森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展及方法探討

張士亮,張艷春

(1.遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽(yáng) 110122；2.遼寧省林業(yè)有害生物防治檢疫局，遼寧 沈陽(yáng) 110122)

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展及方法探討

張士亮1,張艷春2

(1.遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，遼寧 沈陽(yáng) 110122；2.遼寧省林業(yè)有害生物防治檢疫局，遼寧 沈陽(yáng) 110122)

森林在調(diào)節(jié)全球氣候系統(tǒng)、減緩溫室效應(yīng)擴(kuò)散以及保持碳平衡等方面具有無(wú)法取替的作用。碳儲(chǔ)量是反映森林生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)。因此，如何準(zhǔn)確有效地對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算和對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

森林生態(tài)系統(tǒng)；碳儲(chǔ)量；方法

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和應(yīng)用，人類生產(chǎn)和生活方式發(fā)生了重大的變革的同時(shí)，也給我們周邊環(huán)境造成了很大的破壞和影響。自從一個(gè)多世紀(jì)前發(fā)生工業(yè)革命以來(lái)，大氣中CO2濃度急劇增加，從工業(yè)革命前的280 mL·m-3上升到2008年的385 mL·m-3，研究表明，人類活動(dòng)和碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)變化與這種氣候變化有著密切關(guān)系[1]。全球表面平均溫度在過(guò)去一個(gè)世紀(jì)中已上升了0.6 ℃，全球溫室效應(yīng)自從20個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直在持續(xù)擴(kuò)大。20多年以來(lái)，由于全球氣候變化對(duì)人類世界不同層次、不同方面所造成的影響，已經(jīng)不能再單純地把它界定為科學(xué)研究和自然保護(hù)的范疇，國(guó)際社會(huì)對(duì)此極為重視，當(dāng)今人類社會(huì)因此而發(fā)生了一系列重大的變化與調(diào)整。

陸地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中既起著碳匯的作用，同時(shí)也作為碳源而存在，是氣候變化與人類活動(dòng)相互聯(lián)系的重要媒介。而森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最為重要的組成部分，承載著73%以上的土壤碳庫(kù)和86%以上的植物碳庫(kù)[2]。

森林是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，與其他陸地上的生態(tài)系統(tǒng)相比，它的生命周期長(zhǎng)、層次結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、生物量和生長(zhǎng)量最高，是陸地生物光合產(chǎn)物的主體，也是最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)。森林生態(tài)系統(tǒng)分別約占地上碳儲(chǔ)量和地下碳儲(chǔ)量的80%和40%[3]，森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存密度及其碳匯功能的研究是人類認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)森林生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)。

1 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展

森林植被碳儲(chǔ)量是指林分內(nèi)地上和地下活的植物有機(jī)體內(nèi)所固定的碳，森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的“匯”和“源”的作用，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的40%[4]是存儲(chǔ)在森林生態(tài)系統(tǒng)中，大量來(lái)自大氣中的CO2通過(guò)植物的光合作用被森林生態(tài)系統(tǒng)所固定。在這個(gè)系統(tǒng)中的碳匯是由森林植被、凋落物和森林土壤固定碳素而形成, 而碳源則是由森林中的植被、動(dòng)物、微生物、土壤等的呼吸、分解不斷向大氣釋放碳素。森林固定的碳如果小于釋放的碳就成為碳源, 固定的碳如果大于釋放的碳則成為碳匯。碳的“源”與“匯”是相對(duì)立的而存在的,影響其分布的外界因素有很多，其中最主要的是所處的緯度、森林的立地條件及所處的時(shí)間段等因素，兩者之間相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象普遍存在。據(jù)相關(guān)研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)的面積僅為全球面積的27.6%，但全球約57%的碳被森林生態(tài)系統(tǒng)所固定，陸地生態(tài)系統(tǒng)中 76%～98%的有機(jī)碳都被森林生態(tài)系統(tǒng)所固定。據(jù)研究證明，全球范圍內(nèi)碳儲(chǔ)量按緯度劃分的特征為,低緯地區(qū)熱帶森林植被的碳儲(chǔ)量>高緯地區(qū)的北方森林的碳儲(chǔ)量>中緯度地區(qū)的溫帶森林的碳儲(chǔ)量，儲(chǔ)量分別為202～461 Pg、88～108 Pg、59～174 Pg。我國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量最多的是東北以及西南地區(qū)，按比例來(lái)分析這兩個(gè)地區(qū)的比重也是最大的。

1.1 森林植被碳儲(chǔ)量

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量是研究森林生態(tài)系統(tǒng)向大氣排放和吸收碳的關(guān)鍵因子，同時(shí)也是測(cè)量森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換的基本參數(shù)。于20世紀(jì)60年代開(kāi)始，在世界范圍內(nèi)開(kāi)展了大規(guī)模研究，1964年國(guó)際科聯(lián)建立的國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃，以各種生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和生物量為研究重點(diǎn)，促進(jìn)了森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究工作的全面展開(kāi)。1997年《京都議定書(shū)》的簽署表明，森林在減緩全球氣候變化方面的功能得到了充分的肯定，同時(shí)帶來(lái)了各國(guó)林業(yè)部門(mén)評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存能力的工作浪潮[5]。早在20世紀(jì)70年代末至90年代，國(guó)際上多名學(xué)者已對(duì)全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)進(jìn)行了研究，表明森林不但能較好地維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，而且在全球碳平衡中發(fā)揮著巨大作用,其植被碳庫(kù)的存儲(chǔ)量約占全球總量的86%以上。國(guó)內(nèi)外都把熱帶和溫帶地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)研究作為重點(diǎn)，研究人員對(duì)全球碳儲(chǔ)量進(jìn)行的大量研究中，以Dixon[5]為代表的科學(xué)家經(jīng)過(guò)測(cè)算認(rèn)為，全球森林植被碳儲(chǔ)量應(yīng)為359×109t，并按所處緯度把全球分為高、中、低三個(gè)分布帶，碳儲(chǔ)量在高、中、低三個(gè)緯度帶的分布分別為88×109t、59×109t、212×109t，分別占總碳儲(chǔ)量的25%、 16%、 59%。根據(jù)研究結(jié)果分析，碳儲(chǔ)量在全球分布有明顯的地帶性規(guī)律。 據(jù)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)估計(jì)，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為2.48萬(wàn)億t，其中土壤碳和植被碳的儲(chǔ)量分別約占總儲(chǔ)量的80%和 20%；森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲(chǔ)存庫(kù)，其貯存的總碳量約為1.15萬(wàn)億t[6]。

1.2 森林土壤碳儲(chǔ)量

陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)是森林土壤碳庫(kù)，全球土壤碳儲(chǔ)量約為1.50×1012t[22]，是大氣碳庫(kù)的2倍，是陸地植被碳庫(kù)的2～4倍[23]。全球森林土壤碳庫(kù)與森林植被碳庫(kù)在地理格局分布上有著明顯的不同。按所處緯度帶的碳貯量排序，高緯度>低緯度>中緯度，分別約占全球森林土壤碳貯量的60%、27%、13%。森林土壤的碳儲(chǔ)量在森林總碳儲(chǔ)量中所占的比重存在隨著緯度的升高而升高的特點(diǎn)，在高緯度的北方森林、中緯度的溫帶森中、低緯度熱帶森林中分別大約占到總碳儲(chǔ)量的84%、63%和50%[24]。森林土壤平均碳密度也存在與之相同的變化趨勢(shì)， 平均密度最高的是高緯度的北方森林土壤，其次是中緯度的溫帶森林土壤,最后是低緯度的熱帶森林，森林土壤碳庫(kù)及碳密度的這種緯向分布規(guī)律是由氣候、植被、土壤等多個(gè)因素共同作用而形成的一種平衡。

早在20世紀(jì)60年代以前，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的研究。最初對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的估計(jì)僅僅是依據(jù)少數(shù)土壤剖面資料進(jìn)行的，如Rubey[25]根據(jù)9個(gè)土壤剖面的碳含量推算全球土壤碳儲(chǔ)量為7.10×1011t。到了80年代以后，統(tǒng)計(jì)方法開(kāi)始逐漸應(yīng)用于土壤碳儲(chǔ)量的研究上，但由于計(jì)算方法和數(shù)據(jù)來(lái)源的不同，造成得出的結(jié)果差異很大。90年代以來(lái)，隨著3S技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為土壤碳儲(chǔ)量的研究提供了新的手段和方法。Lacelle[26]應(yīng)用3S技術(shù)計(jì)算出加拿大0～30 cm土層的土壤碳儲(chǔ)量為7.28×1010t，1 m土層的土壤碳儲(chǔ)量為2.62×1011t。

我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)森林土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究的，對(duì)陸地土壤碳循環(huán)研究重點(diǎn)放在草原生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)上。方精云等[27]首先利用1∶ 1000萬(wàn)土壤類型圖求得各類型土地的面積，再根據(jù)《中國(guó)森林土壤》和《中國(guó)土壤》以及其他文獻(xiàn)資料的各類土壤的平均碳含量，估算我國(guó)土壤碳儲(chǔ)量為1.86×1011t。汪業(yè)勖等[28]估算我國(guó)森林土壤碳儲(chǔ)量為1.37×1010t。李克讓等[29]基于CEVSA模型對(duì)中國(guó)土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明碳儲(chǔ)量為8.27×1010t，占全球土壤碳儲(chǔ)量的4%。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)我國(guó)開(kāi)展了大面積的人工造林，使得森林土壤有機(jī)碳密度得到了很大程度的增加[30]，但最初基于土壤普查資料進(jìn)行研究，估算出的我國(guó)森林土壤的碳儲(chǔ)量很可能偏低。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究方法

2.1 森林植被碳儲(chǔ)量的估測(cè)方法

2.1.1 樣地實(shí)測(cè)法 估測(cè)森林植被碳儲(chǔ)量普遍采用的研究方法是直接收獲法，也是對(duì)森林生物量研究精度最高、最可行的方法。主要包括全部收獲法、平均標(biāo)準(zhǔn)木法、徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木法。

2.1.2 模型模擬法 該方法是基于與植物生長(zhǎng)相關(guān)的生理因子或環(huán)境等相關(guān)的生態(tài)因子，通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方式建立模型，估算森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生物量和碳儲(chǔ)量。主要包括單木生物量模型、基于材積轉(zhuǎn)化的生物量模型、相容性森林生物量模型、生理生態(tài)模型。

2.1.3 微氣象學(xué)法 該方法是生態(tài)學(xué)與氣象學(xué)的有效結(jié)合，通過(guò)測(cè)定近地面層的湍流狀況和被測(cè)氣體的濃度變化，計(jì)算被測(cè)氣體通量。主要包括空氣動(dòng)力學(xué)法、渦旋相關(guān)法與弛豫渦旋積累法。

2.1.4 箱式法 箱式法的基本思想是：將植被的一部分套裝在一個(gè)密閉的測(cè)定室內(nèi)， CO2濃度在封閉的系統(tǒng)內(nèi)隨時(shí)間的變化量就是CO2通量[31]。

2.2 森林土壤碳儲(chǔ)量的估測(cè)方法

對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估計(jì)方法主要有以下幾種:

2.2.1 土壤類型法 該方法是利用土壤普查資料中的各土壤類型面積及各土壤類型剖面或結(jié)合植被類型的土壤剖面平均含碳量來(lái)推算該類土壤的碳儲(chǔ)量。土壤碳儲(chǔ)量經(jīng)常具有相似的調(diào)控因子，所以土壤類型法能提供更多的土壤發(fā)生學(xué)與碳儲(chǔ)量有關(guān)的認(rèn)識(shí)，這有利于分析碳儲(chǔ)量估算中不確定性的原因，容易識(shí)別土壤碳的空間格局[32]。

2.2.2 生命地帶法 生命地帶法是充分利用土壤剖面數(shù)據(jù)于各生命氣候帶內(nèi)的差異性，來(lái)推算氣候帶內(nèi)各主要生態(tài)系統(tǒng)的貯碳量。使用該方法使得不同植被、生態(tài)系統(tǒng)和生命地帶類型的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量非常易于測(cè)算，而且更能反映氣候和植被分布對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響[33]。

2.2.3 模型方法 土壤碳循環(huán)模型就是通過(guò)建立一種模擬的方法，在明確了影響土壤有機(jī)碳分解速率的各種因子的前提下，然后再根據(jù)進(jìn)入土壤碳的數(shù)量和質(zhì)量估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。為了滿足不同的研究目的、內(nèi)容和要求，多種多樣的土壤碳循環(huán)的模型已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，模型類型既有基于遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模型，也有機(jī)理過(guò)程模型以及相關(guān)關(guān)系模型。

2.2.4 植被類型法 根據(jù)植被類型推算。首先假定植被類型與土壤中有機(jī)質(zhì)的含量存在特定的相關(guān)關(guān)系，然后再根據(jù)各植被類型下的土壤平均碳含量及該種植被類型的面積推算總碳儲(chǔ)量。

3 小結(jié)

我國(guó)對(duì)森林碳匯研究起步較晚，缺乏足夠支撐研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以至于研究所得出的結(jié)果穩(wěn)定性不夠。這主要是由于所選用的方法和參數(shù)值及其他可能影響估算結(jié)果的因素有區(qū)別[34]。所以我們要大力加強(qiáng)森林碳匯的基礎(chǔ)研究，完善我國(guó)的碳匯計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)體系，盡快讓我國(guó)的碳匯工作與國(guó)際社會(huì)接軌，就此提出以下幾點(diǎn)建議：

3.1 加強(qiáng)對(duì)區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的研究，努力提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度。

3.2 努力把既有森林資源的資料應(yīng)用到森林碳儲(chǔ)量以及碳收支等研究中，提高研究的效率和準(zhǔn)確性。

3.3 增加對(duì)碳匯計(jì)量工作的投入力度，把更多新的科學(xué)技術(shù)與方法應(yīng)用到研究中，以達(dá)到解放人力、降低成本、提高效率的目的。

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1005-5215(2017)10-0097-04

2017-08-24

張士亮(1978-),男,遼寧北鎮(zhèn)人，大學(xué)，高級(jí)工程師，從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作.

S718.55

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.037