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  世界林业研究  2010, Vol. 23 Issue (6): 35-39  
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引用本文  

刘斌, 田晓瑞. 林火碳排放模型研究进展[J]. 世界林业研究, 2010, 23(6): 35-39.
Liu Bin, Tian Xiaorui. Research Progress of Forest Fires Carbon Emissions Model[J]. World Forestry Research, 2010, 23(6): 35-39.

基金项目

国家科技支撑项目(2007BAC03A02);国家自然科学基金项目(30671695)

通信作者

田晓瑞(1971-), 男, 副研究员, E-mail:tianxr@caf.ac.cn

作者简介

刘斌(1982-), 男, 中国林业科学研究院硕士研究生, E-mail:liubin20058892@163.com

文章历史

收稿日期:2010-07-29
林火碳排放模型研究进展
刘斌 , 田晓瑞     
中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 国家林业局森林保护重点开放实验室, 北京 100091
摘要:林火作为干扰因子, 影响着森林演替、森林生物量和生产力以及生物地球化学循环。森林燃烧所释放的含碳温室气体对全球气候变化具有重要影响。对森林火灾释放的含碳气体进行有效估算, 可以弄清林火产生的含碳气体对全球碳循环的影响。文中介绍了2种林火碳排放模型, 即基于有效可燃物模型和火干扰下碳循环模型。通过对这2种估算方法的比较, 指出未来林火碳排放估算方法的发展趋势。
关键词森林火灾    碳排放模型    含碳气体    
Research Progress of Forest Fires Carbon Emissions Model
Liu Bin, Tian Xiaorui     
Key Open Laboratory of Forest Protection of State Forestry Adminstration, Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 10091, China
Abstract: Fire as a disturbance factor affects the forest succession, forest biomass, forest productivity and biogeochemistry cycle.The carbon-containing greenhouse gases released by forest burning impose an important influence on global climate change.The effective estimation of the carbon-containing gases from forest fires can help find the effect of the carbon-containing gases from forest fires on global carbon cycle. This article described two forest fire carbon emissions model:one model is base on the effective fuels and the other is the carbon cycle model under fire disturbance.By comparing the two estimating methods, the development trend was laid out in terms of the estimating method of the future forest fire carbon emissions.
Key words: forest fire    carbon emissions model    carbon-containing gas    

火是森林生态系统重要的干扰因子, 全球平均每年森林过火面积占世界森林总面积的1%[1], 森林火灾对植物及其群落的生长发育和植物间的相互作用具有很强的干扰作用[2], 而且改变了森林演替[3]、森林景观格局、森林生物量和生产力[4]以及生物地球化学循环[5]。森林火灾特别是重特大森林火灾不仅破坏了自然生态系统和植物群落, 同时还向大气中释放了大量含碳温室气体, 对全球气候、环境影响很大[6]。森林火灾所释放出的温室气体大约90%是CO2, 还有一氧化碳(C0)、甲烷(CH4)、氮氧化物和其他含碳痕量气体。CO2的大量增加打破了原有的碳平衡, 对全球碳循环产生了很大影响。因此, 准确估算林火释放含碳温室气体的量, 对研究全球碳平衡和计算森林碳汇具有重要意义。

1 基于有效可燃物模型的碳排放模型

目前, 无论是在森林群落或森林生态系统尺度上还是在区域或全球尺度上, 计算林火排放碳量普遍采用的方法是通过直接或间接测定森林植被生产量与生物量再乘以生物量中碳元素的含量进行推算[7]。森林生态系统生物量和碳储量作为基础数据, 对于准确估算森林火灾释放碳量具有重要的意义。Seiler[8]在1980年提出了森林火灾燃烧消耗生物量的估算公式, M=ABab, 其中A为燃烧面积或火灾面积, B为未燃烧前该生态系统单位面积具有的有机物质即生物量, a为地上部分生物量占总生物量的比例, b为地上生物量的燃烧效率。

计算出林火损失的生物量, 然后根据植物的含碳百分比, 得到燃烧造成损失的总碳量, 引人排放因子(EF)与排放比(ER)2个概念, 林火所释放的各种含碳气体量可以用排放因子法和排放比法分别估算。从文献资料来看, 目前应用排放比估算温室气体排放量比较有效[9]。从理论上说, 排放因子法估算比较可靠, 排放比法估算误差较大, 这是由于排放比在一次燃烧过程中随阶段不同而不断变化, 但是排放因子一般在实验室中比较容易取得, 而排放比则在野外和大规模火灾发生时比较容易进行测定, 可以得到与实际相接近的值, 所以应用广泛。

燃烧效率是估算森林火灾碳释放量时一个重要的因子, 其受很多因素的影响, 包括火灾强度、林火类型、植被种类、气候和环境条件等。由于在不同生态系统中燃烧效率变化比较大, 而且在野外实际调查中获得的关于燃烧效率比较准确的资料也很少, 一般认为热带(亚热带)地区和热带草原地区地上物质的燃烧效率约为0.8~1, 而纬度较高的北方针叶林的燃烧效率约为0.2~0.3[10]

在大尺度森林火灾面积估算中, 遥感依靠其自身宏观性和动态监测的特点, 已经成为获得林火时空动态信息的一种有效手段, 现有的各种卫星影像完全可以提供较为精确的面积数据。因此, 采用遥感技术结合排放比法来进行计算, 是大尺度估算林火碳排放量的一种有效方法。例如, Hoelzemann[11]等利用欧洲空间局提供的全球火疤图(CLOB-SCAR)和全球林火排放模型(GWEM)估计了全球尺度的林火碳排放量。

在利用基于有效可燃物模型估算林火碳排放时, 除了遥感卫星结合排放比估算方法外, 也可以采用野外调查和室内试验分析相结合的方法研究林火含碳气体。例如, 胡海清[12]等以黑龙江省大兴安岭林区1980-1999年火灾数据为基础, 通过野外调查和室内实验相结合, 应用排放因子法估算了该林区主要林型灌木层、草本层和地被层由于森林火灾而释放的碳总量以及含碳温室气体量。

2 火干扰下碳循环模型

近年来, 随着各种生态学模型应用于气候变化、全球碳循环等方面, 在各种生态系统生物量预测和模拟上, 模型法发挥了越来越重要的作用。模拟火干扰情况下碳循环过程主要有3个方面:1)对年龄结构的碳循环进行模拟, 基于年龄结构的碳循环模型将碳循环只作为时间的函数, 通过统计数据获取不同年龄生态系统的碳循环特征[13]。有些研究在模型中加入了干扰因子(火灾、虫灾和人为因素等)与非干扰因子(生态类型、气候和大气成分等)[16]。使用这类模型可以更好地模拟各种场景下火干扰对碳循环的影响, 进而估算出火干扰条件下林火释放的碳量。2)运用遥感方法的碳循环模拟, 即通过遥感手段获得火干扰面积下植被特征的变化情况, 从而估算林火碳释放量[14]。这2种模型都是用数据来驱动的, 无法做到时空扩展, 而未来要求对全球变化情景下的整个碳循环过程进行模拟研究。3)由火干扰造成的生态系统功能发生变化的生物地球化学模拟[15]是用数学模型来表示化学物质从环境到生物最后又回到环境中的生物地球化学循环过程, 是模拟生态系统物质循环的一种重要方法[17]。火干扰下碳循环模型是准确估算生物量和碳循环的有效手段。随着模型的发展和对火干扰重要性认识的不断深化, 生物地球化学模型中加入了火干扰因子[15], 为在火干扰条件下估算含碳温室气体提供了有效途径。

森林生态系统模型提供了长期预测气候变化和土地使用改变对森林生态系统影响的科学的方法[13]。在国外尤其是加拿大北方林地区已经发展了许多复杂的生态系统碳循环模型, 包括CBM-CFS, FORECAST, DRYADES, TRIPLEX和ForNBM, 用估碳平衡和在森林资源持续利用、气候变化和各种干扰行为下的森林生产力和生物量。

CBM-CFS3(the Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector 3)是一种景观水平上的森林生态系统碳流动模型。森林管理者和研究人员可以用$种模型来评估被研究森林面积内碳储量的大小及变化, 模型还可以根据管理行为和自然干扰因子来评估过去碳储量的变化以及由管理行为和自然干扰因子所产生的将来碳储量的变化[18]。CBM-CFS3模型是通过森林生物量和死亡有机物(DOM)来计算碳储量及其变化。把森林火灾作为一种自然干扰因子, 然后设置好相对应的参数, 构建林火情景, 就可以估算林火释放含碳气体的量[19]

碳循环和火行为模型(the Carbon Cycle Model and Fire Regime Model)由碳循环模型和火行为模型2部分组成。碳模型表示燃烧消耗生物量的碳动态性, 它是以生态碳循环模型Sim-CYCLE (Simulation model of Carbon cYCle in Land Ecosystems)为基础, 用来计算碳变化和森林植被的增长, 估算森林燃烧消耗碳的积累, 从而得到净生物量生产力(NBP)。火行为模型采用随机方法模拟林火的点燃、蔓延直至熄灭的过程。把各种因子输入不同阶段的火行为模型中, 就可以计算出林火在不同阶段所释放的含碳气体的量[20]。Akihiko等用Sim-CYCLE模型对俄国雅库茨克地区落叶松林进行长期模拟显示, 该地区平均火间隔缩短至64年, 其中94%是地表火, 尽管树冠火不到6%, 但它对碳储量的影响比地表火大得多, 生物量燃烧释放了由植物光合作用所固定的12%的碳, 并且加速了北方森林的碳循环过程[20]

3 主要研究成果

对火灾释放含碳气体的估算主要是在高纬度的北方针叶林地区和赤道热带雨林地区(包括热带大草原), 这2个植被带被认为是含碳气体排放的2个主要源。北方和温带林地区受天然火灾的影响较大, 热带地区主要是人为影响的结果, 其中刀耕火种的生产方式和对森林采伐的影响较大。

3.1 北方林区的林火碳排放

北方林位于北纬45°~70°, 覆盖了900万~ 1 200万km2的土地, 约占全球森林总面积的1/3, 北方林区的植被、土壤和冻土层所含碳量大约占陆地总碳库的37%, 其碳释放主要以天然火灾为主。

温带和北方森林主要分布在俄罗斯、加拿大和中国, 用有效可燃物模型估算北方林区森林火灾排放的CO2, CO, CH4和NMHC的量分别为235 Tg/a, 21 Tg/a, 1.4 Tg/a和0.7 Tg/a[21]。在1959-1999年40年里, 加拿大森林火灾平均每年释放27 Tg (1 Tg=1012 g)碳, 由于在森林燃烧面积上埋葬物的可变性不同, 每年碳排放数值变化比较大, 大约在3 T~115 Tg, 平均每平方米过火面积损失1.3 kg碳; 在不同区域上略有不同, 大约在1~2 kg/m2。这些直接排放的碳约占加拿大能源部门CO2排放总量的18%[22]。北方林在我国主要分布在东北的大小兴安岭和长白山地区, 对我国1991—2000年森林火灾直接释放碳量进行的估算表明, 我国森林生物量的消耗主要是寒温带森林火灾造成的[23]。胡海清等[24]估算了大兴安岭林区1980-1999年20年各乔木树种的火灾碳量, 发现落叶松林燃烧释放的碳最多, 约占总释放量的2/3;其次为白桦, 约占总释放量的1/4;其他树种较少, 约占释放量的1/12。

Kasischke和Bruhwiler[25]用北美林火统计资料和俄国卫星数据, 得出1998年全球北方林过火面积为1 790万hm2, 是近10年来最高的, 共释放碳290T~383 Tg, 其中CO2为199 T~250 Tg, CO为128 Tg, CH4为2.9 T~4.7 Tg, 总碳量比全球估计的碳排放量高出8.9%, CO高出13.8%, CH4高出12.4%。其中俄国的排放量占了71%, 北美的排放量占了29%, 结果的准确性大大提高。Zhang和Wooster[26]用SPOT VEGETATION(VGT)数据对2001年俄罗斯全境的火灾进行了研究, 得出俄国2001年火灾总过火面积为51 546 km2, 其中38 512 km2是森林火灾, 13 034 km2是其他土地利用类型火; 东西伯利亚和俄罗斯远东北部地区8月份火频率最高, 俄罗斯远东南部地区则是5月份和10月份火频率最高; 估算出2001年俄罗斯火灾直接释放碳量为39.3 M~ 55.4 Mt, 是同年北美北部火灾碳释放量的5~8倍, 大约占当年俄罗斯工业碳排放量的11%~17%。王效科等[27]用有效可燃物模型法, 以我国省、直辖市自治区为单位, 对我国森林火灾释放的CO2, CO和CH4平均每年排放量进行了研究, 认为这3种气体的释放量主要是由火灾面积决定的, 黑龙江、内蒙古和云南3省区的排放量占全国的80%以上。田晓瑞等[23]用有效可燃物模型法, 采用林火统计数据和生物量研究资料, 对我国1991-2000年森林火灾生物量年均损失进行了估算, 并估算了燃烧直接排放碳及CO2, CH4和烟雾颗粒物的量。

Amiro和Stocks[28]用火灾数据库(LFDB)加拿大森林火灾行为预测系统(FBP)估算了1959-1999的森林火灾碳释放量, 得出在这40年间加拿大平均每年林火碳直接释放量大约在21 T~33 Tg, 但个别年份在3 Tg(1978年)至115 Tg(1995年)之间变化Chertov等[29]用EFIMOD(the European Forest In Model)[30]模型研究了加拿大中部气候变化、林火和砍伐对黑云杉碳动态性的影响, 认为气候和干扰行为持续改变着NPP(the net primary productivity)和C, N平衡, 导致黑云山林下植被和土壤碳库的改变。

3.2 热带地区的林火碳排放

热带森林在陆地生态系统中起着重要作用, 热带雨林覆盖了地表植被面积的12%[31]。热带森林的开垦仍然是主要碳源之一, 热带地区CO2最大的排放源主要是南美州地区次生林人为火烧成为农业用地和亚马孙河的次生林燃烧[32]

热带地区由于刀耕火种而燃烧的生物质为1 100 T~2 200 Tg/a, 森林砍伐而燃烧的生物质为440 T~1 560 Tg/a, 热带地区森林火灾排放的CO2, CO, CH4和NMHC的量分别为2 900 Tg/a, 207 Tg/a, 15.3 Tg/a和42.7 Tg/a[5]。Vanderwerf[33]运用TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星数据以及CASA(Carnegie-Ames-Stanford-Approach)生物地球化学循环模型(Carnegie-Ames-Stanford- Approach)估算出1998-2001年热带地区林火和木材燃烧所直接释放的总碳量为每年2.6 PgC, 另外由于林火间接释放的碳量为每年1.2 PgC, 林火所造成的直接或间接的总碳损失占热带或亚热带净初级生产量的9%。Potter等[34]用AVHRR(Advanced Very High-resolution Radiometer)卫星数据和陆地生态系统产量模型NASA-CASA(Carnegie-Ames-Stanford -Approach)对20世纪90年代巴西亚马孙河地区每年毁林和生物量燃烧进行了估算, 得出这一地区的碳释放量比以前的研究高3~5倍, 认为由于降水模式不同, 每年总的源通量超过整个亚马孙地区0.2 P~ 1.2 PgC。

4 研究展望

从当前研究文献看, 现在用模型方法对热带林火碳排放估算的研究比较少, 在北方和温带林应用比较多。由于北方林中干扰因子少, 比较容易建立模型, 而热带雨林干扰因子比较复杂, 相关碳循环模型更为复杂。

用传统的基于有效可燃物模型估算碳排放, 由于受森林类型多样性和复杂性、大尺度火灾面积估算的准确性以及排放因子测定比较困难等限制, 在估算精度上还不是太高。随着高分辨率卫星传感器的应用, 对过火面积的估计会更加准确, 同时结合有效可燃物计算模型, 可以提高林火排放模型的计算精度。所以, 将卫星遥感数据应用到林火排放模型是当前火与碳循环研究领域的一个重要发展趋势。火干扰下的一些碳循环模型如生物地球化学模型, 不仅可以对当前林火碳释放量进行估算, 还可以对未来碳排放进行预测, 模拟未来碳源及碳汇的变化趋势, 表现火干扰对森林碳储量的长期影响, 为森林管理部门提供更多有价值的信息。

现在对林火碳排放的估算主要是计算火灾发生过程中产生的直接排放, 而事实上森林火灾的发生破坏了原有森林生态系统的结构和功能, 从而改变了森林生态系统与大气间的气体交换通量, 火灾发生后未燃烧树木有机物分解、土壤呼吸增加、碳黑(Black carbon or Charcoal)类物质释放等都会引起大气中含碳量的变化。目前对森林火灾直接排放碳量的研究比较多, 但对火烧迹地恢复过程中碳循环变化的研究则显不足Auclari等[21]发现, 俄罗斯北方林中火烧间接排放碳量是直接排放碳量的2倍多。由于数据缺乏, 现有研究大多限于对碳循环某一方面的测定与定量描述, 缺乏全面的机理性分析。排放模型只考虑了直接排放的碳, 未来应把间接排放各因子设置成参数进行估算, 对林火影响评估结果会更加全面、准确。

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