區(qū)域森林植被碳匯估算及前景分析

劉金山，張萬林，楊 帆，桂來庭，黃 哲

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙410014)

區(qū)域森林植被碳匯估算及前景分析

劉金山，張萬林，楊 帆，桂來庭，黃 哲

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙410014)

森林生物量與碳庫、植被生產(chǎn)力和碳匯之間有著密切的聯(lián)系。本文介紹了用植被凈第一性生產(chǎn)力計算植被碳匯的常用方法，并分析了森林碳匯監(jiān)測及林業(yè)碳匯領(lǐng)域的發(fā)展前景。

生產(chǎn)力;碳匯;前景

1 森林生物量、碳庫、生產(chǎn)力及碳匯關(guān)系

森林植被生物量是指某一時間點、某一空間范圍內(nèi)森林植被所含有機物質(zhì)的總量，由于植被的含碳系數(shù)相對穩(wěn)定，因此生物量的大小決定了碳庫大小。森林植被生產(chǎn)力是指在一定時期內(nèi)，單位時間、單位面積的森林生態(tài)系統(tǒng)(或某種群、群落)所生產(chǎn)出的有機物質(zhì)總量(能量或干物質(zhì)量)。生產(chǎn)力的大小決定了植被碳匯大小。碳庫即生物量中儲存的有機碳總量，是現(xiàn)存量指標;碳匯即生產(chǎn)力所帶來的有機碳累積速率，是流通量指標。四者相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 生物量、碳庫、生產(chǎn)力及碳匯關(guān)系圖

準確估計森林碳匯時空變化及了解其驅(qū)動機制是進一步增加碳積累、控制碳排放的前提。由于對森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究尚不充分，在碳循環(huán)研究方面，對生態(tài)系統(tǒng)凈碳源或碳匯的估算即凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)的估計，更多的傾向于植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)，即植物在單位時間和單位面積上所積累的有機干物質(zhì)的含碳總量。本文對森林碳匯的計算是基于植被碳匯量，而不是整個生態(tài)系統(tǒng)碳匯量。植被通過光合作用吸收能量和積累，導致生物量的增加，通過研究區(qū)域森林NPP大小，乘以相應的含碳系數(shù)即為森林植被碳匯。

2 NPP估算模型簡介

估算植被NPP的模型分為統(tǒng)計模型(statisticalmodel)、參數(shù)模型(parameter model)和過程模型(process—based model)三類［1］。統(tǒng)計模型又稱氣候相關(guān)模型，根據(jù)森林生物量和生產(chǎn)力受溫度、降雨量和蒸發(fā)量等氣候因子的影響建立相應函數(shù)關(guān)系。如:與溫度、降水量相關(guān)的Miami模型;與蒸發(fā)量相關(guān)的Montreal模型;與凈輻射相關(guān)的Chikugo模型;與蒸散量、溫度、降水等因子相關(guān)的Thornthwaite Memorial模型;與凈輻射量、降水量相關(guān)的模型［2］。參數(shù)模型主要包括光能利用率模型和GLO－PEM模型。過程模型主要包括TEM模型、CASA模型、CENTURY模型等，是在植物生長機理的模擬基礎(chǔ)上引入溫度、水分、養(yǎng)分等參數(shù)，可分析環(huán)境因子相互作用對森林生長過程的影響，計算NPP的大小。

NPP估算模型在估計或預測NPP過程中發(fā)揮了重要作用，對于了解森林碳庫對氣候變化(溫度、降雨等環(huán)境因子變化)的響應，同時制定減緩和應對氣候變化的策略也具有一定的指導作用。但是由于適用模型的建立是一件費時費力的工作，且由于需要相應的氣候與環(huán)境因子的數(shù)據(jù)，因此該模型的應用往往局限在某一氣候帶范圍上的生產(chǎn)力估計工作中，在地區(qū)范圍上由于有限的氣象觀測點，使得模型的建立與應用受到了限制。對于林業(yè)工作者來說，利用森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的相應轉(zhuǎn)換實現(xiàn)NPP的計量、監(jiān)測是一個方便可行的方法。

3 利用森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的NPP估算方法

根據(jù)植物生物學生長原理，利用實地調(diào)查數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)，建立生物量或生產(chǎn)力與相關(guān)因子的回歸關(guān)系，從而表征不同立地條件、森林類型和林齡下森林生產(chǎn)力大小。該方法只需樹種名稱、樣木胸徑、樹高等基本測樹因子資料，即可通過模型獲得植被生產(chǎn)力大小，但無法了解光照、溫度、降水等氣候因素和水分、養(yǎng)分供應等環(huán)境因子對生產(chǎn)力的影響，其在估算區(qū)域植被總碳匯時是適宜的，但無法了解區(qū)域內(nèi)碳匯變異程度及變異驅(qū)動機制。

3．1 基于連續(xù)清查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計生物量差減法

在區(qū)域森林生產(chǎn)力大小監(jiān)測、計量時，生物量根據(jù)蓄積量按轉(zhuǎn)換系數(shù)進行推算，生產(chǎn)力通過估算某一時期內(nèi)森林生物量現(xiàn)存量的變化量來推算。生物量估算方法有換算因子連續(xù)函數(shù)法、雙曲線模型估算法、生物量經(jīng)驗(回歸)模型估算法等，下文以換算因子連續(xù)函數(shù)法為例，簡介生產(chǎn)力計算過程。由于生物量的換算是基于蓄積量而不是生長量，因此由生長量推算生物量還需從生物量—蓄積量轉(zhuǎn)換關(guān)系入手。

區(qū)域森林生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換模型為:

式中:B為單位面積生物量(t/hm2)，V為單位面積蓄積量(m3/hm2)，a和b為參數(shù)。

兩次森林資源清查蓄積分別為V1和V2，則:

由公式(3)可以看出，推算生產(chǎn)力只需要參數(shù)a和連續(xù)清查間隔期內(nèi)蓄積增長量數(shù)據(jù)。

對于前后兩次調(diào)查時森林類型或優(yōu)勢樹種不變的情況下，按公式Δ=a·(V2－V1)計算生產(chǎn)力是基本合適的;當兩次調(diào)查間隔期內(nèi)由無林地或非林地變?yōu)橛辛值鼗蛏诸愋?、?yōu)勢樹種發(fā)生變化時，采用連續(xù)清查統(tǒng)計生物量差減法可能造成估計值略小于真實值［4］?？紤]到在區(qū)域森林資源調(diào)查間隔期內(nèi)，森林采伐和枯損是無法避免的，截至后期調(diào)查，這部分林木仍經(jīng)歷了生物量增長過程，因此在計算生產(chǎn)力時需予以考慮，張茂震等［5］在對浙江省森林生產(chǎn)力計算時，針對此問題對模型進行修正:

式中:Δn為調(diào)查間隔期，Δm為采伐木和枯損木從最后1次調(diào)查到被采伐或枯損時所經(jīng)歷的時間(年)，此處取Δm=Δn/2，Vc和Vd分別為間隔期Δn年內(nèi)采伐和枯損蓄積，p為年平均生長率，[(Vc+Vd)(1+p)Δm]為Δn年內(nèi)包括未測生長量(按Δm年計算)的消耗量。

3．2 生物量累積率模型法［6］

森林生產(chǎn)力受生物量、林齡等因素的綜合影響，生產(chǎn)力可以表示為年生物量的累計率(MABI，MABI=B/A，B為生物量，A為林齡)的函數(shù)。Zhou等和趙敏等［6，7］通過對主要造林樹種的 NPP與 MABI的關(guān)系研究表明，二者存在雙曲線的函數(shù)關(guān)系:

式中:NPP的單位為t/(hm2·a);A為林齡;a和b為常數(shù)。根據(jù)公式(5)和森林資源清查資料，每一種造林樹種的平均生產(chǎn)力(NPPave)可以通過公式(6)來計算:

式中:Ai為林齡級的齡級中值，Bi為每個林齡級的平均生物量;a和b可以通過公式(5)確定;Bi通過生物量估算方法——雙曲線模型估算法確定。

3．3 生產(chǎn)力—生物量轉(zhuǎn)換模型法

同一森林類型凈生產(chǎn)力與林分生物量密度、立地條件及林齡等密切相關(guān)，而林分的立地條件和林齡等因子共同影響了生物量密度，因此建立不同森林類型的生產(chǎn)力—生物量轉(zhuǎn)換模型，結(jié)合林分生物量密度數(shù)據(jù)可以推算其生產(chǎn)力大小。利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)計算生物量密度的方法介紹見［8］，生物量密度推算生產(chǎn)力公式及具體參數(shù)見方精云等研究結(jié)果［9］。

4 林業(yè)碳匯估算應用前景分析

1)了解區(qū)域尺度森林生產(chǎn)力大小及其分布規(guī)律，對于了解森林碳庫資源變化和森林固碳增匯潛力及速度、制定區(qū)域林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、編制森林生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè)規(guī)劃具有一定的指導意義，為下一步保護及利用森林碳庫、發(fā)展森林碳匯提供參考。除了林木自然生長，我國通過大規(guī)模開展植樹造林和森林管理活動額外吸收了大量CO2，森林碳匯潛力巨大。據(jù)《中國應對氣候變化國家方案》，1980—2005年，我國造林活動累計凈吸收約30．6億t CO2，森林管理累計凈吸收16．2億t CO2，通過減少毀林活動減少排放4．3億 t CO2。據(jù)初步估計六大林業(yè)重點工程固碳潛力約200億t，持續(xù)時間約為100 a［10］。我國森林植被現(xiàn)實碳儲量與碳密度只有潛在量的33．1%［11］，因此，通過加強森林管理等措施，將增加林木蓄積及碳密度，能夠大大提高森林的木質(zhì)產(chǎn)品供應能力、提升森林的綜合生態(tài)功能。掌握林業(yè)工程或區(qū)域森林碳匯大小數(shù)據(jù)，對于了解森林植被碳匯抵消工業(yè)二氧化碳量及制定林業(yè)應對氣候變化策略具有重要意義。

2)森林碳匯速率綜合反映了植被生物學特性與區(qū)域地理環(huán)境、自然條件的影響，是評價森林生態(tài)功能的重要指標。從大的地域尺度上來看，更多地體現(xiàn)為氣候生產(chǎn)力，即水熱條件是影響森林生產(chǎn)力等級分布的主要因素。水熱條件越好的，地域生產(chǎn)力越高。我國地域遼闊，氣候變化多樣，水熱條件難以同步，存在緯度方向(決定了溫度的南北差異)、距海遠近(引起了水分的東西差異)和地形(水熱重新分配，出現(xiàn)景觀垂直差異)帶譜分布差異，因此，掌握不同氣候區(qū)生產(chǎn)力的分布格局及其驅(qū)動機制，對于了解各地碳匯潛力，在大的地理格局上合理確定碳庫及碳匯保護區(qū)域，制定林業(yè)固碳策略等，具有重要意義。小的地域尺度上來看，更多地體現(xiàn)為植被生產(chǎn)力，即在氣候條件差異不明顯的情況下，植被類型是影響森林生產(chǎn)力等級的主要因素。水熱條件相似的小區(qū)域，在造林、再造林時根據(jù)不同植被類型生產(chǎn)力大小配置植被格局，對于合理利用水熱資源，充分發(fā)揮生產(chǎn)力潛力，盡可能實現(xiàn)生態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)力和物質(zhì)產(chǎn)品生產(chǎn)力最大化。

3)根據(jù)區(qū)域森林生產(chǎn)力狀況選擇碳匯造林地區(qū)并進行碳匯估算，對于引進國外的資金，創(chuàng)新地方造林技術(shù)，提高自然與立地條件較差區(qū)域的造林成活率與森林覆蓋率，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等方面都將發(fā)揮促進作用。熟悉CDM造林再造林的基線和方法學，能夠?qū)€碳儲量變化量、項目碳儲量變化量、泄露及項目邊界內(nèi)溫室氣體排放進行監(jiān)測、計量和估算，是開展碳匯項目的前提，并能夠為培育國內(nèi)碳匯市場、參與國際碳交易及實施清潔發(fā)展機制碳匯項目爭取主動。

4)掌握區(qū)域森林碳匯數(shù)據(jù)，是爭取工業(yè)對林業(yè)碳匯補償、實現(xiàn)地區(qū)間及產(chǎn)業(yè)間生態(tài)公平和促進林業(yè)生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)。林業(yè)碳匯作為間接固碳的手段，其以較低的成本控制溫室氣體排放，獲得了巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益，為經(jīng)濟社會發(fā)展爭取更大的發(fā)展空間。對碳庫的保護者和碳匯的生產(chǎn)者而言，其提供了森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務價值，犧牲了碳庫保護成本和因保護森林碳庫放棄的機會成本。為避免碳匯生態(tài)產(chǎn)品的“公地悲劇”，應根據(jù)“誰保護誰受益，誰使用誰付費”的原則，通過轉(zhuǎn)移支付或碳稅形式實現(xiàn)工業(yè)對林業(yè)的碳匯補償。通過森林碳匯的估算，對于了解森林固碳釋氧價值及生態(tài)效益，進而確定補償標準具有重要的實用價值。

［1］Ruimy A，Saugier B，Dedieu G．Methodology for the estimation of terrestrial net primary production from remotely sensed data［J］．Journal of Geophysical Research，1994，99:5263 －5283．

［2］周廣勝，張新時．自然植被凈第一性生產(chǎn)力模型初探［J］．植物生態(tài)學報，1995，19(3):193 －200．

［3］Fang J Y，Chen A P，Peng C H，et a1．Changes in forests biomass carbon storage in China between 1949 and 1998［J］．science，2001，292:320－2322．

［4］曾偉生．云南省森林生物量與生產(chǎn)力研究［J］．中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2005，24(4):1 －3，13．

［5］張茂震，王廣興，劉安興．基于森林資源連續(xù)清查資料估算的浙江省森林生物量及生產(chǎn)力［J］．林業(yè)科學，2009，45(9):13 －17．

［6］趙敏．中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳收支評估［D］．北京:中國科學院植物研究所，2004．

［7］Zhou G S，Wang Y H，Jiang Y L，et a1．Estimating biomass and net primary production from forest inventory data:a case study of China’s Larix forests［J］．Forest Ecology and Management，2002，169:149－157．

［8］楊傳金，楊帆，梅浩，等．區(qū)域森林碳儲量估算方法概述［J］．中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2012，31(3):62 －66．

［9］方精云，劉國華，徐嵩齡．我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量［J］．生態(tài)學報，1996，16(5):497 －508．

［10］魏一鳴，范英，王毅，等．關(guān)于我國碳排放問題的若干對策與建議［J］．氣候變化研究進展，2006，2(1):15 －20．

［11］李克讓．土地利用變化和溫室氣體凈排放與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)［M］．北京:氣象出版社，2002．

Methods and Future Prospects of Regional Forest Vegetation Carbon Sequestration Estimation

LIU Jinshan，ZHANG Wanlin，YANG Fan，GUI Laiting，HUANG Zhe
(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan，China)

Forest vegetation net primary productivity(NPP)and carbon sequestration are closely connected，as is the case with biomass and carbon pool．This paper introduces a common method of calculating vegetation carbon sequestration through productivity，and looks forward to the future of forest carbon sink monitoring，estimating and forestry carbon sequestration field．

productivity;carbon sink;prospects

1003—6075(2012)04—0065—04

2012—09—12

劉金山(1986—)，男，山東煙臺人，碩士，從事森林資源監(jiān)測及林業(yè)碳匯計量監(jiān)測等工作。