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影响森林固碳的因素

来源:中国科学报 作者:王效科 刘魏魏 逯非 人气: 发布时间:2019-11-12 08:18:51

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森林在进行光合作用的过程中,将二氧化碳和水分转化成生物质并释放出氧气,因此可以吸收大量二氧化碳,这个作用就被称作森林的固碳效应。那么,影响森林固碳效应的因素有哪些?

森林的固碳量与森林的年龄组成密切相关。一般森林据其年龄可分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林,其中固碳速度在中龄林生态系统中最大,而成熟林/过熟林由于其生物量基本停止增长,其碳素的吸收与释放基本平衡。森林的年龄结构除取决于森林自身的发展演化外,还极大地受到外来干扰的影响。干扰的频度越高,幼龄林所占的成分越大,其固碳量越少。在森林发展的整个演替过程中,依据固碳的情况,可以把森林的碳动态分为4个阶段,即固碳速率较低的初始阶段或干扰后的再生阶段、固碳速率最大的逻辑斯蒂生长阶段、固碳速率下降的成熟阶段以及碳分解到土壤的森林死亡阶段。由此可见,森林的碳动态在很大程度上取决于其年龄级的变化。

森林的固碳量随着降水的增加而增加。降水能够促进植物生长,增加植物生产力和生物量,所以降水能够促进森林生态系统固碳。在水热因子组合有利于植物生长的地区,植物生物量大,植被碳密度也较高。在较干旱的地区,降水是NPP(植物净初级生产力)的主要限制因子,NPP随降水与潜在蒸发之比的减小而减小,相应的植物的固碳能力也会随生产力的减少而减少。

森林固碳还会受到地形的影响。地形通过影响温度、降水、光照、热量、径流和土壤性质等,在一定程度上影响森林植被类型的分布状况和生长情况(包括生物量、树高和胸径、立木密度等),从而影响森林生态系统的碳输入。另外,不同坡度和海拔受到的人为干扰程度不同,随着坡度或海拔的增加,森林受人为干扰的机会和程度变小,植被生物量大,固碳能力高。

森林生态系统植被碳储量随坡度的变化表现为陡坡>急坡>斜坡>缓坡>平坡。碳密度分布为陡坡>险坡>斜坡>缓坡>平坡。森林植被碳储量随坡度等级的变化与不同坡度等级受到人为干扰程度的差异有关,平坡的森林植被比较容易受到人为干扰,碳密度低。随着坡度的增大,受人为干扰的机会和程度减小,植被多保持自然状态,植被生长时间长,生物量大,碳储量也大,碳密度也增加。

坡面位置也影响森林生态系统固碳。由于土壤侵蚀、水分侧流等原因斜坡上部森林生态系统土壤有机碳含量要低于斜坡底部森林生态系统土壤有机碳含量。

海拔的影响主要与不同海拔森林植被面积、植被类型以及人为干扰程度有关。天然森林中随着海拔的升高,受人为干扰的机会和程度越小,植被生长时间长,生物量大,固碳能力高。在未受人类影响的森林或者次生林中,随着海拔的升高,森林地上部分生物量呈降低趋势,相应的森林固碳能力也会下降。

影响森林固碳的还有火灾。森林火灾发生的过程中,不仅直接造成森林生态系统的碳排放,而且还破坏了原有森林生态系统的结构和功能,从而改变了整个森林生态系统的碳固定、分配和循环,并影响与大气间的气体交换。主要表现在以下几方面:火灾直接燃烧森林植被,引起林木生产力的降低和木材损失,直接降低了森林生态系统植被的固碳能力;火灾通过直接影响凋落物数量和间接影响凋落物的分解速率,减少凋落物碳库并加速凋落物的分解;火灾对森林土壤碳库的影响表现在增加土壤有机质分解,增加土壤呼吸碳释放、减少地上植被输入土壤的碳素以及增加黑碳的碳汇功能;火灾对森林生态系统NPP的影响。森林生态系统NPP是反映森林固碳能力的一个重要指标。

火灾后,在生态系统恢复的过程中,NPP首先随着林龄的增大而增大,直到恢复到干扰前的水平。但是,不同生态系统的恢复时间和增长模式都是不同的。北美北方针叶林火干扰迹地NPP恢复的时间为9年,加拿大北方林区火灾后15年内NPP随时间大致呈线性增加,20年达到生产力较为稳定的水平,在火灾后20~30年时增长速率减慢。

氮沉降也影响森林固碳。氮沉降的氮素一方面能够直接促进植物生长,增加林木材积,从而增加森林生态系统的固碳。另一方面氮沉降降低了腐殖质物质的分解速率,从而增加了土壤碳的积累速率。受氮沉降影响的森林生态系统固碳能力高于不受氮沉降影响的森林生态系统固碳能力。氮是欧洲森林生长速率增长的主要驱动因子,在只考虑氮沉降的情况下芬兰南部的欧洲赤松林生态系统碳库增加了11%。

但是,生态系统处于氮饱和状态时却会降低生态系统生产力,会在一定程度上减少森林生态系统碳储量,降低固碳能力。原因有以下几方面:氮沉降会改变植物的遗传组成和生态系统营养循环,抑制植物生长;氮沉降会造成植物体内硝酸盐和亚硝酸盐过高,引发植物叶损伤和变色;氮沉降会导致植物叶片营养失调,减弱植物抵抗病原体的侵蚀能力,增加叶片或芽的可口性,导致昆虫啃食增加,从而容易使森林生态系统遭受病虫害。

另外,氮沉降对森林生态系统土壤中不同组成碳的影响不同。例如,氮沉降降低了山毛榉和云杉两种森林类型土壤微生物量碳,却增加了可浸提有机碳量。氮输入加快了科罗拉多高山苔原带土壤中轻组碳(周转周期10年左右)的分解,却抑制了重组碳(周转周期在几十年到一个世纪)的分解过程。

森林是陆地生态系统中最大的碳库,在降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖方面具有十分重要的作用。扩大森林覆盖面积是经济可行、成本较低的重要减缓措施。许多国家都在积极利用森林碳汇应对气候变化。

(作者单位:中科院生态环境研究中心)

(编辑:逍遥客)

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