森林生态系统在碳循环中的作用

森林生态系统在碳循环中的作用
摘要：
本文描述了碳循环及其过程以及森林生态系统的碳循环及其在全球碳循环中的作用,说明了森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于森林生态系统的生物量、林产品、植物枯枝落叶和根系碎屑以及森林土壤。

关键字：
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一、碳循环
地球上有五个碳库，最大的两个碳库是岩石圈和化石燃料，但是这两个库中的碳活动缓慢，实际上起着贮存库的作用。

还有三个碳库：大气圈库、水圈库和生物库。

这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换,容量小而活跃，起着交换库的作用。

碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在,在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，在水圈中以多种形式存在，在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物。

根据生态学原理,一个系统中的自然过程总是有利于系统的结构稳定和功能最大化,而非自然过程总是降低或破坏生态系统的稳定性,增加系统的不确定性。

显然,大量开采化石燃料以及开采森林等活动都是非自然过程。

这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。

鉴于大气二氧化碳上升可能引起的严重生态后果,科学家对于全球碳循环进行了广泛的研究。

具体内容包括地球各部分(大气、海洋和森林等)碳储量估算,森林生态系统与其它部分碳的交换量(流)的估算,以及人类干扰对各个库和流的影响。

在陆地生态系统中,森林是最大的有机碳的贮库,占整个陆地碳库的56%。

因此了解森林生态系统在碳循环中的作用,对于研究陆气系统的碳循环乃至全球碳循环都是一个基础,具有重要的意义。

二、碳循环的过程
大气中的二氧化碳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，又以二氧化碳的形式返回大气中。

绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过食物链的传递，成为动物体的碳化合物。

植物和动物的呼吸作用
把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。

动、植物死后,残体中的碳,通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。

一部分动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。

这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料，当它们在风化过程中或作为燃料燃烧时，其中的碳氧化成为二氧化碳排入大气。

人类燃烧矿物燃料以获得能量时，产生大量的二氧化碳。

由于燃烧矿物燃料以及其他工业活动，二氧化碳的生成量每年递增，使得大气中二氧化碳浓度升高，这样就破坏了自然界原有的平衡。

植物通过光合作用从大气中吸收碳的速率，与通过动植物的呼吸和微生物的分解作用将碳释放到大气中的速率大体相等,根据生态学原理,一个系统中的自然过程总是有利于系统的结构稳定和功能最大化,而非自然过程总是降低或破坏生态系统的稳定性,增加系统的不确定性。

显然,大量开采化石燃料以及开采森林等活动都是非自然过程，这些活动导致了大气二氧化碳浓度的不断上升。

三、森林生态系统
森林是一种主要的植物群落类型，约占地球陆地面积的1/3(4.1×109hm2)。

森林生物量约占整个陆地生态系统生物量的90%,生产量约占陆地生态系统的70%。

森林生态系统也是一种主要的生态系统，在全球碳循环过程中起着重要的作用。

在自然状态下,森林进行光合同化二氧化碳,固定于生物量中,同时以根生物量和枯落物碎屑形式补充土壤的碳量。

在同化二氧化碳的同时,存在林木呼吸和枯落物分解释放二氧化碳进入大气这一逆过程,同时固定于木质部分的二氧化碳也会在一定的时间后腐烂或被烧掉,以二氧化碳的形式归还大气。

因此,从很长的时间尺度(103～104年)考察森林对大气二氧化碳浓度变化的作用,其影响是很小的,只能是一个不很大的汇。

但在短时间尺度(<3×102年)来考察,由于单位森林面积中的碳储量很大,林下土壤中的碳储量更大,因而森林变化(人类干扰)就有可能引起大气二氧化碳浓度大的波动。

森林生态系统是陆地中重要的碳汇和碳源,在这个系统中, 植物首先通过光合作用吸收CO2生成有机质贮藏在体内,这是森林吸收碳素的过程，成为碳汇；
而后,通过植物自身的呼吸作用要释放出一部分碳素，同时以枯枝落叶、根屑等形式把碳贮藏在土壤中,而土壤中的碳有一部分会被微生物和其它的异养生物通过分解和呼吸释放到大气中，成为碳源。

森林生态系统和大气之间的碳通量是森林生长过程中固定的碳和干扰过程中释放碳之间的差值。

在自然生长状态下，森林生态系统的净生产量为正,是个碳汇。

然而,由于人类活动的干扰和破坏,尤其是对热带森林的乱伐或把其变为农业用地等行为就会使森林生态系统的净生产量为负,从而成为碳源,这应该引起人类的关注,采取有效措施防止森林变成碳源,从而缓和和扭转全球气温变暖的趋势。

四、森林生态系统在碳循环中的作用
从人类认识到温室气体尤其是二氧化碳浓度的升高会使全球气温变暖,从而带来一系列严重生态环境问题时,就展开了对碳素循环的研究。

而森林生态系统作为吸收CO2释放O2的一个大碳汇,在碳循环中起着非常重要的作用。

全球森林面积为41.61亿hm2,其中热带、温带、寒带分别占32.9%、24.9%和42.1%。

全球陆地生态系统地上部的碳为562Gt,森林生态系统地上部的含碳量为483Gt,占了86%。

全球陆地生态系统地下部含碳量为1272Gt,而森林地下部含碳约927Gt,占整个世界土壤含碳量的73%。

森林生态系统在碳循环中的作用主要取决于以下几个方面:
(1)生物量。

森林生态系统的生物量贮存着大量的碳素,如按植物生物量的含碳量为45%—50%计,那么整个森林生态系统的生物量将近一半是碳素含量。

森林的生物量与其成长阶段的关系最为密切,一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林/过熟林,其中碳的累积速度在中龄林生态系统中最大,而成熟林/过熟林由于其生物量基本停止增长,其碳素的吸收与释放基本平衡。

从森林的年龄结构来估算吸收碳素的潜力是决定森林生态系统碳汇功能的一个主要方面。

目前,我国森林的结构以幼龄林、中龄林居多,因此我国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力很大。

据王效科等估算我国森林生态系统潜在的植物总碳贮量为8.41Pg,现有的实际碳贮存总量只是潜在的植物总碳贮量的44.3%。

因此,如果我国的森林生态系统得到切实有效地保护,那么它将是中国一个重要的碳汇。

(2)林产品。

森林生态系统林产品的固碳量是个变化很大的因子。

一般林产品根据其使用寿命可分为短期产品和长期产品。

像燃料用木、纸浆用木等属于短
期产品,而胶合板、建筑用木则属于长期产品。

林产品使用寿命的长短在很大程度上也决定着森林生态系统的碳汇功能。

使用寿命长的林产品可以延缓碳素释放,缓解全球大气碳浓度的增加,一般来说,耐用林产品的使用寿命可达100—200年,在这么长时间里,通过再造林完全可以实现碳素的良性循环。

因此应尽量加工耐用、使用寿命长的林产品。

(3)植物枯枝落叶和根系碎屑。

这一部分含碳量在整个森林生态系统中占的比例虽少,但也是一个不容忽略的碳库。

减缓它的沉淀和分解对于森林生态系统的固碳量也起到一定的作用。

(4)森林土壤。

这是森林生态系统中最大的碳库。

不同的森林其土壤含碳量具有很大的差别,在北部森林中森林土壤占有84%总碳量;温带森林土壤中的碳占到其总碳量的62.9%;在热带森林中,土壤中的含碳量占整个热带森林生态系统碳贮量的一半。

全球森林土壤的含碳量为660—927Gt,是森林生态系统地上部的2-3倍。

国内外很多学者都认识到森林土壤碳库的重要作用,纷纷对其展开研究。

目前研究土壤碳库及其碳循环和全球变化已成为土壤学的一个新的发展方向。

参考文献
《恢复生态学》，气象出版社，彭少麟著
王效科等.中国森林生态系统中植物固定大气碳的潜力.生态学杂志,2000,19(4):72～74.
周玉荣等.我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡.植物生态学报,2000,24(5):518～522.
聂道平徐德应王兵全球碳循环与森林关系的研究——问题与进展世界林业研究 1997（5）：33～40。