國內(nèi)外森林生物量碳儲量估測現(xiàn)狀存在問題及展望

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

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

1 森林生物量/碳儲量估測研究的意義

溫室氣體的持續(xù)高速排放，將會使全球平均溫度升高，因而導致冰川融化海平面上升、全球氣候異常、沙漠化加劇等，給人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來不利影響。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，同時對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)是當前自然氣候環(huán)境和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的研究重點之一，受到各國政府的高度重視。

1992年國際社會通過《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）確定了“共同但有區(qū)別的責任”原則，以遏制大氣CO2濃度快速升高的勢頭；1997年通過《京都議定書》規(guī)定主要工業(yè)化國家在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)達國家于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以及公約凝聚了國際社會的共識，各個國家通過造林與再造林、森林與農(nóng)田管理等方式來增加碳匯，以此達到本國所承諾的溫室氣體減排指標。各發(fā)達國家加大了對本國碳匯/源與碳收支平衡的研究力度，尋求CO2減排與增匯對策技術(shù)以適應《京都議定書》相應條款。

我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，世界上僅次于美國的第二大CO2排放國，從遠期來看，我國參與全球減排行動甚至承擔減排的義務在所難免。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫，大約有77%的全球植被碳儲藏在森林生物量中。因此，對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳循環(huán)的研究不僅對了解中國森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著重要意義，同時為我國參與相關(guān)國際氣候會議的談判提供科學依據(jù)。

2 森林生物量/碳儲量研究進展

2.1 國外森林生物量碳儲量研究概況

森林碳儲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90年代，德國林學家Ebermayer通過對森林樹枝的落葉量以及木材重量的測定，得到其與森林生產(chǎn)力間的關(guān)系。到20世紀中葉，以各種生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力為中心的研究開始在世界范圍大規(guī)模展開，這些都促進了全球性的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究的全面展開。到20世紀末，各國林業(yè)部門開始評價本國森林對全球碳平衡的貢獻以及估算森林碳儲存能力的工作高潮。大型的碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)的建立將作為良好的科學平臺，服務于全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳交換的研究。

迄今對世界森林碳儲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80、90年代，各國學者對各森林類型也都進行了進一步的研究，如Kurz、Heath及Brown分別對北方森林、溫帶森林及熱帶森林進行了相應研究。

Gilabert等利用遙感的方法對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)系進行了研究。Zheng等研究表明，松樹林地上生物量與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成熟林生物量的估測精度有相應的提高。近期研究發(fā)現(xiàn)，熱帶森林可能是一個重要碳匯[1]，而過去認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。由于森林碳儲量估計中的不確定性，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，對森林碳儲量以及碳匯的研究成為各國政府的一項重要任務。

2.2 國內(nèi)森林碳儲量研究概況

我國科學家針對不同區(qū)域?qū)ξ覈稚锪颗c碳儲量進行了研究。如李意德等[2]通過對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種的生物量估測模型計算林分生物量。方精云等[3]利用野外實測數(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，以此來推算國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。國慶喜利用大興安嶺南坡TM影像和對應地域森林資源一類清查樣地數(shù)據(jù)計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)對都陽湖濕地植被生物量進行建模，通過利用多種植被指數(shù)對生物量的數(shù)據(jù)進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量呈增加趨勢，很好起到了碳匯的作用。劉華等利用秦嶺火地塘林場森林資源數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)樹種生物量的回歸方程計算出秦嶺火地塘林區(qū)尺度的森林生物量，進而推算秦嶺森林碳儲量和碳密度。

我國對不同森林類型的固碳能力也進行了一些研究，如周玉榮對我國的森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進行了研究，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測資料，利用改良的生物量換算因子法，對中國森林碳庫及碳密度的變化進行了研究。方晰結(jié)合會同定位觀測站獲得的數(shù)據(jù)，對速生杉木人工林生物量、碳密度與碳貯量進行了研究。周國模用標準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起步較晚，黃敬峰等對天山北坡中段的天然草地進行了研究，建立不同的草地類型遙感動態(tài)監(jiān)測模式。張良培等采用高光譜對應樣本的NDVI，建立與測得的生物量數(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。高志強等用遙感觀測為基礎(chǔ)的土地利用數(shù)據(jù)和高時空分辨率的氣候數(shù)據(jù)，估計土地利用和氣候的變化對農(nóng)牧過渡區(qū)、植被碳儲量和碳儲量以及凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響[4]。

2.3 存在的問題及展望

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

2.3.1 用來建立估算森林生物量與碳儲量模型的野外實測數(shù)據(jù)存在局限。由于野外實測的樣地數(shù)目不足、實測數(shù)據(jù)的不充分性以及樣地分布不能遍及整個研究范圍，使得野外實測數(shù)據(jù)不具有代表性，當用來估測區(qū)域森林生物量與碳儲量時，難以滿足估測的精度需要，這樣將會導致實測數(shù)據(jù)不準確，從而影響森林植被生物量與碳儲量的估測結(jié)果。

2.3.2 基于森林資源清查數(shù)據(jù)進行的生物量與碳儲量估測，很難獲得與時空尺度一致的實測數(shù)據(jù)。由于每次的清查數(shù)據(jù)是5個省不同年份的調(diào)查累加數(shù)據(jù)，當估算大區(qū)域尺度上的森林生物量與碳儲量時，就會出現(xiàn)所獲得的森林資源清查數(shù)據(jù)調(diào)查時間不一致，同時空間分布不連續(xù)等問題，從而導致估測的時效性差。

2.3.3 樣地觀測數(shù)據(jù)與遙感圖像的匹配問題。由于樣地的面積一般小于遙感圖像的一個像元，兩者間的位置誤差將會直接影響到估測的準確性，不少學者采用樣地所在像元及其周圍四個像元的平均值，使樣地數(shù)據(jù)距離實際值的波動減小，帶來相應誤差。

2.3.4 森林生物量與遙感數(shù)據(jù)的相關(guān)性問題。為方便建立估測森林生物量與碳儲量的模型，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；遙感信息對樹木不同部分生物量間比例的關(guān)系依然有待研究。

盡管存在上述問題，對于森林生物量與碳儲量的研究，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)合的方法對森林生物量與碳儲量進行估算，實現(xiàn)森林生物量與碳儲量的估測在時間與空間尺度上的一致性和連續(xù)性，從而掌握森林碳儲量空間分布的情況。未來遙感生物量估測的發(fā)展將是通過對具有生態(tài)與生理學意義的機理模型的研究，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自學習以及高度容錯性等優(yōu)點來進行高精度的定量估測。

（收稿：2016-05-17）

參考文獻：

[1]Prentice I C， Lloyd J. C-quest in the Amazon Basin[J]. Nature， 1998， 396： 610-620.

[2]李意德，吳仲民，曾慶波等.尖峰嶺熱帶山地雨林群落生產(chǎn)和二氧化碳同化凈增量的初步研究[J].植物生態(tài)學報，1998，22（1）：127-134.

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

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

作者簡介：王晶（1982-），女，河南信陽，漢族，信陽農(nóng)林學院教師，主要從事林業(yè)經(jīng)濟管理教學與研究。