四川森林生态系统碳储量及其空间分异特征

【摘要】： 以大气CO_2浓度增加和温度升高为主要特征的全球气候变化正在改变着陆地生态系统的结构、功能和过程,威胁着人类的生存和安全,同时,《京都议定书》(KyotoProtocol)又使碳减排增汇成为与国家经济、政治、外交和生态安全等密切相关的生态与环境科技问题。因此,全球气候变化适应与减缓就成为各国政府和科学家关注的热点问题。迄今,有关国家水平和区域尺度的植被和土壤碳储量的研究报道已经不计其数,但基于森林清查资料、土壤普查资料、生命带类型法和遥感方法存在的局限性,可能会限制地形地貌复杂、森林植被和土壤类型丰富的地区的森林生态系统碳密度和碳储量的估算精度,这需要结合不同植被与土壤组合条件下的森林植被和土壤实测数据进行估算。四川森林地处长江上游和“世界第三级”的青藏高原东缘,不仅是我国第二大林区(西南林区)的主体,而且是天然林资源保护工程、退耕还林(草)工程和长防林工程重点实施的地区,其多样化的植被与土壤组合类型、明显的气候垂直分异特征、复杂的地形地貌等使其成为研究区域森林生态系统碳储量空间分异特征的理想实验室。但迄今为止,有关四川森林生态系统碳储量及其空间分异特征的研究还未见报道,这不能满足四川和我国森林碳循环研究的需要。因此,本项研究采用森林清查资料与实测数据相结合的研究方法,研究了四川森林生态系统的碳储量,并运用GIS技术绘制了碳密度空间分布图,初步探讨了碳储量和碳密度的空间分异特征,探索了基于碳储量和碳密度空间分异特征的森林分区碳库管理措施。 四川森林植被的平均碳含量为51.09%(46.75%～54.89%),其中,针叶林的林分平均碳含量为52.82%(50.50%～54.89%),大于50.00%,阔叶林林分平均碳含量为49.37%(46.75%～50.50%),小于50.00%,大于45.00%。这表明,采用50.00%或45.00%作为转换系数估算四川森林植被碳储量可能低估其碳储量和碳汇功能。 通过对生物量-蓄积量进行多目标函数拟合,确定w=avb为四川森林乔木层蓄积量-生物量最优模型。本研究基于实测的林分碳含量与区域生物量-蓄积量模型相结合的方法估算了研究区域森林乔木层碳储量。采用本方法估算的四川森林植被碳储量(2004年)为478.25TgC,比通用转换系数45.00%和50.00%估算的结果分别高11.56%和1.73%。可见,基于实测的森林碳含量与区域生物量-蓄积量模型相结合的方法对于精确估算区域森林碳储量具有重要意义。 四川森林的碳汇功能明显。1974年～2004年的30年期间,四川森林乔木层碳储量从305.37 TgC增加到478.25 TgC,增加了172.88 TgC,年均增长率为1.51%。可见,四川森林植被起着一个的碳“汇”的作用。 四川森林生态系统有机碳的总储量为2926.81 TgC,不同组分的碳储量表现为土壤层(2394.26 TgC)＞乔木层(478.25 TgC)＞枯落物层(41.14 TgC)＞灌草层(13.16TgC),分别占总碳储量的81.80%、16.34%、1.41%和0.45%。这表明,森林土壤是森林生态系统中最大的有机碳库。尽管枯落物层的碳储量不高,但其作为植被与土壤之间进行物质循环和能量转换最活跃的生态界面,以及森林土壤有机碳的直接来源,如果忽视这部分碳,不仅会低估森林生态系统的碳储量,而且会限制我们对森林土壤碳汇形成机制的理解。 不同森林类型之间的碳储量差异较大。冷、云杉林生态系统具有最大的碳储量,为1384.09 TgC,占碳储量的47.29%,栎类及其硬阔林生态系统的碳储量为327.56TgC,占11.19‰软阔林生态系统的碳储量为309.21 TgC,占10.56%。这三类森林生态系统的碳储量达2020.86 TgC,占四川森林碳储量的69.05%,其余森林生态系统碳储量约为30.95%。这与其面积较大和碳密度相对较高有关。这表明,以天然起源为主的森林仍然是四川森林碳储量的主要贡献者,而以人工起源为主的森林生态系统碳储量相对较低。 四川森林生态系统碳储量主要分布在坡度＞25°和高海拔地区(3000-4000 m)。在坡度＞25°以上的地带达到1598.22 TgC,占到了总储量的54.61%,在海拔3000-4000 m之间的地带达到1313.24 TgC,占总碳储量的44.87%。由于坡度＞25°和高海拔地区是典型的生态环境脆弱带,森林植被一旦遭到破坏,其恢复难度较大,因此,保护和稳定四川森林生态系统碳储量首先应减少人类活动对森林的破坏。 四川森林生态系统的平均碳密度为232.81 MgC·hm~(-2),其中土壤层为190.45MgC·hm~(-2),乔木层为38.04 MgC·hm~(-2),枯落物层为3.27 MgC·hm~(-2),灌草层为1.05MgC·hm~(-2),均低于我国的平均水平。不同森林类型的土壤与植被碳密度比值介于3.44～17.41,平均为4.96。这表明四川森林植被的碳密度较低,但碳吸存潜力大。 四川森林生态系统的碳密度空间分异明显,总体上表现出明显的经向地带性、纬向地带性和垂直地带性。但受到青藏高原隆升以及人口稠密区(平原、低山、丘陵区)人类活动干扰及其叠加效应的影响,四川森林生态系统的碳密度又表现出明显的特殊性和复杂性。四川森林土壤有机碳密度总体上均随着纬度和海拔高度(0～4000m)的增加而增加,随经度的增加而降低。这与国内外绝大多数的研究结果一致,这与经度、纬度和海拔的增加引起的水热动态变化驱动的土壤有机碳收支有关。四川森林植被的碳密度总体上也随着纬度和海拔高度的增加而增加,随经度的增加而降低。这与国内外有关“森林植被的碳密度随着纬度和海拔高度的增加而降低”的结论不一致,原因是其地带性分布规律还受到垂直地带性、人类活动干扰及其叠加效应的影响。导致“四川森林植被碳密度随着海拔的升高而增加”的原因是随着海拔高度的上升,森林植被受到人类活动的干扰强度降低,森林植被的碳密度较高。这表明,人类活动干扰是影响四川森林植被碳密度和碳储量空间分异特征的特殊性和复杂性最重要的因素。同时也意味着,结合天然林资源保护工程、退耕还林(草)工程进行森林植被保护、退化森林生态系统恢复重建可能显著增加四川森林植被的碳汇功能。 从四川森林生态系统碳密度和储量的空间分异特征来看,森林分区经营管理是增强四川森林碳汇功能的有效途径。以人工林和少量次生林为主的丘陵平原区应采取低效林改造、封山育林、速生丰产林营建等相结合的经营技术,以增强该区的森林碳吸存潜力。以天然次生林和少量人工林为主的盆周低山区应采取封山育林与高效人工林营造相结合的经营技术,以稳定和提高该区森林的固碳能力。以冷、云杉为优势树种的亚高山和高山林区应进一步加强天然林保护。

【关键词】：森林碳储量 森林碳密度 碳动态 空间分异 森林碳库管理 四川省
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：S718.5
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