气候变化背景下中国森林碳储量对未来土地利用变化的响应趋势

《Environmental and Sustainability Indicators》：Future response trend of forest carbon storage to land cover change in China under climate change

本研究针对全球变暖背景下中国森林碳储量的时空动态预测难题，通过构建集成自然因素与人类活动约束的综合模型，模拟了五种共享社会经济路径（SSP）情景下2020年代至2090年代中国森林碳储量的演变。研究发现中国森林碳储量总体呈增长趋势，SSP3-7.0情景下增长率最高（26.46%），空间上呈现东西经向波动和南北纬向抛物线型分布格局，土地利用变化通过转化平衡和转化质量双重途径影响碳储量，为制定差异化的气候适应与碳管理策略提供了科学依据。

　　

在全球气候变暖的严峻挑战下，森林作为重要的陆地碳汇，其碳储量的变化直接影响着大气二氧化碳浓度和气候变化进程。中国作为世界上人工林面积最大的国家，提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的宏伟目标，森林生态系统在其中扮演着关键角色。然而，中国森林类型多样，分布广泛，从寒温带针叶林到热带雨林应有尽有，不同区域的森林碳储量特征差异显著。同时，快速的城市化进程、农业扩张等人类活动通过改变土地利用方式，正在深刻影响森林生态系统的结构和功能。目前，预测未来森林碳储量动态主要面临两大挑战：一是如何准确量化气候变化和人类活动的共同影响；二是如何在不同社会经济发展路径下评估森林碳汇的潜在变化。

为了回答这些问题，研究人员在《Environmental and Sustainability Indicators》上发表了题为“Future response trend of forest carbon storage to land cover change in China under climate change”的研究论文。该研究创新性地构建了一个综合评估框架，模拟了五种共享社会经济路径（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP4-3.4、SSP5-8.5）下，2020年代至2090年代中国森林碳储量的时空动态变化，特别关注了土地利用变化的影响以及受自然和基本人类活动约束的现实碳储存路径。

研究人员采用了多步骤建模方法：首先开发了一个土地利用变化模型，通过整合自然因素（如气候、地形）、人类活动（如GDP、人口变化）和政策约束，预测未来土地利用情景；其次，利用XGBoost算法构建了森林碳储量模拟框架，将遥感反演的森林生物量碳数据与降水、温度、DEM、坡向、坡度、降水方位系数、林龄和土地利用等多维生态驱动因子相结合，模拟森林碳动态。研究还使用了高精度曲面建模（HASM）方法对气候数据进行降尺度处理，确保数据精度。模型验证表明，土地利用模拟的Kappa系数达0.957，碳储量模拟的R2为0.77，显示出较高的可靠性。

3.1. 多种情景下中国森林碳储量的时间维度动态变化

研究发现，五种未来气候情景下中国森林碳储量均呈现增长趋势，但各情景增长特征不同。总体而言，SSP1-2.6情景下增长相对稳定（24.84%），SSP2-4.5为25.09%，SSP4-3.4为24.23%，而SSP3-7.0情景下增长最为显著（26.46%），即使在高排放高增长的SSP5-8.5情景下也有显著增长（25.82%）。从时间演变看，2020年代至2030年代所有情景均呈现初始增长，碳储量增加约0.47-0.52 Gt C；2030年代至2050年代增长幅度下降约34%-50%；2050年代至2090年代增长趋于稳定，十年平均增量在0.73-0.82 Gt C之间。

3.2. 多种情景下中国森林碳储量的空间维度动态格局

空间上，中国森林碳储量在经度和纬度方向上均表现出显著变异。经向变化受森林覆盖度和地形影响：西部碳储量低且稳定，中部波动剧烈且多峰，东部呈波动下降。纬向变化受气候适宜性和森林分布驱动，呈现南北抛物线型格局——低纬和高纬地区碳储量较低，中纬地区达到峰值且波动较大。不同情景下，各经纬度带的碳储量总值和变化范围存在差异，体现了各情景特有的增长趋势特征。

4.1. 森林碳储量对土地利用变化的响应

土地利用变化通过两种途径影响森林碳储量：一是转化平衡，即非林地转为林地的净增益会促进碳储存，而林地转为其他用途可能会抑制碳储存；二是转化质量，即损失的高碳成熟林与增加的低碳幼龄林之间的质量差距影响碳储量。不同情景下，这种影响机制各异：SSP1-2.6情景下，生态友好型土地利用方式促进了碳储存；SSP2-4.5情景下，经济增长与生态保护相对平衡；SSP3-7.0情景下，高强度资源开发导致森林损失增加；SSP4-3.4情景下，区域差异化发展影响了碳储存格局；SSP5-8.5情景下，无约束的经济扩张导致碳储存增长受限。

4.2. 模型不确定性分析

与现有研究相比，本研究的碳储量预测值相对保守，主要源于模拟驱动因素和人类活动干预强度的差异。大多数现有研究包含了森林面积扩张的假设和高强度人为固碳活动，而本研究强调在自然和基本人类活动约束下的现实碳储存路径。方法论上，传统模型多关注森林内在生长潜力，而本研究通过整合环境约束和人类活动被动影响，强化了现实世界的限制条件。

本研究系统评估了未来气候情景下中国森林碳储量的时空动态，揭示了土地利用变化对碳储存的影响机制。研究结果表明，中国森林碳储量在未来几十年内具有持续增长潜力，但增长模式和幅度因气候情景和区域特征而异。这些发现强调了未来森林管理和气候减缓策略必须适应多样化的气候情景和区域社会经济条件，以确保森林保护和碳储存保护措施的最优实施。研究提出的综合评估框架为理解人类活动与气候变化对森林碳循环的复合影响提供了新视角，为制定针对性的碳管理政策提供了科学依据，对实现中国双碳目标和全球气候治理具有重要意义。