方精云生物量 国内外森林生物量碳储量估测现状存在问题及展望
摘 要:总结了国内外森林生物量与碳储量估算研究成果,提出了研究过程中存在的问题及展望,对森林生态系统碳储量及碳循环的研究以及了解中国森林生态系统结构有着重要意义。
关键词:森林生物量;碳储量;碳循环;现状;展望
1 森林生物量/碳储量估测研究的意义
温室气体的持续高速排放,将会使全球平均温度升高,因而导致冰川融化海平面上升、全球气候异常、沙漠化加剧等,给人类社会的可持续发展带来不利影响。全球碳循环不仅深刻影响着区域生态系统的变化,同时对人类赖以生存的自然环境产生重要影响。因此,全球碳循环是当前自然气候环境和区域可持续发展的研究重点之一,受到各国政府的高度重视。
1992年国际社会通过《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)确定了“共同但有区别的责任”原则,以遏制大气CO2浓度快速升高的势头;1997年通过《京都议定书》规定主要工业化国家在2008~2012年期间,其温室气体排放量在1990年的基础上平均减少5.
2%;2007年确定“巴厘岛路线图”要求发达国家于2020年将温室气体排放量在1990年基础上削减25%~40%。这些具有法律效力的议定书以及公约凝聚了国际社会的共识,各个国家通过造林与再造林、森林与农田管理等方式来增加碳汇,以此达到本国所承诺的温室气体减排指标。
各发达国家加大了对本国碳汇/源与碳收支平衡的研究力度,寻求CO2减排与增汇对策技术以适应《京都议定书》相应条款。
我国作为世界上最大的发展中国家,世界上仅次于美国的第二大CO2排放国,从远期来看,我国参与全球减排行动甚至承担减排的义务在所难免。森林作为陆地生态系统最主要的碳库,大约有77%的全球植被碳储藏在森林生物量中。因此,对森林生态系统碳储量及碳循环的研究不仅对了解中国森林生态系统结构有着重要意义,同时为我国参与相关国际气候会议的谈判提供科学依据。
2 森林生物量/碳储量研究进展
2.1 国外森林生物量碳储量研究概况
森林碳储量的研究通常是以森林生物量的研究为基础。早在19世纪90年代,德国林学家Ebermayer通过对森林树枝的落叶量以及木材重量的测定,得到其与森林生产力间的关系。到20世纪中叶,以各种生态系统生物量和生产力为中心的研究开始在世界范围大规模展开,这些都促进了全球性的森林生态系统碳储量研究的全面展开。
到20世纪末,各国林业部门开始评价本国森林对全球碳平衡的贡献以及估算森林碳储存能力的工作高潮。大型的碳通量观测网络的建立将作为良好的科学平台,服务于全球森林生态系统碳交换的研究。
迄今对世界森林碳储量的研究主要集中在北方针叶林、北半球中纬度温带森林等。在20世纪80、90年代,各国学者对各森林类型也都进行了进一步的研究,如Kurz、Heath及Brown分别对北方森林、温带森林及热带森林进行了相应研究。
Gilabert等利用遥感的方法对作物冠层叶面积指数、生物量和归一化植被指数(NDVI)间的关系进行了研究。Zheng等研究表明,松树林地上生物量与NDVI关系密切。Lu探讨了TM数据纹理和地上生物量间的关系,得出遥感影像的纹理对成熟林生物量的估测精度有相应的提高。
近期研究发现,热带森林可能是一个重要碳汇[1],而过去认为森林碳汇主要集中在北方的中、高纬度森林区域,表明未知碳汇可能分散于全球更大范围的生态系统中。
由于森林碳储量估计中的不确定性,以及陆地表面的不均匀性,目前还不能够根据目前的技术和数据来确切地回答北半球的碳汇数值以及它的空间分布。因此,对森林碳储量以及碳汇的研究成为各国政府的一项重要任务。
2.2 国内森林碳储量研究概况
我国科学家针对不同区域对我国森林生物量与碳储量进行了研究。如李意德等[2]通过对海南岛尖峰岭五分区的热带雨林设固定样地,根据已有研究建立的热带山地雨林混合树种的生物量估测模型计算林分生物量。方精云等[3]利用野外实测数据与森林资源清查资料,建立了生物量换算因子连续函数法,以此来推算国家尺度的森林生物量。
郭志华等利用由野外调查获得的地面样地生物量数据,建立估测针叶林与阔叶林材积的最优回归模型,并以此推算出粤西地区森林的生物量。
国庆喜利用大兴安岭南坡TM影像和对应地域森林资源一类清查样地数据计算出大兴安岭南坡区森林生物量。李健等利用Landsat TM数据对都阳湖湿地植被生物量进行建模,通过利用多种植被指数对生物量的数据进行线性与非线性回归分析表明,非线性回归所得到的结果更优。
焦燕等采用黑龙江省国家森林资源清查资料,利用材积源-生物量法推算出森林生物量,结果显示黑龙江省森林碳储量呈增加趋势,很好起到了碳汇的作用。刘华等利用秦岭火地塘林场森林资源数据,根据研究区树种生物量的回归方程计算出秦岭火地塘林区尺度的森林生物量,进而推算秦岭森林碳储量和碳密度。
我国对不同森林类型的固碳能力也进行了一些研究,如周玉荣对我国的森林生态系统的碳储量进行了研究,显示温性针叶林与暖性针叶林碳密度相差很小。方精云用森林资源清查资料和已有的生物量实测资料,利用改良的生物量换算因子法,对中国森林碳库及碳密度的变化进行了研究。
方晰结合会同定位观测站获得的数据,对速生杉木人工林生物量、碳密度与碳贮量进行了研究。周国模用标准样方法研究了浙江省临安市青山和三口两乡镇的毛竹林碳密度。
利用遥感手段研究碳汇在我国起步较晚,黄敬峰等对天山北坡中段的天然草地进行了研究,建立不同的草地类型遥感动态监测模式。张良培等采用高光谱对应样本的NDVI,建立与测得的生物量数据间的回归模型,其相关系数在0.
8以上。孙睿利用植被指数和植被吸收光合有效辐射比例间的线性关系,计算植被净第一性生产力。邢素丽等利用ETM数据探讨落叶松林生物量的估算方法,建立了落叶松林生物量与ETM数据的回归模型。高志强等用遥感观测为基础的土地利用数据和高时空分辨率的气候数据,估计土地利用和气候的变化对农牧过渡区、植被碳储量和碳储量以及净生态系统生产力影响[4]。
2.3 存在的问题及展望
森林生态系统植被生物量与碳储量估计的研究,随着先进技术的应用和模型的发展,也得到了较大的发展,但在碳储量的研究中依然存在着一些问题。其主要体现在以下几个方面:
2.3.1 用来建立估算森林生物量与碳储量模型的野外实测数据存在局限。由于野外实测的样地数目不足、实测数据的不充分性以及样地分布不能遍及整个研究范围,使得野外实测数据不具有代表性,当用来估测区域森林生物量与碳储量时,难以满足估测的精度需要,这样将会导致实测数据不准确,从而影响森林植被生物量与碳储量的估测结果。
2.3.2 基于森林资源清查数据进行的生物量与碳储量估测,很难获得与时空尺度一致的实测数据。由于每次的清查数据是5个省不同年份的调查累加数据,当估算大区域尺度上的森林生物量与碳储量时,就会出现所获得的森林资源清查数据调查时间不一致,同时空间分布不连续等问题,从而导致估测的时效性差。
2.3.3 样地观测数据与遥感图像的匹配问题。由于样地的面积一般小于遥感图像的一个像元,两者间的位置误差将会直接影响到估测的准确性,不少学者采用样地所在像元及其周围四个像元的平均值,使样地数据距离实际值的波动减小,带来相应误差。
2.3.4 森林生物量与遥感数据的相关性问题。为方便建立估测森林生物量与碳储量的模型,需寻找到与森林生物量相关性高的遥感数据,而关于如何找到相关性高且具有广泛适用性的遥感数据依然有待研究;遥感信息对树木不同部分生物量间比例的关系依然有待研究。
尽管存在上述问题,对于森林生物量与碳储量的研究,仍需充分利用森林资源清查数据,采用遥感和样地清查数据相结合的方法对森林生物量与碳储量进行估算,实现森林生物量与碳储量的估测在时间与空间尺度上的一致性和连续性,从而掌握森林碳储量空间分布的情况。未来遥感生物量估测的发展将是通过对具有生态与生理学意义的机理模型的研究,利用人工神经网络的自组织、自学习以及高度容错性等优点来进行高精度的定量估测。
(收稿:2016-05-17)
参考文献:
[2]李意德,吴仲民,曾庆波等.尖峰岭热带山地雨林群落生产和二氧化碳同化净增量的初步研究[J].植物生态学报,1998,22(1):127-134.
[3]方精云,陈安平,赵淑清,慈龙骏.中国森林生物量的估算: 对Fang等Science一文(Science 2001,191: 2320-2322)的若干说明[J].2002,植物生态学报,26:243-249.
[4]高志强,刘纪远,曹明奎,李克让,陶波.土地利用和气候变化对农牧过渡区生态系统生产力和碳循环的影响[J].中国科学D辑,2004,34(10): 946-957.
作者简介:王晶(1982-),女,河南信阳,汉族,信阳农林学院教师,主要从事林业经济管理教学与研究。
