森林生态系统碳储量研究进展及方法探讨

张士亮,张艳春

(1.辽宁省林业调查规划院，辽宁 沈阳 110122；2.辽宁省林业有害生物防治检疫局，辽宁 沈阳 110122)

森林生态系统碳储量研究进展及方法探讨

张士亮1,张艳春2

(1.辽宁省林业调查规划院，辽宁 沈阳 110122；2.辽宁省林业有害生物防治检疫局，辽宁 沈阳 110122)

森林在调节全球气候系统、减缓温室效应扩散以及保持碳平衡等方面具有无法取替的作用。碳储量是反映森林生态环境的重要指标。因此，如何准确有效地对森林生态系统中的碳储量进行估算和对森林生态系统的碳汇做出准确的评价，具有非常重大的现实意义。

森林生态系统；碳储量；方法

随着科学技术的高速发展和应用，人类生产和生活方式发生了重大的变革的同时，也给我们周边环境造成了很大的破坏和影响。自从一个多世纪前发生工业革命以来，大气中CO2浓度急剧增加，从工业革命前的280 mL·m-3上升到2008年的385 mL·m-3，研究表明，人类活动和碳循环的动态变化与这种气候变化有着密切关系[1]。全球表面平均温度在过去一个世纪中已上升了0.6 ℃，全球温室效应自从20个世纪以来一直在持续扩大。20多年以来，由于全球气候变化对人类世界不同层次、不同方面所造成的影响，已经不能再单纯地把它界定为科学研究和自然保护的范畴，国际社会对此极为重视，当今人类社会因此而发生了一系列重大的变化与调整。

陆地生态系统在全球碳循环中既起着碳汇的作用，同时也作为碳源而存在，是气候变化与人类活动相互联系的重要媒介。而森林作为陆地生态系统最为重要的组成部分，承载着73%以上的土壤碳库和86%以上的植物碳库[2]。

森林是陆地上最大的生态系统，与其他陆地上的生态系统相比，它的生命周期长、层次结构更加复杂、生物量和生长量最高，是陆地生物光合产物的主体，也是最大的陆地生态系统碳库。森林生态系统分别约占地上碳储量和地下碳储量的80%和40%[3]，森林生态系统的碳储存密度及其碳汇功能的研究是人类认识和评价森林生态环境的基础。

1 森林生态系统碳储量研究进展

森林植被碳储量是指林分内地上和地下活的植物有机体内所固定的碳，森林生态系统作为陆地生态系统最重要的组成部分，在陆地生态系统中起着重要的“汇”和“源”的作用，全球陆地生态系统碳储量的40%[4]是存储在森林生态系统中，大量来自大气中的CO2通过植物的光合作用被森林生态系统所固定。在这个系统中的碳汇是由森林植被、凋落物和森林土壤固定碳素而形成, 而碳源则是由森林中的植被、动物、微生物、土壤等的呼吸、分解不断向大气释放碳素。森林固定的碳如果小于释放的碳就成为碳源, 固定的碳如果大于释放的碳则成为碳汇。碳的“源”与“汇”是相对立的而存在的,影响其分布的外界因素有很多，其中最主要的是所处的纬度、森林的立地条件及所处的时间段等因素，两者之间相互转化的现象普遍存在。据相关研究表明，森林生态系统的面积仅为全球面积的27.6%，但全球约57%的碳被森林生态系统所固定，陆地生态系统中 76%～98%的有机碳都被森林生态系统所固定。据研究证明，全球范围内碳储量按纬度划分的特征为,低纬地区热带森林植被的碳储量>高纬地区的北方森林的碳储量>中纬度地区的温带森林的碳储量，储量分别为202～461 Pg、88～108 Pg、59～174 Pg。我国森林植被碳储量最多的是东北以及西南地区，按比例来分析这两个地区的比重也是最大的。

1.1 森林植被碳储量

森林生态系统的碳储量是研究森林生态系统向大气排放和吸收碳的关键因子，同时也是测量森林生态系统与大气间碳交换的基本参数。于20世纪60年代开始，在世界范围内开展了大规模研究，1964年国际科联建立的国际生物学计划，以各种生态系统的生产力和生物量为研究重点，促进了森林生态系统碳储量研究工作的全面展开。1997年《京都议定书》的签署表明，森林在减缓全球气候变化方面的功能得到了充分的肯定，同时带来了各国林业部门评价森林生态系统碳储存能力的工作浪潮[5]。早在20世纪70年代末至90年代，国际上多名学者已对全球森林生态系统碳储量及碳循环进行了研究，表明森林不但能较好地维护区域生态环境，而且在全球碳平衡中发挥着巨大作用,其植被碳库的存储量约占全球总量的86%以上。国内外都把热带和温带地区的森林生态系统碳库的动态研究作为重点，研究人员对全球碳储量进行的大量研究中，以Dixon[5]为代表的科学家经过测算认为，全球森林植被碳储量应为359×109t，并按所处纬度把全球分为高、中、低三个分布带，碳储量在高、中、低三个纬度带的分布分别为88×109t、59×109t、212×109t，分别占总碳储量的25%、 16%、 59%。根据研究结果分析，碳储量在全球分布有明显的地带性规律。 据政府间气候变化专门委员会估计，全球陆地生态系统碳储量约为2.48万亿t，其中土壤碳和植被碳的储量分别约占总储量的80%和 20%；森林作为陆地生态系统中最大的碳储存库，其贮存的总碳量约为1.15万亿t[6]。

1.2 森林土壤碳储量

陆地生态系统中最大的有机碳库是森林土壤碳库，全球土壤碳储量约为1.50×1012t[22]，是大气碳库的2倍，是陆地植被碳库的2～4倍[23]。全球森林土壤碳库与森林植被碳库在地理格局分布上有着明显的不同。按所处纬度带的碳贮量排序，高纬度>低纬度>中纬度，分别约占全球森林土壤碳贮量的60%、27%、13%。森林土壤的碳储量在森林总碳储量中所占的比重存在随着纬度的升高而升高的特点，在高纬度的北方森林、中纬度的温带森中、低纬度热带森林中分别大约占到总碳储量的84%、63%和50%[24]。森林土壤平均碳密度也存在与之相同的变化趋势， 平均密度最高的是高纬度的北方森林土壤，其次是中纬度的温带森林土壤,最后是低纬度的热带森林，森林土壤碳库及碳密度的这种纬向分布规律是由气候、植被、土壤等多个因素共同作用而形成的一种平衡。

早在20世纪60年代以前，国外就已经开始对土壤碳储量的研究。最初对土壤碳储量的估计仅仅是依据少数土壤剖面资料进行的，如Rubey[25]根据9个土壤剖面的碳含量推算全球土壤碳储量为7.10×1011t。到了80年代以后，统计方法开始逐渐应用于土壤碳储量的研究上，但由于计算方法和数据来源的不同，造成得出的结果差异很大。90年代以来，随着3S技术的发展和应用，为土壤碳储量的研究提供了新的手段和方法。Lacelle[26]应用3S技术计算出加拿大0～30 cm土层的土壤碳储量为7.28×1010t，1 m土层的土壤碳储量为2.62×1011t。

我国是从20世纪80年代开始对森林土壤碳储量进行研究的，对陆地土壤碳循环研究重点放在草原生态系统和森林生态系统上。方精云等[27]首先利用1∶ 1000万土壤类型图求得各类型土地的面积，再根据《中国森林土壤》和《中国土壤》以及其他文献资料的各类土壤的平均碳含量，估算我国土壤碳储量为1.86×1011t。汪业勖等[28]估算我国森林土壤碳储量为1.37×1010t。李克让等[29]基于CEVSA模型对中国土壤碳储量进行了研究，结果表明碳储量为8.27×1010t，占全球土壤碳储量的4%。在过去的半个世纪我国开展了大面积的人工造林，使得森林土壤有机碳密度得到了很大程度的增加[30]，但最初基于土壤普查资料进行研究，估算出的我国森林土壤的碳储量很可能偏低。

2 森林生态系统碳储量的研究方法

2.1 森林植被碳储量的估测方法

2.1.1 样地实测法 估测森林植被碳储量普遍采用的研究方法是直接收获法，也是对森林生物量研究精度最高、最可行的方法。主要包括全部收获法、平均标准木法、径级标准木法。

2.1.2 模型模拟法 该方法是基于与植物生长相关的生理因子或环境等相关的生态因子，通过数学模拟的方式建立模型，估算森林生态系统生产力、生物量和碳储量。主要包括单木生物量模型、基于材积转化的生物量模型、相容性森林生物量模型、生理生态模型。

2.1.3 微气象学法 该方法是生态学与气象学的有效结合，通过测定近地面层的湍流状况和被测气体的浓度变化，计算被测气体通量。主要包括空气动力学法、涡旋相关法与弛豫涡旋积累法。

2.1.4 箱式法 箱式法的基本思想是：将植被的一部分套装在一个密闭的测定室内， CO2浓度在封闭的系统内随时间的变化量就是CO2通量[31]。

2.2 森林土壤碳储量的估测方法

对土壤有机碳储量的估计方法主要有以下几种:

2.2.1 土壤类型法 该方法是利用土壤普查资料中的各土壤类型面积及各土壤类型剖面或结合植被类型的土壤剖面平均含碳量来推算该类土壤的碳储量。土壤碳储量经常具有相似的调控因子，所以土壤类型法能提供更多的土壤发生学与碳储量有关的认识，这有利于分析碳储量估算中不确定性的原因，容易识别土壤碳的空间格局[32]。

2.2.2 生命地带法 生命地带法是充分利用土壤剖面数据于各生命气候带内的差异性，来推算气候带内各主要生态系统的贮碳量。使用该方法使得不同植被、生态系统和生命地带类型的土壤有机碳储量非常易于测算，而且更能反映气候和植被分布对土壤碳储量的影响[33]。

2.2.3 模型方法 土壤碳循环模型就是通过建立一种模拟的方法，在明确了影响土壤有机碳分解速率的各种因子的前提下，然后再根据进入土壤碳的数量和质量估算土壤有机碳储量。为了满足不同的研究目的、内容和要求，多种多样的土壤碳循环的模型已经被开发出来，模型类型既有基于遥感数据和实测数据的模型，也有机理过程模型以及相关关系模型。

2.2.4 植被类型法 根据植被类型推算。首先假定植被类型与土壤中有机质的含量存在特定的相关关系，然后再根据各植被类型下的土壤平均碳含量及该种植被类型的面积推算总碳储量。

3 小结

我国对森林碳汇研究起步较晚，缺乏足够支撑研究的基础数据，以至于研究所得出的结果稳定性不够。这主要是由于所选用的方法和参数值及其他可能影响估算结果的因素有区别[34]。所以我们要大力加强森林碳汇的基础研究，完善我国的碳汇计量的标准体系，尽快让我国的碳汇工作与国际社会接轨，就此提出以下几点建议：

3.1 加强对区域尺度森林生态系统碳平衡的研究，努力提高基础数据精度。

3.2 努力把既有森林资源的资料应用到森林碳储量以及碳收支等研究中，提高研究的效率和准确性。

3.3 增加对碳汇计量工作的投入力度，把更多新的科学技术与方法应用到研究中，以达到解放人力、降低成本、提高效率的目的。

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1005-5215(2017)10-0097-04

2017-08-24

张士亮(1978-),男,辽宁北镇人，大学，高级工程师，从事林业调查规划工作.

S718.55

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.10.037