馮東陽，陳林，孫紅召，黃新鋒

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森林火災(zāi)二氧化碳排放量的簡單計(jì)算

馮東陽1，陳林2，孫紅召1，黃新鋒1

（1.河南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，河南 鄭州 450045；2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037）

森林具有固碳作用，是陸地上重要的碳庫，而森林火災(zāi)排放二氧化碳等溫室氣體，在溫室氣體排放中占有一定的比例。通過材積推算法計(jì)算出森林的生物量，并參考相關(guān)排放因子，可以初步計(jì)算出一場森林火災(zāi)的二氧化碳排放量，建立一個相對簡單的碳排放模型，從而能夠初步了解森林火災(zāi)的溫室氣體排放水平。

生物量；排放因子；二氧化碳

1 森林的固碳與排放

1.1 森林的固碳功能

樹木通過光合作用，能夠?qū)⒖諝庵械亩趸嫁D(zhuǎn)化為自身的組成部分，是自然界具有生物固碳作用的重要力量。森林每年光合作用固定的碳相當(dāng)于人類活動所釋放碳量10倍之多，森林碳庫發(fā)生細(xì)微的變化就會對全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響[1]。

森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力取決于2個對立過程，即碳輸入過程和碳輸出過程。碳輸入過程主要就是通過植物的凈光合作用實(shí)現(xiàn)，而碳輸出過程則主要是森林土壤和動物的呼吸過程以及枯落物的無機(jī)化過程。此外，各種自然或者人為的干擾也會影響系統(tǒng)的碳輸出。森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力取決于碳輸入速率和碳輸出速率的對比。

森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力和碳儲量存在區(qū)域差異。濕熱地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的植物初級生產(chǎn)力、土壤的呼吸強(qiáng)度和枯落物無機(jī)化速率大于干冷地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的相應(yīng)值。因此，在濕熱地區(qū)森林生物量碳庫的功能更加顯著[2]，而在干冷地區(qū)森林土壤碳庫的重要性不可或缺。我國森林大部分分布在西南和東北，因此這兩個地區(qū)的森林固碳能力居于全國前列。例如，中國林科院最新研究結(jié)果顯示：內(nèi)蒙古森林年固定碳匯功能為3 600.87萬t，每年吸收二氧化碳功能為13 203.18萬t、釋放氧氣功能為9 020.56萬t；森林碳儲量為69 384.58萬t，占全國森林總碳儲量的8.88%，居全國第5位。

1.2 森林的碳排放

森林火災(zāi)起到相反作用，森林火災(zāi)特別是重特大森林火災(zāi)，不僅能夠破壞原先的自然生態(tài)系統(tǒng)和植物群落，同時還向周圍大氣中釋放大量含碳溫室氣體，對當(dāng)?shù)貧夂颉h(huán)境影響不容小視。森林火災(zāi)所釋放出的溫室氣體中，有大約90%是二氧化碳，此外還有一氧化碳、甲烷、氮氧化物和其他含碳的痕量氣體。一般的森林火災(zāi)中只有一部分林木被燃燒，而且多集中在林木的外層結(jié)構(gòu)。被燒掉的部分由于跟空氣接觸的程度不一樣，也存在著氧化程度的差異。

通過估算森林火災(zāi)的碳排放量，可以為管控溫室氣體排放和林火管控提供一定的數(shù)據(jù)參考。例如，從1965年到2010年，大興安嶺地區(qū)46年間，森林火災(zāi)的碳排放量為2 930萬t，年平均排放量為63.8萬t， 約占全國年均森林火災(zāi)碳排放量的5.64%；其中含碳?xì)怏w二氧化碳、一氧化碳、甲烷和非甲烷烴類（NMHC）的排放量分別為10 200萬t、941萬t、54.1萬t和21.1萬t， 二氧化碳、一氧化碳、甲烷和非甲烷烴類（NMHC）的年均排放量分別為222萬t、20.5萬t、1.18萬t和0.46萬t，分別占全國年均森林火災(zāi)各含碳?xì)怏w排放量的5.46%、7.56%、10.54%和4.06%；針闊混交林燃燒效果一般，雖然火燒面積大，占總過火面積的21.23%，但排放的碳量只占總排放量的7.81%，內(nèi)蒙古有關(guān)部門對此提出了相應(yīng)的林火管理策略。

2 森林的生物量與碳儲量

計(jì)算森林火災(zāi)碳排放量普遍采用的方法是通過直接或間接測定森林地上部分的生物量，然后再乘以生物量中碳的含量進(jìn)行推算。

2.1森林的生物量

森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)生長代謝所積累的結(jié)果，包括地上部分的活立木生物量，下層植被生物量和地下部分的土壤生物量。我們經(jīng)常用到的是地上部分生物量[3]。

森林生物量可通過直接測量和間接估算兩種途徑得到：前面一種是收獲法，這個方法的準(zhǔn)確度高，但是對生態(tài)環(huán)境的破壞較大，而且周期長，費(fèi)用高；后面一種是利用生物量模型（包括相對生長關(guān)系和生物量—蓄積量模型）、生物量估算參數(shù)及3S技術(shù)等方法進(jìn)行估算，其中生物量—蓄積量模型和生物量估算參數(shù)在大尺度森林生物量的估算中得到廣泛應(yīng)用。

我們在文中利用材積推算森林生物量的方法屬于生物量—蓄積量模型，其中一個關(guān)鍵的參數(shù)叫做生物量擴(kuò)展系數(shù)。用這種方法所計(jì)算的森林生物量等于森林蓄積、林木密度與生物量擴(kuò)展系數(shù)的乘積。它的表達(dá)公式是：

=×SVD×BEF

其中代表生物量，代表森林蓄積，SVD代表木材密度，BEF代表生物量擴(kuò)展系數(shù)。此公式得出的為森林地上部生物量。

2.2 森林的碳儲量

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，貯存了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)76%~98%的有機(jī)碳。森林作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中占有十分重要的地位。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量是研究森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換的基本參數(shù)，也是估算森林生態(tài)系統(tǒng)向大氣吸收和排放含碳?xì)怏w的關(guān)鍵因子，大量的研究表明森林破壞是大氣中二氧化碳濃度增加的第二大影響因素[4]。因而，準(zhǔn)確地估算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，并且系統(tǒng)評估森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量發(fā)生變化對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的影響受到科學(xué)家們的普遍關(guān)注，所以采取一種相對科學(xué)的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的估算方法至關(guān)重要。

森林的碳儲量是森林生態(tài)系統(tǒng)中碳的含量，包括地上部分的活立木碳含量，下層植被碳含量和地下部分的土壤碳含量。森林火災(zāi)所引發(fā)的直接碳排放與地上部分有關(guān)，通過測定地上生物量與地上部的含碳率，可以得到森林的地上部碳儲量，其計(jì)算公式：=×

其中代表碳儲量，代表生物量，代表含碳率。

3 森林火災(zāi)所涉及到的排放參數(shù)

森林的植被燃燒會直接排放二氧化碳、一氧化碳、甲烷和鹵代烴等氣體，同時火災(zāi)后土壤也會釋放含氮的溫室氣體。我們在研究森林植被主要是林木直接燃燒的碳排放過程中會用燃燒效率來揭示森林火災(zāi)的燃燒排放效果。燃燒效率是指燃燒消耗的可燃物重量占總可燃物載量的比重，是評估森林火災(zāi)碳排放量的一個關(guān)鍵因子，它受很多因素的影響，包括植被種類、火災(zāi)強(qiáng)度、林火類型、氣候及環(huán)境條件等。在不同地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)中，燃燒效率變化比較大，并且在野外實(shí)際調(diào)查過程中獲得的關(guān)于燃燒效率的資料也很少，一般認(rèn)為熱帶（亞熱帶）地區(qū)和熱帶草原地區(qū)的森林地上物質(zhì)的燃燒效率較高[5]，而緯度較高的北方針葉林的燃燒效率較低。實(shí)際計(jì)算過程中，我們通過燃燒比例和氧化系數(shù)來量化森林火災(zāi)的燃燒效率。

3.1 森林火災(zāi)的燃燒比例

火災(zāi)發(fā)生后，森林并不是整體全部燃燒，而是只有一部分被燃燒，被燃燒的部分是溫室氣體的排放來源，我們只計(jì)算現(xiàn)地燃燒的那部分[7]。

根據(jù)國家溫室氣體清單編制指南中所提供的數(shù)值，我國燃燒比例一般采用0.15。

3.2 生物量燃燒的氧化系數(shù)

森林火災(zāi)發(fā)生后，起火燃燒的林木跟空氣接觸的程度不一樣，其氧化程度也不一樣。氧化系數(shù)，也可以理解為燃燒轉(zhuǎn)化為二氧化碳的生物量的比例[6]。這里我們同樣采用國家溫室氣體清單編制指南中所提供的數(shù)值，為0.90。

4 森林火災(zāi)中二氧化碳排放計(jì)算

通過下面的公式來簡單計(jì)算森林火災(zāi)的碳排放量：

現(xiàn)地燃燒排放量=過火有林地面積×單位面積生物量×含碳率×燃燒比例×氧化系數(shù)

以一場森林火災(zāi)為例，比如河南某地發(fā)生森林火災(zāi)，過火面積約5 hm2，全部為有林地，優(yōu)勢樹種為歐美楊，平均胸徑約18 cm，每公頃833株。

通過查找河南省活立木一元材積表我們得到受災(zāi)楊樹的單株蓄積為0.1763 m3，火場單位面積蓄積應(yīng)為146.8579 m3/ hm2。

參考《省級溫室氣體清單編制指南》中的數(shù)據(jù)，我們還可以得知，河南省的木材平均密度為0.488 t/m3（表1），河南省的地上生物量擴(kuò)展系數(shù)的平均值為1.392（表2），按照前文公式可得知火場地上部單位面積生物量為99.76 t/ hm2。

不同樹種的含碳率有差異，但是差別不大。本文只是簡單估算森林火災(zāi)的碳排放量，因此采用全國林木含碳率的缺省值（0.5）。

表1 全國及各省區(qū)市基本木材密度加權(quán)平均值 t/ m3

表2 全國及各省區(qū)市生物量擴(kuò)展系數(shù)加權(quán)平均值

續(xù)表2

那么這場森林火災(zāi)的二氧化碳排放量計(jì)算大致如下：

森林火災(zāi)二氧化碳碳排放量=過火有林地面積5 hm2×單位面積生物量99.76 t/ hm2×含碳率0.5×燃燒比例0.15×氧化系數(shù)0.90，結(jié)果約為33.7 t，也就是說本次森林火災(zāi)大概排放了33.7 t的二氧化碳。

5 結(jié)語

對于森林火災(zāi)，確定優(yōu)勢樹種，平均胸徑和公頃株數(shù)后，通過查找文獻(xiàn)和資料獲取單株材積、木材密度、木材含碳率、生物量擴(kuò)展系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，采用前文所表述的計(jì)算方法[8]，可以初步計(jì)算出森林火災(zāi)二氧化碳的排放量，對評估森林火災(zāi)在溫室氣體排放中的影響，建立森林火災(zāi)碳排放模型，制定林火管控策略有一定的參考意義。

現(xiàn)在對森林火災(zāi)碳排放的評估，主要集中在火災(zāi)發(fā)生過程中直接的碳排放計(jì)算上，忽視了對火災(zāi)之后火燒跡地在恢復(fù)過程中碳循環(huán)變化的研究。實(shí)際上，森林火災(zāi)不僅僅破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，它還改變了森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的氣體交換通道，并且火災(zāi)發(fā)生后未燃燒林木中的有機(jī)物分解、土壤呼吸增加、碳黑類物質(zhì)釋放等都會引起大氣中含碳量的變化。

目前，對森林火災(zāi)直接排放碳量的研究比較多，但對火燒跡地恢復(fù)過程中碳循環(huán)變化的研究則顯不足，只能簡單估算森林火災(zāi)發(fā)生時的直接碳排放量[9]。

[1] 國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司. 省級溫室氣體清單編制指南（試行）[R]. 北京：國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司，2011.

[2]國家林業(yè)局華東森林資源監(jiān)測中心，河南省林業(yè)廳. 第八次全國森林資源清查河南省森林資源清查成果[R]. 杭州：國家林業(yè)局華東森林資源監(jiān)測中心，2013.

[3]朱建華，馮源，曾立雄，等. 中國省級土地利用變化和林業(yè)溫室氣體清單編制方法[J] .氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（6）：433-439.

[4] 國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司. 中國溫室氣體清單研究[M]. 北京：中國環(huán)境出版社，2005：281-323.

[5] 方精云，劉國華，徐松齡. 我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16（5）：497-508.

[6] 胡海清，魏書精，孫龍. 1965-2010年大興安嶺森林火災(zāi)碳排放的估算研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，36（7）：629-644

[7] 劉斌，田曉瑞.林火碳排放模型研究進(jìn)展[J]. 世界林業(yè)研究，2010，23（6）：35-39.

[8] 李?？?，雷淵才. 中國森林植被生物量和碳儲量評估[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2010：32-42.

[9] 日超群，孫書存. 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳密度格局研究概述[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（5）：692-703.

（責(zé)任編輯：王團(tuán)榮）

Simple Calculation of Carbon Dioxide Emissions from Forest Fires

Feng Dongyang1,Chen Lin2,Sun Hongzhao1,Huang Xinfeng1

(1.Forestry Inventory and Planning Institute of Henan Province,Zhenzhou Henan 450045,China；2.College of Biology and Environment, Nanjing Forestry University,Nanjing Jiangshu 210037,China）

Forests have carbon sequestration and are important carbon stocks, while forest fires emit carbon dioxide and other greenhouse gases, which account for a certain proportion of greenhouse gas emissions. We calculate the biomass of the forest by means of the volume calculation method and use the relevant emission factors. We can initially calculate the amount of CO2emissions from a forest fire and build a simple carbon emission model, thus gain a preliminary understanding of the level of greenhouse gas emissions from forest fires.

biomass; emission factors; carbon dioxide

S 762.1

A

1003-2630（2017）03-0010-04

2017-08-07

國家清潔發(fā)展機(jī)制基金贈款項(xiàng)目（河南省應(yīng)對氣候變化統(tǒng)計(jì)核算制度研究及能力建設(shè)，項(xiàng)目編號：CDM41005）；河南省LULUCF碳匯計(jì)量監(jiān)測體系建設(shè)（20140106）；河南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院科技創(chuàng)新項(xiàng)目（河南森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量基礎(chǔ)研究，項(xiàng)目編號：GHY2015003）。

馮東陽（1984-），男，河南，本科。從事林木資源調(diào)查，碳匯計(jì)量檢測工作。

陳林（1983-），男，四川成都，講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事林木遺傳育種研究。