森林生态系统碳收支状况研究进展

ActaAgriculturaeUniversitatisJiangxiensis

Vol.28,No.2Apr.,2006

文章编号:1000-2286(2006)02-0312-06

森林生态系统碳收支状况研究进展

沈文清

1,2

,马钦彦,刘允芬

13

　　(1.北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083;2.江西省山江湖开发治理委员会办公室,江西南昌330046;3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

摘要:森林生态系统碳交换对全球碳平衡有着重要影响,在全球范围内得到了极大的关注,并进行了大量的研究。从森林生态系统碳通量/贮量的研究方法、碳收支状况及其自然-人文影响因素的分析,总结了森林生态系统碳循环的国内外研究成果,并展望了未来森林生态系统碳研究的主要问题。关键词:森林生态系统;碳通量;碳贮量;影响因素中图分类号:718.51　　文献标识码:A

AdvancesinResearchonCarbonBudgetsofForestEcosystem

SHENWen-qing,MAQin-yan,LIUYun-fen

1,2

1

3

　　(1.TheKeyLaboratoryforSilvicultureandConservationofMinistryofEducation,BeijingForestryUni2versity,Beijng100083,China;2.Mountain-River-LakeDevelopmentCommitteeOfficeofJiangxiProvince,Nanchang330046,China;3.InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing

100101,China)

　　Abstract:Forestcarbonexchangecontributessignificantlytotheglobalcarbonbalance,thereforecatchesmanyeyesandisbeingmonitoredaroundtheworld.Fromtheviewpointofresearchmethods,forestcarbonbudgetsanditsmajornatural/humanfactorscausingthedifferencesinforestcarbonfluxs/storages,thispapersummarizestheresearchresultsofforestcarboncycleathomeandaboard,anddiscussesthefurtherstudypri2oritiesonforestcarboninfuture.

Keywords:forestecosystem;carbonflux;carbonstorage;affectingfactor

全球气候变暖给人类的生存、社会的发展带来了严重的后果,已引起了国际社会的广泛关注,碳循环也就成为当今全球气候变化研究的热点之一。在全球碳循环研究中一个让众多学者困惑的问题是

[1]

“漏失汇”的存在。众多研究表明,陆地生态系统是一个重要的汇,在减少全球碳收支不平衡中起着

[2]

关键的作用。森林作为陆地生态系统的主体,它不仅在维护区域生态环境上起着重要作用,而且在全球碳平衡中也起着巨大的贡献。来自地面植被观测、大气CO2和O2浓度被监测、卫星遥感信息的应用、生态和大气模型的模拟等方面的研究表明,北半球中高纬度的森林生态系统是一个巨大的碳汇,固定了大部分全球碳循环中“去向不明”的CO2。而且,《京都议定书》中也特别强调了森林或造林的碳固定作用在减少大气中CO2浓度的潜在作用,并建议可持续的森林经营、森林更新和发展促进植被增加的项目。由此可见,森林生态系统在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升以及维护全球气候等方面中具有不可替代的作用。

收稿日期:2006-02-14

基金项目:中科院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-01A2)、国家重点基础研究发展规划项目

(2002CB412501)和中欧合作项目(ICA-CT-2002-10007)的资助

[4]

[3]

作者简介:沈文清(1974-),女,在读博士,主要从事森林生态系统研究。

第2期沈文清等:森林生态系统碳收支状况研究进展・313・

　　目前,由于先进技术手段的应用和模拟模型的发展,各国对森林生态系统中植物碳贮量的估算及碳收支研究均有较大进展碳收支研究状况。

[5]

。本文拟从研究手段、研究成果及环境机制等方面介绍国内外森林生态系统

1　森林碳循环研究方法

森林碳循环研究方法主要有样地清查法、通量观测法、模型模拟法和地球信息技术等

[6]

。

样地清查法是通过设立典型样地,用收获法准确测定森林生态系统中的植被、枯落物或土壤等碳库的碳贮量,并可通过连续观测来获知一定时期内的通量变化情况。样地清查法又依计算碳的计算基础的不同而有不同,主要是生物量法、材积-生物量法等。生物量法由于样地选择的主观性以及只注重地上部分而忽略了地下部分的生物量,以此推算的结果往往导致森林植物的固碳量估算不准确。材积源-生物量法被认为是一种较好的估测森林生物量的方法,通过对大量森林实测生物量与蓄积量的研究

发现在各林分类型中二者之间存在着良好的回归关系

[7]

,但这种回归关系因林分类型而异,应用时要

进行修正。这一方法弥补了其它方法的不足,基本上能很好地体现出其实际情况。通量观测方法主要有清单估算法(Inventories)、箱式法、以涡度相关技术(EddyCovarianceTech2nique)为代表的微气象学法等。通量观测网络是获取生态系统与大气间CO2和水热通量数据的有效手段,可为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用关系,评价陆地生态系统在全球碳循环中的作用提供数据服务,并在陆地生态系统的水循环和碳循环、地圈-生物圈-大气圈的相互作用以及分析陆地生态系统碳汇/源的区域分布、寻找“未知碳汇”等研究中发挥了重要作用

[8]

,全球250多个网络观测站分布在

从北纬70°到南纬30°间的五大洲上,涵盖包括热带雨林、北方落叶林、温带森林、草地、农田、极地冻土带等不同类型生态系统。其中,中国通量网络于2002年启动,现有8个通量观测站点进行长期的和连续的CO2、H2O和能量通量观测。涡度相关技术是通量观测网络的主要技术手段,通过测定和计算物理量的脉动与垂直风速脉动的协方差求算湍流输送量(湍流通量)的方法,是对生态系统与大气之间进行非破坏性CO2湍流通量的微气象学技术,被认为是现今唯一直接测量生物圈与大气间能量与物质通量的最直接的、标准的方法,特别是在测定生态系统尺度的生物圈与大气间的痕量气体通量中得到广泛的公认,全球已有100多个森林站点已应用到这种技术

[9]

。这种对森林与大气之间水汽通量和CO2通量

的直接长期观测不仅为土壤-植被-大气之间的物质和能量交换模型提供了直接的验证手段,也为量化森林在全球碳循环中的作用提供了有效途径。但由于所选择的观测点地形与植被不能满足该技术的平坦均一的基本假设条件,从而使CO2湍流通量的测定存在很大的不确定性。这种不确定性主要来源于通量测定中仪器本身的物理限制、二维和三维的气流运动、数据处理的方法和夜间通量的低估等碳循环研究,主要有以下三类模型:经验模型、机理模型和半经验半机理模型

[5]

[10]

。

模型模拟法是通过数学模型估算森林生态系统的生产力和碳贮量,主要用于大尺度森林生态系统

。近几年模型模拟得到

广泛应用,并开始由原来的静态统计模型向生态系统机理性模型转变,尤其是应用于通量数据的空间与时间插补、从点到面演绎全球尺度的森林碳平衡研究中。但由于一些生态学过程的特征参数不易获得或难以把握和可靠的观测数据的可获得性标准,模型化很难

[11]

。

地球信息技术主要用于弥补模型模拟的不足,估算土地利用和土地覆被变化对碳贮量的影响。针对陆地生态系统碳汇/源的时空格局、碳循环过程的驱动机制及未来憧景等前沿科学问题,它以碳通量/贮量与碳循环过程的综合网络观测、生物过程的适应性实验研究以及河流碳输运过程研究为支撑系统,自下而上,以土地利用/土地覆被变化和对地观测数据生态参量反演为基础,经相互验证,并与尺度转换模型实现有机结合,开展综合观测、调查、比对分析、模拟和评价研究,把握生态系统碳循环的格局与过程规律,辨析自然和人为因素对碳循环过程的影响,以探讨全球气候变化条件下生态系统碳循环过程的演变趋势

[12]

。近年来,3S技术的发展和应用为解决这一问题提供了有效方法,利用遥感手段获得各种

植被状态参数,结合地面调查,完成植被的空间分类和时间系列分析,随后可分析森林生态系统碳的时空分布和动态,并估算大面积森林生态系统的碳贮量以及土地利用变化对碳贮量的影响。

・314・江西农业大学学报　第28卷

2　森林碳收支研究

2.1　国际研究概况

全球森林生态系统中贮存的总碳量约为854～1505GtC,其中森林植被的碳贮量约为359～766GtC,汇聚着全球植被碳库的86%以上的碳,及全球土壤碳库的73%的碳,每年固定的碳约占整个

陆地生态系统的2/3,在减少陆地生态系统碳收支不平衡中起着关键作用碳贮量约为植被碳贮量的2.2倍

[14]

[13]

。全球森林生态系统碳贮

量变化有以下几个规律:森林植被的碳密度随纬度的升高而降低,而土壤碳密度则相反;全球森林土壤

。全球以低纬地区热带森林植被的碳贮量最高,为202～461GtC,

占全球森林地上部分碳贮量的44%～60%,其次为高纬地区的北方森林,为88～108GtC,占全球森林地上部分的21%～28%,中纬度地区的温带森林植被碳贮量为59～174GtC,占全球森林地上部分的14%～22%

[15]

。Hourghton

[16]

对森林的生产力研究证实了这一观点,而且森林生产力随着纬度的递增

而降低,即热带雨林最高,北方林最低。而湿热地区森林生态系统的植被生物量密度很高,枯落物密度远远小于植被生物量密度;反之,干冷地区枯落物密度明显增加,甚至高于植被生物量密度。因而,高纬度森林的枯落物碳库有相当重要的碳库作用,这主要是由于高纬度地区枯落物分解速率慢而NPP低造成的

[17]

。

由于研究方法、使用资料或者假设条件等的不同导致以往关于森林源汇作用的研究结果有很大的差异。来自北美和欧洲的实测和模型研究均表明,北半球中高纬森林植被是一个重要的汇,它在减小碳收支不平衡中起着关键作用。然而,北方中高纬度森林的碳汇远没有原来估计的那么高,仅为原来的

2

1/2～1/3之间,原来常用于全球碳循环研究的几种北半球中高纬度地区森林碳密度在63～104t/hm之间,而后的许多研究结果远比这个要小得多,所有研究对象碳密度的面积加权平均也仅为

2[18][19]

37.8t/hm。Fan等利用大气传输模型以及大气和海洋CO2资料,得出北美北纬51°以南地区每

[20]

年的碳汇达(1.7±0.5)PgC,而土地利用变化、森林资源清查资料和过程模型的研究结果都在0.08～0.35PgC之间,远小于Fan等的结果。热带森林碳贮量占世界森林碳库的40%～52%

[21]

,在全

[22]

球碳循环和碳平衡中起着巨大的作用,但热带森林在全球碳循环中的碳源、汇作用的研究结果不一。有研究表明,虽然热带森林受退化和破坏的影响,其面积仍占陆地生物量的40%,热带森林仍然是一个实质性碳库(stoleDS1997);且由于认为释放氮和其他物质沉降率的增加,热带森林碳汇功能在提高,

[23]

其贮碳能力还有可能不断增长;Oliver应用永久性样地法估算结果表明成熟热带森林约有40%可以

[24][25]

称为碳汇,Ciais认为热带南部是碳汇,北部是碳源;Tian等认为巴西热带森林有时也会成为大气的碳汇;微气象观测法的直接观测结果显示亚马逊热带雨林在短期内至少是大气中CO2汇,但也可能整年均是碳汇。而Sandrabrown和Derwiler的研究发现,由于森林被破坏、砍伐以及退化等原因,热

[21,23][26]

带森林在全球碳平衡中起着碳源的作用;Houghton等也认为热带森林是大气中CO2的一个重要源,大气传输模型测量全球的CO2,O2及同位素的研究结论支持了这一观点。2.2　国内研究概况

我国森林碳贮量的研究方法主要是生物量法或材积-生物量法,通量观测法只是在近几年才开始得到应用。森林植被和土壤是我国森林生态系统的2个主要碳库,枯落物碳库的作用相对微弱,仅有

[28]

0.89GtC,其碳贮量主要集中于云杉林、冷杉林、落叶松林、栎类林、桦木林、硬叶阔叶林和阔叶混交林7个林分类型中,起着一个碳汇的作用,这与一些学者所估计的北半球森林生态系统是CO2“失汇”的主要分布地相吻合。但是,与北半球其它国家和地区相比,我国森林的碳汇作用相对较弱。森林生态系统的总碳库为28.12GtC,其中,土壤碳库为21.02GtC,占总量的74.6%;植被碳库为6.20GtC,占

2[29]

总量的22.2%;凋落物层的碳储量为0.892GtC,占总量的3.2%,平均碳密度是258.83t/hm。热带森林净固碳力最高,暖温性针叶林也较高,可能是由于我国暖温性针叶林、热带林多为次生林,其中幼龄林和中龄林所占比例较大而导致的。

[30]

国内学者对我国森林的碳收支能力存在着不同的观点:赵敏等估算中国森林植被碳贮量为

[31][32]

3.778Pg,略高于王效科等的估算结果3.255～3.724Pg,而低于方精云等估算值4.63Pg,而周

[28]

玉荣等对我国主要森林生态系统(1993)的估算结果为:植被碳贮量为6.2Pg,土壤碳贮量为

[14]

[28]

第2期沈文清等:森林生态系统碳收支状况研究进展

[33]

・315・

通过对中国森林植被碳贮量的不同研究进行比较,认为导致植被碳贮量估算出

现较大差异的一个重要原因是对中国陆地生态系统自然植被类型划分上的不同引起的面积差异。这说明,由于所采用的估算方法和选择的参数值不同,森林生态系统碳储量的估测还存在较多的不确定性。但可以肯定的一点是:森林在全球碳循环中,尤其是在探求未知碳汇中可能有着重要的意义。而且,我

[33][34]

国的森林覆盖面积已由1998年的13.92%增加到2004年的16.55%。据康惠宁等预测,随着植树造林步伐的加快和森林经营管理水平的提高,2010年我国的森林覆盖率将会达到20.3%,2050年将提高到26%。因此,如何精确定量评估森林作为温室效应气体CO2的吸收源和库的作用,及如何准确阐明森林作为CO2吸收源的问题不仅有助于更好理解我国森林对CO2净排放中的贡献,同时也成为满足京都议定书制定的CO2排放目标的迫切需要。

此外,我国许多学者还对不同纬度带不同类型森林生态系统的碳贮量和通量动态变化进行了大量研究,如热带雨林、亚热带森林、暖温带森林、原始阔叶红松林和云杉林等。其中,人工林在全球碳循环

[35]

中的作用和地位也得到了重视。21.02Pg。王绍强等

3　森林碳收支影响因素研究

陆地生态系统至少在两个方面影响着陆地碳循环:一是土地利用的变化,亦即生态系统类型的转变;二是净生态系统生产量的可能变化及由此引起的碳循环变化。森林生态系统作为陆地生态系统的主体,其碳循环过程同样受这些方面的影响,而且人为干扰对森林植被碳密度的影响可能远高于气候等[36]

自然因素。3.1　气候变化气候是影响森林地带性分布的最重要的因素之一,同时也是影响碳固定速率的最主要的自然要素

[1]

之一,其中的水热因子是关键要素。这两个因子在某些区域可以集成在一个地理因素如纬度因子上,集成因子的存在与否主要取决于该因子能否很好地耦合表达出影响碳固定的辐射、温度和降水等因[37]

子。有许多研究表明,干旱温暖的气候不利于碳的积累,而寒冷湿润的天气使得碳积累增加。在《GeophysicalResearchLetters》发表的一份报告认为是降雨增加起了重要作用。蒙大拿大学林学院的研究人员RamaKrishnaNemani等人在美国航空航天局资助下用计算机模式分区域模拟降水的影响,结果发现植物额外生长有2/3是由于降水增加。.波士顿大学植物学家RangaBMyneni曾把森林增长和温度变化相联系,但他也接受降水是必须要考虑的一个重要的新因素。StevenRunning发现,湿度增加会使植物孔径放大,让更多二氧化碳进入叶片,使光合作用更快进行。3.2　土地利用变化

研究表明,不同土地利用方式下的植被、残体和土壤碳含量及贮量不同,一般是森林高于农田和草地。当天然次生林转变成农田或草地生态系统时,生态系统的碳贮量、植被活体和残体、土壤碳贮量功

[21,28]

能都将下降;农田或草地生态系统通过造林转变成人工林生态系统时,这些功能则增强。在六盘山几种典型生态系统的碳源/汇分析中指出,天然次生林和人工林生态系统碳贮量汇的功能很强,农田和草地较弱;土壤有机碳源/汇过程中,天然次生林是强汇,人工林是弱汇,而草地和农田生态系统是一

[38][39]

个碳源。李惠敏等对以人类活动为主导的城市生态系统中碳汇的动态变化与城市化进程的相关性进行研究发现,森林覆盖率的增加使得森林碳贮量也增加,起着一个碳汇作用,但城市化水平高的地方森林面积在减少,经济发展及人口密度的增加都负面影响到了碳贮量的增加。

在森林演替过程中,碳贮量不断发生变化。随着演替的推进,森林生态系统的固碳能力不断增强,只是在不同时期增长的速度有所差异,但分配到土壤碳库的碳贮量份额不断降低,这在荷兰流动沙地的

[40]

原生演替研究中有所体现。我国原始阔叶红松林林地地下生物量与碳贮量在不同演替阶段不断增[41]

加。生态系统在生态恢复过程中的碳贮量随恢复程度的提高也不断增强,这在我国退化紫色土人工

[35]

林生态系统的研究中得到有力验证。而造林作为一种土地利用变化,对陆地碳汇的影响是通过造林后植被碳和土壤碳的变化及其相互联系发生作用,是重要的临时陆地碳库,可以增加陆地碳汇,减缓大

[42]

气中CO2的积累,在陆地碳汇中发挥了重要作用。3.3　森林经营与管理

森林碳循环的研究由于土地利用、环境和人为因素的影响表现出极大的空间异质性和不确定性,使

[4]

得很难获知森林管理与更新对碳的影响如何。用生物量方法估计的碳贮量常常偏大,这是由于选取

・316・江西农业大学学报　第28卷

的样地一般为生长较好的林分。这虽然反映了相同的林分在不同的地段生长状况不同,但在一定程度

上也表明,林分可以向比较理想的生长状况发展。因而,森林的抚育管理能在增加林分质量的同时,增加其固碳和贮碳能力。对现有森林加以更好的抚育和管理,作为CO2的“汇”,我国森林还有很大的潜力。而且,虽然在演替的过程的森林一直是有效碳汇,碳贮量在森林逐渐发展为大面积成熟林时达到最大值,但这时森林不能继续充当碳汇。如果不对成熟林采取措施,就不能有效固定碳,但如果采伐不当,则森林将变为巨大的碳源。因此,以演替的理论进行森林的抚育管理是不容忽视的,有利于发挥森林生态系统最佳的固碳效益。

4　研究展望

自20世纪70年代以来,国内外在陆地生态系统与森林生态系统的碳循环和碳贮量方面进行了大量的研究,也取得很大的成就,但在研究内容、研究方法和综合研究上有很大的局限性。如大多数研究是某一区域或生态系统的静态估算和单一功能估计,很少有综合动态分析、预测和评价,也缺乏包括土地利用、社会、经济评价在内的综合研究,尤其是社会经济效益分析。而且,虽然通量网络的迅速发展为生态系统碳循环提供了有效途径,但由于时间和空间分布的限制,还十分缺少系统与大气之间水热、能量和CO2通量交换的生态学过程等机制性的研究,以服务于对原有的估计值和模型的进一步改进和验证。因而,精确估算森林生态系统的碳汇功能是目前森林生态系统碳循环研究中所要解决的首要问题,也是国际“碳”贸易中需要解决的重要问题。根据全球变化今后研究总的趋向,森林生态系统的碳汇功能研究将在以下几个方面不断增强:

(1)通过森林生态系统碳源汇功能研究方法的比较,发展更有效的研究手段和估算方法,提高森林生态系统碳固定研究的准确性和估算精度,探求“未知碳汇”之源。

(2)森林生态系统碳循环影响因素分析,如通过对相同立地/气候条件下的不同森林类型和不同立地/气候条件下的相同森林类型的碳循环研究来有效识别气候、土地利用变化、人为/自然扰动等因素对该生态过程的影响。

(3)森林生态系统碳循环与通量观测数据库的建立和共享,完善数据和使用参数的有效程度。(4)涡度相关的水平和垂直平流效应、通量数据处理方法以及净生态系统交换量研究。

(5)有效利用现有的长期直观观测网络数据,发展具有区域代表性且高精确度的碳贮量/通量模拟模型,消除不确定因素的影响,实现时间和空间上的数据插补,以及重要区域和全球的碳通量动态分析。

(6)结合地区土地利用变化、社会经济发展及生态环境建设的区域森林生态系统功能的综合集成研究。尤其是国际碳贸易中的以吸“碳”为目的的森林的经营管理与成本、效益核算问题。

(7)造林与森林抚育管理对森林生态系统碳汇变化的影响和评价研究。参考文献:

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