中国陆地自然植被碳含量空间分布特征研究_生态系统结构论文

中国陆地自然植被碳量空间分布特征探讨,本文主要内容关键词为:植被论文,陆地论文,中国论文,特征论文,自然论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。

中图分类号: P942文献标识码:A

1 引言

全球变化、可持续发展和生物多样性问题,是当今生态科学和环境科学的三大研究前沿领域,并已经成为世界各国关注的焦点。由于碳循环对于陆地生物生态系统的功能特别重要,而且与气候系统紧密相连,所以在国际地圈—生物圈计划(IGBP)中,全球尺度的模型化工作最初集中于碳循环,而碳循环对估计未来CO[,2]和其他温室气体的含量以及这些气体与生物圈的相互作用都是至关重要的[1]。北半球中、高纬度森林生态系统可为全球碳循环的平衡作出重大贡献,因而北半球中、高纬度的陆地生态系统在全球碳循环动力学中的作用正受到越来越多的注意[2]。目前,中国的森林覆盖率为13.92%,到本世纪末全国森林覆盖率将达到15%,2050年达到20%[3]。由于中国的森林主要分布于北半球中纬度地区,而且人工森林面积正不断增加,所以对全球碳平衡的作用将越来越重要。

从本世纪60年代起,我国就广泛开展了史前气候变化、人类活动、太阳活动等因素对气候变化影响方面的研究[4]。近年来,我国科学家已经开始对中国生态系统植被碳平衡问题进行研究,特别是对森林碳汇的研究。康惠宁等通过研究得出中国森林目前净固碳量为0.863×10[14]gC/a[3]。陈育峰、李克让估计1990年中国森林净吸收碳达0.356~0.6×10[14]gC[4],田广生估计1990年中国森林吸收1.399×10[14]gC[4]。中国森林的碳通量估计出现了这么大的差异,是由于在森林碳循环方面的基础研究还不充分,缺乏足够可信的实测数据和关键性的组合数据,导致碳通量估算中有较多的不确定性,当然现在还没有定量确定陆地生态系统碳循环的通用方法[5]。由于中国植被的碳储量没有被精确确定,人们无法充分认识到中国陆地生态系统对全球气候变化的重要性,而且在陆地生物圈碳通量被精确确定以前,碳平衡问题是永远不可能得到解决的[2],这些都表明中国陆地碳循环的研究需要加强。

本文收集了大量有关中国陆地生态系统植被的生物量数据,建立了中国自然植被碳密度数据库。利用中国自然植被的1:400万空间数据,绘制了中国自然植被碳密度分布图,同时进行了空间分布研究,并对国内外有关中国生态系统植被碳储量进行了对比。本文的目的是:建立中国陆地生态系统自然植被碳密度数据库,探讨中国陆地生态系统自然植被碳储量空间分布特征。

2 方法及数据

2.1 估算的方法

生物量包括在该单位面积上全部植物、动物和微生物现存的有机质总量,但由于微生物所占的比重极小,动物生物量也不足植物生物量的10%,所以通常以植物生物量为代表[6]。生物量是研究植被第一性生产力的基础,是评价陆地生态系统结构与功能的重要指标,实际陆地生态系统对大气CO[,2]的净吸收——净生态系统生产力(NEP-Net Ecosystem Production)是相当小的[7],通常所说的碳汇就是NEP。碳是生命物质的重要元素,在生物量组成元素中所占的比重最大,所以通常也以碳量来表示生物量的大小。虽然已经有科学家做出了全球的植被碳密度[8~10],但以全球植被的平均碳密度来估算中国陆地生态系统自然植被的碳储量,必然带来一定的误差;而且由于植被类型分类系统不同,并不能准确估算中国植被的碳储量,所以有必要以中国陆地生态系统自然植被生物量的实测数据来建立碳密度数据库。

通常,植物生物量转换为碳量是按照一个比率,即植物干有机质中碳占的比重。不同的植被考虑其树种、年龄、组成和种群结构,转换率是不同的。由于获取各种植被类型的转换率很有限,所以在本文中我们采用国际上常用的转换率(45% and 50% in Olson etal[11];50% in Knigge & Schulz),首先来建立中国陆地生态系统自然植被的碳密度数据库。

植被碳储量的估算有多种主要方法:一是大规模的实地调查,取得实测数据,建立一套标准的测量参数和生物量数据库[13],利用遥感技术和方法,获取植被信息,建立模型,估算生物量;一是用样地数据得到植被的平均碳密度,然后用每一种植被的碳密度与面积相乘估算生态系统的碳量[8,15]。

2.2 数据

本文植被碳密度的估算主要是根据公开发表的文献和报告中的生态样方资料。样方数据库是当前最好的可用信息源,它可用来计算潜在生物量贮藏和导出转换因子(用以把森林内调查参数转换成重复生物量贮藏和积累速率)[5],其中有的文献引用了近668块生物量实测样地[14]。

文中中国陆地生态系统自然植被分为13种类型[16],其中没包括农业用地,因为农田生态系统既非主要的碳汇,也非主要的碳源,碳循环基本平衡[17],同时也没有包括无植被区。

3 结果与讨论

3.1 中国陆地自然植被碳密度的空间分布特征

首先经过转换和估算,得出了中国陆地自然植被碳密度和空间分布(表1和图1)。从表1和图1中可以看出,森林生态系统的植被碳密度均比草原和荒漠的要高,实际上这也是与植物生物量分布一致的。在森林生态系统中,从热带阔叶林、亚热带常绿阔叶—落叶阔叶及灌丛、亚热带热带山地针叶林、亚热带热带针叶林、温带落叶阔叶及灌丛,碳密度是随纬度的增加而降低的,这与热量、水分条件的空间分布是分不开的。热带阔叶林植被碳密度是最高的,为11.53~12.81×10[3]gC/m[2],这是因为热带地区水分、热量条件充足,植物生长旺盛,光合作用效率高。而我国北方寒温带、温带山地针叶林大多为原生林,植物生长茂密,种植密度大,生物量相对比较大,所以我国寒温带、温带山地针叶林的植被碳密度比较高,为7.119~7.91×10[3]gC/m[2]。在草原和荒漠植被类型中,高山灌丛的植被碳密度是最高的达到0.33~0.37×10[3]gC/m[2],高寒荒漠的植被碳密度是最低的为0.070~0.080×10[3]gC/m[2],它们的碳密度普遍较低,这是与植物群落的组成和空间分布、物种的结构、林分类型、自然环境有关。

对于非森林类型的植物生物量的计算则很困难,尤其是草本植物。对于一年生草本植物,其生长高峰期的生物量就是该年的生物产量和NPP(即最大生物量)。多年生草本植物一般采用不同时期测定的生物量进行计算。森林类型的植被碳密度从寒温带温带山地针叶林,亚热带热带针叶林,亚热带热带山地针叶林,温带落叶阔叶及灌丛,植被碳密度是逐渐下降的,说明森林植被类型的生物量与植被的类型、物种、林分结构、分布、热量、水分及植物的呼吸作用有关系。

3.2 自然植被碳密度水平分布特征

自然植被水平地带分布是与大气候带和生物的地带分布相吻合的,中国自然植被碳密度分布与我国植被空间分布是一致的。

中国全境的水平地带分布在东部地区大致是:随热量的递减由南向北,植被类型是热带雨林、季雨林、常绿阔叶林、落叶与常绿阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林,植被碳密度是逐渐增加的(见表1和图1),总体上表现出东部地区植被碳密度和碳量随纬度增加而降低的趋势,但东北地区的寒温带、温带山地针叶林植被碳密度很高。

另一条水平地带谱在北部的排列顺序是:随水分的递减由东向西,从湿润温带森林,向西到松嫩草原、内蒙古草原,以至草被稀疏矮小的干草原,由此向西进入漠境时,更趋干旱少雨,植被覆盖率更低,植被碳密度是逐渐降低的(见表1和图1),即我国北部地区植被碳密度和碳量具有随经度减小而递减的趋势。

中国植被碳密度水平分布并非简单地只按上述经线与纬线作东西或南北向排列,还有一定的偏转,从图1可见,在我国中西部之间具有一条过渡带,与腾冲—黑河人口分界线平行,跨我国地势的第三和第二阶梯,植被碳密度在界线两旁差异是比较大的,这是由于大地形关系和我国季风特征综合形成的结果。

3.3 国内外研究比较

国内外已有众多科学家对我国森林植被碳储量进行了研究。Dixon估算我国森林碳储量为17×10[15]gC,平均碳密度为11.4×10[3]gC/m[2][34]。根据样方实测数据,中国只有热带阔叶林的碳密度达到11.53~12.81×10[3]gC/m[2],其他森林植被类型的碳密度均低于11.4×10[3]gC/m[2]。Winjum估算中国森林平均碳密度为4.3×10[3]gC/m[2],森林面积为156×10[10]m[2],根据碳密度和森林面积中国森林碳量为6.078×10[15]gC[35],而根据实测数据中国每一种森林类型的碳密度均大于4.3×10[3]gC/m[2],因而,Winjum估算的中国森林平均碳密度过低了。因为中国森林类型多样且复杂,考虑到植被的碳密度、组成、林龄结构、种群密度、空间分布,用同一的碳密度和面积并不能准确地估算中国森林碳量,而按森林面积比得出的碳量误差可能更大。

方精云根据第三次森林资源清查资料的森林面积,利用我国森林蓄积量估算了我国森林生物量和净第一性生产力,总生物量约为4.096~4.551×10[15]gC,NPP每年约为0.452~0.502×10[15]gC[36]。Peng按照Olson et al 1985年的碳密度计算中国潜在植被碳储量为57.9×10[15]gC,利用模型预测为31~67×10[15]gC[15]。Xiao Xiangming采用陆地生态系统模型(TEM4.0)对中国陆地生态系统在目前气候下的NPP进行了估算,预测目前中国陆地生态系统NPP为3.653×10[15]gC/年[37]。可以认为:由于对中国陆地生态系统自然植被类型划分上的不同,面积差异是导致植被碳储量估算出现较大差异的一个重要原因。

虽然中国森林覆盖率低,但是人工林面积居世界首位,且中国每年增加10~15×10[6]hm[2]人工林面积[35],而这些人工林的林龄比较小,具有很大的碳吸收潜力,同时这些森林的碳承载量远远低于潜在水平,所以保护森林可以显著增加中国森林的固碳量,因而中国森林对全球碳平衡的贡献会越来越大。同时,中国草原和草甸的面积分布广大,但是它们的碳密度低,仅为0.12~0.23×10[3]gC/m[2],所以扩大草原和草甸植被碳汇是减缓CO[,2]排放的一个有效措施。

4 结论

本文使用实测生物量和中国植被空间分布数据对中国陆地自然植被碳密度和碳量空间分布进行了初步研究和分析,得出:中国陆地总体上表现出东部地区植被碳密度和碳量随纬度增加而降低的趋势,但东北地区的寒温带、温带山地针叶林植被碳密度和碳量很高;北部地区植被碳密度和碳量具有随经度减小而递减的趋势;在我国中西部之间具有一条过渡带,与腾冲—黑河人口分界线平行,植被碳密度在界线两旁差异是比较大的。

我们的数据来源主要是生态样方调查,而生态样方调查常常具有详尽的生物量调查。对中国陆地生态系统自然植被碳量的估算,是一项难度较大的研究工作,国内对此研究刚刚起步,需要收集和整理大量实测数据,可供借鉴的国内资料较少。因此我们今后需要建立生态样方调查的更大的数据库,包括农作物碳量的估算,同时利用遥感技术获取实时数据,以便能精确地确定中国陆地生态系统碳库和碳通量,为中国全球变化研究提供基础数据和分析方法,为中国制定CO[,2]排放政策提供科学依据。

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