在中国过去300多年土地利用变化及其与碳循环的关系外文翻译资料

在中国过去300多年土地利用变化及其与碳循环的关系

GE Quan Sheng¹, DAI Jun Hu¹ , HE Fan Neng¹, PAN Yuan¹amp; WANG Meng Mai^1,2

1中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101;

2中国科学院研究生院，北京100049

中国的土地利用和土地覆被在过去300年间有了很大的变化，林地面积突然下降，耕地面积急剧增加，可能对陆地碳循环造成影响的太大。第一手材料用于分析土地利用的主要特征研究期间中国土地覆被变化。可以从中得出以下结论研究。中国农田面积从1661年的60.78times;10⁶ 平方公顷至1998年的96.09times;10⁶平方公顷 。相应地，林地面积由在1700年的248.13times;10⁶ 平方公顷到在1949年109.01times;10⁶平方公顷 。受这些变化的影响，陆地生态系统碳储量同时下降。碳损失和土地覆被变化主要包括植被生物量的损失泥。在过去的300 年，约3.70 Pg C从植被生物量和土壤的排放中丧失，范围从0.80~5.84 Pg C.土壤损失的适度评估为2.48 Pg C.总损失植被和土壤在4.50和9.54 Pg C之间。中度和最佳评估是6.18 Pg C.这样的碳损失分布在不同的地区，相比于其他地区，碳损失更多显着在东北和西南地区，因为森林损失在过去300年，这两个地区的土地远远大于其他地区。和其他地区的碳损失也是显而易见的，如内蒙古，华南西部，新疆维吾尔自治区和青藏高原。但来自中国的传统农业地区碳损失很少，如华北和华东地区。研究中国土地利用与土地覆被变化与碳循环的关系表明，土地活动特别是与农业和森林管理有关的活动开始影响陆地碳储量近年来积极增长。

土地利用是人类改变生物 - 陆地生态系统的大规模生产力，也是一个影响碳循环过程的重要因素，带来地球生态系统碳源和汇的变化 [1]。在过去300年，随着世界人口快速增长，不断增加的人类活动和自然农田前所未有的扩张，植被面积急剧下降，[2- 4]。在过去的250年，CO₂的浓度增长了31％（plusmn;4％），是由人类活动的排放造成的。而人类活动总碳排放量的四分之一是由土地利用变化造成的[5]。在过去150年，化石燃料燃烧，水泥生产等人类活动，是以CO₂的形式释放了270（plusmn;30）Pg C至大气。同期，土地利用变化已释放136（plusmn;50）- 156 Pg C到大气，这是人类总人数的三分之一以上[1,6]。近年来，土地利用的变化和土地覆盖在土地和大气之间作为碳交换中的碳源 [7- 13]。

目前，土地利用变化和碳循环已经越来越受到关注。碳排放的结果在霍夫顿等人归因于土地利用的变化 [5,14- 16]被引用了很多次。 Schimel等[12]声称碳循环未来研究的主要焦点在历史过程中。 2006年，Kaupp等[17]阿纳基于粮农组织公布的数据分析了全球森林的变化及其影响，考虑到陆地生态系统中的碳储存两个指标，其中包括森林面积和密度，采用的方法是“森林身份“，这项研究得到了广泛的关注。

在对土地利用变化和碳循环历史研究中出现了一项重要技术生态系统是霍顿等人使用的簿记模型[14,18,19]，他们在1983年开始建立簿记模式，已经用它来估算由于工业化导致的土地利用变化而引起的全球碳排放量[18]。这个全球研究后来被改善了数次，越来越多的人对它感兴趣[20,21]。另外，在世界各国和其他地区他们也用其他的模型，如热带地区【22]，赤道亚洲[23]，美国[24] 和中国[19]，在这个领域，他们那里都有重要的文件。

研究历史土地利用变化和陆地生态系统碳循环之间的关系的关键因素是材料和数据。最近的土地利用变化和碳循环的信息和数据是比较丰富的，各种土地调查和遥感影像都能够收集数据[7]。在历史时期，历史土地利用和碳的数据来源一直是研究人员面临的一个重大挑战区。近年来，在研究的倡导计划下，如BIOME300，LUCC，GLP（全球土地项目）和I LEAPS，研究人员已经做出广泛的尝试还原过去的环境，特别是过去300 年全球土地利用变化 [25]。全球范围内有两个项目非常重视[26,27]。一个是历史数据 - 全球环境基地（HYDE），它是由Neth-埃尔兰环境评估局开启的，另外一个是由全球土地使用数据库创建和维护的位于全球环境与可持续发展美国威斯康星大学中心（智者）[28]。这两个土地使用的原始数据来源后来被处理以创建一个新的数据库称为土地利用变化数据库[27]。虽然他们都是网格数字产品，可以令人满意地反映全球趋势，但这个数据库也有些不足。而且，历史上关于土地利用的文件往往是非常有限的，很大的部分土地数据是间接推断的，如人口和消费数据。此外，在推论中，历史的实际和预测实际上的主体性被加入到“数据库”。这是非常重要的事实，在类似的工作中需要避免。

为了研究在陆地生态系统中的碳源和碳汇，我们必须追踪土地利用的变化和通过分析森林生态系统的生物量流定期的森林清查数据对此有一个深深的理解[19]。森林中的生物量碳密度与许多物理因素密切相关，如温度和降水量，也受到农业政策和林业管理的影响。这是一个信息丰富的植被指标生态学，随时间和空间变化很大。全球范围的大规模研究森林生产力和生物量开始于在20世纪60年代的国际生物学计划（IBP）[29]。后来中国的类似研究开始了并取得了很大进展。各种天然花卉的生物量数据[30] 以及区域性已获得生物质密度[31]- 33]。Fang等人使用生物质转化因子分析库存数据并获得不同地点森林的碳密度。土壤密度由其物理化学特性决定的。

中国传统上是一个农业人口众多的。因此，中国农地一直是重点的全球关注。近年来国际学者对中国的土地利用变化表现出极大的兴趣。他们从不同的角度估计出中国历史上特别是在过去的300年的土地利用变化和碳排放。然而，在我们看来，由于信息有限和缺乏对中国的实际情况的足够意识，这些研究不太客观，

本研究分析了土地利用的特点过去300年中国的变化，主要是由作者记录的历史事实的文章[36- 38]。然后使用一个相关的模型估计此期间关于陆地生态系统的碳储存的土地利用变化的影响。 我们希望这项研究会描绘出更客观的画面，为历史土地利用变化提供理论依据以及对环境影响进行科学分析提供依据。

1数据和方法概述

1.1数据源

为了清楚地了解碳循环，在陆地生态系统中，我们必须准确地测量确保碳密度，并进行碳储存通量的深入分析，这需要广泛的有关土地利用变化的数据。

（1）土地利用变化数据。在过去300 年，有大量的中国历史文献中记录了与土地有关的活动，文化和林业。所有这些文件都记录下来了土地利用细节直接或间接变化，这使得它们对研究土地使用是有价值的。但是，在这个时期，三个不同的中国时期有不同的土地政策，养殖经济和税收制度很难行统计分析。我们需要仔细选择不同时期相关可靠的文件作为我们的数据源。

（一）清代。 数据的主要来源从官方历史，地方志，分类书，旅行计划，文人笔记，官吏，文人语料库等。另外我们也提到了这些信息清代土地使用资料，研究[39- 41]。其中,农田数据主要来自Ge等人的估计[36]，相关研究李[42]和珀金斯[43] 被引用借鉴。为了了解清代森林地区改变的，除了以上文件，主要参考文献也包括凌的研究成果[44]，Fan[45]，陈[46]和Ma[47]。林地资料主要来自He[38]。

（二）中华民国期间。 对于农田数据，我们在有关的调查中引用到政府机构和the Agricultural Economics Department of Jinling University，包括研究贝克的结果[48]，巴克[49]，张，乔等[50]以及相关的统计资料，部分包括统计部门。此外，这个时期由李[42]和何浩[51] 的研究也是重要参考。关于林地资料，对上述文件和研究结果，中国森林的历史信息来自Liang[39] 。

（三）中华人民共和国时期（1949年~当下）。国家统计局公布自1949年以来省耕地面积数据使用情况。虽然这些调查与那些不同国土资源部（含前者）国家土地管理局）调查，两者强烈相关且相互依存，大致与我们的分析相一致。国家统计局的调查更系统化，覆盖更长时间段。

这一时期的林地资料主要来自于全国林业资源清查林业部门。这些数据是由合理的方法进行收集的包含大量信息[35]。中国学者有使用这一系列数据来检查碳储存中国森林生态系统森林植被[34]。不同时期的多元信息可以分为三类。第一是历史清代和共和国的材料，中国通过各种历史书籍，一代又一代文学家的图画和作品，以获得本研究中的数据。第二个是政府调查统计资料，是农田研究的主要数据，来源中华民国和后期的林地。第三是以前研究人员的文献相关领域主要土地信息的农田数据，从历史文献中可以看出，相邻的平均时间间距农田数据是26 年。而林地资料为依据在基本年份的数字和估计信息插值和数据的方法根据间隔50 年进行回溯。空间尺度也受到关注，这些数据都是基于财政统计单位，参考森林地区的主要变化，特别是填海活动。

（2）植被和土壤的碳密度数据。我们的计算使用碳密度平均值[31] ，在过去几个库存的森林生物量中，根据七个库存数据计算的期间。对于碳密度，我们Wang[52] 估计的结果和Liu等[53] 基于第二个国家调查土壤中含有2473种土壤剖面。在本文中碳密度计算基于原始数据库的土壤有机碳含量（图1（b））。

1.2 方法

与现代土地利用研究不同，存在一些历史土地利用研究的困难，如统计方法，土地资料特征，丰富的数据，数据校准，更重要的还有校正同化。对于土地利用变化和碳循环之间的关系，重建生态系统，建立了簿记模式从而霍夫顿应用颇多被广泛认可并有很大的影响。

（1）数据处理。土地上的历史数据源在历史背景，覆盖面，测量系统，数据性质，程度，可靠性等是非常庞大的，因此，处理数据，修改错误，解决分歧显得尤为重要。

首先我们比较不同期间相同类型的数据来找出他们的联系和区别。对于农田的变化，税收记录用作代理数据可以从实际种植区抽取这些记录进行适当的转换。以防万一我们需要其他相关文件用作代理数据。例如，晚清时期的农田面积指数，和中华民国早期由国民政府统计局制定[54]， 被使用估计相关领域的农田面积数据，其中包含1913年。

然后使用信息对称校正，时间横截面和不同时期数据整合，来源于各种资源的原始数据被处理形成一组一致的数据系列[36- 38]。

（2）土地利用变化与碳循环的关系。在陆地生态系统中有三种方法对土地利用变化与碳的关系进行调查。第一种方法是计算陆地生态环境碳储量变化，基于植被和土壤生物量密度的系统对于不同的土地覆盖，使用土地信息使用类型及其相应的土地覆盖和土壤变化。第二种方法是关注森林库存数据。森林是主要的碳库，85％的地球的生物量是土地覆盖和森林植被[55]。因此，分析森林可以帮助我们更好地了解陆地碳循环的动力学主要组合。第三种方法是量化环境因素和陆生植被生产之间的关系，并建立参数模型。使用这些模型，可以估计陆地植被生物量和碳的变化存储。然而，不同模型展现出的可以大不一致。此外，没有模型可以准确的估计全球碳平衡量 [19]。因此，参数模型是不可用于宏观尺度的。因此在分析土地利用变化的基础上的直接计算，是估计全球和洲际尺度的生态系统陆地碳储存的方法。Houghton等人的簿记模式是来执行这种方法的重要技术 [14,18,24]。

1.3记账模式概述

记账模式首先被Houghton等人使用[14,18,19,24]，研究碳源和水槽的结果是来自9个世界各地的土地利用变化和管理。基于两个数据类型的计算：第一是土地利用变化的数据，第二是由土地使用和土地管理使碳密度变化而引起的数据。

记账模式跟踪储存在植被、死植物材料，不同土地类型的木材产品，土壤中的碳的数量。被认为是定量描述每个碳库的碳循环从“摇篮“到”坟墓“的有效方法。从这个模型可以看出，陆地生态系统与大气之间的碳通量可以确定。该方法考虑了所有生物质形式的碳的动力学，受土地利用变化影响的复兴生态系统，包括生物体，土壤，垃圾和木制品。虽然这个模型是一个计数模型，但它包含很多基本的生态过程，其表现为各种各样的的扰动曲线。

在本文中，使用簿记模型，基于多个森林面积变化和耕地数据。我们评估了在中国过去300年土地利用变化对地面碳储存的影响。

（1）土地利用变化造成的地面植被碳储量变化。这里的土地利用变化主要是指各种人类活动引起的毁坏。森林被毁后，被堆积在现场，主要是长条的切口，其余的是重新搬并运用于建筑，家具制作，或作为碳燃料燃烧等。基于霍顿[18,23]等人于1983年和1999年的方法，我们假设被破坏的生物量的40％森林留在现场，逐渐以0.1 a的速度移入土壤。被移除的生物量将最终以不同氧化速率的二氧化碳的形式释放到大气中。我们假设20％的生物量在1 年处被快速氧化，30％变成了短寿命产品，以0.1 a氧化，和休息时间为0.01 a。最终，在这些方法中释放的碳总数相当于碳由地面生物量变化引起的排放。

（2）由土地利用变化导致的土壤碳储量变化。森林砍伐和随后土壤有机碳的变化是非常复杂的农业生态过程，许多研究得出相当有争议的结论。根据一些研究[56,57]，森林砍伐会导致土壤有机碳的大量损失。特别是，如果森林转化为牧场，土壤有机碳内容将在5 年中减少20％，而如果森林转为农田，同期减少40％。换句话说，在20- 50 年，森林的土地转换将造成损失高达20％- 50％的有机物碳。一般来说，大部分亏损是由表面有机物侵蚀引起的。看

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