森林生态系统碳蓄积研究方法进展

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第29卷　第6期2008年12月四川林业科技　

JournalofSichuanForestryScienceandTechnology　Vo1.29,　No.6Dec.,　2008

森林生态系统碳蓄积研究方法进展

罗力嘉

(雅安市林业局,四川雅安　625014)

摘　要:作为陆地生态系统的主体,森林生态系统的碳循环与碳蓄积对研究陆地生态系统碳循环起着重要作用。生物量、生产力、土壤有机质以及凋落物量及其分解等相互关系决定了森林生态系统的碳库量和碳交换量。本文简单地介绍了在碳蓄积研究中森林生物量和生产力的几种研究方法,并对研究过程中的问题(大尺度生物量的精确估算,地下生物量的研究,森林生态系统土壤碳库估算)进行了探讨。关键词:碳循环;碳蓄积;生物量;生产力

中图分类号:S727　　　文献标识码:A　　　文章编号:1003-5508(2008)06-0031-05

AdvancesinResearchMethodsonCarbonStoragein

theForestEcosystemLUOLi2jia

(ForestryBureauofYaanCity,Yaan　625014,China)

Abstract:Thecarboncycleandstorageintheforestecosystemareveryimportantinthestudiesofcarboncycleintheterrestrialecosystem.Thecarbonstorageandexchangearedeterminedbytherelationshipsa2mongbiomass,productivity,soilorganicmatterandlitters.Inthispaper,abriefdescriptionisgivenofseveralmethodsofmeasuringforestbiomassandproductivityincarbonstorageresearch,andadiscussionismadeonproblems(accuratelyestimatingbiomassinwidescale,undergroundbiomassresearch,estima2tingsoilcarbonpool)intheseresearches.

Keywords:Carboncycle,Carbonstorage,Biomass,Productivity

1　引言

全球碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环的过程

[1]

。碳循环的主要途径是大气中的CO2

被陆地和海洋中的植物吸收,然后通过生物或地质过程以及人类活动干预,又以CO2的形式返回到大气中。因此,全球碳循环中最重要的是CO2的循环,CH4、CO等次之

[2]

。各圈层中受人类活动影响

最大的是陆地生态系统的碳储量和碳吸收及排放行为。自工业以来,人类大量使用化石燃料使大气中CO2、CH4等温室气体浓度不断上升,从而引发

　　收稿日期:2008209221　　作者简介:罗力嘉(19822),男,助理工程师,从事资源林政管理工作。

了一系列严重的环境问题,给人类的生存和社会经

[3]

济的可持续发展带来了巨大的威胁。

目前,全球碳循环的研究工作主要是估算各碳库的储量和碳库间的交换通量。已经有许多人对全球的碳库储量进行了估算,全球碳储量大约为110

8×10PgC,其中岩石圈是地球上最大的碳库,约有

7[4]

910×10PgC,主要以有机碳和碳酸盐形式存在。表1总结了一些关于其它各圈层碳储量有代表性的

[5～9]

文献报道。以上数据只是对地球碳量的大致估计,还存在极大的不确定性。相较之下,陆地碳库估算的差异最大。而且从目前对大气CO2源汇研究结果来看,要找的碳失汇最有可能存在于陆地生态系统中,但是该汇的位置和强度,存在着很大的不确

[10]

定性。因此,作为陆地生态系统的主体,森林生

32　　四　川　林　业　科　技29卷

态系统的碳循环与碳蓄积在全球陆地碳循环和气候变化研究中具有重要意义。生物量和生产力的研究是进行生态系统结构、功能及其物质循环特征研究的基础。

表1

各圈层碳储量相关报道(单位PgC)

IPCC

(1990)

SchlesingerBalinoetal(1991)(2001)113538755750200550500005

213841750110500610933793

Lal(1999)323841760120500620000880

WatsonandNoble(2001)750250020005003840041650

皆伐法是在典型林分地段设置标准样地,皆伐样地内的所有林木,分不同器官测定其重量,而对下木及草本层则设置若干小样方进行皆伐收割,最后根据样地面积和样地内林分的生物量确定单位面积生物量。该方法还需将一定面积的林木连根挖出称重,因此,工作量巨大,但精度很高,通常作为检验其它测定方法的精度标定。

平均木法是根据样地每木调查的资料计算出全部立木的平均胸高断面积,选出代表该样地最接近这个平均值的几株标准木,伐倒后求出平均木的生物量,再乘以该林分单位面积上的株数,得单位面积上林分乔木层的生物量;或按不同径阶株数权重选取样木,伐倒称重后再乘上各径阶株数,最后合计得到全林分生物量。平均木法比较适用于林木大小具有小的或中等离散度的正态频率分布的林分,例如人工林。材积转换法是利用林分生物量与木材材积比值的平均值乘以该森林类型的总蓄积量,得到该类型森林总生物量的方法。在森林生物量的组成当中,树干(材积)只是其中的一部分,并且所占的比率因树种和立地条件不同而有很大的差异[12]

大气圈750陆地生物圈2050　陆地土壤1500　陆地植物550海洋39000合计41800

2　森林生物量及生产力的研究方法

Ebermeyer于1876年进行了最早的森林生物量

研究,发表了德国几种主要森林的枝叶凋落量和木材重量数据

[11]

。20世纪50年代初期,世界上开始

重视森林生物量研究,此后在IBP和MAB推动下,研究了地球上主要森林植被类型的生物量和生产力及其区域地理分布规律、植被生产力与气候因子和植物群落分布之间的关系,估算了地球生物圈的生物总量,森林在陆地生态系统的碳循环的作用,进一步推动了森林生物量和生产力的研究。2.1　森林生物量及生产力的概念

。因

此,为了推算某一树种的生物量,还必须知道根、茎、枝、叶等部分的生物量。研究表明,树干的生物量与其它器官的生物量存在很强的相关关系,因此用树干材积推算森林总生物量是可行的。

维量分析法就是在研究区域内按径阶株数选取样木,伐倒后按器官称重,然后根据各器官生物量与

某一测树指标(如胸径、树高)间存在的相关关系进行回归拟合,建立回归曲线方程。再以实测胸径和树高推算林分生物量是相对生长模型:

W=a・D或W=a・(DH)a、b为方程中待估参数2.3　其它方法

[14]

[13]

森林生物量主要包括乔木层、灌木层和草本层的地上和地下部分。此外还包括森林中的野生动物、微生物和昆虫等,由于观测难度较大,而且它们的生物量所占比例太小,一般不予考虑。森林生产力是指森林生态系统生产有机质的能力,一般以森林净初级生产力(NPP)或生态系统净生产力(NEP)表示。其公式为:

NPP=ΔB+C+La+Lb

NEP=NPP-(La+Lb)=ΔB+C

。一般有一元线性模型、对

数模型、相对生长模型和多项式模型,其中最常用的

其中W为各器官生物量,D为胸径,H为树高,

。

其中ΔB为生物量净增长量,C为每年因森林采伐移出生态系统的生物量,La+Lb为森林的枯死、凋落量。2.2　收获法

直接收获法是全球普遍采用的研究方法,也是对陆地群落和森林最切实可行的方法。该方法除了测定生物量外,还能在生物量测定基础上推算出NPP。森林收获法主要包括皆伐法、平均木法、材积

转换法和维量分析法。

利用不同时期测定的生物量推算出生产力,从而计算该区域这一时期的碳通量。利用收获法推算出的森林生产力往往不够精确,不能对森林碳循环过程进行更深入的研究。生理生态-微气象学方法又称为气体交换法,能够利用气体交换技术获得更加符合实际的数据,主要有CO2平衡法和微气象场法。

CO2平衡法主要是利用森林群落的光合作用和

6期罗力嘉:森林生态系统碳蓄积研究方法进展

[15,16]

[21]

呼吸作用的CO2交换量计算森林的生产力。

微气象场法则与风向、风速和温度等因子测定相结合,从地表到林冠上层CO2浓度的垂直梯度变化测定来估算生态系统CO2的输人和输出流量。

另外,模型估算法是通过长期研究大量的生物量和生产力资料,利用土壤、气候、地理和地貌等生态因子去评价森林生物量和生产力。这种方法在大尺度森林碳蓄积的估算方面已经被广泛地应用。

[17]

的生物量转换因子,不能准确估算森林生物量。

2001年方精云等人利用大量的生物量实测数据,结合使用中国50年来的森林资源清查资料及相关的统计资料,基于生物量换算因子连续函数法,研究了中国森林植被碳库及其时空变化。但是,方精云等的关于生物量和蓄积量的估算是一种简单

[24,25]

的线性关系还存在着争议。王玉辉等人(2001)[26]基于森林资源清查资料得到的落叶松林生物量估算模式则是双曲线关系,这样既克服了Brown等将生物量与蓄积量之比作为常数的不足,

[22,23]

3　研究难点和现状

3.1　大尺度生物量的精确估算

森林生物量在景观、区域甚至全球尺度上的估算对评价森林碳收支、陆地生态系统碳循环和全球变化研究起着十分重要的作用。因此,如何准确估算大尺度上森林生物量成为一个难点。

根据前面提到的材积转换法,我们可以利用森林资源清查这一宝贵数据源对大尺度森林的生物量

[18][19]

进行估算。早在1984年Brown等采用由联合国粮农组织提供的主要森林类型蓄积量资料,估算了全球森林地上生物量,指出热带郁闭森林和非郁闭森林的平均地上生物量分别为150mg・hm

-2[20]和50mg・hm。Brown等指出,湿润、干旱和半干旱地区没有受干扰的原始森林的木材密度分别为1174、1195和1157,总生物量与地上生物量的转换系数为116。

但是,生物量和蓄积量还与森林类型、年龄、立地条件和林分密度等诸多因素有关。可见采用常数

表2

名称收获法

方法

同地上部分生物量测定一样

-2

又避免将林分在任一个生长阶段的生物量随蓄积量的变化简单地处理为线性关系。目前,该模型仅对兴安落叶松进行了研究,是否适用于其它的森林类型,有待于进一步研究。3.2　地下生物量的研究

在森林生物量研究中,地下部分生物量的估计难度最大。我们可以非常精确地测得地上部分的生物量,但很难找到较好的方法来测定地下部分生物量,特别是细根(<2m)。尽管细根生物量较小,一般不超过根系总量的1/5,而且C的含量也较小,但是与>2mm根系相比,细根N的含量较高,C:N较低,所以死亡后周转率较高。因此,根系中的细根是

[27]

土壤中C的主要来源。对细根的研究一般有收获法、钻土芯法、内生长土芯法、平衡法、根观测实验室法、土壤碳平衡法、挖土块法、间接法和微根区管

[28]

法等,表2列举了一些常用的方法。在实践中可以根据实际需要选择最好的研究方法,还可以同时使用几种方法取长补短。

地下生物量测定

实例

Lieth(1968)等用挖掘法对树木根系生物量进行了研究,并绘制了根量分布图;KodrikM.(1994)对云冷杉林生态系统根系分布的研究;陈灵芝等人先后对北京山区的侧柏林林分生物量的研究;张克水等人对杉木林根系的研究;陈章和等人(1995)对广东封开县黑石顶自

优缺点

结果比较精确,所需工具较简单。但费人力,测定的结果也只是一个现存量,很难进行时间动态的跟踪

适合对细根(<2mm)的研究。对整个根系统,根的分枝格局和粗根生物量的研究则并不有效

然保护区南亚热带常绿阔叶林矿质元素的分布与循环研究[29～34]

钻土芯法和挖土块法

前者利用土钻取样;后者以解决土壤中含有较多砾石的情况通常将无根土柱埋入,待一年后取出,测量其中根系

Yavitt和Fahey(1982)对落基山黑松林根系生物量和营养物质周转的研究;李培芝等人对北方杨树人工林0～40cm土层中杨树细根

和草根年生物量、分解量、周转率等方面进行研究。杨玉盛等人(1999～2000)对杉木观光木混交林群落细根净生产力和年周转率的研究[35～37]

Cuveas和Medina(1988)对亚马逊河地区森林细根生长对几种不同元素的响应。单建平等对长白山阔叶红松林细根周转的研究;李凌浩(1998)等对武夷山甜槠林细根生物量和生长量的季节动态及其在不同群落发育阶段下的变化进行了初步研究,并对细根在养分归

内生长土芯法

土柱量小,能直接得到活根和死根的生物量。但土柱与其周围形成了不同的环境,死根分解增加。结果偏小

还中的作用进行了分析[38～40]

间接法

建立某易测指标与根生物量的相关关系

Whittaker(1962)按照地上部分生物量与生产力之比,结合根系现存量数据对一些树木根系生产力进行了估算;Vogt(1984)建立了花旗松胸高处1cm宽的树皮淀粉含量与细根生物量的回归方程[41,42]

方程中的参数变异性太大。不仅会随不同的树种而变,而且很显然随不同的立地而变化

34　　四　川　林　业　科　技

[5]　IPCC.TheIPPCscientificassessment.

29卷

In:HoughtonJT,Meira

3.3　森林生态系统土壤碳库估算

土壤是个非常复杂的三维体,又是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的界面,时空变异大,估算土壤碳储量及其变化等存在很大的不确定

[43][44]

性。于贵瑞(2003)指出陆地土壤碳库容量不同的估算方法得出的结果相差很大。Dixon(1994)的数据表明森林生态系统总碳的69%储存在土壤有机质中,31%以活的有机体存在,但是高纬度地区和热带地区有明显的不同,北部森林中84%的碳存储于有机物中,只有16%存在于活有机体中,而在热带森林土壤和植被中的碳基本是相等的。

[46]

陈庆强(1998)认为土壤无机碳很少变动,对碳循环的意义不大,今后的研究重点应放在土壤有

[47]

机碳中。金峰(2001)总结出有机碳主要分布在

[48]

土壤上层1m深度以内。邵月红等人(2005)分

[45]

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[49]

解宪丽等人(2004)基于第2次土壤普查和土壤调查等2440个典型土壤剖面数据和1∶400万中国植被图,对中国不同植被类型下的100cm和20cm厚度土壤有机碳密度和储量进行估算,绘制

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4　研究展望

森林生态系统碳蓄积研究不应该只是某一区域、局部的研究,应该是有计划的、在国家尺度上的、甚至是更大尺度上的研究,建立统一的、完整的数据库。随着科学技术的发展,还应加强对碳蓄积与气候变化相互关系方面的研究,增加估测碳蓄积量的手段。同时,应该加强遥感和地理信息技术在碳蓄积研究方面的应用参考文献:

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