中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究

中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究内容摘要：

地 第 ２６ 卷 第 ６ 期 ２００７ 年 １１ 月 理 科 学 进 展 ＰＲＯＧＲＥＳＳ ＩＮ ＧＥＯＧＲＡＰＨＹ Ｖｏｌ．２６ ， Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．， ２００７ 中国森林生态系统植被碳储量 时空动态变化研究 徐新良 ， 曹明奎，李克让 （ 中国科学院地理科学与资源研究所， 北京 １００１０１ ） 摘 要： 森林是陆地生态系统的主体， 在全球碳循环中起着十分重要的作用。本文利用 ２０ 世纪 ７０ 年代以来的六次森林清查资料， 结合森林生物量实测数据 ， 采 用 分 树 种 、分 龄 组 的 生 物 量—蓄 积 拟合关系， 估算了中国 ２０ 世纪 ７０ 年代以来森林植被碳储量的动态变化。结果表明 ： 我国六次森 林 资 源 清 查 中 森 林 的 植 被 总 碳 储 量 分 别 为 ３．８４８８ＰｇＣ、３．６９６０ＰｇＣ、３．７５９ＰｇＣ、４．１１３８ＰｇＣ、 ４．６５６３ＰｇＣ 和 ５．５０６４ＰｇＣ， 虽然存在一定的波动现象， 但总体增长趋势明显， 尤其是 ８０ 年代以来， 植被碳储量净增加 １．８１０４ＰｇＣ， 平均每年以 ０．０８２３ＰｇＣ 的速率增加， 这表明 ８０ 年代以来我国森林 植被一直起着明显的 ＣＯ２ 汇的作用。从碳密度的变化看， ７０ 年代以来我国森林植被平均碳密度 增 长 了 ３．００１Ｍｇｈａ － １， 其 中 幼 龄 林 与 中 龄 林 碳 密 度 分 别 增 长 ５．２８７１Ｍｇｈａ － １ 和 ０．６０２２ Ｍｇｈａ － １， 而 成 熟林碳密度却降低了 ０．７５８１Ｍｇｈａ－ １， 可见中国森林植被的碳汇功能主要来自于人工林的贡献 ， 而 且随着幼龄林、中龄林碳储量和碳密度的增长， 中国森林植被的碳汇功能将进一步增强。我国森 林植被碳储量和碳密度空间差异显著， 森林植被碳库主要集中于东北和西南地区 ， 平均碳密度以 西南、东北以及西北地区为大， 中国森林植被碳储量和碳密度的这种空间分布规律与人类活动对 森林的干扰强度密切相关。 关 键 词： 森林资源清查资料； 森林生态系统； 碳储量； 碳密度 １ 引言 森林生态系统是陆地生态系统的主体， 在陆地上， 森林面积虽然只占全球非冰表面的 ４０％， 但其生物量约占陆地生物量的 ９０％， 其土壤碳储量约占全球土壤碳储量的 ７３％［１，２］。作 为全球气候系统的重要组成部分， 森林在陆地生态系统碳循环研究中占有十分重要的地位， 寄托着人类降低大气 ＣＯ２ 含量和减缓全球气候变暖趋势的希望［３］。目前大量的研究表明： 森 林破坏（ 尤其是热带雨林的破坏） 已成为继化石燃料燃烧之后， 大气中 ＣＯ２ 浓度增加的第二 大来源 ［４￣６］。与此同时， 人们通过对全球碳通量的估算发现未知碳汇很可能存在于北半球中 高纬度的森林中 ［５￣１０］。 因此研究森林生态系统， 尤其是中高纬度森林的确切碳储量和固碳 能力已成为当前生态学及相关学科的研究热点。 根据国家林业局公布的第六次森林资源清查结果， 截止到 ２００３ 年， 我国森林面积 １．７５ 收稿日期： ２００７－ ０９； 修订日期： ２００７－ １１． 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ４０６０１０７９ ） 、国家重点基础研究计划（ Ｇ２００２ＣＢ４１２５０７ ） 。 作者简介： 徐新良 （１９７２ － ）， 男， 山东青岛人， 博士， 主要从事土地利用 ／土地覆被变化与陆地碳循环遥感研 究。 Ｅ－ ｍａｉｌ： ｘｕｘｌ＠ｌｒｅｉｓ．ａｃ．ｃｎ ２ 地 理 科 学 进 展 ２６ 卷 亿公顷， 森林覆盖率 １８．２１％ ， 随着植树造林步伐的加快和森林经营管理水平的提高， 预计到 ２０１０ 年我国的森林覆盖率将会达到 ２０．３％， 到 ２０５０ 年提高到 ２６％［１１］。因此， 有关森林生态系 统碳储量和碳平衡的研究越来越受到重视， 许多学者在这方面作出了非常有意义的工作。方 精云等 ［１２］基于中国近 ５０ 年来的森林资源清查资料对中国森林植被碳库及其变化作了大尺 度的研究探讨， 该项工作被《科学》周刊编委会首席指导萨格登评价为： “首次对中国的碳汇 做出了真正正确的评价……”。另外王效科［１３］和赵敏［１４］等分别基于第三次和第四次森林清查 资料， 估算了中国森林植被碳储量和碳密度， 从某一时间断面上反映了中国森林对全球碳循 环的影响。在森林碳储量的估算中， 由于不同学者所采用的方法不同以及森林生态系统碳储 量的空间异质性和时间变化的复杂性， 使得森林碳储量的估算仍存在很大的不确定性［１５￣１８ ］。 本文在分析中国森林生态系统主要优势树种生物量和蓄积量关系的基础上， 根据全国 第一至第六次森林资源清查资料中按省市和按优势树种调查统计的各林龄级的面积和蓄积 量资料， 估算了中国森林生态系统的植被碳储量， 进而分析了 ２０ 世纪 ７０ 年代以来中国森林 生态系统植被碳储量的时空动态变化特点和规律。 ２ 研究资料和方法 本研究所使用的数据来源有两类： 森林资源清查资料和文献发表的生物量实测资料。 ２．１ 森林资源清查资料 森林资源清查资料是国家林业局从 １９７３ 年到 ２００３ 年在全国范围内 （ 不包括台湾省和 西藏控制线以外的地区） 对森林资源连续进行的 ６ 次清查数据， 该系列资料为 １９７３～１９７６［１９］ （ 第一次全国森林资源清查） 、 １９７７～１９８１［２０］（ 第二次全国森林资源清查） 、１９８４～１９８８［２１］（ 第三 次全国森林资源清查） 、 １９８９～１９９３［２２］（ 第四次全国森林资源清查） 、１９９４～１９９８［２３］年（ 第五次全 国森林资源清查） 和 １９９９～２００３［２４］年（ 第六次全国森林资源清查） ６ 个时段， 记录了各省市林 分分树种和龄级的面积和蓄积量。由于森林清查资料的详细性和权威性， 因而在计算国家或 地区尺度碳平衡时最具有代表性， 从而也越来越受到人们的欢迎［２５］。 ２．２ 生物量实测资料 本研究中所用的生物量是指森林林木的生物量， 包括干、枝、叶、根的总重量。由于森林 清查资料并没有提供森林生物量信息， 因此， 由森林清查资料来推算生物量， 必须建立生物 量和蓄积量之间的换算关系。为此， 我们在文献整理的基础上搜集了全国 ２３０４ 个森林样地 生物量数据 ［２６￣２９］， 其空间分布如图 １ 所示， 该数据集详细记录了每块森林样地的位置、森林 类型、优势树种、林龄、生物量和蓄积量。 ２．３ 生物量估算方法 近年来， 以建立生物量与蓄积量关系为基础的植被碳贮量估算方法已得到广泛应用［３０］。 本研究也采用该方法， 不同的是首先根据搜集到的 ２３０４ 个森林样地的生物量资料按林龄级 别依次分为幼龄林、中龄林、成熟林（ 包括近熟林、成熟林和过熟林） ３ 个龄组， 并将其归并为 ６期 ３ 徐新良 等： 中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究 图 １ 森林样地空间分布图 Ｆｉｇ． １ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓｉｔｅｓ （２３０４） ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａｇｅ－ ｂａｓｅｄ ｖｏｌｕｍｅ－ ｔｏ－ ｂｉｏｍａｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ １３ 种森林类型， 然后利用样地实测的生物量和蓄积量资料， 通过统计回归分析建立不同森 林类型、不同龄组的生物量—— —蓄积线性拟合方程（ １ ） （ 方程参数见表 １ ） 。 Ｂｉｊ ＝ａ＋ｂＶｉｊ （１） 式中， Ｂｉｊ 为某一龄组、某一森林类型的生物量（ Ｍｇｈａ－ １） ； Ｖｉｊ 为某一龄组、某一森林类型的蓄积 量（ ｍ３ｈａ－ １） ； ａ 、 ｂ 为常数； ｉ 为某一森林类型（ ｉ＝ １， ２， ３，…，１３） ； ｊ 为某一龄组（ ｊ＝１，２，３） 。 然后利用 Ｂｉｊ 结合各省市不同树种不同龄组的森林清查资料来计算各省市的总生物量 Ｂｔ（ Ｍｇ） ： １３ ３ Ｂｔ ＝!!Ａｉｊ Ｂｉｊ （２） ｉ ＝ １ｊ ＝ １ 式中， Ｂ 为某省市的总生物量（ Ｍｇ） ； Ａｉｊ 为某省市某一龄组、某一森林类型的面积（ ｍ２） ； Ｂｉｊ 为 某一龄组、某一森林类型的生物量（ Ｍｇｈａ－ １） ， 可以通过公式（ １ ） 计算。 最后在此基础上确定某省市的森林植被碳储量 Ｃ（ Ｍｇ） 和碳密度 Ｃｐ（ Ｍｇｈａ－ １） ： Ｃ＝Ｂｔ×Ｃｃ （ ３） 式中， Ｃ 为某省市的森林植被碳储量（ Ｍｇ） ； Ｂｔ 为某省市的总生物量（ Ｍｇ） ， 通过公式（ ２ ） 获得； Ｃｃ 为森林植被碳含量， 该值在不同森林植被间变化不大， 为方便起见， 常采用 ０．５［３１］。 １３ ３ Ｃｐ ＝Ｃ÷!!Ａｉｊ Ｂｉｊ （ ４） ｉ ＝ １ｊ ＝ １ 式中， Ｃｐ 为某省市的森林植被碳密度（ Ｍｇｈａ－ １） ； Ｃ 为某省市的森林植被碳储量（ Ｍｇ） ， 由公式 （ ３） 计算； Ａｉｊ 为某省市某一龄组、某一森林类型的面积（ ｍ２） 。 ４ 地 理 科 学 进 展 表 １ 估算中国森林生物量的参数 Ｔａｂ．１ Ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅａｔｉｍａｔｅ ｆｏｒ ｅｓｔ ｌｉｖｅ－ ｂｉｏｍａｓｓ ２６ 卷 ６期 徐新良 等： 中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究 ５ ３ 估算结果分析 ３．１ 中国森林植被碳储量的时间变化 根据六次森林清查资料计算了中国各省区的森林总碳储量和平均碳密度， 表 ２ 给出了 归纳的全国统计值。由表 ２ 可以看出从 ２０ 世纪 ７０ 年代初期到 ２００３ 年我国森林林分面积由 表 ２ 中国森林面积、碳储量、碳密度及其变化 Ｔａｂ．２ Ｆｏｒ ｅｓｔ ａｒ ｅａ， ｔｏｔａｌ ｃａｒ ｂｏｎ ｓｔｏｒ ａｇｅ， ｍｅａｎ Ｃ ｄｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｆｉｖｅ ｉｎｖｅｎｔｏｒ ｙ ｐｅｒ ｉｏｄｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ １．０８×１０８ｈａ 增加到 １．４３×１０８ｈａ， 净增加 ３．４５７×１０７ｈａ， 森林植被碳储量由 ３．８４８８ ＰｇＣ 增加到 ５．５０６４ＰｇＣ， 净增加 １．６５７６ＰｇＣ（ 表 ２） ， 其中从 ２０ 世纪 ７０ 年代初期到 ８０ 年代初期（ 第一次与 第二次清查期间） 森林碳储量出现下降趋势， 净减少 ０．１５２８ＰｇＣ， 年减少 ０．０３０６ＰｇＣｙｒ－ １， 此后 森林碳储量一直呈显著增长趋势， 从 ８０ 年代初到 ２００３ 年（ 第二次与第六次清查期间） ， 森林 碳储量净增加 １．８１０４ＰｇＣ， 平均年增长 ０．０８２３ Ｐｇ Ｃｙｒ－ １， 其中 ９０ 年代初期到 ２００３ 年（ 第四次 与第六次清查期间） 森林碳储量年增长率最高