海南岛陆地生态系统碳平衡时空演变及人类活动主导作用的多模型解析

《iScience》：Spatiotemporal changes in the carbon balance of terrestrial ecosystems and analysis of driving factors: A case study of Hainan Province

本研究针对全球变暖背景下热带生态系统碳循环机制不清的问题，以中国生态文明试验区海南岛为案例，集成InVEST模型与改进的NEP模型，揭示了2000-2022年间碳平衡的时空变化规律。研究发现海南岛呈现强碳汇功能（年固碳22.52 Tg C yr-1），空间分布呈现"中部高、沿海低"的格局，并通过地理探测器定量解析出人类活动（71.33%）对碳平衡的影响远超气候变化（28.67%），其中土地利用类型转变是最主导驱动因子。该成果为热带岛屿碳管理提供了科学依据，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。

　　

随着全球工业化的快速发展，地球气候系统正经历着前所未有的变化。IPCC第六次评估报告显示，1901-2020年间全球地表温度已上升约1.1℃。特别是自20世纪末以来，变暖速度明显加快，给全球气候系统和生态环境带来日益严峻的挑战。在这一背景下，减少温室气体排放和增强生态系统碳储汇能力被视为应对气候变化的关键策略。中国作为负责任的大国，提出了"双碳"目标，迫切需要分析生态系统碳平衡现状与变化规律，探索地理要素和人类活动对碳平衡的影响机制，为区域低碳发展提供科学依据。

海南岛作为中国唯一的热带岛屿省份，被确定为国家生态文明试验区，在碳平衡研究中具有特殊的战略地位。该岛拥有热带雨林、红树林等多样生态系统，具备巨大的碳汇潜力。然而，以往对海南岛的研究多集中于碳储量方面，针对碳平衡特别是气候变化与人类活动对其影响的研究仍较缺乏。正是在这样的背景下，叶巧茹团队在《iScience》上发表了最新研究成果，系统揭示了海南岛陆地生态系统碳平衡的时空变化特征及驱动机制。

研究团队综合运用了多源数据与模型方法：基于30米分辨率土地利用数据（CLCD）和500米分辨率净初级生产力数据（MOD17A3HGF），采用InVEST模型的碳存储模块估算碳储量，结合改进的净生态系统生产力（NEP）模型计算碳通量，通过趋势分析、相关分析和残差分析量化气候与人类活动贡献率，并利用地理探测器（GeoDetector）识别关键驱动因子。

碳储量和NEP的变化特征

碳储量空间分布呈现明显异质性，高值区集中在岛屿中部，低值区呈环状分布于沿海地带。2000-2022年平均碳储量为134.99 Mg hm^-2，碳储量增加面积显著大于减少面积，增加区域主要分布在海南岛北部和东北部城市。NEP分布显示中部高、周边低的格局，平均值为676.68 g C m^-2 yr^-1，年固碳能力达22.52 Tg C yr^-1，表明海南岛陆地生态系统整体呈碳汇功能。碳源区主要分布在沿海发达城市区域，而沿海地区因城市绿地建设投入增加，NEP水平显著提升。

碳平衡的时空变化特征

时间序列上，碳平衡呈现波动变化特征：2000-2005年波动下降，2005-2010年显著上升，2010-2022年再次波动下降。变化速率分别为-0.38 Mg hm^-2 yr^-1、0.78 Mg hm^-2 yr^-1和-0.28 Mg hm^-2 yr^-1。2009年出现峰值（146.07 Mg hm^-2），2005年为谷值（141.77 Mg hm^-2）。不同生态系统中，森林碳平衡值最高（超过160.19 Mg hm^-2），灌丛、耕地和草地在100.72-121.24 Mg hm^-2之间，不透水面和裸地最低（-0.49至36.61 Mg hm^-2）。

空间分布上，碳平衡呈现中部高、周边低的明显梯度特征，从沿海向内陆逐渐增加。平均碳平衡为143.84 Mg hm^-2，高于长期平均值的区域占63.18%，主要分布在白沙黎族自治县、琼中黎族苗族自治县等中部地区，涵盖海南热带雨林国家公园范围。显著增加区域集中在沿海农业区，减少区域主要位于内陆森林与耕地交界带。

气候变化和人类活动对碳平衡时空演变的影响

降水与碳平衡的相关性影响范围大于温度，这与海南岛植被覆盖度高、退耕还林政策实施后受降水影响的植被比例增加有关。然而，碳排放的快速增长导致陆地碳汇抵消碳排放的比例从1990-2000年的30.97%下降到2010-2021年的14.69%，因此降水变化对碳平衡总体呈负向影响。

人类活动对碳平衡变化的贡献率高达71.33%，远超气候变化的28.67%。土地利用转变是最主要的人类活动影响形式，2000-2022年间土地利用变化总面积达6424.82 km²，森林和耕地变化最为显著。其中森林转为其他类型的面积达3392.16 km²，其他类型转为森林面积为2475.53 km²；耕地转出2755.87 km²，转入3489.96 km²。

碳平衡驱动因子影响分析

地理探测器结果显示，土地利用（q=0.595）和NDVI（归一化植被指数）（q=0.577）是影响碳平衡的最主要因素。GDP、植被类型、土壤类型等因子q值在0.4-0.5之间，也表现出显著影响。而温度、高程、坡度等地形因子影响较小（q<0.25），这与海南岛以低山丘陵为主、温度年际变化较小有关。

因子交互作用检测表明，两因子交互作用均表现为非线性增强或双因子增强。土地利用与高程的交互作用影响力最大（q=0.649），其次是NDVI与高程（q=0.641）。地形因子间交互作用影响相对较小，如温度与坡向的交互作用q值仅为0.134。

研究结论强调，海南岛陆地生态系统整体表现为强碳汇功能，碳平衡空间分布受自然因素和人类活动共同影响，但人类活动占据主导地位。2005-2010年碳平衡显著上升与"十一五"期间大规模植树造林、社会造林等工程密切相关，森林覆盖率从55.6%提高到60.2%。而2010年后碳平衡波动下降则与海南国际旅游岛建设带来的建设用地扩张有关，建设用地面积增加了122.46%。

该研究的实践意义在于为热带岛屿碳管理提供了科学依据。建议在强碳源区加强绿色规划建设，增加绿化面积以恢复碳汇功能；同时减少人类活动对碳平衡的干扰，降低土地开发强度，科学规划土地生产与发展布局。未来研究需进一步细化研究目标，深入探索碳平衡转换的内在机制，为全球热带岛屿生态保护和碳管理提供更多借鉴。

研究的局限性主要在于碳密度数据基于前人研究，对红树林等复杂土地利用类型缺乏实测数据；土地利用转移矩阵分析未考虑阶段性转换特征。未来研究应充分应用高精度探测仪器和新技术手段，获取更多实地数据进行验证。