我國森林碳儲量的估算

我國森林碳儲量的估算

森林是地球生物圈的主體。這不僅在維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用，而且在全球碳平衡中也發(fā)揮著重要作用。這是由于森林本身維持著大量的碳庫(約占全球植被碳庫的86%以上),同時森林也維持著巨大的土壤碳庫(約占全球土壤碳庫的73%),此外,與其它陸地生態(tài)系統(tǒng)相比,森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)力,每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的三分之二,因此,森林生態(tài)系統(tǒng)在調節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護全球氣候等方面中具有不可替代的作用。目前大量的研究表明:森林破壞(尤其是熱帶雨林的破壞)已成為繼化石燃料燃燒之后,大氣中CO2濃度增加的第二大來源。與此同時,人們通過對全球碳通量的估算發(fā)現(xiàn):大氣中CO2濃度的增加、海洋CO2的吸收與化石燃料燃燒和森林破壞所釋放CO2的量之間還存在著一個巨大的虧空,即前二者的量要小于后二者的量,這就是目前科學家已普遍公認的CO2“失匯”(Missingsink)。很多科學家認為造成CO2“失匯”的原因是由于對陸地生態(tài)系統(tǒng),尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)的碳動態(tài)缺乏精確的了解,他們認為所遺失的匯主要分布在北半球的陸地生態(tài)系統(tǒng)中?，F(xiàn)有的許多研究結果也表明北半球溫帶森林和北方森林起著CO2“匯”的作用[12,13,14,15,16,17,18,19,20]。因此,為了正確評估森林在全球碳平衡中的作用,在國家(或地區(qū))尺度上利用森林清查資料對森林的碳動態(tài)進行更為細致的研究也日益成為人們關注的重點[17,18,19,20,21,22,23,24]。由于歷史原因,我國對森林生物量的調查研究在70年代末和80年代初才開始,在近20a來已積累了有關這方面大量的研究資料,但是這些研究只是關于林分生物量的實測和推測。有關全國森林生物量的估測在近幾年才開始,然而這些估測的結果只是某一時間森林現(xiàn)存的生物量,缺乏在時間尺度上對森林生物量和碳儲量的動態(tài)變化進行研究,因此,無法對我國森林的源匯功能進行正確的評估,從而進一步評價我國森林在全球氣候變化中的作用。本文基于這一目的,利用我國歷次森林清查資料,估算各個時期森林的碳儲量,并進一步分析其動態(tài)變化、未來趨勢及其在全球碳平衡中的作用。1數(shù)據(jù)與方法的研究1.1清查工地的資料來源本文所用的資料是國家林業(yè)部從1973年到1993年在全國范圍內(不包括臺灣省和西藏控制線以外的地區(qū))對森林資源連續(xù)進行的4次清查資料1,在每次森林資源清查中設計固定樣地幾萬個,其資料包括各類林分的齡級、面積和蓄積以及在各省的分布狀況等。由于森林清查資料的詳細性和權威性,因而在計算國家或地區(qū)森林碳平衡中時最具有代表性,從而也越來越受到人們的歡迎。1.2生物量與材積的比值大尺度森林生物量的估算方法一直是人們關注的焦點,自70年代起很多學者就開始對全球范圍內的生物量進行估測,然而早期的研究主要是根據(jù)IBP時代在全球各地的實測資料,采用平均生物量的方法估算得到,由于當時各類森林的實測資料較少,而人們在進行生物量的實測時,又往往選擇林分生長較為良好的樣地,其生物量都較高,從而使得平均生物量偏大,導致全球和區(qū)域生物量的估算結果偏高。隨后,生物量與材積的比值法也常被人們用作推算大尺度森林生物量的一種簡易方法,他們往往把這一比值看做是一恒定的常數(shù),但實際情況并非如此,它隨著材積的變化而變化,只有當材積達到很大的程度時,該值才是一常數(shù)。因而只有對全球森林碳估算技術的發(fā)展和改進,全球碳收支的不確定性才能減少到更易于被接受的程度。隨著全球各地有關生物量實測資料的大量增加,人們對提高森林生物量估算的精度變得更加可能,并由此提出一系列研究方法[21,22,23,29,30,31]。目前材積源-生物量法被認為是一種較好的估測森林生物量的方法(Volume-biomassmethod)。因為森林蓄積量是森林生長的立地條件、氣候條件和森林年齡級及其它各因素的綜合反映,通過對大量森林實測生物量與蓄積量的研究發(fā)現(xiàn)在各林分類型中二者之間存在著良好的回歸關系。因而這一方法彌補了平均生物量法所帶來的一些人為的差異,基本上能很好地體現(xiàn)出其實際情況。本文采用作者此前所建立的各個林分布生的量與蓄積量之間的回歸關系(表1)來估期我國森林生物量,從而進行森林碳動態(tài)的分析。但需要說明的是本文中森林的碳儲量僅指林木的活生物量,并未包括森林生態(tài)系統(tǒng)中的枯死木、下木層、草本層、枯枝落葉層以及森林土壤層等的碳庫。森林碳儲量為森林生物量乘以系數(shù)0.5(即每克干物質的碳含量)。2結果與討論2.1我國森林碳儲量現(xiàn)狀森林碳庫隨時間變化的主要驅動力是各森林類型活動生物量的動態(tài)變化。由于各個林分類型的物種組成、年齡結構以及環(huán)境因子等不同,其碳儲量和碳密度也存在著很大的差異。而各林分類型的碳動態(tài)又與其面積的變化、演替階段、年齡組成以及人類干擾等因素密切相關。因此,探討不同森林類型的碳儲量在時間尺度上的動態(tài)變化不僅對評估國家或地區(qū)尺度上森林在全球碳循環(huán)中的作用具有重要意義,而且對于森林的恢復重建以及保護和管理也有較大的指導意義。根據(jù)此前建立的不同林分類型蓄積量和生物量之間的回歸方程(表1),利用歷次森林清查資料,推算出我國森林各林分在4個時段的碳儲量,為了了解不同森林對整個森林碳儲量的貢獻,本文依據(jù)其碳儲量的大小歸結成3組,結果列于表2。第1組為高碳儲量森林,包括闊葉混交林、櫟類(Quercus)林、落葉松(Larix)林、云杉(Picea)林、冷杉(Abies)林、樺木(Betula)和硬葉闊葉林7個森林類型,這幾個森林類型是我國森林的主體,它們的分布面積廣,分別占各個時期全國森林總面積的45.4%、50.3%、55.0%和51.6%,而其碳儲量在4次森林清查中依次是2588、2972、3028和2999Tg,分別占全國森林總碳儲量的69.1%、72.0%、74.6%和71.5%,可見這些森林類型是我國森林碳儲量的主要貢獻者;第2組是中碳儲量森林,包括馬尾松(Pinusmassoniana)林、云南松(P.yunnanensis)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、針葉混交林、針闊混交林、楊樹(Populus)林和軟葉闊葉林等7種森林類型,該組中的很多類型是我國的主要造林樹種(如馬尾松、杉木和楊樹等),因而其面積分布也較廣,分別占各時期內全國森林總面積的49.5%、36.8%、35.0%和36.4%,但碳儲量相對較低,在4個時期中分別是918、787、692和767Tg,僅占各時期內全國森林總碳儲量的24.5%、19.1%、17.0%和18.3%;第3組為低碳儲量森林,包括紅松(P.koraiensis)林、油松(P.tabulaeformis)林等在內的我國大部分森林類型,這些類型多為零星分布,面積較小,僅占各時期全國森林總面積的5.1%、12.9%、10.0%和12.0%,因此其碳儲量也很低,在各時期內依次為240、365、340和430Tg,分別占全國森林總碳儲量的6.4%、8.9%、8.4%和10.2%。圖1直觀地表現(xiàn)出3組森林的碳儲量和面積在各個時期所占的比重及其隨時間的變化趨勢(圖中橫坐標1,2,3,4依次分別代表第1次至第4次森林清查的情況,以下相同)。綜上所述,我國森林的碳儲量主要集中在第1組的森林類型中,而且,在4次森林清查的17a中,該組森林增加的碳儲量為0.4Pg,占全國森林所增加碳儲量(0.45Pg)的89%。由此可見,該組森林在整個中國森林中占據(jù)著主導地位,其碳的動態(tài)變化將極大地影響整個中國森林在全球碳平衡中的源匯功能。進一步對各組中的森林類型分析發(fā)現(xiàn),在第1組中各類森林類型的碳密度普遍較高,如云杉林為93～104MgC/hm2、冷杉林為78～85MgC/hm2、闊葉混交林為73～84MgC/hm2;而第2組和第3組中各森林類型的碳密度則較低,如馬尾松林為8～12MgC/hm2、杉木要為13～27MgC/hm2、楊樹林為25～28MgC/hm2等。但總體來說我國除少數(shù)幾個森林類型的碳密度與全球相應類型的平均值相當之外,其余大部分類型的碳密度都遠小于全球各森林的平均值,例如,Houghton認為全球熱帶森林、溫帶森林和北方森林的碳密度分別是133、85和82MgC/hm2。2.2不同年齡級森林碳儲量分布情況森林的碳儲量與森林的年齡組成密切相關,而森林的年齡結構除取決于森林自身的發(fā)展演化外,還極大地受外來干擾的影響。干擾的頻度越高,幼齡林所占的成分越大,因此,如果其它條件沒有改變,常被干擾的森林其碳儲量更少,這是由于幼齡林的生物量更小。而在森林發(fā)展的整個演替過程中,依據(jù)其碳積累的情況,可以把森林的碳動態(tài)分為4個階段,即碳積累速率較低的初始階段或干擾后的再生階段、碳積累速率最大的邏輯斯諦生長階段、碳積累速率下降的成熟階段以及碳分解到土壤的森林死亡階段。由此可見,森林的碳動態(tài)在很大程度上取決于其年齡級的變化。表3是我國各個時期幼齡林、中齡林和成熟林的面積、蓄積和碳儲量。從表上可知,與其所占的面積相比,我國森林的碳儲量主要分布在成熟林中,在各個時期中,雖然它們的面積僅占不同時期森林總面積的19%～33%之間,但其碳儲量卻占整個森林碳儲量的40%～60%,而中、幼齡林則剛好相反,這是由于中、幼齡林的碳密度遠低于成熟林的碳密度(表3)?？梢?中、幼齡林所占面積較高是導致我國森林在各個時期的現(xiàn)存碳儲量較低的主要原因。為更好地了解各齡級森林在整個森林碳儲量的作用及其未來趨勢,圖2直觀地表現(xiàn)它們在各個時期面積和碳儲量所占的成分及其動態(tài)變化。從圖上可看出,雖然成熟林對整個森林碳儲量起著很大的作用,但在我國4次森林清查中,由于成熟林的破壞和衰退,其碳儲量所占的成分在逐步地降低,而中、幼齡林碳儲量所占的比重則越來越大,它們正在逐步發(fā)揮其主導作用。隨著中、幼齡森林的發(fā)展,這種作用將進一步加強,我國森林的碳庫也將越來越大。2.3我國森林碳源的現(xiàn)狀我國森林的總碳儲量由第1次森林清查時的3.75Pg增加到第4次清查的4.20Pg(表2和表3),在從1977年至1993年的17a中我國森林共增加0.45PgC,平均以每年26.5TgC的速率遞增,說明我國森林在這17a中起著一個碳匯的作用,這與一些學者所估計的北半球森林生態(tài)系統(tǒng)是CO2“失匯”的主要分布地相吻合。但是,與北半球其它國家和地區(qū)相比,我國森林的碳匯作用相對較弱(整個森林與加拿大森林碳的積累速率相當,而在單位面積上的年積累率則與俄羅斯森林的積累率相等)(表4)。此外,在進一步分析各階段的碳儲量時,發(fā)現(xiàn)在不同的時期,我國森林的源匯作用不同。在1977～1981年的5a中,我國森林共積累0.37PgC,每年增加74TgC,說明我國森林在這一時期是一個較強的匯;1982～1988年的7a間,我國森林共損失0.06PgC,每年減少8.6TgC,因此在該時期內我國森林表現(xiàn)為一個弱的碳源,雖然在該時期內我國森林的總面積有所上升,但成熟林的面積卻急劇下降,7a間共減少成熟林面積653萬hm2,由于成熟林有較高的碳儲量,所以這是導致我國森林在該時期內表現(xiàn)為碳源的主要原因;1989～1993年的5a間,由于我國加大了森林保護和植樹造林力度,森林面積和蓄積都有較大的增加,而且隨著中、幼齡林的發(fā)展成熟,這一時期我國森林共積累0.14PgC,每年約增加28TgC,說明我國森林又重新成為一個碳匯。但需要指出的是,與北半球其它國家或地區(qū)相比,我國森林的平均碳密度較小(表5),而且呈現(xiàn)出下降的趨勢。這說明我國森林的質量較差,森林的中、幼齡林所占的比重過大,而成熟林所占的比重在不斷下降,同時也是我國森林在當前表現(xiàn)為一個弱的碳匯的原因。然而從另一個側面反映,如果對我國森林加以管理和保護,隨著我國森林的成熟和發(fā)展,我國森林將是一個巨大的潛在的碳匯。在最后一次森林清查中,我國森林的蓄積量以每年197Mm3的速率遞增。假如保持這種速率,那么根據(jù)粗略地估算可知我國森林碳儲量將以91.2～101.7TgC/a的速率增加(每年森林的碳增量(MgC/a)=每年蓄積的增加量(m3/a)×木材碳密度(MgC/m)。經(jīng)計算,在4次森林清查中,我國森林的木材碳密度在0.463～0.516MgC/m之間,與Krankina等人所利用的數(shù)值相近。)。依據(jù)我國現(xiàn)有對森林管理和保護的政策,相信我國森林的碳匯作用將進一步加強,從而對減緩大氣中CO2濃度上升和維護未來氣候穩(wěn)定做出應有的貢獻。3森林碳儲量的動態(tài)變化(1)我國森林的碳儲量主要集中于云杉林、冷杉林、落葉松、櫟類林、樺木林、硬葉闊葉林和闊葉混交林等7個林分類型中,在4個時期中,雖然它們的面積僅占50%左右,但其碳儲量卻約占整個森林的70%,此外,在4次森林清查中,這些森林類型共增加了0.4PgC,占同期中全國森林碳增量(0.45Pg)的89%,這充分說明這7個森林類型在我國整個森林中占主導地位。因此,這些森林類型碳的動態(tài)變化將極大地影響到我國整個森林的源匯功能。(2)在4次森林清查中,與其所占的面積相比,我國成熟林所占的碳儲量比重較大。但是,隨著時間的變化,我國森林的中、幼齡林面積和碳儲量都呈上升趨勢,而成熟林面積和碳儲量則呈