森林生态系统碳储量估测方法及其研究进展_王秀云

第21卷　第5期世　界　林　业　研　究V o l.21　N o.5　2008年10月Wo r l d F o r e s t r y R e s e a r c h O c t.2008
森林生态系统碳储量估测方法及其研究进展＊
王秀云　孙玉军
(北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京100083)
摘要:森林生态系统作为陆地生态系统最大的碳库,其碳交换对全球碳平衡有着重要影响,研究其碳储量具有重要的科研和社会意义。

文中阐述了森林生态系统碳储量研究进展及估测方法,并展望了未来森林生态系统碳研究的主要方面。

关键词:森林生态系统,碳储量,碳循环
中图分类号:S718.55 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2008)05-0024-06
R e v i e wo nR e s e a r c ha n dE s t i m a t i o nMe t h o d s
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Wa n g X i u y u n　S u n Y u j u n
(T h eK e y L a b o r a t o r y f o r S i l v i c u l t u r e a n dC o n s e r v a t i o n o f M i n i s t r y
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A b s t r a c t:F o r e s t e c o s y s t m i s t h e m a x i m u m c a r b o ns t o r e i nt e r r e s t r i a l l a n de c o s y s t e m.C a r b o n e x-
c h a n g e o f f o r e s t e c o s y s t e mc o n t r i b u t e s s i g n i f i c a n t l y t o t h e g l o b a l c a r b o n b a l a n c e,t h e r e f o r e,t h e r e-
s e a r c h o n c a r b o n s t o r a g e h a s v e r y i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e s t e c h n o l o g i c a l a n d s o c i a l.I nt h i s p a p e r, t h e e s t i m a t i o n m e t h o d s a n d d e v e l o p m e n t o f c a r b o n s t o r a g e r e s e a r c h o f f o r e s t e c o s y s t e mi s s t a t e d,a s w e l l a s t h e f u r t h e r s t u d y p r i o r i t i e s o n f o r e s t e c o s y s t e mc a r b o n i n t h e f u t u r e.
K e y w o r d s:f o r e s t e c o s y s t e m,c a r b o n s t o r a g e,c a r b o n c y c l i n g
1　森林生态系统碳储量研究概况
1.1　国外情况
最早的森林生态系统碳研究始于E b e r m e y e r 在1876年发表的德国几种主要森林的枝叶凋落物和木材重量数据[1]。

20世纪50年代初期,世界上开始重视森林生物量的研究,此后在I B P和M A B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,估算了地球生物圈的生物总量。

由于森林在陆地生态系统碳循环中的作用,进一步推动了森林生态系统碳储量的研究,国际科联(I C S U)组织的地圈生物圈计划(I G B P)、美国启动的B i g F o o t项目及《美国碳循环研究计划》(C C S P)、瑞典、德国和加拿大等国均开展了碳循环的研究。

而且,为了配合近年来一系列国际合作计划,美国、欧洲和日本等发达国家率先开展了森林生态系统水汽、热和C O2通量的观测。

目前由美国和欧洲发起建立的全球能量观测网(F L U X N E T),共有4大区域性通量网,160余定位观测站,称为C a r b o n-E u r o p e,另外,还有澳大利亚与新西兰组建的O z F L U X,韩国与泰国独立组建的K o F L U X,以及其他一些独立的通量观测站。

这些通量观测网络的建设对开展区域及全球森林生态系统水汽、
＊收稿日期:2008-03-31
基金项目:国家自然科学基金基于森林资源清查的碳循环规律研究(30571492);高等学校博士学科点专项科研基金基于树木生长的森林碳储量模型(20060022009);国家林业局948项目(引进国际先进林业科学技术项目)森林碳储量监测关键技
术引进(2008-4-48)
作者简介:王秀云(1978-),女,博士研究生,主要从事森林生态系统生物量与碳模型方面的研究,E-m a i l:l y h w x y@t o m.c o m 通讯作者:孙玉军,E-m a i l:s u n j y@b j f u.e d u.c n
DOI:10.13348/ ki.sjlyyj.2008.05.007
第5期王秀云,孙玉军:森林生态系统碳储量估测方法及其研究进展
热与C O2通量的定位观测与长期研究具有重要的作用。

随着仪器设备(如超声波风速计和高性能C O2分析仪)的运用、研究手段的更新以及R S和G I S技术的发展,森林生态系统碳储量研究工作取得了长足的进步,不断完善。

近几年的文献报道了一些阶段性的研究成果,如D i x o n等人[2]在查阅大量文献的基础上总结了全球森林生态系统1987-1990年土壤和植被的碳储量和碳通量。

而且,不同林型的碳通量特征有很大差别,如P a u l[3]利用法国28年生人工林的观测资料,计算出2年观测期内,森林固定的碳为(11.5±0.8)t/h m2。

A u b i e n t[4]根据比利时A r d e n n e s地区针阔混交林15年的观测资料得到碳固定量为0.6k g/(m2·a)。

这些研究成果为后人的进一步深入研究奠定了基础。

1.2　国内情况
我国开展森林碳循环方面的研究起步较晚,最早于20世纪70年代末80年代初由潘维俦、冯宗炜、李文华等[5]进行森林生物量的调查和测定开始,先后建立了主要森林树种的生物量测定相对生长方程,估算了它们的生物量和生产力。

上世纪90年代,方精云、王效科、赵士洞等开始对陆地生态系统的碳储量进行研究,如方精云等[6]基于中国近50年来森林资源清查资料对中国森林植被地上部分碳库及时空变化作了大尺度的研究探讨,指出在20世纪80年代之前,由于人口增加、经济发展引起的森林资源大规模开发利用是造成中国森林生物碳储量较大幅度下降的主要原因;此后,由于人工林面积的迅速扩大,森林碳储量又开始回升;特别是对北半球高纬度地区的研究取得了较大进展。

在碳循环研究上,李意德、方运霆、肖复明、田大伦等对中国不同温度带不同类型的森林生态系统碳储量做了一定的研究工作[7]。

中国科学院于2002年正式启动了中国陆地生态系统碳通量观测项目,在长白山、千烟洲、鼎湖山和西双版纳设立了4个典型森林生态系统C O2通量定位观测站[8-10]。

另外,中国科学院、中国林科院及复旦大学等与美国T o l e d o大学以及一些重点实验室联合组织了U S C C C(U S-C h i n a C a r b o nC o n s o r t i u m),简称中美碳联盟,2005年正式开始在不同的气候带,针对不同的森林生态系统类型,采用统一标准的涡度相关系统,做长期的碳通量监测[11];2007年由国家林业局主持,协同北京林业大学、中国林科院共同开展为期3年的“全国森林生物量和碳储量估算研究”项目。

这些研究工作的逐步深入必将推动我国森林生态系统碳循环方面的研究进程。

2　森林生态系统碳储量估测方法
2.1　微气象学法
在空间范围足够大,质地均匀且平坦的森林生态系统下垫面,其上方存在一湍流边界层。

该方法就是通过对边界层内相关物理量即风向、风速、温度与从地表到林冠上层C O2浓度的垂直梯度变化的测定,估算生态系统C O2的输入和输出流量[1,12]。

微气象学法包括空气动力学法、涡动相关法、涡动积聚法。

2.1.1　空气动力学法
根据湍流扩散理论,单位面积的通量(F c)是其含量梯度c/z与涡动扩散系数K c的乘积的相反数。

根据M o n i n-O b u k h o v相似法则[13],C O2涡动扩散系数K c与动量涡动系数K M相等,所以这里只需求出K M即可[22]。

空气动力学法公式的应用基于大气处于中性状态时,假定C O2通量与动量的涡动扩散系数相等。

但当大气为非中性状态时,C O2通量和动量的扩散系数不相等,则必须用风速和温度的垂直分布关系导出的参数对通量进行修正。

该方法在风速很低,下垫面十分粗糙或C O2垂直含量梯度较小等情况下,误差会很大。

2.1.2　涡动相关法
涡相关技术(E d d y c o v a r i a n c e)是一种微气象技术,主要是在林冠上方直接测定C O2的涡流传递速率,从而计算出森林生态系统吸收固定C O2量的方法[8,15]。

区别于其他微气象学方法(如空气动力学法和涡动积聚法),涡相关技术仅需要在一个参考高度上对C O2浓度以及风速风向进行监测。

大气中物质的垂直交换往往是通过空气的涡旋状流动来进行的,这种涡旋带动空气中不同物质包括C O2向上或者向下通过某一参考面,两者之差就是所研究的生态系统固定或放出的C O2量。

这一思想产生得较早,然而由于需要记录和运算风速风向和C O2浓度的快速反应(5
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世　界　林　业　研　究第21卷
～10H z),以及实施处理的仪器设备昂贵,使得这一技术直到20世纪80年代才拓展到C O2通量研究中[16-17]。

利用涡相关技术测量森林生态系统的碳平衡主要有2种形式,即闭路系统和开路系统。

所需仪器主要包括三维声速风速仪、闭路红外线C O2/H2O分析仪(如L i C o r-6262)、数据记录系统、导管系统以及一套分析软件,对每一系统的各组成部分都有较严格的要求[23]。

采用该方法测定森林生态系统碳储量的优点有:1)是一种直接测量C O2交换量的方法,不会干扰环境;2)研究尺度比较适合;3)样地可纵向空间扩展性;4)样地可连续观测性[26]。

其主要缺点和误差来源主要有:1)当地形有一定坡度时,容易使空气中的C O2发生漏流;2)将小范围的研究结果推广到区域或全球时仍会产生较大的误差;3)忽略空气的水平流和溶解于水体中的碳容易造成C O2交换量被低估;4)低层大气对C O2的贮存效应容易造成C O2交换量被低估;5)容易受环境条件的影响;6)目前全世界测定C O2通量的网点相对较少,限制了这些数据资料在全球森林生态系统碳平衡研究中的应用[18]。

2.1.3　涡动积聚法
涡动积聚法采用超声风速仪等高速响应的仪器测量垂直分量W,但对微量气体,只需测定其含量的平均值即可,所以可以选择应答性差的仪器测量[9]。

涡动积聚法根据垂直方向风速W的速率进行成比例的空气采样,并根据W的方向分别储存在2个容器中,根据采样气体的含量差值计算物质通量F S[9]。

这一思想在原理上无疑是直接测定湍流通量的好方法,但根据风速W的大小和方向进行成比例的空气采样技术实现很困难。

在此基础上,B u s i n g e r 等[19]做了改进,提出了弛豫涡旋积累法,即变不定时空气采样为定时采样,使涡动积聚法变得实用,近年来,被用到了森林C O2通量的测定中[20]。

该方法的取样装置能够制成小型,而且只需要在一个高度上进行测定,所以可以把取样装置简单地安装在观测塔或气球等载体上进行观测。

其中所需要的仪器有:一维声速风速仪、红外线C O2分析仪、快速反应螺旋管阀门、数据比较器、数据记录仪、导管系统以及空气泵等。

2.2　样地清查法
样地清查法是通过设立典型样地,用收获法准确测定森林生态系统中的植被、枯落物或土壤等碳库的碳储量,并可通过连续观测来获知一定时期内的通量变化情况[21]。

样地清查法又根据计算碳的计算基础的不同而分为不同的方法,主要有平均生物量法、生物量转换因子法及生物量转换因子连续函数法。

2.2.1　平均生物量法
森林生物量包括林木的生物量(根、茎、叶、花果、种子和凋落物等的总重量)和林下植被层的生物量[22]。

平均生物量法是指基于野外实测样地的平均生物量与该类型森林面积来求取森林生物量的方法[23]。

平均生物量法比较直接、明确,技术简单。

但不足之处也很明显,主要表现为:1)由于一般倾向于选取生长较好的林分作为样地进行测定,因此以此推算的结果往往导致高估森林植物的固碳量;2)在森林生物量估算中,往往只注重地上部分,地下部分的生物量常被忽略;3)由于调查的困难,即使考虑地下部分,所估测的值也存在很大的不确定性;4)生物量清查方法一般会忽略土壤微生物对有机碳的分解从而对森林生态系统碳汇产生的影响。

2.2.2　生物量转换因子法
生物量转换因子法(又叫材积源生物量法)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,得到该类型森林的总生物量的方法[24];或利用木材密度(一定鲜材积的烘干重),乘以总的蓄积量和总生物量与地上生物量的转换系数[25]。

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。

因此,为了估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,树干的生物量与其他器官的生物量存在着很强的相关关系,因此用树干材积推算森林总生物量是可行的[26]。

生物量转换因子法的不足主要反映在采用常数的生物量转换因子不能准确估算森林生物量,因为对于某一特定的森林类型而言,生物量转换因子是立木的生物量和蓄积量的集中体现,与树木的年龄、种类组成、立地条件和林分密度等诸多因素有关[26-27]。

2.2.3　生物量转换因子连续函数法
生物量转换因子连续函数法是为克服生物量转换因子将生物量与蓄积量比值作为常数的
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第5期王秀云,孙玉军:森林生态系统碳储量估测方法及其研究进展
不足而提出的。

该方法是将单一不变的生物量平均转换因子改为分龄级的转换因子,更加准确地估算区域或国家的森林生物量[28-29]。

B r o w n[30]等和S c h r o e d e r[31]等建立了生物量和蓄积量的比值(B E F)和林分材积(V)的关系:
B E F=a V-b (1)
式中,a和b均为大于0的常数。

这种关系从实测资料建立的B E F值与材积之间的关系推广到处理大尺度的森林资源清查资料时,存在着一定的数学推理问题,即难以实现由样地调查推算到区域尺度的转换(s c a l i n g-u p)。

方精云[8]等基于收集到的全国各地生物量和蓄积量的758组研究数据,把中国森林类型分成21类,分别计算了每种森林类型的B E F与林分材积的关系:
B E F=a+b/V(2)
式中,a和b为常数。

方程(2)可表示成生物量和蓄积量的简单线性关系:
B=a+b V(3)
式中,a和b均为常数,B代表生物量。

方精云等利用倒数方程(2)所表示的B E F与林分材积的关系,简单地实现了由样地调查向区域推算的尺度转换,并据此推算了区域尺度的森林生物量。

该工作为从点的实测资料推广到大的区域尺度提供了较好的范例。

2.3　箱式法[9,16,19]
箱式法是将植被或植被的一部分套装在一个封闭的箱子内,通过测定此封闭系统内C O2浓度的变化来计算C O2通量,即通量(F c)是测定室体积(V)与C O2变化速率(ΔC/Δt)的乘积。

箱式法是目前区域碳平衡研究中最常用的方法之一,也是中国陆地生态系统碳通量观测网络中主要的方法之一。

近年来,箱式法技术本身也得到了不断改进,发展出多种箱式法技术,如静态和动态箱式法,明箱和暗箱法等。

这一方法被广泛应用于农田与草地气体交换通量的测定,在森林中较多地应用于森林土壤呼吸的测定。

虽然有过在冠层甚至整树C O2通量研究中的应用报道[32],但相关文献较少。

该方法的优点是设备成本低,可以用气体采样法进行室内气体的精细分析;缺点是同化箱封闭系统改变了温度、湿度和环境气体含量等因子,相应地改变了植被的光合、呼吸速率,测定结果误差较大。

2.4　数学模型法
模型模拟法是通过数学模型估算森林生态系统的生产力和碳储量,由于人们无法在地区和全球尺度上直接全面地测量生态系统的生产力,因此,它已成为一种重要而广泛接受的研究方法。

模型是研究大尺度森林生态系统碳循环的必要手段,如M I A M I模型和T h o r n t h w a i t e M e m o r i-a l模型等经验模型,H o l d r i d g e生命地带模型和C h i k u g o模型等半经验半机制模型,B I O M E模型、C E N T U R Y模型、M A P S S(M a p p e dA t m o s p h e r e-P l a n t-S o i l S y s t e m)模型和C A S A(C a r n e g i n e-A-m e s-S t a n f o r d A p p r o a c h)模型等机制模型[33],以及周广胜、张新时的综合模型。

近几年,数学模型法得到广泛应用,并开始由原来的静态统计模型向生态系统机理性模型转变,基于生态系统的生态过程和机制,机制性模型综合模拟植被的光合作用和呼吸作用以及它们与环境的相互关系,并估算森林生态系统的净初级生产力和碳储量[34]。

尤其是应用于通量数据的空间与时间插补、从点到面演绎全球尺度的森林碳平衡研究中。

但由于一些生态学过程的特征参数不易获得或难以把握,以及可靠的观测数据的可获得性标准不一致,模型化很难。

2.5　遥感技术
数学模型法特别适于估算一个地区在理想条件下的碳储量和碳通量,在估算土地利用和土地覆盖变化对碳储量影响的时候存在很大困难。

近年来,遥感及相关技术和G I S的发展和应用为解决这一问题提供了有效的方法。

针对陆地生态系统碳汇/源的时空格局、碳循环过程的驱动机制及未来憧憬等前沿科学问题,它以碳通量/碳储量与碳循环过程的综合网络观测、生物过程的适应性实验研究以及河流碳输运过程研究为支撑系统,自下而上,以土地利用/土地覆被变化和对地观测数据生态参量反演为基础,经相互验证,并与尺度转换模型实现有机结合,开展综合观测、调查、对比分析、模拟和评价研究,把握生态系统碳循环的格局与过程规律,辨析自然和人为因素对碳循环过程的影响,以探讨全球气候变化条件下生态系统碳循环过程的演变趋势[22]。

利用遥感手段获得各种植被状态参数,结合地面调查,完成植被的空间分类和时间序列分析,随后可分析森林生态系统碳的时间分布及动态,并且能够估算大面积森林生态系统的碳储量以及
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世　界　林　业　研　究第21卷
土地利用变化对碳储量的影响。

随着遥感技术的发展,遥感信息在空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率上逐步得到改善,可供选择的遥感信息也越来越多,能满足不同的研究在时间和空间尺度上的要求,因此,遥感技术在森林生态系统及陆地生态系统碳平衡研究中将发挥越来越重要的作用。

3　研究中存在的问题及展望
自20世纪70年代以来,国内外在森林生态系统碳储量方面进行了大量的研究,也取得了很大成就,但在研究内容、方法和综合研究上还有很大的局限性。

由于森林生态系统本身的多样性和复杂性,以及生态系统的动态变化和多样性,导致了研究手段、方法及采用的仪器、设备的多样化,其结果差异较大,碳通量精确计量的准确程度不高。

如针对北方中高纬度森林的碳汇,方精云等利用大气传输模型以及大气和海洋C O2资料,得出北美北纬51°以南地区每年的碳汇达(1.7±.05)P g C,而土地利变化、森林资源清查资料和过程模型的研究结果都在0.08～0.35P g C,远小于方精云等的研究结果[21]。

而且大多数研究是某一区域或生态系统的静态估算和单一功能估计,很少有综合动态分析、预测和评价,也缺乏包括土地利用、社会、经济评价在内的综合研究。

虽然通量网络的迅速发展为生态系统碳平衡提供了有效途径,但由于时间和空间分布的限制,还十分缺少系统与大气之间水热、能量和C O2通量交换的生态学过程等机制性的研究,以服务于对原有的估计值和模型的进一步改进和验证。

对于森林生态系统碳平衡的研究,还有一个很大的不确定因素,即土壤的碳储量。

在全球范围内,长期的碳平衡是由土壤碳的大量消耗和补充及植被生物量的变化综合决定的。

例如,欧盟的温室气体清单表明:在2000年森林和其他木质生物量的增加从大气中消减了约2.21亿t C O2,大约占欧盟C O2总排放量(约为33亿t)的6.7%,相反,林地和草地的改变却造成了1200万t C O2的净排放[8]。

因而,精确估算森林生态系统的碳储量是目前森林生态系统碳循环研究中所要解决的首要问题,为此,需要从以下几方面努力:
第一,通过森林生态系统碳源汇功能研究方法的比较,发展更有效的研究手段和估算方法,提高森林生态系统碳固定研究的准确性和估算精度。

微观上从生理生态学方面采用先进的光合测定仪器,宏观上向利用卫星遥感技术和G I S 估算森林生态系统碳储量的空间分布的方向发展,因为卫星遥感具有丰富的信息和实时数据处理与传输能力,可以监测森林资源现状及消长变化情况,而且对人迹稀少、常规方法难以调查的地区更具有优势;G I S对空间属性的强大分析功能,既可提高调查精度,又能减少经费投入和劳动强度,如根据一些统计和样方实测数据,利用G I S探讨中国森林生态系统的碳储量和碳密度的空间分布、碳循环的过程和碳平衡,进行动态跟踪等等。

另外,在今后的研究中应提倡多学科研究人才的介入与联合,使研究向更高层次发展,如采用叶绿素指数作为林木群落年碳积累的指标,美国还建立了野外大型植物实验的天然C O2场,在人工模拟C O2的大气环境中,对植物的生理、生长变化从机理上进行研究。

第二,增加碳通量研究的监测站点,提高碳通量监测的准确性,建立和共享森林生态系统碳循环与通量观测数据库,完善数据和使用参数的有效程度。

通量观测网络是获取生态系统与大气间C O2和水热通量数据的有效手段,可为分析地圈-生物圈-大气圈的相互作用关系,评价森林生态系统在全球碳循环中的作用提供数据储备,并在陆地生态系统的水循环和碳循环、地圈-生物圈-大气圈的相互作用以及分析陆地生态系统碳汇/源的区域分布、寻找未知碳汇等研究中发挥重要作用。

而微气象技术作为长期连续观测大尺度C O2通量的手段,可测量几十到上千公顷面积上的日、月、年的碳平衡,并且所测得的碳平衡情况不受这个尺度上随机变化的影响,如冠层、林隙动力学等。

应用微气象技术可以提供一个紧密的、长期的区域C O2平衡状况的监测网络,这是森林清查方法所不能实现的。

因此,微气象技术在今后的碳平衡研究中仍将是重要的方法之一。

然而目前观测站点还相对较少,目前全球仅有100多个网络观测站点应用微气象技术进行碳平衡研究,数据资料还很不完整。

因此,增建新网站,扩大和完善C O2通量监测网络系统,加强区域和全球通量网建设,建立长期观测数据库,实现资源共享将是今后森林生态系统
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第5期王秀云,孙玉军:森林生态系统碳储量估测方法及其研究进展
碳平衡研究的一个重点。

第三,当前所用的专业模型多属于静态或经验统计模型,本身包括了许多假说,不确定因素较多,而动态或过程模型较少,且多数仍局限于局部地区甚至个别点。

较为理想的模型是综合考虑多种对象和因素的综合模型。

因此需要有效利用现有的长期直观观测网络数据,发展具有区域代表性且高精确度的碳储量/通量模拟模型,消除不确定因素的影响,进行数据处理分析和尺度转化,实现时间和空间上的数据插补,以及重要区域和全球碳通量的动态分析。

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