森林生态系统在全球碳循环中的作用

森林生态系统在全球碳循环中的作用

世界森林面积仅占土地面积的26%，但其年生长量占地球植物年生长量的65%。因此，森林是地球生态系统的主体。森林每生产10t干物质,便可吸收16tCO2,其碳储量占整个陆地植被碳储量的80%以上,森林每年的固碳量约占整个陆地生物固碳量的2/3,因此,森林在维护全球碳平衡和延缓气候变暖中有重大作用。目前森林碳储量的主要研究方法有生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡旋相关法、涡度协方差法,各种方法具有一定适用性的同时也都存在着各自的局限性。系统分析各种方法的优点与不足,提出今后的努力方向,对于推动本领域的研究,具有积极的现实意义。1森林碳储量的主要研究方法1.1生物量的测定生物量清单法是根据每个树种树木的胸径相对于地上部分的生长关系的经验,通过模型计算出森林群落的生物量。生物量是研究植被第一生产力的基础,是评价陆地生态系统结构与功能的重要指标。生物量调查采用常规测树法如平均木法、随机抽样法、径阶选择法、材积转换法、维量分析法等分别测算森林生态系统的中各组分的生物量。具体测定按地上部分、枯落物和根系分别采用不同的方法。生物量清单法的优点是直接、明确、技术简单。因此,能够用于长时期、大面积的森林碳储量监测。但其不足就是消耗劳动力多,并且只能间歇地记录碳储量,而不能反映出季节和年变化的动态效应。同时,由于各地区研究的层次、时间尺度、空间范围和精细程度不同,样地的设置、估测的方法等各异,使研究结果的可靠性和可比性较差。此方法的另外一个缺点在其不完整性。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。而由于调查的困难,即使考虑地下部分,所估测的值也存在很大不确定性。生物量清单方法还忽略了森林生态系统内土壤微生物对有机碳分解而形成的碳源对森林生态系统碳汇的影响。1.2生物生态学性质的输入和输出流量的测量该方法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CO2浓度的垂直梯度变化的测定,估算生态系统CO2的输入和输出流量。微气象学法包括空气动力学法、涡动相关法、涡动积聚法。1.2.1扩散系数kc的计算根据湍流扩散理论,单位面积的通量(Fc)是其含量梯度与涡动扩散系数Kc的乘积的相反数。根据Monin-Obukhov相似法则,CO2涡动扩散系数Kc与动量涡动系数KM相等,这里只需要求出KM即可。空气动力学法公式的应用基于大气处于中性状态时,假定CO2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,CO2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CO2垂直含量梯度较小等情况下,误差会很大。1.2.2仪器测量的优缺点涡动相关技术(Eddycovariance)主要是在林冠上方直接测定CO2的涡流传递速率,从而计算出森林生态系统吸收固定CO2量的方法。然而由于需要记录和运算风速风向和CO2浓度的快速反应,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CO2通量研究中。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CO2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。其主要缺点和误差来源主要有:(1)地形有一定坡度时,容易使空气中的CO2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误差;(3)忽略空气的水平流动和溶解于水体中的碳容易造成CO2交换量被低估;(4)低层大气对CO2的贮存效应容易造成CO2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CO2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。1.2.3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。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计算物质通量Fs。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,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。1.3森林固碳量计算根据对森林主要树种抽样实测,计算出森林中主要树种的平均容重(t/m3),再根据森林的总蓄积量求出生物量,最后由生物量与碳量的转换系数求森林地上植被部分的固碳量。1.3.1蓄积量与生物量的方法模型a和b利用蓄积量法来测定森林碳储量需要先得到森林的生物量。由方精云等人于1996年提出森林蓄积量与生物量之间存在良好的线性关系,用如下公式表示:式中,Xv和Yb分别表示林分蓄积量和林分生物量,a和b均为参数。虽然方精云等人给出了蓄积量与生物量之间的关系,但由于a与b为不确定参数,将此公式利用到不同的树种时会有不同的取值,而方精云等人只给出了几种树种的统计结果,因此应用范围不够广泛,应用价值并不是很高。除此模型外,蓄积量与生物量的方法模型还有B=aV型和B=V·γ·BEF型。其中B为生物量,V为蓄积量,a为待求因子,γ为木材密度,BEF为扩展因子,这两者实质上是一致的。近来,王仲峰等人又提出了蓄积量与生物量转换的CVD模型,此模型的公式为:B=cVd(其中c、d为待测值)该模型计算出的生物量与实测生物量的相对误差要小于其他模型,因此有更好的应用价值。1.3.2各主要树种和器官含碳率的差异C=B·Cc(C表示碳储量,B表示生物量,Cc则为含碳率。)对于其中的含碳率部分文献所用的含碳率为0.45或0.5,而马钦彦等的研究结果表明,我国乔木树种平均含碳率值均大于0.45,而阔叶树的平均含碳率值大多低于0.5,针叶树的平均含碳率大部分≥0.5,侯琳等的研究表明不同树种各器官的含碳率存在较大差异,忽略树种和不同器官含碳率的差异,对林分碳储量计算结果会造成较大影响。1.4灌木生物量模型调查中的数据集这是以生物量数据为基础的碳估算方法。在生物量模型的调查中,需要的数据有:冠幅、高度、地径等,在影响灌木生物量的诸多因素中,地径和高度易于准确测量,是表达生物量的理想指标。1.4.1元回归方程混生生物量回归模型法分为一元和二元回归模型。一元回归方程是应用线性、二次方、三次方、对数、倒数等分别对各龄级华西箭竹的测量结果进行线性拟合,二元回归方程是将基径和高度都纳入回归方程,采用逐步回归法(判据为:P<0.05,自变量被引入模型;P>0.10,自变量被剔出模型)建立了生物量关于基径和高度的二元线性回归方程和二元幂函数回归方程。1.4.2生物量模型由植物的干、枝和叶片含水量及生物量进行调查,通过回归分析探讨了各变量的相关性,并对各器官的生物量及秆高与胸径和地径进行模型拟合。1.4.3单一模型和混合模型构建单一树种以树冠面积为变量的二次方程和以树冠投影体积为变量的乘幂方程来估算物种生物量,以及多个物种的混合模型来估算其生物量。1.4.4生物量法调查技术探讨某种植物各器官与地径、株高和地径平方乘株高的相关关系,并采用回归分析方法建立不同器官的生物量回归方程。生物量法比较直接、明确、技术简单,在实际森林样地调查时一般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碳贮量。但在森林生物量估算中,往往只注重地上部分生物量,地下生物量往往被忽略,即使是考虑了地下部分,由于地下生物量的测定难度比较大,测定的精度误差较大,其结果的不确定性较大。1.5模型法和遥感估算法1.5.1考虑系统净初级生产力的对比模型模拟法是通过数学模型来估计森林生态系统的生产力和碳储量,是研究大尺度森林生态系统碳循环的必要手段。碳平衡模型是将陆地生态系统进行分类,模拟不同类型生态系统的净初级生产力NPP,然后根据实测所得数据分析不同类型生态系统的碳密度,估计分布面积,最后按照各个参数、指标间的相互关系,用简单的相乘方法,计算全球陆地的碳平衡。此方法简单、明了,在大尺度碳循环问题的研究中得到广泛应用,可以在较短时间内,计算出大面积区域的碳密度及碳平衡。该方法的不足之处在于,没有包括陆地生态系统对全球变化的反馈效应,没有考虑到各种过程的内部细节。当某个过程发生较大的打破碳平衡的变化时,用该方法不易测出其变化,所测结果与理论值有一定差距。1.5.2遥感估算法持续增长法树冠层的叶面积指数和生物化学成分是森林碳获得量的决定因素,植物对太阳辐射的吸收、反射、投射及辐射,会在林冠内和大气中产生传递,在这种传递信息和影响植被生产力的生态因子与卫星接收的信息之间建立一定的解析式。遥感估算法是通过遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS)等来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,测定从林分到区域等不同空间尺度的森林生物量,通过分析碳的时空分布及动态,计算大面积森林生态系统的碳储量。此方法的优点在于遥感信息的宏观和动态化。采用NOAA的AVHRR卫星遥感图像,具球的能力,提供了实际植被稳定可靠的图像,利用此遥感技术可提供宏观大尺度范围内植被动态,如叶面积指数、生物量等,来研究植被碳库变化。不足之处在于,此方法存在较高技术含量,遥感应用不能为图像分析提供较准确的三维空间数据。此方法对于大尺度范围内植被碳储量进行估算具有优势,而对小尺度范围所测结果与实际值有较大偏差。2生物量清单法综上所述,各种方法都有优缺点,现有的研究方法均表现出较大的局限性。不同学者采用不同的方法,在评价我国森林源汇功能时,得到的结论截然不同。即使同为碳源,其数值相差也很大。在森林碳交换研究中,目前广泛采用的涡度相关法,由于对环境条件的要求较高,现实中很难找到理想的试验环境。在以往采