城市化过程中城市森林生态系统碳汇功能的初步研究

城市化过程中城市森林生态系统碳汇功能的初步研究

随着温室效应和气候恶化，森林碳交换问题越来越受到重视。根据研究，文室效应的发生主要是由于人类大量燃烧岩石燃料和人类破坏森林等因素，以及温室内co等温室气体浓度显著增加的结果。森林树木通过光合作用吸收了大气中大量的CO2,减缓了温室效应和气候变暖的速度,这就是森林的碳汇作用.森林生态系统是地球上除海洋之外最大的碳库,其碳贮量约为1146PgC(1Pg=109t),占全球陆地总碳贮量的46%,可见,森林是吸收、固定和储存CO2最主要的陆地生态系统.城市森林生态系统是一个受人为影响较深的森林生态系统,快速工业化及城市化给城市森林的生长环境造成了巨大的胁迫效应.但是,城市森林在维持大气的碳氧平衡、降低热岛效应、净化和美化城市环境等功能方面是城市其它生态系统无法替代的.有研究表明,城市森林的生物量和生长量远大于草坪、花坛和灌丛,其生态效益(释氧固碳、蒸腾吸热、滞尘减尘、杀菌减菌、降低噪声等)为一般草坪的4～5倍,生态服务功能明显强于城市其它绿地类型.目前,我国城市森林的研究尚处于起步阶段,主要集中在理论探讨、森林结构优化及森林生态系统服务功能的价值研究三方面,对城市森林生态系统碳汇功能的研究较少.本研究以广州市城市森林为例,用森林生物量推算碳储量方法,对城市化过程中森林生态系统碳汇的作用进行了探讨,目的为人类活动胁迫下的生态系统服务功能研究提供信息支持,为实现城市社会、经济的可持续发展提供理论依据,对城市化发展迅速的广州市今后的建设、管理有一定的指导意义.1自然旅游地广州是一座具有两千多年历史的文化名城,是广东省的政治、经济、科技、教育和文化中心,位于东经112°57′～114°13′,北纬22°26′～23°56′,市域总面积为7434.4km2.地势东北高,西南低,北部和东北部是山区,中部是丘陵、台地,南部是珠江三角洲冲积平原.该区属南亚热带海洋性季风气候,年平均日照时数1875.1～1959.9h,全年平均气温为20～22℃,常年降水量1689.3～1876.5mm.土壤以赤红壤为主,山地垂直谱带上还有红壤和黄壤分布,母岩为发育着的沉积岩、岩浆岩和变质岩.植物有198科、487属、1500～1600种.广州市城市森林面积为324219hm2,占广州市域面积的42.65%.2学习方法2.1数据来源本研究所使用的数据来源于2006年广州市林业局森林资源清查资料1、实验数据及文献调研资料.2.2土壤微生物量碳的测定土壤含碳量的测定:在经济林、竹林、城区园林中各布设15个样地,其它的每个林分类型各布设14个样地,共计143个样地.在每个样地中选取2个土壤剖面(0.8m深)采集混合土样,用环刀法测定土壤密度.水溶性有机碳的测定采用干烧法;微生物量碳的测定采用氯仿熏蒸浸提法;矿化碳的测定采用实验室培养法,即将定量土壤放入密封容器中,用NaOH吸收CO2,然后用盐酸滴定NaOH,求得土壤矿化碳含量.土壤呼吸采用基因公司生产的LI-6400光合测定系统,于2005年3月底到11月底的每月中旬的上午10:00至下午14:00进行测定,每天每个测点重复2次.2.3森林生态系统年固碳量计算由于广州市位于低纬度的湿热地区,森林枯落物的分解速度较快,其分解过程释放的CO2又返回大气,所以本研究不考虑枯落物的固碳量.根据森林生态系统CO2平衡原理,森林生态系统年固碳量计算公式为森林生态系统年固碳量=森林植物年净固碳量+森林土壤年固碳量-土壤年呼吸所释放的碳量2.3.1乔木层生物量根据广州市2006年森林资源清查资料中的2005年林分增加蓄积量1及各类木材比重,求算各林分年净增生物量.其中,竹林生物量的计算根据森林资源清查资料中记录的2005年新生竹子株数,用总株数和实测的平均单株生物量16.02kg推算.虽然蓄积量资料提供了森林材积的准确信息,但无法了解它们的全部生物量.在森林生物量的组成当中,树干(材积)只是其中的一部分,并且所占的比例依树种和立地条件不同而差异较大.因此,为了推算某一树种总的生物量,还必须知道枝、根和叶的生物量,树干与总生物量和其它器官之间存在相关关系,所以,由树干材积推算总生物量是可行的.根据多次实测,杉木的叶、枝、根分别占生物量干质量的比例为6.8%、9.3%、9.5%,湿地松为11.2%、12.9%、12.1%,马尾松为11.8%、10.5%、12.6%,阔叶林为10.6%、18.3%、21.4%,竹林为5.92%、16.68%、5.82%.根据这些研究结果推算广州市各森林类型的生物量:针叶混交林各器官的比例取杉木、湿地松、马尾松3种林分的平均数,为9.9%、10.9%、11.4%;针阔混交林按30%针叶林和70%阔叶林的比例求算,为10.4%、16.1%、18.4%;经济林、灌木疏林、城区园林分别按阔叶林的比例求算.因此,林分固碳量公式为林分固碳量=林分生物量×0.45(每克干物质的碳含量)2.3.2固碳年法的计算由于广州市的特殊地理位置,土壤微生物活动及土壤有机质年分解、矿化的速度很快,故土壤年固碳量=土壤活性碳和年矿化碳含量×林分面积2.3.3土壤呼吸量rc的计算根据研究,森林土壤呼吸排放的CO2量的C有60%来自土壤有机物的分解,只有40%来自根的新陈代谢,但根的呼吸量已经在计算森林植被净生长量时考虑了,因此土壤呼吸量(RC)为RC=Σj=1mΣi=1n(0.6RCij)RC=Σj=1mΣi=1n(0.6RCij)式中:RC表示土壤总呼吸量;RCij表示某地域某林种的呼吸量(i为林种序号,j为地域序号).3结果与分析3.1森林植被固碳能力分布情况由表1可知,竹林、针阔混交林、针叶混交林的年净增生物量较高,分别为18.743、16.477、15.883t·hm-2,经济林和灌木疏林的较低,分别为5.309和5.074t·hm-2.一般来讲,植物年净增生物量的高低与林种、林龄及立地条件有关.虽然竹林、杉木的生长速度较快,但杉木的木材比重较小,所以年净增生物量不高;一般幼龄林的生长速度较快,但幼龄林的蓄积量较低,所以林分中幼龄林的比例是决定林分年净增生物量和固碳量多少的重要因素;此外,针阔混交林、针叶混交林这两种林分的配置可以适应更多的立地生长环境,因而蓄积量较高,年净增生物量较大;经济林和灌丛疏林的蓄积量较低,所以年净增生物量较低.各森林类型植物单位面积净固碳能力大小排序为竹林>针阔混交林>针叶混交林>阔叶树林>湿地松林>马尾松林>城区园林>杉木>经济林>灌丛疏林.竹林单位面积的固碳能力最强,是由于其年净增生物量较高;阔叶树是亚热带森林的主要建群种,其乔木层叶片处于林冠上部,有较长的日照时间和充足的光能,有利于植物的光合作用及有机物的合成和积累,因而具有很强的固碳能力;松、柏类固碳能力强于杉木林,这是由于松、柏类比杉木更适应不同的立地生长环境,具有较高的生产量;灌丛疏林单位面积的林分产量低,因而其固碳能力小;经济林由于人为控制林木密度和高度,同时生物生产量的有关成分被作为商品取走,单位面积的生物量很少,故其单位面积的固碳能力较低;城区园林因中、幼龄林的比例较大,所以林分的年净增生物量不大,植被单位面积的固碳能力也较差.各森林类型固碳量的大小与其森林植被面积的大小有关,从各森林类型的年净固碳量来看,阔叶树的固碳量最大,为908251t·a-1,占总固碳量的52.1%;城区园林固碳量为246730t·a-1,占14.2%;针阔混交林固碳量为177803t·a-1,占10.2%;马尾松固碳量为156978t·a-1,占9.0%;经济林固碳量为76516t·a-1,占4.4%;竹林固碳量为54106t·a-1,占3.1%;湿地松固碳量为41399t·a-1,占2.4%;针叶混交林固碳量为33843t·a-1,占1.9%;杉木固碳量为26499t·a-1,占1.5%;灌丛疏林固碳量为20938t·a-1,占1.2%.广州市城市森林植被系统每年固碳量为1743063t.3.2固定固碳量所占比例不同森林类型现存量中各器官的新增生物量与其相应的碳素含量之积,即为林分各器官的年固碳量.由表2可以推算出,碳素在不同森林类型各器官中的分配基本上与各器官的生物量成正比;树干部分生物量占林分生物量的比例为53.41%,其固碳量所占比例为53.39%;根的生物量占林分生物量的比例为19.20%,其固碳量所占比例为19.21%;枝的生物量占林分生物量的比例为16.90%,其固碳量所占比例为16.87%;叶的生物量占林分生物量的比例为10.50%,其固碳量所占比例为10.47%.以上分析表明,树干部分固碳量所占的比例最大,为53.4%,而枝、叶、根的固碳量所占比例为46.6%.因此,森林被采伐利用时,木材部分被制成家具或建筑物可以被“永久的”保存起来,成为缓冲性质的林产品碳库,对调节地球环境中碳周转速率和周转量具有重要的意义;采伐剩余物枝、叶、皮、根等应保留在林地内,让其在自然状态下缓慢分解,经由腐殖质的最后分解阶段常常需要很长的时间——有时要几年或几十年,减缓CO2排放.同时,如果能够在采伐后及时完成更新过程,所造成的CO2的排放量不是很大.反之,森林采伐后,大量树根、叶、枝、皮等被移出林外作薪材,或进行“炼山”,这将导致大量的有机质在很短时间内迅速氧化分解,尤其是土壤表层有机质在高温下迅速氧化,将排放大量的CO2.3.3土壤固碳能力由表3可知,不同森林类型土壤的固碳能力不同,阔叶树土壤单位面积的年净固碳量最高,为1.6466t·hm-2,经济林的最低,为-0.6314t·hm-2;各森林类型土壤单位面积固碳能力大小排序为阔叶树>马尾松>湿地松>针阔混交林>针叶混交林>杉木>竹林>城区园林>灌丛疏林>经济林.各森林类型土壤固碳能力的大小与土壤固定的活性碳、年矿化碳量及土壤释放的碳量有关,其固定和释放碳量的大小决定于立地条件及人类活动影响下的土壤微生物含量.湿热环境下土壤微生物活动及土壤有机质年分解、矿化的速度较快,故土壤活性碳及年矿化碳量较高,即土壤固碳量较高;松土、施肥也可以有效加速土壤微生物的活动和有机质的分解、矿化速率,从而有利于土壤活性碳及年矿化碳量的提高,即有利于土壤固碳量的提高.同时,随着土壤微生物活动及有机质年分解速度的加快,土壤释放的碳量也相应增加.不同林分类型的固碳能力不同,阔叶林由于林种丰富,凋落物较多,土壤有机质含量高,矿化作用增大,与此同时土壤微生物无论种群还是数量都较多,所以土壤固碳能力较强,相比之下,树种单一的林分,土壤的固碳能力就较弱些;灌木疏林的结构没有发育成熟,城区园林受人类活动负向干扰的影响较大,故其林分土壤的微生物活动及有机质含量均较低,导致土壤活性碳及年矿化碳量也较低,即土壤固碳能力较差;经济林的林分植被覆盖率低且林种单一,同时受人类活动(松土、施肥)干扰的强度较大,从而加速了林地局部地区土壤微生物活动和有机质的分解速率,导致一定时间内土壤释放的碳量比土壤固定的碳量大,故经济林的土壤固碳量为负数.从各森林类型土壤的总净固碳量来看,阔叶树土壤固碳量最大,为241596t·a-1,占森林土壤年固碳量的80.43%;马尾松土壤固碳量为23659t·a-1,占7.88%;城区园林土壤固碳量为18909t·a-1,占6.30%;针阔混交林土壤固碳量为17676t·a-1,占5.88%;湿地松土壤固碳量为5230t·a-1,占1.74%;杉木土壤固碳量为4965t·a-1,占1.65%;针叶混交林土壤固碳量为3185t·a-1,占1.06%;竹林土壤固碳量为2962t·a-1,占0.99%;灌丛疏林土壤固碳量为2743t·a-1,占0.91%.可见,森林土壤固碳是森林生态系统固碳的重要组成部分,其中,土壤微生物固碳占土壤活性碳及年矿化碳量的50.76%.3.4不同类型森林的固碳量从表4可看出,各森林类型单位面积固定CO2的能力排序为:竹林>针阔混交林>阔叶树>针叶混交林>湿地松>马尾松>城区园林>杉木>灌丛疏林>经济林.由于各种森林类型固定CO2量的大小与其森林面积的大小有关,推算出广州市2005年森林生态系统净固定CO2量为7493811t,其中植被固碳量为6391232t,占总固碳量的85.3%,土壤净固碳量为1102579t,占14.7%.从各森林类型年固定CO2量来看,阔叶树的固碳量最大,为4216106t·a-1,占总固碳量的56.3%;城区园林固碳量为974010t·a-1,占13.0%;针阔混交林固碳量为716756t·a-1,占9.6%;马尾松固碳量为662336t·a-1,占8.8%;竹林固碳量为209250t·a-1,占2.8%;经济林固碳量为206412t·a-1,占2.7%;湿地松固碳量为170973t·a-1,占2.3%;针叶混交林固碳量为135769t·a-1,占1.8%;杉木固碳量为115368t·a-1,占1.5%;灌丛疏林固碳量为86831t·a-1,占1.2%.可见,森林生态系统是陆地生态系统中最为重要的碳汇库,与区域大气CO2浓度的升降具