森林固碳释氧研究进展

喻阳华　杨苏茂

(1.贵州师范大学喀斯特研究院， 贵阳　550001；2.贵州师范大学国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵阳　550001)



森林固碳释氧研究进展

喻阳华1,2杨苏茂1

(1.贵州师范大学喀斯特研究院， 贵阳550001；2.贵州师范大学国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵阳550001)

摘要：碳汇林培育是控制全球气候变暖、提高森林固碳功能的一个有效途径和可持续发展模式。本文综述了森林固碳增汇效应与碳汇林的概念及内涵，分别从树种和群落垂直结构层次分析了影响森林固碳能力的因素，概括了森林固碳释氧量的测算方法及改进建议，为森林固碳释氧功能研究提供了参考和借鉴。

关键词：碳汇林；固碳释氧；影响因素

大气CO2浓度已由1980年的338 ppm上升至2014年的399 ppm[1]，2013年的CO2排放速率达到10.7 Pg C. a-1[2]，大气CO2浓度升高导致全球气候呈现变暖趋势，使极端天气增加、海平面上升、植物发生缺素症等现象相继发生。政府间气候变化专门委员会指出确保2030年全球变暖幅度低于2 ℃[3]，因此控制CO2浓度的上升成为全球的重要战略部署和政府行为与行动。控制大气CO2浓度升高的主要措施包括减少碳排放和增加碳汇，而森林作为地球关键带的重要圈层，在固碳增汇效应方面发挥着举足轻重的作用[4]，它在减缓全球CO2浓度升高过程中所起的作用已经得到认同。

森林碳库在陆地生态系统总碳库中占有较高的比重[5]，具有控制全球CO2浓度上升的巨大潜力，其固碳功能对全球及区域气候变化具有重要影响，尤其是先锋树种由于生长周期较短，在森林固碳过程中扮演着重要角色[6]。提高森林固碳增汇能力依赖于林业生态工程的实施和林分结构的改善[7]，如农林复合系统具有较高的固碳潜力[8]。因此，本文在搜集已发表文献的基础上，对森林固碳增汇效应及机理进行了阐述，以期明确影响森林固碳增汇效应的主要因素，旨在提高森林植被的固碳潜力和能力，从源头上缓解大气CO2浓度升高和全球气候变暖的趋势。

1　森林固碳增汇效应与碳汇林

固碳，也称为碳封存，指以捕获碳并安全封存的方式来取代直接向大气排放CO2的过程；释氧是指物质经过复杂的化学反应释放出O2的过程[9]。提高森林的固碳能力是遏制全球CO2浓度升高和气候变暖的重要途径[10]，喀斯特石漠化区因其特殊的气候条件和地质背景，造成环境承载力小、抗干扰能力弱、系统稳定性低和自我调整能力差[11]，加之森林被大面积毁坏，因而恢复区域森林植被以提高其固碳能力成为一项长期而艰巨的工作任务，也是加快生态文明建设和实现生态环境可持续发展的必然需求。森林、水体、岩石等环境要素都具有固碳功能，其中森林碳汇是指森林植被通过光合作用将碳转化为有机质储存于树干、树枝、树叶和根系中，达到对大气CO2吸收和固定的作用，从而缓解温室效应和气候变暖；当吸收的CO2量大于排放的CO2量时，所形成的差额称为碳沉降，森林的碳沉降功能使它具有固定CO2的作用，故称森林为储存CO2的库，即森林碳库[12]，它是固定CO2的重要圈层。

林业在减排增汇中的重要作用为气候变化下的林业议题谈判提供了科学基础，林业相关谈判仍然是未来气候变化谈判的组成部分，应对气候变化有助于促进全社会更加关注林业，改革现行管理制度，给碳汇林业发展带来新机遇[13]。碳汇项目造林主要有3种类型：一是清洁发展机制碳汇造林再造林项目；二是中国绿色碳基金支持开展的碳汇造林项目；三是其它碳汇造林项目，如各地与外国政府、国内外企业、组织、团体等开展的积累碳汇为目的的造林、森林经营以及相关碳汇计量与监测、碳汇交易等活动[14]。广义角度来看，任何以降低大气中CO2浓度、减缓气候变化为主要目的的林业活动都属于碳汇林业的范畴[15]，狭义的碳汇林概念如“碳汇造林”、“碳汇林项目”和“碳汇项目”等，这些术语在理论界和实务界常常被不加区分地予以应用[16]。对碳交易市场和碳汇林的培育成为全球应对气候变化的重要手段和措施之一，也是环境管理者和科研工作者面临的难题，现有研究多集中在森林植被的生物量和固碳增汇效应测定方面[17-18]，而对这些监测数据缺乏运用，尤其是将功能监测用于指导碳汇林结构配置的研究更少，亦即未根据功能对结构特征进行反馈。

2　影响森林固碳能力的因素

森林生态系统具有较高的生物量、净生产力和固碳量这一观点已为人们普遍接受。基于此，森林发挥着较高的固碳释氧和降温增湿功能，不同树种的功能强弱不一样，树种特征的这一差异又表明通过优化碳汇林配置模式以提高生态功能是一项重要工作，实现这一目标的首要任务就是找到限制森林固碳增汇能力发挥的因素。森林生态系统的碳一般分为4个库，即林分生物质碳库、粗木质残体碳库、林下枯落物层碳库和土壤碳库[19]。近几年来，土壤有机碳库和林木生物质碳库固碳机制[20-21]的研究已成为碳积累和碳循环中主要而活跃的领域。但从垂直结构来研究森林固碳能力的公开报道较为鲜见，从植株来看包括树冠层、凋落物层和土壤层3大组成部分；从森林植被垂直组成结构来看包含乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层。从林分的水平结构和垂直结构来研究固碳机制，可为碳汇林的结构化经营技术提供理论依据[22]。

2.1林冠层

林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层[23]，对森林生态系统生物量积累、水分利用和养分循环等方面产生显著影响。林冠层也是生物质能积累的主要部分，是森林碳库的重要结构层次。林冠层为凋落物层输送了源源不断的物质来源，对凋落物的组成和数量产生较大影响，因此研究林冠层在森林植被固碳增汇效应中的贡献具有重要意义。通常对树冠的研究包括冠型[24]、枝夹角、叶夹角[25]和叶面积指数[10]等方面，从这些角度对森林固碳机制和潜力进行研究，可以辅助碳汇林结构配置与调整。

2.2凋落物层

凋落物层是森林碳汇功能的重要组成部分[26]，凋落物的组成和数量主要受到冠层的影响，因而不同的冠层组成和林龄，对凋落物层的固碳增汇效应影响较大；此外，凋落物层的分解程度也会制约固碳能力。而在森林结构优化配置的过程中，人为可以调控的部分主要是冠层组成和密度，亦说明调整林分冠层组成是提高森林生态系统固碳增汇效应的主要措施，也是林分结构调整的关键技术。因此，凋落物层对森林生态系统碳汇功能的贡献具有较大的波动性，研究凋落物层的固碳增汇效应时，应当指明特定的时间和空间范畴，否则缺乏可比性和可行性，也不能为碳汇林结构配置和调整提供技术支持。

2.3土壤层

土壤层碳库的研究已经成为活跃的领域[27-28]，许多研究认为土壤碳储量是生物量碳储量的数倍[29-30]，因此土壤碳库是森林生态系统碳储量的主要组成部分。但是，植被参与对土壤碳储量增量的影响是一个复杂的过程，为了提高有机碳变化的预测精度，需要各地区开展较长时间尺度上的土壤有机碳变化的数量积累[21]。土壤的形成和性质的变化也同样受到冠层组成及结构，凋落物组成、数量及分解程度，根系类型、数量及腐烂分解程度等诸多因素综合影响，这亦证明了碳汇林结构配置的重点是树种选择、组配和冠层调控。

由以上论述可知，影响森林植被固碳增汇效应发挥的主要因素是树种组成、结构配置和林分密度，它们对冠层、凋落物层和土壤层的固碳增汇等生态服务功能产生明显影响。因此，未来在开展碳汇林结构配置时，要以树种为单元，分别研究冠层、凋落物层和土壤层3个层次的固碳能力，计算树种的固碳增汇潜力和能力，划分固碳能力等级，据此解译群落的固碳机制和原理，便于有针对性地对群落结构进行改造与调控，以提高固碳增汇效应。

3　森林固碳释氧量计算

绿色植物是生态系统的初级生产者和有机物的制造者，该功能通过光合作用得以实现，这就是固碳释氧的起点。固碳释氧作为一种重要的生态功能，在固定并减少大气CO2的同时提供并增加O2浓度，维持大气中CO2和O2的平衡，在生态系统物质循环和能量流动中发挥着重要的调节作用[31]，因此森林植被固碳释氧的计量得到了普遍关注。目前关于森林植被碳储量的计算主要包括2种途径，一是基于生物量和含碳率来计算[28,31-32]，二是基于光合特征和叶面积指数来计算[10,33]。不同计算途径具有各自的优缺点，第1种途径将长期动态变化过程汇聚到一个精确的结果上，但难以表征随时间的动态变化过程和规律；第2种途径容易受到测定时限和环境条件等因素的影响，得到的固碳结果也包含了经验公式推导的成分。从碳汇林建设与经营的角度出发，以森林生态系统结构决定功能的原理为指导，建议按照垂直结构层次来研究碳汇能力更能够为碳汇林经营提供理论参考依据，这些层次主要包括冠层、凋落物层和土壤层。这种测算方法利于找出限制森林植被碳汇功能发挥的限制因子和关键结构，构建了森林生态系统碳汇结构与功能之间的关系，在充分了解森林植被状态特征的基础上，按照结构化森林经营的原则和方法安排各项经营措施，培育健康稳定的森林，使碳汇林的树种组成更加合理，个体和整体的健康水平、碳汇功能明显提高。

4　总结与展望

(1)发展碳汇林是减缓全球气候变暖趋势的必然要求。碳汇林在减少CO2气体排放、维持大气中O2和CO2浓度平衡、遏制全球气候变暖趋势中发挥着重要作用，发展碳汇林是林业和环境保护工作者在新的发展环境下共同面临的迫切任务。目前对碳汇林的研究多集中在固碳释氧功能监测方面，对其结构配置和林分经营等方面的系统研究较少，今后应加强树种选择和植被结构配置方面的研究。

(2)影响森林固碳释氧能力的因素。从森林的垂直结构来看，影响森林固碳释氧能力的层次主要有冠层、凋落物层和土壤层，其中冠层主要受其冠型、枝夹角、叶夹角和叶面积指数等因素影响，凋落物层主要受其种类、数量和分解速率等因素影响，土壤层主要受其根系类型、数量、腐烂分解速率等因素影响。这一切取决于树种选择和组配，未来从森林结构与功能的关系系统地剖析结构特征和监测固碳释氧量，能够诊断林分固碳释氧功能低下的结构缺陷，有针对性地开展碳汇林结构配置和调整。

(3)拓展固碳释氧的计算方法。目前对碳汇林固碳释氧效应的研究多集中在含碳率与生物量计算、光合作用与三维绿量测算等方面，这些方法或强调静态结果，或受到环境条件影响较大，或依赖于经验系数和理论参数，对碳汇林结构配置和调整的理论支撑程度不够。未来建议从垂直结构层次开展固碳增汇效应的计量与研究，评价各结构层次的固碳增汇效应。此外，掌握森林植被固碳释氧的动态变化特征和规律，也能够有效指导碳汇林建设工作，为林分结构配置提供有力的科技支撑。

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基金项目：贵州师范大学博士科研启动基金(2016)

收稿日期：2016-02-16；2016-03-30修回

作者简介：喻阳华，男，1984年生，博士，研究方向：石漠化区植被适应性修复。E-mail：yuyanghua2003@163.com

中图分类号：X24

文献标志码：A

Review on carbon sequestration and oxygen release of forest

Yu Yanghua1,2, Yang Sumao1

(1.Institute of Karst, Guizhou Normal University, Guiyang 550001;2.State Key Engineering Technology Research Center for Karst Rocky Desertification Rehabilitation of China, Guizhou Normal University, Guiyang 550001)

Abstract:Carbon sink forest cultivation is regarded as an efficient approach and a sustainable development mode in controlling the global warming, improving the function of forest carbon sequestration. Forest carbon sequestration and carbon sink forest management have attracted considerable scientific attention since the Kyoto Protocol. Comprehensively understanding the mechanisms, processes and effects of carbon sequestration in carbon sink forest is essential for configuring carbon forest structure scientifically. This paper reviews, at first, the concept and connotation of forest carbon sequestration absorbing effects and carbon sink forest, and then analyzes the factors influencing forest carbon sequestration ability based on tree species and community vertical structure, respectively. Furthermore, measuring methods and suggestions for improvement of forest carbon sequestration and oxygen release are summarized, serving as a reference for the study on the forest carbon sequestration and oxygen release function.

Keywords:carbon sink forest; carbon sequestration and oxygen release; influence factors