NPP增長驅(qū)動下的中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯及潛力

1、 NPP增長驅(qū)動下的中國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯及效率摘要:森林生態(tài)系統(tǒng)能夠有效地吸收大氣中的C02,從而在一定程度上緩解全球變暖的壓力。生態(tài)系統(tǒng)固碳能力取決于兩個關(guān)鍵因素：凈初級生產(chǎn)力NPP）的增長強度與生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)時間。本文基于校正后的遙感監(jiān)測到的中國森林生態(tài)系統(tǒng)NPP增長趨勢，結(jié)合森林樣地實測數(shù)據(jù)得到的碳分配系數(shù)與周轉(zhuǎn)時間,建立了中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)模型,并模擬了19821999年NPP增長驅(qū)動下的森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯量及其年際變化。結(jié)果表明：在19821999年間，我國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳匯量為0.052PgCa-1,其中植物的碳匯量為0.034PgCa-1，土壤的碳匯量為0.018PgC

2、a-1；在不同森林類型中，常綠針葉林和常綠闊葉林的碳匯貢獻最大，而落葉針葉林和針闊葉混交林貢獻最?。贿M一步分析表明森林的固碳效率（碳匯量/NPP增長總量）顯著地受到森林碳周轉(zhuǎn)時間的控制。關(guān)鍵詞：NPP周轉(zhuǎn)時間碳匯效率森林中國CapacityofforestcarbonsequestrationdrivenbyNPPincreasinginChinaAbstract:ForestecosystemcouldsignificantlysequestratesomeatmosphericCO2and,therefore,partlymitigatecurrentpressureonglobalwar

3、ming.ThecarbonsequestrationcapacityofforestecosystemisdeterminedbyboththeNPPincreasetrendandturnovertime.InordertoestimatethecapabilityofforestCsequestrationinChina,acarbonturnovermodel,whichbasesonNPPincreasetrendmonitoredbyremotesensingandcarbonturnovertimederivedfromforestobserveddata,wasdesigned

4、.ModeledresultsillustratedthatChinaforestisanapparentcarbonsinkwithamagnitudeof0.052PgCa-1,inwhichabout0.034PgCa-1inplanttissuesandtheotherof0.018PgCa-1insoil.Thefurtheranalysisoncarbonsequestrationefficiency(CSE)indicatedthattheCSEvalueiscontrolledbycarbonturnovertime.Keyword:NPP,turnovertime,carbo

5、nsink,efficiency,forest,China1引言工業(yè)革命以來，化石燃料的使用及土地利用方式的改變向大氣中釋放了大量的溫室氣體CO2，使得全球氣溫持續(xù)升高，并進而引起一系列的環(huán)境問題（Solomonetal.,2007）。如何有效地緩解大氣CO2濃度的增長速度不僅是一個科學問題，而且是一個政治經(jīng)濟問題（Youngetal.,2003）。由于森林的再生長與增強生長能夠有效地吸收大氣中的CO2,因而森林固碳受到多方面的廣泛關(guān)注（方精云等，2007），它是緩解全球變暖的一項低成本高收益的有效舉措（Andrasko,1990；Brownetal.,1996）。隨著京都議定書的簽訂和各個國

6、家應(yīng)對全球變暖政策的出臺，森林碳匯的研究與應(yīng)用受到了空前的重視（Cannell,1999；戴民漢等，2004）。森林生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用（碳吸收過程）與呼吸作用（碳排放過程）與大氣進行碳交換，當生態(tài)系統(tǒng)吸收的碳量大于排放的碳量時，森林生態(tài)系統(tǒng)就成為大氣C02的匯（簡稱碳匯），反之則為碳源。影響生態(tài)系統(tǒng)的碳匯（或碳源）因素很多，如氣候變化（Dai,1993）、CO2施肥（Cramer,2001）、N沉降（Holland,1997）以及土地利用變化（Houghton,1999）等。由于生態(tài)系統(tǒng)本身具有很大的空間異質(zhì)性，加之影響因素各不相同，使得當前生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究存在很大的不確定性（Denmane

7、tal.,2007）。從中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯已有的研究看，無論是基于過程模型的模擬方法（Caoetal.,2003;Wangetal.,2007），還是基于森林資源的清查方法（劉國華，2000；方精云，2001，2007），它們在碳匯的估計上都存在很大的差異。森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力大小取決于兩個關(guān)鍵因素：NPP的增長強度與生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)時間（Luoetal.,2003）。森林再生長和增強生長導致更多的碳進入到生態(tài)系統(tǒng)中（表現(xiàn)為NPP增大），因而它是生態(tài)系統(tǒng)固碳的外部驅(qū)動因素。但這部分碳能否有效固定在生態(tài)系統(tǒng)中，也就是說生態(tài)系統(tǒng)的固碳效率如何，則取決于生態(tài)系統(tǒng)的碳周轉(zhuǎn)時間（Luoetal.,200

8、3）。當NPP增長驅(qū)動相同時，碳周轉(zhuǎn)時間越長，森林的固碳能力越強，固碳效率也越大。本研究基于NPP增長驅(qū)動下的森林生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)模型，對19821999年森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯年際變化進行了模擬，估算了森林植被與土壤固碳能力，并探討了碳周轉(zhuǎn)時間對森林固碳效率的影響。2方法與數(shù)據(jù)2.1模型結(jié)構(gòu)NPP增長驅(qū)動下的碳周轉(zhuǎn)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于每一種森林生態(tài)系統(tǒng)，碳周轉(zhuǎn)模型考慮喬木、灌叢、草本3個層。校正后的遙感監(jiān)測到的NPP（NPP（*）按不同的分ma配系數(shù)（a、aa）分配給喬木、灌叢與草本三個碳庫，其中進入到喬木層的NPP又tshh進一步分配給莖、葉、根三個子碳庫s、a1、a）。進入到生態(tài)系統(tǒng)的有機碳

9、一部分會r保留下來并形成各自的生物量（q、tq、q、q、q），另一部分則通過植物的凋落過shhsl程脫離原來的碳庫，其凋落速率取決于各碳庫的周轉(zhuǎn)時間（T、T、T、T、T、T）tshhsll植物凋落物進入到凋落物與土壤有機碳庫（q）中，其中一部分有機碳保留下來形成土壤soc碳匯，而另一部分則以異養(yǎng)呼吸的形式釋放回大氣中，其速率取決于土壤碳周轉(zhuǎn)時間（T）。soc考慮到自20世紀70年代末開始，中國政府開始實施大規(guī)模的生態(tài)恢復工程(Shen,2000),使森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力大大增加。同時Fang(2001)等的研究也表明中國森林固碳量增長開始于19世紀80年代。因此，本文假設(shè)1982年為森林碳平衡

10、點，并基于(1)(6)式對19821999森林碳匯年際變化及累積量進行模擬。致=a-NPP-q代dttttdqsh=a-NPP-q/tdtshshshdqh=a-NPP-q/tdthhhdqs=a-a-NPP-q/tdttsssdq=a-aNPP-q/t(1)(2)(3)(4)(5)dtti11r=a-a-NPP-q/t（6）dttrrr2.2參數(shù)確定NPP增長趨勢及強度是驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)碳匯的外部驅(qū)動因素，確定森林生態(tài)系統(tǒng)NPP的量及變化趨勢是模擬生態(tài)系統(tǒng)碳匯的關(guān)鍵之一。基于遙感數(shù)據(jù)的光能利用率模型（CASA模型）由于能較好地模擬區(qū)域尺度NPP的空間分布及變化，它們廣泛應(yīng)用于各種空間尺度的NPP

11、監(jiān)測（Potteretal.,1993;Piaoetal.,2005;朱文泉，2006）。在CASA模型中，NPP是植物吸收的光合有效輻射（APAR）、最大光能利用率（*）、溫度脅迫系數(shù)（兀）及水分脅迫系數(shù)（W）的函數(shù)，它可以由下式表示：NPP=fAPAR-PAR-*-T-W（7）其中fAPAR為光合有效輻射（PAR）被植物吸收的比例，它通過遙感數(shù)據(jù)NDVI來估算。對CASA模型估算的NPP精度影響最大的參數(shù)是最大光能利用率*（彭少麟，2000），它通常隨植被類型的不同而有所差異（Ruimyetal.,1999；朱文泉，2006）。因此，確定不同植被類型的最大光能利用率參數(shù)對于確定NPP增長的

12、年際變化的絕對量（gCm-2a-1）非常重要。然而，由于植被類型在空間分布上的年際變化很小，因此，*的取值對NPP年際變化相對量（）或趨勢的影響不大（Piaoetal.,2005）。正因為如此，Piao等（2005）利用CASA模型成功地模擬了最大光能利用率為常數(shù)（*=0.405gCMJ-1）下的19821999年中國不同生態(tài)系統(tǒng)的NPP增長趨勢。由于驅(qū)動森林碳匯變化的因素是NPP增長的絕對量而非相對量，因此，本文在利用Piao等（2005年）研究的NPP增長趨勢的基礎(chǔ)上，結(jié)合羅天祥等（1996年）1266塊森林樣地中NPP的觀測值對CASA模型的最大光能利用率進行了校正（*），并進而獲得校正

13、后的aNPP（NPP（*）及年際變化量以驅(qū)動碳周轉(zhuǎn)過程模型（圖1）：maNPP*=*Xo（8）aNPP（*）m其中，*為最大光能利用率常數(shù)（0.405gCMJ-1），NPP0為樣地觀測的NPP，NPP（*）為0m最大光能利用率常數(shù)（*）下模擬的多年平均NPP。在本研究中，圖1中各子庫的碳分配系數(shù)和周轉(zhuǎn)時間通過觀測數(shù)據(jù)來獲取。其中碳分配系數(shù)由羅天祥的樣地觀測數(shù)據(jù)直接得到，而各子庫的周轉(zhuǎn)時間則基于羅天祥和王紹強等觀測的植物與土壤的碳儲量和碳通量數(shù)據(jù)進行估算（羅天祥，1996；Wangetal.,2003）。3結(jié)果與討論3.1最大光能利用率校正后的最大光能利用率（表1）表明，不同森林類型的最大光能利

14、用率差異較大，其中常綠闊葉林與落葉闊葉林的最大光能利用率最大，分別達到了0.896和0.853，這與朱文泉等（2006）的研究結(jié)果比較一致（其值分別為0.985和0.692）。這一結(jié)果也與彭少麟等（2000）的研究較為接近，其研究表明廣東的最大光能利用率達到1.25gCMJ-1,大于CASA模型默認的光能利用率常數(shù)。這表明校正后的最大光能利用率參數(shù)在保證NPP增長趨勢與Piao等（2005）研究一致的同時，能顯著降低CASA模型模擬的NPP增長量與觀測結(jié)果的差異。表1中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的最大光能利用率代碼森林類型樣本數(shù)*a1常綠闊葉林2600.4050.8962落葉闊葉林3010.4050.

15、8533常綠針葉林6130.4050.8464落葉針葉林480.4050.6955針闊混交林220.4050.6393.2森林碳匯量及年際變化中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯模擬結(jié)果表明，NPP增長及趨勢與森林碳匯的關(guān)系密切。遙感監(jiān)測到的NPP具有明顯地增長趨勢（圖2a），使得進入到生態(tài)系統(tǒng)中的NPP的累積量顯著增加（圖2b）,從而直接導致了森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯量的年際變化（圖2c）及累積量上的變化（圖2d）。因此，NPP增長是驅(qū)動中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化的根本因素。在不同森林類型中，常綠針葉林和常綠闊葉林由于同時具有最大的面積（分別占總面積46.5%和22.5%）和較大的NPP增長強度，因而其碳匯貢獻最大，

16、而落葉針葉林和針闊葉混交林貢獻最小。.6.j.w.h.m.&4Q.D.Q.n.o.o.-d.Ego.o.mO.Q.0.0.料-亠”亠值內(nèi)+土sV豎盍電p-.-lso里串肝蚩T值樹土儀+土琨圖2森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯年際變化及累積量從19831999年，森林生態(tài)系統(tǒng)的累積的碳匯量為0.876PgC,年平均碳匯量為0.052(PgCa-1),其中固定在植被中的碳匯量為0.034(PgCa-1)，固定在土壤中的碳匯量為0.018(PgCa-1)。對于植被固碳來說，喬木的碳匯量最大(0.032PgCa-1)，灌叢次之(0.002PgCa-1)，而草本最小，僅為0.0002PgCa-1。草本由于碳周轉(zhuǎn)時間很短

17、，因此分配給草本的有機碳并不能長久地保存在草本植物體內(nèi)，而是很快進入到土壤碳庫中(圖3a)。從喬木各器官的碳匯看，其莖的碳匯量最大(0.023PgCa-1)，占了喬木總碳匯量的72%，其次是根(0.006PgCa-1)占19%，而葉的碳匯量最小(0.003PgCa-1)，約占喬木總碳匯9%(圖3b)。喬木根的碳匯量小于莖的碳匯量，這與觀測到的NPP在莖的分配量大于根的分配量是一致的(羅天祥，1996)。壯032024&16L9S219&I19861朝g】蝕01992L妙忖卿圖3森林植被各部分的累積固碳量表2為本研究模擬的植被碳匯量與其他學者研究結(jié)果之間的比較。本研究估算值略高于方精云等(200

18、1)、劉國華等(2000)、Piao等(2005)基于森林資源清查資料估算的碳匯量,其值介于0.0190.027PgCa-1之間；但低于方精云等(2007)的碳匯估算量(0.075PgCa-1)。由于森林標準從以往的郁閉度30%調(diào)整為20%，可能造成其碳匯估算偏高(方精云，2007)。與其他模型估算的森林碳匯相比，本研究的結(jié)果與Wang等(2007)結(jié)果比較一致，其采用InTEC模型估算了中國森林的碳匯量，其值的變化范圍為0.0110.055PgCa-1，本研究估算量正好在位于其中值附近。表2森林植被碳匯量估算比較研究者植被碳匯(PgCa-1)本研究0.034劉國華(2000)0.027方精云

19、(2001)0.021Piao(2005)0.019方精云(2007)0.075Cao(2003)0.07Wang(2007)0.0110.055從中國整個森林生態(tài)系統(tǒng)來說，碳匯主要固定在植被的根、莖、葉等器官中，土壤碳匯只占植被碳匯的一半(53.8%)。而美國的土壤碳匯是植被碳匯的2/3左右(Pacala,2001),歐洲土壤碳匯約占30%左右(Janssensetal.,2003)。因此中國森林土壤的碳匯量與美國土壤碳匯所占的比例更為接近。黃耀等(2006)對中國農(nóng)田土壤20年來的有機碳含量的變化趨勢進行了研究，其結(jié)果表明二十年來中國農(nóng)田土壤有機碳約增加了0.310.40PgC，即農(nóng)田土壤

20、年平均固碳量為0.0160.02PgCa-1,其大小與中國森林土壤固碳量相當，但如果考慮到農(nóng)田面積(166.73X106ha)比森林總面積(124.29X106ha)更大，單位面積森林土壤固碳量約為農(nóng)田土壤的1.21.6倍。3.3森林碳匯效率除NPP增長驅(qū)動因素外，碳在生態(tài)系統(tǒng)中的周轉(zhuǎn)時間是決定碳匯量的另一個關(guān)鍵參數(shù)，也就是說，生態(tài)系統(tǒng)能否把隨NPP增長進入到系統(tǒng)的碳長時間保存以形成有效的碳匯，還是很快進入另一個碳庫亦或是通過呼吸作用返回給大氣，主要取決于生態(tài)系統(tǒng)的平均的碳周轉(zhuǎn)時間(Luoetal.,2003)。對于某種森林生態(tài)系統(tǒng)來說，碳匯效率(CSE)是指生態(tài)系統(tǒng)累積固碳量與隨NPP增長進

21、入到生態(tài)系統(tǒng)中的累積碳總量之比，它代表累積的NPP增量中有多大的比例保存在生態(tài)系統(tǒng)中，而其他的碳量(1CSE)則在呼吸作用下返回大氣。森林植被的碳匯效率研究表明，常綠林的固碳效率大于落葉林，其中常綠針葉林的碳匯效率最大，落葉針葉林的碳匯效率最小。按碳匯效率大小排列分別為：常綠針葉林針闊混交林常綠闊葉林落葉闊葉林落葉針葉林。進一步的研究表明，森林植被的碳匯效率顯著地受到植被碳周轉(zhuǎn)時間的控制，它們之間存在顯著的線性關(guān)系(R2=0.91),即碳周轉(zhuǎn)時間越長，植被的固碳匯效率越高(圖4)。0別045040035U3U02502016：71819202122232425罔轉(zhuǎn)曰I間(Turnover/yr

22、)圖4森林植被碳匯效率與植被碳周轉(zhuǎn)時間的關(guān)系4結(jié)論本文基于校正后的遙感監(jiān)測的中國森林生態(tài)系統(tǒng)NPP增長趨勢，結(jié)合NPP增長驅(qū)動下的碳周轉(zhuǎn)模型估算了中國森林生態(tài)系統(tǒng)年平均碳匯量及其年際變化，結(jié)果表明：NPP增長及趨勢與森林碳匯的關(guān)系密切，NPP增長是驅(qū)動中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化的根本因素；在19821999年間，我國森林生態(tài)系統(tǒng)的年均碳匯量為0.052PgCa-i,其中植物的碳匯量為0.034PgCa-i，土壤的碳匯量為0.018PgCa-i；在不同森林類型中，常綠針葉林和常綠闊葉林的碳匯貢獻最大，而落葉針葉林和針闊葉混交林貢獻最?。还烫夹史治霰砻?，森林植被固碳效率主要受植被碳周轉(zhuǎn)時間控制，其

23、碳匯效率的大小依次為：常綠針葉林針闊混交林常綠闊葉林落葉闊葉林落葉針葉林，也就是說當NPP增長驅(qū)動一致時，常綠針葉林的植被固碳量最大，而落葉針葉林植被固碳量最小。參考文獻Andrasko,K.,1990.ClimateChangeandGlobalForests:CurrentKnowledgeofPotentialEffects,AdaptionandMitigationOptions.FAO,ForestryDepartment,Rome.Brown,S.,Sathaye,J.,Cannell,M.,Kauppi,P.E.,1996.Managementofforestsformitiga

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