基于土地利用的河北省生态系统服务权衡/协同关系研究

在分析土地利用变化的基础上,基于InVEST模型计算1985-2015年河北省农作物生产、碳储量、生境质量和土壤保持4种生态系统服务,利用ESCI指数、相关分析法、ESTD模型及双变量局部空间自相关方法识别不同尺度生态系统服务空间格局变化及权衡/协同关系。结果表明:1)1985-2015年河北省土地利用变化剧烈,建设用地、林地面积不断增加,耕地、草地、未利用地逐渐减少,但不同时段变化趋势不同。受土地利用变化影响,河北省4种生态系统服务变化趋势迥异:农作物生产水平不断提升,碳储量呈先增后减趋势,生境质量变化平稳,土壤保持呈波动减少态势。2)从省域尺度看,河北省各类生态系统服务之间相互影响,碳储量与农作物生产以及土壤保持与生境质量均呈现协同关系,农作物生产与生境质量、土壤保持以及碳储量与生境质量、土壤保持均呈现权衡关系;从区域空间分异看,供给服务与支持服务间权衡/协同关系空间变化明显,支持服务中碳储量与生境质量总体上呈现西北协同—东南权衡关系,生境质量与土壤保持以协同关系为主,碳储量与土壤保持以权衡关系为主;从县域尺度看,土壤保持与碳储量、生境质量以及农作物生产与碳储量、土壤保持的权衡/协同关系集聚特征明显,而生境质量与农作物生产、碳储量的权衡/协同关系集聚特征较为分散。理清不同区域生态系统服务间的关系,可避免不必要的权衡风险,为优化河北省土地利用空间布局、实现社会经济发展与生态系统服务双赢奠定研究基础。     

森林转换对不同土层土壤碳氮含量及储量的影响

森林转换是影响森林碳氮储量的重要因素。研究森林转换对土壤碳氮的影响,对明确生态系统碳氮循环动态具有重要意义。对由中亚热带常绿阔叶天然林转换而成的阔叶天然次生林(BL)与杉木人工林(CF)不同土层的有机碳(SOC)、氮(TN)含量以及储量进行研究,探讨森林转换对地下土壤碳氮储量的影响及其影响因素。结果表明:(1)相同土层,阔叶天然次生林的SOC含量、TN含量高于杉木人工林,分别在0～40 cm各土层与0～20 cm各土层之间均具有显著性,相同森林类型下SOC含量与TN含量垂直拟合关系均以幂函数拟合效果最好,R~2均达到0.9以上,可以为当地碳氮含量估算提供依据,土壤碳氮比(C/N)均随土层深度增加而下降。(2)森林转换后0～100 cm碳氮储量(SCM、SNM)阔叶天然次生林高于杉木人工林。土壤碳氮在2种林分的差异主要集中在0～10 cm,且阔叶天然次生林显著高于杉木人工林。(3)相关分析显示土壤SOC、 TN含量与土壤容重呈显著负相关,与C/N之间呈极显著正相关(P0.01)。研究表明:森林土壤碳氮储量主要集中在0～10 cm土层,天然林转换为杉木人工林后,土壤碳氮含量降低,不利于森林碳氮储量的积累,因此要加大对天然林的保护。     

1980s-2010s中国陆地生态系统土壤碳储量的变化

土壤作为陆地生态系统有机碳库的主体,在全球碳循环中起着重要作用。然而,当前区域土壤有机碳储量的变化情况及其碳源/汇功能仍然不清楚。利用中国1980s （1979-1985年）第二次土壤普查数据,同时收集整理2010s（2004-2014年）已发表的有关中国土壤有机碳储量（0~20 cm和0~100 cm）的文献数据,综合评估了1980s-2010s中国土壤有机碳储量的变化情况,并分析森林、草地、农田和湿地等生态系统土壤碳源/汇功能;同时结合现有的中国植被碳储量变化研究,进一步探讨了1980s-2010s中国陆地生态系统的碳源/汇效应。研究发现：① 1980s-2010s中国土壤（0~100 cm）有机碳储量净增长3.04±1.65 Pg C,增长速率为0.101±0.055 Pg C yr^-1,其中表层土壤（0~20 cm）的碳汇效应明显;② 森林土壤是固碳主体,净增长2.52±0.77 Pg C,而草地和农田土壤增长有限,分别为0.40±0.78和0.07±0.31 Pg C;③ 湿地有机碳储量净减少0.76±0.29 Pg C;④ 中国陆地生态系统的碳汇效应较强,总碳汇量相当于同期（1980-2009年）化石燃料和水泥生产排放CO₂总量的14.85%~27.79%。随着中国森林和草地生态系统植被和土壤的进一步保护、恢复和重建,中国陆地生态系统具有较大的碳汇潜力,在未来全球碳平衡中将发挥更大的作用。     

基于FORCCHN的未来东北森林生态系统碳储量模拟

以东北森林为研究对象,应用中国森林生态系统碳收支模型FORCCHN,模拟该区森林生态系统碳储量未来可能的时空变化。结果表明: 2003~2049年东北森林生态系统可能仍将具有明显碳汇功能,但强度呈下降趋势;土壤碳储量的变化趋势是从增长到饱和然后逐渐降低的过程,植被碳储量则基本上随时间变化呈逐渐增长趋势。空间上,该区土壤碳储量都有不同程度增加或降低,但植被碳储量都在不同程度的增加;土壤碳储量可能在植被碳储量之前得到饱和,因而东北森林生态系统碳吸收能力的降低主要是由土壤碳储量的减少造成的,而植被碳的增加将会在一定时间内减缓这一过程。     

伏牛山地区森林生态系统服务权衡/协同效应多尺度分析

森林生态系统服务权衡与协同研究已成为当前相关学科的研究热点和前沿,对服务权衡与协同关系的多尺度分析有助于更加有效地实施森林资源管理。综合森林类型图、NDVI、气象和土壤等多源数据,借助CASA模型、InVEST 3.2模型和ArcGIS 10.2软件,开展伏牛山地区森林生态系统服务评估,运用空间叠置方法从多个空间尺度（区域、南北坡、垂直带）探讨服务权衡与协同效应。结果表明：① 研究区森林生态系统平均蓄积量为49.26 m ³/hm ²,碳密度为156.94 t/hm ²,供水深度为494.46 mm,土壤保持量为955.4 t/hm ²,生境质量指数为0.79。② 区域尺度上,28.79%的森林服务之间存在高协同效应,10.15%的森林存在低协同效应,61.06%的森林存在强权衡和弱权衡效应。③ 南北坡尺度上,南坡服务之间的协同关系优于北坡。垂直带尺度上,南坡中山落叶阔叶林带（SIII）服务之间协同关系最好,北坡低山落叶阔叶林带（NI）协同关系最差。     

采伐剩余物管理方式对人工林土壤黑碳和黑氮的影响

黑碳（Black carbon,BC）是土壤惰性碳库的重要组成部分,在土壤碳循环中发挥着关键作用,而黑氮（Black nitrogen,BN）同样对碳封存具有重要作用。本研究以15年生杉木人工林为对象,采用化学氧化法研究2种采伐剩余物管理方式（炼山和保留采伐剩余物）对杉木人工林表层土壤（0~10 cm）BC和BN含量及储量的影响。结果表明,5次采样年份,炼山和保留采伐剩余物的BC平均含量分别为2.99~3.70 g/kg和3.52~4.36 g/kg,储量分别为3.24 t/hm^2和3.87 t/hm^2;炼山和保留采伐剩余物的BN平均含量均为0.12 g/kg,储量分别为0.12 t/hm2和0.11 t/hm^2。方差分析表明,2种采伐剩余物管理方式下的土壤BC和BN含量以及储量年际差异均不显著（P〉0.05）。由此可见,采伐剩余物管理方式对杉木人工林土壤BC和BN的长期效应并不显著。     

黄土高原刺槐、油松人工幼林生态系统碳汇研究

为定量评价黄土高原人工林的生态效益,采用固定样地法选择研究刺槐、油松主要人工林生态系统有机碳密度、碳储量及碳分配,结果表明:对照荒地生态系统有机碳总储量为51.29 t/hm2,7 a生刺槐人工林为57.76 t//hm2,6 a生油松林为63.05 t/hm2,刺槐与油松林生态系统有机碳密度分别比荒地提高12.62%和22.94%;荒地在0～80cm土层土壤碳储量为50.86 t//hm2,7 a生刺槐林为46.40 t/hm2,与荒地相比降低了8.77%,6 a生油松林为58.40 t/hm2,与荒地相比增加了14.83%;荒地凋落物层碳储量为0.02 t/hm2,7 a生刺槐林为0.16 t/hm2,与荒地相比增加了666.67%,6 a生油松林为0.02 t/hm2,与荒地相比降低了0.95%;荒地灌草层碳储量为0.41 t/,hm2,7 a生刺槐林为0.39 t/hm2,与荒地相比降低了6.37%,6 a生油松林为0.42 t/hm2,与荒地相比增加了2.45%,说明黄土高原营造人工生态林具有明显的碳增汇效应.     

1999-2008年间中国森林土壤碳汇功能初步估算

基于样地资料、文献资料和森林资源清查资料,以及不同森林类型蓄积、生物量、年凋落量和土壤呼吸之间的函数关系,估算1999-2008年间中国森林生态系统的NEP(净生态系统生产力)、△Cbiomass(现存森林植被碳储量增量)和NR(非呼吸代谢消耗光合产物),再根据森林生态系统碳平衡方程,初步估算中国森林土壤碳汇(△Csoil=NEP-△Cbiomass-NR)。研究结果表明:中国森林生态系统总的NEP、△Cbiomass、NR和△Csoil分别为157.530、48.704、31.033和77.793 Tg C yr^-1,单位面积NEP、△Cbiomass、NR和△Csoil分别为101.247、31.303、19.945和49.999 g C mm^-2 yr^-1。中国森林土壤碳汇存在较大的空间差异,江西、湖南、浙江、福建、安徽、山西、陕西、广西和辽宁9省(区)森林土壤为碳源,释放的碳约为25.507 Tg C yr^-1。其他22个省(区)森林土壤为碳汇,吸收的碳约为103.300 Tg C yr^-1。本研究建立了基于森林资源清查资料的中国森林土壤碳汇评价方法,是对现有的基于统计资料进行森林生态系统碳循环研究的有益补充,将推动具有可比性的、按照一致性的研究方法开展的区域尺度森林土壤固碳功能研究。     

多情景模拟下粤港澳大湾区生态系统服务评估与权衡研究

城镇化快速发展导致区域的生态系统服务衰减,威胁城市的生态安全;掌握城市群地区生态系统服务权衡/协同关系量化,对提升生态系统服务总体效益和维护区域生态安全至关重要。以粤港澳大湾区为研究区域,利用InVEST模型对粤港澳大湾区1995—2018年间产水服务、固碳服务、土壤保持服务、食物供给服务共4项生态系统服务进行评估,设定历史趋势情景、规划情景和生态保护情景,借助GeoSOS-FLUS模型进行2030年生态系统服务情景分析,探讨各种生态系统服务之间的权衡/协同关系。结果表明：① 1995—2018年间,粤港澳大湾区产水服务出现增加趋势,固碳服务、土壤保持服务和食物供给服务出现下降趋势。② 不同类型生态系统服务变化存在明显的区域异质性,产水服务高值区域其值增大,低值区域其值减小;固碳服务低值区域,其值下降更大;除香港外,土壤保持量减小的区域呈零星状分布;食物供给高值及减小的最大值位于东莞、佛山、中山和深圳等中部区域。③ 产水服务在规划情景下达到最佳,固碳服务和土壤保持服务在生态保护情景下最佳,历史趋势情景下食物供给服务最佳,生态系统服务综合效益在生态保护情景下达到最佳。④ 历史趋势情景下生态系统服务之间的权衡程度最大,生态保护情景下各项生态系统服务之间的协同程度较高。基于生态耦合模型进行粤港澳大湾区生态系统服务估算,揭示生态系统服务权衡或协同的变化关系及作用机理,可为区域生态系统服务管理和社会经济发展规划提供参考。     

北京森林碳储量海拔梯度上的变化趋势(英文)

像北京这样的中国城市化地区的快速人口和GDP增长已经导致了来自化石燃料的大量CO2排放。森林被认为是最重要的碳汇,可以中和碳排放。本研究基于2009年森林清查数据和森林植被碳含量,采用生物量扩展因子(BEFs)方法评价了北京森林植被碳储量,利用森林凋落物与森林生物量的比例以及凋落物碳含量计算了凋落物碳储量,利用土壤厚度、容重和SOM含量计算了土壤碳储量。我们总结得出,阔叶林是北京森林主要碳库,森林碳储量主要分布在海拔60m的平原地区和60-600m的低山地区。北京森林碳密度几乎随着海拔增加而增加,但是在海拔200-400m地区略有下降,其中植被碳密度在60m的平原地区相对较高,这主要是由于碳密度较高的杨树和落叶松人工林的比例较高以及灌溉、施肥等促进植物碳累积的人工管理措施较多;森林土壤碳密度几乎随着海拔增加而增加,这主要是由于土壤碳输出随着海拔增加而逐渐下降,因为林下种植、灌溉和施肥加速了低海拔地区的土壤异氧呼吸但随着海拔增加而下降,同时海拔200-800m的低山地区常见的土壤侵蚀也会随着林下种植等干扰措施的减少而下降。本研究可以为区域森林生态系统管理者提供保护森林生态系统和改善森林碳储量提供科学知识。     

Characteristic of tradeoffs between timber production and carbon storage for plantation under harvesting impact: A case study of Huitong National Research Station of Forest Ecosystem

The tradeoffs and optimizations of ecosystem services are the key research fields of ecology and geography. It is necessary to maximize the overall benefit of timber production and carbon storage for forest ecological development in China. We selected the Huitong National Research Station of Forest Ecosystem as our study area, and used InVEST model to evaluate timber production and carbon storage quantitatively. The results showed that: (1) While timber production increased with harvesting intensity over the planning horizon, carbon storage decreased. There were tradeoffs between timber production and carbon storage according to the significant negative relationship. (2) While the overall benefit of timber production and carbon storage increased with harvesting intensity, the value of tradeoffs decreased. T1 and T2 scenarios, with harvesting intensity of 10%–20% every 10 years, are the optimum management regimes for the two ecosystem services to gain more benefit and less tradeoffs. (3) The current harvesting intensity in Huitong County was slightly higher than the optimum harvesting intensity. On practical dimension, these findings suggested that obvious objectives are needed to formulate the corresponding countermeasures of tradeoffs, in order to realize the improvement of ecosystem services and the optimization of ecosystem structures.     

Spatial Patterns of Forest Ecosystem Services and Influencing Factors in the Ganjiang River Basin

As the major component of terrestrial ecosystems, forests play an irreplaceable role in providing ecosystem services and products (e.g. biodiversity, carbon sequestration, water yield and timber). Spatially quantifying ecosystem services and interactions will shed light on sustainable forest management. Main forest ecosystem services including carbon storage, water yield, soil retention and wood volume in the Ganjiang River Basin (GRB) were evaluated and mapped through the integrated use of InVEST3.1.0, CASA modeling and ArcGIS10.2, and relationships between forest ecosystem services and natural or social-economic factors were quantified and discussed based on ArcGIS10.2 and SPSS19.0. Results showed that the spatial pattern of the four ecosystem services is heterogeneous. Forests dominated by broad-leaved forest and bamboo forest in mountainous regions around the GRB provided the largest carbon storage and wood volume services, while forests dominated by Masson pine plantations or Chinese fir plantations in the northeast provided the largest water yield service. The spatial pattern of the soil retention service is more discrete than others, and forests in the southwestern regions showed larger soil erosion modulus than in the northeastern regions. Ecosystem services are closely related to the environmental process and human activities. With altitude or slope increases, the carbon storage and wood volume of forests increased and water yield depth and soil retention decreased. When the regional total population decreased or GDP per capita increased, carbon storage and wood volume increased. Further research into the interactions between environmental factors and ecosystem services is needed in order to understand environmental constraints when dealing with ecological problems.     

中国陆地生态系统的碳储量及其空间格局(英文)

地球系统的碳库变化和碳循环过程机制是气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策的科学基础,受到科技界和国际社会的广泛关注。从20世纪80年代中后期开始,中国学者就开展了陆地生态系统碳循环研究工作,并且在许多研究领域都取得了可喜的进展。本文在回顾中国的陆地生态系统碳循环研究发展历程基础上,重点评述陆地生态系统的碳储量及其空间格局方面的研究成果,评价有关研究的不确定性以及亟待解决的重要科学问题。分析表明,中国的陆地生态系统碳循环研究经过了陆地生态系统碳循环的前期研究、区域尺度生态系统碳循环综合研究、生态系统碳循环过程对环境变化适应性实验研究,以及生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理研究4个主要发展阶段。大多的研究表明,中国陆地生态系统碳储量及其空间格局是温度和降水控制的。全国土壤、森林和草地植被储存约为97.95 —118.93 Pg C;自20世纪70年代中期以来,我国的植树造林和林业管理、草地保护、农作制度改革和保护性耕作等措施发挥了重要的固碳功能,但是各种方法评估的结果仍然存在较大不确定性。今后的研究重点工作是建立天地空一体化碳储量和碳汇动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国区域生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

气候变化、火干扰与生态系统碳循环

 随着全球变暖的日益显著,气候变化及其影响越来越受到广泛关注。火干扰作为森林生态系统碳循环的一个重要组成部分,其干扰过程是对碳的再分配过程,因而对区域乃至全球的碳循环产生重要影响。气候变化、火干扰与生态系统碳循环三者之间存在因果循环关系,正确认识气候变化与火干扰的复杂关系及双向反馈作用,以及火干扰在生态系统碳循环中的作用,这对制定科学合理的火干扰管理策略,提高生态系统管理水平,减少碳排放,促进碳增汇,减缓全球变化速率均有重要意义。从两个方面阐述了气候变化、火干扰与生态系统碳循环之间的交互作用关系：气候变化与火干扰相互影响关系及双向反馈作用,分别从气候变化对火干扰的影响及火干扰对气候变化的影响两个方面阐述了两者之间的相互影响关系;火干扰与森林生态系统碳循环的交互作用,分别从火干扰对森林生态系统碳循环的影响及模型方法在模拟火干扰对森林生态系统碳循环影响中的应用两个方面论述火干扰对森林生态系统碳循环的影响及其定量评价模型方法。目前火干扰直接碳排放的模型方法比较完善,而间接影响碳循环的模型方法并不成熟,许多方法局限于定性描述,因此,应进一步探讨集成实地测量、遥感观测和模型模拟的跨尺度火干扰对碳循环的影响研究,注重尺度的转换问题。最后,提出了气候变暖背景下火干扰管理的路径选择,以及对今后的研究方向进行了展望。     

鄂尔多斯市生态系统服务权衡与协同分析

鄂尔多斯市是中国北方农牧交错带的中心,经济快速发展的同时带来生态环境巨大的压力,该区域生态系统服务及其相互关联的变化对半干旱地区的可持续发展具有重要意义。本文基于2000、2010年鄂尔多斯市的食物供给、碳储存、产水量以及土壤保持4种关键生态系统服务供给核算,采用相关分析探究栅格尺度上4种服务之间的权衡与协同关系,并引入玫瑰图对比不同土地利用类型的生态系统服务关联特征差异。研究结果表明：①2000-2010年鄂尔多斯市生态系统服务整体增强,平均食物供给量由99.5 kg·hm^-2增至224.2 kg·hm^-2,碳储存量由8.32 t·hm^-2增至8.41 t·hm^-2,平均产水量由153.64 mm增至291.90 mm,土壤保持量平均值由47.79 kg·hm^-2增至59.04 t·hm^-2;②产水与土壤保持之间存在协同关系(相关系数分别为0.972和0.771),食物供给与土壤保持之间存在协同关系(相关系数分别为0.505、0.736),食物供给和碳储存之间存在权衡关系(相关系数分别为-0.584、-0.512);③多重生态系统服务供给的热点区主要分布在鄂尔多斯市东部;④产水量和土壤保持、碳储存在耕地和林地中呈现此消彼长的变化方式,而在草地中4种生态系统服务同时增加。     

基于FLUS-InVEST模型的中国未来土地利用变化及其对碳储量影响的模拟

基于代表性浓度路径情景（Representative Concentration Pathways, RCPs）,耦合FLUS-InVEST（Future Land Use Simulation-Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs, FLUS-InVEST）模型,以土地利用视角模拟了中国2100年的陆地生态系统碳储量,探讨其空间分异。结果表明：1）历史土地利用变化作用下,中国生态系统碳储量减少中心由华北地区转向东北地区,增加中心由西北地区转向西南地区;碳储量的减少由林地生态系统转向草地生态系统。2）未来RCPs情景下,中国林地生态系统碳储量都将持续增加,草地生态系统碳储量持续减少。RCP 6.0情景下,中国林地面积将增加9.43%左右,草地面积减少5.42%,全国林地碳储量较2010年增加2 332.64 Tg,而草地碳储量将损失1 719.03 Tg。在RCP 8.5情景下,全国林地面积增加5.15%,草地面积将减少5.10%,林地碳储量较2010年将增加1 754.59 Tg,草地碳储量将损失2 468.80 Tg。3）RCP 6.0情景对未来碳汇贡献度较RCP 8.5情景大。在RCP 6.0情景下,植被地上碳储量和表层土壤碳储量分别净增加127.12和83.67 Tg。但在RCP 8.5情景下,植被地上碳储量和表层土壤碳储量分别净减少24.67和32.41 Tg。4）不同RCPs情景下,碳储量增长均集中在横断山-秦岭-太行山-大兴安岭和雪峰山-太行山-大兴安岭两带;减少区域主要分布于云贵高原、四川盆地和京津冀地区。     

中国陆地自然植被碳量空间分布特征探讨

陆地生态系统在全球碳循环动力学中的作用受到越来越多的注意。目前中国森林覆盖率为1392% , 到本世纪末全国森林覆盖率将达到15% , 对全球碳平衡具有重要作用。但是,由于我国碳循环的基础研究比较落后,致使我国陆地生态系统的碳储量和净第一性生产力 （NPP） 碳量还没有被准确确定, 而且陆地生态系统的碳通量估计存在较大差异。     

遥感在土壤碳储量估算中的应用

土壤碳库是陆地生态系统碳库的主体,在全球碳平衡中具有重要作用。从20世纪70年代早期Landsat-MSS数据的使用开始,各种传感器的卫星多光谱测量开始广泛应用于土壤调查中。首先,分析了利用遥感方法估算土壤碳储量的可行性。之后,系统分析总结了国内外在土壤碳储量研究中的常用遥感方法,即遥感影像直接估算法、植被指数法和光谱测定分析法。最后,对遥感在土壤碳储量估算研究中的发展趋势做出展望。