近些年來, 大氣CO 2 濃度上升引起的溫室效應及其所帶來的一系列生態環境變化已經越來越明顯, 解決溫室效應所帶來的影響已成為廣大學者研究的首要目標。有研究表明, 森林植物在其生長過程中可通過同化作用吸收大氣中的CO 2, 以生物量的形式將其固定在植物體和土壤中, 使森林成為陸地生態系統最重要的碳匯或碳庫[35]。全球的森林面積只占土地面積的27. 6% , 但森林植被碳貯量卻占全球植被的77% , 森林土壤的碳貯量約占全球土壤的39%; 單位面積森林生態系統碳儲量是農地的1. 9～5 倍[36]。2005 年2 月16 日, 旨在遏制全球氣候變暖的《京都議定書》正式生效。這是人類歷史上首次以法規的形式限制溫室氣體排放?！毒┒甲h定書》是在《聯合國氣候變化框架公約(UN FCCC)》下制定的, 它被公認為是國際環境外交的里程碑, 是第一個具有法律約束力的旨在防止全球變暖而要求減少溫室氣體排放的條約。《京都議定書》第12 條還確立了清潔發展機制(clean development mechanism, 簡稱CDM ) (UN FCCC, 1997), 通過該機制, 有減排義務的工業化國家可以在發展中國家實施土地利用變化和林業碳匯項目, 用項目產生的源排放減少和匯清除的增加來實現其所承諾的減限排目標[11]。同時,北半球森林生態系統與大氣之間存在著較大的CO 2負通量, 是吸收人類排放CO 2 的一個重要的匯[38, 39]。這些都為發達國家和發展中國家之間在林業領域內的合作提供了機會。我國地域遼闊, 具有廣大的森林面積, 利用這一機遇發展以碳匯為目的的森林經營, 發展碳匯貿易不僅可以得到資金和技術上的支持, 同時, 對我國的經濟發展也具有積極的意義。

我國的碳匯造林項目起步較晚, 但可喜的是, 在政策的大力支持下, 近幾年各地的碳匯造林項目也日益活躍起來。比如我國首個“碳匯”合作項目――“中國東北部敖漢旗防治荒漠化青年造林項目”的正式實施[1], 正是中國國家林業局與意大利國家環境和國土資源部根據《京都議定書》清潔發展機制的造林再造林碳匯項目相關規定簽署的兩國合作造林項目。美國的3M 公司資助300 萬美元在四川、云南實施的造林、再造林項目, 目前正在穩步的進行中。

碳匯貿易的快速發展, 隨之而來的將要面臨的重大問題就是為碳匯而造的人工林碳匯計量方法的

問題。目前, 世界各地的學者對森林碳匯的計量方法已經做出了很大的研究, 歸納起來, 主要分為兩大類: 一類是與生物量緊密相關的反映碳累積量的現存生物量清查的方法。另一類是利用微氣象原理和技術測定森林CO 2 通量, 然后再將CO 2 的量換算成碳的儲量。第一類方法已經在我國得到了廣泛的應用, 我國許多專家和學者也對該方法進行了研究。第二類方法在國外已經取得了很大的成果, 到目前為止已經建立了150 多個觀測站, 我國在這方面起步較晚, 2002 年, 中科院正式啟動了中國陸地生態系統碳通量觀測項目, 已經分別在長白山、千煙洲、鼎湖山和西雙版納設立了4 個典型森林生態系統CO 2通量定位觀測站[18, 19]。由于各種方法所使用的原理和儀器都有所不同, 在對計量森林的碳匯時結果都有一定的差異, 因此, 本文將著重對各種碳匯計量方法進行歸納整理。

1 相關的概念

碳是一切有機物的基本成分, 也是構成生物體的主要元素, 約占生物體干重的一半左右, 碳循環及其空間分布與生態系統的維持、發展和穩定性機制有著密切的聯系[2]。在全球變化與陸地生態系統的研究中, 最基礎的和最受重視的是全球碳循環問題也即溫室氣體的“源(source)”和“匯集sink)”的問題,尤其以主要溫室氣體- CO 2 的源匯為重點研究領域。所謂“碳匯”, 是指從大氣中清除CO 2 的過程、活動或機制。大氣、海洋及森林等陸地生態系統通常被稱為地球上的三大碳庫。森林與CO 2 的變化關系密切, 一方面森林生長可吸收并固定CO 2, 是CO 2的吸收匯、貯存庫和緩沖器, 另一方面森林的破壞又是CO 2 的排放源。通過造林、退化生態系統恢復、建立農林復合系統、加強森林可持續管理等措施可增加陸地碳吸收量?！疤紖R造林”是指通過森林起到固碳作用, 以此來充抵減排二氧化碳量的義務, 通過市場機制實現森林生態效益價值補償的一種重要途徑。清潔發展機制(CDM )下的造林再造林碳匯(Carbon Sequestra2tion) 項目是《京都議定書》框架下發達國家和發展中國家之間在林業領域內的唯一合作機制。根據規定, 可由發達國家提供資金或技術給發展中國家用于溫室氣體減排, 發展中國家通過發達國家提供的投資和技術來促進本國的可持續發展, 而發達國家可以得到二氧化碳減排量, 來滿足其減排承諾。

2 碳匯研究的計量方法

森林碳匯計量方法是評價森林碳匯生態效益大小的基礎工作, 在此基礎上可以開展森林碳匯管理和經濟評價, 為全面開展以碳匯為目的的森林經營打好基礎。在森林碳匯計量的方法的研究上, 國內外的很多專家已經提出了許多方法。

2. 1 生物量法

生物量法是目前應用最為廣泛的方法, 其優點就是直接、明確、技術簡單。即采用根據單位面積生物量、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計算而。最早應用生物量法時, 是將森林通過大規模的實地調查,得到實測的數據, 建立一套標準的測量參數和生物量數據庫, 用樣地數據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, 估算生態系統的碳儲量[29, 30]。方精云等[4]就是利用生物量方法推算中國森林植被碳庫, 采用土壤有機質含量估算我國土壤碳庫。計算結果表明: 我國陸地植被的總碳量為6. 1×109t, 其中森林4. 5×109t, 疏林及灌木叢0. 5×109t,草地1. 2×109t, 作物0. 1×109t, 荒漠0. 2×109t,沼澤地0. 8×109t, 其他0. 3×109t。陳遐林運用生物量法對華北各主要森林類型生態系統總碳貯量進

行了計算, 分別為油松235. 082 t hm2, 落葉松54. 140 8 t hm2, 樺木林269. 896 6 t hm

2, 楊樹林170. 911 2 t hm2, 柞木林642. 6994 t hm2。各主要森林類型生態系統平均貯碳密度從小到大順序依次為油松132. 88t hm2, 楊樹林140. 10 t hm2, 柞木林188. 79 t hm2, 落葉松203. 38 t hm2, 樺木林448. 04t hm2[5]。

由于樹木既有低碳組織, 又有高碳組織, 所以目前在對生物量轉化為碳含量時的轉換系數大多在

0. 45～0. 55 之間, 但究竟在什么狀態下運用什么系數都只是憑經驗來選擇, 而并沒有相應的準確的規定。樹木生長是一個動態的過程, 生物量的積累不僅和樹種本身有關, 還與立地質量、氣候條件等多方面因素有關。即使是相同樹種, 在相同立地條件, 相同氣候條件下, 其一生的生物量積累也會有明顯的差別。同時, 計算生物量時往往只考慮地上部分, 即便考慮了地下部分, 由于取樣的困難, 往往也很難得到精確的數據。這樣一來, 運用生物量法對森林碳匯進行計量勢必會造成很大的誤差, 使計量的精度下降。

2. 2 蓄積量法

蓄積量法是以森林蓄積量數據為基礎的碳估算方法。其原理是根據對森林主要樹種抽樣實測, 計算出森林中主要樹種的平均容重(t〓m- 3), 根據森林的總蓄積量求出生物量, 再根據生物量與碳量的轉換系數求森林的固碳量。

郎奎建等認為森林固碳的“因變量是一個附加在林木蓄積生長率上的變量”[7]。楊永輝等采用一定時期內碳庫變化主要通過森林蓄積的增加與森林內其它生物成分之間的關系, 求取由于森林蓄積的變化帶來的整個森林碳庫的變化[8]。法國Peyron 等(2002)通過用不同樹種的立木材積乘以它們的換算因子, 計算得出的碳匯。從木材體積到碳噸數的換算因子為: 1m3 木材= 0. 28 t 碳(針葉樹和楊樹); 1m3木材= 0. 30 t 碳(除楊樹外的闊葉樹)。李意德等人[9]采用蓄積量法對云南南部熱帶森林的碳庫總量進行了估算, 結果表明, 海南熱帶天然林(含原始林和天然更新林)的碳庫總量為. 719～0. 734 億t, 云南南部的熱帶天然林的碳素庫總量在0. 653 億t 以上。因此我國熱帶林目前的碳總量在1. 372～1. 387億t 以上。康惠寧等[10]采用蓄積量法對中國森林固碳的現狀和潛力進行了估計和預測, 結果表明, 中國森林目前碳積累高于碳釋放, 年平均凈碳匯量為0. 862 7×108t a, 在未來20 a 內中國森林凈碳匯能力約增加773×108t a。

可以說, 蓄積量法是生物量法的延伸, 它繼承了生物量法的優點, 如操作簡便, 技術直接、明了, 有很強的實用性。但是, 由于是生物量法的繼承也就在所難免的產生一些計量誤差。在對轉換系數的選擇上只區分了樹種, 而對其它因素卻并沒有加以考慮, 因此并沒有實質性的突破, 在使用時仍然存在很大的誤差。

2. 3 生物量清單法

生物量清單法, 就是將生態學調查資料和森林普查資料結合起來進行[20]。首先計算出各森林生態系統類型喬木層的碳貯存密度(Pc,M gC〓hm- 1)。Pc = V ×D × r ×Cc式中,V 是某一森林類型的單位面積森林蓄積量,D是樹干密度,R 是樹干生物量占喬木層生物量的比例,Cc 是植物中碳含量(常采用0. 45[21])。然后再根據喬木層生物量與總生物量的比值, 估算出各森林類型的單位面積總生物質碳貯量。王效科等[14]利用這種方法對各森林生態系統類型的幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林的植物碳貯存密度進行估算, 再根據相應森林類型的面積得到中國各森林生態系統類型的植物碳貯量,最后得出中國森林生態系統的現存的植物碳貯量為3. 255～3. 724 PgC, 而且不同齡級的碳密度差距明顯。

生物量清單法的優點是顯而易見的。由于有了公式作為基礎, 其計量的精度大大提高。應用的范圍也更加廣泛。但為了達到需求的數據, 往往要消耗大量的勞動力, 并且只能間歇地記錄碳儲量, 而不能反映出季節和年變化的動態效應。同時, 由于各地區研究的層次、時間尺度、空間范圍和精細程度不同, 樣地的設置、估測的方法等各異, 使研究結果的可靠性和可比性較差。另外, 以外業調查數據資料為基礎建立的各種估算模型中, 有的還存在一定的問題, 而使估測精度較小, 因而需要不斷改進、完善[22]。

2. 4 渦旋相關法

渦旋相關法(Eddy correlation method) 是以微氣象學為基礎的一種方法。這一方法首先是應用于測量水汽通量, 20 世紀80 年代已經拓展到CO 2 通量研究中[24, 27]。渦旋相關技術僅僅需要在一個參考高度上對CO 2 濃度以及風速風向進行監測。大氣中物質的垂直交換往往是通過空氣的渦旋狀流動來進行的, 這種渦旋帶動空氣中不同物質包括CO 2 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系統固定或放出CO 2 的量。其計算公式為:

Fc = Q′w ′

其中Fc 是CO 2 通量, Q是CO 2 的濃度,w 是垂直方向上的風速。字母的右上標(小撇)是指各自平均值在垂直方向上的波動即渦旋波動, 橫是指一段時間(15～30m in)的平均值。這一思想產生得較早,然而由于需要的儀器設備昂貴, 使得這一技術直到20 世紀80 年代才拓展到CO 2 通量研究中。Euroflux 實驗室的科學家應用渦旋相關法集中研究了不同緯度歐洲森林的CO 2 通量的變化[27]。M alhi 等[28]應用渦旋相關技術對熱帶森林、溫帶森林和北方森林的季節變化模式進行研究表明, 熱帶森林全年都表現出凈碳匯, 而高緯度地區的森林則在生長季節為匯, 在冬季則為源。劉允芬等用該方法對千煙洲人工針葉林生態系統的碳通量進行分析,得出該生態系統全年各個月都為碳匯, 但碳存儲量各月之間變化明顯[13]。

渦旋相關法的特點是直接對森林與大氣之間的通量進行計算, 能夠直接長期對森林生態系統進行

CO 2 通量測定, 同時有能夠為其他模型的建立和校準提供基礎數據而聞名。但是, 這一方法需要較為精密的儀器, 這些儀器在使用上都有嚴格的要求, 這樣對測量者的素質要求較高。在數據處理, 還需要包括二階距量變換、坐標軸旋轉、能量守恒閉合等多種方法的校正和數據質量控制, 最終才能得到滿意的結果。

2. 5 渦度協方差法

以微氣象學為基礎的渦度協方差法(Eddy co2variance method)是最為直接的可連續測定的方法,盡管還存在著一些不足之處, 該方法仍然作為現今碳通量研究的一個標準方法獲得了廣泛應用

(Goulden , 1996;Law 等, 1999; 王文杰等, 2003)。采用此方法需要對能量、水分、CO 2 進行分別測定。其中能量(風)的測定由三維超聲波風速儀來完成, 水分與CO 2 濃度則由閉路式紅外氣體分析儀來完成。CO 2 通量即林分的凈生態系統交換量由10 Hz 的CO 2 H 2O 濃度與垂直風速的原始數據經過協方差計算而來, 平均時間長為0. 5 h (Hollinger 等, 1998;wang 等, 2004)

Fs = Q′w ′S ′式中: Q是空氣的密度, S 代表研究的對象物質(CO 2), 上角標(′) 表示與平均值間的偏差, 上劃線(―)表示平均值。

我國在陸地生態系統CO 2 通量和其它溫室氣體研究方面, 尤其是運用渦度協方差法和馳豫渦旋

積累法(Relaxed eddy accumulation)進行溫室氣體的研究剛剛起步(于貴瑞和孫曉敏, 2006)。王文杰等[16]應用渦度協方差法對帽兒山實驗林場老山實驗站的落葉松林的CO 2 通量進行了測定, 并將測定的結果與應用生理生態法測定的結果進行比較, 其結果是, 在考慮林下植被的時候, 渦度協方差法的測定結果非常準確。

由此可以看出, 渦度協方差法在對大范圍的整個生態系統的碳匯測定時具有很好精度。但該方法

所需要的設備比較昂貴, 操作難度比較大, 實驗的周期也比較長。這樣一來勢必會造成實驗成本的增加,所以該種方法目前在國內使用的也比較少。

2. 6 馳豫渦旋積累法

隨著氣象技術的發展, 直接跟蹤大氣CO 2 與森林的交換來研究森林的碳匯也已經發展起來, 馳豫渦旋積累法就是其中之一。馳豫渦旋積累法是渦旋積累法的發展。Desjardins[25]首先應用這一技術, 其基本思想是根據垂直風速的大小和方向采集兩組氣體樣品進行測量。然而, 這一技術當時并沒有獲得成功, 因為很難根據垂直風速的大小和方向進行不等時瞬時采樣。這一技術的實用型直到在渦旋積累的思想中引入馳豫(relaxed)的思想, 使得不定時采樣轉換為定時采樣, 這一實用型被定名為馳豫渦旋積累法[31]。這一方法需要一維聲速風速儀、紅外線CO 2 分析儀、快速反應螺旋管閥門、數據比較器、數據記錄儀、導管系統以及空氣泵等。數據比較器用于比較從聲速風速儀所得到的即時垂直風速信號與數據記錄儀所得到的一定時間(200 s)的平均值。通過這種比較, 數據記錄儀就可以估計渦旋是上行還是下行, 繼而開通或關閉連接2 個空氣收集袋的閥門。

通過數據記錄儀的程序化設計, 紅外線CO 2 分析儀間隔一定時間(3 m in) 開啟或關閉其通道即可以連續監測2 個收集袋內CO 2 的濃度[15]。由于該方法所應用的儀器都是比較精密的昂貴設備, 加之實際操作過程中要把設備架設到林冠的上方, 這就使監測出現一定的困難, 所以該方法目前

在國內并沒有得到很好的應用。在國外該方法在進行森林碳匯計量的時候應用較多。

3 小結

綜上所述, 各種方法都有其各自的優缺點, 研究人員可以按照不同的目的和要求對森林的碳匯采用不同的方法進行計量。在當前《京都議定書》和清潔發展機制的促動下, 我們需要一種更為直接, 更為精確, 可以針對不同樹種, 針對同一樹種的不同年齡的計量森林碳匯的方法?？赡壳斑\用最為普遍的就是通過測量生物量, 或測量蓄積量, 然后推出碳匯儲量, 在眾多的研究中, 研究的對象都是大范圍的森林生態系統, 或者是省級、國家級的自然保護區, 采用的方法都是通過計算森林生態系統各組成部分的生物量, 再乘以轉換因子求算林地的現存固碳總量。即使已有學者通過計算林木各生理部分的碳儲量, 其方法也是先計算蓄積量, 在換算成生物量, 最后乘以轉換因子。有的國家(森林管理基礎好的)用生物量直接計算碳儲量。但是無論哪種方法, 在由生物量轉換碳儲量時都是使用轉換系數實現的, 而且所用的轉換系數或者不分樹種、或者不分林齡, 使用同一的轉換系數。這些方法僅適合于大尺度森林植被類型的碳儲量計量與評價, 而未能解明不同樹種由于碳儲存速率變化差異引起的含碳量變化規律; 特別是對樹種單一的人工林來說, 究竟單位面積的森林在單位時間內能儲存多少碳, 碳匯的多少和人工林的林齡關系又是怎樣。因此, 對樹木生長過程中的不同林齡的碳匯儲量進行計量, 在評價人工林碳儲功能方面具有重要的現實意義。

近些年來, 大氣CO 2 濃度上升引起的溫室效應及其所帶來的一系列生態環境變化已經越來越明顯, 解決溫室效應所帶來的影響已成為廣大學者研究的首要目標。有研究表明, 森林植物在其生長過程中可通過同化作用吸收大氣中的CO 2, 以生物量的形式將其固定在植物體和土壤中, 使森林成為陸地生態系統最重要的碳匯或碳庫[35]。全球的森林面積只占土地面積的27. 6% , 但森林植被碳貯量卻占全球植被的77% , 森林土壤的碳貯量約占全球土壤的39%; 單位面積森林生態系統碳儲量是農地的1. 9～5 倍[36]。2005 年2 月16 日, 旨在遏制全球氣候變暖的《京都議定書》正式生效。這是人類歷史上首次以法規的形式限制溫室氣體排放?！毒┒甲h定書》是在《聯合國氣候變化框架公約(UN FCCC)》下制定的, 它被公認為是國際環境外交的里程碑, 是第一個具有法律約束力的旨在防止全球變暖而要求減少溫室氣體排放的條約?！毒┒甲h定書》第12 條還確立了清潔發展機制(clean development mechanism, 簡稱CDM ) (UN FCCC, 1997), 通過該機制, 有減排義務的工業化國家可以在發展中國家實施土地利用變化和林業碳匯項目, 用項目產生的源排放減少和匯清除的增加來實現其所承諾的減限排目標[11]。同時,北半球森林生態系統與大氣之間存在著較大的CO 2負通量, 是吸收人類排放CO 2 的一個重要的匯[38, 39]。這些都為發達國家和發展中國家之間在林業領域內的合作提供了機會。我國地域遼闊, 具有廣大的森林面積, 利用這一機遇發展以碳匯為目的的森林經營, 發展碳匯貿易不僅可以得到資金和技術上的支持, 同時, 對我國的經濟發展也具有積極的意義。

我國的碳匯造林項目起步較晚, 但可喜的是, 在政策的大力支持下, 近幾年各地的碳匯造林項目也日益活躍起來。比如我國首個“碳匯”合作項目――“中國東北部敖漢旗防治荒漠化青年造林項目”的正式實施[1], 正是中國國家林業局與意大利國家環境和國土資源部根據《京都議定書》清潔發展機制的造林再造林碳匯項目相關規定簽署的兩國合作造林項目。美國的3M 公司資助300 萬美元在四川、云南實施的造林、再造林項目, 目前正在穩步的進行中。

碳匯貿易的快速發展, 隨之而來的將要面臨的重大問題就是為碳匯而造的人工林碳匯計量方法的

問題。目前, 世界各地的學者對森林碳匯的計量方法已經做出了很大的研究, 歸納起來, 主要分為兩大類: 一類是與生物量緊密相關的反映碳累積量的現存生物量清查的方法。另一類是利用微氣象原理和技術測定森林CO 2 通量, 然后再將CO 2 的量換算成碳的儲量。第一類方法已經在我國得到了廣泛的應用, 我國許多專家和學者也對該方法進行了研究。第二類方法在國外已經取得了很大的成果, 到目前為止已經建立了150 多個觀測站, 我國在這方面起步較晚, 2002 年, 中科院正式啟動了中國陸地生態系統碳通量觀測項目, 已經分別在長白山、千煙洲、鼎湖山和西雙版納設立了4 個典型森林生態系統CO 2通量定位觀測站[18, 19]。由于各種方法所使用的原理和儀器都有所不同, 在對計量森林的碳匯時結果都有一定的差異, 因此, 本文將著重對各種碳匯計量方法進行歸納整理。

1 相關的概念

碳是一切有機物的基本成分, 也是構成生物體的主要元素, 約占生物體干重的一半左右, 碳循環及其空間分布與生態系統的維持、發展和穩定性機制有著密切的聯系[2]。在全球變化與陸地生態系統的研究中, 最基礎的和最受重視的是全球碳循環問題也即溫室氣體的“源(source)”和“匯集sink)”的問題,尤其以主要溫室氣體- CO 2 的源匯為重點研究領域。所謂“碳匯”, 是指從大氣中清除CO 2 的過程、活動或機制。大氣、海洋及森林等陸地生態系統通常被稱為地球上的三大碳庫。森林與CO 2 的變化關系密切, 一方面森林生長可吸收并固定CO 2, 是CO 2的吸收匯、貯存庫和緩沖器, 另一方面森林的破壞又是CO 2 的排放源。通過造林、退化生態系統恢復、建立農林復合系統、加強森林可持續管理等措施可增加陸地碳吸收量?！疤紖R造林”是指通過森林起到固碳作用, 以此來充抵減排二氧化碳量的義務, 通過市場機制實現森林生態效益價值補償的一種重要途徑。清潔發展機制(CDM )下的造林再造林碳匯(Carbon Sequestra2tion) 項目是《京都議定書》框架下發達國家和發展中國家之間在林業領域內的唯一合作機制。根據規定, 可由發達國家提供資金或技術給發展中國家用于溫室氣體減排, 發展中國家通過發達國家提供的投資和技術來促進本國的可持續發展, 而發達國家可以得到二氧化碳減排量, 來滿足其減排承諾。

2 碳匯研究的計量方法

森林碳匯計量方法是評價森林碳匯生態效益大小的基礎工作, 在此基礎上可以開展森林碳匯管理和經濟評價, 為全面開展以碳匯為目的的森林經營打好基礎。在森林碳匯計量的方法的研究上, 國內外的很多專家已經提出了許多方法。

2. 1 生物量法

生物量法是目前應用最為廣泛的方法, 其優點就是直接、明確、技術簡單。即采用根據單位面積生物量、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計算而。最早應用生物量法時, 是將森林通過大規模的實地調查,得到實測的數據, 建立一套標準的測量參數和生物量數據庫, 用樣地數據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, 估算生態系統的碳儲量[29, 30]。方精云等[4]就是利用生物量方法推算中國森林植被碳庫, 采用土壤有機質含量估算我國土壤碳庫。計算結果表明: 我國陸地植被的總碳量為6. 1×109t, 其中森林4. 5×109t, 疏林及灌木叢0. 5×109t,草地1. 2×109t, 作物0. 1×109t, 荒漠0. 2×109t,沼澤地0. 8×109t, 其他0. 3×109t。陳遐林運用生物量法對華北各主要森林類型生態系統總碳貯量進

行了計算, 分別為油松235. 082 t hm2, 落葉松54. 140 8 t hm2, 樺木林269. 896 6 t hm

2, 楊樹林170. 911 2 t hm2, 柞木林642. 6994 t hm2。各主要森林類型生態系統平均貯碳密度從小到大順序依次為油松132. 88t hm2, 楊樹林140. 10 t hm2, 柞木林188. 79 t hm2, 落葉松203. 38 t hm2, 樺木林448. 04t hm2[5]。

由于樹木既有低碳組織, 又有高碳組織, 所以目前在對生物量轉化為碳含量時的轉換系數大多在

0. 45～0. 55 之間, 但究竟在什么狀態下運用什么系數都只是憑經驗來選擇, 而并沒有相應的準確的規定。樹木生長是一個動態的過程, 生物量的積累不僅和樹種本身有關, 還與立地質量、氣候條件等多方面因素有關。即使是相同樹種, 在相同立地條件, 相同氣候條件下, 其一生的生物量積累也會有明顯的差別。同時, 計算生物量時往往只考慮地上部分, 即便考慮了地下部分, 由于取樣的困難, 往往也很難得到精確的數據。這樣一來, 運用生物量法對森林碳匯進行計量勢必會造成很大的誤差, 使計量的精度下降。

2. 2 蓄積量法

蓄積量法是以森林蓄積量數據為基礎的碳估算方法。其原理是根據對森林主要樹種抽樣實測, 計算出森林中主要樹種的平均容重(t〓m- 3), 根據森林的總蓄積量求出生物量, 再根據生物量與碳量的轉換系數求森林的固碳量。

郎奎建等認為森林固碳的“因變量是一個附加在林木蓄積生長率上的變量”[7]。楊永輝等采用一定時期內碳庫變化主要通過森林蓄積的增加與森林內其它生物成分之間的關系, 求取由于森林蓄積的變化帶來的整個森林碳庫的變化[8]。法國Peyron 等(2002)通過用不同樹種的立木材積乘以它們的換算因子, 計算得出的碳匯。從木材體積到碳噸數的換算因子為: 1m3 木材= 0. 28 t 碳(針葉樹和楊樹); 1m3木材= 0. 30 t 碳(除楊樹外的闊葉樹)。李意德等人[9]采用蓄積量法對云南南部熱帶森林的碳庫總量進行了估算, 結果表明, 海南熱帶天然林(含原始林和天然更新林)的碳庫總量為. 719～0. 734 億t, 云南南部的熱帶天然林的碳素庫總量在0. 653 億t 以上。因此我國熱帶林目前的碳總量在1. 372～1. 387億t 以上?？祷輰幍萚10]采用蓄積量法對中國森林固碳的現狀和潛力進行了估計和預測, 結果表明, 中國森林目前碳積累高于碳釋放, 年平均凈碳匯量為0. 862 7×108t a, 在未來20 a 內中國森林凈碳匯能力約增加773×108t a。

可以說, 蓄積量法是生物量法的延伸, 它繼承了生物量法的優點, 如操作簡便, 技術直接、明了, 有很強的實用性。但是, 由于是生物量法的繼承也就在所難免的產生一些計量誤差。在對轉換系數的選擇上只區分了樹種, 而對其它因素卻并沒有加以考慮, 因此并沒有實質性的突破, 在使用時仍然存在很大的誤差。

2. 3 生物量清單法

生物量清單法, 就是將生態學調查資料和森林普查資料結合起來進行[20]。首先計算出各森林生態系統類型喬木層的碳貯存密度(Pc,M gC〓hm- 1)。Pc = V ×D × r ×Cc式中,V 是某一森林類型的單位面積森林蓄積量,D是樹干密度,R 是樹干生物量占喬木層生物量的比例,Cc 是植物中碳含量(常采用0. 45[21])。然后再根據喬木層生物量與總生物量的比值, 估算出各森林類型的單位面積總生物質碳貯量。王效科等[14]利用這種方法對各森林生態系統類型的幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林的植物碳貯存密度進行估算, 再根據相應森林類型的面積得到中國各森林生態系統類型的植物碳貯量,最后得出中國森林生態系統的現存的植物碳貯量為3. 255～3. 724 PgC, 而且不同齡級的碳密度差距明顯。

生物量清單法的優點是顯而易見的。由于有了公式作為基礎, 其計量的精度大大提高。應用的范圍也更加廣泛。但為了達到需求的數據, 往往要消耗大量的勞動力, 并且只能間歇地記錄碳儲量, 而不能反映出季節和年變化的動態效應。同時, 由于各地區研究的層次、時間尺度、空間范圍和精細程度不同, 樣地的設置、估測的方法等各異, 使研究結果的可靠性和可比性較差。另外, 以外業調查數據資料為基礎建立的各種估算模型中, 有的還存在一定的問題, 而使估測精度較小, 因而需要不斷改進、完善[22]。

2. 4 渦旋相關法

渦旋相關法(Eddy correlation method) 是以微氣象學為基礎的一種方法。這一方法首先是應用于測量水汽通量, 20 世紀80 年代已經拓展到CO 2 通量研究中[24, 27]。渦旋相關技術僅僅需要在一個參考高度上對CO 2 濃度以及風速風向進行監測。大氣中物質的垂直交換往往是通過空氣的渦旋狀流動來進行的, 這種渦旋帶動空氣中不同物質包括CO 2 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系統固定或放出CO 2 的量。其計算公式為:

Fc = Q′w ′

其中Fc 是CO 2 通量, Q是CO 2 的濃度,w 是垂直方向上的風速。字母的右上標(小撇)是指各自平均值在垂直方向上的波動即渦旋波動, 橫是指一段時間(15～30m in)的平均值。這一思想產生得較早,然而由于需要的儀器設備昂貴, 使得這一技術直到20 世紀80 年代才拓展到CO 2 通量研究中。Euroflux 實驗室的科學家應用渦旋相關法集中研究了不同緯度歐洲森林的CO 2 通量的變化[27]。M alhi 等[28]應用渦旋相關技術對熱帶森林、溫帶森林和北方森林的季節變化模式進行研究表明, 熱帶森林全年都表現出凈碳匯, 而高緯度地區的森林則在生長季節為匯, 在冬季則為源。劉允芬等用該方法對千煙洲人工針葉林生態系統的碳通量進行分析,得出該生態系統全年各個月都為碳匯, 但碳存儲量各月之間變化明顯[13]。

渦旋相關法的特點是直接對森林與大氣之間的通量進行計算, 能夠直接長期對森林生態系統進行

CO 2 通量測定, 同時有能夠為其他模型的建立和校準提供基礎數據而聞名。但是, 這一方法需要較為精密的儀器, 這些儀器在使用上都有嚴格的要求, 這樣對測量者的素質要求較高。在數據處理, 還需要包括二階距量變換、坐標軸旋轉、能量守恒閉合等多種方法的校正和數據質量控制, 最終才能得到滿意的結果。

2. 5 渦度協方差法

以微氣象學為基礎的渦度協方差法(Eddy co2variance method)是最為直接的可連續測定的方法,盡管還存在著一些不足之處, 該方法仍然作為現今碳通量研究的一個標準方法獲得了廣泛應用

(Goulden , 1996;Law 等, 1999; 王文杰等, 2003)。采用此方法需要對能量、水分、CO 2 進行分別測定。其中能量(風)的測定由三維超聲波風速儀來完成, 水分與CO 2 濃度則由閉路式紅外氣體分析儀來完成。CO 2 通量即林分的凈生態系統交換量由10 Hz 的CO 2 H 2O 濃度與垂直風速的原始數據經過協方差計算而來, 平均時間長為0. 5 h (Hollinger 等, 1998;wang 等, 2004)

Fs = Q′w ′S ′式中: Q是空氣的密度, S 代表研究的對象物質(CO 2), 上角標(′) 表示與平均值間的偏差, 上劃線(―)表示平均值。

我國在陸地生態系統CO 2 通量和其它溫室氣體研究方面, 尤其是運用渦度協方差法和馳豫渦旋

積累法(Relaxed eddy accumulation)進行溫室氣體的研究剛剛起步(于貴瑞和孫曉敏, 2006)。王文杰等[16]應用渦度協方差法對帽兒山實驗林場老山實驗站的落葉松林的CO 2 通量進行了測定, 并將測定的結果與應用生理生態法測定的結果進行比較, 其結果是, 在考慮林下植被的時候, 渦度協方差法的測定結果非常準確。

由此可以看出, 渦度協方差法在對大范圍的整個生態系統的碳匯測定時具有很好精度。但該方法

所需要的設備比較昂貴, 操作難度比較大, 實驗的周期也比較長。這樣一來勢必會造成實驗成本的增加,所以該種方法目前在國內使用的也比較少。

2. 6 馳豫渦旋積累法

隨著氣象技術的發展, 直接跟蹤大氣CO 2 與森林的交換來研究森林的碳匯也已經發展起來, 馳豫渦旋積累法就是其中之一。馳豫渦旋積累法是渦旋積累法的發展。Desjardins[25]首先應用這一技術, 其基本思想是根據垂直風速的大小和方向采集兩組氣體樣品進行測量。然而, 這一技術當時并沒有獲得成功, 因為很難根據垂直風速的大小和方向進行不等時瞬時采樣。這一技術的實用型直到在渦旋積累的思想中引入馳豫(relaxed)的思想, 使得不定時采樣轉換為定時采樣, 這一實用型被定名為馳豫渦旋積累法[31]。這一方法需要一維聲速風速儀、紅外線CO 2 分析儀、快速反應螺旋管閥門、數據比較器、數據記錄儀、導管系統以及空氣泵等。數據比較器用于比較從聲速風速儀所得到的即時垂直風速信號與數據記錄儀所得到的一定時間(200 s)的平均值。通過這種比較, 數據記錄儀就可以估計渦旋是上行還是下行, 繼而開通或關閉連接2 個空氣收集袋的閥門。

通過數據記錄儀的程序化設計, 紅外線CO 2 分析儀間隔一定時間(3 m in) 開啟或關閉其通道即可以連續監測2 個收集袋內CO 2 的濃度[15]。由于該方法所應用的儀器都是比較精密的昂貴設備, 加之實際操作過程中要把設備架設到林冠的上方, 這就使監測出現一定的困難, 所以該方法目前

在國內并沒有得到很好的應用。在國外該方法在進行森林碳匯計量的時候應用較多。

3 小結

綜上所述, 各種方法都有其各自的優缺點, 研究人員可以按照不同的目的和要求對森林的碳匯采用不同的方法進行計量。在當前《京都議定書》和清潔發展機制的促動下, 我們需要一種更為直接, 更為精確, 可以針對不同樹種, 針對同一樹種的不同年齡的計量森林碳匯的方法。可目前運用最為普遍的就是通過測量生物量, 或測量蓄積量, 然后推出碳匯儲量, 在眾多的研究中, 研究的對象都是大范圍的森林生態系統, 或者是省級、國家級的自然保護區, 采用的方法都是通過計算森林生態系統各組成部分的生物量, 再乘以轉換因子求算林地的現存固碳總量。即使已有學者通過計算林木各生理部分的碳儲量, 其方法也是先計算蓄積量, 在換算成生物量, 最后乘以轉換因子。有的國家(森林管理基礎好的)用生物量直接計算碳儲量。但是無論哪種方法, 在由生物量轉換碳儲量時都是使用轉換系數實現的, 而且所用的轉換系數或者不分樹種、或者不分林齡, 使用同一的轉換系數。這些方法僅適合于大尺度森林植被類型的碳儲量計量與評價, 而未能解明不同樹種由于碳儲存速率變化差異引起的含碳量變化規律; 特別是對樹種單一的人工林來說, 究竟單位面積的森林在單位時間內能儲存多少碳, 碳匯的多少和人工林的林齡關系又是怎樣。因此, 對樹木生長過程中的不同林齡的碳匯儲量進行計量, 在評價人工林碳儲功能方面具有重要的現實意義。

會復活狗計劃非讓他以后。