森林生态系统碳蓄积量与年净碳汇估算研究

丁晓叶 吴永波 陈 杰

1 南京林业大学 南京 210037 2 同济大学 上海 200092

1 碳蓄积研究方法

根据研究对象的时空尺度和研究手段，可以大体将森林碳蓄积研究方法分为3类：生物量法、涡旋相关法和遥感估算法。

1.1 生物量法

生物量法是根据单位面积生物量、森林面积、生物量在树木各器官中的分配比例、树木各器官的平均碳含量等参数计算而成。最早应用生物量法时，是将森林通过大规模的实地调查,得到实测数据，建立一套标准的测量参数和生物量数据库，用样地数据得到植被的平均碳密度，然后用每一种植被的碳密度与面积相乘，估算生态系统的碳蓄积。具体测定常按地上部分、枯落物和根系，分别采用不同方法[1-2]。

由于树木既有低碳组织，又有高碳组织，所以目前在对生物量转化为碳含量时的转换系数大多在0.45～0.55，现大都用0.5。另外，生物量的积累不仅和树种本身有关，还与立地质量、气候条件等多方面因素有关。同时, 计算生物量时往往只考虑地上部分，即便考虑了地下部分，由于取样困难，往往也很难得到精确的数据。这样一来，运用生物量法对森林碳汇进行计量势必会造成很大的误差，使计量的精度下降[3]。

1.2 涡旋相关法

涡旋相关法是采用三维超声风速仪测定林冠层与大气之间的湍流交换量的微气象学方法，该方法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通量。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：

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(15～30min)的平均值。这一思想产生得较早，然而由于需要的仪器设备昂贵，使得这一技术直到20世纪80年代才拓展到CO2通量研究中。

1.3 遥感法

传统的森林蓄积量调查方法是通过森林一类、二类调查来获取其信息，但是这种方法劳动强度大、调查周期长，而且还有需要耗费大量的人力、财力和物力等问题。通过遥感图像来估测森林蓄积量已成为了当前森林调查和研究的方向。

应天玉[4]等以哈尔滨市的高空间分辨率的遥感影像为基础,建立了哈尔滨市绿地空间数据库，用样地的碳蓄积估算结果来推算绿地斑块的碳蓄积，得到哈尔滨城市森林碳蓄积的空间分布。基于遥感信息的森林生物量估测比传统方法更加优越，可以有效地用于探测多尺度生态系统特性与过程的年际变化。但是现有的遥感数据源并不能直接探测森林碳蓄积及其空间分布，所以单纯依靠遥感数据，很难提高森林生态系统碳蓄积估算的精度。另外，含碳率不同，使得森林生态系统碳蓄积的估算结果和真实蓄积存在一定差异。

2 森林生态系统碳平衡计算研究

森林生态系统碳平衡包括碳输入和碳输出两个方面，输入和输出的差值才是系统的净生产量NEP，差值若为正值，表明生态系统是碳汇，为负值则表明生态系统是碳源；森林生态系统固定碳的公式为：Ta=NI+L+Rp+Rl，其中Ta为森林生态系统碳总收入量，Nl为植被层年固碳量，L为凋落物层年固碳量，Rp为植被年呼吸释放碳量，Rl为年凋落物分解释放的碳量。

森林生态系统碳支出公式为：O=Rp+RI+Rs。其中，O为生态系统碳支出总量，Rp为植被层年呼吸释放的碳量，RI为年凋落物分解释放的碳量，Rs为生态系统异养呼吸释放量。

整个生态系统的碳平衡公式为:△C=Ta-O=NI+L-Rs，即生态系统最终的碳平衡等于植被层年固碳量加上凋落物层年固碳量再减去土壤异养呼吸年释放量。

2.1 植被年固碳量

森林地上部分储碳452亿t，占全球陆地植被地上部分总碳储量的86%，森林植被年固碳量大小除了与森林面积大小有关外，还和森林的储碳能力及净生产力( NPP)与单位面积储碳密度有关。

根据《森林生态系统服务功能评估规范》（中华人民共和国林业行业标准LY/T1721-2008），森林植被固碳公式为G植被固碳=1.63·R碳·A·B年，其中，G植被固碳为植被年固碳量t/a ；R碳为CO2碳的含量（27.27%）；A为林分面（hm2）；B年为林分净生产力（t/hm2·a）。程兆伟[5]依此计算得出舒兰市森林植被年固碳量为31570t。而赵海珍[6]利用蓄积量的年生长率近似代替各部分的增长率，推导出森林单位面积的年固碳量：C1= M×f1×w/v÷a×CB。M为林木干材单位面积的蓄积量，f1为各类森林蓄积的年生长率，w/v为生物量与蓄积量的比值，a为树干木材生物量与林木总生物量的比值，CB为1g生物量中含碳量的平均值,其值为0.5，得出雾灵山自然保护区森林植被年固碳量为81246.3t。更多学者如鲍春生、白艳[7]等利用森林碳蓄积量结合林龄计算出植被年固碳量。

2.2 凋落物年固碳量

凋落物量是森林生态系统生物量的组成部分，凋落物碳库是联系植被碳库和土壤碳库的中间环节。自20世纪80年代以来，我国对森林生态系统凋落物量进行了大量研究。

凋落物量多采用直接收集法测定。收集器一般用铁丝或木板作框架，安装网眼直径小于2mm的纱网，每个收集器的面积约在0.2-1m2。如汤建福[8]测得一年内5年生尾巨桉人工林的年凋落物总量为4200.72kg/hm2。而凋落物年固碳量是年凋落量与含碳率的乘积，由此可计算得出凋落物年固碳量。

2.3 土壤年碳排放量

土壤呼吸是土壤产生和向大气释放CO2的过程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤动物呼吸、枯枝落叶层呼吸和含碳物质的化学氧化作用等几个生物学和非生物学部分。

土壤呼吸的测定可分为直接测量和间接测量两类方法，直接测量包括静态气室法、动态气室法和微气象法。其中，静态气室法包括静态碱液吸收法和静态密闭气室法；动态气室法通常包括动态密闭气室法和开放气流红外CO2分析。动态法结合便携式红外分析仪将是今后土壤呼吸测定的主导方向。间接法则是根据其他指标如土壤ATP含量等推算土壤呼吸值。

张金池[9]采用静态密闭气室碱液吸收法对苏北淤泥致防护林土壤进行呼吸测定。丁访军[10]则运用Li-6400便携式光合作用系统对喀斯特地区3种林型土壤呼吸量测量。在各测量方法中，动态方法比静态方法得到的结果要高10%～40%，能较好地反映土壤呼吸的实际水平，且可连续测量土壤呼吸的变化过程，因此动态法在测量土壤呼吸上采用较多。

3 不足之处

(1)在估算森林碳蓄积时，目前运用最为普遍的是通过测量生物量，推算出森林碳蓄积。在众多的研究中，对象都是大范围的森林生态系统，采用的方法都是通过计算森林生态系统各组成部分生物量，再乘以转换因子求算林地现存固碳总量。但未能解决不同树种由于碳储存速率变化差异引起的含碳量变化规律。因此，对树木生长过程中不同林龄的碳汇蓄积进行计量，在评价人工林碳储功能方面具有重要的现实意义。

(2)森林清查主要考虑森林生态系统地上部分的生物量，对具体森林样地内土壤碳沉积及通量的研究还不多。因此，定量研究森林土壤的碳平衡，对于全面了解森林生态系统的碳平衡具有重要意义。

(3)从方法上来说，研究区域森林生态系统碳平衡主要有两个途径：测量区域碳库的变化和实际测定碳通量。但由于实际操作过程中的差异性会引起很大的误差。因此，另有一些研究运用基于过程的模型方法，但这些方法却又受人为因素的影响较大，且有些参数难以确定。目前已经开发了一些森林生态系统碳循环模型，包括大气环流模式、气候模式和生态系统过程模式，这些模型的应用都有自己的限制条件，不同模型估算值各异，这就导致了碳估算的不准确性。

4 展望

4.1 研究方法需要进一步更新完善

现存的研究方法已经表现出一定的局限性：一方面，不同学者采用不同的方法，在评价我国森林源/汇功能时得到了截然不同的结论，就是同为碳源，其数值相差也很大；另一方面，在具体森林碳交换研究过程中，现在广泛采用的涡度相关法由于对环境条件的要求较高，实际上很难找到理想的试验环境，同时在数据处理与分析方面也尚存在一定的不确定性。因此尽力消除这些不确定性的基本途径是提高数据质量，改进研究方法，寻找有效的科学的尺度推绎方法为当务之急。

4.2 人为活动对森林生态系统碳蓄积与碳平衡估算影响

对于森林碳汇，生物学、生态学的评价更多地关注生物、生态因子的影响，忽视了社会、经济等人为因素。我国是世界上人工林发展最快,面积最大的国家,现存大量天然次生林和人工林，并实施着大量人工管理措施如整地、灌水、施肥、间伐疏伐等。这些人类活动对森林生态系统碳蓄积与碳平衡的影响，目前研究较少且多停留在定性描述阶段。因此，深入开展人工经营管理措施对森林生态系统碳循环的影响及其机制研究,是准确评价森林生态系统碳汇功能亟需解决的关键问题。

[1] 张鹏超,张一平.哀牢山亚热带常绿阔叶林乔木碳储量及固碳增量[J] .生态学杂志,2010, 29(6):1047-1053.

[2] 王磊,丁晶晶.江苏省森林碳储量动态变化及其经济价值评价[J].南京林业大学学报,2010,2(32):1-5.

[3] 李洪甫，李洪泽，谢庆国.森林植被碳储量估算及分析［J］.中国城市林业，2010，8（5）：46-47.

[4] 应天玉,李明泽,范文义. 哈尔滨城市森林碳蓄积的估算[J].东北林业大学学报, 2009, 37(9)33-35.

[5] 程兆伟,岳晓辉.舒兰市森林碳汇与其他生态效益分析[J] .中国林业经济,2010,1:45-47.

[6] 赵海珍.雾灵山自然保护区森林的碳汇功能评价[J] .河北农业大学学报,2001,4(24):43-47.

[7] 鲍春生,白艳.兴安落叶松天然林生物生产力及碳储量研究[J].内蒙古农业大学学报,2010,2(31):77-82.

[8] 汤建福.尾巨桉人工林凋落物量及养分归还动态[J] .南昌工程学院学报,2010,3(29)60-64.

[9] 张金池.苏北淤泥质海岸典型防护林地土壤呼吸组分分离[J].生态学报,2010,30(12):3144-3154.

[10] 丁访军.喀斯特地3种林型土壤呼吸及其影响因子[J].水土保持学报,2010,3(24):217-221.