摘 要：森林在全球碳循環(huán)中扮演著關(guān)鍵角色，不僅有助于減緩氣候變化，還在改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。雖然以往的研究也探討了森林固碳計(jì)量方法，但大多數(shù)集中在地上部分，且缺乏對(duì)基礎(chǔ)理論的深入探討。本研究針對(duì)前人研究的不足，從基礎(chǔ)理論分析出發(fā)，探討森林固碳的特點(diǎn)、過(guò)程及其影響機(jī)制，重點(diǎn)分析了植物、土壤和凋落物的固碳計(jì)量方法。綜述了各方法在不同測(cè)算尺度下的應(yīng)用效果，系統(tǒng)比較了各方法的優(yōu)勢(shì)和局限性。最后，討論了當(dāng)前研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。研究表明，各種森林固碳計(jì)量方法皆有一定的局限性，估算精度各異。因此，研究者應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)、計(jì)量尺度和精度需求，合理選擇最適宜的計(jì)量方法。本文有助于深入理解森林固碳機(jī)制、掌握森林固碳計(jì)量方法，可為森林經(jīng)營(yíng)管理和應(yīng)對(duì)氣候變化策略提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：森林；碳儲(chǔ)量；生物量；計(jì)量方法 ；影響機(jī)制

中圖分類號(hào)：S718.56 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X（2024）11-0058-12

基金項(xiàng)目：江蘇省太湖流域重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查項(xiàng)目（2200113）；江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目（BE2022305）；國(guó)家林業(yè)和草原局江蘇長(zhǎng)江三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究項(xiàng)目（2022132077）；常州市生態(tài)綠城建設(shè)研究專項(xiàng)（2021-108）。

A review of measurement methods of forest carbon sequestration

HU Haibo1， LIU Jiaxuan1， DING Dongxia1， ZHOU Hongwei2， CHEN Feng3， LIU Xinyu1， MA Bing2， HU Chao2

（1. Co-Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， Jiangsu， China； 2. Geological Environment Exploration Institute of Jiangsu Province， Nanjing 211100， Jiangsu， China； 3. Jiangsu Hydraulic Research Institute， Nanjing 210017， Jiangsu， China）

Abstract： Forests play a critical role in the global carbon cycle， and their carbon sequestration not only contributes to climate change mitigation， but also improves the ecological environment and promotes sustainable social economic development. Although previous studies have also explored the measurement methods of forest carbon sequestration， most of them have focused on the above-ground sequestration and lacked in-depth discussion of the basic theories. Aiming at the shortcomings of previous studies， this study discussed the characteristics， processes and influencing mechanisms of forest carbon sequestration based on basic theoretical analysis. We focused on the analysis of carbon sequestration measurement methods for plants， soils and litter， summarized the application effects of each method at different measurement scales， systematically compared the advantages and limitations of each method. Finally， we discussed main topic of the current research and the development trend. This study showed that all forest carbon sequestration measurement methods had certain limitations and the estimation accuracy varied. Therefore， researchers should reasonably choose the most appropriate measurement method according to the existing data， measurement scale and accuracy requirements. This paper contributes to an in-depth understanding of forest carbon sequestration mechanisms and methodological principles， and provides a scientific basis for forest management and climate change response strategies.

Keywords： forest； carbon sequestration； biomass； measurement method； influencing mechanism

全球氣候變化給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1]。氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件頻繁發(fā)生[2]，如洪水、干旱和颶風(fēng)，不僅導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞[3]，還直接威脅到水資源的供應(yīng)和國(guó)家的設(shè)施安全[4]。此外，氣候變化還加劇了生物多樣性的喪失，破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，進(jìn)而影響了全球食物鏈和生態(tài)服務(wù)[5]。

隨著全球氣候問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，國(guó)際社會(huì)對(duì)于減少溫室氣體排放以及增強(qiáng)碳匯能力的關(guān)注度不斷攀升。森林，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分，利用植物的光合作用吸收大氣中的二氧化碳（CO2），并將CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳。而且，通過(guò)將有機(jī)碳儲(chǔ)存在森林植物的各個(gè)部位（如樹干、枝葉、根系）以及土壤中，減少大氣中的CO2濃度，緩解了全球氣候變化[6]。因此，森林作為重要碳匯具有不可估量的價(jià)值，準(zhǔn)確計(jì)量森林的碳匯功能變得愈發(fā)重要。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量包括森林植被、土壤碳儲(chǔ)量以及枯落物的碳儲(chǔ)量[7]。盡管已有大量研究探討了森林固碳計(jì)量方法，但這些研究大多只集中于描述單一部分固碳的計(jì)量方法（例如地上部分）。此外，不同研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)源、估算方法以及研究區(qū)域尺度不同，導(dǎo)致森林碳儲(chǔ)量的估算結(jié)果存在顯著差異，需要進(jìn)一步區(qū)分。現(xiàn)有研究對(duì)于森林固碳的理論基礎(chǔ)、過(guò)程機(jī)制以及不同計(jì)量方法的系統(tǒng)比較尚有不足。因此，本文針對(duì)前述研究的不足，展開進(jìn)一步探討，為森林固碳計(jì)量工作提供科學(xué)依據(jù)。

本文旨在系統(tǒng)探討森林固碳的特點(diǎn)、過(guò)程及其影響機(jī)制，并對(duì)國(guó)內(nèi)外植物、土壤和凋落物的固碳計(jì)量方法進(jìn)行詳細(xì)分析。通過(guò)綜述和比較不同計(jì)量方法在各測(cè)算尺度下的應(yīng)用效果，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。本文的研究不僅有助于深化對(duì)森林固碳機(jī)制的理解，還為森林管理和氣候變化應(yīng)對(duì)策略提供了科學(xué)支持。

1 森林固碳特點(diǎn)、過(guò)程及機(jī)制

森林作為全球碳循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，具有顯著的碳源和碳匯功能。其固碳特點(diǎn)、過(guò)程及機(jī)制反映了森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜多樣。這些基礎(chǔ)理論不僅有助于了解森林固碳計(jì)量的方法原理，同時(shí)也為全球變化的應(yīng)對(duì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1.1 森林固碳的特點(diǎn)

森林固碳是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)過(guò)程。森林在林木生長(zhǎng)的不同階段展現(xiàn)出不同的碳吸收速率。研究表明，俄勒岡州和華盛頓州西部將5×10⁶ hm2的成熟林轉(zhuǎn)變?yōu)橛g林，100年內(nèi)反而使大氣中增加了1.5×10⁹～1.8×10⁹ Mg的碳[8]，由此可以看出將成熟林轉(zhuǎn)化為年輕的速生林并不會(huì)減少大氣中的CO2。Law等[9]的研究也印證了這一發(fā)現(xiàn)。他們的研究結(jié)果表明，俄勒岡州黃松老林的生態(tài)系統(tǒng)總碳含量（包括植被、土壤和凋落物）為210 Mg/hm2，約為幼林的兩倍（100 Mg/hm2）。此外，森林多層次的碳匯功能是森林固碳的另一特點(diǎn)，即森林固碳包括植被、土壤和凋落物皆有不同程度的碳匯能力。有研究表明，長(zhǎng)白山溫帶闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為243.36 Mg/hm2，其中植被碳儲(chǔ)量為144.49 Mg/hm2，土壤碳儲(chǔ)量為96.11 Mg/hm2，而凋落物則僅有2.76 Mg/hm2，即植被、土壤和凋落物的碳儲(chǔ)量分別占總碳儲(chǔ)量的59%，39%，和2%[10]。Sun等[7]的研究中植被、土壤和凋落物的碳儲(chǔ)量的分配比例呈現(xiàn)相似的特征，約60%的碳儲(chǔ)存在植被中，30%儲(chǔ)存在土壤中，其余10%儲(chǔ)存在凋落物中。這些估計(jì)值會(huì)因森林類型、地區(qū)和具體生態(tài)系統(tǒng)條件的不同而有所變化。

1.2 森林固碳的過(guò)程

森林固碳過(guò)程是長(zhǎng)期復(fù)雜的生態(tài)過(guò)程[11]。其中，光合作用是森林固碳的核心，森林的固碳能力很大程度上取決于植物的光合作用效率。植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的CO2，并將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，儲(chǔ)存在部分樹干、枝葉和根系中[12]。根據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局研究，一株健康的樹木每年可以通過(guò)光合作用固定約4～18 kg的CO2。植物的呼吸作用，作為光合作用的副產(chǎn)物，可以將一部分吸收的碳重新釋放回大氣中，但整體上植物仍可以維持凈碳吸收[13]。IPCC報(bào)告指出，植物呼吸作用僅消耗光合作用產(chǎn)物的30%～60%，這顯示出森林的凈碳吸收仍然顯著[14]。此外，土壤和凋落物在森林固碳過(guò)程中也起到重要作用。土壤碳的來(lái)源主要是植物的凋落物和根系[15]。通過(guò)微生物活動(dòng)和凋落物的分解，碳在土壤中被轉(zhuǎn)化固定，形成土壤有機(jī)碳庫(kù)[16]。全球土壤有機(jī)碳庫(kù)估算約1.5×10¹¹ Mg，比大氣中的碳量還多。有研究表明，森林土壤碳的存量約占全球土壤有機(jī)碳的50%[17]。凋落物（如葉子、枝條和根系）通過(guò)微生物的分解作用將有機(jī)碳部分轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)，另一部分則以CO2形式釋放[18]。研究表明，較慢的凋落物分解速率有助于增加土壤有機(jī)碳的積累，因?yàn)榉纸膺^(guò)程中一部分有機(jī)碳被轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)[19]。這進(jìn)一步表明了凋落物的分解速率對(duì)土壤碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)的效率有直接影響[20]。

1.3 森林固碳的影響機(jī)制

森林固碳過(guò)程受多種因素的影響。立地條件、樹種選擇和經(jīng)營(yíng)管理直接或間接地影響碳平衡的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以下將分別探討這些因素對(duì)各類碳儲(chǔ)量的影響機(jī)制。

1.3.1 立地條件對(duì)森林固碳過(guò)程的影響

氣候條件如溫度和降水都會(huì)影響林木的生長(zhǎng)和碳吸收速率。已有研究發(fā)現(xiàn)，隨著立地年平均氣溫的增加，森林生物量也以每攝氏度（℃）5～13 Mg/hm2的速率增長(zhǎng)[21]，由此可見，隨著溫度的增加林木的生長(zhǎng)速率變大。在寒帶，84%的碳存在于土壤有機(jī)質(zhì)中，只有16%存在于植被中，而在熱帶，碳在植被和土壤之間的分配幾乎相等[22]。這一結(jié)果可能是因?yàn)楹畮夂蚝?，植被的生長(zhǎng)季縮短，碳吸收速率低，熱帶森林與之相反，其碳吸收速率較高[23]。此外，降水也是影響森林固碳過(guò)程的關(guān)鍵因素之一。研究表明，從年降水量為1 240 mm的林分到年降水量為642 mm的林分，凋落物的分解量減少了56%，其固碳量減少了10%[24]。降水增多，土壤濕度增加并抑制根系的氧氣（O2）供應(yīng)，從而調(diào)節(jié)凋落物轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程，影響土壤固碳[25]。由此發(fā)現(xiàn)，土壤條件也會(huì)影響森林固碳過(guò)程。研究表明，隨著pH值升高1個(gè)單位，碳礦化速率增加約20%～40%[26]。這一結(jié)果也側(cè)面說(shuō)明了，酸性土壤中的酸性條件會(huì)增加土壤中有機(jī)物質(zhì)的礦化速率，加速有機(jī)碳的分解減少碳的積累[27-28]。

最后地形也是影響因素之一。低坡度區(qū)平均碳儲(chǔ)量最大為570.67±40 Mg/hm2，相反高坡度區(qū)平均碳儲(chǔ)量最小為421.2±56.2 Mg/hm2，平均總碳儲(chǔ)量在坡東方向最高（778.13±75.93 Mg/hm2），在坡西南方向最低（358.58±73.45 Mg/hm2）。由此推測(cè)，坡度較大的地區(qū)，土壤受到強(qiáng)烈的雨水沖刷，造成嚴(yán)重土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤肥力下降，影響植物的生長(zhǎng)和森林固碳過(guò)程[29]。此外，坡東方向更利于水分的積累，形成濕潤(rùn)環(huán)境，利于植物生長(zhǎng)和固碳[30]。

1.3.2 樹種生物學(xué)特性對(duì)固碳過(guò)程的影響

樹種的生物學(xué)特性，包括樹種壽命、生長(zhǎng)速率和木材密度等，皆對(duì)固碳過(guò)程產(chǎn)生重要影響。不同樹種的壽命影響碳固定的持續(xù)時(shí)間。長(zhǎng)壽命樹種，如紅杉、橡樹等，可以在其幾百年的生長(zhǎng)過(guò)程內(nèi)持續(xù)固碳，并將碳儲(chǔ)存在木質(zhì)部中，因而長(zhǎng)壽命樹種在其成熟期具有較大的碳儲(chǔ)量。研究表明，西雙版納橡膠林成熟期的總碳儲(chǔ)量達(dá)到285.02±15.12 Mg/hm2[31]。相比之下，壽命較短的樹種，如樺樹等，在其成熟期后，固碳能力下降，凋落物大量墜落并被分解，釋放部分碳[32]。例如，小興安嶺白樺林成熟期的植被碳儲(chǔ)量?jī)H為49.39±3.09 Mg/hm2[33]，樺林的總碳儲(chǔ)量為271 Mg/hm2[34]。此外速生的短輪作楊樹人工林（8 Mg/hm2）和桉樹人工林（6 Mg/hm2）的年凈碳固存速率最高[35]。這類速生樹種的碳儲(chǔ)量一般都在成熟后趨于穩(wěn)定。慢生樹種則與之相反，隨著樹齡增加碳儲(chǔ)量持續(xù)增高。

1.3.3 經(jīng)營(yíng)管理對(duì)固碳過(guò)程的影響機(jī)制

森林經(jīng)營(yíng)管理，包括采伐策略、施肥和種植密度，對(duì)森林固碳過(guò)程均有顯著影響。研究表明，清除采伐會(huì)導(dǎo)致森林地表碳儲(chǔ)量顯著下降約30%左右[36]。與之相反，選擇性采伐甚至比未采伐的森林總碳儲(chǔ)量增加37%[37]。因此，選擇性采伐是最佳的采伐模式，能保留更多的樹木和森林結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)森林的固碳能力[38]。其次，施肥可以通過(guò)改善土壤條件，影響樹木的生長(zhǎng)和碳吸收速率。且施肥的效果依賴于肥料類型和施用量。例如，額外的氮肥輸入可以顯著提高樹木的生長(zhǎng)速率，據(jù)估計(jì)，在1960—2000年期間，氮的輸入使得森林凈碳固存每年增加約1.18×105 Mg[39]，相當(dāng)于該時(shí)期樹木和土壤凈碳固存的10%（1.17×10⁶ Mg）。但過(guò)量施肥可能導(dǎo)致溫室氣體排放的增加，因此需謹(jǐn)慎斟酌用量。此外，森林的高密度種植通?？梢栽黾訂挝幻娣e上的樹木數(shù)量，有效促進(jìn)碳吸收，但過(guò)高的密度可能導(dǎo)致樹木間的種間競(jìng)爭(zhēng)，影響林分的生長(zhǎng)。中等密度種植（如2 000株/hm2）可以實(shí)現(xiàn)最佳的碳儲(chǔ)量和碳吸收效率，最大碳儲(chǔ)量達(dá)115.17 Mg/hm2。而高密度種植的森林（3 300 株/hm2）在初期碳吸收速率較高，但隨著時(shí)間的推移，可能由于養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致生長(zhǎng)減緩，影響森林碳儲(chǔ)量（13.70 Mg/hm2）[40]。

2 森林固碳方法

2.1 植物固碳方法

森林植物固碳量的估算通?；谏锪繙y(cè)算（如國(guó)際上常用生物量乘以生物含碳量來(lái)確定森林碳儲(chǔ)量）。其中，生物含碳量可以參考現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果，如果樹種尚未測(cè)定含碳量，則可使用近似樹種含碳量或該地區(qū)樹種的平均值代替。

2.1.1 平均生物量法

平均生物量法通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲得生物量數(shù)據(jù)。通過(guò)砍伐后測(cè)定樣木的鮮重和含水量，推算出樣木的平均生物量，用標(biāo)準(zhǔn)地的生物量乘以含碳量來(lái)計(jì)算單位面積森林植物地上部分的碳儲(chǔ)量。該方法包括皆伐法和生物量回歸方程法（如異速生長(zhǎng)方程等）。劉立斌團(tuán)隊(duì)用這三種方法來(lái)估算中國(guó)科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)站樣地胸徑D≥1cm的木本植物地上生物量。結(jié)果顯示，皆伐法的地上生物量為98.3 Mg/hm2，而生物量回歸方程法為91.2 Mg/hm2。由此可見，皆伐法的估算值最接近實(shí)際情況，而生物量回歸方程法次之。由于皆伐法準(zhǔn)確性較高，因此廣泛應(yīng)用于森林生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中[42]。然而，該方法耗時(shí)長(zhǎng)、消耗人力物力，并且不適用于大規(guī)模森林的生物量估算[43]。此外，這種方法通常需要在砍伐林木后進(jìn)行測(cè)量[44]，而以往的研究大多集中在自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域。生物量回歸方程法相較于皆伐法具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠減少實(shí)地調(diào)查的工作量，并支持對(duì)森林生物量進(jìn)行大規(guī)模估計(jì)。建立不同地區(qū)不同樹種的異速生長(zhǎng)方程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物量的無(wú)損估算。然而，該方法的數(shù)據(jù)獲取較為困難，可靠性受到地區(qū)差異、范圍大小等因素的影響，同時(shí)人工測(cè)量樹木高度和胸徑的準(zhǔn)確性也可能存在問(wèn)題。因此，生物量回歸方程法更適用于大面積且需要長(zhǎng)期進(jìn)行森林碳匯量監(jiān)測(cè)的研究。

2.1.2 生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法

2.1.4 模型模擬法

森林植被碳儲(chǔ)量受多種因素影響，因此在測(cè)算森林固碳量時(shí)，需全面考慮生態(tài)系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)因素。模型模擬法能夠結(jié)合多方面的數(shù)據(jù)與影響因素，提供相對(duì)精準(zhǔn)的碳儲(chǔ)量估算。例如，趙方圓等[53]運(yùn)用InVEST模型研究祁連山林區(qū)喬木林的碳儲(chǔ)量時(shí)空變化。結(jié)果表明，在2016—2019年間，該區(qū)域的喬木林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了2.58×10⁶Mg，年均碳匯量為8.63×10⁵Mg。這一結(jié)果展示了模型在捕捉時(shí)間動(dòng)態(tài)變化特征的強(qiáng)大能力。與此同時(shí)，夏全升等[54]也使用InVEST模型，基于蕪湖市2021年土地利用數(shù)據(jù)，估算該市的碳儲(chǔ)量為1.2×10⁷ Mg。這些研究顯示了InVEST模型的廣泛適用性，能夠有效適應(yīng)不同區(qū)域的碳儲(chǔ)量估算需求。然而，隨著森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，其他模型如FORCCHN模型在模擬大尺度和復(fù)雜森林動(dòng)態(tài)方面展現(xiàn)了更強(qiáng)的靈活性和精確性。例如，Zhao等[55]結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，利用FORCCHN模型模擬了云南、廣西和廣東的森林碳儲(chǔ)量，結(jié)果表明云南省森林單位面積碳儲(chǔ)量最大，為7.28×10⁷ Mg/a，廣西和廣東的森林碳儲(chǔ)量分別為1.85×10⁷ Mg/a和1.01×10⁷ Mg/a。這一研究突顯了FORCCHN模型在大區(qū)域碳儲(chǔ)量模擬中的優(yōu)勢(shì)，尤其是在結(jié)合遙感數(shù)據(jù)后，能夠更靈活地捕捉不同森林區(qū)域的碳儲(chǔ)量變化。

除了InVEST和FORCCHN模型外，CO2FIX模型在研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量方面也被廣泛應(yīng)用。該模型通過(guò)關(guān)注森林中的生物量、土壤碳儲(chǔ)量以及林產(chǎn)品間的碳通量動(dòng)態(tài)[56]，幫助研究者更好地理解森林吸收與釋放二氧化碳的過(guò)程[57]。董靈波等[58]通過(guò)CO2FIX模型，發(fā)現(xiàn)帽兒山地區(qū)長(zhǎng)白落葉松人工林每公頃可固定碳271.57 Mg。同樣，Cheng等[59]利用河南省森林?jǐn)?shù)據(jù)和CO2FIX模型，預(yù)測(cè)出2019至2060年河南省喬木林的碳密度將從28.64 Mg/hm2增加至76.04 Mg/hm2。這表明，CO2FIX模型不僅能夠模擬當(dāng)前碳儲(chǔ)量，還具備預(yù)測(cè)未來(lái)潛在固碳能力的優(yōu)勢(shì)。

盡管不同模型各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景，但它們的共同目標(biāo)是通過(guò)結(jié)合各種數(shù)據(jù)與參數(shù)，提升碳儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性。然而，許多模型基于靜態(tài)或經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，帶有較多假設(shè)，可能會(huì)在復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中存在許多不確定性。因此，綜合利用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合模型模擬法，能夠?yàn)榇蟪叨忍佳h(huán)過(guò)程提供更加全面和精確的評(píng)估與支持。

2.1.5 遙感估算法（GIS）

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于遙感數(shù)據(jù)的碳儲(chǔ)量估算方法逐漸成為主流。通過(guò)RS（遙感）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和GPS（全球定位系統(tǒng)）等3S技術(shù)，可以獲取大尺度的植被碳儲(chǔ)量信息，進(jìn)一步提高碳儲(chǔ)量估算的精度和效率[60]。遙感技術(shù)中的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)是一種常用且成本較低的手段。然而，在生物量密度較高的地區(qū)，光學(xué)遙感信號(hào)可能會(huì)飽和，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，并容易受到氣候條件的影響[61]。相比之下，合成孔徑雷達(dá)（SAR）具有全天候、全天時(shí)的優(yōu)勢(shì)，且不易受天氣影響[62]。SAR不僅能穿透森林冠層，獲取森林結(jié)構(gòu)的深層信息，還可以捕捉樹干和樹枝的相關(guān)數(shù)據(jù)[63]。這種技術(shù)在不同深度的森林冠層數(shù)據(jù)采集中皆表現(xiàn)出極大的潛力。例如，姬永杰等[64]采用P波段SAR數(shù)據(jù)，測(cè)算出大興安嶺森林生態(tài)站單位面積森林地上生物量45.00 Mg/hm2。激光雷達(dá)（Lidar）是另一種強(qiáng)大的工具，該技術(shù)通過(guò)主動(dòng)掃描，捕捉森林地表的三維結(jié)構(gòu)信息。雖然Lidar數(shù)據(jù)能夠提供更高的測(cè)量精度，但由于獲取成本較高，其應(yīng)用范圍相對(duì)有限。然而，Ma等[65]優(yōu)化了森林碳儲(chǔ)量建模方法，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，在美國(guó)8個(gè)州構(gòu)建了高分辨率的森林碳儲(chǔ)量地圖，估算其地上碳儲(chǔ)量為1.13×10⁹ Mg。這種高精度數(shù)據(jù)為未來(lái)碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)和生態(tài)系統(tǒng)管理提供了強(qiáng)有力的支持。

在遙感估算方法中，多元回歸分析法常被用于結(jié)合遙感影像與地面生物量數(shù)據(jù)，構(gòu)建回歸模型，以此估算碳儲(chǔ)量[66]。例如，Mergani？等[67]通過(guò)多元回歸分析，估算出俄羅斯北部普托拉納高原森林的單位面積生物量為6.47～149.00 Mg/hm2。楊偉志等[68]基于此法反演西寧市的森林生物量，估算其森林總碳儲(chǔ)量為4.99×10⁵ Mg。盡管回歸分析法具有易操作和低成本的優(yōu)點(diǎn)，但在處理復(fù)雜森林結(jié)構(gòu)時(shí)，模型的結(jié)果可能會(huì)受到分特征、季節(jié)變化和天氣狀況的影響。為了提高估算精度，人工智能方法逐漸被引入森林碳儲(chǔ)量估算中。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等算法，解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題，提高精度[62]。Foody等[69]利用人工智能模型估算婆羅洲熱帶雨林的生物量，結(jié)果顯示其與傳統(tǒng)回歸分析法的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9，證明了人工智能模型在精度上的優(yōu)勢(shì)。譚雨欣等[70]基于XGBoost算法，反演廣西茅尾海紅樹林保護(hù)區(qū)的地上生物量，估算結(jié)果顯示無(wú)瓣海桑單位面積地上生物量為19.14～138.46 Mg/hm2。

總體來(lái)說(shuō)，遙感估算方法通過(guò)結(jié)合多種技術(shù)手段，如SAR、Lidar、多元回歸分析和人工智能，不僅能夠在大尺度上提供精準(zhǔn)的碳儲(chǔ)量估算，還可以根據(jù)不同森林結(jié)構(gòu)和氣候條件靈活調(diào)整，進(jìn)一步提升估算結(jié)果的可靠性和適用性。

2.1.6 其他技術(shù)

除了模型模擬法和遙感估算法，其他技術(shù)也在森林碳通量測(cè)算中起到了關(guān)鍵作用。其中，渦度相關(guān)EC（eddy covariance）技術(shù)是直接且非破壞性測(cè)量碳通量的先進(jìn)手段之一[71]。Larsen等[72]通過(guò)EC技術(shù)估算出丹麥Jutland地區(qū)的地上生物量為980±43 Mg/hm2。該技術(shù)不僅能夠研究森林不同年齡階段的碳通量變化，還可以分析干擾因素對(duì)碳通量的影響。由于EC系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行，因此適合監(jiān)測(cè)碳通量的時(shí)間變化。然而，EC技術(shù)的使用前提是理想的氣候條件、較為平坦的地形和堅(jiān)實(shí)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，因此在全球范圍內(nèi)，其站點(diǎn)數(shù)量有限。

另外，箱式法以其簡(jiǎn)單便捷的操作方式，被廣泛用于評(píng)估特定植被的CO2通量。與EC技術(shù)相比，箱式法主要用于測(cè)定小范圍內(nèi)植被的部分CO2通量，如葉片和枝干的CO2排放量。這種方法雖然操作靈活且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但受限于自動(dòng)化觀測(cè)的能力和觀測(cè)范圍，主要應(yīng)用于小尺度的研究，難以用于大范圍的碳通量估算。隨著各種技術(shù)的發(fā)展，森林碳儲(chǔ)量估算已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從小尺度精確觀測(cè)到大尺度模擬推測(cè)的跨越。然而，森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量不僅僅存在于植物體內(nèi)，土壤也是重要的碳庫(kù)之一。準(zhǔn)確評(píng)估土壤碳儲(chǔ)量同樣是理解整體碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。

2.2 土壤碳儲(chǔ)量估算方法

森林土壤碳庫(kù)由有機(jī)碳庫(kù)和無(wú)機(jī)碳庫(kù)兩部分組成，尤其是有機(jī)碳庫(kù)，作為碳循環(huán)中的活躍成分，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與穩(wěn)定性有重要意義。土壤碳儲(chǔ)量的估算方法根據(jù)研究尺度和數(shù)據(jù)獲取方式的不同，可以分為土壤類型法、生命帶法、模型估算法和遙感估算法幾類：

土壤類型法是按空間分布和深度采集土樣，測(cè)定其有機(jī)碳（SOC）含量，并結(jié)合土壤類型面積推算出區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。例如，查印水等[73]利用土壤類型法，估算出我國(guó)鄱陽(yáng)湖地區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值為1.13×10⁹ Mg，碳密度為12.03 kg/m2。張亦凡等[74]同樣使用該方法，測(cè)算了華南地區(qū)0～60 cm土層的有機(jī)碳儲(chǔ)量為2.5×10⁶ Mg。該方法簡(jiǎn)單且易于操作，適用于小尺度區(qū)域，在大尺度研究中，由于采樣工作量巨大，存在明顯的局限性。

生命帶法則是通過(guò)將不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳密度與其面積相乘，計(jì)算出整個(gè)區(qū)域的碳儲(chǔ)量。Post等[75]基于土壤剖面數(shù)據(jù)，估算全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為1.4×10¹⁸ Mg。盡管這種方法可以在無(wú)詳細(xì)土壤剖面資料時(shí)使用，但由于植被類型面積的精確度有限，再加上土地利用方式的變化，計(jì)算結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

土壤有機(jī)碳受多種環(huán)境因子影響，模型估算法則是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)估算區(qū)域土壤碳儲(chǔ)量。例如，李海萍等[76]基于隨機(jī)森林模型和克里金插值法，估算了0～20 cm土壤的有機(jī)碳總儲(chǔ)量分別為1.7×10⁸和2.4×10⁸Mg。模型估算法能夠模擬土壤碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化，并解決不同尺度下的估算問(wèn)題。然而，模型的參數(shù)設(shè)置和初始化通常較為復(fù)雜，同時(shí)缺乏足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)支持，可能導(dǎo)致結(jié)果誤差較大。

遙感估算法則是通過(guò)土壤分布圖和空間數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合數(shù)字化和模塊化分析手段，推算區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。例如，Guo等[77]基于深度學(xué)習(xí)算法，通過(guò)空間均勻采樣，得出土壤有機(jī)碳分布集中在4.2 kg/m2左右。該方法能夠解決土壤碳儲(chǔ)量由點(diǎn)尺度到區(qū)域尺度帶來(lái)的尺度擴(kuò)展問(wèn)題，便于推算土壤碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化，且適合與其他方法結(jié)合，以提高估算精度，但需要結(jié)合大范圍的土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

總體來(lái)說(shuō)，土壤碳儲(chǔ)量估算方法各具優(yōu)勢(shì)，從土壤類型法的實(shí)地測(cè)量，到模型和遙感技術(shù)的應(yīng)用，每一種方法都為特定情境下的碳儲(chǔ)量估算提供了獨(dú)特的解決方案。結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)，有助于我們更全面地理解土壤碳庫(kù)在全球碳循環(huán)中的作用。

2.3 凋落物碳儲(chǔ)量估算

盡管凋落物碳儲(chǔ)量?jī)H占森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的約5%[7]，它仍在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中依然扮演著重要角色。凋落物通過(guò)分解和碳固定等過(guò)程，直接影響森林土壤碳庫(kù)的變化。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估森林碳儲(chǔ)量，凋落物碳儲(chǔ)量的估算是必不可少的。目前，廣泛應(yīng)用的凋落物碳儲(chǔ)量估算方法主要包括實(shí)地收集干重法、碳含量分析法和遙感結(jié)合樣地法。實(shí)地收集干重法是最常見的凋落物碳儲(chǔ)量測(cè)量手段。該方法將在樣地中收集到的凋落物樣品在實(shí)驗(yàn)室中烘干至恒質(zhì)量，以測(cè)定其干質(zhì)量。然后，將單位面積上的凋落物干質(zhì)量乘以凋落物碳含量系數(shù)（通常為45%～50%）得出其碳儲(chǔ)量。例如，在巴西棕櫚沼澤的一項(xiàng)研究中，利用該方法估算年凋落物產(chǎn)量為3.58 Mg/hm2[78]。該方法操作簡(jiǎn)單、成本低廉，適合小區(qū)域和短期研究，尤其適用于分布較均勻的凋落物。然而，由于采樣需要大量人力和時(shí)間，且受天氣等外部條件影響較大，實(shí)地收集干重法較難應(yīng)用于大范圍區(qū)域的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。碳含量分析法通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如元素分析儀）直接測(cè)定凋落物樣品中的碳含量，并利用這些數(shù)據(jù)來(lái)推算碳儲(chǔ)量。Benício等[79]基于此方法，估算出凋落物組分的年固碳總量為3.99 Mg/hm2。與實(shí)地收集干重法相比，碳含量分析法能夠更加準(zhǔn)確地測(cè)定不同類型凋落物的碳含量，如葉片、枝條和果實(shí)等。然而，使用元素分析儀的成本較高，分析過(guò)程耗時(shí)，且需要實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和技術(shù)支持，因此僅適用于小規(guī)模、高精度的碳儲(chǔ)量測(cè)量。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合遙感與地面樣地調(diào)查的數(shù)據(jù)分析方法，已成為估算大尺度區(qū)域凋落物碳儲(chǔ)量的有效手段。該方法利用衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)捕捉植被和凋落物的分布數(shù)據(jù)，結(jié)合地面樣地調(diào)查，建立模型來(lái)估算區(qū)域凋落物碳儲(chǔ)量。Lee等[80]學(xué)者基于隨機(jī)森林模型，估算出針葉林凋落物碳儲(chǔ)量為4.63±0.18 Mg/hm2。這一方法適用于大范圍區(qū)域的碳儲(chǔ)量估算和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但由于模型構(gòu)建復(fù)雜，且受多種環(huán)境與氣候因素影響，估算精度可能受到限制，并存在一定的誤差。

3 不同尺度下碳儲(chǔ)量測(cè)算方法的適用性

森林碳儲(chǔ)量的測(cè)算方法應(yīng)根據(jù)研究的空間尺度和精度需求進(jìn)行相應(yīng)選擇。不同尺度下，研究的側(cè)重點(diǎn)各有不同，所需的測(cè)算方法也應(yīng)隨之調(diào)整。

3.1 小尺度研究

在小尺度研究中，通常具有較高測(cè)算精度和精密的原始數(shù)據(jù)，依賴詳細(xì)的實(shí)地測(cè)量和精細(xì)的儀器分析。生物量回歸方程法是估算植物碳儲(chǔ)量最常用的方法。雖然皆伐法獲得的數(shù)據(jù)更為精確，但與環(huán)保的理論相悖，所以很難得到廣泛的應(yīng)用。這兩種方法都需人工測(cè)量樹木的胸徑、樹高等數(shù)據(jù)，結(jié)合回歸方程估算植被碳儲(chǔ)量。對(duì)于土壤碳儲(chǔ)量，土壤類型法是最典型的小尺度測(cè)算方法。通過(guò)采集不同土層的土壤樣品，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析，得到最為準(zhǔn)確的土壤有機(jī)碳含量。在凋落物碳儲(chǔ)量的測(cè)算中，實(shí)地收集干重法是最精確的方式，特別適用于小范圍的碳儲(chǔ)量測(cè)算。雖然這些方法得到的數(shù)據(jù)精度高，但由于時(shí)間和人力成本較大，通常只適用于局部區(qū)域的研究。

3.2 中尺度研究

在中尺度的研究中，研究者需要在保持測(cè)算精度的同時(shí)，降低人力、物力成本。研究者需要借助模型與擴(kuò)展因子來(lái)實(shí)現(xiàn)估算。對(duì)于植物碳儲(chǔ)量，中尺度研究中常用的包括生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法、蓄積量擴(kuò)展法以及部分模型模擬法。這些方法都需以森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合不同森林類型的擴(kuò)展因子和蓄積擴(kuò)大系數(shù)，估算較大范圍內(nèi)的碳儲(chǔ)量。而部分模型模擬法（如CO2FIX模型）則能根據(jù)氣候、地形和森林管理等方面的因素，提供更為動(dòng)態(tài)的碳儲(chǔ)量估算。土壤碳儲(chǔ)量的中尺度研究多采用生命帶法和模型模擬法。生命帶法通過(guò)有機(jī)碳密度和面積數(shù)據(jù)，有效估算出中等區(qū)域的土壤碳儲(chǔ)量。而模型模擬法（如ROTH-C模型）能對(duì)土壤碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。凋落物碳儲(chǔ)量的測(cè)算中，碳含量分析法在中尺度內(nèi)可以適當(dāng)應(yīng)用，但當(dāng)研究區(qū)域較大時(shí)，工作量和成本仍然較為龐大。為提升效率，可以將碳含量分析法與模型估算法結(jié)合，利用氣候條件、森林類型等數(shù)據(jù)，通過(guò)模型對(duì)整個(gè)區(qū)域的凋落物碳儲(chǔ)量進(jìn)行推算，最后再通過(guò)得到的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

3.3 大尺度研究

在全球或國(guó)家級(jí)別的研究中，碳儲(chǔ)量測(cè)算仍然面臨著數(shù)據(jù)需求量大、模型參數(shù)設(shè)置困難等挑戰(zhàn)。因此，模型模擬法和遙感技術(shù)成為最主要的估算工具。在大尺度的植物碳儲(chǔ)量測(cè)算中，遙感估算法是最為高效的方法。其通過(guò)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)（如光學(xué)遙感、激光雷達(dá)等），快速獲取大范圍森林植被的基礎(chǔ)信息，從而估算目標(biāo)區(qū)域的碳儲(chǔ)量。模型模擬法（如InVEST模型）因其能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大范圍生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量變化，在大尺度研究中早已得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于土壤碳儲(chǔ)量，大尺度研究也主要將模型模擬法與遙感技術(shù)相結(jié)合。模型模擬法（如ROTH-C模型）通過(guò)整合土地利用變化等因素，動(dòng)態(tài)估算土壤碳儲(chǔ)量變化。結(jié)合遙感數(shù)據(jù)能幫助研究者對(duì)大尺度的土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行空間分析，并提高估算的精度。在全球或國(guó)家級(jí)別的研究中，凋落物實(shí)地收集干重法和碳含量分析法實(shí)施難度較大。因此，遙感結(jié)合樣地法成為主要研究手段。在推算大范圍內(nèi)的凋落物碳儲(chǔ)量的同時(shí)，跟蹤凋落物的分解速率和碳釋放情況。

不同尺度的碳儲(chǔ)量測(cè)算方法有其適用性和局限性。小尺度研究注重精度，中尺度研究則平衡了效率、成本和精度，而在大尺度研究中，遙感技術(shù)與模型模擬法則是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和估算的有效工具。因此，選擇適當(dāng)?shù)奶純?chǔ)量測(cè)算方法需要綜合考慮研究的尺度、精度需求和資金狀況。

4 當(dāng)前研究重點(diǎn)與展望

在森林碳計(jì)量領(lǐng)域，當(dāng)前研究集中于以下幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：1）森林碳固存機(jī)制的復(fù)雜性；2）計(jì)量方法的差異性；3）定量化研究中的不確定性和區(qū)域適用性。

森林碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化受到多因素的影響，包括立地條件、樹種選擇、森林經(jīng)營(yíng)管理等。森林生態(tài)系統(tǒng)中的碳固存機(jī)制和過(guò)程極其復(fù)雜，不僅與不同植物生長(zhǎng)階段的碳吸收有關(guān)，還與土壤和凋落物參與的碳循環(huán)過(guò)程有密切關(guān)聯(lián)。當(dāng)前研究對(duì)于生物地球循環(huán)過(guò)程的探討已逐步深入，特別是在不同生態(tài)系統(tǒng)組分（如植被、土壤、凋落物）中的碳循環(huán)特征方面。例如，某些樹種的生長(zhǎng)速率及其與土壤的交互作用可能影響碳的固定和釋放。因此，對(duì)于這些影響機(jī)制的進(jìn)一步研究，對(duì)于理解森林碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要。

碳計(jì)量方法的核心在于如何在確保估算精度的前提下準(zhǔn)確量化森林生態(tài)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)碳流動(dòng)。現(xiàn)有的森林碳計(jì)量方法（包括植被、土壤和凋落物）主要基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)法、模型模擬法、遙感估測(cè)法等。每種方法都有其理論基礎(chǔ)，但各方法的適用范圍和精度存在顯著的差異性。了解這些方法的局限性與優(yōu)勢(shì)，可以幫助研究者選擇最為合適的測(cè)算方法，也為估算方法的改進(jìn)提供理論依據(jù)。定量化研究的重點(diǎn)在于減少數(shù)據(jù)和模型的不確定性，并提升不同方法在各種區(qū)域和條件下的適用性。

研究區(qū)域、森林類型等方面會(huì)對(duì)碳儲(chǔ)量計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致各計(jì)量方法的精度和適用性各異。此外，氣候、地形和土壤等因素的異變性進(jìn)一步增加了碳計(jì)量的難度。例如，氣候變暖可能加速凋落物的分解，從而影響碳儲(chǔ)量估算的準(zhǔn)確性。因此，當(dāng)前的研究應(yīng)當(dāng)集中于整合不同計(jì)量方法，結(jié)合最新的建模技術(shù)，盡可能的減少估算過(guò)程中的不確定性和局限性。融合生物量法與遙感技術(shù)，將實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更為全面的碳儲(chǔ)量估算。模型的區(qū)域適用性是研究的關(guān)鍵，需要進(jìn)一步調(diào)整模型參數(shù)以適用于不同區(qū)域的生態(tài)和環(huán)境條件。

最后，本文通過(guò)比較不同森林碳計(jì)量方法，基于分析不同條件下森林固碳計(jì)量方法的優(yōu)勢(shì)與局限性。為后續(xù)的研究提出以下改進(jìn)建議：1）進(jìn)一步研究各碳計(jì)量方法對(duì)森林碳儲(chǔ)量的影響因素及其適用條件，以揭示不同方法的潛在差異性；2）探索多方法結(jié)合的綜合計(jì)量策略，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和普適性，尤其是在大尺度估算方面。

此外，未來(lái)的研究應(yīng)著重于：1）開發(fā)更加精準(zhǔn)的計(jì)量技術(shù)和工具，以提高森林碳儲(chǔ)量測(cè)算的精度和適用性；2）在不同氣候和森林類型下進(jìn)行更大范圍的實(shí)地驗(yàn)證，特別是針對(duì)全球氣候變化背景下的森林碳儲(chǔ)量研究；3）加強(qiáng)對(duì)碳計(jì)量方法理論基礎(chǔ)的深入研究，以支持全球氣候變化應(yīng)對(duì)策略的制定。

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[本文編校：吳 毅]