基于遙感和FORCCHN的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP及生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估

趙俊芳，曹云，馬建勇，姜月清

1．中國(guó)氣象科學(xué)研究院/災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 國(guó)家氣象中心，北京 100081；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070

碳循環(huán)、水循環(huán)及食物與纖維已成為當(dāng)今全球變化研究的 3大熱點(diǎn)（周廣勝等，2002）。其中，碳循環(huán)由于與引起全球變暖的大氣CO2濃度持續(xù)增加有密切關(guān)系而引起各國(guó)政府、科學(xué)家及公眾的廣泛重視（Cui et al.，2018；Cox et al.，2000；Snelgrove et al.，2018），而陸地碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，在全球碳收支中占主導(dǎo)地位。因此，在全球變化背景下，準(zhǔn)確評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)不僅是準(zhǔn)確估算未來(lái)大氣CO2濃度、預(yù)測(cè)氣候變化及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵，也是一個(gè)國(guó)家履行《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約(UNFCCC)》與《京都議定書(shū)》國(guó)際公約及制定應(yīng)對(duì)策略的科學(xué)依據(jù)。

植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是植物在單位時(shí)間、單位面積上累積的有機(jī)物數(shù)量，是光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分（Lieth，1973）。NPP是定量表示植被物質(zhì)和能量交換的一個(gè)重要參數(shù)，是碳循環(huán)過(guò)程中的一個(gè)重要組成部分，也是表征生態(tài)系統(tǒng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)（Gu et al.，2017）。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林不僅具有改善和維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的功能，而且在全球碳收支中起著主導(dǎo)作用，其 NPP分別占全球生態(tài)系統(tǒng)和全球陸地生態(tài)系統(tǒng)NPP的35%和65%（焦翠翠等，2014），其土壤碳貯量約占世界陸地土壤總碳庫(kù)的 73%（周廣勝，2003），每年固定的碳約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3（黃耀，2008），成為生物圈中對(duì)地球初級(jí)生產(chǎn)的最大貢獻(xiàn)者。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩溫室氣體濃度上升以及維護(hù)全球氣候等方面中具有不可替代的作用（Metz et al.，2001）。中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)以未成熟林為主（Zhao et al.，2012），在全球碳收支中的作用不容忽視（Ju et al.，2007）。森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能是指森林及其生態(tài)過(guò)程為人類(lèi)提供的自然環(huán)境條件與效用，是當(dāng)前森林生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一（周亞?wèn)|，2015）。因此，定量評(píng)估中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP及其生態(tài)服務(wù)功能，是準(zhǔn)確估算中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的重要組成部分，亦直接影響到中國(guó)森林固碳對(duì)策的制定。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)森林NPP格局變化及森林生態(tài)服務(wù)功能開(kāi)展了大量研究（周亞?wèn)|，2015；韓其飛等，2014；王美等，2012；王姝等，2015；李登科等，2018；白保勛等，2018；李奇等，2018；Chen et al.，2018）。周亞?wèn)|（2015）基于GIS對(duì)海南島森林涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護(hù)、森林防護(hù)和森林游憩等8個(gè)方面14個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估。韓其飛等（2014）基于Biome-BGC模擬了 1959—2009年天山北坡森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）、碳收支（NEP）和土壤呼吸的變化趨勢(shì)，通過(guò)分析氣溫在干旱區(qū)的正負(fù)效應(yīng)，表明氣溫升高促進(jìn)了天山北坡森林生態(tài)系統(tǒng)的NPP。王美等（2012）對(duì)遼寧省農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了核算，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)指標(biāo)的價(jià)值由大到小依次為：減弱蒸發(fā)、減災(zāi)防護(hù)、保育土壤、固碳釋氧、凈化空氣，其中減弱蒸發(fā)和減災(zāi)防護(hù)價(jià)值占總服務(wù)價(jià)值的 60.23%。王姝等（2015）基于MODIS NPP（植被凈初級(jí)生產(chǎn)力）數(shù)據(jù)，利用線(xiàn)性趨勢(shì)法、ESDA（Exploratory Spatial Data Analysis）及固碳釋氧價(jià)值模型，探討 2000—2012年生態(tài)恢復(fù)背景下陜甘寧地區(qū)NPP變化及及固碳釋氧價(jià)值，發(fā)現(xiàn)該區(qū)NPP年增長(zhǎng)率為4.3%，固碳釋氧價(jià)值累計(jì)增加 9.34×1010yuan，生態(tài)恢復(fù)創(chuàng)造效益比較明顯。李登科等（2018）基于MOD17A3的NPP數(shù)據(jù)、地表覆蓋類(lèi)型MCD12Q1數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)線(xiàn)分析法對(duì)中國(guó)2000—2015年陸地植被NPP時(shí)空格局、變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，全國(guó)植被NPP線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到顯著水平；大部分地區(qū)年NPP變化趨勢(shì)不明顯，占79.9%的陸地區(qū)域植被NPP變化趨勢(shì)不明顯，18.4%的陸地區(qū)域植被NPP呈顯著增加趨勢(shì)，僅1.7%的陸地區(qū)域植被NPP呈顯著減少趨勢(shì)。

以上各方面的研究均取得了有意義的進(jìn)展，但目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究多是在小尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的分析，而在全國(guó)尺度上針對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP及其固碳釋氧生態(tài)服務(wù)功能的研究依舊薄弱。

本研究利用遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)基于個(gè)體的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型 FORCCHN，模擬了 1981—2017年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP并對(duì)其固碳釋氧生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了評(píng)估，以期更好地理解全球變化背景下中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的演變規(guī)律，為正確評(píng)價(jià)森林在生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的作用、綠色GDP核算及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制建立提供依據(jù)。

1 研究方法和資料

1.1 FORCCHN模型簡(jiǎn)介

本研究采用基于個(gè)體生長(zhǎng)過(guò)程的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型FORCCHN（FORest Ecosystem Carbon Budget Model For CHiNa）（延曉冬等，2007）進(jìn)行分析。該模型由每日氣象條件驅(qū)動(dòng)，逐個(gè)計(jì)算一定面積斑塊上每株樹(shù)木的碳收支，通過(guò)求和及耦合土壤碳循環(huán)模型所計(jì)算的土壤碳收支得到生態(tài)系統(tǒng)在單位面積上的碳收支（圖1）。FORCCHN模型包括5個(gè)子模塊：（1）初始化模塊：主要根據(jù)葉面積指數(shù)、常綠樹(shù)份額、落葉樹(shù)份額和森林類(lèi)型，隨機(jī)挑選樹(shù)木株數(shù)、種類(lèi)和逐株樹(shù)木大小，最大限度地接近實(shí)際森林；（2）生態(tài)氣候子模塊：主要計(jì)算逐日水分收支、能量收支，計(jì)算出土壤含水率和冠層光合有效輻射及光合、呼吸、分解等過(guò)程的數(shù)量影響因子；（3）碳平衡子模塊：以日為步長(zhǎng)，計(jì)算每株樹(shù)木逐日的光合、呼吸和凋落，得出森林生態(tài)系統(tǒng)植物部分的碳收支；（4）土壤碳氮收支子模塊：以日為步長(zhǎng)，計(jì)算凋落物層、土壤腐殖質(zhì)層的呼吸、轉(zhuǎn)移和氮的礦化過(guò)程，算出土壤碳收支和土壤有效氮量；（5）年樹(shù)木生長(zhǎng)和碳平衡子模塊：以年為步長(zhǎng)，根據(jù)逐株樹(shù)木日碳收支的累積數(shù)計(jì)算當(dāng)年果實(shí)凋落和用于結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的碳量，進(jìn)而推算出樹(shù)木胸徑和樹(shù)高的年增長(zhǎng)量（趙俊芳等，2008）。

模型通過(guò)兩種步長(zhǎng)運(yùn)行，步長(zhǎng)為日的基本過(guò)程包括林分的光合作用、呼吸作用、凋落、光合產(chǎn)物分配和土壤有機(jī)物呼吸和轉(zhuǎn)移過(guò)程；步長(zhǎng)為年的基本過(guò)程包括林分的同化物分配、樹(shù)高和胸徑增長(zhǎng)、大凋落物生成過(guò)程。對(duì)于每株樹(shù)木個(gè)體而言，每日計(jì)算一次光合作用、維持呼吸、氮吸收和部分凋落物通量，土壤水、有機(jī)質(zhì)的分解和氮的礦化都是以日為步長(zhǎng)發(fā)生的。假定每株樹(shù)木個(gè)體每日不同時(shí)刻，維持呼吸，部分葉、細(xì)根凋落、土壤有機(jī)質(zhì)分解和氮礦化速率速率相同，從而避免在較短步長(zhǎng)上計(jì)算有關(guān)通量。樹(shù)木個(gè)體碳氮的年凈增加量，加上前一年儲(chǔ)存的碳量，最后每年都分配到不同的樹(shù)木組成成分中去。當(dāng)沒(méi)有足夠的碳用于產(chǎn)生葉片時(shí)，認(rèn)為樹(shù)木已經(jīng)死亡，故樹(shù)木的儲(chǔ)存碳量減少。死亡的樹(shù)木中所包含的碳、氮，以及活的木質(zhì)部分、花、果、樹(shù)皮、葉和根的凋落物通量在每年的最后一日（12月31日）加入到土壤枯枝落葉庫(kù)中。由于本研究模擬時(shí)間較短（小于50年），故假定樹(shù)木不發(fā)生更新。

圖1 模型FORCCHN考慮的主要過(guò)程和計(jì)算流程圖Fig. 1 The primary process and flow chart of FORCCHN model

模型的主要控制方程為個(gè)體樹(shù)木碳收支及對(duì)應(yīng)的林分碳收支方程：

式中，xi、GPPi、RMi、RGi、Li分別表示個(gè)體碳增量、總光合、維持呼吸、生長(zhǎng)呼吸、凋落量，單位均為（kg·d-1）；t_resp表示氣溫對(duì)植物呼吸的影響系數(shù)，無(wú)量綱，在0～1之間變化。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

FORCCHN模型的分辨率為10 km×10 km，假設(shè)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)森林植被一樣，且土壤與成熟林、幼林無(wú)關(guān)。驅(qū)動(dòng)模型的數(shù)據(jù)包括氣象、土壤、植被 3方面的數(shù)據(jù)：

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究所用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括1981—2017年全國(guó)2100個(gè)氣象站點(diǎn)日降水量、日最高、最低、平均氣溫、日空氣相對(duì)濕度、日平均風(fēng)速、地表太陽(yáng)輻射以及氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度信息，根據(jù)最近領(lǐng)域法和反向距離法基本原理，按照Thronton et al.（1997）的方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值（地表太陽(yáng)輻射除外），獲取模型輸入所需的10 km×10 km氣象要素值。由于常規(guī)氣象要素觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有各個(gè)站點(diǎn)逐日地表太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，故需通過(guò)模式估算。估算日均地表太陽(yáng)輻射（W·m-2）所需要的參數(shù)包括海拔高度、緯度、日序、日最高最低氣溫、降水、濕度等。本研究采用Thronton et al.（2000）的算法，該算法的基本原理是通過(guò)計(jì)算大氣透明度來(lái)估算大氣對(duì)大氣層頂太陽(yáng)輻射的衰減作用，同時(shí)還考慮到冬春季節(jié)積雪及其融化對(duì)太陽(yáng)輻射的發(fā)射作用。日均大氣透明度主要依據(jù)氣溫日較差和濕度進(jìn)行估算。降水對(duì)輻射的影響在這個(gè)算法中除了通過(guò)日較差來(lái)體現(xiàn)外，還以一種常系數(shù)（0.7）的方式表示與同等條件下無(wú)降水日的輻射差別。

1.2.2 土壤數(shù)據(jù)

本研究所用的土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所 1∶1400萬(wàn)土壤質(zhì)地圖，主要包括土壤類(lèi)型的顆粒組成（沙粒含量、粉粒含量、粘粒含量）、土壤田間持水量、萎蔫含水量和容重以及土壤碳儲(chǔ)存量和土壤氮儲(chǔ)存量，空間化處理形成分辨率為10 km×10 km的土壤要素?cái)?shù)據(jù)集。

1.2.3 植被數(shù)據(jù)

本研究所用的土植被特征數(shù)據(jù)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)反演得到。由于沒(méi)有直接的森林葉面積指數(shù)地面測(cè)量數(shù)據(jù)，故初始時(shí)刻的森林葉面積指數(shù)由 1981年NOAA衛(wèi)星上AVHRR的NDVI數(shù)據(jù)集通過(guò)遙感模型計(jì)算獲得。具體的算法如下：

式中，LAI為森林葉面積指數(shù)；FPAR為光合有效輻射吸收比，F(xiàn)PARmax可通過(guò)本地年度最大NDVI值計(jì)算得到；LAIv是一個(gè)與土地覆蓋類(lèi)型相關(guān)的參數(shù)；NDVImax和NDVImin分別是與土地覆蓋類(lèi)型相關(guān)的最大和最小NDVI值。

植被類(lèi)型數(shù)據(jù)利用美國(guó)LP DAAC（Land Process Distributed Active Archive Center）2001年中國(guó)地區(qū)1 km MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD13）中的歸一化植被指數(shù)（NDVI），包括全年16 d合成數(shù)據(jù)產(chǎn)品，輔以高程數(shù)據(jù)和1∶400萬(wàn)中國(guó)植被圖，采用新的土地覆蓋分類(lèi)體系，運(yùn)用分層分類(lèi)與監(jiān)督分類(lèi)法進(jìn)行中國(guó)土地覆蓋植被類(lèi)型分類(lèi)。其中，常綠針葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林和針闊混交林均指郁閉度>30%、高度>2 m的天然林和人工林。

1.3 模型運(yùn)行

在模型模擬過(guò)程中，為了消除假定的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變量初始值（即平衡態(tài)假設(shè)）對(duì)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果的影響，首先應(yīng)用 1980年氣候資料運(yùn)行至生態(tài)系統(tǒng)平衡態(tài)，即凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP、凋落物量和土壤呼吸量相等，即凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力NEP為零，然后用 1981—2017年逐日氣象資料驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

1.4 森林植被固碳釋氧價(jià)值評(píng)價(jià)

1.4.1 森林植被年固碳價(jià)值

采用碳稅法對(duì)森林固碳價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，固碳價(jià)格參照瑞典政府發(fā)布的碳稅率（150 dollar·t-1）。森林植被年固碳價(jià)值量的計(jì)算公式如下：

式中，UC為森林植被年固碳價(jià)值，yuan·a-1；A為森林面積，hm2；CC為固碳價(jià)格，yuan·t-1；ωC為CO2中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為27.27%；B為森林凈生產(chǎn)力 NPP 量，t·hm-2·a-1。

1.4.2 森林年釋放氧氣價(jià)值

森林年釋放氧氣的價(jià)值量公式為：

式中，UO為森林植被年釋放氧氣價(jià)值，yuan·a-1；A為森林面積，hm2；CO為氧氣價(jià)格，采用林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（LY/T1721—2008）推薦值 1000 yuan·t-1（周亞?wèn)|，2015）；B為森林凈生產(chǎn)力 NPP量，t·hm-2·a-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP時(shí)間演變特征與變化趨勢(shì)

FORCCHN模擬結(jié)果顯示，1981—2017年，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，單位面積 NPP 量在 974.0～1214.9 g·m-2·a-1之間波動(dòng)，平均為1135.5 g·m-2·a-1；NPP總量在2.03～2.53 Pg·a-1之間波動(dòng)，平均為2.36 Pg·a-1，約占全球NPP總量的1.53%～1.82%（以IPCC第三次評(píng)估報(bào)告中估算的結(jié)果59.6～62.6 Gt為參考，1 Gt=1 Pg）（表1）。NPP總量變異系數(shù)（CV）為4.79%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.11Pg；波動(dòng)幅度為0.51 Pg，占36年平均值的21.21%。36年間，單位面積NPP量亦呈波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖2），其中1984年、2004年、2008年總量相對(duì)較大，1981年、2010年、2011年總量相對(duì)較小，最大值出現(xiàn)在2004年，為2.53 Pg，最小值出現(xiàn)在2010年，為2.03 Pg。這主要是因?yàn)樵谌蜃兓尘跋?，中?guó)各地的年平均溫度得到顯著升高，延長(zhǎng)了植被生長(zhǎng)季，春季植物起始生長(zhǎng)的日期提前，秋季落葉期推后，因此NPP也得到顯著增加。

表1 1981—2017年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP估算值Table 1 The estimates of NPP in China's forest ecosystem from 1981 to 2017

2.2 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP5年際和年代際變化

圖2 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP量年際變化Fig. 2 Interannual variations of per unit area NPP of China's forest ecosystem

圖3 1981—2017年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP量空間分布特征Fig. 3 Spatial distribution characteristics of per unit area NPP of the forest ecosystem in China during1981—2017

以1981—2015年作為研究時(shí)段，進(jìn)行每5年的NPP變化分析，結(jié)果表明：中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)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總量分別為2.29、2.40、2.36、2.40、2.44、2.29 和 2.36 Pg·a-1，單位時(shí)間單位面積NPP平均值分別為 1105.6、1152.4、1130.4、1154.4、1174.0、1099.1 和 1132.9 g·m-2·a-1。由此可見(jiàn)，20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)90年代的前半段以及21世紀(jì)10年代的后半段，NPP增長(zhǎng)明顯，其中20世紀(jì)80年代的后半段增加幅度最大。對(duì)年代際的變化進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)80年代（1981—1990）NPP總量平均值和單位NPP平均值分別為2.36 Pg·a-1和1128.9 g·m-2·a-1，90 年代（1991—2000）分別為 2.38 Pg·a-1和 1142.4 g·m-2·a-1，21 世紀(jì) 00 年代（2001—2010）分別為 2.29 Pg·a-1和 1099.11 g·m-2·a-1，21 世紀(jì)10年代（2011—2017）分別為2.36 Pg·a-1和1133.6 g·m-2·a-1。同年際變化相似，年代際增長(zhǎng)也十分明顯，其中21世紀(jì)00年代和21世紀(jì)10年代之間的增加幅度最大，這與大氣CO2濃度持續(xù)增長(zhǎng)和90年代以來(lái)中國(guó)氣候的異常變暖有密切關(guān)系，同時(shí)，這一年代際增長(zhǎng)趨勢(shì)與全球范圍內(nèi)的模擬結(jié)果也是一致的（Cao et al.，2002）。

2.3 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP空間分布特征

從 1981—2017年全國(guó)各地區(qū)的平均狀況來(lái)看，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP量空間分布的基本特點(diǎn)是南高北低，其中西南林區(qū)單位面積NPP量最高，東北林區(qū)和東南林區(qū)次之，西北林區(qū)較低（圖3）。

東北部的大興安嶺、小興安嶺和長(zhǎng)白山是中國(guó)最大的天然林區(qū)，一般稱(chēng)為東北林區(qū)。由于接近寒帶，其耐寒的針葉樹(shù)種相對(duì)較多，是中國(guó)唯一的大面積落葉松林分布地區(qū)。長(zhǎng)白山林區(qū)（包括完達(dá)山森林、張廣才嶺森林、老爺嶺森林和遼東山地森林）是東北森林生長(zhǎng)最佳氣候的立地區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，植被覆蓋較好，該區(qū)年均溫為 2～6 ℃，大于10 ℃積溫為 2300～3200 ℃·d，年降水量為500～1100 mm，生長(zhǎng)期長(zhǎng)為130～150 d，因此該區(qū)的年NPP多大于888.9 g·m-2·a-1。小興安嶺東南部較溫暖濕潤(rùn)，地勢(shì)低平，年均溫為0～2.6 ℃，大于10 ℃積溫為 2200～2500 ℃·d，無(wú)霜期為 110～130 d，年降水量為 540～610 mm，NPP也較大，約在444.4～1333.3 g·m-2·a-1之間。大興安嶺南部及小興安嶺北部的部分地區(qū)NPP較小，處于444.4 g·m-2·a-1以下。

西南林區(qū)是中國(guó)第二大天然林區(qū)，主要包括四川、云南和西藏三省區(qū)交界處的橫斷山區(qū)，以及西藏東南部的喜馬拉雅山南坡等地區(qū)。該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，受東南風(fēng)和西南風(fēng)影響，夏季炎熱多雨，冬季暖和降水偏少，受地形地勢(shì)影響，地區(qū)差異性較大?？傮w而言，和其他林區(qū)相比，西南林區(qū)森林單位面積NPP量最高。其中，喜馬拉雅山南坡森林面積NPP量處于2666.7～3333.3 g·m-2·a-1之間。

東南林區(qū)主要包括秦嶺、淮河以南，云貴高原以東的廣大地區(qū)，人工林和次生林比重大。該區(qū)以季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎辈渴菧貛Ъ撅L(fēng)氣候，南部是亞熱帶季風(fēng)氣候，地形主要是平原和丘陵山地，河流較多，流速較快，植被主要是落葉和常綠闊葉林，土壤為棕壤、紅壤、黃壤或者磚紅壤。東部季風(fēng)區(qū)季風(fēng)氣候明顯，氣溫變化小于中西部，降水主要集中在夏季。這里氣候溫暖，雨量充沛，植物生長(zhǎng)條件良好，樹(shù)木種類(lèi)繁多，是中國(guó)熱帶和亞熱帶的森林寶庫(kù)。東南林區(qū)森林單位面積NPP量較高，大部分地區(qū)森林面積 NPP 量處于 1333.3～ 2666.7 g·m-2·a-1之間。

總體而言，近 36年中國(guó)各地森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP量增加比較明顯。其中，西南林區(qū)單位面積 NPP量增加最為明顯，最大增幅超過(guò) 666.7 g·m-2·a-1。東南林區(qū)單位面積NPP量增加也很明顯，最大增幅超過(guò) 444.4 g·m-2·a-1。

2.4 中國(guó)森林固碳釋氧價(jià)值評(píng)價(jià)

基于 FORCCHN模型的評(píng)估結(jié)果表明，1981—2017年間，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧總價(jià)值140883.3×109yuan，其中固碳總價(jià)值為 36889.1×109yuan，釋放氧氣總價(jià)值為103994.6×109yuan，釋放氧氣價(jià)值為固碳價(jià)值的2.82倍。近36年來(lái)，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳價(jià)值和釋放氧氣價(jià)值均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率分別為 0.17×109yuan·a-1和0.49×109yuan·a-1（P＜0.01）（圖4）。1981—2017年 間 ， 森 林 固 碳 價(jià) 值 在 855.2×109～1066.7×109yuan·a-1之間變動(dòng)，平均為 997.0×109yuan·a-1；釋放氧氣價(jià)值在2410.8×109～3007.1×109yuan·a-1之間變動(dòng)，平均為 2910.7×109yuan·a-1。

圖4 基于FORCCHN模型的1981—2017年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價(jià)值評(píng)估值Fig. 4 Evaluation of carbon sequestration and oxygen release of forest ecosystem in China during 1981—2017 based on FORCCHN model

3 討論

本研究采用基于個(gè)體的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型 FORCCHN，該模型以植物生理學(xué)、森林生態(tài)學(xué)和土壤環(huán)境學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，能合理解釋中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)中幼齡林碳收支的動(dòng)態(tài)機(jī)理。該模型在模擬過(guò)程中還存著一定的不確定性，有待于進(jìn)一步改進(jìn)：一方面，鑒于森林生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜，在進(jìn)行機(jī)理表達(dá)時(shí)總會(huì)進(jìn)行一定程度地簡(jiǎn)化，而忽略掉一些非決定性的細(xì)節(jié)過(guò)程，如沒(méi)有考慮極端天氣事件、火災(zāi)和病蟲(chóng)害的影響等等，這些因素都是影響森林生長(zhǎng)發(fā)育的重要影響因子，如果在影響評(píng)價(jià)中沒(méi)有考慮這些因素必將增加影響評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性。理論上，對(duì)模型機(jī)理描述得越細(xì)致、越全面，其精度越高。然而，在模型的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，其精度往往相悖于它的普遍適用性，因?yàn)橐话隳Ｐ偷木仍礁?，?qū)動(dòng)模型所需的參數(shù)越多，而這些參數(shù)在大尺度空間范圍內(nèi)通常難以獲得；另一方面，模型的參數(shù)和初始場(chǎng)也不完全和真實(shí)情況一樣，如作為輸入數(shù)據(jù)的土地覆蓋類(lèi)型是假設(shè)不變的，模型還假設(shè)10 km×10 km網(wǎng)格內(nèi)森林植被一樣，土壤與森林植被關(guān)系被忽視等等，這些都給模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來(lái)一定的影響。

植被NPP的變化在空間上因區(qū)域環(huán)境條件、氣候因子、土壤條件、土地覆蓋類(lèi)型和人為及自然擾動(dòng)情況而異。本研究結(jié)果表明，在研究時(shí)段內(nèi)，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng) NPP總量年際變化呈現(xiàn)較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，NPP空間分布的基本特點(diǎn)是南高北低，這與前人的定性研究結(jié)果一致（Cao et al.，2003；李登科等，2018）。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估有利于較好地解決森林生態(tài)效益補(bǔ)償?shù)亩炕瘑?wèn)題，對(duì)于推動(dòng)森林生態(tài)效益補(bǔ)償具有重要意義。其評(píng)估形式既可采用不變價(jià)，也可采用當(dāng)年價(jià)，其中，不變價(jià)能更多反映森林生態(tài)功能對(duì)其服務(wù)價(jià)值的影響，當(dāng)年價(jià)則還能反映人們對(duì)生態(tài)服務(wù)功能支付意愿的變化（王軼浩等，2016）。本研究采用林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的社會(huì)公共數(shù)據(jù)，以不變價(jià)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，1981—2017年間，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧總價(jià)值為140883.3×109yuan，平均每年為2810.7×109yuan，年平均固碳釋氧占中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價(jià)值的38.1%（王兵等，2011）。這不僅能科學(xué)回答人們所關(guān)注的森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值問(wèn)題，使人們更加直觀(guān)認(rèn)識(shí)中國(guó)森林所發(fā)揮的重大生態(tài)價(jià)值，而且也反映出中國(guó)森林資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中占有的重要地位。根據(jù)中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能包括涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、生物多樣性保護(hù)等（王兵等，2011）。由于受資料的限制，本研究?jī)H定量估算了近 36年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧量及固碳釋氧生態(tài)服務(wù)中的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在后續(xù)的研究中，需深入探討中國(guó)森林其他幾方面的生態(tài)效益，其對(duì)生境的影響也有待進(jìn)一步分析、驗(yàn)證。

4 結(jié)論

基于遙感數(shù)據(jù)和 FORCCHN模型從全國(guó)尺度上對(duì) 1981—2017年中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP的時(shí)空分布格局及演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并對(duì)其固碳釋氧生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了評(píng)估，研究結(jié)果表明：

（1）1981—2017年，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng) NPP總量年際變化呈現(xiàn)較為明顯的波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)（2.02～2.53 Pg·a-1），平均為 2.36 Pg·a-1，約占全球NPP總量的1.53%～1.82%，最大值出現(xiàn)在2004年，為2.53 Pg，最小值出現(xiàn)在2010年，為2.02 Pg。

（2）1981—2017年，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)NPP總量和單位面積量年代際增長(zhǎng)均十分明顯，其中21世紀(jì)00年代和21世紀(jì)10年代之間的增加幅度最大。

（3）就空間分布狀況而言，中國(guó)森林NPP空間分布的基本特點(diǎn)是南高北低，其中，西南林區(qū)單位面積NPP量最高，東北林區(qū)和東南林區(qū)次之，西北林區(qū)最低。各地森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積NPP量增加比較明顯，其中，西南林區(qū)單位面積NPP量增加最為明顯，最大增幅超過(guò)666.7 g·m-2·a-1；東南林區(qū)單位面積NPP量增加也很明顯，最大增幅超過(guò)444.4 g·m-2·a-1。

（4）1981—2017年，中國(guó)森林固碳釋氧總價(jià)值為 140883.3×109yuan，其中固碳總價(jià)值為36889.1×109yuan，釋放氧氣總價(jià)值為 103994.2×109yuan，釋放氧氣價(jià)值為固碳價(jià)值的2.82倍。固碳價(jià)值和釋放氧氣價(jià)值均呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率分別為 0.17×109yuan·a-1和 0.49×109yuan·a-1。