森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量與年凈碳匯估算研究

丁曉葉 吳永波 陳 杰

1 南京林業(yè)大學(xué) 南京 210037 2 同濟大學(xué) 上海 200092

1 碳蓄積研究方法

根據(jù)研究對象的時空尺度和研究手段，可以大體將森林碳蓄積研究方法分為3類：生物量法、渦旋相關(guān)法和遙感估算法。

1.1 生物量法

生物量法是根據(jù)單位面積生物量、森林面積、生物量在樹木各器官中的分配比例、樹木各器官的平均碳含量等參數(shù)計算而成。最早應(yīng)用生物量法時，是將森林通過大規(guī)模的實地調(diào)查,得到實測數(shù)據(jù)，建立一套標準的測量參數(shù)和生物量數(shù)據(jù)庫，用樣地數(shù)據(jù)得到植被的平均碳密度，然后用每一種植被的碳密度與面積相乘，估算生態(tài)系統(tǒng)的碳蓄積。具體測定常按地上部分、枯落物和根系，分別采用不同方法[1-2]。

由于樹木既有低碳組織，又有高碳組織，所以目前在對生物量轉(zhuǎn)化為碳含量時的轉(zhuǎn)換系數(shù)大多在0.45～0.55，現(xiàn)大都用0.5。另外，生物量的積累不僅和樹種本身有關(guān)，還與立地質(zhì)量、氣候條件等多方面因素有關(guān)。同時, 計算生物量時往往只考慮地上部分，即便考慮了地下部分，由于取樣困難，往往也很難得到精確的數(shù)據(jù)。這樣一來，運用生物量法對森林碳匯進行計量勢必會造成很大的誤差，使計量的精度下降[3]。

1.2 渦旋相關(guān)法

渦旋相關(guān)法是采用三維超聲風(fēng)速儀測定林冠層與大氣之間的湍流交換量的微氣象學(xué)方法，該方法在林冠上方直接測定CO2的渦流傳遞速率,從而計算出森林生態(tài)系統(tǒng)吸收固定CO2通量。大氣中物質(zhì)的垂直交換往往是通過空氣的渦旋狀流動來進行的，這種渦旋帶動空氣中不同物質(zhì)包括CO2向上或者向下通過某一參考面,二者之差就是所研究的生態(tài)系統(tǒng)固定或放出的CO2量。其計算公式為：

其中Fc是CO2通量，ρ是CO2的濃度，w是垂直方向上的風(fēng)速。字母的右上標(小撇) 是指各平均值在垂直方向上的波動即渦旋波動，橫是指一段時間(15～30min)的平均值。這一思想產(chǎn)生得較早，然而由于需要的儀器設(shè)備昂貴，使得這一技術(shù)直到20世紀80年代才拓展到CO2通量研究中。

1.3 遙感法

傳統(tǒng)的森林蓄積量調(diào)查方法是通過森林一類、二類調(diào)查來獲取其信息，但是這種方法勞動強度大、調(diào)查周期長，而且還有需要耗費大量的人力、財力和物力等問題。通過遙感圖像來估測森林蓄積量已成為了當(dāng)前森林調(diào)查和研究的方向。

應(yīng)天玉[4]等以哈爾濱市的高空間分辨率的遙感影像為基礎(chǔ),建立了哈爾濱市綠地空間數(shù)據(jù)庫，用樣地的碳蓄積估算結(jié)果來推算綠地斑塊的碳蓄積，得到哈爾濱城市森林碳蓄積的空間分布。基于遙感信息的森林生物量估測比傳統(tǒng)方法更加優(yōu)越，可以有效地用于探測多尺度生態(tài)系統(tǒng)特性與過程的年際變化。但是現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)源并不能直接探測森林碳蓄積及其空間分布，所以單純依靠遙感數(shù)據(jù)，很難提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積估算的精度。另外，含碳率不同，使得森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積的估算結(jié)果和真實蓄積存在一定差異。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡計算研究

森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡包括碳輸入和碳輸出兩個方面，輸入和輸出的差值才是系統(tǒng)的凈生產(chǎn)量NEP，差值若為正值，表明生態(tài)系統(tǒng)是碳匯，為負值則表明生態(tài)系統(tǒng)是碳源；森林生態(tài)系統(tǒng)固定碳的公式為：Ta=NI+L+Rp+Rl，其中Ta為森林生態(tài)系統(tǒng)碳總收入量，Nl為植被層年固碳量，L為凋落物層年固碳量，Rp為植被年呼吸釋放碳量，Rl為年凋落物分解釋放的碳量。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳支出公式為：O=Rp+RI+Rs。其中，O為生態(tài)系統(tǒng)碳支出總量，Rp為植被層年呼吸釋放的碳量，RI為年凋落物分解釋放的碳量，Rs為生態(tài)系統(tǒng)異養(yǎng)呼吸釋放量。

整個生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡公式為:△C=Ta-O=NI+L-Rs，即生態(tài)系統(tǒng)最終的碳平衡等于植被層年固碳量加上凋落物層年固碳量再減去土壤異養(yǎng)呼吸年釋放量。

2.1 植被年固碳量

森林地上部分儲碳452億t，占全球陸地植被地上部分總碳儲量的86%，森林植被年固碳量大小除了與森林面積大小有關(guān)外，還和森林的儲碳能力及凈生產(chǎn)力( NPP)與單位面積儲碳密度有關(guān)。

根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》（中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準LY/T1721-2008），森林植被固碳公式為G植被固碳=1.63·R碳·A·B年，其中，G植被固碳為植被年固碳量t/a ；R碳為CO2碳的含量（27.27%）；A為林分面（hm2）；B年為林分凈生產(chǎn)力（t/hm2·a）。程兆偉[5]依此計算得出舒蘭市森林植被年固碳量為31570t。而趙海珍[6]利用蓄積量的年生長率近似代替各部分的增長率，推導(dǎo)出森林單位面積的年固碳量：C1= M×f1×w/v÷a×CB。M為林木干材單位面積的蓄積量，f1為各類森林蓄積的年生長率，w/v為生物量與蓄積量的比值，a為樹干木材生物量與林木總生物量的比值，CB為1g生物量中含碳量的平均值,其值為0.5，得出霧靈山自然保護區(qū)森林植被年固碳量為81246.3t。更多學(xué)者如鮑春生、白艷[7]等利用森林碳蓄積量結(jié)合林齡計算出植被年固碳量。

2.2 凋落物年固碳量

凋落物量是森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的組成部分，凋落物碳庫是聯(lián)系植被碳庫和土壤碳庫的中間環(huán)節(jié)。自20世紀80年代以來，我國對森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物量進行了大量研究。

凋落物量多采用直接收集法測定。收集器一般用鐵絲或木板作框架，安裝網(wǎng)眼直徑小于2mm的紗網(wǎng)，每個收集器的面積約在0.2-1m2。如湯建福[8]測得一年內(nèi)5年生尾巨桉人工林的年凋落物總量為4200.72kg/hm2。而凋落物年固碳量是年凋落量與含碳率的乘積，由此可計算得出凋落物年固碳量。

2.3 土壤年碳排放量

土壤呼吸是土壤產(chǎn)生和向大氣釋放CO2的過程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動物呼吸、枯枝落葉層呼吸和含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等幾個生物學(xué)和非生物學(xué)部分。

土壤呼吸的測定可分為直接測量和間接測量兩類方法，直接測量包括靜態(tài)氣室法、動態(tài)氣室法和微氣象法。其中，靜態(tài)氣室法包括靜態(tài)堿液吸收法和靜態(tài)密閉氣室法；動態(tài)氣室法通常包括動態(tài)密閉氣室法和開放氣流紅外CO2分析。動態(tài)法結(jié)合便攜式紅外分析儀將是今后土壤呼吸測定的主導(dǎo)方向。間接法則是根據(jù)其他指標如土壤ATP含量等推算土壤呼吸值。

張金池[9]采用靜態(tài)密閉氣室堿液吸收法對蘇北淤泥致防護林土壤進行呼吸測定。丁訪軍[10]則運用Li-6400便攜式光合作用系統(tǒng)對喀斯特地區(qū)3種林型土壤呼吸量測量。在各測量方法中，動態(tài)方法比靜態(tài)方法得到的結(jié)果要高10%～40%，能較好地反映土壤呼吸的實際水平，且可連續(xù)測量土壤呼吸的變化過程，因此動態(tài)法在測量土壤呼吸上采用較多。

3 不足之處

(1)在估算森林碳蓄積時，目前運用最為普遍的是通過測量生物量，推算出森林碳蓄積。在眾多的研究中，對象都是大范圍的森林生態(tài)系統(tǒng)，采用的方法都是通過計算森林生態(tài)系統(tǒng)各組成部分生物量，再乘以轉(zhuǎn)換因子求算林地現(xiàn)存固碳總量。但未能解決不同樹種由于碳儲存速率變化差異引起的含碳量變化規(guī)律。因此，對樹木生長過程中不同林齡的碳匯蓄積進行計量，在評價人工林碳儲功能方面具有重要的現(xiàn)實意義。

(2)森林清查主要考慮森林生態(tài)系統(tǒng)地上部分的生物量，對具體森林樣地內(nèi)土壤碳沉積及通量的研究還不多。因此，定量研究森林土壤的碳平衡，對于全面了解森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡具有重要意義。

(3)從方法上來說，研究區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡主要有兩個途徑：測量區(qū)域碳庫的變化和實際測定碳通量。但由于實際操作過程中的差異性會引起很大的誤差。因此，另有一些研究運用基于過程的模型方法，但這些方法卻又受人為因素的影響較大，且有些參數(shù)難以確定。目前已經(jīng)開發(fā)了一些森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，包括大氣環(huán)流模式、氣候模式和生態(tài)系統(tǒng)過程模式，這些模型的應(yīng)用都有自己的限制條件，不同模型估算值各異，這就導(dǎo)致了碳估算的不準確性。

4 展望

4.1 研究方法需要進一步更新完善

現(xiàn)存的研究方法已經(jīng)表現(xiàn)出一定的局限性：一方面，不同學(xué)者采用不同的方法，在評價我國森林源/匯功能時得到了截然不同的結(jié)論，就是同為碳源，其數(shù)值相差也很大；另一方面，在具體森林碳交換研究過程中，現(xiàn)在廣泛采用的渦度相關(guān)法由于對環(huán)境條件的要求較高，實際上很難找到理想的試驗環(huán)境，同時在數(shù)據(jù)處理與分析方面也尚存在一定的不確定性。因此盡力消除這些不確定性的基本途徑是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，改進研究方法，尋找有效的科學(xué)的尺度推繹方法為當(dāng)務(wù)之急。

4.2 人為活動對森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積與碳平衡估算影響

對于森林碳匯，生物學(xué)、生態(tài)學(xué)的評價更多地關(guān)注生物、生態(tài)因子的影響，忽視了社會、經(jīng)濟等人為因素。我國是世界上人工林發(fā)展最快,面積最大的國家,現(xiàn)存大量天然次生林和人工林，并實施著大量人工管理措施如整地、灌水、施肥、間伐疏伐等。這些人類活動對森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積與碳平衡的影響，目前研究較少且多停留在定性描述階段。因此，深入開展人工經(jīng)營管理措施對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響及其機制研究,是準確評價森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能亟需解決的關(guān)鍵問題。

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