森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量研究方法

森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積量研究方法

1碳儲(chǔ)存研究方法根據(jù)研究對(duì)象的時(shí)空和研究方法，森林碳積累的研究方法可分為三種類型：生物量法、渦旋相關(guān)法和遙感估算法。1.1生態(tài)系統(tǒng)碳積累的估算方法生物量法是根據(jù)單位面積生物量、森林面積、生物量在樹木各器官中的分配比例、樹木各器官的平均碳含量等參數(shù)計(jì)算而成。最早應(yīng)用生物量法時(shí)，是將森林通過大規(guī)模的實(shí)地調(diào)查,得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量參數(shù)和生物量數(shù)據(jù)庫(kù)，用樣地?cái)?shù)據(jù)得到植被的平均碳密度，然后用每一種植被的碳密度與面積相乘，估算生態(tài)系統(tǒng)的碳蓄積。具體測(cè)定常按地上部分、枯落物和根系，分別采用不同方法。由于樹木既有低碳組織，又有高碳組織，所以目前在對(duì)生物量轉(zhuǎn)化為碳含量時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)大多在0.45～0.55，現(xiàn)大都用0.5。另外，生物量的積累不僅和樹種本身有關(guān)，還與立地質(zhì)量、氣候條件等多方面因素有關(guān)。同時(shí),計(jì)算生物量時(shí)往往只考慮地上部分，即便考慮了地下部分，由于取樣困難，往往也很難得到精確的數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，運(yùn)用生物量法對(duì)森林碳匯進(jìn)行計(jì)量勢(shì)必會(huì)造成很大的誤差，使計(jì)量的精度下降。1.2空氣中cod的分布渦旋相關(guān)法是采用三維超聲風(fēng)速儀測(cè)定林冠層與大氣之間的湍流交換量的微氣象學(xué)方法，該方法在林冠上方直接測(cè)定CO2的渦流傳遞速率,從而計(jì)算出森林生態(tài)系統(tǒng)吸收固定CO2通量。大氣中物質(zhì)的垂直交換往往是通過空氣的渦旋狀流動(dòng)來(lái)進(jìn)行的，這種渦旋帶動(dòng)空氣中不同物質(zhì)包括CO2向上或者向下通過某一參考面,二者之差就是所研究的生態(tài)系統(tǒng)固定或放出的CO2量。其計(jì)算公式為：其中Fc是CO2通量，ρ是CO2的濃度，w是垂直方向上的風(fēng)速。字母的右上標(biāo)(小撇)是指各平均值在垂直方向上的波動(dòng)即渦旋波動(dòng)，橫是指一段時(shí)間(15～30min)的平均值。這一思想產(chǎn)生得較早，然而由于需要的儀器設(shè)備昂貴，使得這一技術(shù)直到20世紀(jì)80年代才拓展到CO2通量研究中。1.3森林碳蓄積量確定傳統(tǒng)的森林蓄積量調(diào)查方法是通過森林一類、二類調(diào)查來(lái)獲取其信息，但是這種方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、調(diào)查周期長(zhǎng)，而且還有需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力等問題。通過遙感圖像來(lái)估測(cè)森林蓄積量已成為了當(dāng)前森林調(diào)查和研究的方向。應(yīng)天玉等以哈爾濱市的高空間分辨率的遙感影像為基礎(chǔ),建立了哈爾濱市綠地空間數(shù)據(jù)庫(kù)，用樣地的碳蓄積估算結(jié)果來(lái)推算綠地斑塊的碳蓄積，得到哈爾濱城市森林碳蓄積的空間分布?；谶b感信息的森林生物量估測(cè)比傳統(tǒng)方法更加優(yōu)越，可以有效地用于探測(cè)多尺度生態(tài)系統(tǒng)特性與過程的年際變化。但是現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)源并不能直接探測(cè)森林碳蓄積及其空間分布，所以單純依靠遙感數(shù)據(jù)，很難提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積估算的精度。另外，含碳率不同，使得森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積的估算結(jié)果和真實(shí)蓄積存在一定差異。2碳支出的計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡包括碳輸入和碳輸出兩個(gè)方面，輸入和輸出的差值才是系統(tǒng)的凈生產(chǎn)量NEP，差值若為正值，表明生態(tài)系統(tǒng)是碳匯，為負(fù)值則表明生態(tài)系統(tǒng)是碳源；森林生態(tài)系統(tǒng)固定碳的公式為：Ta=NI+L+Rp+Rl，其中Ta為森林生態(tài)系統(tǒng)碳總收入量，Nl為植被層年固碳量，L為凋落物層年固碳量，Rp為植被年呼吸釋放碳量，Rl為年凋落物分解釋放的碳量。森林生態(tài)系統(tǒng)碳支出公式為：O=Rp+RI+Rs。其中，O為生態(tài)系統(tǒng)碳支出總量，Rp為植被層年呼吸釋放的碳量，RI為年凋落物分解釋放的碳量，Rs為生態(tài)系統(tǒng)異養(yǎng)呼吸釋放量。整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡公式為:△C=Ta-O=NI+L-Rs，即生態(tài)系統(tǒng)最終的碳平衡等于植被層年固碳量加上凋落物層年固碳量再減去土壤異養(yǎng)呼吸年釋放量。2.1森林植被固碳的確定森林地上部分儲(chǔ)碳452億t，占全球陸地植被地上部分總碳儲(chǔ)量的86%，森林植被年固碳量大小除了與森林面積大小有關(guān)外，還和森林的儲(chǔ)碳能力及凈生產(chǎn)力(NPP)與單位面積儲(chǔ)碳密度有關(guān)。根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》（中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1721-2008），森林植被固碳公式為G植被固碳=1.63·R碳·A·B年，其中，G植被固碳為植被年固碳量t/a;R碳為CO2碳的含量（27.27%);A為林分面（hm2);B年為林分凈生產(chǎn)力（t/hm2·a）。程兆偉依此計(jì)算得出舒蘭市森林植被年固碳量為31570t。而趙海珍利用蓄積量的年生長(zhǎng)率近似代替各部分的增長(zhǎng)率，推導(dǎo)出森林單位面積的年固碳量：C1=M×f1×w/v÷a×CB。M為林木干材單位面積的蓄積量，f1為各類森林蓄積的年生長(zhǎng)率，w/v為生物量與蓄積量的比值，a為樹干木材生物量與林木總生物量的比值，CB為1g生物量中含碳量的平均值,其值為0.5，得出霧靈山自然保護(hù)區(qū)森林植被年固碳量為81246.3t。更多學(xué)者如鮑春生、白艷等利用森林碳蓄積量結(jié)合林齡計(jì)算出植被年固碳量。2.2森林凋落物量的測(cè)定凋落物量是森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的組成部分，凋落物碳庫(kù)是聯(lián)系植被碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)的中間環(huán)節(jié)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)凋落物量進(jìn)行了大量研究。凋落物量多采用直接收集法測(cè)定。收集器一般用鐵絲或木板作框架，安裝網(wǎng)眼直徑小于2mm的紗網(wǎng)，每個(gè)收集器的面積約在0.2-1m2。如湯建福測(cè)得一年內(nèi)5年生尾巨桉人工林的年凋落物總量為4200.72kg/hm2。而凋落物年固碳量是年凋落量與含碳率的乘積，由此可計(jì)算得出凋落物年固碳量。2.3呼吸分析方法土壤呼吸是土壤產(chǎn)生和向大氣釋放CO2的過程，它包括土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸、枯枝落葉層呼吸和含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用等幾個(gè)生物學(xué)和非生物學(xué)部分。土壤呼吸的測(cè)定可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)深惙椒?，直接測(cè)量包括靜態(tài)氣室法、動(dòng)態(tài)氣室法和微氣象法。其中，靜態(tài)氣室法包括靜態(tài)堿液吸收法和靜態(tài)密閉氣室法；動(dòng)態(tài)氣室法通常包括動(dòng)態(tài)密閉氣室法和開放氣流紅外CO2分析。動(dòng)態(tài)法結(jié)合便攜式紅外分析儀將是今后土壤呼吸測(cè)定的主導(dǎo)方向。間接法則是根據(jù)其他指標(biāo)如土壤ATP含量等推算土壤呼吸值。張金池采用靜態(tài)密閉氣室堿液吸收法對(duì)蘇北淤泥致防護(hù)林土壤進(jìn)行呼吸測(cè)定。丁訪軍則運(yùn)用Li-6400便攜式光合作用系統(tǒng)對(duì)喀斯特地區(qū)3種林型土壤呼吸量測(cè)量。在各測(cè)量方法中，動(dòng)態(tài)方法比靜態(tài)方法得到的結(jié)果要高10%～40%，能較好地反映土壤呼吸的實(shí)際水平，且可連續(xù)測(cè)量土壤呼吸的變化過程，因此動(dòng)態(tài)法在測(cè)量土壤呼吸上采用較多。3對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的量化研究(1)在估算森林碳蓄積時(shí)，目前運(yùn)用最為普遍的是通過測(cè)量生物量，推算出森林碳蓄積。在眾多的研究中，對(duì)象都是大范圍的森林生態(tài)系統(tǒng)，采用的方法都是通過計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)各組成部分生物量，再乘以轉(zhuǎn)換因子求算林地現(xiàn)存固碳總量。但未能解決不同樹種由于碳儲(chǔ)存速率變化差異引起的含碳量變化規(guī)律。因此，對(duì)樹木生長(zhǎng)過程中不同林齡的碳匯蓄積進(jìn)行計(jì)量，在評(píng)價(jià)人工林碳儲(chǔ)功能方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。(2)森林清查主要考慮森林生態(tài)系統(tǒng)地上部分的生物量，對(duì)具體森林樣地內(nèi)土壤碳沉積及通量的研究還不多。因此，定量研究森林土壤的碳平衡，對(duì)于全面了解森林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡具有重要意義。(3)從方法上來(lái)說(shuō)，研究區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡主要有兩個(gè)途徑：測(cè)量區(qū)域碳庫(kù)的變化和實(shí)際測(cè)定碳通量。但由于實(shí)際操作過程中的差異性會(huì)引起很大的誤差。因此，另有一些研究運(yùn)用基于過程的模型方法，但這些方法卻又受人為因素的影響較大，且有些參數(shù)難以確定。目前已經(jīng)開發(fā)了一些森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，包括大氣環(huán)流模式、氣候模式和生態(tài)系統(tǒng)過程模式，這些模型的應(yīng)用都有自己的限制條件，不同模型估算值各異，這就導(dǎo)致了碳估算的不準(zhǔn)確性。4價(jià)格補(bǔ)充4.1森林碳交換數(shù)值與碳源數(shù)值的關(guān)系現(xiàn)存的研究方法已經(jīng)表現(xiàn)出一定的局限性：一方面，不同學(xué)者采用不同的方法，在評(píng)價(jià)我國(guó)森林源/匯功能時(shí)得到了截然不同的結(jié)論，就是同為碳源，其數(shù)值相差也很大；另一方面，在具體森林碳交換研究過程中，現(xiàn)在廣泛采用的渦度相關(guān)法由于對(duì)環(huán)境條件的要求較高，實(shí)際上很難找到理想的試驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)在數(shù)據(jù)處理與分析方面也尚存在一定的不確定性。因此盡力消除這些不確定性的基本途徑是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，改進(jìn)研究方法，尋找有效的科學(xué)的尺度推繹方法為當(dāng)務(wù)之急。4.2人類活動(dòng)與森林碳平衡關(guān)系的研究對(duì)于森林碳匯，生物學(xué)、生態(tài)學(xué)的評(píng)價(jià)更多地關(guān)注生物、生態(tài)因子的影響，忽視了