區(qū)域森林碳儲量估算方法概述

楊傳金，楊 帆，梅 浩，劉金山，戴前石

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

區(qū)域森林碳儲量估算方法概述

楊傳金，楊 帆，梅 浩，劉金山，戴前石

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

估算森林碳儲量是了解森林固碳增匯能力大小的前提，也是了解森林對減少溫室氣體排放所做貢獻的基礎，同時也是體現林業(yè)在應對氣候變化中的重要作用及特殊地位的量化指標。因此，對區(qū)域森林碳儲量進行監(jiān)測和評估是一項十分必要的工作。本文介紹了區(qū)域尺度森林碳儲量的估算方法，包括森林植被、森林土壤和枯落物三部分的碳儲量。

區(qū)域；碳儲量；估算

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的56 %[1]，對于維持全球碳循環(huán)、減緩CO2濃度升高速率等方面具有重要作用。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的計算包括植被、土壤和枯落物三部分的碳儲量。

1 森林植被碳儲量估算方法

由于樹種含碳率相對固定，區(qū)域不同樹種(組)的生物量乘以相應的含碳系數即為該樹種(組)的碳儲量，因此估算森林植被碳儲量的關鍵在于估算其生物量。

1.1 森林植被生物量估算方法

森林植被生物量估算方法有收獲法(樣木測定累加)和模型估算法(樣木——樣地——區(qū)域)[2]。收獲法精確度高，但費時費力，同時也會干擾森林碳正常排放水平甚至造成碳釋放和泄露，在估算區(qū)域尺度生物量時是不現實的；利用生物量模型估算法雖然精確度受到一定程度的影響，但是由于可操作性強，在區(qū)域森林生物量估算中被廣泛采用。模型估算法不但可以估算森林當前生物量，而且還可以對一定時期內生物量和碳儲量的變化情況進行預測。

1.1.1 喬木林生物量估算方法

下文概述的喬木林生物量包括喬木活立木和林下灌木生物量，不包括枯立木、枯倒木和草本植物生物量。其中IPCC(2006)[3]森林生物量估算法、換算因子連續(xù)函數法及雙曲線模型估算法中的喬木不包括胸徑小于5 cm的樣本，生物量經驗(回歸)模型估算法中的喬木不包括樹高小于2 m的樣本。

1.1.1.1 喬木生物量估算方法

1) IPCC(2006)[3]森林生物量估算法

Bt=Vt×D×BEF×(1+R)

(1)

式中，Bt為某一樹種組總生物量；Vt為某一樹種組總蓄積量；D為某一樹種組木材密度；BEF為地上部分生物量擴展因子；R為根莖比。

IPCC(2006)同時給出了各氣候區(qū)D，BEF和R的參考值。因此根據區(qū)域喬木植被總蓄積可以推算出植被生物量。IPCC提供的方法作為一個指南，其提供的參數可以在較大區(qū)域尺度的估算中應用，考慮到各國的自然地理條件和水熱條件不同，IPCC推薦各國使用適宜其實際情況的參數，通用參數在應用于國家及更小區(qū)域尺度時存在一定的局限性，影響了該方法的推廣應用。

2) 換算因子連續(xù)函數法

方精云等[4-5]通過對我國主要林分或森林類型的單位面積蓄積和單位面積生物量之間的關系進行系統(tǒng)研究，提出了換算因子連續(xù)函數法。林分尺度森林生物量的計算通過森林蓄積量乘以相應的生物量換算因子(BEF)得到，區(qū)域森林生物量則通過林分或樣地生物量加權求和獲得。

由于BEF值隨著林齡、立地條件、林分密度、林分狀況不同而異，而林分單位面積蓄積量綜合反映了這些因素的變化，因此單位面積蓄積可以反映BEF的連續(xù)變化。基于這一思想，方精云等建立了“換算因子連續(xù)函數法”，實現了蓄積量—生物量的轉換，結合森林資源清查數據，從而得出森林植被生物量大小。公式如下：

(2)

式中，x為樣地單位面積蓄積量；a，b為常數。

結合不同森林類型不同齡級的森林資源清查資料計算區(qū)域尺度總生物量Bt：

(3)

式中，Bt為地區(qū)總生物量(t)，i和j分別為森林類型和齡級；Aij，xij和BEFij分別為第i森林類型、第j齡級林分的面積(hm2)、單位面積平均蓄積量(m3∕ hm2)和所對應的換算因子；m和n分別為森林類型和齡級的數量。

3) 雙曲線模型估算法

Zhou等[6]利用收集到的全國落葉松林相關資料，建立了落葉松生物量—蓄積量的雙曲線關系模型，避免了將林分生物量隨蓄積量的變化簡單處理為線性關系的不足。落葉松模型如下：

(4)

趙敏等[7]利用材積源生物量法，根據全國第四次森林資源清查資料中按優(yōu)勢樹種調查統(tǒng)計的各齡組蓄積量資料，估算森林植被的碳貯量。其中生物量和蓄積量數據轉換采用雙曲線關系模型：

(5)

式中，B和V分別為某一森林類型的單位面積生物量(t/hm2)和單位面積蓄積量(m3/hm2)；a，b為常數。

(6)

式中，Bt為總生物量；Sij和Vij分別為某一森林類型某一齡組的面積和單位面積蓄積量，n為森林類型個數。

4) 生物量經驗(回歸)模型估算法[8]

生物量經驗(回歸)模型是利用野外調查的主要測樹因子及生物量實測數據，建立生物量與樹高、胸徑等的回歸關系模型[9-10]。利用森林資源連續(xù)清查數據結合分樹種回歸模型計算單木生物量，從單木歸并到樣地，從樣地面積加權至整個區(qū)域，估算喬木林生物量。

生物量經驗(回歸)模型估算法在區(qū)域尺度上估算生物量時，某一優(yōu)勢樹種生物量計算公式為：

(7)

式中：B1為區(qū)域某一優(yōu)勢樹種生物量；V為該優(yōu)勢樹種蓄積量；vi為該優(yōu)勢樹種第i個樣地的調查材積；bij為該優(yōu)勢樹種第i個樣地第j個徑階的模型生物量；vij為該優(yōu)勢樹種第i個樣地第j個徑階的模型材積，樣地模型材積利用二元材積公式v=a+b(D2H)計算(v為模型材積，D為胸徑，H為樹高，a和b為參數)；mi為某區(qū)域該優(yōu)勢樹種第i個樣地內徑階數；n為某區(qū)域該優(yōu)勢樹種計算生物量的優(yōu)勢樹種樣地個數。

1.1.1.2 林下灌木生物量估算方法

曾慧卿等[11]選用常見的16種林下灌木(含喬木樹種幼樹)進行生物量建模，建模方程形式為：

(8)

(9)

式中：W為樣本生物量(kg)；Ac為冠幅面積(Ac=πC1C2/4, m2)；Vc為冠幅投影體積(Vc=Ac×H，m3)。

楊昆等[12]通過對研究區(qū)森林林下灌木的地上部分生物量(Wu)、地下部分生物量(Wd)與其地徑(D)、高度(H)、蓋度(P)、冠幅直徑(C)等易測因子之間的相關分析，發(fā)現林下灌木建模的各個變量與生物量之間都有比較明顯的相關關系。其中，CH與地上部分生物量、地下部分生物量的相關性最好，D2H及PH與其生物量的相關性次之，且線性回歸方程相關度高、簡單、直觀性強。據此，利用線性回歸方程建立了3種不同自變量的林下灌木地上部分生物量和地下部分生物量回歸模型。

單株生物量模型：

Wu=a+b(D2H)，Wd=a+b(D2H)或

Wu=a+b(CH)，Wd=a+b(CH)

(10)

單位面積生物量模型：

Wu=a+b(PH)，Wd=a+b(PH)

(11)

1.1.2 竹林生物量估算方法

以模型法估算竹林生物量。單株竹子生物量計算公式為[13]：

Wg=0.6439×D1.5373，

Wr=0.3404×D1.1899+0.3087×D1.2892

(12)

式中，Wg為地上部分生物量；Wr為地下部分生物量；D為竹子胸徑。

區(qū)域竹林總生物量Bt計算公式為：

Bt=(Wg+Wr)×N

(13)

式中，N為總株數。

1.1.3 灌木林生物量估算方法

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)組成部分的灌木植被在全球碳循環(huán)和碳平衡中發(fā)揮了重要作用，然而以往研究中鮮有對灌木植被碳儲量和碳密度的報道。當前對灌木植被碳儲量的研究主要通過收集不同地區(qū)樣地水平上的灌木生物量資料，利用植被平均生物量密度方法，估算各灌木類型的生物量及其碳儲量[14]。除此之外，還有一部分關于灌木單位面積生物量的文獻[11-12,15]，但多存在研究地域覆蓋面窄、樣地代表性不夠及數量較少的問題。

以模型法估算灌木林生物量。根據《〈國家森林資源連續(xù)清查技術規(guī)定〉補充技術規(guī)定》(2008)的要求進行樣本采集、分析、建模。分別建立區(qū)域樣方法(適用于無明顯主干、叢生的灌木群落)模型和樣木法(適用于主干明顯，且相對高大的灌木)模型。

筆者通過對西藏灌木林進行生物量建模，發(fā)現樣方法模型使用“W=aAc2+bAc+c”或“W=aVc+b”的形式擬合結果較好，樣木法生物量模型使用“W=aD2H+b” 的形式擬合結果較好。式中，W為灌木生物量(g)，Ac為冠幅面積(m2)，Vc為冠幅體積(m3)，D為樣木地徑(cm)，H為樣木高(m)。

1.1.4 疏林、散生木和四旁樹生物量估算方法[9]

疏林、散生木和四旁樹的生物量計算方法和公式與林分生物量相同，但由于散生木等通常比林分中的林木具有更大的樹冠和根系，其生物量轉換因子(BEF)值更高。現有文獻中的BEF值幾乎都來自林分，因此《造林項目碳匯計量與監(jiān)測指南》將散生木等BEF值設定為林分中林木BEF值的1.3倍。按照林分生物量的計算方法計算疏林、散生木和四旁樹的生物量，符合碳計量的“保守性”原則，但為了科學估算其生物量，建立適宜各區(qū)域的疏林、散生木和四旁樹生物量模型是有必要的。

1.2 森林植被碳儲量估算

利用相應的模型，結合森林資源連續(xù)清查或其他調查數據，匯總估算喬木林、竹林、灌木林、疏林、散生木和四旁樹各樹種(組)生物量，乘以各樹種(組)所對應的含碳系數，即為碳儲量。

2 森林土壤碳儲量估算方法

在森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量中，森林土壤碳儲量所占比例最大，了解其大小及分布規(guī)律對于認識土壤碳循環(huán)過程和森林土壤在減緩、適應氣候變化中發(fā)揮的作用十分重要，但目前對森林土壤碳儲量的研究相對較少。

區(qū)域森林土壤碳儲量估算方法常用的有土壤類型法[16]和植被類型法[17]。前者是利用全國土壤普查數據庫，統(tǒng)計計算區(qū)域內每種土壤類型平均土壤碳密度，利用森林資源連續(xù)清查所記錄的土壤類型數據統(tǒng)計匯總每種土壤類型的面積，土壤類型面積與土壤碳密度加權求和即為區(qū)域森林土壤碳儲量；后者是結合中國科學院植物研究所主持繪制的1:100萬中國植被圖和全國土壤普查數據，統(tǒng)計匯總區(qū)域內不同植被類型的面積和相應類型的平均碳密度，加權求和獲得。本文只對使用較多的土壤類型法進行介紹。

區(qū)域尺度上森林土壤碳儲量可以利用第二次全國土壤普查數據進行估算，所需主要數據包括：土壤類型、剖面厚度、有機質含量和石礫含量等。

2.1 土壤容重估算

通過對土壤普查成果中的土壤有機碳含量與土壤容重的關系進行擬合，建立相應的函數方程，可以估算土壤容重。Xie 等[18]曾利用第二次全國土壤普查數據探討了不同土地利用方式下土壤容重與有機碳含量的相關性，結果表明森林土壤表層(平均厚度17.3cm)和深層(平均厚度81.9cm)容重與有機碳含量之間均呈極顯著性相關。表層土壤容重與有機碳含量擬合方程為pi=-0.1144ln(Ci)+1.3144，深層土壤容重與有機碳含量擬合方程為pi=-0.1121Ci+1.5044。將剖面有機碳含量帶入方程式，即可得到容重估計值。

2.2 單個土壤剖面有機碳密度估算

在計算森林土壤碳儲量過程中，需要根據土壤容重、石礫含量和土壤厚度數據，將土壤普查數據庫中各土壤剖面的有機質含量(g/kg(干土))數據，轉換為單位面積有機碳含量(有機碳密度)數據。單個土壤剖面有機碳密度的轉換公式如下：

Ti/100

(14)

式中，SOC為土壤剖面有機碳密度(kg/m2)，θi為第i層>2mm石礫含量(體積%)，pi為第i層土壤容重(g/cm3)，SOMi為第i層土壤有機質含量(g/kg)，Ti為第i層土層厚度(cm)，i為參與計算的土壤層次總數。有機質和有機碳換算系數，采用Blemmeln系數(0.58)。

2.3 平均土壤碳密度估算

平均土壤碳密度是利用同類型土壤碳儲量除以該類型土壤總面積計算得到。由于自然條件和地理條件的差異，各土壤類型在不同的采樣地點有機碳含量存在空間異質性，因此在計算區(qū)域某一土壤類型有機碳密度時，綜合利用該區(qū)域不同剖面數據，結合空間插值法，采用區(qū)域面積加權平均法，計算公式如下：

(15)

式中，SOCt為該土壤類型在n個分區(qū)的平均有機碳密度，SOCi為某土壤類型在第i分區(qū)的有機碳密度，Fi為某土壤類型在第i分區(qū)的面積。

2.4 土壤碳儲量估算

按不同土壤類型對土壤碳儲量進行估算。利用各森林土壤類型的面積，乘以相應類型的平均土壤碳密度，估算得到各土壤類型的碳儲量，再利用面積加權法估算區(qū)域森林土壤碳儲量。

3 枯落物碳儲量估算方法

3.1 枯落物生物量估算

枯落物生物量可以根據森林資源連續(xù)清查數據，利用生物量模型進行估算。筆者通過對西藏自治區(qū)分樹種(組)進行單位面積枯落物生物量—枯落物厚度采樣、建模，發(fā)現“W=a×h+b”或“W=a×h2+b×h+c”的形式對二者關系進行擬合最優(yōu)。

區(qū)域森林枯落物生物量計算公式為：

(16)

式中，Wt為區(qū)域森林枯落物生物量；Sij，hij分別為某一樹種(組)某一樣地所代表的面積(水平方向，hm2)和枯落物厚度；θ為樣地坡度。

3.2 枯落物碳儲量估算

枯落物生物量估算完成后，用生物量乘以相應的含碳系數即為碳儲量。

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AnOverviewofRegionalForestCarbonStorageEstimationMethods

YANG Chuanjin,YANG Fan,MEI Hao,LIU Jinshan,DAI Qianshi

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration， Changsha 410014，Hunan，China)

It is the premise to understand value of carbon sequestration and oxygen release by estimating carbon storage of forest ecosystems, and the basis to understand contribution of forest on reducing greenhouse gas emissions, but also the quantitative indicator to reflect the important role and the special status of forestry in addressing climate change. Therefore, it’s necessary to monitor and evaluate regional forest carbon storage. This article describes estimation methods of the regional-scale forest carbon pools, including forest vegetation, forest soil and litter carbon pool.

region;carbon storage;estimation

2012-07-25

楊傳金(1966-)，男，重慶市開縣人，高級工程師，從事森林資源監(jiān)測工作。

S 718.55

C

1003-6075(2012)03-0062-05