热带泥炭地转化为油棕榈树的遥感证据
简讯：
全球对粮食和生物燃料的高需求正在推动热带地区的森林砍伐。油棕扩张导致东南亚生物多样性下降和碳排放。到目前为止，这些影响在很大程度上仍未量化。研究团队制作了马来西亚半岛（200万公顷）、婆罗洲（240万公顷）和苏门答腊（390万公顷）封闭树冠油棕种植园的250米空间分辨率地图。研究证明，到21世纪初，该地区6%（≈880,000公顷）的热带泥炭地已转变为油棕种植园，这导致婆罗洲生物多样性减少1%，苏门答腊减少3.4%，马来西亚半岛减少12.1%。这种变化还导致地上生物量碳损失约1.4亿兆克，泥炭氧化造成的地下碳年排放量约460万兆克。
到2010年，有230万公顷的泥炭沼泽森林被砍伐，目前成为退化土地。在这些空地上重新造林可提高生物多样性达约20%，而种植油棕则会加剧物种损失约12%。为了保护该地区的生物多样性和碳储量，保护和重新造林工作应针对中加里曼丹、廖内和西加里曼丹，这些地区保留了东南亚四分之三的剩余泥炭沼泽森林。
1.研究背景
近十年全球森林砍伐率依然让人担忧，前五个原始森林损失率最高的国家是巴西、巴布亚新几内亚、几内亚、加蓬、印度尼西亚和秘鲁，它们每年合计损失了360万公顷的原始森林面积。这主要是由于农业和林业的扩张所致。一个典型的例子是东南亚的油棕农业。印度尼西亚和马来西亚拥有东南亚剩余原始森林的80%（约5100万公顷）。这些森林提供重要的生态系统服务，该地区的泥炭沼泽林（即热带泥炭地上的原始森林）既含有该地区特有的高浓度物种，又是泥炭和生物质碳的重要储存库。将泥炭地转化为油棕种植园已导致生物多样性大幅减少和碳排放问题。
然而，科学家们对导致东南亚油棕发展的土地利用变化的历史路径知之甚少。油棕种植业不仅在东南亚地区扩张，还在其他拥有丰富森林资源的国家如巴布亚新几内亚、哥伦比亚和利比里亚继续发展。填补这一知识空白的需求变得愈发紧迫。
本研究主要目标是：
(i) 绘制2010年马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地闭冠油棕种植园的250米空间分辨率地图；
(ii) 量化2000年代初热带泥炭地的油棕扩张程度；
(iii) 基于矩阵校准物种面积模型，模拟将泥炭沼泽林转换为油棕种植园的生物多样性影响；
(iv) 估算由于泥炭地森林砍伐而导致的地上和地下碳排放量及丧失的碳封存服务的规模；
(v) 预测该地区泥炭地未来土地利用替代方案对环境的影响。
2.研究方法
（1）绘制油棕地图
通过250米空间分辨率的陆地覆盖地图，利用MODIS图像和其他数据源，包括数字高程数据、泥炭地分布图和ALOS卫星数据，来确定油棕园的范围和分布。采用三步方法来绘制油棕园地图：无监督分类、视觉检查和人工划定基本地类、利用ALOS合成孔径雷达数据识别有闭合树冠的油棕园。由于限制条件，只能识别面积大于200公顷且树冠密度大于80%的成熟油棕园。通过与IKONOS卫星图像进行验证，评估绘制方法的准确性，并计算错误识别的油棕园样本比例。研究中定义的地类包括泥炭沼泽森林、再生林、混交林、郁闭树冠油棕和已开垦泥炭地等。
（2）生物多样性变化建模
使用基于矩阵校正的物种-面积模型来模拟生物多样性的变化。这个模型考虑了原始森林覆盖变化和每个异质景观矩阵组成对各类生物的特定响应。通过区分景观情景之间矩阵组成的差异，该模型可以将生物多样性的任何变化归因于特定的土地利用转变。
矩阵校正的物种-面积模型将物种-面积模型的斜率（z值）分为两个部分：γ表示常数，σ表示对转变的栖息地敏感性的度量。该模型还考虑到了土地利用变化导致的多种质量不同的栖息地类型的镶嵌情况，通过将物种对每个异质转变景观组分的响应进行面积加权平均来纳入模型中。在研究中，以森林栖息鸟类为指标，计算了它们在陆地桥岛群上的物种-面积关系的坡度平均值，作为矩阵校正模型中的γ值。此外，根据已有的数据确定了鸟类对已开垦泥炭地、郁闭树冠油棕、再生混交林和再生森林的敏感性（即σ值）：
对于每个区域/子区域，通过比较两个景观情景（油棕开发前和油棕开发后）之间的预期生物多样性结果，对油棕转化导致的生物多样性损失进行建模。在油棕开发后的情景中，通过将矩阵校正的物种-面积模型应用于当前泥炭地组成（表1）上，预测泥炭地景观中剩余生物多样性的百分比。
在油棕开发前的情景中，假设所有现有的油棕种植区域被泥炭沼泽森林占据，并进行相同的预测。通过比较这两种情景下的生物多样性预测差异，量化由于油棕转换导致的生物多样性损失的百分比。为了计算绝对的生物多样性损失，将这些百分比生物多样性损失的预测应用于已知的区域泥炭沼泽森林中出现的鸟类物种数量（马来西亚半岛：381种；苏门答腊：463种；婆罗洲：396种）。该研究中的生物多样性损失指的是局部物种灭绝（即，种群灭绝）。此外，由于物种“灭绝”的滞后效应，我们的物种丧失预测将包括被判定灭绝的持久物种。
此外，还对已开垦的泥炭地进行了三种不同土地利用过渡情景下的生物多样性变化建模：（i）油棕种植（已开垦的泥炭地转为油棕种植）；（ii）混交林再生（已开垦泥炭地转为混交林）；（iii）森林再生（已开垦的泥炭地转为再生森林）。进行蒙特卡洛模拟，以考虑物种-面积关系的斜率（γ值）和鸟类对每个土地覆盖类型的敏感性（σ值）的变动。通过100,000次模拟运行，将来自平均值和标准差的随机化γ和σ值输入到物种-面积模型中，计算每个景观/土地利用过渡情景下剩余生物多样性的均值和标准误差。
表1 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地泥炭地的组成。
（3）估算油棕转化产生的碳排放量
假设所有泥炭地上的油棕种植园都是由泥炭沼泽森林转化而来，中间没有其他土地利用方式。计算了泥炭沼泽森林（179.7 ± 38.2 Mg/ha）和油棕（24.2 ± 8.1 Mg/ha）之间地上生物量碳的差异，得出泥炭沼泽森林转化为油棕将导致净碳损失为155.5 ± 39.2 Mg/ha。根据油棕的土壤呼吸和沉积物凋落和根系死亡等因素估算泥炭碳排放，得出泥炭沼泽森林转化为油棕将导致净泥炭碳排放为5.2 ± 1.1 Mg/ha·y−1。以泥炭沼泽森林内泥炭积累速率（0.75 ± 0.25 Mg/ha·y−1）来量化碳固定服务的损失。。
3.研究结果
马来半岛（2百万公顷）、婆罗洲（2.4百万公顷）和苏门答腊（3.9百万公顷）共有8.3百万公顷的闭合冠层油棕种植园（图1和表2）。这些种植园中约有十分之一建立在泥炭地上，总计约为88万公顷（占总泥炭地面积的6%）（表1）。遭受泥炭沼泽森林最严重转化为油棕的五个子区域分别是：雷朝（约24万公顷）、马来半岛（约24万公顷）、北苏门答腊（约11万公顷）、砂拉越（约10万公顷）和西苏门答腊（约3.2万公顷）（图2和表1）。
图1 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地的闭冠油棕种植园和热带泥炭地的分布（PM，马来西亚半岛；SW，沙拉越；SB，沙巴；WK，西加里曼丹；CK，中加里曼丹；SK，南加里曼丹；EK，东加里曼丹；AC，亚齐；NS，北苏门答腊；RI，雷朝；WS，西苏门答腊；JB，詹比；BK，明古鲁；SS，南苏门答腊；LP，楠榜）。
表2 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地的封闭冠层油棕榈种植园，按种植园所在的土壤类型区分。
图2 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地的泥炭地组成。柱宽反映了各分区域泥炭地的相对面积。另见表1（PM，马来西亚半岛；SW，沙拉越；SB，沙巴；WK，西加里曼丹；CK，中加里曼丹；SK，南加里曼丹；EK，东加里曼丹；AC，亚齐；NS，北苏门答腊；RI，雷朝；WS，西苏门答腊；JB，詹比；BK，明古鲁；SS，南苏门答腊；LP，楠榜）。
到2000年代初，在三个研究地区，即婆罗洲、苏门答腊和马来半岛，泥炭沼泽森林转为油棕种植园可能导致当地栖息的约3%的森林鸟类灭绝。在子区域层面上，预计的生物多样性损失范围从中加里曼丹的0.2%到明古鲁的约35%不等。这种土地利用变化可能导致了约1.4亿兆克的地上生物量碳净损失，并每年排放约460万兆克的泥炭氧化下地碳（表3）。泥炭沼泽森林的丧失还意味着通过泥炭积累所提供的碳封存服务的丧失，约每年达到66万兆克的碳。
表3 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊低地泥炭沼泽林转化为油棕榈种植园造成的生物多样性和碳损失。
截至2010年，总共有230万公顷的泥炭沼泽森林被已开垦，这大约相当于新泽西州的土地面积。尽管这些已开垦地的命运尚待确定，但被已开垦的泥炭地最广泛的区域分布在廖内、中加里曼丹、南苏门答腊和砂拉越（图2和表1）。在这些已开垦地上恢复多样性植被可能会增加鸟类多样性至少0.2%，而对这些土地进行重新造林可能会提高生物多样性高达约20%（南加里曼丹）（图3和表4）。相反，在已开垦的泥炭地上种植油棕将导致多样性进一步损失，损失范围在0.6%（亚齐）至约12%（南加里曼丹）之间。
图3 已清理泥炭地土地利用过渡情景的生物多样性结果。土地利用过渡情景为油棕种植（将已开垦泥炭地种植成油棕）、混生林再生（将已开垦泥炭地种植成镶嵌式）和森林再生（将已开垦泥炭地种植成再生林）。
表4 马来西亚半岛、婆罗洲和苏门答腊岛已开垦泥炭地的土地利用过渡方案的生物多样性预测结果。
4.讨论及总结
印度尼西亚计划到2020年将油棕生产翻倍。本文的分析方法可以用于定性和定量监测因油棕扩张而引发的未来土地利用变化，有助于实现更加环境可持续的发展。油棕地图的准确性评估显示，识别的油棕区域中，有98%被确认为油棕种植区；我们的地图方法能够识别出覆盖有封闭冠层油棕的区域的85%。从实际情况来看，这意味着我们的方法所生成的封闭冠层油棕植园地图在研究区域内是非常可靠的，虽然可能稍微保守了一些。
研究结果表明，在2000年前，几乎90%的油棕发展都发生在非泥炭地区，而研究区域内总泥炭地中只有6%被种植了油棕。这些发现意味着，从地区角度来看，油棕产业并不是泥炭地毁林的主要肇事者。然而，在次区域层面上，北苏门答腊（约38%）、明古鲁（约35%）和马来西亚半岛（约27%）的泥炭沼泽森林丧失了大量的油棕种植。这些次区域也遭受了最严重的生物多样性损失。此外，从绝对数值上看，印度尼西亚的里洋省由于油棕扩张而遭受了最严重的森林砍伐（约24万公顷）。这导致约3800万吨的生物质碳净流失（大致相当于英国交通部门年排放的温室气体），这占据了我们研究区域油棕转换引起的总碳排放的约28%。因此，油棕发展确实在东南亚地区的一些地方造成了可观而不同程度的生物多样性和碳影响。
事实上，已开垦的泥炭地面积（230万公顷）是油棕种植区土地面积（约88万公顷）的两倍多。其中一些开垦地可能已经种植了油棕（例如，郁闭树冠未形成的年轻棕榈树和/或小规模种植园<200公顷），但由于我们地图方法的限制，尚未进行识别。剩下的尚未种植的开垦地正面临着日益增加的转变威胁，特别是如果开垦的泥炭地被土地政策制定者视为“退化土地”。我们的分析表明，把开垦的泥炭地转为油棕种植将进一步威胁生物多样性和碳储量，而重新造林可能带来可观的环境效益。因此，我们主张将开垦的泥炭地与退化土地区分开，并高度重视对其进行保护和恢复森林的工作。
此外，在除西加里曼丹外的所有子区域中，超过一半的泥炭沼泽森林已经丧失。幸运的是，拥有最大泥炭地面积的子区域也是那些仍然保留了三分之一或更多泥炭沼泽森林的地区：西加里曼丹（100万公顷）、中加里曼丹（140万公顷）和里洋（140万公顷）。为了保护该地区的生物多样性和碳储量，应当将森林保护工作重点放在这三个占据我们研究区域残存泥炭沼泽森林约74%的印尼省份上。，
5.文章引用格式
Koh, L.P., Miettinen, J., Liew, S., & Ghazoul, J. (2011). Remotely sensed evidence of tropical peatland conversion to oil palm. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108, 5127 - 5132.
转自：“科研圈内人”微信公众号
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