森林生态系统碳汇特征及维持途径——以新疆为例

论文总字数：16914字

目 录

1.引言 3

2.数据和方法 4

2.1研究区域概况 4

2.2研究方法 4

2.1.1数据来源及处理 4

2.1.2应用CASA模型估算净初级生产力 4

2.1.3净生态系统生产力的计算 5

2.1.4新疆碳汇分布图的绘制 6

3.结果与分析 6

3.1新疆区域碳汇分布特征 6

3.1.1新疆森林植被分布特征 6

3.1.2新疆碳汇时空分布特征 6

3.2与新疆森林特征相匹配的增汇技术与途径 9

4.结论 13

参考文献 13

致谢 17

森林生态系统碳汇特征及维持途径——以新疆为例

刘祝楠

，China

Abstract：Based on 10 years' clamate data, vegetation data and solar radiation data in Xinjiang, the Xinjiang terrestrial net primary productivity (NPP) , soil microbial respiration (RH) and the net ecosystem productivity (NEP) is estimated every five years by CASA model. Analysis of the distribution and variation of NEP and forest carbon sinks, we put forward specific appropriate way for Xinjiang forestry to increase carbon sinks. Research indicates : (1) Xinjiang forest carbon sequestration is mainly distributed in the western Tarim Basin Kashi Prefecture, central and western regions of the Tianshan Mountains, north of Yining, northwest of Bole Alatau region, Altai region, natural forest is a major carbon sink. (2) From 2000 to 2010, the central and eastern regions in Junggar Basin turned from a carbon source to a carbon sink because of Afforestation projects. (3) From 2000 to 2010, forest ecosystems play a significant role in carbon sink in Xinjiang. From 2000 to 2005 , the sum of carbon sinks shows a downward trend from 146949.3 Kg m^-2•a^-1to 151461.2 Kg m^-2•a^-1 .From 2005 to 2010, the sum of carbon sinks shows a rise trend from 151461.2 Kg m^-2•a^-1 to 171397.5 Kg m^-2•a^-1 .

Key words：Carbon sinks; Forest Ecosystem; Feature; CASA Model; The Way To Increase Carbon Sinks

1.引言

近年来，人们逐渐意识到社会发展带来的负面效应，其中，全球变化带来的问题日益加剧，极端天气事件频发, 全球气候变化是国际社会公认的全球性环境问题，二氧化碳浓度增加造成的温室效应已经造成一系列恶劣后果，自1960年以来，随着增温幅度和速率的增加，全球气象灾害的发生频次上升了4倍，经济损失上升了7倍^[1]。应对全球变化的首要问题就是通过研究掌握碳循环的机制，控制并减少二氧化碳排放。

半个世纪以来，关于碳循环的研究与准确计算已经成为全球变化研究中最为重要的研究问题之一^[2]。了解人类生产、生活等社会活动对自然环境及全球碳循环的影响是现在必须面对的重要问题。其中的关键难题在于精确估算碳预算^[3~4]。其中，土地资源利用方式的变化作为重要影响因素，通过改变生态系统结构与功能进而影响碳循环。土地利用与土地覆盖的过程会产生碳排放或碳汇，不同类型的土地利用与土地覆盖能够产生不同的碳预算^[5]。例如草地退化通常产生碳源，植树造林通常形成碳汇。相关研究显示，森林生态系统植被碳库碳储量约占全球森林生态系统碳库碳储量的三分之一^[6]。森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，长久以来，森林生态系统在碳循环中扮演重要的碳汇角色^[7]。森林土地资源利用方式及土地植被覆盖的变化对陆地碳库起着重要影响作用。根据陈耀亮^[8]等人调查表明，1975-2005年30年中地表利用方式变化虽使新疆森林生态系统总体呈现为碳汇，而新疆森林资源砍伐作为期间森林碳库重要碳源，碳排放量不容小觑。以此显现出，森林土地资源合理利用对于碳循环的重要影响。此外，根据David Hadden^[9]等人的研究，森林生态系统由于呼吸作用的温度响应也会影响其总体最终作为碳源或碳汇。因此，对于森林生态系统碳汇的研究对于指导人类合理利用森林资源十分重要。但目前，关于碳预算的大部分研究主要集中在欧洲、北美等地^[10~13]，中亚例如新疆等地碳预算研究仍然不足。

全球变化大背景下，新疆气候变化表现为气候变暖、降水增多^[14]。对于新疆森林生态系统而言，多年来人工造林、山区迹地更新使覆盖率提高，但人工林由于技术落后等原因，森林生态系统功能明显不及天然林，幼龄林不如中龄林及成熟林，森林郁闭度下降，总体呈现森林生态系统功能未能达到预期^[15]。新疆森林生态系统作为新疆重要碳汇，仍然面临着许多问题。随着技术水平提高，可以通过良好的林业管理、各种高新技术的应用，使森林资源被充分开发利用同时达到减排增汇的目的^[16]。NPP（Net Primary Productivity）指在单位时间单位面积内，植物通过光合作用产生的有机物质总量减去呼吸消耗量后剩余部分，即净初级生产力。基于林业年鉴等数据分析新疆森林生态系统结构组成及分布特征，并通过使用遥感数据基于CASA模型和统计分析方法可得到新疆森林净初级生产力。NEP是指植被净初级生产力值减去土壤中微生物呼吸排放碳值所得到的差值，当不考虑人为因素与其它自然因素影响的条件下，可以用NEP来表示区域尺度上植被的碳汇，通过NPP计算得到NEP并以此探究新疆森林生态系统碳汇特征。最终，综合现有多种林业增汇高新技术，提出与新疆森林生态系统相适应的碳汇维持途径，为新疆森林资源的合理利用与保护提供科学依据。

2.数据和方法

2.1研究区域概况

新疆地处亚欧大陆腹地，经纬度范围为东经73°40′~96°23′北纬34°25′~49°10′，气候干燥少雨，为典型的大陆性气候^[17]。地形以“三山”，天山、阿尔泰山、昆仑山以及“两盆”，塔里木盆地、准格尔盆地为其地域特点。新疆土地总面积16648.97万公顷，占全国面积六分之一，其中林地面积676.48万公顷，活立木总蓄积量38679万立方米，森林蓄积量33654万立方米^[17]。新疆森林资源主要由绿洲人工林、荒漠河谷林、针叶林三大部分组成^[12]。人工造林按林种划分为用材林、经济林、防护林、薪炭林、特种用途林五类^[17]。

2.2研究方法

2.1.1数据来源及处理

新疆碳汇特征由以下数据得到：通过2013新疆统计年鉴、2014中国林业统计年鉴获得相关林业数据，通过国家科技基础条件平台—国家地球系统数据共享平台(http://www.geodata.cn)得到新疆土地覆高数据，通过国家科技基础条件平台—国家标本平台（http://www.nsii.org.cn/mapvege）得到1:100万中国植被图，结合新疆边界图，通过裁剪、配准得到新疆植被图，对森林生态系统进行标注，得到新疆森林植被图，通过中国气象科学数据共享服务网站(http://cdc.cma.ov. cn/index.jsp)得到，其中包括新疆59个标准气象站的气温与降水数据和13个站点的太阳辐射数据，通过马里兰大学GIMMS工作提供，GIMMS-NDVI数据产品分辨率为8km×8km，数据产品时间分辨率为15d，数据通过MVC法处理校正、时间序列滤波处理以及剪裁等预处理，得到新疆区域归一化植被指数（NDVI）。综合以上数据加以分析，得到新疆碳汇特征。

增汇途径与相关技术：通过中国期刊全文数据库（http://www.cnki.net）、（维普）中文科技期刊数据库（http://qikan.cqvip.com/）、SCIE数据库（http://webofknowledge.com/）等数据库查阅、总结国内外林业最新增汇减排技术。

2.1.2应用CASA模型估算净初级生产力

NPP的时空变化主要受到土壤、气候与植被三者共同影响^[18]。NPP作为陆地碳循环的重要组成部分之一，通常可用NPP作为判定生态系统碳汇的主要因子^[19]。选用CASA模型是基于光能利用率的过程模型来估算新疆植被NPP^[20]。

CASA模型主要利用植被光能利用率（）与植被吸收的光合有效辐射（APAR）两个变量来进行NPP（净初级生产力）的计算，其运算表达式为：

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