基于样地调查的森林碳储量估算方法.docx

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY硕士课程论文课程名称： 森林资源监测与评价 院 系： 林学院 专 业：_ _森林经理学 学 号： 0202015214 学生姓名： 徐辉 _ 指导教师： 郭孝玉 二0一六 年 六 月基于样地调查的森林碳储量估算方法评述摘要：森林在降低大气CO2含量和减缓全球气候变暖趋势方面起着非常重要的作用。估算森林的碳储量以及分析和评价森林不同碳库的组成和动态变化已成为目前生态学关注的热点之一。本文从三个方面对基于样地调查的森林碳储量估算方法进了分析和综述，并对各方法进行简单评价，以期为森林碳储量的科学估算提供理论参考。关键词：样地调查；碳储量；估算方法A review on the estimation methods of forest carbon storage based on sample-plot surveyAbstract：Forest plays an important role in reducing the carbon dioxide concentration in atmosphere and slowing the tendency of global warmingTherefore，estimating the carbon storage of forest ecosystems has been a hot pot in ecological research field. This paper analyzes and summarizes the estimation methods of forest carbon storage based on sample-plot survey from three aspects, and makes a simple evaluation of each method, in order to provide a theoretical reference for the scientific estimation of forest carbon carbon storage.Key words：sample-plot survey；carbon storage；estimation methods森林是陆地生态系统的主体，森林碳储量占陆地碳储量的70%80%1，在全球碳循环中起着重要作用。1997年通过的京都议定书要求工业化国家减少温室气体的排放，并通过造林增加固碳量用来抵消部分CO2的排放2，这使得国际社会越来越重视森林碳汇功能。目前，森林碳储量的估测方法主要包括：样地调查法、通量观测法、模型模拟法、遥感估算法和树木年轮法3，其中样地调查法是一种较为传统的估算森林碳储量方法。本文从三个方面对基于样地调查的森林碳储量估算方法进行介绍，并对各方法进行简单评价，以期为森林碳储量的科学估算提供理论参考。1 基于样地调查的森林植被碳储量估算1.1 乔木层碳储量估算基于样地调查的森林乔木层碳储量估算是通过对森林进行高密度样地调查，来获取森林调查数据（如树种、垂直结构、林分高度和林分密度等），然后建立树种单木异速生长方程，从而测算各级尺度乔木层生物量，最后乘以生物量中碳含量百分比来估算乔木层碳储量。运用较广的方法有4种，分别为平均生物量法(MBM)、生物量扩展因子法(BEFM)、连续生物量扩展因子法(CBEFM)和IPCC法。1.1.1 平均生物量法(MBM)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4。其具体测算生物量的公式为:B=BA，式中:B是平均生物量密度，A是森林面积.该方法在点的测算精度较高，适用于小面积林分的测算，大面积森林生物量测算难以保证结果的准确性。1.1.2生物量扩展因子法(BEFM)在早期生物量研究中，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5。其具体测算生物量的公式为:B=VBEF，式中:V为树干材积;BEF为林分生物量与木材材积的转换因子。Brown等6基于该方法，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150和50t/hm2。与实际资料相比，该估算结果对于非郁闭森林较好，而对于郁闭森林则误较大。说明将BEF取作常数不符合实际情况，不能用于精确估算大尺度森林生物量。1.1.3连续生物量扩展因子法(CBEFM)为了克服将BEF取作常数的不足，Ban等7利用幂指数函数来表示BEF与林分材积(x)的关系，即BEF=ax-b，式中:a、b为常数。但将这种由实测资料建立的BEF值与材积的关系推广到处理大尺度的森林资源清查资料时，存在严重的数学推理困难，即难以实现由样地调查到区域推算的尺度转换。换句话说，理论上，不能利用该式估算区域尺度的森林生物量8。方精云等9基于地面调查数据，利用一次导数关系式来测算BEF，称之为CBEF，其计算公式为:BEF=a+b/x，式中:a和b是表示特定森林类型或森林组的常数。相关研究表明，这一简单的数学关系符合生物的相关生长理论，几乎适合所有的森林类型，具有普遍性，可实现由样地调查向区域推算的尺度转换。Guo等10通过对中国主要森林类型的补充调查，对相关方法的测算参数进行了更新。1.1.4 IPCC法IPCC法是通过商用蓄积量，借助一个转换因子，来测算地上生物量及其变化方法11。其应用主要是通过以下两个途径:一是通过立木蓄积、蓄积年净增加量或木材采伐量中的商品材材积(干质量)来推算树木、林分和森林的非商品材蓄积量，这时转换因子(BEF)是没有量纲的质量转换系数。在应用BEF之前，必须乘以基本木材密度(D)，将商品材材积转换为干质量。如应用区域的基本木材密度是已知的，由于BEF决定于干质量，因此这种方法的应用效果很好。二是利用转换参数(BCEF)，直接将立木蓄积、蓄积年净增加量或木材采伐量转换为地上生物量、地上生物量增长量或生物量消耗量。这样可以更加方便的直接应用森林调查数据和日常经营记录，而不需借助基本木材密度。当BCEF由应用区域的商品材材积确定时，将会有很好的应用效果。但在用BCEF=BEFD测算BCEF时，应注意基本木材密度和生物量转换因子是相关的。如果用同一批样木来确定D、BEF或BCEF时，转换不会引入误差。然而，当基本木材密度不确定时，转换可能会引起误差，导致BCEF对应一个确定的基本木材密度。理想情况下，所有转换和扩展因子应测算出来或经过应用区域的适用性检验。IPCC在其技术报告中，给出了森林生物量的详细测算标准，并定义了第13层的测算因子和扩展系数。通常，采用更高层的方法可提高调查的精确性，减少不确定性，但更高层的方法也意味着复杂性和调查所需资源的增加。有些情况下，可采用多层方法的组合，如用第2层方法测算生物量，用第1层方法测算土壤碳储量。但在我国利用IPCC法估算森林生物量，还存在一些问题，如我国森林资源清查没有对被管理的或受人为干扰森林的有关信息进行统计。同时IPCC提供的默认参数，多来自欧洲和北美，不适用于我国的情况，尽管我国已经开展了许多研究工作，测定了大量的数据，但大多数参数的不确定性仍很高12。1.2 灌木层、草本层碳储量估算1.2.1 收获法基于样地调查的灌木层、草本层碳储量的测定主要采用“收获法”，这种“收获法”可以基于整个调查样地尺度，也可以在样地内设置标准小样方进而推算整个样地灌草层碳储量。前者对生态系统破坏较大，并且要消耗大量的人力、财力以及时间，在灌草层碳储量估算中应用较少；后者虽然在一定程度上减少了人力、财力以及时间的消耗，但如何确定标准小样方的大小以及数量进而减小推算过程中的误差又是一大难点，杨昆等13 研究了在控制误差内测定森林林下植被生物量时应选择的最佳样方大小和数量，得出2m1m的最佳样方面积，而10个这样的标准小样方能把标准误差控制在生物量平均值的10%以内。1.2.2 模型法模型法是通过地径、株高和冠幅等因子建立灌木的生物量模型来估算灌木的生物量，然后乘以各灌木含碳率进而求算灌木碳储量。目前，对对灌木生物量模型的研究相对较少，曾慧卿等14 采用模型分析法研究了千烟洲试验站白马骨、美丽胡枝子、三叶赤楠、黄栀子四种灌木生物量与地径D、高度H、 冠幅C的相关关系，并建立了相对应的生物量模型。路秋玲等15 曾在估算瓦屋山林场森林碳储量中探索灌草层和乔木层之间的关系，发现二者显著相关，并得出二者之间的函数关系式。该方法所建立的估算模型区域性较大，即对研究区灌草层碳储量估算结果会相对精确，但超出研究区范围时需要对模型的适用性进行检验。2 基于样地调查的枯落物、粗木质残体及根系的碳储量估算2.1 枯落物碳储量估算森林枯落物碳储量的估算一般用网袋法或平衡法先估算出其生物量，然后再通过碳含量转换系数来估算。刘刚等16用网格法对东莞市森林分布图进行2 km X 2km网格铺设，并对每个网格内有林面积大于(或等于)网格面积30的网格作为一个研究单元(反之则舍弃)，共选出192个研究单元作为研究对象对东莞市主要森林群落凋落物碳储量进行了估算。这种方法通过实测数据获得了较高的可信度，但此方法费时费力，有一定的局限性。平衡法是利用林分类型的生物量模型进行推算，它反映了林分的历史平均水平，比用网袋法得到的结果更具代表性和实际意义，但估算精度难以保证17。2.2 粗木质残体碳储量估算研究表明粗木质残体是森林生态系统中的重要组分，在成熟森林中其往往占地上部分生物量的102018。但这一组分往往被忽略。关于枯倒木碳储量测定方法的研究不多，一般利用样方法。孙秀云19利用红外气体分析法测定了东北部山区典型温带天然次生林中11个主要树种的CO2通量及其相关环境因子。但是由于该碳库的碳储量很小，一般情况下忽略不计。2.3 根系碳储量估算常见的测定根系碳储量的方法包括收获法、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、间接法和微根区管法等20。以上几种方法各有利弊，从最近几年对根系的研究来看，研究方法本身并没有什么创新，只是新技术的应用，使一些方法得到了不同程度的改进因此，在根系碳储量的研究上需要进一步地探索3 基于样地调查的土壤碳储量估算基于样地调查的土壤碳储量估算方法较为单一，最常用的是土壤类型法，即在样地中不同部位挖取一定数量的土壤坡面，按照不同土壤厚度利用环刀分层取样，然后带回实验室进行土壤碳含量测定，据此推算整个样地土壤碳储量。杨晓梅等21采用重铬酸钾-外加热法测定了标准样地内010cm，1030cm，3050cm，5070cm，7090cm共5个层次土壤有机碳含量，研究了黄土高原子午岭林区天然柴松林、辽东栎林及人工油松林3种林地土壤有机碳储量及其垂直分布特征。肖欣等22以同样的方法测定了马尾松人工林下010 cm、 1020 cm、2030 cm、3050 cm 和50100 cm 5 个层次土壤有机碳含量，分析了马尾松人工林土壤有机碳特征，得出了研究区马尾松人工林0100cm土壤有机碳密度为39.7685.85 t/hm2。这种基于土壤剖面数据来估算土壤碳储量的方法可以充分利用土地利用、植被等相关信息，易识别空间格局和分析有机碳储量高低的原因，但由于缺乏分布均匀的土壤剖面数据，加上不同土壤类型的空间变异性，在一定程度上限制了土壤有机碳储量的估算。4 结论与讨论本文从基于样地调查的森林植被，枯落物、粗木质残体、根系，土壤三个方面介绍了各自碳储量的估算方法，并对这些方法进行了简单评述。从中可以看出，基于样地调查的森林碳储量估算方法能够根据实地调查，收集相对准确的样地数据，从而对样地尺度上的森林碳储量进行精确估算，但在获得相对精确度的同时，需要付出很大的人力、物力、财力以及时间成本，所以亟待发展新的森林碳储量估算方法来弥补传统的基于样地调查的森林碳储量的估算。3S技术，特别是遥感（RS）技术在森林碳储量估算方面正发挥着不可替代的作用，遥感技术以其实时、快速、宏观以及成本低等优势在森林碳储量估算中得到广泛应用。从基于单源数据的参数化方法多元回归分析法到基于多源数据的非参数化方法，如K最近邻法、人工神经网络法、支持向量机法等，再到基于机理模型的反演方法，都在森林碳储量的估算中取得了不同程度的突破。但所有的这些新的技术、新的方法，都应该是建立在一定样地调查基础上的，所以传统的基于样地调查的森林碳储量估算方法需要新技术、新方法去弥补其不足，新技术、新方法则需要建立在传统的样地调查之上。参考文献:1 Houghton R A. 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