森林生態(tài)系統(tǒng)不同碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算方法綜述

呂 浩, 彭春良, 吳惠俐, 李柏海, 胡俊東, 何友軍,劉 艷, 李巧云

(1.湖南省植物園, 湖南 長(zhǎng)沙 410116; 2.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，在緩解全球氣候變化方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。森林具有重要的碳匯功能，林木每增長(zhǎng)1 m3的蓄積量，則會(huì)固定約1.83 t CO2[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力高于其他任何陸地生態(tài)系統(tǒng)，其每年固碳量占陸地生態(tài)系統(tǒng)總固碳量的2/3以上[4]。雖然世界森林總面積(約為40億hm2)僅占陸地總面積的31%左右[5-6]，但其植被碳儲(chǔ)量則占全球植被碳儲(chǔ)量的86%以上，森林土壤碳儲(chǔ)量占全球土壤碳儲(chǔ)量的73%以上[7]。如何準(zhǔn)確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是全球氣候變化研究領(lǐng)域廣被關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是面臨的重要挑戰(zhàn)。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)主要包含森林植被、森林土壤和森林地面凋落物3個(gè)碳庫(kù)[8-9]。不同碳庫(kù)碳儲(chǔ)量不同，其估算方法不同，即使是同一碳庫(kù)，不同估算方法的估測(cè)結(jié)果也存在差異[10-13]。比如，李海奎等[11]利用第七次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)(2004—2008年)，采用回歸模型估算法估算了中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量，結(jié)果顯示中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)植被總碳儲(chǔ)量為7.81 PgC，碳密度為4.28 kg·m-2，此結(jié)果與Zhang等[12]基于全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)和樣地調(diào)查數(shù)據(jù)估算的結(jié)果相近(7.59 PgC和4.08 kg·m-2)。然而，Zhao等[13]基于第七次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)，采用高精度曲面建模(HASM)方法估算得到中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量為9.24 PgC，碳密度為4.73 kg·m-2，該方法估算結(jié)果高于李?？萚11]和Zhang等[12]的估算結(jié)果。又比如，基于第二次全國(guó)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)(1979—1985年)，利用不同的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)方法估算中國(guó)森林0～100cm深度土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳密度，解憲麗等[14]估算結(jié)果顯示土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量為17.39 PgC，有機(jī)碳密度為11.59 kg.m-2；Xu等[15]估算結(jié)果分別為19.08 PgC和10.63 kg·m-2；而Xie等[16]的估算結(jié)果分別為34.23 PgC和13.73 kg·m-2，遠(yuǎn)高于前兩者估算的結(jié)果。森林碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算結(jié)果之間的差異主要來(lái)源于數(shù)據(jù)的可靠性和估算方法的不同[17]。因此，使用全面的數(shù)據(jù)和優(yōu)化的方法對(duì)提高大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算精度至關(guān)重要。

2020年9月，我國(guó)向全世界莊嚴(yán)承諾，中國(guó)力爭(zhēng)于2030年前碳排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2020年12月，我國(guó)在氣候雄心峰會(huì)上宣布，到2030年，中國(guó)森林蓄積量將比2005年增加60億m3。森林碳匯量的核算是實(shí)施全球碳交易、評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)減緩全球氣候變暖貢獻(xiàn)、評(píng)估碳達(dá)峰和碳中和的重要基礎(chǔ)[18]。準(zhǔn)確估測(cè)森林碳儲(chǔ)量、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)森林的碳匯潛能意義重大。分析和評(píng)價(jià)森林不同碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量估算方法，對(duì)精確估算區(qū)域和全球尺度森林碳儲(chǔ)量非常重要。因此，本研究將分別總結(jié)和分析森林植被、森林土壤和森林地面凋落物碳庫(kù)碳儲(chǔ)量的估算方法，以期為提高中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算精度提供參考依據(jù)，并為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的政策和行動(dòng)提供技術(shù)支持。

1 森林植被碳儲(chǔ)量估算方法

對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量估算及其估算方法的研究較多[11-12]。森林植被碳儲(chǔ)量及其變化的估算均是以森林生物量及其變化為基礎(chǔ)來(lái)估算的。目前，森林植被碳儲(chǔ)量估算方法主要分為如下3種、樣地清查法、基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的估算方法、基于過(guò)程模型的估算方法[19]。

1.1 樣地清查法

樣地清查法是基于森林標(biāo)準(zhǔn)樣地實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行生物量和碳儲(chǔ)量的估算方法，是森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部碳儲(chǔ)量累積的經(jīng)典估算方法系列[20-22]。該系列方法主要利用林分尺度、生態(tài)系統(tǒng)尺度或區(qū)域尺度臨時(shí)設(shè)置典型樣地、森林資源二類調(diào)查樣地、國(guó)家森林資源連續(xù)清查樣地等的數(shù)據(jù)估算森林碳儲(chǔ)量，例如森林類型、林齡、林分密度、林分蓄積量、平均樹高和胸徑、林下植被、地面凋落物等數(shù)據(jù)[21]。在林分尺度上，林下植被碳儲(chǔ)量的估算方法主要應(yīng)用全收獲法，而在區(qū)域尺度上，其估算方法與喬木層碳儲(chǔ)量估算相似。

1.1.1 常用估算植被碳儲(chǔ)量方法 在過(guò)去幾十年中，平均生物量法、材積源生物量法、生物量回歸模型法和轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法是根據(jù)林業(yè)清查數(shù)據(jù)估算植被碳儲(chǔ)量最常用的四種方法[10](見表1)。其中，平均生物量法多用于研究區(qū)森林碳儲(chǔ)量的估算，而其他三種方法則可用于不同區(qū)域、國(guó)家或全球尺度的估算。方精云等[22]首次應(yīng)用材積源生物量法，結(jié)合野外調(diào)查獲得中國(guó)不同地域蓄積量和生物量數(shù)據(jù)，估算了大尺度森林生物量，使我國(guó)森林碳儲(chǔ)量估算由樣地研究進(jìn)入?yún)^(qū)域尺度研究。材積源生物量法也可估算竹林和疏林地碳儲(chǔ)量，其中疏林地材積源生物量方程是非線性的，而竹林的林分生物量與密度(株·hm-2)呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[23]。李海奎等[13]和曾偉生等[24]比較了材積源法、生物量回歸模型法和轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法對(duì)森林碳儲(chǔ)量的估算精度，認(rèn)為生物量回歸方程法的準(zhǔn)確性最高。

表1 樣地清查法中四種常用森林植被碳儲(chǔ)量估算方法[10]

1.1.2 不同樣地清查法優(yōu)缺點(diǎn) 平均生物量法雖然操作簡(jiǎn)單，成本較低，但由于實(shí)測(cè)資料的取樣點(diǎn)少，且多選擇生長(zhǎng)較好的林分設(shè)置樣地，往往不能真實(shí)反映森林的碳儲(chǔ)量且會(huì)高估植被碳儲(chǔ)量[7]。材積源生物量法操作技術(shù)簡(jiǎn)單，能夠較簡(jiǎn)易的推算大尺度森林生物量，但其忽略了林分中胸徑小于5 cm的幼樹的蓄積量，使估算結(jié)果偏??；同時(shí)，也忽略了地下生物量增加以及土壤微生物呼吸等對(duì)森林生物量的影響，導(dǎo)致估算結(jié)果偏差較大。轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法可應(yīng)用于多種尺度，具有普適性，可估算大部分森林類型碳儲(chǔ)量，但是有些森林類型樣本不足，且將生物量和蓄積量的關(guān)系簡(jiǎn)單看作一種線性關(guān)系，尚存在較大的問(wèn)題和爭(zhēng)論[21]。

樣地清查法中，生物量回歸模型法估算碳儲(chǔ)量準(zhǔn)確性最高，且林木水平的生物量回歸模型的估算精度明顯高于林分水平的生物量模型；如將材積源生物量法中的缺省參數(shù)優(yōu)化為可變參數(shù)，則能大大提高該法的估算精度；轉(zhuǎn)換因子函數(shù)法在材積源生物量法上做了改進(jìn)，由原來(lái)的生物量平均轉(zhuǎn)換因子改為分齡級(jí)的轉(zhuǎn)換因子，簡(jiǎn)化了計(jì)算公式，應(yīng)用于大尺度森林生物量和碳儲(chǔ)量的估算，但其精度仍低于林木水平的生物量回歸模型法，且不適用于中小尺度生物量的估算[29]。采用森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳含量系數(shù)法與組分碳含量系數(shù)法的碳儲(chǔ)量估算差異很小，但使用固定碳含量則會(huì)導(dǎo)致較大誤差[25]。

1.2 基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的估算方法

基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的估算方法是利用不同尺度的RS、GIS和全球定位系統(tǒng)(GPS)等現(xiàn)代3S技術(shù)對(duì)森林碳儲(chǔ)量估算的一系列方法。多源遙感數(shù)據(jù)已成為區(qū)域尺度和偏遠(yuǎn)地區(qū)森林地上生物量和碳儲(chǔ)量估算的有效途徑[10,26]。當(dāng)前，用于估算植被碳儲(chǔ)量的遙感數(shù)據(jù)主要包括三種類型：光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，合成孔徑雷達(dá)(SAR)數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)(LiDAR)數(shù)據(jù)。

1.2.1 光學(xué)遙感數(shù)據(jù)估算方法 利用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行森林植被地上生物量反演已進(jìn)行了大量研究，其主要原則是構(gòu)建光譜響應(yīng)與林分結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，利用專題制圖儀(TM)等傳感器獲得多波段掃描影像數(shù)據(jù)，包括胸徑、樹高、基徑段面積、郁閉度、葉面積指數(shù)等指標(biāo)，間接估算森林植被生物量和碳儲(chǔ)量[27]。地面采樣間隔(GSD)可用來(lái)定義光學(xué)遙感的空間分辨率水平，據(jù)此，可將光學(xué)遙感分辨率程度分為低分、中分和高分分辨率。低分遙感數(shù)據(jù)的地面采樣間隔<10 m，該遙感成像一般可用來(lái)探測(cè)一個(gè)森林小尺度的結(jié)構(gòu)多樣性。低分遙感數(shù)據(jù)為特定區(qū)域提供詳細(xì)信息，但其具有覆蓋面積小、陰影遮擋且獲取費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)。所以，其一般用于關(guān)注林分水平的小尺度碳儲(chǔ)量估算或用于驗(yàn)證中分和高分遙感反演結(jié)果。中分遙感數(shù)據(jù)的地面采樣間隔為10～100 m，適用于區(qū)域尺度碳儲(chǔ)量的估算，其時(shí)空數(shù)據(jù)良好，且獲取和保存費(fèi)用較低。由于中分遙感的分辨率能很好的與樣地清查法進(jìn)行比較，所以，該方法被廣泛應(yīng)用。高分遙感分辨率為地面采樣間隔>100 m，適用于國(guó)家或大陸尺度。然而，由于地面采樣間隔過(guò)大，混合土地利用圖像頻繁出現(xiàn)，且森林樣地清查和高分分辨率之間的差異，使得高分遙感數(shù)據(jù)估算碳儲(chǔ)量受限。如果結(jié)合低分和中分遙感數(shù)據(jù)，就可以提高高分遙感估算生物量和碳儲(chǔ)量的精度。

1.2.2 合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)估算方法 利用合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)估算樹木生物量相關(guān)參數(shù)是森林生物量和碳儲(chǔ)量估算方法中運(yùn)用較多的方法，其通常借助相位信息建立干涉影像相位信息與樹木特性之間的關(guān)系式，或是把樹木整體看作一種均勻分布的介質(zhì)，分析回波信號(hào)強(qiáng)度，求解樹木的相關(guān)參數(shù)[28]。合成孔徑雷達(dá)憑借其全天候、全天時(shí)，且對(duì)天氣不敏感的成像技術(shù)，在估算森林生物量和碳儲(chǔ)量方面具有極大優(yōu)勢(shì)。徐星歐[28]采用目標(biāo)分解法簡(jiǎn)單而又完整地利用合成孔徑雷達(dá)影像的相位和振幅信息，進(jìn)行植被生物量相關(guān)參數(shù)的估計(jì)，進(jìn)而估算森林植被生物量和碳儲(chǔ)量。合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)分辨率由范圍和方位兩個(gè)維度定義，它利用信號(hào)處理將方位分辨率提高數(shù)百倍。合成孔徑雷達(dá)在估算低或中等密度森林生物量時(shí)精度高，而雷達(dá)反射散射與森林地上生物量的關(guān)系隨森林密度的增加而減弱，直至飽和密度。飽和密度與波段波長(zhǎng)、極化、植被冠層特征和地面條件相關(guān)。

1.2.3 激光雷達(dá)估算方法 利用激光雷達(dá)的光檢測(cè)是一種主動(dòng)的測(cè)距技術(shù)，其原理是通過(guò)測(cè)量激光回波與發(fā)射激光主波之間的時(shí)間延遲來(lái)獲得傳感器到地面采樣點(diǎn)之間的距離，或利用高密度激光云進(jìn)行單木高度和單木生物量的精確估測(cè)，或利用回波波形反演大范圍森林的垂直結(jié)構(gòu)和生物量等參數(shù)。它能夠有效的測(cè)量三維結(jié)構(gòu)，尤其是在估算樹木的高度和空間結(jié)構(gòu)方面更為有效。劉峰等[29]以黑龍江省長(zhǎng)白山區(qū)的長(zhǎng)白落葉松林為研究對(duì)象，該研究使用機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別單木參數(shù)，如胸徑、樹高，以及估算單木生物量。

光學(xué)遙感在獲取水平結(jié)構(gòu)參數(shù)方面非常直觀且靈敏，但存在一定的局限性，如其波長(zhǎng)范圍有限、無(wú)法穿透樹冠、或與樹葉相互干擾等均會(huì)影響遙感反演結(jié)果。合成孔徑雷達(dá)在估算區(qū)域和全球尺度森林生物量和碳儲(chǔ)量方面具有其他遙感數(shù)據(jù)不可替代的作用。合成孔徑雷達(dá)對(duì)森林冠層具有一定程度的穿透力，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透力越大，能夠通過(guò)利用不同波段或傳感器獲得不同冠層深度和森林結(jié)構(gòu)水平的數(shù)據(jù)[30]。盡管具有這些優(yōu)點(diǎn)，但合成孔徑雷達(dá)信號(hào)在很大程度上取決于地形和電磁波的波長(zhǎng)，由于技術(shù)原因，在中國(guó)尚未得到廣泛應(yīng)用[10]。相對(duì)于光學(xué)遙感和合成孔徑雷達(dá)，激光雷達(dá)能夠獲得高精度的森林垂直結(jié)構(gòu)信息，在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取中起著重要的作用[10]。但是，由于闊葉林和針闊混交林無(wú)論在水平還是垂直結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，激光雷達(dá)目前主要應(yīng)用于針葉林生物量和碳儲(chǔ)量估算。如何將多源遙感數(shù)據(jù)有效結(jié)合，消除復(fù)雜林型、地形因素的影響，實(shí)現(xiàn)森林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的全面估算，還有待進(jìn)一步深入研究。

1.3 基于過(guò)程模型的估算方法

基于過(guò)程模型的估算方法是指利用數(shù)學(xué)模型定量模擬森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程及其與全球環(huán)境因子變化之間的相互作用關(guān)系，并結(jié)合森林碳循環(huán)過(guò)程的主要影響因素及其作用機(jī)理，估算森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量的方法[31]。該方法的原理就是渦動(dòng)相關(guān)法的原理，利用高頻(約10～20 Hz)采集森林冠層上方的三維風(fēng)速和CO2濃度，并通過(guò)垂直風(fēng)速和CO2濃度的協(xié)方差確定CO2通量，然后利用CO2通量來(lái)表征森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程，進(jìn)而構(gòu)建過(guò)程模型。該方法適用于大尺度森林碳儲(chǔ)量研究?；谶^(guò)程模型的碳儲(chǔ)量估算方法主要有如下兩種：地統(tǒng)計(jì)建模和機(jī)理建模。

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)建模 地統(tǒng)計(jì)建模是將森林資源清查數(shù)據(jù)與地形、海拔、坡度、坡向和其他環(huán)境因素相結(jié)合，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，構(gòu)建植被凈初級(jí)生產(chǎn)力模型，進(jìn)而估算時(shí)間和區(qū)域尺度森林生產(chǎn)力、生物量和碳儲(chǔ)量?？死锔癫逯?、K-近鄰逆距離插值、偏最小二乘、回歸克里格和機(jī)器學(xué)習(xí)是地統(tǒng)計(jì)模型最常用的方法。Destan等[32]使用空間插值和多準(zhǔn)則決策分析研究了森林生物量碳的空間估算。Shaban等[33]于2011年分別使用K-近鄰、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算了德國(guó)西南部Waldkirch森林的蓄積量和基準(zhǔn)面積。結(jié)果表明，基于徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的森林蓄積量估算比其他方法更為精確。目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型被廣泛用于森林生物量估算[34-35]。

1.3.2 機(jī)理建模 機(jī)理建模是建立在深入理解森林生態(tài)系統(tǒng)生理過(guò)程的基礎(chǔ)上，用于定量描述森林碳循環(huán)過(guò)程和估算森林碳儲(chǔ)量的一種方法[36]。根據(jù)研究的空間尺度，機(jī)理建模方法可以進(jìn)一步分為斑塊尺度和區(qū)域尺度兩種方法。植被碳儲(chǔ)量估算的斑塊尺度模型是專為林分碳儲(chǔ)量估算而設(shè)計(jì)的，其初始值和輸出驗(yàn)證均可通過(guò)森林資源清查獲得。模擬機(jī)理過(guò)程首先需關(guān)注一棵樹的各個(gè)器官，然后關(guān)注林分尺度。斑塊尺度模擬的模型更為真實(shí)，植被碳儲(chǔ)量的值可通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)提高其估算精度。但是，需要高質(zhì)量的森林清查數(shù)據(jù)，并且這種方法可能不易應(yīng)用于全球甚至區(qū)域尺度的碳儲(chǔ)量估算。植被碳儲(chǔ)量估算的區(qū)域尺度模型可以動(dòng)態(tài)地應(yīng)用于任何區(qū)域。時(shí)間序列值可以通過(guò)遙感和其他基本方法獲得。最后，可以估算更大區(qū)域甚至全球范圍的碳儲(chǔ)量[37-39]。

相對(duì)于地統(tǒng)計(jì)建模方法，機(jī)理建模估算森林植被碳儲(chǔ)量方法可從機(jī)理上解釋大氣—植被—土壤互作過(guò)程包括物質(zhì)、能量交換過(guò)程，可以描述植被光合作用、呼吸作用、蒸散發(fā)以及土壤的水循環(huán)過(guò)程，并可模擬全球氣候變化和人類干擾對(duì)森林碳循環(huán)的影響[37]。機(jī)理建模方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳氮水收支的生物地球化學(xué)過(guò)程考慮的更為全面。

2 森林土壤碳儲(chǔ)量估算方法

森林土壤碳儲(chǔ)量是森林生態(tài)系統(tǒng)最為主要的碳儲(chǔ)存庫(kù)，也是全球土壤碳庫(kù)的重要組成部分[38]。全球土壤表層1 m深度的土壤有機(jī)碳(SOC)儲(chǔ)量約為1 500～2 400 Gt C(約5 500～8 800 Gt CO2)[39-40]。據(jù)估計(jì)，土壤表層1 m深度的碳儲(chǔ)量約是植被碳儲(chǔ)量的三倍，是大氣碳儲(chǔ)量的兩倍[41]。因此，土壤碳庫(kù)的微小變化會(huì)對(duì)大氣和氣候變化產(chǎn)生重大影響。然而，由于估算方法的不一致，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力的估算結(jié)果差異很大[42]。提高森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算精度對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估森林碳儲(chǔ)量乃至全球碳儲(chǔ)量具有重要意義。森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算方法主要有直接估算法和間接估算法[43]。

2.1 直接估算法

直接估算法由土壤剖面樣品采集和有機(jī)碳含量測(cè)量確定，其精確度很大程度上取決于有機(jī)碳含量[44]。該方法主要用于估算生態(tài)系統(tǒng)尺度的土壤有機(jī)碳含量，其包括基于土壤類型和基于生態(tài)系統(tǒng)類型的兩種估算方法?；谕寥李愋偷挠袡C(jī)碳儲(chǔ)量估算主要是依據(jù)土壤類型的空間分布以及各土壤類型的平均碳儲(chǔ)量來(lái)估算的，而基于生態(tài)系統(tǒng)類型的估算方法則主要依據(jù)生命帶的分布進(jìn)行估算，即將不同生命帶或生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳密度乘以面積來(lái)計(jì)算區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[51]。從估算總量上看，這兩種直接估算法得到的結(jié)果相似，然而，從空間分辨率上看，這兩種方法只能反映土壤類型或生態(tài)系統(tǒng)類型之間土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差異，并不能反映同一類型內(nèi)部有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間差異，降低了空間分辨率。土壤剖面有機(jī)碳實(shí)際測(cè)定的結(jié)果表明，同一類型的土壤也存在較大的差異[45]。

土壤類型法的估算原理簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)獲取較易，適用性較廣，但是該方法需要詳細(xì)的土壤剖面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且由于土壤類型的空間變異性，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算精度較低[46]。生態(tài)系統(tǒng)類型法可在無(wú)土壤剖面數(shù)據(jù)的情況下估算，能夠反映植被分布及氣候因子對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，但是，全球植被類型及其面積難以精確統(tǒng)計(jì)，土壤與植被類型之間并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，且人類不斷改變土地利用類型，諸多不確定因素將導(dǎo)致估算誤差較大[47]。

2.2 間接估算法

間接估算法廣泛應(yīng)用于估算區(qū)域尺度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。該方法也包括兩種估算方法：模型估算法和GIS估算法。

2.2.1 模型估算法 模型估算法是基于生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型(機(jī)理過(guò)程模型、基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的模型、相關(guān)關(guān)系模型等)估算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的一種方法。在土壤有機(jī)碳密度與其周圍環(huán)境因素、氣候因素、土壤特性、地形之間建立回歸關(guān)系，以估算區(qū)域森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[10]。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)建模方法估算得出，四川省森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為(2394.26±514.15)Tg ，平均碳密度為190.45t·hm2[48]。該方法即考慮了輸入土壤的碳的數(shù)量和質(zhì)量，也考慮了土壤碳分解速率的各種影響因子，且是根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣候變化數(shù)據(jù)進(jìn)行的建模[49]。此方法可預(yù)測(cè)不同情況下土壤有機(jī)碳數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，分析土壤固碳潛力，探討氣候變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的綜合影響[50]。

2.2.2 GIS估算法 GIS估算法是基于地理信息系統(tǒng)處理相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的，該法先通過(guò)地理信息系統(tǒng)相關(guān)軟件將一定比例的土壤圖片數(shù)字化，構(gòu)建以土屬為單位的土壤空間數(shù)據(jù)庫(kù)，而后計(jì)算每個(gè)土屬不同土層有機(jī)碳密度；選取該土屬內(nèi)所有土種的典型土壤剖面，根據(jù)土壤不同發(fā)生層分別采集土壤有機(jī)碳密度、土層深度和土壤容重樣品，檢測(cè)并計(jì)算每個(gè)土壤發(fā)生層的平均有機(jī)碳密度、平均土層深度和平均容重等，建立土壤有機(jī)質(zhì)的土屬數(shù)據(jù)庫(kù)，然后利用GIS的空間分析功能估算出各類土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量。解憲麗等[17]利用全國(guó)第二次土壤普查數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，建立土壤屬性和空間數(shù)據(jù)庫(kù)，分析2456個(gè)土壤剖面的兩種土層深度(20cm、100cm)的土壤有機(jī)碳密度，并將這些土壤剖面歸并到土壤圖的各制圖單元中，計(jì)算出不同土壤類型的有機(jī)碳密度及有機(jī)碳儲(chǔ)量。

模型估算法能夠預(yù)測(cè)土壤碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，但是，模型的構(gòu)建需要大量相關(guān)且連續(xù)觀測(cè)的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，否則，模型參數(shù)化和初始化較為困難。GIS估算法可解決土壤碳儲(chǔ)量由點(diǎn)尺度擴(kuò)展到區(qū)域尺度所帶來(lái)的尺度問(wèn)題，能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行精確分類，可繪制土壤空間分布特征圖，其估算結(jié)果較為準(zhǔn)確。通常，GIS估算法與模型估算法結(jié)合使用，可提高估算精度。

3 森林地面凋落物碳儲(chǔ)量估算方法

地面凋落物碳儲(chǔ)量?jī)H占森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的5%左右，但它是森林碳庫(kù)不可或缺的一部分，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分[10,51]。地面凋落物是連接森林植被和土壤的“紐帶”。在同一土壤不同森林類型之間以及較小范圍內(nèi)凋落物不同厚度之間，森林地面凋落物碳儲(chǔ)量均存在極大差異，并且，森林地面凋落物碳儲(chǔ)量對(duì)干擾非常敏感，尤其是火。由于在國(guó)家森林資源連續(xù)清查過(guò)程中缺乏凋落物測(cè)量和報(bào)告工具，森林地面凋落物碳儲(chǔ)量之間的差異不僅使凋落物屬性的統(tǒng)計(jì)變得復(fù)雜，而且使凋落物碳儲(chǔ)量的估測(cè)變得復(fù)雜。因此，森林地面凋落物碳儲(chǔ)量仍缺少較為有經(jīng)驗(yàn)的估算方法。目前，森林地面凋落物碳儲(chǔ)量估算方法主要采用傳統(tǒng)的收獲法以及網(wǎng)袋法和平衡法[21]。

傳統(tǒng)的收獲法適用于林分或生態(tài)系統(tǒng)尺度，難以適用于區(qū)域大尺度森林地面凋落物碳儲(chǔ)量的估算。網(wǎng)袋法估算地面凋落物碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確性易受主客觀因素的影響，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致該方法的推廣應(yīng)用具有一定的局限性。平衡法是利用林分類型的生物量模型進(jìn)行估算的，適用于區(qū)域大尺度森林地面凋落物碳儲(chǔ)量的估算，主要建模方法有兩種：生物量建模法和機(jī)理建模法。

3.1 生物量建模法

生物量建模法首先利用大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建地面凋落物生物量與地上生物量之間的關(guān)系，然后，利用已知的地上生物量(由遙感數(shù)據(jù)反演獲得)來(lái)計(jì)算地面凋落物生物量，最后，根據(jù)地面凋落物已知的碳含量，估算地面凋落物的碳儲(chǔ)量[10,52]。Cao等[53]基于森林資源清查樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，利用3種典型的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，包括隨機(jī)森林、分位數(shù)回歸森林和K-近鄰，構(gòu)建地面凋落物生物量模型，分析地面凋落物碳儲(chǔ)量空間分布特征。生物量建模法利用樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同相關(guān)性促進(jìn)模型的構(gòu)建，從空間尺度上支持地面凋落物碳儲(chǔ)量清查、監(jiān)測(cè)和報(bào)道活動(dòng)。尤其是在遙感數(shù)據(jù)獲取方便而地面凋落物實(shí)測(cè)困難的國(guó)家更具實(shí)用價(jià)值。生物量建模法原理簡(jiǎn)單易操作，但其估算結(jié)果易受森林立地條件(地形因子、海拔高度)、森林特征(樹種組成、地面凋落物層厚度、生物量、凋落物質(zhì)量)以及其他生物和非生物因素的影響，使得估算結(jié)果誤差較大。此外，如果使用政府間氣候變化專門委員會(huì)的默認(rèn)參數(shù)或是國(guó)家的特定模型來(lái)估算森林地面凋落物碳儲(chǔ)量，可能會(huì)高估地面凋落物碳庫(kù)。

3.2 機(jī)理建模法

機(jī)理建模法通過(guò)對(duì)地面凋落物層有機(jī)碳分解和周轉(zhuǎn)速率的計(jì)算來(lái)估算地面凋落物碳儲(chǔ)量，該方法考慮了地面凋落物的分解過(guò)程。目前，已建立了幾種代表性機(jī)理模型，比如RothC、SOMM、Yasso、CENTURY和ROMUL[10,54]。機(jī)理建模法充分考慮了地面凋落物的分解過(guò)程和周轉(zhuǎn)速率，可更準(zhǔn)確的估算森林地面凋落物碳儲(chǔ)量；但是，該方法需要更多的模型參數(shù)，操作較為復(fù)雜。結(jié)合傳統(tǒng)的收獲法，獲取大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)生物量建模法和機(jī)理建模法的估算結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，不斷修正估算參數(shù)，能在較大程度上提高地面凋落物碳儲(chǔ)量估算精度。

4 結(jié)論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳儲(chǔ)存庫(kù)，其碳庫(kù)是全球碳收支的重要組成部分，如何精確評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能、如何提高森林碳儲(chǔ)量的估算精度是全球氣候變化科學(xué)領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。

(1)在森林植被碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算方法上，應(yīng)構(gòu)建大徑級(jí)樹的異速生長(zhǎng)方程，精確測(cè)定徑級(jí)<10 cm的小樹的胸徑，定期進(jìn)行樣地調(diào)查以修正因樹木生長(zhǎng)對(duì)異速生長(zhǎng)方程的影響，提高樣地清查法的估算精度；直接用遙感數(shù)據(jù)反演而不結(jié)合森林調(diào)查數(shù)據(jù)的估算結(jié)果精度仍難以達(dá)到可接受的精度，這就需要構(gòu)建更好的模型、參數(shù)和設(shè)備來(lái)解決；目前，遙感技術(shù)主要掌握在少數(shù)國(guó)家手里，這增加了獲取全球遙感數(shù)據(jù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，并導(dǎo)致對(duì)單個(gè)國(guó)家衛(wèi)星遙感的過(guò)度依賴，所以，需要更多國(guó)家或公司提供遙感技術(shù)，以便在衛(wèi)星圖像和雷達(dá)/激光雷達(dá)數(shù)據(jù)方面向國(guó)際社會(huì)提供更多的選擇，進(jìn)而從多源遙感數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)，同化整合，提高反演精度；新的觀測(cè)地點(diǎn)、更新的觀測(cè)模式和遙感數(shù)據(jù)能使機(jī)理模型從區(qū)域到大陸尺度的碳儲(chǔ)量估算精度不斷得到提高。

(2)在森林土壤碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算方法上，應(yīng)建立適用于不同區(qū)域尺度上的多個(gè)土壤分類系統(tǒng)，規(guī)范和完善土壤觀測(cè)、采樣、度量、計(jì)算的方法，擴(kuò)充研究觀測(cè)地點(diǎn)，獲得連續(xù)完整的土壤有機(jī)碳相關(guān)數(shù)據(jù)，整合和集成不同時(shí)空尺度上的數(shù)據(jù)，綜合考慮不同影響因子的相互作用，進(jìn)而結(jié)合遙感數(shù)據(jù)、土壤碳循環(huán)過(guò)程模型、實(shí)際測(cè)得的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)以及氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而提高土壤碳密度與碳儲(chǔ)量的估測(cè)精度。

(3)在森林地面凋落物碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算方法上，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)查每個(gè)生物群落、氣候區(qū)、植被類型等的地面凋落物相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、全面的森林地面凋落物生物量模型；應(yīng)考慮地面凋落物碳分解機(jī)理過(guò)程及其影響因子(包括地形、溫濕度、降雨、氮沉降、微生物活性等)的綜合作用，獲得更多的模型參數(shù)，構(gòu)建高精度的機(jī)理模型。森林地面凋落物碳庫(kù)由于碳儲(chǔ)量占整個(gè)森林碳庫(kù)的比例較低，在以往研究中常被忽略，導(dǎo)致其目前尚無(wú)合適的估算方法，以后需加強(qiáng)對(duì)該碳庫(kù)估算方法的研究。