國(guó)內(nèi)外森林生物量碳儲(chǔ)量估測(cè)現(xiàn)狀存在問(wèn)題及展望

摘 要：總結(jié)了國(guó)內(nèi)外森林生物量與碳儲(chǔ)量估算研究成果，提出了研究過(guò)程中存在的問(wèn)題及展望，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)的研究以及了解中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：森林生物量；碳儲(chǔ)量；碳循環(huán)；現(xiàn)狀；展望

1 森林生物量/碳儲(chǔ)量估測(cè)研究的意義

溫室氣體的持續(xù)高速排放，將會(huì)使全球平均溫度升高，因而導(dǎo)致冰川融化海平面上升、全球氣候異常、沙漠化加劇等，給人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)不利影響。全球碳循環(huán)不僅深刻影響著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的變化，同時(shí)對(duì)人類賴以生存的自然環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此，全球碳循環(huán)是當(dāng)前自然氣候環(huán)境和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的研究重點(diǎn)之一，受到各國(guó)政府的高度重視。

1992年國(guó)際社會(huì)通過(guò)《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（UNFCCC）確定了“共同但有區(qū)別的責(zé)任”原則，以遏制大氣CO2濃度快速升高的勢(shì)頭；1997年通過(guò)《京都議定書(shū)》規(guī)定主要工業(yè)化國(guó)家在2008～2012年期間，其溫室氣體排放量在1990年的基礎(chǔ)上平均減少5.2%；2007年確定“巴厘島路線圖”要求發(fā)達(dá)國(guó)家于2020年將溫室氣體排放量在1990年基礎(chǔ)上削減25%～40%。這些具有法律效力的議定書(shū)以及公約凝聚了國(guó)際社會(huì)的共識(shí)，各個(gè)國(guó)家通過(guò)造林與再造林、森林與農(nóng)田管理等方式來(lái)增加碳匯，以此達(dá)到本國(guó)所承諾的溫室氣體減排指標(biāo)。各發(fā)達(dá)國(guó)家加大了對(duì)本國(guó)碳匯/源與碳收支平衡的研究力度，尋求CO2減排與增匯對(duì)策技術(shù)以適應(yīng)《京都議定書(shū)》相應(yīng)條款。

我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，世界上僅次于美國(guó)的第二大CO2排放國(guó)，從遠(yuǎn)期來(lái)看，我國(guó)參與全球減排行動(dòng)甚至承擔(dān)減排的義務(wù)在所難免。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫(kù)，大約有77%的全球植被碳儲(chǔ)藏在森林生物量中。因此，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳循環(huán)的研究不僅對(duì)了解中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著重要意義，同時(shí)為我國(guó)參與相關(guān)國(guó)際氣候會(huì)議的談判提供科學(xué)依據(jù)。

2 森林生物量/碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外森林生物量碳儲(chǔ)量研究概況

森林碳儲(chǔ)量的研究通常是以森林生物量的研究為基礎(chǔ)。早在19世紀(jì)90年代，德國(guó)林學(xué)家Ebermayer通過(guò)對(duì)森林樹(shù)枝的落葉量以及木材重量的測(cè)定，得到其與森林生產(chǎn)力間的關(guān)系。到20世紀(jì)中葉，以各種生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力為中心的研究開(kāi)始在世界范圍大規(guī)模展開(kāi)，這些都促進(jìn)了全球性的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究的全面展開(kāi)。到20世紀(jì)末，各國(guó)林業(yè)部門(mén)開(kāi)始評(píng)價(jià)本國(guó)森林對(duì)全球碳平衡的貢獻(xiàn)以及估算森林碳儲(chǔ)存能力的工作高潮。大型的碳通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立將作為良好的科學(xué)平臺(tái)，服務(wù)于全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳交換的研究。

迄今對(duì)世界森林碳儲(chǔ)量的研究主要集中在北方針葉林、北半球中緯度溫帶森林等。在20世紀(jì)80、90年代，各國(guó)學(xué)者對(duì)各森林類型也都進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，如Kurz、Heath及Brown分別對(duì)北方森林、溫帶森林及熱帶森林進(jìn)行了相應(yīng)研究。

Gilabert等利用遙感的方法對(duì)作物冠層葉面積指數(shù)、生物量和歸一化植被指數(shù)（NDVI）間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Zheng等研究表明，松樹(shù)林地上生物量與NDVI關(guān)系密切。Lu探討了TM數(shù)據(jù)紋理和地上生物量間的關(guān)系，得出遙感影像的紋理對(duì)成熟林生物量的估測(cè)精度有相應(yīng)的提高。近期研究發(fā)現(xiàn)，熱帶森林可能是一個(gè)重要碳匯[1]，而過(guò)去認(rèn)為森林碳匯主要集中在北方的中、高緯度森林區(qū)域，表明未知碳匯可能分散于全球更大范圍的生態(tài)系統(tǒng)中。由于森林碳儲(chǔ)量估計(jì)中的不確定性，以及陸地表面的不均勻性，目前還不能夠根據(jù)目前的技術(shù)和數(shù)據(jù)來(lái)確切地回答北半球的碳匯數(shù)值以及它的空間分布。因此，對(duì)森林碳儲(chǔ)量以及碳匯的研究成為各國(guó)政府的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2.2 國(guó)內(nèi)森林碳儲(chǔ)量研究概況

我國(guó)科學(xué)家針對(duì)不同區(qū)域?qū)ξ覈?guó)森林生物量與碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究。如李意德等[2]通過(guò)對(duì)海南島尖峰嶺五分區(qū)的熱帶雨林設(shè)固定樣地，根據(jù)已有研究建立的熱帶山地雨林混合樹(shù)種的生物量估測(cè)模型計(jì)算林分生物量。方精云等[3]利用野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與森林資源清查資料，建立了生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法，以此來(lái)推算國(guó)家尺度的森林生物量。郭志華等利用由野外調(diào)查獲得的地面樣地生物量數(shù)據(jù)，建立估測(cè)針葉林與闊葉林材積的最優(yōu)回歸模型，并以此推算出粵西地區(qū)森林的生物量。國(guó)慶喜利用大興安嶺南坡TM影像和對(duì)應(yīng)地域森林資源一類清查樣地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出大興安嶺南坡區(qū)森林生物量。李健等利用Landsat TM數(shù)據(jù)對(duì)都陽(yáng)湖濕地植被生物量進(jìn)行建模，通過(guò)利用多種植被指數(shù)對(duì)生物量的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性與非線性回歸分析表明，非線性回歸所得到的結(jié)果更優(yōu)。焦燕等采用黑龍江省國(guó)家森林資源清查資料，利用材積源-生物量法推算出森林生物量，結(jié)果顯示黑龍江省森林碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)，很好起到了碳匯的作用。劉華等利用秦嶺火地塘林場(chǎng)森林資源數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)樹(shù)種生物量的回歸方程計(jì)算出秦嶺火地塘林區(qū)尺度的森林生物量，進(jìn)而推算秦嶺森林碳儲(chǔ)量和碳密度。

我國(guó)對(duì)不同森林類型的固碳能力也進(jìn)行了一些研究，如周玉榮對(duì)我國(guó)的森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，顯示溫性針葉林與暖性針葉林碳密度相差很小。方精云用森林資源清查資料和已有的生物量實(shí)測(cè)資料，利用改良的生物量換算因子法，對(duì)中國(guó)森林碳庫(kù)及碳密度的變化進(jìn)行了研究。方晰結(jié)合會(huì)同定位觀測(cè)站獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)速生杉木人工林生物量、碳密度與碳貯量進(jìn)行了研究。周國(guó)模用標(biāo)準(zhǔn)樣方法研究了浙江省臨安市青山和三口兩鄉(xiāng)鎮(zhèn)的毛竹林碳密度。

利用遙感手段研究碳匯在我國(guó)起步較晚，黃敬峰等對(duì)天山北坡中段的天然草地進(jìn)行了研究，建立不同的草地類型遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模式。張良培等采用高光譜對(duì)應(yīng)樣本的NDVI，建立與測(cè)得的生物量數(shù)據(jù)間的回歸模型，其相關(guān)系數(shù)在0. 8以上。孫睿利用植被指數(shù)和植被吸收光合有效輻射比例間的線性關(guān)系，計(jì)算植被凈第一性生產(chǎn)力。邢素麗等利用ETM數(shù)據(jù)探討落葉松林生物量的估算方法，建立了落葉松林生物量與ETM數(shù)據(jù)的回歸模型。高志強(qiáng)等用遙感觀測(cè)為基礎(chǔ)的土地利用數(shù)據(jù)和高時(shí)空分辨率的氣候數(shù)據(jù)，估計(jì)土地利用和氣候的變化對(duì)農(nóng)牧過(guò)渡區(qū)、植被碳儲(chǔ)量和碳儲(chǔ)量以及凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響[4]。

2.3 存在的問(wèn)題及展望

森林生態(tài)系統(tǒng)植被生物量與碳儲(chǔ)量估計(jì)的研究，隨著先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和模型的發(fā)展，也得到了較大的發(fā)展，但在碳儲(chǔ)量的研究中依然存在著一些問(wèn)題。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.3.1 用來(lái)建立估算森林生物量與碳儲(chǔ)量模型的野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在局限。由于野外實(shí)測(cè)的樣地?cái)?shù)目不足、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不充分性以及樣地分布不能遍及整個(gè)研究范圍，使得野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不具有代表性，當(dāng)用來(lái)估測(cè)區(qū)域森林生物量與碳儲(chǔ)量時(shí)，難以滿足估測(cè)的精度需要，這樣將會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而影響森林植被生物量與碳儲(chǔ)量的估測(cè)結(jié)果。

2.3.2 基于森林資源清查數(shù)據(jù)進(jìn)行的生物量與碳儲(chǔ)量估測(cè)，很難獲得與時(shí)空尺度一致的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。由于每次的清查數(shù)據(jù)是5個(gè)省不同年份的調(diào)查累加數(shù)據(jù)，當(dāng)估算大區(qū)域尺度上的森林生物量與碳儲(chǔ)量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所獲得的森林資源清查數(shù)據(jù)調(diào)查時(shí)間不一致，同時(shí)空間分布不連續(xù)等問(wèn)題，從而導(dǎo)致估測(cè)的時(shí)效性差。

2.3.3 樣地觀測(cè)數(shù)據(jù)與遙感圖像的匹配問(wèn)題。由于樣地的面積一般小于遙感圖像的一個(gè)像元，兩者間的位置誤差將會(huì)直接影響到估測(cè)的準(zhǔn)確性，不少學(xué)者采用樣地所在像元及其周圍四個(gè)像元的平均值，使樣地?cái)?shù)據(jù)距離實(shí)際值的波動(dòng)減小，帶來(lái)相應(yīng)誤差。

2.3.4 森林生物量與遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)性問(wèn)題。為方便建立估測(cè)森林生物量與碳儲(chǔ)量的模型，需尋找到與森林生物量相關(guān)性高的遙感數(shù)據(jù)，而關(guān)于如何找到相關(guān)性高且具有廣泛適用性的遙感數(shù)據(jù)依然有待研究；遙感信息對(duì)樹(shù)木不同部分生物量間比例的關(guān)系依然有待研究。

盡管存在上述問(wèn)題，對(duì)于森林生物量與碳儲(chǔ)量的研究，仍需充分利用森林資源清查數(shù)據(jù)，采用遙感和樣地清查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對(duì)森林生物量與碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算，實(shí)現(xiàn)森林生物量與碳儲(chǔ)量的估測(cè)在時(shí)間與空間尺度上的一致性和連續(xù)性，從而掌握森林碳儲(chǔ)量空間分布的情況。未來(lái)遙感生物量估測(cè)的發(fā)展將是通過(guò)對(duì)具有生態(tài)與生理學(xué)意義的機(jī)理模型的研究，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自學(xué)習(xí)以及高度容錯(cuò)性等優(yōu)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行高精度的定量估測(cè)。

（收稿：2016-05-17）

參考文獻(xiàn)：

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[3]方精云，陳安平，趙淑清，慈龍駿.中國(guó)森林生物量的估算： 對(duì)Fang等Science一文（Science 2001，191： 2320-2322）的若干說(shuō)明[J].2002，植物生態(tài)學(xué)報(bào)，26：243-249.

[4]高志強(qiáng)，劉紀(jì)遠(yuǎn)，曹明奎，李克讓，陶波.土地利用和氣候變化對(duì)農(nóng)牧過(guò)渡區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳循環(huán)的影響[J].中國(guó)科學(xué)D輯，2004，34（10）： 946-957.

作者簡(jiǎn)介：王晶（1982-），女，河南信陽(yáng)，漢族，信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院教師，主要從事林業(yè)經(jīng)濟(jì)管理教學(xué)與研究。