森林生態(tài)系統(tǒng)固碳估算方法研究進展

蔡 云，周炆濤

(陜西省柞水縣瓦房口鎮(zhèn)人民政府，陜西 柞水 711401)

1 引言

陸地生態(tài)系統(tǒng)作為全球最大的碳(C)庫，在全球氣候變化中都起著重要的調(diào)節(jié)作用[1]。而森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體部分，約儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)45%的有機C[2]，每年的固C量占陸地生態(tài)系統(tǒng)總固C量的2/3左右，在全球氣候變化的背景下，森林在C平衡中扮演著重要角色[3,4]。充分發(fā)揮森林的固C能力是實現(xiàn)降低大氣CO2濃度、緩解氣候變暖的最佳途徑[5，6]。因此，準確評估森林生態(tài)系統(tǒng)固C潛力是必要的，因為評估的準確性將決定人們是否能夠深入理解生態(tài)系統(tǒng)C儲量在自然條件和人為活動干擾下的響應(yīng)機制，從而來更好地制定陸地生態(tài)系統(tǒng)固C的策略[7]。本文歸納總結(jié)了常用的幾種森林固C的估算方法，分析了其各自的優(yōu)點和不足，結(jié)合以往的研究來回顧我國森林生態(tài)系統(tǒng)C估算的發(fā)展歷程，并對未來森林生態(tài)系統(tǒng)固C的估算提出了展望。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)固C的研究進展

2.1 研究背景

在全球氣候變暖的背景下，實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)固C潛力準確評估是必要的，因為評估的準確性將為未來更好地制定陸地生態(tài)系統(tǒng)C固持策略提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。目前，一些學者已經(jīng)利用森林清查數(shù)據(jù)對中國森林C儲量進行了多次估計[8,9]。但是對森林植被的系統(tǒng)性研究較少，也很少有基于大量樣地實際調(diào)查數(shù)據(jù)研究深層次土壤C貯量的，目前的研究僅停留在森林土壤表層的(0～20 cm)的C貯量[10]。而且，由于森林C貯量估算在數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)采集以及估算方法等方面的不同，目前對森林C貯量的估算結(jié)果仍存在較大差異[11,12]。

2.2 森林固C研究的估算方法

2.2.1 生物量法

生物量法是以森林生態(tài)系統(tǒng)生物量為基礎(chǔ)的C估算方法[13]，最早采用的生物量法是采用森林資源清查方法[14]。生物量法通常以單位面積的植物生物量代表其生物量[15]。該方法的實測數(shù)據(jù)通過實地調(diào)查獲得，建立一套標準的測量參數(shù)和生物量數(shù)據(jù)庫獲得植被的平均C密度[16]，然后用每一種植被的C密度與面積之積來估算生態(tài)系統(tǒng)的C貯量[17]。生物量估算法技術(shù)簡單，可操作性強。但是由于生態(tài)調(diào)查時一般傾向于選取長勢良好的林分作為樣地進行測定，所以用此方法估算出來的結(jié)果往往會高估樣地內(nèi)實際生物量，導致估算出來的森林植被固C量比實際偏高[18]。另外，在進行生物量估算時，往往會忽略植物的地下生物量，而且即使考慮到地下部分生物量，測定出來的結(jié)果也存在很大的誤差。此外，生物量估算方法一般會忽略土壤微生物對土壤有機C的分解，進而影響到森林固C量估算的結(jié)果[19]。

2.2.2 蓄積量法

蓄積量法是以森林蓄積量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的估算方法[20]。其原理是對森林主要樹種進行抽樣實測計算其平均容重，根據(jù)森林的總蓄積量求出生物量，然后再根據(jù)生物量與C含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)求出森林的固C量。這種方法比較直接明確，但仍然不可避免的存在一些不足，即可能會忽略森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)其他因素的影響，比如土壤呼吸，地下生物量變化的影響等，因此該估算方法也會對結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差[19]。

2.2.3 生物量和蓄積量關(guān)系的估算方法

近年來，以建立生物量和蓄積量關(guān)系的植物C貯量估算方法得到認可并被廣泛應(yīng)用[19]。該方法首先計算出森林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的C貯存密度，然后再根據(jù)喬木層生物量與總生物量的比值，估算出各森林類型單位面積的C貯量[21]。王效科等[22]采用此方法估算了中國森林生態(tài)系統(tǒng)的實際C貯量和潛在C貯量。

2.2.4 模型模擬法

模型模擬法是常見的估算森林C儲量的一種方法，也是研究大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)C儲量的必要手段[23]。該方法主要通過數(shù)學模型來實現(xiàn)估算，即在相同氣候條件下，通過結(jié)合實測數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果，確定其準確度后再進行計算。在不同時期的研究中也產(chǎn)生了許多不同的模型，如：Thornthwaite Memorial模型和MIAMI模型等經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，CENTURY模型、BIOME模型以及CASA模型等機制模型，還包括FCS模型，Holdridge生命地帶模型等半經(jīng)驗半機制模型等[24]。

總之，模型模擬的估算方法僅適用于估算在理想條件下一個地區(qū)的C儲量，雖然它對大氣、植被和土壤間的交換考慮得比較全面，但是因為沒有考慮多個相關(guān)因素之間的相互作用和影響，所以在估算土地利用變化對C儲量的影響時會存在較大的不確定性。

2.2.5 遙感估算法

遙感估算法是依托遙感技術(shù)來獲取植被的參數(shù)，再結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)分析植被的空間分類和時間序列，進而用來分析森林生態(tài)系統(tǒng)C的時空分布和動態(tài)變化。遙感估算法綜合性強，可彌補模型模擬方法的不足之處，因此對于森林生態(tài)系統(tǒng)的固C量評估更加準確[25]。除此之外，國外還有一些估算方法，例如渦旋相關(guān)法，馳豫渦旋積累法等[19]。

2.3 研究進展

森林生態(tài)系統(tǒng)具有強烈的時空異質(zhì)性，因此對其固C的研究必須考慮時空尺度和系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系。我國在森林固C方面的研究始于20世紀70年代，李文華等[26]首先進行了森林生物量的調(diào)查和測定，研究建立了主要森林樹種的生物量測定相對生長方程，并對其生物量和生產(chǎn)力進行了估算。到20世紀末，由于數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)采集方法以及估算方法的不同，我國的學者們對于我國的森林固C量的估算結(jié)果也產(chǎn)生了一定的差異。如康慧寧等[27]采用蓄積量法進行估算，1993 年為 10.81×108t CO2；方精云等[28]用生物量換算因子法進行計算 1998年的CO2含量為 174.17×108t；而王效科等[22]根據(jù)全國第三次森林資源普查數(shù)據(jù)采用改進的方法進行評估得出的結(jié)果是 128.15×108t CO2。再后來學者們通過模型模擬法展開了大量研究，Hu等[29]采用林齡轉(zhuǎn)移矩陣模型基于森林清查數(shù)據(jù)預測了2005到2050年中國森林地上生物量C貯量。Xu等[30]基于森林清查數(shù)據(jù)的36種優(yōu)勢物種生物量與林齡的擬合關(guān)系，評估了2000～2050年中國地上生物量C貯量。

3 總結(jié)與展望

由于森林是一個龐大、復雜，且存在動態(tài)變化的生態(tài)系統(tǒng)，各個模型基于的假設(shè)不盡相同，因此現(xiàn)在對于森林生態(tài)系統(tǒng)固C量估算的方法均表現(xiàn)出其優(yōu)勢和局限性[23]。如采用生物量法估算時，采樣過程要制定一個統(tǒng)一標準，不能以長勢良好的林分來代替整個森林，不然存在的誤差必不可少。采用模型模擬法時，不能只基于某一參考假設(shè)來進行估算，要為預測森林固C速率提供一種實時的模擬工具。而且，由于全球氣候變化的不確定性，還應(yīng)當充分考慮到不同氣候模式對于森林固C的影響，這也是導致對森林生態(tài)系統(tǒng)固C量潛力估算產(chǎn)生誤差的主要原因。此外，為了提高森林生物量和土壤含C量的估算精度，估算方法和模型構(gòu)建都需要進一步的改進和完善，因為目前的模型不確定性因素較多，且多為靜態(tài)或經(jīng)驗統(tǒng)計模型[31]，要想提高和實現(xiàn)其估算的準確性，不能僅僅局限于小尺度的模擬估算，只有綜合考慮多種對象和因素，才能推動模型估算向更加精確的方向發(fā)展。

由于估算方法都存在著優(yōu)點和不足，因此我們在估算森林固C量時，要根據(jù)實際情況，結(jié)合各種方法的優(yōu)缺點，合理運用相應(yīng)的估算方法。而且未來森林生態(tài)系統(tǒng)C儲量的研究應(yīng)當考慮各種方法的綜合運用，并通過多學科的介入、聯(lián)合和滲透，向更高層次的綜合、繼承研究發(fā)展，以實現(xiàn)我國森林生態(tài)系統(tǒng)固C估算的準確性，為未來全國實施低C經(jīng)濟和C排放權(quán)交易提供參考[19]。