中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究

中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究
3
王效科3
3
　冯宗炜　欧阳志云　(中国科学院生态环境研究中心,北京100080)
【摘要】　提高森林生态系统C 贮量的估算精度,对于研究森林生态系统向大气吸收和排放含C 气体量具有重
大意义.中国的森林生态系统植物C 贮量的研究刚刚开始,由于估算方法问题,不同估算结果存在着较大的差异.本研究以各林龄级森林类型为统计单元,得出中国森林生态系统的植物C 贮量为3.26～3.73Pg ,占全球的0.6～0.7%;各森林类型和省市间有较大的差异.森林生态系统植物C 密度在各森林类型间差异比较大,介于6.47～118.14Mg ・hm -2,并且有从东南向北和西增加的趋势.这种分布规律与我国人口密度的变化趋势正好相反,两者有一种对数关系.这说明我国实际森林植物C 密度大小首先取决于人类活动干扰的程度.关键词　森林生态系统　植物C 贮量　植物C 密度文章编号　1001-9332(2001)01-0013-04　中图分类号　Q94811,S71815　文献标识码　A
V egetation carbon storage and density of forest ecosystems in China.WAN G Xiaoke ,FEN G Z ongwei and OU Y AN G Zhiyun (Research Center f or Eco 2Environmental Sciences ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080).2Chin.J.A ppl.Ecol .,2001,12(1):13～16.
To improve the estimatation of carbon pool of forest ecosystems is very important in studying their CO 2emission and uptake.The estimation of vegetation carbon pool in China has just begun.There is a significant difference among esti 2mates from different methods applied.Based on forest inventory recorded by age class ,the vegetation carbon storage of forest ecosystems in China was estimated to be 3.26～3.73Pg ,accounting for 0.6～0.7%of the global pool.The carbon densities were difference among forest types and provinces ,in range of 6.47～118.14Mg ・hm -2.There is an incremental tendency from southeast to north and west.This trend is negatively related with the change in population density in logarithmic mode ,which indicates that the actual forest carbon density is prominently determined by human activities.
K ey w ords Forest ecosystem ,Vegetation carbon storage ,Vegetation carbon density.
3中国科学院重大项目(KZ9512B12208)和中国科学院生态环境研究中心主任基金资助. 33通讯联系人. 1999-04-12收稿,2000-04-17接受.
1　引 言
森林生态系统贮存了陆地生态系统的76%～98%的有机C [13].它对大气中CO 2浓度的影响越来越
受到科学家的关注[5].而森林生态系统的C 储量是研究森林生态系统与大气间C 交换的基本参数[5],也是估算森林生态系统向大气吸收和排放含C 气体的关键因子
[13]
.目前,前苏联
[1]
、加拿大
[2]
、美国
[11]
等国家
对森林生态系统的植物C 贮量的估计研究均有较大进展.在国外资料中[5],对中国森林生态系统植物C 贮量估计引用较多的为17Pg.按此估计,我国单位面
积的森林植物C 贮量(称C 密度)应为114Mg ・hm -2,但这一估计显然与我国的实际情况相差太远.近年来,Fang 等[6]根据野外调查资料,建立了我国主要森林类
型的林木蓄积量与生物量之间相关式,提高了中国森林生态系统的植物C 贮量的估算精度.但是,现有的估计没有充分考虑:1)林龄对林木蓄积量与生物量之间的关系的影响;2)群落中林下植物生物量;3)对我国森林生态系统C 密度的分布规律和影响因素的分析.本研究在分析中国主要森林生态系统类型和各地带的
森林生态系统的各林龄级的生物量与蓄积量的关系基
础上,根据全国第三次森林资源普查资料中的按省市和按各优势种调查统计的各林龄级的蓄积量资料,分别估计了中国森林生态系统的植物C 贮量,并分析了中国森林生态系统植物C 密度的分布规律和影响因素.
2　研究方法
森林生态系统植物C 贮量的估算,早期是利用森林生物量的野外样地调查资料和森林统计面积.由于在实际森林样地调查时,一般都选取生长较好的地段进行测定,其结果往往高估了森林植物的C 贮量[3,6,13].近年来,以建立生物量与蓄积量关系为基础的植物C 贮量估算方法已得到广泛应用[5].本研究也采用该方法,不同的是首先将我国1994年底以前160多篇有关森林生物量的研究报道中561个调查样地的生物量调查资料按林龄级依次分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林,归并成16种森林类型[12],统计得出各林龄级个各森林类型的林木树干与乔木层生物量的比值(SB )和乔木层和群落总
应用生态学报　2001年2月　第12卷　第1期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb.2001,12(1)∶13～16
生物量(包括林下所有植物的生物量)的比值(B T),然后再将这些森林类型归并为中国森林资源普查的统计单元:森林优势种类型和省市[12].利用下式,可得出中国各类型和各省市(台湾除外)的森林植物C贮量(TC,Tg):
TC=V×D×SB×B T×(1+TD)×Cc(1)式中,V是某一森林类型或省市的森林蓄积量(m3),来自林业部第三次全国森林资源普查资料;D是树干密度(Mg・m-3),采用中国林业科学研究院木材工业研究所的研究结果[8].Cc是植物中C含量,该值在不同植物间变化不大,因此,为简便起见,常采用0.45[4].然后统计中国森林生态系统的总植物C贮量.并进一步分析各类型和各省市的C密度差异和影响因素,并用地理信息系统Arc/View做出中国森林植物C密度分布图,建立了中国各省市森林植物C密度与人口密度间的关系.
3　结果与讨论
311　各森林类型植物C贮量和C密度
根据中国38种优势种森林的蓄积量估算出,中国森林生态系统的植物C总贮量是3724.50Tg(表1).从林龄级分布看,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林分别占14.6、29.7、12.0、29.5和1412%.从类型构成看,栎类林最大,占2214%(这是因为栎类在我国分布的面积较大),其次为落叶松林,占12.1%,阔叶混交林占11.5%.
由图1可以看出,各森林类型的植物C密度差异较大,介于6.47～118.14Mg・hm-2.云杉林、冷杉林、高山松和热带林的植物C密度较高,>60Mg・hm-2.而黑松林、油松林、马尾松林、杉木林、柳杉林、水杉林和桉树林的植物C密度较小,<15Mg・hm-2.这主要是由于林龄差异造成的,云杉林、冷杉林、高山松和热带林中,成熟林和过熟林占的比例较大,黑松林、油松林、马尾松林、杉木林、柳杉林、水杉林和桉树林中,人工林占的比例较大,多为幼、中龄林.
312　各省市的森林植物C贮量和C密度
根据中国30个省市地区的针叶林和阔叶林蓄积量资料,估计出中国森林生态系统的植物C总贮量是3255171Tg(表2).从林龄级的分布看,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林分别占14.3、30.6、11.4、2917和14.0%.与以上结果基本一致.从各省市的构成看,黑龙江省最大,占17.7%,其次为四川和云南省,分别占15.4%和1410%,内蒙古自治区占11.6%. 从图2可见,中国森林生态系统的植物C密度有从东南向东北和西增加的趋势.我国森林植物C密度较高的省份为黑龙江、吉林、西藏和海南,<5311Mg・hm-2.尽管西藏的森林面积很小,但现存森林的植物C密度很高,如西藏的雅鲁藏布江的大拐弯处是我国表1　中国各森林生态系统的总生物质C贮量
T able1V egetation carbon storage of every forest ecosystems in China(T g)林型
F orest
type
幼龄林
Y oung
中龄林
Middle2
aged
近熟林
Prema2
ture
成熟林
Mature
过熟林
Post2
mature
总计
Total
比例
Percen2
tage
1 3.1
2 4.85 4.3214.30 1.7928.380.76
2 1.7125.2633.80140.28113.38314.438.44
3 5.8135.8019.70235.8633.00330.178.86 40.70 2.13 2.7210.319.6525.510.68 57.847.17 1.508.59 2.1527.250.73 690.11101.9057.39142.8757.91450.1812.09 7 3.85 5.88 1.20 4.570.0015.500.42 80.010.090.020.000.000.120.00 90.160.050.000.000.000.210.01 10 5.3810.50 2.250.92 1.3620.410.55 110.59 3.71 2.22 1.45 1.499.460.25 120.60 1.340.740.110.73 3.520.09 1342.1267.1418.857.86 2.61138.58 3.72 1421.5724.9812.9024.7726.51110.73 2.97
15 4.28 6.72 4.54 6.47 2.9624.970.67
16 4.31 5.84 2.5037.568.1358.34 1.57 179.9831.6111.737.50 2.8763.69 1.71 180.030.050.000.250.000.330.01 190.020.060.000.000.000.080.00
20 2.6512.34 4.21 6.13 4.5029.830.80
21 5.5128.5412.0421.279.3376.69 2.06
22 2.257.41 3.27 3.70 1.4518.080.49 230.320.910.140.190.00 1.560.04 240.000.28 1.560.600.45 2.890.08 25163.53281.72108.82180.72101.15835.9422.44 2632.61117.9025.2136.8421.36233.92 6.28 2739.4478.6822.7635.4216.66192.96 5.18 28 2.22 4.32 2.1310.30 2.5521.520.58 290.080.010.030.000.000.120.00 300.550.900.140.300.00 1.890.05 310.150.390.49 1.080.00 2.110.06 3214.9034.2014.6024.2313.03100.96 2.71 330.190.210.020.000.230.650.02
34 6.2521.4811.5720.1034.7394.13 2.53
35 5.5620.35 2.67 2.450.5531.580.85 3661.13143.0259.97107.3258.33429.7711.54 37 3.6317.52 2.66 3.540.6928.040.75总计543.161105.26448.671097.86529.553724.50100.00 Total
11红松Pi nus koraiensis,21冷杉A bies,31云杉Picea,41铁杉Tsuga chi nensis,51柏木Platycladus and Cupressus,61落叶松L ari x,71樟子松Pi nus sylvest ris,81赤松Pi nus densif olia,91黑松Pi nus thunbergii, 101油松Pi nus tabulaef ormis,111华山松Pi nus armandi,121油杉Keteleeria,131马尾松Pi nus massoniana,141云南松Pi nus yunnanen2 sis,151思茅松Pi nus kisiya,161高山松Pi nus densata,171杉木Cun2 ni nghamia lanceolata,181柳杉Cryptomeria f ort unei,191水杉Metase2 quoia glyptost roboi des,201针叶混交林Mixed coniferous,211针阔混交林Mixed coniferous and broad2leaf forest,221水胡黄Fraxi nus,J uglans, Phellodendron,231樟树Ci nnamom um,241楠木Phoebe,251栎类Quercus,261桦木Bet ula,271硬阔类Hardwood,281椴树类Tilia,291檫树S assaf ras tz ume,301桉树Eucalypt us,311木麻黄Casuari na,321杨树Popul us,331桐类Davi dia,341软阔类Softwood,351杂木Acer, Tilia,Ul m us,361阔叶混交林Mixed broad2leaf forest,371热带林Tropic forest.
目前森林生物量最高的地方[12].植物C密度较小的省包括广东、广西、湖北、湖南、江西、浙江、江苏、安徽和山东,<12.4Mg・hm-2.森林植物C密度的这种分布规律与我国人口密度的变化趋势正好相反,两者呈显著的对数相关关系(图3),说明我国实际森林植物C 密度大小首先取决于人类活动干扰的程度.可以说人
41应　用　生　态　学　报 12卷
图1　不同森林生态系统类型的植物C 密度比较
Fig.1Comparison of vegetation carbon density among forest ecosystem types.
林型同表1.Forest type as table 1.
表2　中国各省市森林生态系统的总生物质C 贮量
T able 2V egetation carbon storage of every province in China (T g)
省　市
Province
幼龄林
Y oung 中龄林
Middle 2aged 近熟林
Premature 成熟林
Mature 过熟林
Post 2mature 总　计
Total 比　例
Percentage 北　京Beijing 1.09
0.640.110.020.00 1.860.06天　津Tianjin 0.190.260.040.010.000.500.02河　北Hebei 3.8515.00 1.95 1.210.0022.010.68山　西Shanxi 3.4411.31 2.320.790.1117.970.55内蒙古Neimenggu 79.86138.4233.1096.3929.83377.6011.60辽　宁Liaoning 13.1037.27 4.09 3.330.2358.02 1.78吉　林Jilin
35.91101.6638.6294.4538.02308.669.48黑龙江Heilongjiang 72.97230.19109.03125.6538.99576.8317.72上　海Shanghai 0.010.000.000.000.000.010.00江　苏Jiangsu 0.560.900.350.090.01 1.910.06浙　江Zhejiang 7.589.28 3.22 3.400.7524.230.74安　徽Anhui 7.6910.27 1.250.690.3620.260.62福　建Fujian 17.0042.677.25 3.70 1.0171.63 2.20江　西Jiangxi 12.3820.86 6.78 4.55 1.3945.96 1.41山　东Shandong 2.27 2.380.000.640.00 5.290.16河　南Henan 7.787.69 1.94 2.280.4520.140.62湖　北Hubei 10.0412.28 2.68 3.48 1.2929.770.91湖　南Hunan 12.5214.16 4.29 6.55 1.2038.72 1.19广　东Guangdong 8.9817.57 5.54 2.090.6334.81 1.07广　西Guangxi 4.4313.0512.0210.6112.7152.82 1.62四　川Sichuan 32.3074.2549.73189.56156.01501.8515.41贵　州Guizhou 18.4419.62 3.03 6.34 2.5649.99 1.54云　南Yunnan 88.50102.4641.96110.81112.65456.3814.02西　藏Xizang 0.010.000.21233.800.00234.027.19陕　西Shaanxi 6.0447.2116.3523.0035.32127.92 3.93甘　肃G ansu 9.0328.1110.5114.579.7071.92 2.21青　海Qinghai 1.76 4.95 1.90 2.41 1.0412.060.37宁　夏Ningxia 0.85 1.680.000.190.00 2.720.08新　疆Xinjiang 3.6918.6910.4922.7910.9866.64 2.05海　南Hainan 4.3613.82 2.05 2.520.4623.210.71总　计Total
466.63
996.65
370.81
965.92
455.70
3255.71
100.00
类的干扰程度已经完全掩盖了气候条件对森林植物C 密度的影响和制约.我们对中国森林生态系统生物量野外样地资料的分析也反映了人类活动对我国森林生物量有巨大影响[7].
313　中国森林生态系统在全球C 库中的作用
在以上的估计中,由于估算过程中的资料统计单元的不同,得出的结果有差异,相对误差为13%.对于中国森林生态系统C 贮量,Fang 等[6]给出的估计值为4.30Pg.他估计的植物C 含量取值是0.5,如植物的C
含量取值与我们一样(0.45),则中国森林的C 贮量为3.87Pg.该值略大于我们的估计,与我们的估计值的
相对误差为4%～19%.Dixon 等[5]引用的中国森林的
C 贮量估计值(17Pg )与我们的估算差异很大,不能真正反映我国森林生态系统C 贮量的实际情况.Wang 等在1994年利用美国学者Marland 用的参数[10],根据中国森林的总蓄积量估算了中国森林生态系统的植物C 贮量为2.1Pg [14],远比现在的估计值小.这也说明要得出中国森林生态系统植物C 贮量的可靠值,必
5
11期 王效科等:中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究
须采用中国的参数和按类型或区域进行详尽的统计,
并且应该不断更新数据库,引用最新的森林生物量的生态调查结果[9,15]
.
图2　
中国森林生态系统植物C 密度分布
Fig.2Distribution of vegetation carbon density of forest ecosystem in Chi 2na.
图3　中国森林生态系统植物C 密度与人口密度的关系
Fig.3Relationship between vegetation carbon density of forest ecosystem and population density in China.
表3　中国、加拿大、美国和俄罗斯的森林生态系统植物C 贮量比较
T able 3Comp arison of vegetation carbon storage among C anad a ,U nited States ,Russion and China
国　家
Country
植物C 贮量
Vegetation
carbon storage
(Pg )占全球的比例
Contribution to the globe
(%)C 密度Vegetation carbon density (Mg ・hm -2)中国China 3.26～3.87
0.6～0.736～42加拿大Canada
12 2.328美国大陆United States 12.1 2.361俄罗斯Russion
28.0
5.4
36
如果全球森林生态系统植物C 贮量取平均值520Pg [13],中国森林生态系统的C 贮量占全球的016%～017%(表3).与世界上有关国家的C 贮量研究结果比较,我国森林的植物C 贮量远小于俄罗
斯[1]、加拿大[5]和美国[11].植物C 密度,除美国较大外,其他国家差异不大.这说明这些国家的森林也都受到了人为干扰,造成了森林生态系统的实际植物C 贮量较小.
参考文献
1　Alexeyev V ,Birdsey R ,Stakanov V et al .1995.Carbon in vegetation of Russian forests :methods to estimate storage and geographical distri 2bution.W ater ,A i r and Soil Poll ,82:271～2822　Apps MJ and Kurz WA.1994.The role of canadian forests in the glob 2al carbon budget.In :K anninen M ed.Carbon Balance of world ’s forested ecosystems :Towards a G lobal Assessment.Finland :SILMU.12～203　Brown S and Iverson L R.1992.Biomass estimates for tropical forests.
Worl d Resour Rev ,4:366～3844　Crutzen ,PJ and Andreae MO.1990.Biomass burning in the tropics :
impact on the atmospheric chemistry and biogeochemical cycles.Sci ,250:1669～16785　Dixon R K ,Brown S ,Houghton RA et al.1994.Carbon pools and flux of global forest ecosystems.Science ,262:185～190
6　Fang J ,Wang GG ,Liu G et al .1998.Forest biomass of China :an esti 2mate based on the bimoass 2volume relationship.Ecol A ppl ,8:1084～1091
7　Feng Z 2W (冯宗炜),Wang X 2K (王效科)and Wu G (吴　刚).1999.
Biomass and productivity of Forest Ecosystems.Beijing :Science Press.(in Chinese )
8　Institute of Forestry Industry ,Chinese Academy of Forestry Sciences
(中国林业科学院木材研究所).1982.Major Physical and Chemical Properties of Woods in China.Beijing :Chinese Forestry Press.(in Chi 2nese )9　Li L 2H (李凌浩),Lin P (林　鹏)and Xing X 2R (邢雪荣).1998.Fine
root biomass and production of Castanopsis eyrei forest.Chi n J A ppl Ecol (应用生态学报),9(4):337～34010　Marland G.1988.The prospect of solving the carbon dioxide problem
through global reforestation.Oak Ridge National Laboratory ,DOE/NBB 20082,Oak Ridge ,TN ,USA.11　Turner DP ,K oepper G J ,Harmon ME et al .1995.A carbon budget for
forests of the conterminous United States.Ecol A ppl ,5:421～43612　Wang X 2K (王效科).1996.Biomass of Forest Ecosystems and Carbon 2
Containing G ases Released from Biomass Burning in China.Ph D The 2sis.Beijing :Research Center for Eco 2Environmental Sciences ,Chinese Academy of Sciences.(in Chinese )
13　Wang X 2K (王效科),Feng Z 2W (冯宗炜).1995.The history of re 2
search on biomass and carbon storage of forest ecosystems.In :Wang R 2S (王如松)eds.Hot Topics in Modern Ecology.Beijing :China Science and Technology Press.335～347(in Chinese )
14　Wang X ,Zhuang Y and Feng Z.1994.Carbon dioxide release due to
change in land use in China mainland.J Envi ron Sci ,6:287～29515　Wang Y (王　燕)and Zhao Sh 2D (赵士洞).1999.Biomass and net
productivity of Picea schrenkiana var.tianshanica forest.Chi n J A ppl Ecol (应用生态学报),10(4):389～391
作者简介　王效科,男,1964年生,博士,副研究员,主要从事生物物质燃烧、森林生态、C 循环和生物地球化学模型等方面研究.Tel :010*********,E 2mail :wangxk @
61应　用　生　态　学　报 12卷。