我國(guó)森林碳匯量的動(dòng)態(tài)估算

我國(guó)森林碳匯量的動(dòng)態(tài)估算

中國(guó)的森林碳交換計(jì)算方法不同，計(jì)算結(jié)果也不同。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)森林碳匯的計(jì)量方法主要有蓄積量法、生物量法和基于蓄積量法、生物量法的生物清單法。對(duì)于生物量——碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換因子,多采取固定值或?qū)嶒?yàn)值。形成的估算結(jié)果為靜態(tài)的,不能反映碳匯功能的動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)。受資料和數(shù)據(jù)來(lái)源的限制,大多數(shù)研究采用靜態(tài)平衡分析法,較少綜合動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。在森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能研究中存在著許多不確定性,這就導(dǎo)致在研究中采用了許多的假設(shè)和間接推斷,而無(wú)法得知研究結(jié)果精確程度。同時(shí),這種不確定性大大影響了對(duì)全球碳匯變化預(yù)測(cè)的科學(xué)性和可靠性。因此,精確估算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能是目前森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中所要解決的首要問(wèn)題。筆者對(duì)現(xiàn)有的核查方法進(jìn)行了創(chuàng)新,根據(jù)森林生物學(xué)結(jié)構(gòu)的分子式確定不同樹(shù)種的含碳率,估算各樹(shù)種的碳匯量,為我國(guó)森林碳匯量功能做出動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。1森林資源規(guī)劃與生物量轉(zhuǎn)化1.1森林資源系統(tǒng)仿真模型森林資源系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),不僅與森林資源本身密切相關(guān),還與社會(huì)、人口、生活水平等諸多因素密切相關(guān),同時(shí)與國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)形式、各項(xiàng)政策直接相關(guān),所以需要用系統(tǒng)方法進(jìn)行分析,整體運(yùn)行綜合研究。根據(jù)森林資源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)制,張麗霞等建立森林資源系統(tǒng)預(yù)測(cè)仿真模型。該仿真模型內(nèi)存在上百個(gè)因果反饋環(huán),主要參數(shù)均為內(nèi)生變量,模型對(duì)參數(shù)及數(shù)據(jù)依賴(lài)性小,系統(tǒng)可靠性、真實(shí)性、剛性均很強(qiáng),能真實(shí)反映森林資源運(yùn)行及政策決策的過(guò)程。其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)在STALLA平臺(tái)上的仿真結(jié)果,分析了我國(guó)森林資源未來(lái)發(fā)展動(dòng)態(tài),得出森林蓄積量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。1.2及其擬合結(jié)果根據(jù)收集到的全國(guó)森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(1989至1993年、1994至1998年、1999至2003年),可以得到各樹(shù)種的蓄積量百分比。為了建立時(shí)間與樹(shù)種蓄積量比例之間比較合適的回歸模型,利用各樹(shù)種蓄積量比例與時(shí)間之間的曲線(xiàn)關(guān)系,采用多種非線(xiàn)性模型對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行擬合。針對(duì)模型的擬合結(jié)果,利用相關(guān)指數(shù)(R2)來(lái)評(píng)價(jià)模型的擬合優(yōu)度,通過(guò)比較選取最適合的回歸模型。并以此模型對(duì)樹(shù)種未來(lái)的蓄積量比例做出預(yù)測(cè),部分樹(shù)種的蓄積量比例回歸結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)各樹(shù)種蓄積量比例回歸方程可對(duì)各樹(shù)種的蓄積量比例進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)值見(jiàn)表2。1.3每種樹(shù)種的生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)1.3.1樹(shù)木干的密度不同林木的樹(shù)干密度也不同,為了精確估算不同林木的生物量,根據(jù)中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材研究所1982年測(cè)定的結(jié)果,得到樹(shù)木樹(shù)干的密度表見(jiàn)文獻(xiàn)。1.3.2喬木層生物量根據(jù)我國(guó)森林資源清查資料,無(wú)法獲得具體的森林生態(tài)系統(tǒng)中林木各器官的生物量,而且由于研究條件所限,選取了王效科對(duì)于中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)生物量研究的結(jié)果之一作為樹(shù)干生物量占喬木層生物量比例R值。在對(duì)全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的總體統(tǒng)計(jì)分析中,喬木層生物量在各器官之間的分配比例的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差較小。從表3可看出,中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)中的樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)葉、果實(shí)、樹(shù)根生物量占喬木層生物量的平均值分別為51.83%、8.44%、14.48%、9.19%、0.72%、20.59%。因此,R取51.83%。2碳儲(chǔ)存與碳交換的研究方法2.1樹(shù)體體中各含碳率的關(guān)系森林生物量及其組成樹(shù)種的含碳率是研究森林碳匯量的兩個(gè)關(guān)鍵因子,對(duì)它們的準(zhǔn)確測(cè)定及估計(jì)是估算森林碳匯量的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)對(duì)不同區(qū)域及不同森林類(lèi)型的生物量和生產(chǎn)力的研究已經(jīng)有數(shù)百例,而對(duì)森林群落組成樹(shù)種含碳率的測(cè)定報(bào)道較少,難以滿(mǎn)足對(duì)森林碳儲(chǔ)量的精確估算。在過(guò)去的估算研究中,國(guó)內(nèi)外研究者大多采用平均含碳率取0.5;也有采用平均含碳率取0.45。只有極少數(shù)研究根據(jù)不同森林類(lèi)型采用不同的含碳率。筆者根據(jù)不同樹(shù)種的化學(xué)組成及化學(xué)成分的分子式來(lái)確定不同樹(shù)種的含碳率。樹(shù)木是森林植物的主體,而植物體中的元素均是相同的,要確定植物體中的元素,就必須先確定植物體中的含有物。植物體中,除水和少量礦物質(zhì),還含有大量的有機(jī)性物質(zhì)。其元素以碳、氫、氧為主,氮、硫、磷為輔,其他氯、鐵、鎂、硅、鈣、氟、鈉、鉀、錳、鋁等則含量極微。這16種元素,或存在于有機(jī)物中,或存在于水中,或存在于灰中,其分配如下:碳49.9%～57.0%,氫6.0%～6.6%,氮0.9%～1.5%,氧37.4%～43.1%。若將灰分與水分也分別計(jì)算,則碳40%,氫5%,氧及氮35%,灰分1%,水分20%,在不同的樹(shù)種中,這些元素的含量不同。但組成植物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中的含碳率卻是相同的,不因樹(shù)種不同而不同。纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)分子式為(C6H10O5)n(n為聚合度)。不論來(lái)源于何種植物,纖維素都具有同樣的化學(xué)結(jié)構(gòu)。半纖維素分子式為(C5H8O4)n,可用水或堿液直接從木材或從綜纖維素中提取。木質(zhì)素在木材中的含量為20%～40%。木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元是苯丙烷,同時(shí)確認(rèn)了在苯環(huán)上具有甲氧基存在。作為木質(zhì)素的主體結(jié)構(gòu),以苯丙烷為結(jié)構(gòu)主體,共有三種基本結(jié)構(gòu)(非縮合型結(jié)構(gòu)),即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)。不同樹(shù)種的木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)單元也不相同,如針葉樹(shù)木質(zhì)素以愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)單元為主,紫丁香基結(jié)構(gòu)單元和對(duì)羥基結(jié)構(gòu)單元很少或沒(méi)有。因此,由樹(shù)木得到的能量和化學(xué)產(chǎn)品都來(lái)自樹(shù)木的組成物質(zhì),主要是形成木材的細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)成分:纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。根據(jù)纖維素、半纖維素的分子式,以及分子式中各種元素的原子量、含有原子的個(gè)數(shù),可以得到碳元素占纖維素重量的4/9,占半纖維素重量的5/11。根據(jù)木素結(jié)構(gòu)單元的不同,碳元素在分子中的含量分別82.2%(愈創(chuàng)基結(jié)構(gòu))、70.6%(紫丁香基結(jié)構(gòu))、86.4%(對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu))。文中的木質(zhì)素中的碳元素比重按愈創(chuàng)基中的碳元素比重計(jì)量。不同樹(shù)種中,根據(jù)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的組成比例,以及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中碳元素所占重量比例,就可以得到不同樹(shù)種的含碳率:含碳率=纖維素含量×49+×49+半纖維素含量×511+×511+木質(zhì)素含量×82.2%。(1)針葉混的含碳量取針葉樹(shù)種含碳量均值,針闊混的含碳量取針葉樹(shù)種和闊葉樹(shù)種的均值,水胡黃的含碳量取水曲柳、胡桃楸、黃檗含碳量的均值,硬闊類(lèi)含碳量取雜木含碳量值,軟闊類(lèi)含碳量取楊樹(shù)含碳量值,雜木含碳量取橡樹(shù)含碳量值,闊葉混的含碳量取闊葉樹(shù)種含碳量均值,矮林取0.5。2.2森林碳匯估算結(jié)果以林分各樹(shù)種為核算單元,基于我國(guó)森林資源清查資料,以森林生物學(xué)結(jié)構(gòu)的分子式為計(jì)量的主要依據(jù),對(duì)我國(guó)森林碳匯量進(jìn)行估算,并通過(guò)對(duì)不同樹(shù)種蓄積量比例的預(yù)測(cè),結(jié)合森林資源動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)森林碳匯量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。根據(jù)清查數(shù)據(jù)可以得到森林各組成樹(shù)種的蓄積量。不同樹(shù)種樹(shù)干的密度不同,用樹(shù)種的蓄積量乘以樹(shù)干的密度可以得到不同樹(shù)種樹(shù)干的生物量。樹(shù)木的生物量分為樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝、樹(shù)葉、果實(shí)和樹(shù)根生物量。確定樹(shù)干生物量占樹(shù)木總生物量的比例,就可以由樹(shù)干生物量推算出樹(shù)木總的生物量。不同樹(shù)種中的碳密度與生物量相乘可以得到不同樹(shù)種的碳含量,再根據(jù)碳元素分子質(zhì)量在二氧化碳分子質(zhì)量中的比例就可以得到不同樹(shù)種的碳匯量。將各樹(shù)種的碳匯量匯總就可以得到我國(guó)森林碳匯的估算結(jié)果。C=∑i=1nVi×Di/Ri×Cci/TcC=∑i=1nVi×Di/Ri×Cci/Τc,(2)式中:C為碳匯量,V為某一森林類(lèi)型的森林蓄積量,D是樹(shù)干密度,R是樹(shù)干生物量占喬木層生物量的比例,Ci是植物中的含碳率,Tc是碳元素分子質(zhì)量在CO2分子質(zhì)量中所占的比例(3/11),i為樹(shù)種。森林碳儲(chǔ)量Cz為:Cz=∑i=1nVi×Di/Ri×CciCz=∑i=1nVi×Di/Ri×Cci。(3)根據(jù)表1、表3可以得到我國(guó)森林各樹(shù)種蓄積量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果,將結(jié)果帶入式(3)可以得到我國(guó)森林碳匯量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。3我國(guó)森林碳儲(chǔ)量、碳交換的測(cè)定和預(yù)測(cè)3.1森林碳儲(chǔ)量的估計(jì)根據(jù)我國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)(1999—2003年)中各樹(shù)種蓄積量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,并根據(jù)式(2)和式(3),計(jì)算基于我國(guó)森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(1999—2003年)的森林碳匯量如表4?；谖覈?guó)第6次森林資源普查中的按樹(shù)種調(diào)查統(tǒng)計(jì)的森林蓄積量資料,由表4可得我國(guó)森林的碳儲(chǔ)量為5503721906mg,即5.50Gt(1Gt=109mg)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中國(guó)森林碳儲(chǔ)量的估計(jì)結(jié)果分別為:3.72Gt、4.19Gt、4.45Gt、5.41Gt。可見(jiàn),文中所選取的計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)估算出的碳匯量最大,這個(gè)結(jié)果的產(chǎn)生有兩方面的原因:一是因?yàn)槲覈?guó)總體森林資源蓄積量的增加,這從我國(guó)第4、第5、第6次森林資源清查數(shù)據(jù)中可以明確看出,第4次森林資源普查中,各樹(shù)種的蓄積量為90871671hm3,第5次蓄積量為100856423hm3,第6次為120481368hm3;二是因?yàn)楹怂銋?shù)Cc的選取。其他學(xué)者在選取蓄積量——生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)時(shí),多采取固定值(0.45)或根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法獲得,而文中則根據(jù)植物分子式來(lái)進(jìn)行理論計(jì)算,其值比實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)偏大。3.2碳匯量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果根據(jù)我國(guó)森林資源蓄積量發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果(表1)及各樹(shù)種蓄積比例預(yù)測(cè)結(jié)果(表2),得到各樹(shù)種蓄積量發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。樹(shù)種蓄積量預(yù)測(cè)值(Vi)=森林資源蓄積量預(yù)測(cè)值×樹(shù)種蓄積量比例預(yù)測(cè)值。然后,根據(jù)式(2)及式(3),即可得到我國(guó)森林碳匯量的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn),在2001年,我國(guó)的森林碳匯量為19.44Gt,根據(jù)《世界資源報(bào)告2000—2001》中的數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)的二氧化碳排放量為33.63Gt,若減去森林吸收的二氧化碳量19.44Gt,則我國(guó)2001年的二氧化碳凈排放量為14.19Gt,減少了58%,這不但能夠?yàn)槲覈?guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造更大的空間,還可以使我國(guó)在有關(guān)減排、限排的國(guó)際談判中處于有利的地位。4靜態(tài)計(jì)量方法的不足筆者提出的新的計(jì)量方式,以森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),根據(jù)植物分子式確定不同樹(shù)種含碳量轉(zhuǎn)化系數(shù),既有理論依據(jù)、簡(jiǎn)單易行,又具有規(guī)范性、重復(fù)操作性。森林碳匯功能的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)也克服了以前估算方法只能進(jìn)行靜態(tài)計(jì)量的不足,為我國(guó)的生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更多的參考依據(jù)。采用該計(jì)量方法得出的我國(guó)碳儲(chǔ)量估