海南热带雨林国家公园的多情景土地利用模拟与碳储存预测分析

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Multi-scenario land use simulation and carbon storage prediction analysis in the Hainan Tropical Rainforest National Park

本研究以海南热带雨林国家公园为对象，利用PLUS-InVEST模型分析1980-2020年土地利用变化对碳封存的影响，并预测2035年不同发展情景下的碳储量。结果表明，森林面积显著增加推动碳储量先降后升，生态保护政策使2035年碳储量达110.85 Tg，较自然发展和旅游发展情景分别高1.28 Tg和1.64 Tg。空间格局显示高海拔区域碳密度稳定，而东部高海拔地区（如Bawangling）存在显著波动。研究强调需平衡生态保护与经济发展，以维持高碳密度区域的稳定性。

　　在全球气候变化日益严峻的背景下，保护性区域如国家公园在碳封存方面发挥着至关重要的作用。这些区域不仅是生物多样性的庇护所，同时也是维持区域生态平衡和减缓气候变化的重要碳汇。然而，如何在保护生态环境的同时满足区域经济发展的需求，成为全球面临的重大挑战之一。中国海南热带雨林国家公园（HNTRNP）作为中国首个以热带雨林为核心的国家公园，其在碳封存方面的潜力与面临的土地利用变化压力，成为本研究的重点。

HNTRNP位于中国海南岛中部，地理范围覆盖了从18°33′16″到19°14′16″北纬和从108°44′32″到110°04′43″东经之间的区域。该公园面积达4,269.32平方公里，涵盖了东部的五指山和西部的黎母山地区。自2019年试点以来，HNTRNP于2021年正式设立，其独特的“大陆岛屿型”热带雨林生态系统，不仅是中国热带生物多样性和遗传资源的重要庇护地，也对全球热带雨林保护具有重要意义。公园的边界依据地理特征如山脉和水系划定，并结合国家空间规划，划分为七个管理区：五指山、大岭山、霸王岭、尖峰岭、黎母山、营根岭和毛瑞。其中，核心保护区面积为2,331平方公里，占公园总面积的54.6%，而一般控制区则占45.4%。核心保护区主要用于保护热带雨林生态系统，而一般控制区则兼顾区域社会经济发展的需求，是当地居民生活的重要区域，共有约22,800人居住。

为了全面评估HNTRNP的碳封存动态，本研究采用了PLUS-InVEST模型，该模型结合了土地利用模拟与碳封存评估功能，能够精准模拟土地利用变化对碳储量的影响。研究时间跨度为1980年至2020年，同时对2035年的碳封存潜力进行了预测。研究整合了10个自然和经济社会变量，包括地形高程、坡度、降水、植被指数、与水体的距离、与道路的距离、GDP密度、人口密度等，这些变量不仅反映了自然环境对土地利用的约束，也体现了人类活动对生态系统的影响。

研究结果表明，在过去四十年中，HNTRNP的森林面积持续增长，而草地和耕地面积则逐渐减少。这种变化导致了碳封存的波动模式：1980年至2010年间，碳储量经历了显著的下降，减少了0.65吨（Tg），而2010年至2020年间则出现了快速上升的趋势。尽管整体碳封存格局保持稳定，但东部高海拔区域如霸王岭、营根岭、五指山和大岭山则表现出明显的空间差异。这些区域由于受到基础设施建设、水库修建以及旅游开发等人类活动的影响，碳储量的变化更加剧烈，反映出生态系统对外部压力的敏感性。

研究还发现，生态保护政策在遏制城市扩张和提升碳封存能力方面发挥了关键作用。根据模拟结果，到2035年，生态保护（EP）情景下的碳储量预计将达到110.85 Tg，比自然发展（ND）情景高出1.28 Tg（1.17%），比旅游发展（TD）情景高出1.64 Tg（1.50%）。这一结果凸显了生态政策在维持碳封存稳定性和提升生态系统服务方面的重要性。相比之下，自然发展和旅游发展情景下，碳储量的增长受到一定限制，尤其是旅游发展情景下，由于土地利用变化导致的碳储量减少幅度较大，反映出经济开发可能对碳封存能力产生负面影响。

研究进一步揭示了不同土地利用情景对碳封存格局的影响。在自然发展情景下，尽管森林面积略有增长，但耕地和水体面积的扩张对碳封存构成一定压力。在旅游发展情景下，城市和基础设施的扩展更为显著，尤其是对核心森林区域的侵占，可能破坏生态系统的稳定性，导致碳封存能力下降。而在生态保护情景下，政策干预有效遏制了耕地和城市扩张，同时促进了草地向森林的转化，从而显著提升了碳封存水平。这表明，有效的土地管理策略不仅有助于维持生态系统的完整性，还能增强其作为碳汇的功能。

从空间分布来看，HNTRNP的碳封存能力主要集中在森林生态系统中，而水体和城市区域则碳封存能力较低。这种格局在不同时间段内保持相对稳定，但在某些区域如霸王岭和五指山，碳封存的变化更为显著。这些区域由于水库建设、农业扩张和旅游开发，经历了较大的土地利用变化，导致碳储量波动。然而，随着生态修复政策的实施，这些区域的碳封存能力逐渐恢复，显示出生态恢复在提升碳封存潜力方面的积极作用。

研究还探讨了不同土地利用类型对碳封存的影响。森林作为主要的碳汇，其碳密度显著高于耕地和城市区域。研究发现，森林的碳封存能力受到地形高程、植被指数和与水体的距离等因素的强烈影响。高海拔地区由于气候条件适宜，植被茂密，因此碳封存能力更强，而低洼地区由于人类活动频繁，碳封存能力相对较弱。此外，草地向森林的转化在提高碳封存能力方面也发挥了重要作用，尤其是在生态敏感区域和规划中的恢复区域。

从时间维度来看，研究揭示了HNTRNP碳封存能力的演变趋势。在1980年至2000年间，碳封存能力相对稳定，但2000年至2010年间，由于水库建设导致的耕地流失，碳封存能力出现了显著下降。而在2010年至2020年间，随着生态修复政策的推进，碳封存能力逐渐回升。这一变化趋势表明，人类活动和自然因素的共同作用决定了碳封存的动态变化。同时，研究也指出，由于缺乏对HNTRNP特定区域碳密度的详细数据，模型预测可能存在一定的误差。因此，未来研究应结合地面激光雷达（LiDAR）扫描和长期碳通量监测，以更精确地评估不同生态系统类型的碳封存能力。

此外，研究还强调了不同管理策略对碳封存的影响。生态保护政策不仅能够有效限制耕地和城市扩张，还能通过草地向森林的转化，提升区域碳封存能力。相比之下，旅游发展情景下的碳封存能力下降更为显著，这与旅游基础设施的扩张和土地利用变化密切相关。因此，在制定政策时，应充分考虑不同土地利用类型对碳封存的潜在影响，以确保生态系统的可持续性。

综上所述，本研究通过PLUS-InVEST模型，系统分析了HNTRNP过去四十年的土地利用变化及其对碳封存能力的影响，并对未来2035年的碳封存潜力进行了预测。研究结果表明，生态保护政策在提升碳封存能力和维持生态系统的稳定性方面具有显著优势。同时，研究也指出了当前模型在数据精度和空间分辨率方面的局限性，建议未来通过更精细的数据采集和模型优化，进一步提升碳封存评估的准确性。这一研究不仅为HNTRNP的生态保护和管理提供了科学依据，也为全球其他热带雨林生态系统的碳封存评估和管理提供了可借鉴的经验。