森林生態系統固碳、營養元素及價值量評估研究進展

王瑞璋

(西南林業大學 生態與水土保持學院，云南 昆明 650224)

1 研究背景

隨著中國經濟的快速發展，自然環境也面臨巨大壓力，經濟發展與資源環境之間的矛盾日益尖銳。人們對環境的需求也日益提高，如何將環境問題解決成為了當今的社會問題之一[1]。森林是陸地生態系統的支柱，與其他陸地生態系統相比森林面積雖只占陸地面積的27%，但其在減少土壤侵蝕、預防洪水等災害的發生、固定碳源、生物多樣性保護，森林娛樂、文化美學等功能發揮著重要作用，因而它對保護人類生存環境和健康方面發揮著重要作用[2]。目前，全球大趨勢趨近于環境各生態系統的恢復重建與保護，森林生態系統在各環境系統中占有主導地位，關于如何保護森林及建立新的生態系統成為國內外各研究學者的研究命題。 森林生態系統是陸地生態系統的主體，關于森林生態系統現有的相關研究進展中，主要針對森林生態系統在自然界中作出的貢獻及產生價值，價值量評估主要體現在碳、氮、磷儲量及相關產出。在對于陸地生態系統當中，森林生態系統占有相對主導地位，主要體現在凋落物分解、相關營養元素的吸收與存儲、原生林與次生林生態系統的異同、人造林及天然林生態系統的價值量評估等方面。

森林的土壤保持和養分積累是森林生態服務功能中的重要組成部分，因而對森林生態系統的碳儲量以及森林生態系統中幾種主要營養物的積累和分配的研究也尤為重要。如果能可以科學、客觀、定量地使用貨幣來評估抽象森林生態系統的服務功能價值，將能夠更清楚地界定森林在經濟社會環境中的重要性，更好地為環境和森林的宏觀決策保護提供重要的科學依據。筆者在前人的研究成果之上，總結各學者的研究進展，為后續森林生態系統的研究提供方向和思路。

2 研究現狀

2.1 森林固碳效果及碳循環過程

隨著大氣中溫室氣體濃度的增加而導致通過大氣捕獲輻射，導致某些地區對溫度的變化產生相對穩定的效應，它嚴重影響了人類生存的環境，對人類健康和經濟發展產生了許多負面影響[3]。空氣中二氧化碳含量的增加是溫室效應的重要成因，森林生態系統可以通過植物的光合作用將其轉化為有機碳并且固定在植物或土壤中，可以有效控制CO2的積累[4]。隨著CO2含量的增加，研究森林碳儲量尤為重要，已成為國際研究的熱點之一。

王寧等[5]在山西森林生態系統的碳儲量分布及碳密度分布的研究中指出，在喬木層碳分配比例主要集中在樹干中，其次占比較高的為樹木根系，而樹葉中的碳占比最小，且喬木干的生物量及碳密度均達到了近60%。出喬木層外，灌木層的碳占比例低于草本層和枯落物層。在關于洞庭湖區域森林生態系統的研究過過程中，發現森林生態系統在木材經濟效益、涵養水源方面的經濟效益、保育土壤及森林固碳固硫等方面具有較為顯著的經濟價值[6]。

森林在陸地生態系統生態系統中的固碳量在75%以上[7]。對森林碳儲量的研究是基于對該區域生物量的仔細和詳細的研究。因此，最早的森林碳儲量研究可以追溯到德國，當時已確定某些類型森林的葉片數量和木材重量[8]。在20世紀50年代，日本、英國和前蘇聯對其森林生態系統的生物量進行了廣泛的數據收集和實地調查[9]。隨后，歐洲，美國、俄羅斯、巴西等國家和地區對森林碳平衡與全球碳循環之間的關系進行了詳細研究。在植被碳儲量研究方面取得了重大突破；美國、俄羅斯和加拿大等森林國家對特別關注森林碳儲量的研究[10]。

到20世紀末，基于生物質研究取得了重大進展，許多學者研究了不同地區的碳循環機制。將對森林碳儲量的研究提升到國際的層面，促進了國際之間對森林生態系統碳儲量和碳循環機制研究的協同互助，森林生態系統碳的研究已朝著著更為全面的方向發展。研究至今歐洲、美洲、亞洲等國在碳儲量和碳循環機制中取得較為明顯成就，俄羅斯學者Krankina等[11，12]、美國學者Kolchugina等進一步推動了科學界關于森林生態系統在全球氣候溫室效應下固碳排氧的研究高潮[13-15]。

對我國森林植被碳儲量最早進行研究的是馮宗煒、方精云等人[16]，中國森林主要碳庫類型為落葉闊葉林、暖溫性針葉林、云杉林、落葉松林,它們的碳儲量總量占全國的87%[17]；李克讓等[18]利用CEVASA反映了人類活動對森林碳密度的巨大干擾。劉國華等還發現了在中國森林碳儲量隨時間的推移而增加[19，20]。方精云等[21]利用在很多不同地區的生物量測定數據，結合中國森林資源清査資料和相關的統計數據50年來，基于生物量轉換因子的連續函數法，研究了中國森林植被庫的變化及其時空格局的轉變，建立了生物量與主要森林類的功能轉換模型，進一步提高中國森林生態系統碳儲量估算的準確性，促進中國各地區碳儲量的研究和發展，量化森林生態系統服務功能并準確評估森林生態系統在吸收溫室氣體等方面中的作用。

2.2 森林生態系統營養元素的時空分布格局

森林中營養元素的積累和分布很發揮著重要作用[22]。森林生態系統中營養元素分配與循環在研究初期并沒有受到更多人的關注[23]。直到1930年，由于Albert等[24]對歐2種樹種的營養物質循環研究的成果引起了對不同的森林生態系統營養物質分配格局、循環研究熱潮。Whittaker P.H.等[25]對森林土壤的可利用性進行了深入的研究，以及Rochow J J.等[26]對營養元素庫的探討，Likens G.E.等[27]對營養元素的傳輸進行了研究。隨著實驗技術和數據處理的方法不斷改進，營養物質的研究也向著更加全面的方向發展，各國對枯落物的分解和歸還的研究報道也很多，準確地闡述了養分循環的機理[28，29]。

中國對森林生態系統營養元素的研究始于侯學煜等[30]的研究。直到20世紀70年代后期，學者逐漸開始測量和研究不同樹種的森林生態系統的養分循環。潘維儔和廖利平[31，32]對杉木人工林，董世仁和聶道平[33，34]對油松人工林各組分的營養元素分布、轉移、再循環等方面做的較為細致深入研究。劉玉萃等[35]系統研究了次生櫟林的養分含量、分布格局和動態特征。陳靈之等[36]研究了森林生態系統的養分循環。羅輯等[37]通過對貢嘎山東坡不同類型的天然林進行了研究發現了不同植物體的營養元素在各器官的含量存在很大差異，不同樹林和不同生長環境下同一器官的營養成分也存在很大差異。黃建輝等[38，39]的研究表明不同森林生態系統生物量區域的分化也會導致群落養分和物質循環的區域分化。趙廣亮等[40]對林分密度與營養物質循環二者關系進行比較研究，結果表明在八達嶺地區的油松人工林最合理的林分密度應為1500株/hm2左右。趙護兵等[41]在營養元素的地上地下的分配中取得很大成果。

2.3 森林生態系統價值量評估研究現狀

森林生態系統的價值不僅包括人類的各種物理產品，還包括各種非物理服務[42-43]。如果可以科學、客觀、定量地評估抽象森林生態系統的服務功能價值，能更清楚地界定森林在經濟社會環境中的重要性，并為保護環境和森林進行大數據決策提供一定的科學依據。

日本最早開始探索森林經濟價值評價方法；20世紀90年代末，Costanza等[44]的研究則是在世界范圍進行生態服務研究的起始工作。中國在20世紀80年代初開始研究森林資源的估值。根據Costanza等的劃分標準，逐漸形成具有中國特色的森林生態服務功能價值評價體系，形成了林業行業標準。

根據許多專家對森林生態系統服務價值的研究，評估森林生態系統服務價值的主要方法有3種:價值評估法、物質評估法、能值評估法[45～48]。從研究范圍來看，我國的研究可劃分為大班、小班、特定區域及森林類型的生態系統價值的研究。大班主要采用不同的計算方法和數據來研究國家層次的森林生態服務功能價值[49，50]。如張永利等選擇合適的評價指標，構建合理的評價指標體系，確定了合適的評價方法。也有學者曾經根據國家發布的行業規范對全國范圍內的森林進行過價值量的評估。中小班指生態系統價值評估區域通常較小如省級生態站、自然功能保護區、小流域等方面[51-54]。胡露云等對遂昌縣范圍內的具有代表性的森林生態系統進進行過中小班的評估是第一次依照《森林生態系統服務功能評估規范( LY/T 1721-2008)》及《中國森林生態服務功能評估》進行的，由于經濟社會的發展和生態發展理念的提出，自然保護區的森林生態系統價值的研究稱為了今年來的一個研究熱門。姚鴻文等[55]在2009年進行了基于固定樣地，應用抽樣調查的理論技術，分別計算樣地的實物量和價值量功能，評估了浙江省森林保護區生態系統七個方面的生態服務功能。到現在，中國已經基本完成了對境內所有自然保護區的價值評估。如李偲等以價值量評估為出發點，采用市場價值法等多種方法對喀納斯自然保護區森林生態系統進行研究[56]。

3 發展趨勢及問題

3.1 研究尺度與層次

國內外對于森林碳儲量的研究已經趨于完善，且研究多集中于一片區域內碳的總儲量分布格局，進而分析其對全球問題的影響。但對于全球、全國范圍內的大數據的宏觀研究缺少相關的統計分析，且對于植物營養元素的研究多集中于植物各個部位的差異、個體種類之間的差異，對于一定區域內其營養元素總儲量的研究較少，缺少相應的標準與規范，針對不同的研究尺度采用適合的研究方法也缺乏統一的標準。隨著研究的進展，今后的研究應當從不同地域環境、不同季節條件、不同研究尺度上進行全方位的分析、對比和評價，并建立相應的研究模型及標準。

3.2 研究缺乏動態性、連續性

森林生態系統是一個隨時間不斷變化的動態系統，但目前對碳儲量及營養元素的儲量、價值量的評估往往采用靜態的研究方法，缺乏同一森林生態系統連續性的監測。今后國內外將對生態系統的研究逐漸從靜態轉為動態，跨區域、跨季節、跨年份進行對比研究。

3.3 研究技術問題

大多數關于森林生態系統服務功能以及其價值評估的研究相對較為陳舊，同時對森林生態系統帶有一定破壞，分析評價各項指標尚未補全，缺乏準確性。評估的方法通常是單一的，采用等效的替代方法。如今研究生態服務功能的研究很過先進技術不夠成熟，缺乏實踐的經驗，今后森林生態系統價值評估的模型也將趨于完善與全面。