SCI TOTAL ENVIRON | 在土地利用变化条件下大气CO2与陆地植被碳吸收的关系研究
01.文章导读
土地利用结构和格局的变化对大气CO2浓度分布和陆地碳吸收均有影响。本研究结合了历史时期和SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5等四个情景下时间跨度为1850-2100年间的全球CO2浓度、净初级生产力（NPP）和土地利用数据。本文构造了全球土地利用强度水平指数(LUI)，并采用了偏相关分析的方法计算与CO2浓度与NPP在持续变化的土地利用强度下的相关性水平。结果表明，在不同土地利用类型下NPP水平中，全球林地的NPP增长率最高，分别在未来SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5场景下达到0.54gC·m-2, 2.06 g C·m-2和4.64gC·m-2。而NPP与大气CO2的平均相关性水平在结合土地利用效应和非土地利用效应下分别为0.34~0.68和0.32~0.61。得到大气中CO2浓度的增强可以刺激陆地植被对碳的吸收，同时合理的土地利用规划可以提高CO2的增肥效应。相关研究发现增强了大气CO2与陆地植被碳储的关系认知并可为保护陆地碳储量和土地利用管理提供数据支撑。
02.研究结果
本文计算了全球的土地利用强度，其空间变化反映在不同土地利用强度类型的区域集聚分布上。土地利用强度的高价值地区主要集中在非洲、印度的中西部地区和北美的东部地区，其LUI值大于0.8。在这些地区中，非洲和印度的中部和西部地区的人类活动强度较大，这主要是由于农田的比例较大。北美东部地区的城市用地较多，因此土地利用强度值高于其他地区。
图1 历史情景（1850-2015）和未来情景（2015-2100）下的LUI区域空间分布：(a)历史情景；(b) SSP1-2.6情景；(c) SSP2-4.5情景；(d) SSP5-8.5情景
与历史情景相比，在SSP1-2000-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5条件下，2015-2100年全球土地利用强度没有明显增加。其中SSP1-2.6情景下的土地利用强度在2080年之前有所下降。这是因为该情景追求生态保护，自2015年以来，对森林和草地的需求有所增加。2080年以后，耕地的百分比略有增加，导致土地利用强度略有增加，但仍是三种情景中的最低水平。
图1 历史（1850-2015）和未来情景（2015-2100）下，LUI和全球土地利用的变化，(a) LUI (b)土地利用结构
自1850年以来，各类型土地利用的土地都不断波动和增加。 所有类型土地利用的平均NPP从260.08g C m-2增加到2015年的358.61g C m-2。农地、林地和草地价值分别增加了38.21%、38.01%和53.78%。在SSP-RCPs情景下，SSP5-8.5情景下的NPP增长最快，远高于过去150年的NPP的增长率。农田、林地和草地的NPP也迅速增加，达到了839.57 g C m-2，1017.21 g C m-2，605.46 g C m-2.在SSP2-4.5情景下，NPP的增长率与过去150年的增长趋势相似，并在2050年左右开始放缓。在SSP2-4.5情景下，农田、林地和草地的NPP在2100年达到640.02g C m-2，778.02g C m-2，427.43g C m-2。在SSP1-2.6情景下，农田、林地和草地的NPP略有增加，在2100年分别达到640.02g C m-2，778.02g C m-2，427.43g C m-2。在SSP5-8.5、SSP2-4.5和SSP1-2.6情景下，林地的NPP均最高，其生长速率显著高于其他土地利用类型。
图2 NPP的年平均时间演变规律历史（1850-2015年）和未来情景（2015-2100年）各土地利用类型：(a)总土地；(b)农田；(c)林地；(d)草原；(e)城市土地；(f)其他植被
采用相关分析方法检验NPP与CO2之间的关系四种情景下的平均相关系数为0.29~0.63，说明人类活动越频繁，土地利用越强烈，CO2在相应的空间中存在的浓度越高。这与由人类活动中产生的碳排放引起的大气中CO2浓度的不均匀分布有关。同时，与SSP1-2.6和SSP5-8.5情景相比，历史情景和SSP2-4.5情景下的相关系数集中。在NPP与LUI的相关分析中，平均相关系数均为正，范围为0.19~0.36，说明土地利用管理行为越密集，对陆地碳库积累的影响越积极。
图3 在历史情景（1850-2015年）和未来情景（2015-2100年）下的NPP、CO2以及LUI之间的相关性分析，(a)CO2-LUI; (b) NPP-LUI; (c) NPP-CO2; (d) NPP-CO2在控制LUI效应下
为了更好地了解NPP、CO2与土地利用强度（LUI）之间的关系，我们进一步补充了回归分析，主要比较了模型中土地利用强度的影响，具体细节如表1所示。首先，这四种情况下的P值均小于0.05，表明模型是有效的。就拟合优度值而言，它们大于0.5，这表明模型拟合良好。就影响系数而言，CO2和土地利用强度对NPP均具有正向影响。在比较相同情景下是否增加土地利用强度指数时，可以发现CO2的影响减弱，这与偏相关分析情况下LUI的影响方向和机制一致。
表1 不同情景下NPP、CO2和土地利用强度之间的回归模型
比较无/有控制LUI的NPP分别为0.34~0.68和0.32-0.61。CO2促进陆地碳吸收和不同的土地利用强度有不同的影响。在空间分布上，除了在北半球中纬度和南半球等一些地区呈负相关外，全球NPP和CO2在LUI控制下，呈显著的空间正相关。此外，在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5三种情景下，NPP与CO2之间的相关性逐渐增加，通过比较NPP和二氧化碳对/不控制LUI的敏感性（相关系数），SSP2-4.5情景下热带地区合理土地利用管理对土地碳库的吸收具有增益效应。在SSP5-8.5情景下，考虑LUI时，欧亚大陆北部寒冷区林地和美国西部干旱地区的陆地碳库吸收显著增加，植被碳固存明显。
图4 LUI控制条件下的NPP-CO2的相关系数空间分布图：历史情景（1850-2015）和未来情景（2015-2100）, (a)历史情景；(b) SSP1-2.6情景；(c) SSP2-4.5情景；(d) SSP5-8.5情景
03讨论
全球陆地NPP的水平和分布受到气候带分布（温度和降水）和土地利用类型分布的影响（Wang et al.,2022）。土地利用类型也影响全球CO2的空间异质性，表现为城市土地的扩张和林地等主要地区的低碳汇。在时间尺度上，NPP和大气CO2的变化趋势是一致的。一方面，热力条件的变化，包括温度和降水的增加，都是由全球CO2浓度的上升引起的，强化了全球植被NPP。另一方面，CO2的肥效增强了植被的碳吸收。考虑到土地利用变化等人为因素，这一发现仍然是可靠的。在空间上，热带地区对陆地碳汇最敏感。在SSP2-4.5情景下，热带地区的敏感性增加幅度最高，主要是由于热带造林的影响。这一发现与最近的研究结果一致（Baccini et al. 2017）。这表明，热带地区可能是陆地碳吸收的主要区域，也突出了热带地区森林管理的重要性。
原文链接：Jiang, Sijian, et al. "Unevenly distributed CO2 and its impacts on terrestrial carbon uptake under the changing land uses." Science of The Total Environment 903 (2023): 166805.
(蒋思坚 供稿)
