森林生态系统固碳、营养元素及价值量评估研究进展

王瑞璋

(西南林业大学 生态与水土保持学院，云南 昆明 650224)

1 研究背景

随着中国经济的快速发展，自然环境也面临巨大压力，经济发展与资源环境之间的矛盾日益尖锐。人们对环境的需求也日益提高，如何将环境问题解决成为了当今的社会问题之一[1]。森林是陆地生态系统的支柱，与其他陆地生态系统相比森林面积虽只占陆地面积的27%，但其在减少土壤侵蚀、预防洪水等灾害的发生、固定碳源、生物多样性保护，森林娱乐、文化美学等功能发挥着重要作用，因而它对保护人类生存环境和健康方面发挥着重要作用[2]。目前，全球大趋势趋近于环境各生态系统的恢复重建与保护，森林生态系统在各环境系统中占有主导地位，关于如何保护森林及建立新的生态系统成为国内外各研究学者的研究命题。 森林生态系统是陆地生态系统的主体，关于森林生态系统现有的相关研究进展中，主要针对森林生态系统在自然界中作出的贡献及产生价值，价值量评估主要体现在碳、氮、磷储量及相关产出。在对于陆地生态系统当中，森林生态系统占有相对主导地位，主要体现在凋落物分解、相关营养元素的吸收与存储、原生林与次生林生态系统的异同、人造林及天然林生态系统的价值量评估等方面。

森林的土壤保持和养分积累是森林生态服务功能中的重要组成部分，因而对森林生态系统的碳储量以及森林生态系统中几种主要营养物的积累和分配的研究也尤为重要。如果能可以科学、客观、定量地使用货币来评估抽象森林生态系统的服务功能价值，将能够更清楚地界定森林在经济社会环境中的重要性，更好地为环境和森林的宏观决策保护提供重要的科学依据。笔者在前人的研究成果之上，总结各学者的研究进展，为后续森林生态系统的研究提供方向和思路。

2 研究现状

2.1 森林固碳效果及碳循环过程

随着大气中温室气体浓度的增加而导致通过大气捕获辐射，导致某些地区对温度的变化产生相对稳定的效应，它严重影响了人类生存的环境，对人类健康和经济发展产生了许多负面影响[3]。空气中二氧化碳含量的增加是温室效应的重要成因，森林生态系统可以通过植物的光合作用将其转化为有机碳并且固定在植物或土壤中，可以有效控制CO2的积累[4]。随着CO2含量的增加，研究森林碳储量尤为重要，已成为国际研究的热点之一。

王宁等[5]在山西森林生态系统的碳储量分布及碳密度分布的研究中指出，在乔木层碳分配比例主要集中在树干中，其次占比较高的为树木根系，而树叶中的碳占比最小，且乔木干的生物量及碳密度均达到了近60%。出乔木层外，灌木层的碳占比例低于草本层和枯落物层。在关于洞庭湖区域森林生态系统的研究过过程中，发现森林生态系统在木材经济效益、涵养水源方面的经济效益、保育土壤及森林固碳固硫等方面具有较为显著的经济价值[6]。

森林在陆地生态系统生态系统中的固碳量在75%以上[7]。对森林碳储量的研究是基于对该区域生物量的仔细和详细的研究。因此，最早的森林碳储量研究可以追溯到德国，当时已确定某些类型森林的叶片数量和木材重量[8]。在20世纪50年代，日本、英国和前苏联对其森林生态系统的生物量进行了广泛的数据收集和实地调查[9]。随后，欧洲，美国、俄罗斯、巴西等国家和地区对森林碳平衡与全球碳循环之间的关系进行了详细研究。在植被碳储量研究方面取得了重大突破；美国、俄罗斯和加拿大等森林国家对特别关注森林碳储量的研究[10]。

到20世纪末，基于生物质研究取得了重大进展，许多学者研究了不同地区的碳循环机制。将对森林碳储量的研究提升到国际的层面，促进了国际之间对森林生态系统碳储量和碳循环机制研究的协同互助，森林生态系统碳的研究已朝着着更为全面的方向发展。研究至今欧洲、美洲、亚洲等国在碳储量和碳循环机制中取得较为明显成就，俄罗斯学者Krankina等[11，12]、美国学者Kolchugina等进一步推动了科学界关于森林生态系统在全球气候温室效应下固碳排氧的研究高潮[13-15]。

对我国森林植被碳储量最早进行研究的是冯宗炜、方精云等人[16]，中国森林主要碳库类型为落叶阔叶林、暖温性针叶林、云杉林、落叶松林,它们的碳储量总量占全国的87%[17]；李克让等[18]利用CEVASA反映了人类活动对森林碳密度的巨大干扰。刘国华等还发现了在中国森林碳储量随时间的推移而增加[19，20]。方精云等[21]利用在很多不同地区的生物量测定数据，结合中国森林资源清査资料和相关的统计数据50年来，基于生物量转换因子的连续函数法，研究了中国森林植被库的变化及其时空格局的转变，建立了生物量与主要森林类的功能转换模型，进一步提高中国森林生态系统碳储量估算的准确性，促进中国各地区碳储量的研究和发展，量化森林生态系统服务功能并准确评估森林生态系统在吸收温室气体等方面中的作用。

2.2 森林生态系统营养元素的时空分布格局

森林中营养元素的积累和分布很发挥着重要作用[22]。森林生态系统中营养元素分配与循环在研究初期并没有受到更多人的关注[23]。直到1930年，由于Albert等[24]对欧2种树种的营养物质循环研究的成果引起了对不同的森林生态系统营养物质分配格局、循环研究热潮。Whittaker P.H.等[25]对森林土壤的可利用性进行了深入的研究，以及Rochow J J.等[26]对营养元素库的探讨，Likens G.E.等[27]对营养元素的传输进行了研究。随着实验技术和数据处理的方法不断改进，营养物质的研究也向着更加全面的方向发展，各国对枯落物的分解和归还的研究报道也很多，准确地阐述了养分循环的机理[28，29]。

中国对森林生态系统营养元素的研究始于侯学煜等[30]的研究。直到20世纪70年代后期，学者逐渐开始测量和研究不同树种的森林生态系统的养分循环。潘维俦和廖利平[31，32]对杉木人工林，董世仁和聂道平[33，34]对油松人工林各组分的营养元素分布、转移、再循环等方面做的较为细致深入研究。刘玉萃等[35]系统研究了次生栎林的养分含量、分布格局和动态特征。陈灵之等[36]研究了森林生态系统的养分循环。罗辑等[37]通过对贡嘎山东坡不同类型的天然林进行了研究发现了不同植物体的营养元素在各器官的含量存在很大差异，不同树林和不同生长环境下同一器官的营养成分也存在很大差异。黄建辉等[38，39]的研究表明不同森林生态系统生物量区域的分化也会导致群落养分和物质循环的区域分化。赵广亮等[40]对林分密度与营养物质循环二者关系进行比较研究，结果表明在八达岭地区的油松人工林最合理的林分密度应为1500株/hm2左右。赵护兵等[41]在营养元素的地上地下的分配中取得很大成果。

2.3 森林生态系统价值量评估研究现状

森林生态系统的价值不仅包括人类的各种物理产品，还包括各种非物理服务[42-43]。如果可以科学、客观、定量地评估抽象森林生态系统的服务功能价值，能更清楚地界定森林在经济社会环境中的重要性，并为保护环境和森林进行大数据决策提供一定的科学依据。

日本最早开始探索森林经济价值评价方法；20世纪90年代末，Costanza等[44]的研究则是在世界范围进行生态服务研究的起始工作。中国在20世纪80年代初开始研究森林资源的估值。根据Costanza等的划分标准，逐渐形成具有中国特色的森林生态服务功能价值评价体系，形成了林业行业标准。

根据许多专家对森林生态系统服务价值的研究，评估森林生态系统服务价值的主要方法有3种:价值评估法、物质评估法、能值评估法[45～48]。从研究范围来看，我国的研究可划分为大班、小班、特定区域及森林类型的生态系统价值的研究。大班主要采用不同的计算方法和数据来研究国家层次的森林生态服务功能价值[49，50]。如张永利等选择合适的评价指标，构建合理的评价指标体系，确定了合适的评价方法。也有学者曾经根据国家发布的行业规范对全国范围内的森林进行过价值量的评估。中小班指生态系统价值评估区域通常较小如省级生态站、自然功能保护区、小流域等方面[51-54]。胡露云等对遂昌县范围内的具有代表性的森林生态系统进进行过中小班的评估是第一次依照《森林生态系统服务功能评估规范( LY/T 1721-2008)》及《中国森林生态服务功能评估》进行的，由于经济社会的发展和生态发展理念的提出，自然保护区的森林生态系统价值的研究称为了今年来的一个研究热门。姚鸿文等[55]在2009年进行了基于固定样地，应用抽样调查的理论技术，分别计算样地的实物量和价值量功能，评估了浙江省森林保护区生态系统七个方面的生态服务功能。到现在，中国已经基本完成了对境内所有自然保护区的价值评估。如李偲等以价值量评估为出发点，采用市场价值法等多种方法对喀纳斯自然保护区森林生态系统进行研究[56]。

3 发展趋势及问题

3.1 研究尺度与层次

国内外对于森林碳储量的研究已经趋于完善，且研究多集中于一片区域内碳的总储量分布格局，进而分析其对全球问题的影响。但对于全球、全国范围内的大数据的宏观研究缺少相关的统计分析，且对于植物营养元素的研究多集中于植物各个部位的差异、个体种类之间的差异，对于一定区域内其营养元素总储量的研究较少，缺少相应的标准与规范，针对不同的研究尺度采用适合的研究方法也缺乏统一的标准。随着研究的进展，今后的研究应当从不同地域环境、不同季节条件、不同研究尺度上进行全方位的分析、对比和评价，并建立相应的研究模型及标准。

3.2 研究缺乏动态性、连续性

森林生态系统是一个随时间不断变化的动态系统，但目前对碳储量及营养元素的储量、价值量的评估往往采用静态的研究方法，缺乏同一森林生态系统连续性的监测。今后国内外将对生态系统的研究逐渐从静态转为动态，跨区域、跨季节、跨年份进行对比研究。

3.3 研究技术问题

大多数关于森林生态系统服务功能以及其价值评估的研究相对较为陈旧，同时对森林生态系统带有一定破坏，分析评价各项指标尚未补全，缺乏准确性。评估的方法通常是单一的，采用等效的替代方法。如今研究生态服务功能的研究很过先进技术不够成熟，缺乏实践的经验，今后森林生态系统价值评估的模型也将趋于完善与全面。