森林固碳釋氧研究進展

喻陽華　楊蘇茂

(1.貴州師范大學喀斯特研究院， 貴陽　550001；2.貴州師范大學國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心， 貴陽　550001)

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森林固碳釋氧研究進展

喻陽華1,2楊蘇茂1

(1.貴州師范大學喀斯特研究院， 貴陽550001；2.貴州師范大學國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心， 貴陽550001)

摘要：碳匯林培育是控制全球氣候變暖、提高森林固碳功能的一個有效途徑和可持續(xù)發(fā)展模式。本文綜述了森林固碳增匯效應與碳匯林的概念及內涵，分別從樹種和群落垂直結構層次分析了影響森林固碳能力的因素，概括了森林固碳釋氧量的測算方法及改進建議，為森林固碳釋氧功能研究提供了參考和借鑒。

關鍵詞：碳匯林；固碳釋氧；影響因素

大氣CO2濃度已由1980年的338 ppm上升至2014年的399 ppm[1]，2013年的CO2排放速率達到10.7 Pg C. a-1[2]，大氣CO2濃度升高導致全球氣候呈現(xiàn)變暖趨勢，使極端天氣增加、海平面上升、植物發(fā)生缺素癥等現(xiàn)象相繼發(fā)生。政府間氣候變化專門委員會指出確保2030年全球變暖幅度低于2 ℃[3]，因此控制CO2濃度的上升成為全球的重要戰(zhàn)略部署和政府行為與行動?？刂拼髿釩O2濃度升高的主要措施包括減少碳排放和增加碳匯，而森林作為地球關鍵帶的重要圈層，在固碳增匯效應方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[4]，它在減緩全球CO2濃度升高過程中所起的作用已經(jīng)得到認同。

森林碳庫在陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫中占有較高的比重[5]，具有控制全球CO2濃度上升的巨大潛力，其固碳功能對全球及區(qū)域氣候變化具有重要影響，尤其是先鋒樹種由于生長周期較短，在森林固碳過程中扮演著重要角色[6]。提高森林固碳增匯能力依賴于林業(yè)生態(tài)工程的實施和林分結構的改善[7]，如農(nóng)林復合系統(tǒng)具有較高的固碳潛力[8]。因此，本文在搜集已發(fā)表文獻的基礎上，對森林固碳增匯效應及機理進行了闡述，以期明確影響森林固碳增匯效應的主要因素，旨在提高森林植被的固碳潛力和能力，從源頭上緩解大氣CO2濃度升高和全球氣候變暖的趨勢。

1　森林固碳增匯效應與碳匯林

固碳，也稱為碳封存，指以捕獲碳并安全封存的方式來取代直接向大氣排放CO2的過程；釋氧是指物質經(jīng)過復雜的化學反應釋放出O2的過程[9]。提高森林的固碳能力是遏制全球CO2濃度升高和氣候變暖的重要途徑[10]，喀斯特石漠化區(qū)因其特殊的氣候條件和地質背景，造成環(huán)境承載力小、抗干擾能力弱、系統(tǒng)穩(wěn)定性低和自我調整能力差[11]，加之森林被大面積毀壞，因而恢復區(qū)域森林植被以提高其固碳能力成為一項長期而艱巨的工作任務，也是加快生態(tài)文明建設和實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然需求。森林、水體、巖石等環(huán)境要素都具有固碳功能，其中森林碳匯是指森林植被通過光合作用將碳轉化為有機質儲存于樹干、樹枝、樹葉和根系中，達到對大氣CO2吸收和固定的作用，從而緩解溫室效應和氣候變暖；當吸收的CO2量大于排放的CO2量時，所形成的差額稱為碳沉降，森林的碳沉降功能使它具有固定CO2的作用，故稱森林為儲存CO2的庫，即森林碳庫[12]，它是固定CO2的重要圈層。

林業(yè)在減排增匯中的重要作用為氣候變化下的林業(yè)議題談判提供了科學基礎，林業(yè)相關談判仍然是未來氣候變化談判的組成部分，應對氣候變化有助于促進全社會更加關注林業(yè)，改革現(xiàn)行管理制度，給碳匯林業(yè)發(fā)展帶來新機遇[13]。碳匯項目造林主要有3種類型：一是清潔發(fā)展機制碳匯造林再造林項目；二是中國綠色碳基金支持開展的碳匯造林項目；三是其它碳匯造林項目，如各地與外國政府、國內外企業(yè)、組織、團體等開展的積累碳匯為目的的造林、森林經(jīng)營以及相關碳匯計量與監(jiān)測、碳匯交易等活動[14]。廣義角度來看，任何以降低大氣中CO2濃度、減緩氣候變化為主要目的的林業(yè)活動都屬于碳匯林業(yè)的范疇[15]，狹義的碳匯林概念如“碳匯造林”、“碳匯林項目”和“碳匯項目”等，這些術語在理論界和實務界常常被不加區(qū)分地予以應用[16]。對碳交易市場和碳匯林的培育成為全球應對氣候變化的重要手段和措施之一，也是環(huán)境管理者和科研工作者面臨的難題，現(xiàn)有研究多集中在森林植被的生物量和固碳增匯效應測定方面[17-18]，而對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏運用，尤其是將功能監(jiān)測用于指導碳匯林結構配置的研究更少，亦即未根據(jù)功能對結構特征進行反饋。

2　影響森林固碳能力的因素

森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生物量、凈生產(chǎn)力和固碳量這一觀點已為人們普遍接受?；诖?，森林發(fā)揮著較高的固碳釋氧和降溫增濕功能，不同樹種的功能強弱不一樣，樹種特征的這一差異又表明通過優(yōu)化碳匯林配置模式以提高生態(tài)功能是一項重要工作，實現(xiàn)這一目標的首要任務就是找到限制森林固碳增匯能力發(fā)揮的因素。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳一般分為4個庫，即林分生物質碳庫、粗木質殘體碳庫、林下枯落物層碳庫和土壤碳庫[19]。近幾年來，土壤有機碳庫和林木生物質碳庫固碳機制[20-21]的研究已成為碳積累和碳循環(huán)中主要而活躍的領域。但從垂直結構來研究森林固碳能力的公開報道較為鮮見，從植株來看包括樹冠層、凋落物層和土壤層3大組成部分；從森林植被垂直組成結構來看包含喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層。從林分的水平結構和垂直結構來研究固碳機制，可為碳匯林的結構化經(jīng)營技術提供理論依據(jù)[22]。

2.1林冠層

林冠是森林與外界環(huán)境相互作用最直接和最活躍的界面層[23]，對森林生態(tài)系統(tǒng)生物量積累、水分利用和養(yǎng)分循環(huán)等方面產(chǎn)生顯著影響。林冠層也是生物質能積累的主要部分，是森林碳庫的重要結構層次。林冠層為凋落物層輸送了源源不斷的物質來源，對凋落物的組成和數(shù)量產(chǎn)生較大影響，因此研究林冠層在森林植被固碳增匯效應中的貢獻具有重要意義。通常對樹冠的研究包括冠型[24]、枝夾角、葉夾角[25]和葉面積指數(shù)[10]等方面，從這些角度對森林固碳機制和潛力進行研究，可以輔助碳匯林結構配置與調整。

2.2凋落物層

凋落物層是森林碳匯功能的重要組成部分[26]，凋落物的組成和數(shù)量主要受到冠層的影響，因而不同的冠層組成和林齡，對凋落物層的固碳增匯效應影響較大；此外，凋落物層的分解程度也會制約固碳能力。而在森林結構優(yōu)化配置的過程中，人為可以調控的部分主要是冠層組成和密度，亦說明調整林分冠層組成是提高森林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯效應的主要措施，也是林分結構調整的關鍵技術。因此，凋落物層對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的貢獻具有較大的波動性，研究凋落物層的固碳增匯效應時，應當指明特定的時間和空間范疇，否則缺乏可比性和可行性，也不能為碳匯林結構配置和調整提供技術支持。

2.3土壤層

土壤層碳庫的研究已經(jīng)成為活躍的領域[27-28]，許多研究認為土壤碳儲量是生物量碳儲量的數(shù)倍[29-30]，因此土壤碳庫是森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的主要組成部分。但是，植被參與對土壤碳儲量增量的影響是一個復雜的過程，為了提高有機碳變化的預測精度，需要各地區(qū)開展較長時間尺度上的土壤有機碳變化的數(shù)量積累[21]。土壤的形成和性質的變化也同樣受到冠層組成及結構，凋落物組成、數(shù)量及分解程度，根系類型、數(shù)量及腐爛分解程度等諸多因素綜合影響，這亦證明了碳匯林結構配置的重點是樹種選擇、組配和冠層調控。

由以上論述可知，影響森林植被固碳增匯效應發(fā)揮的主要因素是樹種組成、結構配置和林分密度，它們對冠層、凋落物層和土壤層的固碳增匯等生態(tài)服務功能產(chǎn)生明顯影響。因此，未來在開展碳匯林結構配置時，要以樹種為單元，分別研究冠層、凋落物層和土壤層3個層次的固碳能力，計算樹種的固碳增匯潛力和能力，劃分固碳能力等級，據(jù)此解譯群落的固碳機制和原理，便于有針對性地對群落結構進行改造與調控，以提高固碳增匯效應。

3　森林固碳釋氧量計算

綠色植物是生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者和有機物的制造者，該功能通過光合作用得以實現(xiàn)，這就是固碳釋氧的起點。固碳釋氧作為一種重要的生態(tài)功能，在固定并減少大氣CO2的同時提供并增加O2濃度，維持大氣中CO2和O2的平衡，在生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要的調節(jié)作用[31]，因此森林植被固碳釋氧的計量得到了普遍關注。目前關于森林植被碳儲量的計算主要包括2種途徑，一是基于生物量和含碳率來計算[28,31-32]，二是基于光合特征和葉面積指數(shù)來計算[10,33]。不同計算途徑具有各自的優(yōu)缺點，第1種途徑將長期動態(tài)變化過程匯聚到一個精確的結果上，但難以表征隨時間的動態(tài)變化過程和規(guī)律；第2種途徑容易受到測定時限和環(huán)境條件等因素的影響，得到的固碳結果也包含了經(jīng)驗公式推導的成分。從碳匯林建設與經(jīng)營的角度出發(fā)，以森林生態(tài)系統(tǒng)結構決定功能的原理為指導，建議按照垂直結構層次來研究碳匯能力更能夠為碳匯林經(jīng)營提供理論參考依據(jù)，這些層次主要包括冠層、凋落物層和土壤層。這種測算方法利于找出限制森林植被碳匯功能發(fā)揮的限制因子和關鍵結構，構建了森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯結構與功能之間的關系，在充分了解森林植被狀態(tài)特征的基礎上，按照結構化森林經(jīng)營的原則和方法安排各項經(jīng)營措施，培育健康穩(wěn)定的森林，使碳匯林的樹種組成更加合理，個體和整體的健康水平、碳匯功能明顯提高。

4　總結與展望

(1)發(fā)展碳匯林是減緩全球氣候變暖趨勢的必然要求。碳匯林在減少CO2氣體排放、維持大氣中O2和CO2濃度平衡、遏制全球氣候變暖趨勢中發(fā)揮著重要作用，發(fā)展碳匯林是林業(yè)和環(huán)境保護工作者在新的發(fā)展環(huán)境下共同面臨的迫切任務。目前對碳匯林的研究多集中在固碳釋氧功能監(jiān)測方面，對其結構配置和林分經(jīng)營等方面的系統(tǒng)研究較少，今后應加強樹種選擇和植被結構配置方面的研究。

(2)影響森林固碳釋氧能力的因素。從森林的垂直結構來看，影響森林固碳釋氧能力的層次主要有冠層、凋落物層和土壤層，其中冠層主要受其冠型、枝夾角、葉夾角和葉面積指數(shù)等因素影響，凋落物層主要受其種類、數(shù)量和分解速率等因素影響，土壤層主要受其根系類型、數(shù)量、腐爛分解速率等因素影響。這一切取決于樹種選擇和組配，未來從森林結構與功能的關系系統(tǒng)地剖析結構特征和監(jiān)測固碳釋氧量，能夠診斷林分固碳釋氧功能低下的結構缺陷，有針對性地開展碳匯林結構配置和調整。

(3)拓展固碳釋氧的計算方法。目前對碳匯林固碳釋氧效應的研究多集中在含碳率與生物量計算、光合作用與三維綠量測算等方面，這些方法或強調靜態(tài)結果，或受到環(huán)境條件影響較大，或依賴于經(jīng)驗系數(shù)和理論參數(shù)，對碳匯林結構配置和調整的理論支撐程度不夠。未來建議從垂直結構層次開展固碳增匯效應的計量與研究，評價各結構層次的固碳增匯效應。此外，掌握森林植被固碳釋氧的動態(tài)變化特征和規(guī)律，也能夠有效指導碳匯林建設工作，為林分結構配置提供有力的科技支撐。

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基金項目：貴州師范大學博士科研啟動基金(2016)

收稿日期：2016-02-16；2016-03-30修回

作者簡介：喻陽華，男，1984年生，博士，研究方向：石漠化區(qū)植被適應性修復。E-mail：yuyanghua2003@163.com

中圖分類號：X24

文獻標志碼：A

Review on carbon sequestration and oxygen release of forest

Yu Yanghua1,2, Yang Sumao1

(1.Institute of Karst, Guizhou Normal University, Guiyang 550001;2.State Key Engineering Technology Research Center for Karst Rocky Desertification Rehabilitation of China, Guizhou Normal University, Guiyang 550001)

Abstract:Carbon sink forest cultivation is regarded as an efficient approach and a sustainable development mode in controlling the global warming, improving the function of forest carbon sequestration. Forest carbon sequestration and carbon sink forest management have attracted considerable scientific attention since the Kyoto Protocol. Comprehensively understanding the mechanisms, processes and effects of carbon sequestration in carbon sink forest is essential for configuring carbon forest structure scientifically. This paper reviews, at first, the concept and connotation of forest carbon sequestration absorbing effects and carbon sink forest, and then analyzes the factors influencing forest carbon sequestration ability based on tree species and community vertical structure, respectively. Furthermore, measuring methods and suggestions for improvement of forest carbon sequestration and oxygen release are summarized, serving as a reference for the study on the forest carbon sequestration and oxygen release function.

Keywords:carbon sink forest; carbon sequestration and oxygen release; influence factors