森林與碳循環(huán)論文

森林與碳循環(huán)論文

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　　摘要：闡述森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)及其在全球碳循環(huán)中的作用，說明森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用主要取決于森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量、林產(chǎn)品、植物枯枝落葉和根系碎屑以及森林土壤。

　　關(guān)鍵詞：森林生態(tài)系統(tǒng)；碳儲量；碳循環(huán)；作用

　　根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，一個(gè)系統(tǒng)中的自然過程總是有利于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和功能最大化，而非自然過程總是降低或破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加系統(tǒng)的不確定性，增加系統(tǒng)的不確定性。顯然，大量開采化石燃料以及開采森林等活動都是非自然過程，這些活動導(dǎo)致了大氣二氧化碳濃度的不斷上升。雖然目前我們尚不能準(zhǔn)確地預(yù)測其生態(tài)后果，但最終的結(jié)果必將危害人類自身。鑒于大氣二氧化碳上升可能引起的嚴(yán)重生態(tài)后果，科學(xué)家對于全球碳循環(huán)進(jìn)行了廣泛的研究。具體內(nèi)容包括地球各部分(大氣、海洋和森林等)碳儲量估算，森林生態(tài)系統(tǒng)與其他部分碳的交換量(流)的估算，以及人類干擾對各個(gè)庫和流的影響。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，森林是最大的有機(jī)碳的貯庫，它貯有1146Pg碳，占整個(gè)陸地碳庫的56%。因此，了解森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用，對于研究陸氣系統(tǒng)的碳循環(huán)乃至全球碳循環(huán)都是一個(gè)基礎(chǔ)，具有重要的意義。

　　1.森林及地球各部分的碳儲量

　　當(dāng)前，對全球碳庫及庫與庫之間的轉(zhuǎn)移量以及轉(zhuǎn)移速率等關(guān)鍵性數(shù)值的估計(jì)差異較大。大氣層中的碳總量約為7.0×1017～7.5×1017g。由于大氣層的二氧化碳濃度正處加速上升階段，因而其碳儲量的估計(jì)值顯然與估算的時(shí)間有一定的關(guān)系。地殼碳儲量最大，估計(jì)值相差也大，不過它們與其他庫的交換很小，因此一般不會給碳流量的估算帶來大的誤差。海洋是僅次于地殼的大碳庫，也是最大的一個(gè)匯。通常估計(jì)海洋中的碳儲量時(shí)將其分為表層和深層2個(gè)亞庫，前者與大氣有較頻繁和較穩(wěn)定的碳交流。陸地生物群落包含的碳量約為5.5×1017～5.6×1017g。

　　在各個(gè)庫中，陸地生物群落最容易受到人類活動的干擾，因此也是對大氣二氧化碳濃度變化影響最大的分庫。海洋碳儲量雖大，但與大氣處于相對穩(wěn)定的碳交換狀態(tài)，目前估計(jì)海洋與大氣的交換是每年吸收約2.0×1015～3.0×1015g的碳。陸地生物群落在未受干擾狀態(tài)，以吸收固定二氧化碳為主，一旦受破壞，則要向大氣排放大量的二氧化碳。

　　森林是一種主要的植物群落類型，約占地球陸地面積的1/3(4.1×109hm²)。森林生物量約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%，生產(chǎn)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的70%。森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)過程中起著重要的作用。

　　在自然狀態(tài)下，森林進(jìn)行光化二氧化碳，固定于生物量中，同時(shí)以根生物量和枯落物碎屑形式補(bǔ)充土壤的碳量。在同化二氧化碳的同時(shí)，存在林木呼吸和枯落物分解釋放二氧化碳進(jìn)入大氣這一逆過程，同時(shí)固定于木質(zhì)部分的二氧化碳也會在一定的時(shí)間后腐爛或被燒掉，以二氧化碳的形式歸還大氣。因此，從很長的時(shí)間尺度（1000～10000a）考察森林對大氣二氧化碳濃度變化的作用，其影響是很小的，只能是一個(gè)不很大的匯。但在短時(shí)間程度（＜300a）來考察，由于單位森林面積中的碳儲量很大，林下土壤中的碳儲量更大，因此森林變化（人類干擾）就有可能引起大氣二氧化碳濃度大的波動。

　　2.森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)

　　森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地中重要的碳匯和碳源，在這個(gè)系統(tǒng)中，森林的生物量、植物碎屑和森林土壤固定了碳素而成為碳匯，森林以及森林中微生物、動物、土壤等的呼吸、分解則釋放碳素到大氣中成為碳源。如果森林固定的碳大于釋放的碳就成為碳匯，反之成為碳源。在全球碳循環(huán)的過程中，森林是一個(gè)大的碳匯，但隨著森林破壞、退化的加劇以及一些干擾因素（如火災(zāi)）的影響，森林生態(tài)系統(tǒng)就可能成為碳源，這將更加劇全球的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致生態(tài)的進(jìn)一步惡化。通過國內(nèi)外的一些研究表明，溫帶和北部寒帶森林是碳匯，如北方森林每年凈吸收碳量為0.4～0.6Pg碳，俄羅斯森林每年固碳0.36～0.45Pg碳。在溫帶，森林每年凈吸收碳量為0.17～0.35Pg碳，美國東南部的森林生態(tài)系統(tǒng)每年固碳0.07Gt碳。而熱帶森林地區(qū)由于過度砍伐森林以及土地利用方式的改變已成為碳源，在1980年向大氣凈釋放了1.0×105～2.6×105g碳。

　　在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物首先通過光合作用吸收二氧化碳生成有機(jī)質(zhì)貯藏在體內(nèi)（Gp），這是森林吸收碳素的過程。而后，通過植物自身的吸收作用要釋放出一部分碳素（Ra）。另外，植物還會以枯枝落葉、根屑等形式把碳貯藏在土壤中，而土壤中的碳有一部分會被微生物和其他的異養(yǎng)生物通過分解和呼吸釋放到大氣中（Rh）。森林生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的碳通量是森林生長過程中固定的碳和干擾過程中釋放碳之間的差值。森林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)量（NEP）可用下面的公式表示：NEP=Gp-Ra-Rh，如果在自然生長狀態(tài)下，按上面這個(gè)公式計(jì)算，一般森林生態(tài)系統(tǒng)的NEP為正，是個(gè)碳匯。然而，由于人類活動的干擾和破壞，尤其是對熱帶森林的亂伐或把其變成為用地等行為就會使森林生態(tài)系統(tǒng)的NEP為負(fù)，從而成為碳源，這應(yīng)該引起人類的關(guān)注，采取有效措施防止森林變成碳源，從而緩和和扭轉(zhuǎn)全球氣溫變暖的趨勢。我國森林生態(tài)系統(tǒng)在陸氣系統(tǒng)碳循環(huán)中表現(xiàn)為碳匯，其NEP值為0.48Pg碳。

　　3.森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用

　　從人類認(rèn)識到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會使全球氣溫變暖，從而帶來一系列嚴(yán)重生態(tài)問題時(shí)，就展開了對碳素循環(huán)的研究。而森林生態(tài)系統(tǒng)作為吸收二氧化碳釋放氧氣的一個(gè)大碳匯，在碳循環(huán)中起著非常重要的作用。全球森林面積為41.61億公頃，其中熱帶、溫帶、寒帶分別占32.9%、24.9%和42.1%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部的碳為562Gt，森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的含碳量為483Gt，占了86%。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地下部含碳量為1272Gt，而森林地下部含碳約927Gt，占整個(gè)世界土壤含碳量的73%。森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用主要取決于以下幾個(gè)方面：

　�。�1）生物量。森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量貯存著大量的碳素，如按植物生物量的含碳量為45%～50%計(jì)，那么整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量將近一半是碳素含量。森林的生物量與其成長階段的關(guān)系最為密切，一般森林據(jù)其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態(tài)系統(tǒng)中最大，而成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態(tài)系統(tǒng)中最大，而成熟林/過熟林由于其生物量基本停止增長，其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結(jié)構(gòu)來估算吸收碳素的潛力是決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的一個(gè)主要方面。目前，我國森林的結(jié)構(gòu)以幼齡林、中齡林居多，因此我國森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力很大。據(jù)王效科等估算，我國森林生態(tài)系統(tǒng)潛在的植物總碳貯量為8.41Pg，現(xiàn)有的實(shí)際碳貯存總量只是潛在的植物總碳貯量的44.3%。因此，如果我國的森林生態(tài)系統(tǒng)得到切實(shí)有效地保護(hù)，那么它將是中國一個(gè)重要的碳匯。

　�。�2）林產(chǎn)品。森林生態(tài)系統(tǒng)林產(chǎn)品的固碳量是個(gè)變化很大的因子。一般林產(chǎn)品根據(jù)其使用壽命可分為短期產(chǎn)品和長期產(chǎn)品。像燃料用木、紙漿用木等屬于短期產(chǎn)品，而膠合板、用木則屬于長期產(chǎn)品。林產(chǎn)品使用壽命的長短在很大程度上也決定著森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。使用壽命長的林產(chǎn)品可以延緩碳素釋放，緩解全球大氣碳濃度的增加，一般來說，耐用林產(chǎn)品的使用壽命可達(dá)100～200a，在這么長時(shí)間里，通過再造林完全可以實(shí)現(xiàn)碳素的良性循環(huán)。因此，應(yīng)盡量加工耐用、使用壽命長的林產(chǎn)品。

　�。�3）植物枯枝落葉和根系碎屑。這一部分含碳量在整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)中占的比例雖少，但也是一個(gè)不容忽略的碳庫，減緩它的沉淀和分解對于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳量也起到一定的作用。

　�。�4）森林土壤。這是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差別，在北部森林中森林土壤占有84%總碳量；溫帶森林土壤中的碳占到其總碳量的62.9%；在熱帶森林中，土壤中的含碳量占整個(gè)熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的一半。全球森林土壤的含碳量為660～927Gt，是森林生態(tài)系統(tǒng)地上部的2～3倍。國內(nèi)外很多學(xué)者都認(rèn)識到森林土壤碳庫的重要作用，紛紛對其展開研究。目前，研究土壤碳庫及其碳循環(huán)和全球變化已成為土壤學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向。

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