森林生态系统固碳功能及估算研究进展

摘要    探知全球森林生态系统的碳储量和碳通量是调控碳循环过程的必要环节.本文阐述了森生林态系统碳储量大小及其固碳功能，并基于植被碳储量和土壤碳储量2方面综述森林生态系统碳储量的定量研究方法；概述了估算森林固碳量的几种方法———生物量法、蓄积量法、涡旋相关法、驰豫涡旋积累法、箱式法及森林土壤碳测定法,介绍了它们的原理,分析了其优缺点；未来的森林碳储量研究将采用多种方法的综合运用以提高估测精度。

关键词:森林生态系统;碳储量;估算方法

Progress of Research into Carbon Fixation and Estimation Methods of the Carbon Stored in Forests Ecosystems

Abstract   It plays great roles in atmospheric carbon fixation and protects biosphere from global warming that reviewing past studies on carbon fixation and carbon storage of forest ecosystem. This article mainly describes the quantitative method of carbon storage in forest ecosystem from two aspects namely the vegetation carbon storage and the soil carbon storage；several methods to estimate the carbon stored in forests were also discussed. They are Biomass Method, Stem Volume Method, Eddy Covariance Method, Relaxed Eddy Accumulation REA method, Enclosures/Chamber Method, etc. Their principles, advantage and weakness were described. The future research of carbon storage in forest will request many kinds of methods together to enhance the precision of estimation·

Key words: forest ecosystems; carbon storage; estimation method

工业革命以来,森林、草地等植被的破坏造成生物圈固碳能力的不断削弱,煤炭、石油等化石燃料的燃烧和使用将许多非活动状态的碳释放出来,大气CO2含量已呈现指数形式的升高趋势^[1-4]。大量的气象观测表明，过去的一个多世纪全球己经变暖，自1880年以来北半球地面平均温度升高了约0.3-0.6℃^[5-7]，当大气中CO₂的浓度增加一倍时，全球气温还将进一步上升，普遍认为将上升1-3.5℃^[6]。如果任由 CO₂和其他温室气体的含量持续升高,那么其温室效应势必会引起全球变暖和气候变迁,甚至使气候变化的幅度超出生物圈的自动调节范围,最终引起生物圈的全面崩溃^[8]。由于形势严峻,研究全球碳循环调控机制并遏止温室气体浓度的持续升高成为国际地圈生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)和全球变化的人为因素计划(IHDP)的核心任务。

在陆地上,森林只占全球非冰表面的40%,但其生物量约占陆地生物量的90%,其土壤碳储量约占全球土壤碳储量的73%^[9-11],因此森林在全球陆地生态系统碳循环和碳储量的研究中占有十分重要的地位,寄托着人类降低大气CO₂含量和减缓全球变暖趋势的希望。在此背景下,森林生态系统固碳研究已经成为一个迅速发展的研究领域,并在固碳功能、碳储量、固碳估算方法和碳库动态等方面取得了一系列重要成果。

1森林生态系统的固碳功能

碳固定(Carbon Sequestration),或称为固碳,是指通过生物过程将大气CO₂固定于生态系统的过程^[12]。为了更清晰地表达“固碳”概念中碳库变化的含义,在前人研究的基础上提出固碳量的概念用于表述生态系统碳库的变化量。生态系统碳储量和固碳量在概念上具有不同的含义,二者既有区别又有联系,容易产生混淆。前者是指生态系统在某一时刻一定空间内的碳储量,是生态系统固有性质,是静态的;后者指一段时间内生态系统碳储量的变化量,反映了生态系统碳库的变化,是动态的。

森林生态系统的固碳作用取决于2个对立过程,即碳素输入过程和碳素输出过程.碳素输入过程主要通过植物净光合作用实现,而碳素输出过程主要指森林土壤和动物的异养呼吸过程以及凋落物的矿质化过程.另外,各种干扰也会影响系统的碳素输出^[13]。森林生态系统的固碳能力取决于碳素输入速率和碳素输出速率的对比. 植物净初级生产力( NPP, net primary productivity )减去因土壤、动物和凋落物的CO2排放过程所损失的有机碳后,得到净生态系统生产能力(NEP, net ecosystem productivity),NEP可反应森林生态系统的固碳能力.由于在NEP的概念中没有区分森林生态系统的空间尺度,不能满足在大尺度上研究森林碳循环的需要,于是又提出净生物群区生产力(NBP, net biome productivity),也就是在生物群区尺度上的NEP^[13]。 森林生态系统的NPP和土壤呼吸与凋落物矿质化过程要受诸多因素的制约,如植被发育程度、光照、温度、水分、CO₂含量和外界干扰等.森林演替过程造成了森林固碳能力和碳储量的时间差异。

森林生态系统的固碳能力和碳储量存在空间差异。湿热地区森林生态系统的NPP、土壤呼吸强度和凋落物矿质化速率大于干冷地区森林生态系统的相应值。因此,在湿热地区森林生物量碳库的作用更为重要,在干冷地区森林土壤碳库的重要性却明显增强.总地说,湿热地区森林生态系统的碳储量大于干冷地区森林生态系统的碳储量。

2森林生态系统的碳储量及估算方法

2.1森林生态系统的碳储量

森林作为陆地生态系统的主体,以其巨大的生物量储存着大量的碳,森林植物中的碳含量约占生物量干质量的50%。联合国粮农组织(FAO)对全球森林资源的评估表明全球森林占全球陆地面积的31%, 面积达38.70亿hm²,其中热带47%,亚热带9%,温带11%,寒温带33%。单位面积森林地上部分生物量平均为109 t·hm^-2,全球森林地上部分生物量达422 Gt^[14]。森林土壤中的碳贮量比森林植物还要多得多。据IPCC估计,全球陆地生态系统碳贮量约2 477 Gt,其中植被碳贮量约占20%,土壤碳约占80%。占全球土地面积27.6%的森林植被碳贮量约占全球植被碳贮量的77%,森林土壤的碳贮量约占全球土壤碳贮量的39%。单位面积森林生态系统碳贮量(碳密度)是农地的1.9-5倍,土壤和植被碳库的比率在北方森林为5,在热带林仅为1^[15]。可见,森林生态系统是陆地生态系统中最大的碳库,其增加或减少都将对大气CO₂浓度变化产生重要影响。

周玉荣^[16]计算出我国主要森林生态系统1993年的生物量碳储量为6.20Gt,土壤碳储量为21. 02Gt,而枯落物碳储量仅为0. 89Gt;植被和土壤是我国森林生态系统中2个主要碳库,枯落物碳库的作用相对微弱。方精云等人^[17]认为从1949年到20世纪70年代中期,由于森林砍伐等人为因素,我国森林植被碳储量年均减少0.024 Pg·a^-1；之后,植被碳储量呈增加趋势;从20世纪70年代到1998年,植被碳储量年均增加约0. 022 Pg·a^-1,这主要归功于我国长期不懈的植树造林运动,还可能与大气CO₂浓度的升高会促进植物生长和碳储量增加有关.曹明奎^[18]应用CEASA模型估算了中国陆地生态系统的碳通量,表明在1981-1998年间的NEP为0. 07Gt·a^-1,在东北平原、西藏东南部和黄淮平原NEP为正值,但在大小兴安岭、黄土高原和云贵高原NEP为负值.虽然方精云和曹明奎的计算方法不同,但结果比较吻合,即20世纪末期中国森林的碳储量是逐渐增加的。然而,Dixon^[19]曾认为中国森林碳储量是减少的。森林生态系统固碳能力和碳储量的估算要涉及很多不确定因素,许多问题仍需进一步研究才能得以澄清。

2.2森林生态系统的碳储量估算方法

森林每年光合作用固定的碳相当于人类活动所释放碳量10倍之多,森林碳库发生细微的变化就会对全球候系统产生巨大的影响^[20]。因此,准确地估算森生态系统碳储量及其变动引起的全球陆地生态系碳储量变化受到科学家们的普遍关注，森林生态系碳储量的估算方法至关重要。森林生态系统碳储量包括土壤碳库、植被碳库2部分,土壤碳储量估算方法主要有土壤类型法、生命带法、GIS估算法等；植被碳储量估算方法主要有样地清查法、模型模拟法、遥感估算法3种；未来的森林碳储量研究将采用更高精度的遥感数据并要求多种方法的综合运用以提高估测精度。

2.2.1土壤有机碳储量估算

森林生态系统中土壤碳库主要指森林土壤中1以上的表层土壤中的有机碳,森林生态系统中土碳库的碳含量约是植被碳含量的2-3倍,是全球气碳库(750Gt)的2倍多^[21]。目前,土壤碳储量估算主要有5种方法：土壤类型法、生命带研究法、GIS估算法、模型估算法、相关关系估算法。

土壤类型法是通过土壤剖面数据计算分类单元的碳含量,根据各种分类层次聚合土壤剖面数据,再按照区域或国家尺度土壤图上的面积得到碳蓄积总量.同时,还可以在土壤图上将土壤单元与土壤碳密度匹配以表现土壤碳蓄积量的空间分布特征.土壤类型法也可以利用世界土壤图和全球土壤分类系统形成统一估算体系来估算全球碳蓄积量^[22]。

生命带研究法是按生命地带土壤有机碳密度与该类型分布面积计算土壤有机碳蓄积量. 使用该方法能较容易地了解不同生命地带类型的土壤有机碳库蓄积总量,而且各生命地带类型还可以包含多种土壤类型,更能反映气候因素及植被分布对土壤有机碳蓄积的影响.但此方法中全球植被类型与面积难以精确统计,植被与土壤类型也不一一对应,加之土地利用方式在人为影响下不断变化,统计中不确定因素增多,计算误差也较大.不过,在缺乏土壤剖面资料的情况下,推算所得结果仍具有一定意义^[23]。

GIS估算法可以对土壤图进行较为精确的类型划分,在此基础上应用GIS软件的空间分析功能及相应的模型可估算出较准确的土壤有机碳储量,并可绘制其空间分布特征图。GIS估算法是一种新的有效的土壤碳储量估算方法,它可在某种程度上解决土壤碳储量由点尺度推演到区域尺度所带来的尺度扩展问题,也便于和其他技术相耦合。随着RS技术和计算机技术的发展,利用GIS技术和碳循环模型、RS技术相结合模拟大尺度上土壤碳储量是未来研究的主要方向。

模型估算法是采用模拟方式来确定进入土壤碳库有机碳的质量及有机碳分解速率,从而估算土壤有机碳储量^[24]。主要模型有相关关系模型和机理过程模型,也有基于实测数据和遥感数据的模型.其中较为著名的模型是CENTURY模型。高管理土壤有机碳库的能力.模型法最大的特点是能够根据大量的实测数据和气候变化模拟数据、预测和反推土壤碳储量的大小及变化,给出不同情况下的土壤碳储量动态变化趋势,探讨土壤有机碳蓄积和固碳潜力,分析气候变化对土壤碳蓄积的不同影响.模型方法最大的限制因素是需要大量相关和连续的数据,使模型的参数化和初始化较为困难。

相关关系估算法主要是通过分析土壤有机碳蓄积量与采样点的各种环境变量和土壤属性之间的相关性,建立一定的数学统计关系,从而实现在有限数据基础上计算土壤有机碳蓄积量的目的。

2.2.2植被碳储量估算

森林地上植被部分碳储量的研究根据对象的时空尺度和研究手段的不同,分为3类 :样地清查法、模型模拟法和遥感估算法^[25]。样地清查法是最基本、最可靠的方法,但只能应用于小尺度的研究.要解决大尺度上森林固碳的问题,必须借助模型模拟法和遥感估测法。

样地清查法是通过典型样地研究植被、枯落物或土壤等碳库的碳储量和碳通量.设立典型样地,通过收获法精确测定森林生态系统中生物量、枯落物和土壤等碳库的碳储量,在连续测定的基础上可以分析森林生态系统各部分碳库之间的流通量,输入系统的NPP和离开系统的枯落物与土壤的碳排放速率.利用直接测定气体交换速率的方法也能得到森林各部分碳库的流通量.气体交换法可弥补收获法的不足,但不能取收获法,因为这种方法更适合小尺度或均质区域的植物生理生态或碳通量的研究,却很难适用于具有强烈异质性的大尺度森林生态系统.相对而言,利用收获法测定样地土壤和枯落物碳库的碳储量和流通量较为容易,若实测所有树木的碳储量和碳通量颇为困难.解决这个问题比较好的办法是构建预测模型,通常做法是,伐倒少许树木,确定生物量与胸径或树高的回归关系,然后利用回归关系和所有树木的实测胸径或树高推算样地的生物量^[26]。

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储量,模型是研究大尺度森林生态系统碳循环的必要手段.在研究中,曾产生过许多模型,如:ThornthwaiteMemorial模型和MIAMI模型等经验模型,BIOME模型、MAPSS模型、CENTURY模型、BIOMEBGC模型和CASA模型等机制模型,Holdridge生命地带模型和Chikugo模型等半经验半机制模型^{[25, 27]}。近年来,模式模拟在大尺度碳循环问题的研究中得到广泛应用,模拟方法开始由原来的静态统计模型向生态系统机制性模型转变.基于生态系统的生态过程和机制,机制性模型综合模拟植被的光合作用和呼吸作用以及它们与环境的相互关系,并估算森林生态系统的净初级生产力和碳储量^[28]。

模型模拟法特别适于估算一个地区在理想条件下的碳储量和碳通量,在估算土地利用和土地覆盖变化对碳储量影响的时候存在很大困难.近些年来,遥感及相关技术(GIS,GPS等)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序列分析,随后可分析森林生态系统碳的时空分布及动态,并且能够估算大面积森林生态系统的碳储量以及土地利用变化对碳储量的影响。

3森林生态系统固碳估算方法

森林固碳量的估算有多种方法,主要有:涡旋相关法、驰豫涡旋积累法、箱式法及森林土壤碳测定法等。

3.1涡旋相关法

涡旋相关法(Eddy Correlation or Eddy Covariance Method)是采用一种微气象技术,主要是在林冠上方直接测定CO₂的涡流传递速率,从而计算出森林生态系统吸收固定CO₂量的方法^{[29, 30]}。涡旋相关技术仅仅需要在一个参考高度上对CO2浓度以及风速风向进行监测。大气中物质的垂直交换往往是通过空气的涡旋状流动来进行的,这种涡旋带动空气中不同物质包括CO₂向上或者向下通过某一参考面,二者之差就是所研究的生态系统固定或放出的CO₂量。其计算公式为:　　　　　　　　　

　　　　　　　　　Fc=ρ′w′

其中FC是CO₂通量,ρ是CO₂的浓度,w是垂直方向上的风速。字母的右上标(小撇)是指各自平均值在垂直方向上的波动即涡旋波动,横是指一段时间(15~30 min)的平均值。涡旋相关法的特点是,直接对森林与大气之间的通量进行了计算,然而,这一方法需要较为精密的仪器,所需仪器主要包括三维声速风速仪、闭路红外线CO₂/H₂O分析仪,如Licor6262、数据记录系统、导管系统以及一套分析软件,对每一系统的各组成部分都有较严格的要求^[30]。涡旋相关法以其能够直接长期对森林生态系统进行CO₂通量测定,同时又能为其它模型的建立和校准提供基础数据而闻名。

3.2驰豫涡旋积累法

驰豫涡旋积累法(Relaxed Eddy Accumulation, REA)起源于涡旋积累法。Desjardins^[31]首先应用这一技术,其基本思想是根据垂直风速的大小和方向采集2组气体样本进行测量。然而,这一技术在当时并没有获得成功,因为很难根据垂直风速的大小和方向进行不等时瞬时采样^[32]。这一技术的实用型直到在涡旋积累的思想中引入驰豫(relaxed)的思想,使得不定时采样转换为定时采样,这一实用型被定名为驰豫涡旋积累法^[33]。近年来,这一方法已应用到森林CO₂通量的计算^[34]。这一方法需要一维声速风速仪、红外线CO₂分析仪、快速反应螺旋管阀门、数据比较器、数据记录仪、导管系统以及空气泵等。数据比较器用于比较从声速风速仪所得到的即时垂直风速信号与数据记录仪所得到的一定时间(200 s)的平均值。通过这种比较,数据记录仪就可以估计涡旋是上行还是下行,继而开通或关闭连接2个空气收集袋的阀门。通过数据记录仪的程序化设计,红外线CO分析仪间隔一定时间(3 min)开启或关闭其通道即可以连续监测2个收集袋内CO₂的浓度。林冠层的CO₂通量可以通过下式计算:

Fco2=βσ_wρ_air(C_up-C_down)

式中,Fco₂是CO₂通量；β是一个半经验常数(0.56) ^[34] ；σ_w是垂直风速的标准差；ρair是空气的浓度；C_up-C_down是2个收集袋的半小时CO₂浓度平均值之差。虽然这一方法在CO₂通量测定中有应用,但并不是Euroflux和AmeriFlux等CO₂通量网所使用的标准方法^[30]。

6　箱式法^[35]

箱式法(Enclosures/Chamber Method)的基本思想是:植被的一部分被套装在一个密闭的测定室内。在一个封闭的系统内,CO₂浓度随时间的变化就是CO₂通量,即:

F=V△C/△t　

式中,V是测定室的体积;△C/△t是CO₂的变化速率。在一个开放系统时,测定室内有恒定速率(d)的空气流过,通过测定流入与流出测定室的空气中CO₂浓度差(△C^′′′)来计算CO₂通量:

F=d△C ^′′′

目前,根据以上基本思想已经开发出先进的仪器设备。主要的代表公司是英国ADC公司和美国Licor公司生产的光合测定系统。应用箱式法,整个森林生态系统的总的通量就是同化器官的CO₂同化速率与非同化器官的CO₂释放速率之和。

7　森林生态系统土壤碳的测定方法

(1)Lasco RD1999年提出的土壤碳含量测定法^[36]:

土壤碳密度=土壤体积×土壤容重×土壤有机质含量÷1.724

(2)王绍强提出的土壤剖面实测法。王绍强等^[37]从具有代表性的土壤剖面资料中,获取土壤的理化性质。碳含量由有机质含量乘以Bemmelen换算系数(即0.58 g C/gSOC)求得。首先计算各土壤类型各个土层的碳含量,然后以面积、土壤剖面厚度作为权重系数,求得各土壤类型的平均厚度、平均有机质、平均容重、平均碳密度(在土壤平均厚度下的)。根据土壤碳密度散点图和自然分断法,各类土壤的总碳量由下列公式求得:

土壤碳储量=×土壤平均厚度×土壤平均容重×转换系数

以上各种方法各有优点和不足。森林生态系统是一个复杂的系统,在估算森林固碳量时,应当根据各种方法的优缺点,选择应用

4研究展望

总之，森林生态系统是复杂多变的系统,具有强烈的时空异质性和复杂的内部联系.森林碳循环的研究必须涉及宽广的时空尺度和森林生态系统的内部联系.关于森碳循环和碳储量的研究仍然存在很大的困难和不确定因素。在小尺度上获得的数据是可靠的,但在推绎到大尺度时存在重重困难;尽力消除这种不确定性的基本途径是提高数据质量,改进研究方法,寻找有效而科学的尺度推绎方法.遥感解译和样地清查是获取不同尺度上客观数据的手段,对于许多问题的研究难以单独使用其一,多数情况下两者应互为补充。另外,数据之间通常具有一定的数理关系,对于复杂数据的处理往往离不开数学模型.所以,遥感分析、样地调查和模型模拟等方的综合运用是未来解决尺度耦合题和研究森林生态系统碳循环的主要趋势。