森林火灾二氧化碳排放量的简单计算

冯东阳，陈林，孙红召，黄新锋



森林火灾二氧化碳排放量的简单计算

冯东阳1，陈林2，孙红召1，黄新锋1

（1.河南省林业调查规划院，河南 郑州 450045；2.南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037）

森林具有固碳作用，是陆地上重要的碳库，而森林火灾排放二氧化碳等温室气体，在温室气体排放中占有一定的比例。通过材积推算法计算出森林的生物量，并参考相关排放因子，可以初步计算出一场森林火灾的二氧化碳排放量，建立一个相对简单的碳排放模型，从而能够初步了解森林火灾的温室气体排放水平。

生物量；排放因子；二氧化碳

1 森林的固碳与排放

1.1 森林的固碳功能

树木通过光合作用，能够将空气中的二氧化碳转化为自身的组成部分，是自然界具有生物固碳作用的重要力量。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气候系统产生巨大的影响[1]。

森林生态系统的固碳能力取决于2个对立过程，即碳输入过程和碳输出过程。碳输入过程主要就是通过植物的净光合作用实现，而碳输出过程则主要是森林土壤和动物的呼吸过程以及枯落物的无机化过程。此外，各种自然或者人为的干扰也会影响系统的碳输出。森林生态系统的固碳能力取决于碳输入速率和碳输出速率的对比。

森林生态系统的固碳能力和碳储量存在区域差异。湿热地区森林生态系统的植物初级生产力、土壤的呼吸强度和枯落物无机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功能更加显著[2]，而在干冷地区森林土壤碳库的重要性不可或缺。我国森林大部分分布在西南和东北，因此这两个地区的森林固碳能力居于全国前列。例如，中国林科院最新研究结果显示：内蒙古森林年固定碳汇功能为3 600.87万t，每年吸收二氧化碳功能为13 203.18万t、释放氧气功能为9 020.56万t；森林碳储量为69 384.58万t，占全国森林总碳储量的8.88%，居全国第5位。

1.2 森林的碳排放

森林火灾起到相反作用，森林火灾特别是重特大森林火灾，不仅能够破坏原先的自然生态系统和植物群落，同时还向周围大气中释放大量含碳温室气体，对当地气候、环境影响不容小视。森林火灾所释放出的温室气体中，有大约90%是二氧化碳，此外还有一氧化碳、甲烷、氮氧化物和其他含碳的痕量气体。一般的森林火灾中只有一部分林木被燃烧，而且多集中在林木的外层结构。被烧掉的部分由于跟空气接触的程度不一样，也存在着氧化程度的差异。

通过估算森林火灾的碳排放量，可以为管控温室气体排放和林火管控提供一定的数据参考。例如，从1965年到2010年，大兴安岭地区46年间，森林火灾的碳排放量为2 930万t，年平均排放量为63.8万t， 约占全国年均森林火灾碳排放量的5.64%；其中含碳气体二氧化碳、一氧化碳、甲烷和非甲烷烃类（NMHC）的排放量分别为10 200万t、941万t、54.1万t和21.1万t， 二氧化碳、一氧化碳、甲烷和非甲烷烃类（NMHC）的年均排放量分别为222万t、20.5万t、1.18万t和0.46万t，分别占全国年均森林火灾各含碳气体排放量的5.46%、7.56%、10.54%和4.06%；针阔混交林燃烧效果一般，虽然火烧面积大，占总过火面积的21.23%，但排放的碳量只占总排放量的7.81%，内蒙古有关部门对此提出了相应的林火管理策略。

2 森林的生物量与碳储量

计算森林火灾碳排放量普遍采用的方法是通过直接或间接测定森林地上部分的生物量，然后再乘以生物量中碳的含量进行推算。

2.1森林的生物量

森林生物量是森林生态系统在一定时间内生长代谢所积累的结果，包括地上部分的活立木生物量，下层植被生物量和地下部分的土壤生物量。我们经常用到的是地上部分生物量[3]。

森林生物量可通过直接测量和间接估算两种途径得到：前面一种是收获法，这个方法的准确度高，但是对生态环境的破坏较大，而且周期长，费用高；后面一种是利用生物量模型（包括相对生长关系和生物量—蓄积量模型）、生物量估算参数及3S技术等方法进行估算，其中生物量—蓄积量模型和生物量估算参数在大尺度森林生物量的估算中得到广泛应用。

我们在文中利用材积推算森林生物量的方法属于生物量—蓄积量模型，其中一个关键的参数叫做生物量扩展系数。用这种方法所计算的森林生物量等于森林蓄积、林木密度与生物量扩展系数的乘积。它的表达公式是：

=×SVD×BEF

其中代表生物量，代表森林蓄积，SVD代表木材密度，BEF代表生物量扩展系数。此公式得出的为森林地上部生物量。

2.2 森林的碳储量

森林生态系统是陆地生态系统的主要组成部分，贮存了全球陆地生态系统76%~98%的有机碳。森林作为全球气候系统的重要组成部分，在陆地生态系统碳循环过程中占有十分重要的地位。森林生态系统的碳储量是研究森林生态系统与大气间碳交换的基本参数，也是估算森林生态系统向大气吸收和排放含碳气体的关键因子，大量的研究表明森林破坏是大气中二氧化碳浓度增加的第二大影响因素[4]。因而，准确地估算森林生态系统的碳储量，并且系统评估森林生态系统碳储量发生变化对全球陆地生态系统碳储量变化的影响受到科学家们的普遍关注，所以采取一种相对科学的森林生态系统碳储量的估算方法至关重要。

森林的碳储量是森林生态系统中碳的含量，包括地上部分的活立木碳含量，下层植被碳含量和地下部分的土壤碳含量。森林火灾所引发的直接碳排放与地上部分有关，通过测定地上生物量与地上部的含碳率，可以得到森林的地上部碳储量，其计算公式：=×

其中代表碳储量，代表生物量，代表含碳率。

3 森林火灾所涉及到的排放参数

森林的植被燃烧会直接排放二氧化碳、一氧化碳、甲烷和卤代烃等气体，同时火灾后土壤也会释放含氮的温室气体。我们在研究森林植被主要是林木直接燃烧的碳排放过程中会用燃烧效率来揭示森林火灾的燃烧排放效果。燃烧效率是指燃烧消耗的可燃物重量占总可燃物载量的比重，是评估森林火灾碳排放量的一个关键因子，它受很多因素的影响，包括植被种类、火灾强度、林火类型、气候及环境条件等。在不同地区森林生态系统中，燃烧效率变化比较大，并且在野外实际调查过程中获得的关于燃烧效率的资料也很少，一般认为热带（亚热带）地区和热带草原地区的森林地上物质的燃烧效率较高[5]，而纬度较高的北方针叶林的燃烧效率较低。实际计算过程中，我们通过燃烧比例和氧化系数来量化森林火灾的燃烧效率。

3.1 森林火灾的燃烧比例

火灾发生后，森林并不是整体全部燃烧，而是只有一部分被燃烧，被燃烧的部分是温室气体的排放来源，我们只计算现地燃烧的那部分[7]。

根据国家温室气体清单编制指南中所提供的数值，我国燃烧比例一般采用0.15。

3.2 生物量燃烧的氧化系数

森林火灾发生后，起火燃烧的林木跟空气接触的程度不一样，其氧化程度也不一样。氧化系数，也可以理解为燃烧转化为二氧化碳的生物量的比例[6]。这里我们同样采用国家温室气体清单编制指南中所提供的数值，为0.90。

4 森林火灾中二氧化碳排放计算

通过下面的公式来简单计算森林火灾的碳排放量：

现地燃烧排放量=过火有林地面积×单位面积生物量×含碳率×燃烧比例×氧化系数

以一场森林火灾为例，比如河南某地发生森林火灾，过火面积约5 hm2，全部为有林地，优势树种为欧美杨，平均胸径约18 cm，每公顷833株。

通过查找河南省活立木一元材积表我们得到受灾杨树的单株蓄积为0.1763 m3，火场单位面积蓄积应为146.8579 m3/ hm2。

参考《省级温室气体清单编制指南》中的数据，我们还可以得知，河南省的木材平均密度为0.488 t/m3（表1），河南省的地上生物量扩展系数的平均值为1.392（表2），按照前文公式可得知火场地上部单位面积生物量为99.76 t/ hm2。

不同树种的含碳率有差异，但是差别不大。本文只是简单估算森林火灾的碳排放量，因此采用全国林木含碳率的缺省值（0.5）。

表1 全国及各省区市基本木材密度加权平均值 t/ m3

表2 全国及各省区市生物量扩展系数加权平均值

续表2

那么这场森林火灾的二氧化碳排放量计算大致如下：

森林火灾二氧化碳碳排放量=过火有林地面积5 hm2×单位面积生物量99.76 t/ hm2×含碳率0.5×燃烧比例0.15×氧化系数0.90，结果约为33.7 t，也就是说本次森林火灾大概排放了33.7 t的二氧化碳。

5 结语

对于森林火灾，确定优势树种，平均胸径和公顷株数后，通过查找文献和资料获取单株材积、木材密度、木材含碳率、生物量扩展系数等相关参数，采用前文所表述的计算方法[8]，可以初步计算出森林火灾二氧化碳的排放量，对评估森林火灾在温室气体排放中的影响，建立森林火灾碳排放模型，制定林火管控策略有一定的参考意义。

现在对森林火灾碳排放的评估，主要集中在火灾发生过程中直接的碳排放计算上，忽视了对火灾之后火烧迹地在恢复过程中碳循环变化的研究。实际上，森林火灾不仅仅破坏森林生态系统的结构和功能，它还改变了森林生态系统与大气间的气体交换通道，并且火灾发生后未燃烧林木中的有机物分解、土壤呼吸增加、碳黑类物质释放等都会引起大气中含碳量的变化。

目前，对森林火灾直接排放碳量的研究比较多，但对火烧迹地恢复过程中碳循环变化的研究则显不足，只能简单估算森林火灾发生时的直接碳排放量[9]。

[1] 国家发展和改革委员会应对气候变化司. 省级温室气体清单编制指南（试行）[R]. 北京：国家发展和改革委员会应对气候变化司，2011.

[2]国家林业局华东森林资源监测中心，河南省林业厅. 第八次全国森林资源清查河南省森林资源清查成果[R]. 杭州：国家林业局华东森林资源监测中心，2013.

[3]朱建华，冯源，曾立雄，等. 中国省级土地利用变化和林业温室气体清单编制方法[J] .气候变化研究进展，2014，10（6）：433-439.

[4] 国家发展和改革委员会应对气候变化司. 中国温室气体清单研究[M]. 北京：中国环境出版社，2005：281-323.

[5] 方精云，刘国华，徐松龄. 我国森林植被的生物量和净生产量[J]. 生态学报，1996，16（5）：497-508.

[6] 胡海清，魏书精，孙龙. 1965-2010年大兴安岭森林火灾碳排放的估算研究[J]. 植物生态学报，2012，36（7）：629-644

[7] 刘斌，田晓瑞.林火碳排放模型研究进展[J]. 世界林业研究，2010，23（6）：35-39.

[8] 李海奎，雷渊才. 中国森林植被生物量和碳储量评估[M]. 北京：中国林业出版社，2010：32-42.

[9] 日超群，孙书存. 陆地生态系统碳密度格局研究概述[J]. 植物生态学报，2004，28（5）：692-703.

（责任编辑：王团荣）

Simple Calculation of Carbon Dioxide Emissions from Forest Fires

Feng Dongyang1,Chen Lin2,Sun Hongzhao1,Huang Xinfeng1

(1.Forestry Inventory and Planning Institute of Henan Province,Zhenzhou Henan 450045,China；2.College of Biology and Environment, Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangshu 210037,China）

Forests have carbon sequestration and are important carbon stocks, while forest fires emit carbon dioxide and other greenhouse gases, which account for a certain proportion of greenhouse gas emissions. We calculate the biomass of the forest by means of the volume calculation method and use the relevant emission factors. We can initially calculate the amount of CO2emissions from a forest fire and build a simple carbon emission model, thus gain a preliminary understanding of the level of greenhouse gas emissions from forest fires.

biomass; emission factors; carbon dioxide

S 762.1

A

1003-2630（2017）03-0010-04

2017-08-07

国家清洁发展机制基金赠款项目（河南省应对气候变化统计核算制度研究及能力建设，项目编号：CDM41005）；河南省LULUCF碳汇计量监测体系建设（20140106）；河南省林业调查规划院科技创新项目（河南森林生态系统碳储量基础研究，项目编号：GHY2015003）。

冯东阳（1984-），男，河南，本科。从事林木资源调查，碳汇计量检测工作。

陈林（1983-），男，四川成都，讲师，硕士生导师，主要从事林木遗传育种研究。