殷鳴放，楊 琳，殷煒達(dá)，畢剛?cè)?，張艷會，李智偉，譚希斌

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；2. 東京大學(xué)新領(lǐng)域創(chuàng)成研究科自然環(huán)境系，柏 277-8563；3. 黑龍江省第二森林調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，黑龍江 綏化 152000；4. 遼寧省錦州市林業(yè)局，遼寧 錦州 110036）

全球碳循環(huán)是碳元素在地球各個碳庫之間的不斷交換、循環(huán)周轉(zhuǎn)過程，它是地球化學(xué)循環(huán)中極為重要的組成部分。隨著全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系研究的深入，以及聯(lián)合國氣候變化框架協(xié)議的實(shí)施，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳平衡已成為國際生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林是碳循環(huán)的主體，森林面積占全球陸地面積的 27.6%，森林植被的碳貯量約占全球植被的 77%，森林土壤的碳貯量約占全球土壤碳儲量的 39%。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的46.6%左右[1]。趙敏等根據(jù)各省、市的針葉林和闊葉林蓄積量資料，估計(jì)出中國森林植被碳儲量約3 788.1Tg[2]。森林的生態(tài)功能包括防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生物多樣性、提供森林游憩和多種林產(chǎn)品。森林所具有的一般生態(tài)功能長期以來已經(jīng)成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)，然而森林碳匯功能直到近些年來才被社會和諸多學(xué)者重視和研究。森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有巨大的碳儲存能力，增加森林的碳匯量是世界公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)有效的減緩CO2濃度上升的有效方法。森林碳循環(huán)是全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GCTE）關(guān)系研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

因此，科學(xué)地計(jì)量與評估森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和碳儲量，特別是快速準(zhǔn)確地計(jì)量與評估森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量變化速率具有極其重要的科學(xué)意義與現(xiàn)實(shí)意義。本文試圖通過對森林固碳研究領(lǐng)域國內(nèi)外使用的幾種碳匯計(jì)量方法及其現(xiàn)狀的資料整理，介紹森林固碳研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，展望未來森林固碳研究的發(fā)展方向。

1 森林碳匯

在全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究中，全球碳循環(huán)問題即溫室氣體的“源”與“匯”問題，以主要溫室氣體——CO2的源匯為主要研究問題。《聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)》中將碳源定義為向大氣中釋放碳的過程或活動。動植物的呼吸作用、動植物本身的分解、化石燃料燃燒、大規(guī)模森林破壞、土地利用形態(tài)的改變，均形成大量的碳排放到大氣中。而碳匯一般是指從空氣中清除CO2的過程、活動、機(jī)制。簡單地說，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)固定的碳量大于排放的碳量，該系統(tǒng)稱為大氣中 CO2的匯，簡稱碳匯，反之，則為碳源[3]。由于森林具有儲存碳的“庫”的作用，因此可以形象的將森林看作是儲存碳的“碳庫”。林業(yè)碳匯，是指通過實(shí)施造林、再造林和森林管理，吸收大氣中的CO2并將其固定在植被或土壤中，從而減少大氣中CO2的濃度的過程和活動。

森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳庫循環(huán)和碳交換過程中具有主導(dǎo)地位，處于良好經(jīng)營狀態(tài)下的森林可以極大地提高森林碳庫的碳吸收速度和碳吸收能力。合理輪伐以及木材的合理利用可以延伸森林碳匯作用，從而更好地發(fā)揮森林的碳匯效果。

森林生物量約占全球陸地植被生物量的 90%[4]，它是森林固碳能力的重要標(biāo)志和評估森林碳收支的重要參數(shù)[5]。森林生物量的變化反映了森林的演替、人類活動、自然干擾(如林火、病蟲害等)、氣候變化和大氣污染變化等影響，是度量森林結(jié)構(gòu)和功能變化的重要指標(biāo)[6]。

我國森林生物量測定最早是由潘維濤、馮宗煒等人[7～8]于20世紀(jì)70年代末、80年代初開始進(jìn)行的，目前相關(guān)研究資料較為豐富，但由于各研究者所側(cè)重的領(lǐng)域有所不同，在研究地點(diǎn)、研究方法及森林類型等方面也存在差別，使得碳儲量的研究結(jié)果有所差異。當(dāng)時對全國森林植被生物量進(jìn)行了測定，隨后開展了大區(qū)域森林生物量的模擬研究，結(jié)果表明，對于某一森林類型，森林的生產(chǎn)力和生物量與森林自身的生物學(xué)特性（蓄積量、林齡等）有著密切的聯(lián)系[8]。因此，充分合理利用森林資源清查資料，結(jié)合已有的研究結(jié)果，可以提出評估不同類型森林碳收支的技術(shù)和方法，利用森林資源清查資料、模型和遙感數(shù)據(jù)也可從不同角度對我國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳密度進(jìn)行分析[9～11]。

2 森林固碳的研究方法及其現(xiàn)狀

2.1 樣地清查法

樣地清查法是指通過設(shè)立典型樣地，準(zhǔn)確測定森林生態(tài)系統(tǒng)中植被、枯落物或土壤等碳庫的碳儲量，并通過連續(xù)觀測來獲得一定時期內(nèi)的碳儲量變化情況的推算方法[12～13]。它主要可分為3類：平均生物量法[14]、生物量轉(zhuǎn)換因子法[15～16]和生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法。這3種計(jì)算方法由同樣數(shù)學(xué)推理方法得來。還有研究者將樣地清查法分為生物量法、蓄積量法及生物量清單法。這些方法與之前提到的3種方法雖然存在名稱、定義、計(jì)算步驟上的差別，但是在原理上基本沒有區(qū)別，因此本文詳細(xì)介紹前面提出的3種方法。

2.1.1 平均生物量法 生物量是指一個有機(jī)體或群體在一定時間內(nèi)積累的有機(jī)質(zhì)總量，森林生物量通常以單位面積或單位時間積累的干物質(zhì)量或能量來表示[17]。平均生物量法是指基于野外實(shí)測樣地的平均生物量與該類型森林面積來求取森林生物量的方法[18]。該方法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在直觀明確，操作簡便以及節(jié)約成本。獲得樣地林分平均生物量的方式主要有3種，即皆伐法、相關(guān)曲線法和標(biāo)準(zhǔn)木法。

皆伐法是將單位面積上的林木逐個的伐倒后測定其各部分（樹干、枝葉、果和根系等）的鮮質(zhì)量，并換算成干質(zhì)量，將各部分質(zhì)量合計(jì)，即為單株樹木的生物量，將單株樹木的生物量累加后除以相應(yīng)的株數(shù)即可得到平均生物量[19]。相關(guān)曲線法即在研究區(qū)域內(nèi)選取樣木，伐倒后按器官稱重，然后根據(jù)各器官生物量與某一測樹指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行回歸擬合，建立回歸曲線方程，以實(shí)測的胸徑、樹高推算林分生物量。目前使用的主要回歸關(guān)系類型為：

式中：W為各部分的生物量，D為胸徑，H為樹高，a、b為方程中的待估參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)木法是根據(jù)每一塊標(biāo)準(zhǔn)地上的標(biāo)準(zhǔn)木推算林分生物量，用標(biāo)準(zhǔn)木各組分（干、枝、葉、根）的生物量乘以該標(biāo)準(zhǔn)地的樹木株數(shù)。這種方法由于實(shí)測資料的取樣點(diǎn)較少，導(dǎo)致森林生物量估計(jì)偏大[20～21]。而且在應(yīng)用平均生物量進(jìn)行野外測定時，人們大都選擇生長良好的林分，用平均生物量來推算該森林類型的總生物量，結(jié)果偏大是不難想象的[22]。

2.1.2 生物量轉(zhuǎn)換因子法 生物量轉(zhuǎn)換因子法（Biomass Expansion Factor，BEF）又叫做材積源生物量法（Volume derived biomass），是利用林分生物量與木材材積比值的平均值乘以該森林類型的總蓄積量或利用木材密度（一定鮮材積的烘干量）乘以總的蓄積量和總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)得到該類型森林的總生物量的方法[23]。在森林生物量的組成當(dāng)中，樹干（材積）只是森林生物量組成中的一部分，其所占的比率依據(jù)樹種和立地條件不同會有很大的差異[16]。因此，為了推算某一樹種的生物量，就要知道樹干占總生物量的比例，即知道根、莖、枝、葉等部分的生物量以計(jì)算出樹干的比例。由于樹干的生物量與其它器官的生物量存在著很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，所以用樹干材積推算森林總生物量是可行的[24]。

生物量轉(zhuǎn)換因子法的不足主要反映在生物量轉(zhuǎn)換因子，包括木材密度（WD，woodensity）和總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)均取作常數(shù)。有學(xué)者指出，濕潤地區(qū)、干旱和半干旱地區(qū)沒有受干擾的原始森林的木材密度分別為：1.74、1.95和1.57；總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.6[25]。但諸多研究表明，對于某一特定的森林類型而言，生物量轉(zhuǎn)換因子是立木的生物量和蓄積量的集中體現(xiàn)，與林木的年齡、種類組成、其它生物學(xué)特性和立地條件等密切相關(guān)。海南島熱帶山地雨林林分生物量的研究表明，生物量轉(zhuǎn)換因子法估算的生物量較皆伐法高20% ～ 40%，而基于實(shí)測資料建立的生物量回歸模型的估計(jì)值與皆伐法非常相近，相對誤差在±10%以內(nèi)[26]。林分生物量和蓄積量與森林類型、年齡、立地條件和林分密度等諸多因素有關(guān)[27]。由此可見，采用常數(shù)的生物量轉(zhuǎn)換因子不能十分準(zhǔn)確地估算森林生物量。

2.1.3 生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法 研究表明，某森林類型的林分生物量與木材材積比值（BEF）不是不變的，而是隨著林齡、立地、個體密度、林分狀況等不同而變化的[28]。因此林分材積綜合反映了林齡、立地、個體密度和林分狀況等因素的變化，可以作為換算因子的函數(shù)，以表示 BEF的連續(xù)變化。生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法利用冪指函數(shù)來表示BEF與林分材積（V）的關(guān)系：

式中，a和b均為大于0的常數(shù)。

然而，這種關(guān)系難以實(shí)現(xiàn)由樣地調(diào)查到區(qū)域推算尺度的轉(zhuǎn)換，即對于由實(shí)測資料建立的 BEF值與材積之間的關(guān)系推廣到處理大尺度的森林資源清查資料時，存在著嚴(yán)重?cái)?shù)學(xué)推理問題。所以將其更正成利用倒數(shù)方程來表示BEF與林分材積之間的關(guān)系[10]，即：

式中，a和b均為常數(shù)。也可表示成生物量和蓄積量的簡單線性關(guān)系[29]：

式中，a和b均為常數(shù)；B代表生物量，V代表蓄積量。

而如果將估算模型中的系數(shù)a當(dāng)成蓄積量的函數(shù)[30]，既能克服將生物量與蓄積量之比作為常數(shù)的不足，又避免將林分在任一個生長階段的生物量隨蓄積量的變化簡單地處理為線性增加的關(guān)系。

2.2 微氣象學(xué)方法

2.2.1 渦度相關(guān)法 渦度相關(guān)法是一種直接測定植被與大氣間 CO2通量的方法，主要是在林冠上方直接測定CO2的渦流傳遞速率，從而計(jì)算出森林生態(tài)系統(tǒng)吸收固定CO2量[31]。這是目前測定地氣交換最好的方法之一，也是世界上CO2和水熱通量測定的標(biāo)準(zhǔn)方法，已被廣泛的應(yīng)用于估算陸地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的交換。該方法可測得生態(tài)系統(tǒng)長期或短期的環(huán)境變量，使人類可定量理解生態(tài)系統(tǒng)中CO2的交換過程，能更深入了解氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)所造成的影響。渦度相關(guān)法可以為土壤—植被—大氣之間的物質(zhì)、能量交換模式提供一種直接驗(yàn)證的手段，可通過渦度相關(guān)技術(shù)所測得的碳通量來推算某一地區(qū)的凈初級生產(chǎn)力和蒸發(fā)量。

渦度相關(guān)法所需的關(guān)鍵設(shè)備一般是由靈敏度較高的三維超聲風(fēng)速儀、開/閉路式紅外CO2/H2O氣體分析儀以及溫、濕度計(jì)等精密儀器組成[32]。渦度相關(guān)技術(shù)的使用條件是：下墊面平坦均一；大氣邊界層內(nèi)湍流間歇期短；研究對象一般在水平均勻的大氣邊界層內(nèi)。影響通量觀測的因素：①CO2的儲存效應(yīng)。大氣比較穩(wěn)定或湍流作用比較弱時，從土壤和葉片擴(kuò)散的CO2不能達(dá)到儀器測定高度從而造成傳感器所測值不包含傳感器下方的CO2通量，一般來說，儲存項(xiàng)對于低矮植物來說是很小的，但對于較高的森林由于儀器高度以下的氣體體積比較大且湍流比較弱，所以儲存效應(yīng)對其測定有較大的影響；②CO2水平平流效應(yīng)。所測下墊面有一定的粗糙度和地形起伏，或者是所測的源或匯的表面發(fā)生變化，這些因素容易引起氣流的平流效應(yīng)；③CO2通量漏流。當(dāng)大氣比較穩(wěn)定，且地形有一定坡度時容易使空氣中的CO2發(fā)生漏流。湍流作用比較弱、風(fēng)速低時，一部分CO2不會通過冠層和大氣的交界面。

大氣中物質(zhì)的垂直交換往往是通過空氣的渦度狀流動來進(jìn)行的，這種渦度帶動空氣中不同物質(zhì)包括CO2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(tài)系統(tǒng)固定或放出的CO2量。其計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)c是CO2通量，ρ是CO2的濃度，w是垂直方向上的風(fēng)速。字母的右上標(biāo)（小撇）是指各自平均值在垂直方向上的波動即渦度波動，上橫線是指一段時間（15 ～ 30 min）的平均值。

Euroflux實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家應(yīng)用渦度相關(guān)法集中研究了不同緯度歐洲森林的CO2通量的變化[33]。應(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)對熱帶森林、溫帶森林和北方森林的季節(jié)變化模式的研究表明，熱帶森林全年都表現(xiàn)出凈碳匯，而高緯度地區(qū)的森林則在生長季節(jié)為匯，在冬季則為源[34]。劉允芬等用該方法對千煙洲人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)的碳通量進(jìn)行分析，得出該生態(tài)系統(tǒng)全年各個月都為碳匯，但碳儲量各月之間變化明顯[35]。應(yīng)用此方法對長白山闊葉紅松林森林大氣界面的CO2湍流交換特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)森林大氣的CO2通量在夜間存在低估的情況[36]。

渦度相關(guān)法的特點(diǎn)是直接對森林與大氣之間的通量進(jìn)行計(jì)算，能直接對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行CO2通量測定，同時因能夠?yàn)槠渌Ｐ偷慕⒑托?zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(yán)格的要求。在數(shù)據(jù)處理上，還需要數(shù)學(xué)方法和能量守恒閉合等多種方法的校正和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，才能得到滿意的結(jié)果。

2.2.2 馳豫渦旋積累法 馳豫渦旋積累法（Relaxed Eddy Accumulation，REA）起源于渦旋積累法，其基本思想是根據(jù)垂直風(fēng)速的大小和方向采集兩組氣體樣本進(jìn)行測量。這一技術(shù)直到在渦旋積累的思想中引入馳豫的思想，使得不定時采樣轉(zhuǎn)換為定時采樣，演變成馳豫渦旋積累法。近年來，這一方法已應(yīng)用到森林CO2通量的計(jì)算。這一方法需要用維聲速風(fēng)速儀、紅外線CO2分析儀、快速反應(yīng)螺旋管閥門、數(shù)據(jù)比較器、數(shù)據(jù)記錄儀、導(dǎo)管系統(tǒng)以及空氣泵等。數(shù)據(jù)比較器用于比較從聲速風(fēng)速儀所得到的即時垂直風(fēng)速信號與數(shù)據(jù)記錄儀所得到的一定時間的平均值，通過這種比較，數(shù)據(jù)記錄儀就可以估計(jì)渦旋是上行還是下行，繼而開通或關(guān)閉連接2個空氣收集袋的閥門。通過數(shù)據(jù)記錄儀的程序化設(shè)計(jì)，紅外線CO2分析儀間隔一定時間（3 min）開啟或關(guān)閉其通道即可以連續(xù)監(jiān)測2個收集袋內(nèi)CO2的濃度。林冠層的CO2通量可以通過下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)CO2是CO2通量，是一個半經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（0.56）；w是垂直風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差；ρAIR是空氣的濃度；CUP- CDOWN是0.5 h中2個收集袋的CO2濃度平均值之差。

這一方法在CO2通量測定中有應(yīng)用，但并不是CO2通量網(wǎng)所使用的標(biāo)準(zhǔn)方法。馳豫渦旋積累法因?yàn)槠淠軌蚴占瘹怏w并能夠進(jìn)行長期監(jiān)測，所以在一些痕量易揮發(fā)有機(jī)化合物氣體的通量測定上更有優(yōu)勢。運(yùn)用馳豫渦旋積累法對森林CO2通量進(jìn)行研究在中國還未見報(bào)道。

2.2.3 箱式法 箱式法是用來測定土壤和植物群落的微量氣體成分排放通量以測定碳儲量的方法。其基本思想是：植被的一部分被套裝在一個密閉的測定室內(nèi)，在封閉系統(tǒng)內(nèi)，CO2濃度隨時間的變化就是CO2通量，即：

式中，V是測定室的體積；△C/△t是CO2的變化速率。

在一個開放系統(tǒng)時，測定室內(nèi)有恒定速率（d）的空氣流過，通過測定流入與流出測定室的空氣中CO2濃度差'''CΔ來計(jì)算CO2通量：

目前，根據(jù)以上基本思想已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的儀器設(shè)備。主要的代表公司是英國ADC公司和美國Licor公司生產(chǎn)的光合測定系統(tǒng)，其中Licor公司生產(chǎn)的Li6400便攜式光合測定系統(tǒng)可以測定植物不同器官、土壤的光合或呼吸速率，也可以稍加改進(jìn)測定樹干的呼吸、最大羧化速率、電子傳導(dǎo)速率、最大量子利用效率等指標(biāo)，這些指標(biāo)對于估計(jì)樹冠光合作用是必不可少的。然而，ADC系統(tǒng)和Licor系統(tǒng)的一個缺陷就是不能夠長期自動進(jìn)行觀測，這導(dǎo)致在估測整個生態(tài)系統(tǒng)CO2通量時產(chǎn)生較大的誤差。全球CO2通量網(wǎng)的某些站點(diǎn)自行設(shè)計(jì)了長期觀測的設(shè)備，主要包括測定室、紅外線CO2測定儀及校正設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄儀等。與渦度相關(guān)法相比，箱式法是對森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的間接估計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于原理簡單、儀器價格便宜、操作容易、移動便利、靈敏度高，且能對組成一個生態(tài)系統(tǒng)的各個功能團(tuán)（葉片、根系等）進(jìn)行定量的測定，這對于闡述微氣象學(xué)法直接測定的CO2通量出現(xiàn)的現(xiàn)象有幫助，為理解生態(tài)系統(tǒng)的功能并進(jìn)行調(diào)控提供了定量數(shù)據(jù)。國內(nèi)應(yīng)用便攜式光合測定系統(tǒng)對某個器官進(jìn)行測定的較多，而長期連續(xù)測定很少。應(yīng)用箱式法，整個森林生態(tài)系統(tǒng)的總的通量就是同化器官的CO2同化速率與非同化器官的CO2釋放速率之和。

2.3 應(yīng)用遙感等新技術(shù)模型估算法

模型估算法是通過建立準(zhǔn)確度相對較高的模型來估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，因?yàn)榉椒ê唵?、快捷且成本較低，在國際上被廣泛的使用到大尺度空間內(nèi)碳儲量的估算上。近年來，各國學(xué)者開始逐步在小范圍內(nèi)，針對不同的森林類型和立地條件，創(chuàng)造性的運(yùn)用各種模型來估算碳蓄積和模擬碳循環(huán)過程。

2.3.1 模型模擬法 模型模擬法是通過數(shù)學(xué)模型估算森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和碳儲量的方法[37]。模型是研究大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的必要手段，在研究中曾產(chǎn)生過許多模型，其中最著名的是1971年在邁阿密研討會上提出的Miami模型，以年降水量和年平均氣溫預(yù)測世界不同地帶的凈第一性生產(chǎn)力（NPP）。此外，影響較大的還有Holdridge生命地帶模型、BIOME模型、MAPSS模型、CENTURY，這些模型通常模擬植被的光合、呼吸和土壤分解過程以及不同生態(tài)系統(tǒng)層次上碳循環(huán)過程之間的關(guān)系，通過植被生理生態(tài)過程的反映直接模擬氣候變化及大氣CO2濃度對NPP的影響，預(yù)測氣候變化對陸地碳循環(huán)的影響等。近些年來，利用遙感及相關(guān)技術(shù)（GIS、GPS等）獲得各種植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查完成植被的空間分類和時間序列分析，可以分析森林生態(tài)系統(tǒng)碳的時空分布及動態(tài)，并且能夠估算大面積森林生態(tài)系統(tǒng)的碳蓄積以及土地利用變化對碳蓄積的影響。

模型估計(jì)法目前主要分為碳平衡模型、生物生理模型、生物地理模型和生物地球化學(xué)模型。碳平衡模型是根據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)的分類，模擬各類生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力NPP，并從實(shí)測數(shù)據(jù)分析不同生態(tài)系統(tǒng)的碳密度，再根據(jù)分布面積的估計(jì)，然后用簡單相乘的方法計(jì)算全球陸地的碳平衡。生物生理模型主要根據(jù)植物生理特征，如光合作用、CO2施肥效應(yīng)、植被冠層蒸發(fā)、葉片氣孔阻力等各種植物生理、植物物理機(jī)理，模擬植被生長，分析區(qū)域性土地利用的氣候影響，探討植被對氣候的反饋等，主要有SIB、BATS和LEAF等幾種模型[38]。生物地理模型是描述大尺度上植被或生物群區(qū)、生命帶、生態(tài)系統(tǒng)類型與氣候之間關(guān)系的模型，可以預(yù)測不同環(huán)境中各植物類型的優(yōu)勢度。王超等[39]應(yīng)用BIOME模型模擬了吉林通榆地區(qū)NPP通量。這類模型主要描述植被的結(jié)構(gòu)特征，冠層輻射傳輸、氣候土壤和各植物功能類型的生理生態(tài)過程，是綜合考慮植物生理學(xué)特性、優(yōu)勢植物等級、土壤特性和氣候的全球植被分類模型。生物地球化學(xué)模型是模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和水循環(huán)等。Tian[40]利用生物地球化學(xué)模型研究亞洲季區(qū)域碳動態(tài)。

總之，模型模擬法適用于估算一個地區(qū)在理想條件下的碳儲量。這類模型有其獨(dú)特的優(yōu)勢，它對大氣、植被、土壤之間的交換考慮得較全面；其缺陷是沒有考慮多個相關(guān)因素之間的相互作用和影響，是簡單地模擬生態(tài)系統(tǒng)中不同平衡狀態(tài)的碳通量碳儲量變化，不能預(yù)測植被類型的變化。目前所用的模型多屬靜態(tài)或經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，其本身包括了許多假設(shè)，不確定因素較多且多數(shù)仍局限于局部地區(qū)甚至個別點(diǎn)，動態(tài)或過程模型較少。較為理想的模型是綜合考慮多種對象和因素的綜合模型。近年來，模型方法也開始由原來的靜態(tài)統(tǒng)計(jì)模型向生態(tài)系統(tǒng)機(jī)制性模型轉(zhuǎn)變，從單一碳循環(huán)模擬轉(zhuǎn)向碳、氮、磷等多種元素循環(huán)相耦合的模擬，建立全球碳循環(huán)動態(tài)模型。碳循環(huán)模型與遙感、GIS技術(shù)結(jié)合，模擬大尺度的碳循環(huán)過程是未來模型模擬法的發(fā)展趨勢。

2.3.2 遙感估算法 遙感估算法主要用于彌補(bǔ)模型模擬的不足，利用遙感手段獲得各種植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查，完成植被的空間分類和時間序列分析，進(jìn)一步估算土地利用和土地覆被變化對碳儲量的影響[41]。它以碳通量與碳循環(huán)過程的綜合網(wǎng)絡(luò)觀測、生物過程的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究以及河流碳輸運(yùn)過程研究為支撐系統(tǒng)的自下而上途徑，與以土地利用、土地覆被變化和對地觀測數(shù)據(jù)生態(tài)參量反演為基礎(chǔ)的自上而下途徑，經(jīng)過相互驗(yàn)證并與尺度轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，開展綜合觀測、調(diào)查、比對分析、模擬和評價研究，把握生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的格局與過程規(guī)律，辨析自然和人為因素對碳循環(huán)過程的影響，以探討全球氣候變化條件下生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的演變趨勢。近年來，“3S”技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為解決這一問題提供了有效方法，利用遙感手段獲得各種植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查，完成植被的空間分類和時間系列分析，隨后可分析森林生態(tài)系統(tǒng)碳的時空分布和動態(tài)，并估算大面積森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量以及土地利用變化對碳儲量的影響。

利用遙感估算森林生態(tài)碳儲量，一般都是通過間接的方式進(jìn)行，關(guān)鍵是要測量出森林生物量再乘以碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)。生物量的遙感估測多利用植被指數(shù)（Vegetation Indices）、葉面積指數(shù)（LAI）及植被覆蓋度等的關(guān)系，推斷出植被指數(shù)與生物量之間的關(guān)系進(jìn)而求生物量。遙感估算森林生物量的方法主要有以下3種：

2.3.2.1 多元回歸分析法 一般利用原始波段、植被指數(shù)(如歸一化差值植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、環(huán)境植被指數(shù)、葉面積指數(shù)等)、地形因子、氣象因子等與生物量建立的不同回歸模型，得出估測森林植被的回歸方程，從而得出生物量。目前，這種方法應(yīng)用較為普遍。Tomppo等[42]就通過建立多元非線性回歸模型，估算出芬蘭森林的材積和地上生物量。Ben-challi和Prajapati[43]利用多元回歸分析的方法對印度的Haliyal森林的生物量進(jìn)行了預(yù)測。仝慧杰等利用TM影像各波段的灰度值建立回歸方程，估算甘肅省小隴山黨川林場測量區(qū)的生物量[44]。

2.3.2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 它是由大量處理單元組成的非線性大規(guī)模自適應(yīng)動力學(xué)系統(tǒng)，通過輸入林區(qū)遙感影像光譜信息及隱層函數(shù)轉(zhuǎn)換得出區(qū)域森林生物量。Foody等[45]2001年對婆羅洲熱帶雨林的生物量進(jìn)行制圖分析時，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用TM影像的7個波段進(jìn)行了回歸分析，大大提高了生物量的估算精度。

2.3.2.3 數(shù)學(xué)建模 它是估算大尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的必要手段[46]。利用遙感數(shù)據(jù)對生物量進(jìn)行估算不是直接進(jìn)行的，而是利用遙感數(shù)據(jù)計(jì)算植被指數(shù)、葉面積指數(shù)、材積等，借助這些因子與生物量的密切關(guān)系估算區(qū)域生物量。Houghion等[47]結(jié)合前人的研究成果，比較了幾種不同的數(shù)學(xué)估算模型，對它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評估，但始終很難找到一個通用的生物量模型。

近年來，遙感及相關(guān)技術(shù)和GIS的發(fā)展和應(yīng)用為解決問題提供了有效的方法。利用遙感手段獲得各種植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查，完成植被的空間分類和時間序列分析，隨后可分析森林生態(tài)系統(tǒng)碳的時間分布及動態(tài)，并且能夠估算大面積森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量以及土地利用變化對碳儲量的影響。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感信息在空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率上逐步得到改善，可供選擇的遙感信息也越來越多，能滿足不同的研究在時間和空間尺度上的要求，因此，遙感技術(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究中將發(fā)揮越來越重要的作用。采用印度遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以云南省某自然保護(hù)區(qū)為對象，建立森林蓄積量估測模型，再利用生物量和蓄積量的線性回歸方程以及國際上常用的碳轉(zhuǎn)化率，對研究區(qū)域闊葉林小班的碳儲量進(jìn)行了估測。

模擬方法采用專門的指示克里格內(nèi)插技術(shù)，并與條件隨機(jī)模擬相結(jié)合，通過確定當(dāng)前模擬點(diǎn)方差構(gòu)造中的條件概率分布函數(shù)，利用蒙特卡羅法獲得當(dāng)前模擬點(diǎn)位置森林類型的隨機(jī)函數(shù)值[48]。但是，這些研究目前還不能提供基于統(tǒng)計(jì)意義和有顯著精度的森林碳空間分布[49～51]。運(yùn)用點(diǎn)同位協(xié)同克里格和序列高斯協(xié)同模擬方法，研究森林碳(地上部分)儲量分布的模擬和尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)，結(jié)合地面調(diào)查資料和遙感影像數(shù)據(jù)探索，獲取森林碳分布和進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換的有效方法，并在森林碳分布的定量評價研究和實(shí)踐領(lǐng)域中為管理決策者提供一種定量分析方法。

2.4 地面碳同位素方法

該方法假定大氣中碳同位素的量是衡定的，植被通過光合作用固定的碳也就含有一定量的碳同位素，由于同位素的衰變，對于土壤或植被中的碳同位素，周轉(zhuǎn)期越長，碳同位素的含量就越低。因此，通過分析植被或土壤中碳同位素的豐度，可以確定植被或土壤中有機(jī)碳的年齡，分析有機(jī)碳的動態(tài)變化。該方法在分析陸地碳平衡時非常有用，是全球變化研究中最為常用的方法之一，特別適用于探討陸地碳平衡的主導(dǎo)因子及對全球變化的響應(yīng)等方面[52～57]。

3 小結(jié)與討論

3.1 我國森林固碳研究狀況

我國森林生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜的時空結(jié)構(gòu)和內(nèi)部聯(lián)系，由于人口的增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致森林資源大幅度減少是森林固碳量減少的主要原因。此后國家大力植樹造林，人工林面積的擴(kuò)大使得森林碳儲量又開始回升。研究表明，中國森林對CO2的凈吸收（以碳量計(jì)算）已經(jīng)從1990年0.098 Pg/a上升到2000年的0.112Pg/a[58]。王效科等[59～60]以各林齡級森林類型為統(tǒng)計(jì)單元，得出中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物C儲量為3.255 ～ 3.724Pg，且碳密度的分布與人口密度的變化呈負(fù)相關(guān)，這說明人為干擾極大影響森林植被的固碳作用。

3.2 利用高精度遙感影像數(shù)據(jù)

遙感技術(shù)在森林碳儲量的研究中起著重要作用，同時，更高空間分辨率和更多波段的高光譜遙感傳感器將使得碳儲量的研究更加精確，從源頭上解決了數(shù)據(jù)源對估算精度的影響[61～64]。另外，由于微波遙感具有全天候工作的能力，在碳儲量估算中得到了廣泛使用。今后，更高波譜和空間分辨率的數(shù)據(jù)在碳儲量估算中的應(yīng)用將會越來越廣泛。

3.3 模型的進(jìn)一步發(fā)展和完善

模型法的發(fā)展可有效地解決靜態(tài)模型估算中不確定性因素對結(jié)果的影響，也較好地解決了估算中的尺度轉(zhuǎn)換問題。今后模型法的研究應(yīng)將更多的方法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、遺傳算法等融入森林碳儲量估算，建立從幾十年到幾個世紀(jì)或更長時間尺度上的碳循環(huán)動態(tài)模型，并加強(qiáng)碳循環(huán)與 N、P等多種相關(guān)元素循環(huán)相耦合，這是未來研究的發(fā)展方向。

3.4 森林碳儲量遙感估算系統(tǒng)的集成

森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究時間持續(xù)長，學(xué)科涉及面廣，時空尺度復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大，要求有多種新技術(shù)和知識作為支撐，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科的相互交叉、滲透和耦合，并注重人為活動、土地利用和土地覆蓋變化對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響。今后森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究將朝著多種方法的綜合運(yùn)用，多學(xué)科的介入、聯(lián)合和滲透，高層次的綜合、集成研究方向發(fā)展，使得碳儲量的估算更加注重多因素的綜合影響并能在一定程度上揭示碳儲量的動態(tài)變化過程及其變化機(jī)理[65～71]。高精度遙感影像分析、樣地調(diào)查和動態(tài)模型模擬等方法的綜合運(yùn)用是今后研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的主要趨勢。

綜上所述，森林生態(tài)系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的動態(tài)變化系統(tǒng)，以上介紹的各種森林固碳方法各有一定的偏重和局限性。在今后的研究中應(yīng)該注重各種方法的綜合運(yùn)用，取長補(bǔ)短，更要提倡多學(xué)科研究人員的參與與聯(lián)合，使研究向更高、更精確的層次發(fā)展。

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