如何准确估算森林碳汇是全球研究的热点

近些年来, 大气CO 2 浓度上升引起的温室效应及其所带来的一系列生态环境变化已经越来越明显, 解决温室效应所带来的影响已成为广大学者研究的首要目标。有研究表明, 森林植物在其生长过程中可通过同化作用吸收大气中的CO 2, 以生物量的形式将其固定在植物体和土壤中, 使森林成为陆地生态系统最重要的碳汇或碳库[35]。全球的森林面积只占土地面积的27. 6% , 但森林植被碳贮量却占全球植被的77% , 森林土壤的碳贮量约占全球土壤的39%; 单位面积森林生态系统碳储量是农地的1. 9～5 倍[36]。2005 年2 月16 日, 旨在遏制全球气候变暖的《京都议定书》正式生效。这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。《京都议定书》是在《联合国气候变化框架公约(UN FCCC)》下制定的, 它被公认为是国际环境外交的里程碑, 是第一个具有法律约束力的旨在防止全球变暖而要求减少温室气体排放的条约。《京都议定书》第12 条还确立了清洁发展机制(clean development mechanism, 简称CDM ) (UN FCCC, 1997), 通过该机制, 有减排义务的工业化国家可以在发展中国家实施土地利用变化和林业碳汇项目, 用项目产生的源排放减少和汇清除的增加来实现其所承诺的减限排目标[11]。同时,北半球森林生态系统与大气之间存在着较大的CO 2负通量, 是吸收人类排放CO 2 的一个重要的汇[38, 39]。这些都为发达国家和发展中国家之间在林业领域内的合作提供了机会。我国地域辽阔, 具有广大的森林面积, 利用这一机遇发展以碳汇为目的的森林经营, 发展碳汇贸易不仅可以得到资金和技术上的支持, 同时, 对我国的经济发展也具有积极的意义。
　 我国的碳汇造林项目起步较晚, 但可喜的是, 在政策的大力支持下, 近几年各地的碳汇造林项目也日益活跃起来。比如我国首个“碳汇”合作项目——“中国东北部敖汉旗防治荒漠化青年造林项目”的正式实施[1], 正是中国国家林业局与意大利国家环境和国土资源部根据《京都议定书》清洁发展机制的造林再造林"碳汇"项目相关规定签署的两国合作造林项目。美国的3M 公司资助300 万美元在四川、云南实施的造林、再造林项目, 目前正在稳步的进行中。
碳汇贸易的快速发展, 随之而来的将要面临的重大问题就是为碳汇而造的人工林碳汇计量方法的
问题。目前, 世界各地的学者对森林碳汇的计量方法已经做出了很大的研究, 归纳起来, 主要分为两大类: 一类是与生物量紧密相关的反映碳累积量的现存生物量清查的方法。另一类是利用微气象原理和技术测定森林CO 2 通量, 然后再将CO 2 的量换算成碳的储量。第一类方法已经在我国得到了广泛的应用, 我国许多专家和学者也对该方法进行了研究。第二类方法在国外已经取得了很大的成果, 到目前为止已经建立了150 多个观测站, 我国在这方面起步较晚, 2002 年, 中科院正式启动了中国陆地生态系统碳通量观测项目, 已经分别在长白山、千烟洲、鼎湖山和西双版纳设立了4 个典型森林生态系统CO 2通量定位观测站[18, 19]。由于各种方法所使用的原理和仪器都有所不同, 在对计量森林的碳汇时结果都有一定的差异, 因此, 本文将着重对各种碳汇计量方法进行归纳整理。
1　相关的概念
碳是一切有机物的基本成分, 也是构成生物体的主要元素, 约占生物体干重的一半左右, 碳循环及其空间分布与生态系统的维持、发展和稳定性机制有着密切的联系[2]。在全球变化与陆地生态系统的研究中, 最基础的和最受重视的是全球碳循环问题也即温室气体的“源(source)”和“汇集sink)”的问题,尤其以主要温室气体- CO 2 的源汇为重点研究领域。所谓“碳汇”, 是指从大气中清除CO 2 的过程、活动或机制。大气、海洋及森林等陆地生态系统通常被称为地球上的三大碳库。森林与CO 2 的变化关系密切, 一方面森林生长可吸收并固定CO 2, 是CO 2的吸收汇、贮存库和缓冲器, 另一方面森林的破坏又是CO 2 的排放源。通过造林、退化生态系统恢复、建立农林复合系统、加强森林可持续管理等措施可增加陆地碳吸收量。“碳汇造林”是指通过森林起到固碳作用, 以此来充抵减排二氧化碳量的义务, 通过市场机制实现森林生态效益价值补偿的一种重要途径。清洁发展机制(CDM )下的造林再造林碳汇(Carbon Sequestra2tion) 项目是《京都议定书》框架下发达国家和发展中国家之间在林业领域内的唯一合作机制。根据规定, 可由发达国家提供资金或技术给发展中国家用于温室气体减排, 发展中国家通过发达国家提供的投资和技术来促进本国的可持续发展, 而发达国家可以得到二氧化碳减排量, 来满足其减排承诺。
2　碳汇研究的计量方法
森林碳汇计量方法是评价森林碳汇生态效益大小的基础工作, 在此基础上可以开展森林碳汇管理和经济评价, 为全面开展以碳汇为目的的森林经营打好基础。在森林碳汇计量的方法的研究上, 国内外的很多专家已经提出了许多方法。
2. 1　生物量法
生物量法是目前应用最为广泛的方法, 其优点就是直接、明确、技术简单。即采用根据单位面积生物量、森林面积、生物量在树木各器官中的分配比例、树木各器官的平均碳含量等参数计算而。最早应用生物量法时, 是将森林通过大规模的实地调查,得到实测的数据, 建立一套标准的测量参数和生物量数据库, 用样地数据得到植被的平均碳密度, 然后用每一种植被的碳密度与面积相乘, 估算生态系统的碳储量[29, 30]。方精云等[4]就是利用生物量方法推算中国森林植被碳库, 采用土壤有机质含量估算我国土壤碳库。计算结果表明: 我国陆地植被的总碳量为6. 1×109t, 其中森林4. 5×109t, 疏林及灌木丛0. 5×109t,草地1. 2×109t, 作物0. 1×109t, 荒漠0. 2×109t,沼泽地0. 8×109t, 其他0. 3×109t。陈遐林运用生物量法对华北各主要森林类型生态系统总碳贮量进
行了计算, 分别为油松235. 082 t hm2, 落叶松54. 140 8 t hm2, 桦木林269. 896 6 t hm
2, 杨树林170. 911 2 t hm2, 柞木林642. 6994 t hm2。各主要森林类型生态系统平均贮碳密度从小到大顺序依次为油松132. 88t hm2, 杨树林140. 10 t hm2, 柞木林188. 79 t hm2, 落叶松203. 38 t hm2, 桦木林448. 04t hm2[5]。
由于树木既有低碳组织, 又有高碳组织, 所以目前在对生物量转化为碳含量时的转换系数大多在
0. 45～0. 55 之间, 但究竟在什么状态下运用什么系数都只是凭经验来选择, 而并没有相应的准确的规定。树木生长是一个动态的过程, 生物量的积累不仅和树种本身有关, 还与立地质量、气候条件等多方面因素有关。即使是相同树种, 在相同立地条件, 相同气候条件下, 其一生的生物量积累也会有明显的差别。同时, 计算生物量时往往只考虑地上部分, 即便考虑了地下部分, 由于取样的困难, 往往也很难得到精确的数据。这样一来, 运用生物量法对森林碳汇进行计量势必会造成很大的误差, 使计量的精度下降。
2. 2　蓄积量法
蓄积量法是以森林蓄积量数据为基础的碳估算方法。其原理是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〓m- 3), 根据森林的总蓄积量求出生物量, 再根据生物量与碳量的转换系数求森林的固碳量。
郎奎建等认为森林固碳的“因变量是一个附加在林木蓄积生长率上的变量”[7]。杨永辉等采用一定时期内碳库变化主要通过森林蓄积的增加与森林内其它生物成分之间的关系, 求取由于森林蓄积的变化带来的整个森林碳库的变化[8]。法国Peyron 等(2002)通过用不同树种的立木材积乘以它们的换算因子, 计算得出的碳汇。从木材体积到碳吨数的换算因子为: 1m3 木材= 0. 28 t 碳(针叶树和杨树); 1m3木材= 0. 30 t 碳(除杨树外的阔叶树)。李意德等人[9]采用蓄积量法对云南南部热带森林的碳库总量进行了估算, 结果表明, 海南热带天然林(含原始林和天然更新林)的碳库总量为. 719～0. 734 亿t, 云南南部的热带天然林的碳素库总量在0. 653 亿t 以上。因此我国热带林目前的碳总量在1. 372～1. 387亿t 以上。康惠宁等[10]采用蓄积量法对中国森林固碳的现状和潜力进行了估计和预测, 结果表明, 中国森林目前碳积累高于碳释放, 年平均净碳汇量为0. 862 7×108t a, 在未来20 a 内中国森林净碳汇能力约增加773×108t a。
可以说, 蓄积量法是生物量法的延伸, 它继承了生物量法的优点, 如操作简便, 技术直接、明了, 有很强的实用性。但是, 由于是生物量法的继承也就在所难免的产生一些计量误差。在对转换系数的选择上只区分了树种, 而对其它因素却并没有加以考虑, 因此并没有实质性的突破, 在使用时仍然存在很大的误差。
2. 3　生物量清单法
生物量清单法, 就是将生态学调查资料和森林普查资料结合起来进行[20]。首先计算出各森林生态系统类型乔木层的碳贮存密度(Pc,M gC〓hm- 1)。Pc = V ×D × r ×Cc式中,V 是某一森林类型的单位面积森林蓄积量,D是树干密度,R 是树干生物量占乔木层生物量的比例,Cc 是植物中碳含量(常采用0. 45[21])。然后再根据乔木层生物量与总生物量的比值, 估算出各森林类型的单位面积总生物质碳贮量。王效科等[14]利用这种方法对各森林生态系统类型的幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的植物碳贮存密度进行估算, 再根据相应森林类型的面积得到中国各森林生态系统类型的植物碳贮量,最后得出中国森林生态系统的现存的植物碳贮量为3. 255～3. 724 PgC, 而且不同龄级的碳密度差距明显。
生物量清单法的优点是显而易见的。由于有了公式作为基础, 其计量的精度大大提高。应用的范围也更加广泛。但为了达到需求的数据, 往往要消耗大量的劳动力, 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。另外, 以外业调查数据资料为基础建立的各种估算模型中, 有的还存在一定的问题, 而使估测精度较小, 因而需要不断改进、完善[22]。
2. 4　涡旋相关法
涡旋相关法(Eddy correlation method) 是以微气象学为基础的一种方法。这一方法首先是应用于测量水汽通量, 20 世纪80 年代已经拓展到CO 2 通量研究中[24, 27]。涡旋相关技术仅仅需要在一个参考高度上对CO 2 浓度以及风速风向进行监测。大气中物质的垂直交换往往是通过空气的涡旋状流动来进行的, 这种涡旋带动空气中不同物质包括CO 2 向上或者向下通过某一参考面, 二者之差就是所研究的生态系统固定或放出CO 2 的量。其计算公式为:
Fc = Q′w ′
　　其中Fc 是CO 2 通量, Q是CO 2 的浓度,w 是垂直方向上的风速。字母的右上标(小撇)是指各自平均值在垂直方向上的波动即涡旋波动, 横是指一段时间(15～30m in)的平均值。这一思想产生得较早,然而由于需要的仪器设备昂贵, 使得这一技术直到20 世纪80 年代才拓展到CO 2 通量研究中。Euroflux 实验室的科学家应用涡旋相关法集中研究了不同纬度欧洲森林的CO 2 通量的变化[27]。M alhi 等[28]应用涡旋相关技术对热带森林、温带森林和北方森林的季节变化模式进行研究表明, 热带森林全年都表现出净碳汇, 而高纬度地区的森林则在生长季节为汇, 在冬季则为源。刘允芬等用该方法对千烟洲人工针叶林生态系统的碳通量进行分析,得出该生态系统全年各个月都为碳汇, 但碳存储量各月之间变化明显[13]。
涡旋相关法的特点是直接对森林与大气之间的通量进行计算, 能够直接长期对森林生态系统进行
CO 2 通量测定, 同时有能够为其他模型的建立和校准提供基础数据而闻名。但是, 这一方法需要较为精密的仪器, 这些仪器在使用上都有严格的要求, 这样对测量者的素质要求较高。在数据处理, 还需要包括二阶距量变换、坐标轴旋转、能量守恒闭合等多种方法的校正和数据质量控制, 最终才能得到满意的结果。
2. 5　涡度协方差法
以微气象学为基础的涡度协方差法(Eddy co2variance method)是最为直接的可连续测定的方法,尽管还存在着一些不足之处, 该方法仍然作为现今碳通量研究的一个标准方法获得了广泛应用
(Goulden , 1996;Law 等, 1999; 王文杰等, 2003)。采用此方法需要对能量、水分、CO 2 进行分别测定。其中能量(风)的测定由三维超声波风速仪来完成, 水分与CO 2 浓度则由闭路式红外气体分析仪来完成。CO 2 通量即林分的净生态系统交换量由10 Hz 的CO 2 H 2O 浓度与垂直风速的原始数据经过协方差计算而来, 平均时间长为0. 5 h (Hollinger 等, 1998;wang 等, 2004)
Fs = Q′w ′S ′式中: Q是空气的密度, S 代表研究的对象物质(CO 2), 上角标(′) 表示与平均值间的偏差, 上划线(—)表示平均值。
我国在陆地生态系统CO 2 通量和其它温室气体研究方面, 尤其是运用涡度协方差法和驰豫涡旋
积累法(Relaxed eddy accumulation)进行温室气体的研究刚刚起步(于贵瑞和孙晓敏, 2006)。王文杰等[16]应用涡度协方差法对帽儿山实验林场老山实验站的落叶松林的CO 2 通量进行了测定, 并将测定的结果与应用生理生态法测定的结果进行比较, 其结果是, 在考虑林下植被的时候, 涡度协方差法的测定结果非常准确。
由此可以看出, 涡度协方差法在对大范围的整个生态系统的碳汇测定时具有很好精度。但该方法
所需要的设备比较昂贵, 操作难度比较大, 实验的周期也比较长。这样一来势必会造成实验成本的增加,所以该种方法目前在国内使用的也比较少。
2. 6　驰豫涡旋积累法
随着气象技术的发展, 直接跟踪大气CO 2 与森林的交换来研究森林的碳汇也已经发展起来, 驰豫涡旋积累法就是其中之一。驰豫涡旋积累法是涡旋积累法的发展。Desjardins[25]首先应用这一技术, 其基本思想是根据垂直风速的大小和方向采集两组气体样品进行测量。然而, 这一技术当时并没有获得成功, 因为很难根据垂直风速的大小和方向进行不等时瞬时采样。这一技术的实用型直到在涡旋积累的思想中引入驰豫(relaxed)的思想, 使得不定时采样转换为定时采样, 这一实用型被定名为驰豫涡旋积累法[31]。这一方法需要一维声速风速仪、红外线CO 2 分析仪、快速反应螺旋管阀门、数据比较器、数据记录仪、导管系统以及空气泵等。数据比较器用于比较从声速风速仪所得到的即时垂直风速信号与数据记录仪所得到的一定时间(200 s)的平均值。通过这种比较, 数据记录仪就可以估计涡旋是上行还是下行, 继而开通或关闭连接2 个空气收集袋的阀门。
通过数据记录仪的程序化设计, 红外线CO 2 分析仪间隔一定时间(3 m in) 开启或关闭其通道即可以连续监测2 个收集袋内CO 2 的浓度[15]。由于该方法所应用的仪器都是比较精密的昂贵设备, 加之实际操作过程中要把设备架设到林冠的上方, 这就使监测出现一定的困难, 所以该方法目前
在国内并没有得到很好的应用。在国外该方法在进行森林碳汇计量的时候应用较多。
3　小结
综上所述, 各种方法都有其各自的优缺点, 研究人员可以按照不同的目的和要求对森林的碳汇采用不同的方法进行计量。在当前《京都议定书》和清洁发展机制的促动下, 我们需要一种更为直接, 更为精确, 可以针对不同树种, 针对同一树种的不同年龄的计量森林碳汇的方法。可目前运用最为普遍的就是通过测量生物量, 或测量蓄积量, 然后推出碳汇储量, 在众多的研究中, 研究的对象都是大范围的森林生态系统, 或者是省级、国家级的自然保护区, 采用的方法都是通过计算森林生态系统各组成部分的生物量, 再乘以转换因子求算林地的现存固碳总量。即使已有学者通过计算林木各生理部分的碳储量, 其方法也是先计算蓄积量, 在换算成生物量, 最后乘以转换因子。有的国家(森林管理基础好的)用生物量直接计算碳储量。但是无论哪种方法, 在由生物量转换碳储量时都是使用转换系数实现的, 而且所用的转换系数或者不分树种、或者不分林龄, 使用同一的转换系数。这些方法仅适合于大尺度森林植被类型的碳储量计量与评价, 而未能解明不同树种由于碳储存速率变化差异引起的含碳量变化规律; 特别是对树种单一的人工林来说, 究竟单位面积的森林在单位时间内能储存多少碳, 碳汇的多少和人工林的林龄关系又是怎样。因此, 对树木生长过程中的不同林龄的碳汇储量进行计量, 在评价人工林碳储功能方面具有重要的现实意义。循环经济    我国产业结构的不合理主要表现在    森林碳汇是指    碳足迹是指产品使用过程所产生的碳排放    绿色经济就是低碳经济    未来碳排放增强主要来自于    生态旅游业的要素和产业构成是怎样的    世界上主要国家在发展低碳经济过程中常用的经济手段有    中国等发展中国家目前很难将服务业作为主导产业的原因有    当前中国的碳排放主要来自于建筑领域    应对气候变化和低碳转型的核心内容    对可持续发展起着引领和支撑的重要作用