巨災脅迫下植被碳儲量地域分異規律研究*

邱鈴珂，曾 文，戴 玥，李俊輝，邊 昂，蓋宏坤，第寶鋒

(1.四川大學 建筑與環境學院，四川 成都 610065； 2.四川大學-香港理工大學 災后重建與管理學院，四川 成都 610207；3.四川大學 計算機學院，四川 成都 610065)

伴隨IPCC《全球1.5℃溫升特別報告》的發布和第26屆聯合國氣候變化大會的召開，氣候變化受到越來越多的重視?！疤贾泻汀北徽J為是應對氣候變化的有效方式[1]。實現碳中和的關鍵在于碳源、碳匯的平衡，主要的碳匯包括植物光合作用和海洋吸收，其中，森林碳匯在減少大氣中溫室氣體的濃度和減緩全球變暖方面發揮著重要作用[2-3]。森林生態系統碳儲量占陸地生態碳儲量的46.6%[4]。厘清森林生態系統碳儲量的地域分異規律對高效利用森林碳儲能力和具有重要意義。

國內外學者對森林生態系統的碳儲量和碳匯功能進行了大量研究[5-7]，森林生態系統的碳儲量受到多種因素的影響，其中，自然災害(如地震)是重要影響因素之一[8]。地震會部分或徹底地毀壞自然生態系統的結構與功能，尤其是災害易發的山區生態系統，受災退化后更加難以恢復[9]。強烈的沖擊和余震引起的地表形變，以及滑坡、泥石流等次生災害會導致地震災區內樹木的死亡率升高，從而改變區域碳源碳匯平衡[8,10-11]。地震引起的植被破壞或造成陸地生物量的減少、二氧化碳排放量的增加以及土地表面反照率的變化，或在一定程度上通過影響局部氣候進而影響全球變暖進程[12]。地震對森林的直接破壞和隨后的有機物質降解，導致森林在震后數年中被視為二氧化碳的潛在來源[8,13]。

震級≥6級的地震被稱為強震，強震影響范圍廣、脅迫作用持續時間長等特點導致受災區域碳儲量的地域分異復雜，但國內外對地震帶來的植被碳儲量時空變化定量研究較少。本研究以汶川地震重災區為研究區，通過定量估算該區域2001—2019年間逐年碳儲量，探究地震對于區域碳儲量的影響，厘清震損植被碳儲量地域分異的特征規律，探索地震及其他因素對碳儲量變化的驅動作用。研究成果可服務汶川地震影響區生態恢復重建工作，同時可為碳中和目標提供有關森林碳儲量的數據支撐。主要研究內容包括以下三個部分：①地震災區植被碳儲量地域分異特征研究。探究地震前后研究區域內年植被碳儲量的時空變化趨勢，厘清地震災區植被碳儲量地域分異規律以及震后碳儲量恢復特征；②地震及相關因素對植被碳儲量影響研究。提取地震前后不同地震烈度區域植被碳儲量變化情況，定量表述單位面積植被碳儲量變化與地震烈度之間的關系，以及斷裂帶、同震滑坡對于植被碳儲量的影響；③非地震因素對植被碳儲量的影響。探討氣候、人類活動等對于地震重災區植被碳儲量的影響。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

以汶川地震重災區作為研究區，考慮空間連續性與受災嚴重程度，以極重災區內的10個和重災區內的37個縣(市、區)作為研究區[14]。汶川地震重災區地處四川盆地西緣，為四川盆地向青藏高原的過渡地帶[15]，地跨四川、甘肅、陜西三省，海拔跨度約275～7 124 m，整個地勢由西北向東南傾斜，西部以高山峽谷區為主，東部以平原、丘陵為主[16]。研究區內復雜的地形與氣候特點造就了良好的植被生長條件，植被類型豐富，植被分布呈垂直地帶性規律[17]。此外，區內構造活動復雜，地形被嚴重割斷，地震活動較為頻發，山區災害頻發[18]。汶川地震具有震級強、破裂帶長、地表破壞強烈、余震多且震級高的特點[19]，因此，由汶川地震導致的森林生態系統功能的改變也較一般災害更為明顯。

1.2 數據來源

本研究數據包括土地利用、地質災害、土壤等，涉及MODIS系列產品、遙感資料等柵格、矢量、數值數據，數據分辨率及來源見表1。

所有柵格數據均使用最鄰近法重采樣至500 m柵格大小，投影至統一的投影坐標系，生成GeoTiff格式數據。研究區域生態多樣性較為豐富，土地利用類型多樣，故土地利用類型進一步選用國際地球圈—生物圈計劃(IGBP)分類的數據類型，再進行整理與合并。研究區域內地震烈度分布情況是利用GIS地理空間配準矢量化汶川地震烈度分布得到。同震滑坡區分布數據使用ArcMap篩選出面積50 000 m2以上的滑坡區域，共計2 273個，總面積218.77 km2。

圖1 汶川地震重災區概況及行政區劃示意圖(審圖號：GSGS(2016)2923號，底圖無修改，下同 。災害范圍來源于《汶川地震災害范圍評估結果》[14])

表1 關鍵數據構成及特征

1.3 研究方法

1.3.1 碳儲量計算方法

碳儲量計算采用生態系統服務和權衡綜合評估模型(InVEST,Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)，由美國斯坦福大學、大自然保護協會和世界自然基金會聯合開發[25]。國內基于InVEST模型研究區域總碳儲量的研究較多，包括使用InVEST模型評價生態質量、碳儲量功能、水源供給功能等多項生態系統服務與生態系統功能[26-27]，以及運用InVEST進行碳儲量計算[7,28]?？傮w上看，InVEST模型具有需要的數據量較少，模型簡單便捷，輸出結果具有很強的空間表達性等優點[27]，為評價區域碳儲量與研究其空間分布提供了較可靠的方法。

InVEST模型以土地利用覆被類型為評估單元，根據不同覆被類型的分類情況，分別計算不同地類的地上碳庫、地下碳庫、土壤碳庫和死亡有機碳庫的平均碳密度，然后用各種地類的面積與碳密度相乘并求和，計算得到研究區域的總碳儲量[25]。InVEST模型的碳儲量模塊計算公式為：

C=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil。

(1)

式中：Cabove為地上碳儲量，Cbelow為地下碳儲量，Cdead為死亡有機碳儲量，Csoil為土壤碳儲量。

1.3.2 碳儲量地域分異研究方法

碳儲量地域分異分析采用slope趨勢分析方法。slope趨勢分析是對逐個柵格進行一元線性回歸，分析其在時間序列的變化趨勢，單像元趨勢的組合即可呈現出空間整體的變化特征和規律。在研究時間段內，根據逐年的碳儲量，可計算模擬研究區各柵格碳儲量的年際變化趨勢。計算方法如下：

(2)

式中：n為研究時長(年)，i為初始值為1的年份序列數，Ci為第i年碳儲量值。θslope值為線性方程的斜率(即變化趨勢)，當θslope>0時，表明該柵格單位內的碳儲量值在研究期間呈現增加趨勢；θslope<0則表明該柵格碳儲量值呈現減少趨勢。

2 碳儲量時空變化特征分析

2.1 碳儲量空間分布特征

2.1.1 區域碳儲量分布規律

研究基于多源時空數據和InVEST模型計算得到了2001—2019年間研究區單位面積碳儲量的均值(圖2)，汶川地震重災區碳儲量的高值區主要集中在山地林區、龍門山及北部的高山峽谷區中的大面積混交林、闊葉林和草地，氣候溫和，森林覆蓋率高。而汶川地震震中位于碳儲量高值區附近，對森林碳儲量的威脅較為強烈。研究區內較低水平的碳儲量主要集中在東南部，主要為平原地形，農田和稀樹灌木草叢分布面積廣闊；北部武都區、成縣、徽縣等地碳儲量也較低；西南部小金縣、理縣、汶川縣、寶興縣四縣交界處主要為干旱河谷區，屬于西南地區特殊山地類型，有大量高山峽谷，海拔落差大，氣候干旱，導致區域內生態環境脆弱，碳儲量也較低。

圖2 研究區單位面積平均碳儲量空間分布圖(2001—2019年)

2.1.2 地貌對碳儲量分異的影響

參考《第一次全國地理國情普查公報》中的海拔、坡度分級分類方法，將汶川地震重災區內的海拔分為低海拔區(0～1 000 m)、中海拔區(1 000～3 500 m)、高海拔區(3 500～5 000 m)和極高海拔區(5 000 m以上)，將坡度分為平坡地(0°～2°)、較平坡地(2°～5°)、緩坡地(5°～15°)、較緩坡地(15°～25°)、陡坡地(25°～35°)和極陡坡地(35°～90°)六大類，統計各海拔和分區內年度單位面積平均碳儲量水平(圖3)。

圖3 研究區海拔及坡度分級的逐年平均碳儲量

由圖3可知，由海拔分級的變化可知，中海拔區域單位面積平均碳儲量最高，高海拔次之，低海拔和極高海拔最低。低海拔區用地類型主要為建設用地、耕地、灌叢等，中海拔區林地比例增大，而隨著海拔進一步上升，氣溫降低，降水減少，林地植物生長受限，高海拔區域與極高海拔區單位面積平均碳儲量明顯減小。由坡度分級的變化可知，研究區單位面積平均碳儲量隨坡度升高，同樣呈增大—峰值—減小變化特征，而單位面積平均碳儲量是在相對較高坡度(即陡坡地)范圍內才達到峰值。

對比汶川地震震前、震后階段逐年平均碳儲量，從海拔分類看，震前震后研究區覆被在海拔上的變化趨勢具有一致性，均呈現增大—峰值—減小趨勢，除造成覆被退化外，地震對區域碳儲量在海拔方面的分異特征未造成明顯影響；從坡度分類看，較緩坡地、陡坡地與極陡坡地的單位面積平均碳儲量均在震后下降，說明地震對區域碳儲量的坡度分異特征影響較為明顯。

2.2 碳儲量時間變化趨勢

2.2.1 區域碳儲量變化趨勢

分區統計并繪制不同區域對應的碳儲量變化情況(圖4)。地震后區域總碳儲量較2007年損失7.36×106tC，下降率為1.22%。烈度Ⅹ及Ⅺ度區域碳儲量在震后2年(2008—2010年)間持續下降，2010年時兩個區域的碳儲量損失分別為震前多年平均碳儲量水平的6.61%和14.74%，此后碳儲量開始緩慢恢復，且2019年時烈度Ⅹ度區域大致恢復到震前水平，Ⅺ度區域則仍未恢復到震前水平(約為震前多年平均碳儲量水平的91.77%)。研究大區域范圍及低烈度區(烈度Ⅵ～Ⅸ度區域)的總碳儲量整體均呈現上升趨勢，研究區域碳儲量每年上升約1.45×106tC(即0.12 tC/(hm2·a))，僅在2001—2002年、2006—2008年期間受到多因素干擾有所下降；低烈度區的上升幅度約0.13 tC/(hm2·a)。低烈度區與烈度Ⅹ及Ⅺ度區域震后碳儲量的變化趨勢顯示出地震對于距離震中越近的位置碳儲量破壞越明顯。

圖4 不同區域碳儲量年際變化(2001—2019年)

2.2.2 碳儲量的slope趨勢分析

為進一步分析逐像元總碳儲量的變化趨勢，采用式(2)計算逐像元的斜率slope，使用均值—標準差法進行等級的劃分，得到2001—2019年變化斜率slope的空間分布。由圖5可知，2001—2019年間汶川地震重災區范圍內大部分區域屬于總碳儲量無明顯變化(-22≤slope<24)的區域，碳儲量較為穩定；碳儲量呈明顯減少(slope<-35)的區域主要分布在烈度Ⅹ及Ⅺ度區域；碳儲量明顯增加(slope≥41)的區域主要分布在研究區東北部，主要分布于烈度Ⅷ度區域，且遠離地震震中；研究區東南部部分地區呈現中度減少(-35≤slope<-23)與輕度減少(-23≤slope<﹣10)，且分布于烈度Ⅶ度區域，地震烈度較小?？芍?，地震影響下的重災區碳儲量變化趨勢和地震烈度有一定關系，對碳儲量的變化進行分烈度區域的分析以更好地揭示這一規律。

地震發生后，2008—2010年間烈度Ⅹ及Ⅺ度區域植被受較強烈的地震干擾，碳儲量下降，而烈度較低區域的碳儲量則呈上升趨勢，故總碳儲量在兩年間呈較快速的恢復；而2010—2016年間研究區總碳儲量平穩增加，但區域差異較大，烈度較高區域及東北部植被逐漸恢復，碳儲量逐漸增大，而東南部廣漢市、德陽市等地碳儲量呈下降趨勢。

圖5 區域碳儲量變化趨勢空間分布

圖6 不同地震烈度區域逐年平均碳儲量

2.2.3 不同烈度區域的碳儲量變化情況

以地震發生后所劃分的地震烈度區為空間上的研究單元，統計不同烈度區域內的單位面積年平均碳儲量(圖6)。由圖6可知，地震發生前，研究區內單位面積平均碳儲量顯示出隨烈度增大而升高的趨勢，大約從42 tC/hm2上升到69 tC/hm2，震中附近森林較為密集，故烈度高區也是碳儲量高值區域。在空間分布上，研究區內西北部高原邊緣區和龍門山區內植被景觀多樣性最為豐富，以闊葉林、針闊混交林為主，盆地范圍內的低山丘陵地區次之，而平原地區則最低，其植被類型組成相對較為單一，以人工植被和農田為主[29,30]。

在時間序列上，2001—2019年間，低烈度區內碳儲量呈上升趨勢，而烈度Ⅹ及Ⅺ度區域內的碳儲量呈現先上升—下降—上升趨勢。地震發生后，烈度Ⅹ及Ⅺ度區域的單位面積平均碳儲量發生了較大程度的降低，分別降為64.06 tC/hm2和58.18 tC/hm2。災后植被的恢復包括人工干預和自然恢復兩種形式，主要方式為人工植苗造林、人工點撒播、封山育林、自然演替等[17,31]。

3 碳儲量變化的驅動力分析

3.1 地震及相關因素對植被碳儲量的影響

不同地震烈度區域的單位面積平均碳儲量變化情況如圖7所示。地震烈度越大，地震造成的單位面積碳儲量損失越高。在地震烈度為Ⅵ～Ⅷ度的區域，地震前后單位面積平均碳儲量幾乎不變；而在地震烈度Ⅸ度以上的區域，隨著地震烈度的增大，單位面積碳儲量隨之降低，并且變化幅度逐漸增大，烈度Ⅺ度區域震后單位面積平均碳儲量下降達7.29 tC/hm2，約為烈度Ⅹ度區域下降的2倍、Ⅸ度區域下降的14倍。

圖7 震后不同地震烈度區域的單位面積平均碳儲量變化

由地震造成的植被碳儲量減少在破壞嚴重的高地震烈度區現象明顯，在低烈度區現象不明顯。鄔麗娟[32]研究發現地震前后的植被覆蓋變化在一定程度上可以反映烈度的分布特征。歐陽志云等[15]計算得出地震烈度為Ⅸ～Ⅺ的地區內森林面積減少了744 km2。本研究中震后高地震烈度區域中植被碳儲量的明顯下降，符含高烈度區內植被遭受嚴重破壞。

圖8為汶川地震后碳儲量損失點的空間分布，疊加重災區范圍內分布的斷裂帶和同震滑坡分布可知：震后碳儲量損失較高的區域與龍門山地震斷裂帶及同震滑坡區具有空間耦合性。斷裂帶區域地質運動活躍、地形復雜，是余震及次生山地災害高頻區。斷裂帶上的構造破碎會直接影響上覆的現代森林冠層，通過隔離大量斑塊而改變其結構，造成地面暴露于不同的水文條件，導致普遍的樹木死亡[33]、植被碳儲量的損失。

圖8 震后植被碳儲量損失點及斷裂帶的空間分布(注：斷裂帶參考中國地震局數據)

地震引發的滑坡、泥石流以及其他地質災害會對森林造成嚴重破壞[34]。也是導致植被碳儲量下降的重要因素。熊軻等[35]認為山區強震及其誘發的滑坡、崩塌等次生地質災害會嚴重破壞土體的整體性，導致坡體失穩，植被破壞，產生大量的松散堆積物，可以進一步解釋我們的結果。孫崇紹等[36]發現中國隨地震發生的崩塌、滑坡大多發生在Ⅶ度及Ⅶ度以上的地區，Ⅷ度以上發生的可能性急劇增大，數次規模特大、破壞特重的滑坡都發生在Ⅸ度及以上的地區。WANG等[37]研究地震對于生態系統的影響得知，汶川地震Ⅹ和Ⅺ度地震烈度區占整個地震影響區生態系統服務損失的80%以上，Ⅷ和Ⅸ度區域也遭受了一些損失，但不如Ⅹ和Ⅺ度區域嚴重。以上研究都與本研究結論一致。在小范圍內，地震導致的山體滑坡可能會掩埋森林，導致連續的森林破碎為斑塊化[38]。地震引起的土地表面裂縫和松散的土壤層可能直接引起森林植被破壞或傾斜、折斷和倒塌[8]。HILTON等[13]發現，從長期的角度來看，地震及同震滑坡導致南阿爾卑斯山西部地區的森林碳儲量下降，下降速率約為0.05～0.09 tC/(hm2·a)。DUAN等[39]提出汶川地震中生態系統服務退化主要集中在地震烈度Ⅹ和Ⅺ度區，同時也是同震滑坡密集區域，體現了地震及其次生災害對于生態的巨大影響，所以烈度Ⅹ度及以上的地區是促進碳匯恢復的關鍵區域。

3.2 非地震因素對植被碳儲量變化的影響

除地震因素外，非地震因素對區域植被碳儲量變化的影響是普遍存在的。

除2008年受地震影響外，2002年及2006年碳儲量仍存在下降情況(圖4)。對比2001年和2002年的土地利用狀況可知，2年間的碳儲量下降主要是由平原丘陵區域的土地利用類型轉變引起的，包括稀疏灌木草叢轉換為農用地及城市及建筑區[40]，以及在退耕還林初期，地表擾動大且林木覆蓋率低，土壤侵蝕反而加強，土壤養分及持水能力下降，導致植被覆蓋有所降低[41-42]，造成了較大的碳儲量損失。隨著2000年后退耕還林還草政策的實施，這些區域總體上碳儲量較為穩定，并在此后逐步得到改善。對比2006年和2007年的土地利用狀況并結合氣象條件可知，2年間的下降主要是由土地利用變化導致的，大約804 km2的混交林轉換為稀樹灌木草叢，而土地利用變化與2006年夏季發生在川渝地區的高溫干旱有關，森林和草地植被長勢差于近3年同期[43]，凈生態系統生產力亦低于多年平均水平[44]，植被固碳能力減弱。

除高地震烈度區外，研究區東南部還存在較大面積的碳儲量下降情況(圖5)。對比土地利用類型圖和遙感圖像可知，2001—2019年間研究區域南部的中江縣、什邡市、德陽市、廣漢市和綿竹市等平原與丘陵區碳儲量總體呈下降趨勢，主要是由農田的開墾與城市和建筑區的擴張造成的[40]。2001—2019年間青川縣、市中區、朝天區、旺蒼縣等縣市碳儲量呈現較明顯的上升趨勢，主要是因為該區域遠離汶川地震震中，地震烈度較小，且隨著退耕還林還草工程的實施，人工林種植面積較大。

4 結論

本文在研究汶川地震重災區2001—2019年區域碳儲量時空變化特征的基礎上，分析汶川地震烈度及土地利用改變等因素對區域碳儲量的影響，為分析地震對植被碳儲量的影響及驅動因素提供了研究思路，為管理地震災區植被，恢復災區植被碳儲存能力提供了數據支撐。得到主要研究結論如下：

(1)碳儲量空間分布特征。研究區單位面積平均碳儲量隨海拔與坡度升高，都呈增大—峰值—減小的變化特征，但單位面積平均碳儲量是在相對較高的陡坡地(坡度范圍25°～35°)內達到峰值。地震對區域碳儲量的海拔分異特征未造成明顯影響，而地震對坡度分異特征影響則較為顯著，尤其是陡坡地與極陡坡地范圍。

(2)碳儲量時間變化趨勢。研究期間，研究區域總碳儲量大致呈現上升趨勢，每年上升約1.45×106tC。2008—2010年間區域總碳儲量快速恢復，2010—2016年間總碳儲量穩步上升。受地震影響強烈的烈度Ⅹ及Ⅺ度區域單位面積平均碳儲量在震后兩年間持續下降，2010年時兩個區域的碳儲量損失分別為震前多年平均碳儲量水平的6.61%和14.74%，此后碳儲量開始緩慢恢復，且2019年時烈度Ⅹ度區域大致恢復到震前水平，Ⅺ度區域則僅恢復到震前多年平均水平的91.77%。

(3)地震及相關因素對植被碳儲量的影響。地震后碳儲量損失較高的區域大致沿龍門山斷裂帶分布。地震烈度越大，同震滑坡越密集，地震及其次生災害造成的單位面積碳儲量損失越高。在地震烈度為Ⅵ～Ⅷ度的區域，地震前后單位面積平均碳儲量幾乎不變；在地震烈度Ⅸ度以上的區域，隨著地震烈度的增大，單位面積碳儲量隨之降低，并且變化幅度逐漸增大，烈度Ⅺ度區域震后單位面積平均碳儲量下降達7.29 tC/hm2，約為烈度Ⅹ度區域下降的2倍，烈度Ⅸ度區域下降的14倍。

(4)非地震因素對植被碳儲量的影響。研究期間受干旱、退耕還林、城市擴張、農田開墾等因素影響，碳儲量在年際間表現出一定的波動性，2002年及2006年研究區碳儲量存在下降情況，但總體呈現上升趨勢。