森林生態系統固碳估算方法研究進展

蔡 云，周炆濤

(陜西省柞水縣瓦房口鎮人民政府，陜西 柞水 711401)

1 引言

陸地生態系統作為全球最大的碳(C)庫，在全球氣候變化中都起著重要的調節作用[1]。而森林作為陸地生態系統的主體部分，約儲存了陸地生態系統45%的有機C[2]，每年的固C量占陸地生態系統總固C量的2/3左右，在全球氣候變化的背景下，森林在C平衡中扮演著重要角色[3,4]。充分發揮森林的固C能力是實現降低大氣CO2濃度、緩解氣候變暖的最佳途徑[5，6]。因此，準確評估森林生態系統固C潛力是必要的，因為評估的準確性將決定人們是否能夠深入理解生態系統C儲量在自然條件和人為活動干擾下的響應機制，從而來更好地制定陸地生態系統固C的策略[7]。本文歸納總結了常用的幾種森林固C的估算方法，分析了其各自的優點和不足，結合以往的研究來回顧我國森林生態系統C估算的發展歷程，并對未來森林生態系統固C的估算提出了展望。

2 森林生態系統固C的研究進展

2.1 研究背景

在全球氣候變暖的背景下，實現森林生態系統固C潛力準確評估是必要的，因為評估的準確性將為未來更好地制定陸地生態系統C固持策略提供數據支撐和理論依據。目前，一些學者已經利用森林清查數據對中國森林C儲量進行了多次估計[8,9]。但是對森林植被的系統性研究較少，也很少有基于大量樣地實際調查數據研究深層次土壤C貯量的，目前的研究僅停留在森林土壤表層的(0～20 cm)的C貯量[10]。而且，由于森林C貯量估算在數據來源、數據采集以及估算方法等方面的不同，目前對森林C貯量的估算結果仍存在較大差異[11,12]。

2.2 森林固C研究的估算方法

2.2.1 生物量法

生物量法是以森林生態系統生物量為基礎的C估算方法[13]，最早采用的生物量法是采用森林資源清查方法[14]。生物量法通常以單位面積的植物生物量代表其生物量[15]。該方法的實測數據通過實地調查獲得，建立一套標準的測量參數和生物量數據庫獲得植被的平均C密度[16]，然后用每一種植被的C密度與面積之積來估算生態系統的C貯量[17]。生物量估算法技術簡單，可操作性強。但是由于生態調查時一般傾向于選取長勢良好的林分作為樣地進行測定，所以用此方法估算出來的結果往往會高估樣地內實際生物量，導致估算出來的森林植被固C量比實際偏高[18]。另外，在進行生物量估算時，往往會忽略植物的地下生物量，而且即使考慮到地下部分生物量，測定出來的結果也存在很大的誤差。此外，生物量估算方法一般會忽略土壤微生物對土壤有機C的分解，進而影響到森林固C量估算的結果[19]。

2.2.2 蓄積量法

蓄積量法是以森林蓄積量數據為基礎的估算方法[20]。其原理是對森林主要樹種進行抽樣實測計算其平均容重，根據森林的總蓄積量求出生物量，然后再根據生物量與C含量的轉換系數求出森林的固C量。這種方法比較直接明確，但仍然不可避免的存在一些不足，即可能會忽略森林生態系統內其他因素的影響，比如土壤呼吸，地下生物量變化的影響等，因此該估算方法也會對結果產生較大的誤差[19]。

2.2.3 生物量和蓄積量關系的估算方法

近年來，以建立生物量和蓄積量關系的植物C貯量估算方法得到認可并被廣泛應用[19]。該方法首先計算出森林生態系統中喬木層的C貯存密度，然后再根據喬木層生物量與總生物量的比值，估算出各森林類型單位面積的C貯量[21]。王效科等[22]采用此方法估算了中國森林生態系統的實際C貯量和潛在C貯量。

2.2.4 模型模擬法

模型模擬法是常見的估算森林C儲量的一種方法，也是研究大尺度森林生態系統C儲量的必要手段[23]。該方法主要通過數學模型來實現估算，即在相同氣候條件下，通過結合實測數據與模型模擬結果，確定其準確度后再進行計算。在不同時期的研究中也產生了許多不同的模型，如：Thornthwaite Memorial模型和MIAMI模型等經驗模型，CENTURY模型、BIOME模型以及CASA模型等機制模型，還包括FCS模型，Holdridge生命地帶模型等半經驗半機制模型等[24]。

總之，模型模擬的估算方法僅適用于估算在理想條件下一個地區的C儲量，雖然它對大氣、植被和土壤間的交換考慮得比較全面，但是因為沒有考慮多個相關因素之間的相互作用和影響，所以在估算土地利用變化對C儲量的影響時會存在較大的不確定性。

2.2.5 遙感估算法

遙感估算法是依托遙感技術來獲取植被的參數，再結合地面實測數據分析植被的空間分類和時間序列，進而用來分析森林生態系統C的時空分布和動態變化。遙感估算法綜合性強，可彌補模型模擬方法的不足之處，因此對于森林生態系統的固C量評估更加準確[25]。除此之外，國外還有一些估算方法，例如渦旋相關法，馳豫渦旋積累法等[19]。

2.3 研究進展

森林生態系統具有強烈的時空異質性，因此對其固C的研究必須考慮時空尺度和系統的內部聯系。我國在森林固C方面的研究始于20世紀70年代，李文華等[26]首先進行了森林生物量的調查和測定，研究建立了主要森林樹種的生物量測定相對生長方程，并對其生物量和生產力進行了估算。到20世紀末，由于數據來源、數據采集方法以及估算方法的不同，我國的學者們對于我國的森林固C量的估算結果也產生了一定的差異。如康慧寧等[27]采用蓄積量法進行估算，1993 年為 10.81×108t CO2；方精云等[28]用生物量換算因子法進行計算 1998年的CO2含量為 174.17×108t；而王效科等[22]根據全國第三次森林資源普查數據采用改進的方法進行評估得出的結果是 128.15×108t CO2。再后來學者們通過模型模擬法展開了大量研究，Hu等[29]采用林齡轉移矩陣模型基于森林清查數據預測了2005到2050年中國森林地上生物量C貯量。Xu等[30]基于森林清查數據的36種優勢物種生物量與林齡的擬合關系，評估了2000～2050年中國地上生物量C貯量。

3 總結與展望

由于森林是一個龐大、復雜，且存在動態變化的生態系統，各個模型基于的假設不盡相同，因此現在對于森林生態系統固C量估算的方法均表現出其優勢和局限性[23]。如采用生物量法估算時，采樣過程要制定一個統一標準，不能以長勢良好的林分來代替整個森林，不然存在的誤差必不可少。采用模型模擬法時，不能只基于某一參考假設來進行估算，要為預測森林固C速率提供一種實時的模擬工具。而且，由于全球氣候變化的不確定性，還應當充分考慮到不同氣候模式對于森林固C的影響，這也是導致對森林生態系統固C量潛力估算產生誤差的主要原因。此外，為了提高森林生物量和土壤含C量的估算精度，估算方法和模型構建都需要進一步的改進和完善，因為目前的模型不確定性因素較多，且多為靜態或經驗統計模型[31]，要想提高和實現其估算的準確性，不能僅僅局限于小尺度的模擬估算，只有綜合考慮多種對象和因素，才能推動模型估算向更加精確的方向發展。

由于估算方法都存在著優點和不足，因此我們在估算森林固C量時，要根據實際情況，結合各種方法的優缺點，合理運用相應的估算方法。而且未來森林生態系統C儲量的研究應當考慮各種方法的綜合運用，并通過多學科的介入、聯合和滲透，向更高層次的綜合、繼承研究發展，以實現我國森林生態系統固C估算的準確性，為未來全國實施低C經濟和C排放權交易提供參考[19]。