結(jié)果，換算出地下部分碳密度和死亡有機(jī)碳密度。按植被覆蓋類型分別統(tǒng)計地上部分碳、地下部分碳和死亡有機(jī)碳生成表格數(shù)據(jù)(表1)，在ArcGIS中生成這三大碳庫的總碳密度柵格圖層。

3.3 地震前后碳儲存功能空間分布

利用ArcGIS空間分析模塊中的柵格運算工具，以研究區(qū)植被類型為單元統(tǒng)計災(zāi)區(qū)每個柵格三大碳庫碳密度(地上、地下、死亡有機(jī)物)，將三大碳庫碳密度與土壤碳密度圖進(jìn)行疊加后得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布圖。其中地上碳庫中極不穩(wěn)定的碳(如1年生農(nóng)作物)不予考慮，因為這些碳庫相對稀少，更新太快。計算方法為:

式中，Ctot為柵格單元總碳儲存量;Cveg為以植被為統(tǒng)計單元的總碳儲量;Cabove為以植被類型為統(tǒng)計單元的地上部分碳儲量;Cbelow為以植被類型為統(tǒng)計單元的地下部分碳儲量;Cdead為以植被類型為統(tǒng)計單元的死亡有機(jī)物碳儲量;Csoil為土壤碳儲量調(diào)查圖層數(shù)據(jù)。以上單位均為t/hm2。

4 結(jié)果與分析

4.1 地震前后研究區(qū)碳儲存功能計算結(jié)果

基于研究區(qū)地震前后植被覆蓋類型分別統(tǒng)計地上部分、地下部分和死亡有機(jī)碳密度(表1)，在ArcGIS中疊加生成這三大碳庫的密度圖，再與土壤密度圖(圖2)進(jìn)行疊加，得到災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)震前碳儲存功能空間分布圖(圖3)與震后碳儲存功能空間分布圖(圖4)。

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

續(xù)表

圖3 災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能空間分布圖(震前)Fig.3 Spatial distribution of carbon storage functon in the earthquake stricken area(pre-seismic)

4.2 研究區(qū)碳儲存功能空間分布現(xiàn)狀評估

地震災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具有較高的碳儲存能力。經(jīng)統(tǒng)計，災(zāi)區(qū)碳儲存總量為3.97×108t，平均碳密度52.2t/hm2。四大碳庫總碳密度以龍門山斷裂帶為界，西高東低。碳儲存功能最高的區(qū)域位于龍門山區(qū)，同時也是此次汶川地震植被破壞最為嚴(yán)重的地區(qū);最低區(qū)域位于人類活動干擾較強(qiáng)的山前平原和盆中丘陵以南地區(qū)，主要土地利用類型為農(nóng)田、道路和城鎮(zhèn)。

通過分析縱向空間格局得到，四大碳庫中地上部分碳密度的平均值為25.0t/hm2，碳儲量為1.9×108t，占災(zāi)區(qū)總碳存量的46.4%，其中林地為1.8×108t，灌叢草地為9.5×107t，農(nóng)地為4.2×106t;地下部分碳密度平均值為10.7 t/hm2，碳儲量為8.1×107t，其中林地為5.4×107t，灌叢草地為2.6×107t，農(nóng)地為8.0×105t;土壤碳密度平均值為16.4 t/hm2，碳存量為1.2×108t，其中林地為6.2 ×107t，灌叢草地為4.3×107t，農(nóng)地為2.0×107t;死亡有機(jī)碳密度平均值為1.8t/hm2，碳儲量為1.3×107t，其中林地為1.0×107t，灌叢草地為3.4×106t。

圖4 災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能空間分布(震后)Fig.4 Spatial distribution of carbon storage functon in the earthquake stricken area(post-earthquake)

從水平空間格局分析，如圖5，碳密度在0—80t/hm2之間時，碳儲量隨碳密度增高而增加，在碳密度為80t/hm2左右達(dá)到最高值，碳密度極高的區(qū)域所占面積較少，因此，碳密度＞80t/hm2時，碳儲量逐漸降低。碳密度＞100 t/hm2的高碳儲存功能區(qū)域主要分布于斷裂帶以西的龍門山區(qū)及川西高原過渡帶的林地，碳存量達(dá)1.3×108t，占災(zāi)區(qū)總碳存量的33.5%，而面積僅占總面積的12.1%;碳密度在60—100 t/hm2的區(qū)域包括寶興縣、小金縣、理縣、平武縣、茂縣大部、汶川以西、北川以西、松潘以南及黑水縣部分地區(qū)的高山灌叢、亞高山常綠針葉林、亞高山落葉闊葉林、中山落葉闊葉林、高山櫟類林、低山竹林等，區(qū)域碳儲量1.6×108t，占災(zāi)區(qū)總碳存量的40.4%，面積僅占25.6%;其次為地震帶受損的亞高山落葉闊葉林、中山落葉闊葉林、低山常綠闊葉林等及川西高原過渡帶的高山草甸、亞高山草甸和高山流石灘植被以及盆地北部丘陵區(qū)的低山常綠針葉林、低山-丘陵闊葉混交林、山地灌叢等，碳密度在20—60t/hm2之間，碳儲量7.9×107t，占災(zāi)區(qū)碳存量的20.0%，面積占28.2%;面積占災(zāi)區(qū)總面積34.1%的山前平原區(qū)及南部丘陵區(qū)的農(nóng)地、建筑用地碳儲存量最低，碳密度為＜20 t/hm2，碳存量為2.4×107t，僅占災(zāi)區(qū)總碳存的6.1%。

圖5 災(zāi)區(qū)碳儲量及面積百分比Fig.5 Carbon storage volume and their percentage in the earthquake stricken area

圖6 不同坡度下的碳儲量Fig.6 Carbon storage with different slope

碳儲量曲線除了在5—10°略有減少，基本隨坡度增大而增加。如圖6，在0—5°的平原地區(qū)土地利用以農(nóng)田為主，作物收獲導(dǎo)致碳的轉(zhuǎn)移，故碳儲存功能較低;5—10°因多為建筑、交通等人為開發(fā)用地，碳儲存功能出現(xiàn)最低值;隨著坡度繼續(xù)增大，人類干擾降低，植被覆蓋度增加，碳儲存功能增加，其中坡度＞35°的區(qū)域碳儲量占災(zāi)區(qū)碳儲總量的33.9%。

圖7 不同海拔碳儲量Fig.7 Carbon storage with different elevation

碳儲量隨海拔增加呈現(xiàn)一個波動曲線(圖7)，0—750m區(qū)域碳儲量隨海拔增加而增加，在750—1750m區(qū)域段碳儲量出現(xiàn)下降，然后又隨海拔增加而增加，到3250m時出現(xiàn)碳儲存量高峰，儲碳量達(dá)7273t，之后又逐漸下降。這是由于隨海拔高度增加，碳儲存密度較高的森林分布面積增加，且人口密度降低，人為干擾相對減少，因此碳儲存量增加。在海拔700—1800m左右的汶川地震發(fā)生的龍門山斷裂帶，原分布的針葉林、草甸、針闊混交林、闊葉林等植被類型碳密度和碳儲存功能較高，但由于地震直接造成大面積植被破壞，造成碳儲量在該地區(qū)迅速降低。龍門山斷裂帶以西海拔在1800m以上的龍門山區(qū)，植被多為研究區(qū)碳密度最高的亞高山針葉林(碳密度達(dá)146.8t/hm2)，林下死亡有機(jī)物因溫度低分解慢，土壤儲存碳量也較大，加之距震源距離增大，威脅降低，碳儲量又呈現(xiàn)增加，到3250m時出現(xiàn)碳儲存量高峰。隨著海拔繼續(xù)增加，向川西高原草甸、流石灘植被及冰雪覆蓋地過渡，碳儲量逐漸下降。

圖8 不同植被類型下的碳儲量Fig.8 Carbon storage with different vegetation types

按植被類型統(tǒng)計四大碳庫總碳儲存量分布情況為:亞高山常綠針葉林＞低山常綠針葉林＞中山落葉混交林＞亞高山草甸＞農(nóng)地＞亞高山落葉闊葉林＞低山落葉闊葉林＞高山草甸＞亞高山灌叢＞高山櫟類林＞山地灌叢＞中山闊葉混交林＞高山流石灘植被＞中山常綠針葉林＞低山常綠闊葉林＞低山、丘陵闊葉闊葉林＞亞高山落葉針葉林＞中山常綠闊葉林＞高山灌叢＞中山亞高山經(jīng)濟(jì)林＞山地草叢＞其它(圖8)。

4.3 地震對碳儲存功能的影響

地震造成大量植被被毀，直接導(dǎo)致碳儲存功能的消失或減弱。利用ArcGIS柵格計算工具，用震后碳儲存功能評估圖層(圖4)減震前碳儲存功能評估圖層(圖3)得到地震對災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能的影響圖層(圖9)。經(jīng)統(tǒng)計，碳儲存功能總體減少為9.98×106t，占研究區(qū)總碳儲存功能的1%。由此可知，雖然下降地區(qū)所占面積不大，但受損地區(qū)下降程度較高，其中破壞有22.66%的區(qū)域碳儲存功能減少超過120t/hm2，而下降超過20 t/hm2的地區(qū)占到90%以上。退化最嚴(yán)重的地區(qū)在彭州和什邡的北部山區(qū)，沿龍門山向西南方向延伸。

圖9 地震對災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能的影響Fig.9 Impact ofearthquake on thecarbon storage of Ecosystem function

5 結(jié)論與討論

(1)汶川地震災(zāi)區(qū)碳儲存總量3.97×108t，平均碳密度52.2t/hm2。碳儲存功能空間格局總體以龍門山斷裂帶為界，西高東低。

(2)研究區(qū)碳儲存功能大致隨坡度增加而遞增，特別在大于35°時，碳儲存功能迅速增加。主要原因一是坡度大的地區(qū)植被類型多為碳密度較高的天然林和人工林，且生物多樣性豐富，單位面積生物量大;二是坡度在一定程度上反映了人為干擾的強(qiáng)度［24］。由于地形因素限制，建筑物和農(nóng)地很少，人為干擾較小。

(3)研究區(qū)碳儲存功能隨海拔增加呈先上升后下降的趨勢，但由于地震對植被的破壞，在海拔750—1750m原本碳儲量高的區(qū)域出現(xiàn)大幅下降。研究表明，海拔在水分和溫度上影響植被類型、生物量蓄積、死亡有機(jī)物分解速度等，從而決定生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能的大小。本研究碳儲存功能與海拔的關(guān)系曲線也體現(xiàn)了這樣的關(guān)系，描述了研究區(qū)從低海拔的平原、丘陵到高海拔的龍門山脈碳儲量的先增后減過程，這也同大多數(shù)研究結(jié)果一致［13，24］。

(4)不同植被類型在碳儲存功能上差異很大。常綠針葉林、亞高山草甸、針闊混交林亞高山常綠針葉林的碳密度和碳儲存功能最強(qiáng)，對災(zāi)區(qū)碳匯貢獻(xiàn)最大。其中碳儲存功能最高大的是亞高山常綠針葉林，其面積為災(zāi)區(qū)總面積的12.1%，碳儲量卻占災(zāi)區(qū)總量的32.9%。可以看出，森林在全球生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能保持和碳管理中占有重要地位，這在其它的研究成果中已得到證實［25-26］。因此，擴(kuò)大森林面積、提高森林質(zhì)量是發(fā)揮森林碳儲存功能的關(guān)鍵。在改造改造低產(chǎn)低效林和天然林保護(hù)的同時，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)退耕還林，擴(kuò)大山區(qū)森林面積，提高森林質(zhì)量，發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲存能力。同時，在提高森林質(zhì)量上要把好林種選育關(guān)，需因地制宜選擇引進(jìn)碳儲存功能相對較高的林種，加強(qiáng)本地亞高山針葉林種等高碳儲存潛力樹種的繁育，最好采用封山育林的自然方式，并加強(qiáng)龍門山區(qū)及川西高原過渡帶的高碳儲存林地(圖5中藍(lán)色區(qū)域)及緩沖區(qū)(圖中5中綠色區(qū)域)的保護(hù)和功能保持。此外，災(zāi)區(qū)農(nóng)田面積大，在碳儲存功能方面也有較大的提升空間。建議推行農(nóng)業(yè)免耕方式，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，禁止秸稈燃燒，提高秸稈綜合利用率和還田，可以增強(qiáng)災(zāi)區(qū)農(nóng)田碳匯貢獻(xiàn)力。同時，加強(qiáng)草原地區(qū)載畜量控制，保護(hù)草原生態(tài)系統(tǒng)碳存碳匯功能，減少碳等溫室氣體排放。

(5)地震對災(zāi)區(qū)碳儲存功能的影響主要是植被類型的急劇變化。地震導(dǎo)致的植被景觀的破碎化可能從三個方面影響CO2排放:一是植被的生長受到威脅或直接導(dǎo)致死亡使得碳匯量降低;二是震后倒木被人工遷移，減少了斑塊上地上部分碳儲存量，同時不排除倒木被掩埋延長碳儲存時間的可能;三是土地裸露加速了枯落物和地下儲碳的釋放。此次汶川地震造成災(zāi)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存量減少9.98×106t，其中退化最嚴(yán)重的地區(qū)在彭州和什邡的北部山區(qū)，并沿龍門山向西南方向延伸。建議地震破壞區(qū)植被恢復(fù)應(yīng)以封山育林的自然修復(fù)方式為主，輔以人工造林、滑坡體工程治理等人為方式。在重建破壞區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能的同時，降低次生災(zāi)害的危險系數(shù)。

本研究為生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能保持提供了較可靠地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和較客觀的管理建議。此外，根據(jù)本研究評估結(jié)果，在未來碳貿(mào)易正式執(zhí)行情況下很容易確定其價值量，以柵格為評估單元的評估方法更有利于在碳貿(mào)易活動中碳匯/碳源歸屬地的管理。

由于中國木材經(jīng)營缺乏標(biāo)準(zhǔn)的采伐計劃和營林策略，木材產(chǎn)品衰減率也無法獲取。本研究主要計算了災(zāi)區(qū)四大碳庫(地上部分碳、地下部分碳、死亡有機(jī)碳和土壤碳)的碳儲存密度及其空間格局，未評估木材收獲及降解等產(chǎn)生的碳轉(zhuǎn)移和碳衰減，即第五碳庫:木材產(chǎn)品或林副產(chǎn)品儲碳量(HWPs)，如建材、家具等，這部分碳即使從原斑塊中移走，也可以保存幾十年甚至更久。然而，這部分碳量在當(dāng)前中國管理措施下無法得到確切的數(shù)據(jù)，這也是當(dāng)前提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能評估精確度和動態(tài)評估所面臨的瓶頸之一。另外，本研究因未獲得震后最新的植被數(shù)據(jù)，對地震前后碳評估結(jié)果的準(zhǔn)確度也有一定影響。

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