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王效科劉魏魏逯非:影響森林固碳的因素

2019-11-12 中國科學報
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  森林在進行光合作用的過程中,將二氧化碳和水分轉化成生物質并釋放出氧氣,因此可以吸收大量二氧化碳,這個作用就被稱作森林的固碳效應。那么,影響森林固碳效應的因素有哪些?

  森林的固碳量與森林的年齡組成密切相關。一般森林據其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林,其中固碳速度在中齡林生態系統中最大,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。森林的年齡結構除取決于森林自身的發展演化外,還極大地受到外來干擾的影響。干擾的頻度越高,幼齡林所占的成分越大,其固碳量越少。在森林發展的整個演替過程中,依據固碳的情況,可以把森林的碳動態分為4個階段,即固碳速率較低的初始階段或干擾后的再生階段、固碳速率最大的邏輯斯蒂生長階段、固碳速率下降的成熟階段以及碳分解到土壤的森林死亡階段。由此可見,森林的碳動態在很大程度上取決于其年齡級的變化。

  森林的固碳量隨著降水的增加而增加。降水能夠促進植物生長,增加植物生產力和生物量,所以降水能夠促進森林生態系統固碳。在水熱因子組合有利于植物生長的地區,植物生物量大,植被碳密度也較高。在較干旱的地區,降水是NPP(植物凈初級生產力)的主要限制因子,NPP隨降水與潛在蒸發之比的減小而減小,相應的植物的固碳能力也會隨生產力的減少而減少。

  森林固碳還會受到地形的影響。地形通過影響溫度、降水、光照、熱量、徑流和土壤性質等,在一定程度上影響森林植被類型的分布狀況和生長情況(包括生物量、樹高和胸徑、立木密度等),從而影響森林生態系統的碳輸入。另外,不同坡度和海拔受到的人為干擾程度不同,隨著坡度或海拔的增加,森林受人為干擾的機會和程度變小,植被生物量大,固碳能力高。

  森林生態系統植被碳儲量隨坡度的變化表現為陡坡>急坡>斜坡>緩坡>平坡。碳密度分布為陡坡>險坡>斜坡>緩坡>平坡。森林植被碳儲量隨坡度等級的變化與不同坡度等級受到人為干擾程度的差異有關,平坡的森林植被比較容易受到人為干擾,碳密度低。隨著坡度的增大,受人為干擾的機會和程度減小,植被多保持自然狀態,植被生長時間長,生物量大,碳儲量也大,碳密度也增加。

  坡面位置也影響森林生態系統固碳。由于土壤侵蝕、水分側流等原因斜坡上部森林生態系統土壤有機碳含量要低于斜坡底部森林生態系統土壤有機碳含量。

  海拔的影響主要與不同海拔森林植被面積、植被類型以及人為干擾程度有關。天然森林中隨著海拔的升高,受人為干擾的機會和程度越小,植被生長時間長,生物量大,固碳能力高。在未受人類影響的森林或者次生林中,隨著海拔的升高,森林地上部分生物量呈降低趨勢,相應的森林固碳能力也會下降。

  影響森林固碳的還有火災。森林火災發生的過程中,不僅直接造成森林生態系統的碳排放,而且還破壞了原有森林生態系統的結構和功能,從而改變了整個森林生態系統的碳固定、分配和循環,并影響與大氣間的氣體交換。主要表現在以下幾方面:火災直接燃燒森林植被,引起林木生產力的降低和木材損失,直接降低了森林生態系統植被的固碳能力;火災通過直接影響凋落物數量和間接影響凋落物的分解速率,減少凋落物碳庫并加速凋落物的分解;火災對森林土壤碳庫的影響表現在增加土壤有機質分解,增加土壤呼吸碳釋放、減少地上植被輸入土壤的碳素以及增加黑碳的碳匯功能;火災對森林生態系統NPP的影響。森林生態系統NPP是反映森林固碳能力的一個重要指標。

  火災后,在生態系統恢復的過程中,NPP首先隨著林齡的增大而增大,直到恢復到干擾前的水平。但是,不同生態系統的恢復時間和增長模式都是不同的。北美北方針葉林火干擾跡地NPP恢復的時間為9年,加拿大北方林區火災后15年內NPP隨時間大致呈線性增加,20年達到生產力較為穩定的水平,在火災后20~30年時增長速率減慢。

  氮沉降也影響森林固碳。氮沉降的氮素一方面能夠直接促進植物生長,增加林木材積,從而增加森林生態系統的固碳。另一方面氮沉降降低了腐殖質物質的分解速率,從而增加了土壤碳的積累速率。受氮沉降影響的森林生態系統固碳能力高于不受氮沉降影響的森林生態系統固碳能力。氮是歐洲森林生長速率增長的主要驅動因子,在只考慮氮沉降的情況下芬蘭南部的歐洲赤松林生態系統碳庫增加了11%。

  但是,生態系統處于氮飽和狀態時卻會降低生態系統生產力,會在一定程度上減少森林生態系統碳儲量,降低固碳能力。原因有以下幾方面:氮沉降會改變植物的遺傳組成和生態系統營養循環,抑制植物生長;氮沉降會造成植物體內硝酸鹽和亞硝酸鹽過高,引發植物葉損傷和變色;氮沉降會導致植物葉片營養失調,減弱植物抵抗病原體的侵蝕能力,增加葉片或芽的可口性,導致昆蟲啃食增加,從而容易使森林生態系統遭受病蟲害。

  另外,氮沉降對森林生態系統土壤中不同組成碳的影響不同。例如,氮沉降降低了山毛櫸和云杉兩種森林類型土壤微生物量碳,卻增加了可浸提有機碳量。氮輸入加快了科羅拉多高山苔原帶土壤中輕組碳(周轉周期10年左右)的分解,卻抑制了重組碳(周轉周期在幾十年到一個世紀)的分解過程。

  森林是陸地生態系統中最大的碳庫,在降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖方面具有十分重要的作用。擴大森林覆蓋面積是經濟可行、成本較低的重要減緩措施。許多國家都在積極利用森林碳匯應對氣候變化。

  (作者單位:中科院生態環境研究中心)

打印 責任編輯:侯茜
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