森林固碳釋氧服務(wù)價(jià)值與異養(yǎng)呼吸損失量評(píng)估

馮 源,田 宇,朱建華,*,肖文發(fā),李 奇

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指人類從生態(tài)系統(tǒng)中得到的產(chǎn)品或惠益[1]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[2],森林持續(xù)地提供木材產(chǎn)品、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)及文化娛樂(lè)等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),促進(jìn)了人類生存及社會(huì)發(fā)展[3],其服務(wù)價(jià)值約占陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的38%—46%[4- 5]。我國(guó)學(xué)者已對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了大量研究[6- 8]。國(guó)家林業(yè)局頒布的《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[9](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》,the “Specifications”)統(tǒng)一了評(píng)價(jià)指標(biāo)并構(gòu)建了完整的評(píng)估體系,有力地促進(jìn)了我國(guó)此類研究的發(fā)展。王兵等[6]、肖驍?shù)萚7]、張春華等[10]、黃龍生等[8]等基于該方法分別對(duì)全國(guó)、東北地區(qū)、山東省和濟(jì)南市的一種或多種森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了評(píng)估,構(gòu)成了全國(guó)、區(qū)域、省級(jí)和市級(jí)等多尺度、多層次的評(píng)估結(jié)果。

在森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中,固碳釋氧是最重要的服務(wù)之一,其價(jià)值約占總服務(wù)價(jià)值的18.5%—32.59%[7,11]。固碳釋氧服務(wù)來(lái)源于植被通過(guò)光合作用同化大氣CO2、同時(shí)通過(guò)呼吸作用分解有機(jī)質(zhì)并釋放到大氣中的碳收支過(guò)程[12],與森林碳源/匯狀態(tài)密切相關(guān)。在碳收支過(guò)程中,植被光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量減去自養(yǎng)呼吸消耗量后可得到凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary production,NPP),而將NPP進(jìn)一步減去死亡有機(jī)質(zhì)分解釋放量(即異養(yǎng)呼吸Heterotrophic respiration,Rh)后即為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net ecosystem production,NEP)。NEP 可以反映無(wú)干擾條件下森林生態(tài)系統(tǒng)存留有機(jī)質(zhì)的能力,是森林碳平衡狀態(tài)的指示因子[13]；只有當(dāng)NEP為正值、生態(tài)系統(tǒng)是碳匯時(shí),森林才能提供固碳釋氧服務(wù)。近年來(lái),在以大氣CO2濃度升高為主要標(biāo)志的全球變化背景下,森林固碳釋氧服務(wù)作為應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注[14]。

現(xiàn)有評(píng)估森林固碳釋氧服務(wù)價(jià)值的方法主要分為2類：(1)將NPP作為森林最終固碳量來(lái)評(píng)估固碳釋氧服務(wù)價(jià)值[10,15- 16]；(2)基于蓄積量或生物量現(xiàn)存量估算森林年凈固碳量[17- 18]或是通過(guò)兩期清查數(shù)據(jù)推算森林碳儲(chǔ)量現(xiàn)存量的變化來(lái)評(píng)估固碳釋氧服務(wù)價(jià)值[19]。第1類研究未考慮碳收支過(guò)程中異養(yǎng)呼吸造成的碳排放,由于異養(yǎng)呼吸占NPP的比例可達(dá)26.3%—98.9%[20- 21],忽略異養(yǎng)呼吸可能高估森林實(shí)際提供的固碳釋氧服務(wù)價(jià)值。第2類方法應(yīng)用于較大時(shí)空尺度時(shí)可能會(huì)因未考慮木材采伐量而低估生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)價(jià)值[19],而且使用該方法的研究往往未將土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)納入評(píng)估過(guò)程[17],造成生態(tài)系統(tǒng)組分估算不完整。由此可見(jiàn),已有研究通常未考慮森林碳收支過(guò)程或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)劃分不全,導(dǎo)致對(duì)固碳釋氧服務(wù)價(jià)值評(píng)估具有較高的不確定性。

近期孫濱峰[12]基于NPP和NEP兩個(gè)生產(chǎn)力指標(biāo)對(duì)東北森林帶的固碳服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,分別將基于這兩個(gè)指標(biāo)的估算結(jié)果作為總固碳量和凈固碳量,較為準(zhǔn)確地估算了生態(tài)系統(tǒng)總、凈固碳服務(wù)物質(zhì)量。但由于其NEP是使用MODIS MOD17A3的NPP減去基于土壤呼吸估算的異養(yǎng)呼吸得到,無(wú)法區(qū)分出NEP中的釋氧組分(即植被凈生長(zhǎng)部分),因此并不能有效評(píng)估森林的凈釋氧服務(wù)及價(jià)值。目前在區(qū)域尺度上,基于NPP和NEP估算的森林生態(tài)系統(tǒng)總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值如何隨著森林生長(zhǎng)而變化以及異養(yǎng)呼吸將造成多大程度的固碳釋氧服務(wù)價(jià)值損失尚未有報(bào)道。本文應(yīng)用森林碳收支模型(Operational-scale Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector,CBM-CFS3)嘗試將碳收支過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)價(jià)值評(píng)估相結(jié)合,估算并預(yù)測(cè)2009—2030年湖北省興山縣森林總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值的時(shí)空動(dòng)態(tài)以及異養(yǎng)呼吸造成的固碳釋氧服務(wù)價(jià)值損失,為降低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的不確定性、提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估能力、深刻認(rèn)識(shí)物質(zhì)循環(huán)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響機(jī)制提供數(shù)據(jù)支持及理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

興山縣位于湖北省宜昌市西部(110°25′—111°06′ E,31°04′—31°34′ N)、長(zhǎng)江西陵峽北側(cè),地處巴山余脈、巫山和荊山之間。該縣東西橫距66 km,南北縱距54 km,面積2327 km2。其地勢(shì)東北高、南部低,海拔范圍為109.5—2426.9 m。興山縣屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫為15.3℃,年均降水量為900—1200 mm,具有明顯的垂直氣候特征。興山縣森林資源豐富,2009年森林面積為1.62×105hm2,蓄積量為9.55×106m3,森林覆蓋率高達(dá)69%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

將湖北省興山縣最近一次(2009年)森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查作為主要數(shù)據(jù)源,將興山縣喬木林(包括純林和混交林,共18998個(gè)小班)作為研究對(duì)象。根據(jù)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組將興山縣森林劃分為8種類型(表1),分別提取各森林類型中所有小班面積、平均胸徑、樹(shù)高、起源、林齡、立地條件等數(shù)據(jù)作為CBM-CFS3模型的輸入數(shù)據(jù)。興山縣8種森林類型分別是馬尾松林(Pinusmassonianaforests,PMF)、柏木林(Cupressusfunebrisforests,CFF)、杉木林(Cunninghamialanceolataforests,CLF)、以華山松(Pinusarmandii)和巴山松(Pinustabuliformis)占優(yōu)的溫性松林(Temperate pine forests,TPF)、以栓皮櫟(Quercusvariabilis)和麻櫟(Quercusacutissima)為主的落葉闊葉林(Deciduous broadleaved forests,DBF)、以絲栗栲(Castanopsisfargesii)和青岡(Cyclobalanopsisglauca)等為主的常綠闊葉林(Evergreen broadleaved forests,EBF)、以馬尾松杉木混交林和馬尾松柏木混交林為主的針葉混交林(Coniferous mixed forests,CMF)、以馬尾松櫟類混交林和柏木櫟類混交林等為主的針闊混交林(Coniferous and broadleaved mixed forests,CBF),各森林類型分布見(jiàn)圖1。

表1 興山縣森林概況表

圖1 興山縣森林分布圖

1.3 CBM-CFS3模型介紹

CBM-CFS3是加拿大林務(wù)局開(kāi)發(fā)的區(qū)域尺度森林碳收支模型[22]。該模型包含兩大碳庫(kù)系統(tǒng)：生物量碳庫(kù)和死亡有機(jī)質(zhì)(Dead organic matter,DOM)碳庫(kù)。DOM碳庫(kù)包含枯落物碳庫(kù)(Litter)、死木碳庫(kù)(Deadwood)和土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)(Soil organic matter)。這3個(gè)碳庫(kù)又分別由3—4個(gè)分解速率不同的子碳庫(kù)組成。受模型結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計(jì)影響,CBM-CFS3不能估算自養(yǎng)呼吸[22],而且其異養(yǎng)呼吸僅指DOM在自然狀態(tài)下通過(guò)機(jī)械破碎和土壤微生物酶解的過(guò)程；該模型以經(jīng)驗(yàn)方程描述DOM多級(jí)碳庫(kù)的分解及周轉(zhuǎn),不考慮動(dòng)物采食、淋溶、分泌等途徑的碳損失[23]。DOM碳儲(chǔ)量及分解周轉(zhuǎn)量計(jì)算見(jiàn)公式(1—2)。CBM-CFS3所需的生物量估算參數(shù)和蓄積生長(zhǎng)曲線均來(lái)自付甜[24]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)相同森林類型的研究成果；生物量周轉(zhuǎn)參數(shù)指生物量各組分每年脫落、死亡而轉(zhuǎn)入枯落物和死木碳庫(kù)的比例[25](表2)。

表2 CBM-CFS3生物量周轉(zhuǎn)參數(shù)修正

DOMi(t,T)=100(1-ki(T))t

(1)

τri(t)=τciCi(t-1)ki(T)

(2)

式中,DOMi為第i類DOM庫(kù)的碳儲(chǔ)量,Mg；i指特快庫(kù)、快速庫(kù)、中速庫(kù)和慢速庫(kù)這4種分解速率不同的碳庫(kù)；t為時(shí)間,a；T為氣溫,℃；ki(T)為實(shí)際分解率,模型將根據(jù)研究區(qū)氣溫進(jìn)行修正；τci為上級(jí)碳庫(kù)轉(zhuǎn)移到慢速庫(kù)的比例。

1.4 森林固碳釋氧物質(zhì)量及價(jià)值計(jì)算

《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[9]將森林生態(tài)系統(tǒng)分為植被和土壤兩部分(圖2),固碳釋氧物質(zhì)量及價(jià)值計(jì)算見(jiàn)公式(3—5)。

V=VcGc+VoGo

(3)

Gc=Gv+Gs=A(1.63RcCv+Cs)

(4)

Go=1.19ACv

(5)

式中,V為森林固碳釋氧價(jià)值,元；Vc表示固碳價(jià)格,采用瑞典碳稅率1200元/Mg；Vo為氧氣價(jià)格,1000元/Mg；Gc,Go分別為固碳物質(zhì)量和釋氧物質(zhì)量,Mg；Gv、Gs分別為植被和土壤每年總固碳量,Mg/a；Cv、Cs分別為植被和土壤單位面積固碳量,Mg hm-2a-1；A為森林面積,hm2；Rc為CO2中的碳含量,27.27%。

CBM-CFS3模型除生物量碳庫(kù)(即植被部分)和土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)外,還設(shè)置了枯落物碳庫(kù)和死木碳庫(kù)作為關(guān)聯(lián)植被及土壤部分的中間碳庫(kù)。該模型所定義的NPP除包含每年植被部分碳儲(chǔ)量增量(ΔBioi)外,還包括每年周轉(zhuǎn)進(jìn)入DOM碳庫(kù)的碳(即總周轉(zhuǎn)量Turnovertotal)(公式6)。將生態(tài)系統(tǒng)作為統(tǒng)一整體來(lái)考慮時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)、枯落物及死木碳庫(kù)的碳均依賴植被生物量的周轉(zhuǎn)輸入。CBM-CFS3中森林生物量通過(guò)光合作用固碳,并且通過(guò)死亡凋落周轉(zhuǎn)到枯落物碳庫(kù)和死木碳庫(kù),隨后一部分枯落物和死木中的碳通過(guò)異養(yǎng)呼吸分解釋放到大氣中,剩余部分則轉(zhuǎn)移到下一級(jí)碳庫(kù)進(jìn)行分解,最終輸入土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)進(jìn)行緩慢分解釋放(圖2)。CBM-CFS3模型中每年生物量碳庫(kù)轉(zhuǎn)入枯落物和死木碳庫(kù)的那部分碳(Turnovertotal)在當(dāng)年尚未分解(有機(jī)質(zhì)在轉(zhuǎn)入后的下個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中才開(kāi)始分解,模型時(shí)間步長(zhǎng)為1年),因而在周轉(zhuǎn)當(dāng)年具有固碳釋氧功能。碳收支和主要碳庫(kù)年碳增量的計(jì)算見(jiàn)公式(6—12)。

圖2 森林固碳釋氧服務(wù)評(píng)估示意圖

NPP=ΔBio+Turnovertotal=ΔBio+ΔLtotal+ΔDWtotal+ΔStotal

(6)

NEP=NPP-Rh=ΔBio+(ΔLtotal-Rl)+(ΔDWtotal-Rd)+(ΔStotal-Rs)

(7)

Rh=Rl+Rd+Rs

(8)

ΔBio=CBio,t2-CBio,t1

(9)

ΔLtotal=ΔLnet+Rl=Clitter,t2-Clitter,t1+Rl

(10)

ΔDWtotal=ΔDWnet+Rd=Cdeadwood,t2-Cdeadwood,t1+Rd

(11)

ΔStotal=ΔSnet+Rs=Csoil,t2-Csoil,t1+Rs

(12)

Cv,total=ΔBio+ΔLtotal+ΔDWtotal

(13)

Cs,total=ΔStotal

(14)

Cv,net=ΔBio+ΔLnet+ΔDWnet

(15)

Cs,net=ΔSnet

(16)

Vtotal=AVc(1.63RcCv,total+Cs,total)+1.19AVoCv,total

(17)

Vnet=AVc(1.63RcCv,net+Cs,net)+1.19AVoCv,net

(18)

Rhloss=Vtotal-Vnet

(19)

式中：NPP為凈初級(jí)生產(chǎn)力,Mg/a；NEP為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力,Mg/a；Turnovertotal表示從生物量碳庫(kù)周轉(zhuǎn)到DOM碳庫(kù)的總碳儲(chǔ)量,Mg/a；ΔBio為生物量碳儲(chǔ)量的年增量,Mg/a；ΔLtotal、ΔLnet分別為枯落物碳儲(chǔ)量每年總、凈增量,Mg/a；ΔDWtotal、ΔDWnet分別為死木碳儲(chǔ)量每年總、凈增量,Mg/a；ΔStotal、ΔSnet分別為土壤碳儲(chǔ)量每年總、凈增量,Mg/a；Rh為生態(tài)系統(tǒng)異養(yǎng)呼吸(即為DOM分解釋放量),Mg/a；Rl、Rd、Rs分別為枯落物、死木和土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)每年的異養(yǎng)呼吸量,Mg/a；Cv,total、Cs,total分別為植被、土壤每年總固碳量,Mg/a；Cv,net、Cs,net分別為植被、土壤每年凈固碳量,Mg/a；Vtotal、Vnet分別為生態(tài)系統(tǒng)總、凈固碳釋氧價(jià)值,元/a；Rhloss為異養(yǎng)呼吸導(dǎo)致的價(jià)值損失,元/a。

將上述碳庫(kù)每年總、凈增量的計(jì)算公式與《規(guī)范》中固碳釋氧物質(zhì)量公式結(jié)合,分別得到植被及土壤的總固碳量(公式13—14)和凈固碳量(公式15—16),代入公式(17—19)即可得到生態(tài)系統(tǒng)總、凈固碳釋氧價(jià)值和異養(yǎng)呼吸導(dǎo)致的價(jià)值損失。將2009年興山縣森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)輸入CBM-CFS3模型,并且假設(shè)2009—2030年興山縣森林在無(wú)任何干擾條件下自然生長(zhǎng)、所有森林類型面積均無(wú)變化,基于上述公式估算該時(shí)段內(nèi)興山縣森林總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)。

1.5 CBM-CFS3模擬NPP結(jié)果驗(yàn)證

由于興山縣缺乏森林生產(chǎn)力的相關(guān)研究,因此將本文估算結(jié)果與具有相同森林類型、氣候條件相似的三峽庫(kù)區(qū)樣地實(shí)測(cè)NPP結(jié)果[26- 28]進(jìn)行比較。由表3可知,除針闊混交林外,興山縣其他森林類型與三峽庫(kù)區(qū)對(duì)應(yīng)森林類型的實(shí)測(cè)NPP較為吻合。興山縣針闊混交林與三峽庫(kù)區(qū)該森林類型的林齡結(jié)構(gòu)差異是導(dǎo)致其NPP模擬值高于實(shí)測(cè)值的主要原因。總體而言,興山縣森林NPP模擬結(jié)果較為合理。

表3 CBM-CFS3模擬NPP與樣地實(shí)測(cè)值比較

2 結(jié)果分析

2.1 興山縣森林碳收支及固碳釋氧服務(wù)價(jià)值

2009—2030年興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)NPP和異養(yǎng)呼吸均逐漸增加(圖3),變化范圍分別是0.46—0.70 Tg/a和0.33—0.50 Tg/a。在NPP和異養(yǎng)呼吸變化趨勢(shì)的共同作用下,NEP先由0.12 Tg/a(2005年)逐漸增長(zhǎng)到0.21 Tg/a(2017年),之后又逐漸下降至0.18 Tg/a(2030年)。模擬期間興山縣表現(xiàn)為碳匯,NEP平均值為0.19 Tg/a,僅占NPP的29.9%,而異養(yǎng)呼吸平均值為0.45 Tg/a,占比為70.1%。

圖3 興山縣森林碳收支及固碳釋氧價(jià)值動(dòng)態(tài)

興山縣生物量碳儲(chǔ)量的年增量先由0.21 Tg/a(2009年)增加至0.25 Tg/a(2012年),隨后逐漸減少至0.18 Tg/a(2030年),模擬期間生物量碳儲(chǔ)量平均每年增長(zhǎng)0.22 Tg/a。DOM碳庫(kù)中枯落物碳儲(chǔ)量的年增量最高(范圍為0.17—0.35 Tg/a)；其次為土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)和死木碳庫(kù),二者碳儲(chǔ)量的年增量范圍分別是0.06—0.10 Tg/a和0.02—0.06 Tg/a。DOM碳庫(kù)中枯落物碳庫(kù)的異養(yǎng)呼吸最高(模擬期間平均值為0.31 Tg/a),其次為土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)(0.09 Tg/a),死木碳庫(kù)的異養(yǎng)呼吸最低(0.05 Tg/a)。

2009—2030年興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)總釋氧物質(zhì)量的平均值為6.64×105Mg(或4.11 Mg/hm2),約為總固碳物質(zhì)量3.33×105Mg(或2.06 Mg/hm2)的2倍(圖4)；去除異養(yǎng)呼吸消耗后,森林凈釋氧物質(zhì)量平均值(2.36×105Mg或1.46 Mg/hm2)接近凈固碳物質(zhì)量(8.19×104Mg或0.51 Mg/hm2)的3倍。與興山縣森林碳收支變化趨勢(shì)高度相似,2009—2030年興山縣森林總、凈固碳釋氧價(jià)值變化范圍分別為7.59—11.53億元/a和2.21—3.70億元/a,二者平均值分別為10.63億元/a或6577元 hm-2a-1、3.34億元/a或2067元 hm-2a-1(圖4)。異養(yǎng)呼吸造成的價(jià)值損失逐年增加(5.39—8.13 億元/a),年均損失量為7.29億元/a或4509元 hm-2a-1,約占總價(jià)值的68.6%,導(dǎo)致興山縣凈固碳釋氧價(jià)值在模擬后期呈下降趨勢(shì)。

2.2 主要森林類型的總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值

興山縣單位面積總固碳釋氧價(jià)值及異養(yǎng)呼吸價(jià)值損失在針闊混交林中最高(圖4),平均值分別為11420元 hm-2a-1和9835元 hm-2a-1,而在柏木林中最低(分別為 3162元 hm-2a-1和1307元 hm-2a-1)。單位面積凈固碳釋氧價(jià)值在落葉闊葉林中最高(2653元 hm-2a-1),在溫性松林中最低(360元 hm-2a-1)。

圖4 興山縣主要森林類型單位面積固碳釋氧物質(zhì)量與價(jià)值

就總量而言,興山縣森林總、凈固碳釋氧價(jià)值以及異養(yǎng)呼吸損失在面積最大的落葉闊葉林中值最高(表4),三者平均值分別為5.24億元/a、2.05億元/a和3.19億元/a；而在面積最小的杉木林中值最低,分別為0.04億元/a、0.02億元/a和0.02億元/a。模擬期間常綠闊葉林、溫性松林和針闊混交林的總、凈固碳釋氧價(jià)值均表現(xiàn)為逐漸減小趨勢(shì),而其他森林類型的總、凈價(jià)值則逐漸增大。溫性松林異養(yǎng)呼吸損失占總價(jià)值的比例最高(91.5%),而柏木林的異養(yǎng)呼吸損失比例最低(41.3%),說(shuō)明柏木林可相對(duì)有效地將總固碳釋氧價(jià)值轉(zhuǎn)化為凈價(jià)值。

表4 興山縣主要森林類型總、凈固碳釋氧價(jià)值

2.3 森林固碳釋氧價(jià)值的空間分布

興山縣中部森林較少,而東部和西部森林分布相對(duì)集中(圖5)。總、凈固碳釋氧價(jià)值的低值區(qū)主要分布在興山縣西北邊緣、東北部和東南部；而高值區(qū)則分布在中東部和西南部。與之對(duì)應(yīng),異養(yǎng)呼吸造成的價(jià)值損失在興山縣東南部較高,在中部和西南部較低。

圖5 興山縣森林異養(yǎng)呼吸價(jià)值損失、凈固碳釋氧價(jià)值與總固碳釋氧價(jià)值空間分布格局

3 討論

2009—2030年間興山縣森林NPP、NEP平均值分別為3.97 Mg hm-2a-1和1.19 Mg hm-2a-1,異養(yǎng)呼吸占NPP比例約為70.1%,與付甜[24]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支估算結(jié)果極為接近,說(shuō)明興山縣森林與三峽庫(kù)區(qū)森林整體狀況相似。對(duì)比國(guó)內(nèi)碳收支研究結(jié)果可知,興山縣森林異養(yǎng)呼吸占NPP的比例符合前人研究結(jié)果范圍(47.5%—98.9%)[21, 24, 29- 32],說(shuō)明CBM-CFS3模型對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支的評(píng)估合理可信,基于該模型估算結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估固碳釋氧服務(wù)價(jià)值。本文結(jié)果顯示異養(yǎng)呼吸將導(dǎo)致固碳釋氧服務(wù)價(jià)值年均損失7.29億元/a或4509元 hm-2a-1,約占總價(jià)值的68.6%,因此若忽略異養(yǎng)呼吸將會(huì)高估森林實(shí)際提供的固碳釋氧服務(wù)價(jià)值。本文結(jié)果有助于降低固碳釋氧服務(wù)評(píng)估的不確定性,但在計(jì)算過(guò)程中未考慮固碳價(jià)格和氧氣價(jià)格的波動(dòng),未來(lái)仍需加強(qiáng)對(duì)森林總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值的研究,以提高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)、增強(qiáng)森林應(yīng)對(duì)氣候變化的潛力和維持區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)有研究在估算固碳釋氧服務(wù)時(shí)均未考慮植被與土壤的聯(lián)系。土壤之所以表現(xiàn)出固碳特征是由于生物量持續(xù)轉(zhuǎn)入土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)的碳多于土壤異養(yǎng)呼吸的釋放量。后者能抵消相當(dāng)一部分固碳釋氧服務(wù)卻并未計(jì)入在內(nèi)。相比之下CBM-CFS3可通過(guò)枯落物與死木碳庫(kù)將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部碳庫(kù)關(guān)聯(lián)起來(lái),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的描述較為完整。通過(guò)量化各組分碳儲(chǔ)量的年增量與異養(yǎng)呼吸,可得到森林每年總、凈固碳釋氧物質(zhì)量及價(jià)值動(dòng)態(tài)。DOM分解是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分,受溫度、濕度等多種因素的影響[33]。CBM-CFS3能夠根據(jù)研究區(qū)的氣溫和降水修正分解速率[22, 33],可相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算研究區(qū)氣候條件下的DOM分解釋放量。加拿大自20世紀(jì)90年代即開(kāi)展了長(zhǎng)期的樣地間分解實(shí)驗(yàn)(CIDET),測(cè)量不同森林類型及立地條件下枯落物和粗木質(zhì)殘?bào)w的分解過(guò)程,旨在持續(xù)改進(jìn)CBM-CFS3模型的DOM分解參數(shù)[23]。

模型是對(duì)客觀世界的抽象,不同模型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化方式存在差異,因而對(duì)固碳釋氧過(guò)程的描述也不盡相同。本文認(rèn)為枯落物和死木碳庫(kù)中每年轉(zhuǎn)入的新碳是當(dāng)年植被生物量的一部分,具有固碳釋氧能力；土壤碳則由枯落物和死木經(jīng)過(guò)多年分解和逐級(jí)周轉(zhuǎn)而來(lái),只能進(jìn)行異養(yǎng)呼吸分解釋放。但實(shí)際上土壤碳庫(kù)也包含直接從生物量碳庫(kù)周轉(zhuǎn)而來(lái)的碳,例如細(xì)根脫落后大部分轉(zhuǎn)入枯落物碳庫(kù),但也有少量直接進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)。由于這部分碳量較少且不易測(cè)量,因而未計(jì)算該部分的釋氧價(jià)值。受DOM分解過(guò)程復(fù)雜性及野外測(cè)量的困難性影響,在森林為碳匯的前提下,如果不考慮枯落物和死木碳庫(kù)中新碳的釋氧作用、并將所有DOM碳庫(kù)均視為僅有具分解釋放功能時(shí),計(jì)算出的凈固碳釋氧價(jià)值將低于本文結(jié)果。本文未考慮任何森林干擾,例如病蟲(chóng)害、風(fēng)擾和冰雪災(zāi)害,這些干擾可能會(huì)降低森林NPP并產(chǎn)生大量DOM,導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸釋放量增大[34-35]。除此之外,火災(zāi)不僅會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成生物量和DOM碳庫(kù)的大量排放,還會(huì)在未來(lái)持續(xù)影響DOM分解[36],因此未來(lái)需要深入研究干擾對(duì)森林固碳釋氧服務(wù)的影響。

除研究方法的不確定外,CBM-CFS3的模型設(shè)計(jì)、算法及模型參數(shù)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不確定性,其中生物量周轉(zhuǎn)參數(shù)僅有極少文獻(xiàn)提及[25],而它對(duì)結(jié)果具有直接影響且不確定性較高。未來(lái)對(duì)異養(yǎng)呼吸及生態(tài)系統(tǒng)呼吸的研究需要建立長(zhǎng)期觀測(cè)體系,發(fā)展出符合我國(guó)森林類型和立地特征的關(guān)鍵參數(shù)[37-38]；同時(shí)需積極開(kāi)發(fā)半機(jī)理或過(guò)程模型,以求更詳細(xì)地描述生態(tài)系統(tǒng)碳平衡過(guò)程和開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。

為提高興山縣森林固碳釋氧服務(wù)的供給能力,未來(lái)可以從兩方面加強(qiáng)森林管理：(1)通過(guò)撫育和造林調(diào)整林齡結(jié)構(gòu)、提高森林質(zhì)量、營(yíng)造混交林,在維持生物多樣性的同時(shí)選擇固碳能力較強(qiáng)的樹(shù)種,以增強(qiáng)森林固碳能力；(2)加強(qiáng)林下管理、減弱森林遭受火和病蟲(chóng)害等干擾的風(fēng)險(xiǎn),以避免劇烈的森林碳排放。未來(lái)需要利用其他模型估算森林固碳釋氧服務(wù)價(jià)值并進(jìn)行多模型結(jié)果對(duì)比,以降低結(jié)果的不確定性；同時(shí)需要進(jìn)一步發(fā)展和豐富生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)價(jià)值的評(píng)估方法、提高對(duì)區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)的認(rèn)識(shí)以促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展和保障生態(tài)安全。

4 結(jié)論

本文基于CBM-CFS3模型評(píng)估了興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)總、凈固碳釋氧服務(wù)價(jià)值時(shí)空動(dòng)態(tài)及異養(yǎng)呼吸造成的價(jià)值損失。2009—2030年興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯,總固碳釋氧服務(wù)價(jià)值變化范圍是7.59—11.53億元/a,模擬期間平均值為10.63億元/a或6577元 hm-2a-1,其中凈固碳釋氧價(jià)值和異養(yǎng)呼吸損失分別占比31.4%和68.6%。由此可見(jiàn),若忽略異養(yǎng)呼吸將嚴(yán)重高估森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)價(jià)值,以NEP估算森林實(shí)際提供的固碳釋氧服務(wù)更為合理。因此在進(jìn)行區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估時(shí)必須與物質(zhì)循環(huán)過(guò)程相結(jié)合,以降低評(píng)估結(jié)果的不確定性。