全 文 ：1950—2008 年江西省森林火灾的碳损失估算*
黄摇 麟摇 邵全琴**摇 刘纪远
(中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101)
摘摇 要摇 1950—2008 年间江西省年均发生森林火灾 762 次、年均过火面积 1郾 578伊104 hm2 .本
文利用江西省森林火灾统计数据,结合气象、森林分布和历次森林清查数据,分析了该省林火
的特征,估算历年的林火碳释放量和碳转移量. 结果表明: 1950—2008 年江西省森林火灾导
致的森林生物量总损失约 61郾 155 Tg,活生物量碳库损失约 30郾 993 Tg C,占全省植被碳库的
15郾 92% . 20 世纪 70 年代以前林火生物量碳损失率约占 1950—2008 年生物量总碳损失的
74郾 3% ;90 年代以后,年均林火生物量碳损失小于 0郾 097 Tg C.森林火灾释放的 CO2、CH4 和
CO气体分别为 5郾 408 Tg、0郾 047 Tg 和 0郾 486 Tg,有 22郾 436 Tg C 活生物量碳进入土壤碳库.
2008 年初雨雪冰冻灾害引发的高频率次生林火灾害导致森林活生物量碳损失(0郾 463 Tg C)
是前 5 年平均值(0郾 181 Tg C)的 2郾 56 倍.
关键词摇 森林火灾摇 碳释放摇 碳转移摇 碳损失摇 江西省
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2241-08摇 中图分类号摇 S718摇 文献标识码摇 A
Carbon losses from forest fire in Jiangxi Province, China in 1950-2008. HUANG Lin, SHAO
Quan鄄qin, LIU Ji鄄yuan ( Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100101, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2241-2248.
Abstract: The annual occurrence of forest fire in Jiangxi Province of China in 1950-2008 was aver鄄
aged 762 times and covering 1郾 578伊104 hm2 . Based on the forest fire statistic data, meteorological
data, forest inventory data, and other parameters, this paper analyzed the characters of forest fire in
the province, and estimated its carbon release and transfer. In the province, the total forest biomass
loss from forest fire in 1950-2008 was about 61郾 155 Tg, and the biomass carbon loss was about
30郾 993 Tg C, accounting for 15郾 92% of the vegetation carbon pool in the whole province. Before
the 1970s, the biomass carbon loss occupied 74郾 3% of the total loss in 1950-2008, but after the
1990s, this loss decreased rapidly, with an annual average carbon loss less than 0郾 097 Tg C. The
released CO2, CH4, and CO from the forest fire were about 5郾 408 Tg, 0郾 047 Tg, and 0郾 486 Tg,
respectively, and led to 22郾 436 Tg of biomass carbon transferred into soil carbon. The snow and ice
disaster in the beginning of 2008 resulted in high frequency forest fire, and led to a 0郾 463 Tg bio鄄
mass carbon loss, which was 2郾 56 times of the average value (0郾 181 Tg) in 2003-2007.
Key words: forest fire; carbon release; carbon transfer; carbon loss; Jiangxi Province.
*国家自然科学基金项目(40971281)、国家重点基础研究发展规划
项目(2009CB421105)和国家科技支撑计划项目(2006BAC08B00)资
助.
**通讯作者. E鄄mail: shaoqq@ lreis. ac. cn
2010鄄01鄄07 收稿,2010鄄06鄄12 接受.
摇 摇 干扰剧烈地改变着生态系统的结构、功能、格局
与过程,对生态系统碳循环有着复杂的直接和间接
影响.森林干扰导致的碳释放可能超过同期森林生
长吸收的 CO2 [1],致使森林生态系统几十年甚至几
百年的碳蓄积在很短时间内释放至大气中[2-6] . 因
此,了解干扰发生后森林碳蓄积量的变化是森林生
态系统可持续综合管理的关键[7-8] . 森林火灾是诸
多干扰因素中对森林的影响和破坏最为剧烈的因
子,全球每年火灾释放大约 4 Pg 含碳气体到大气
中[9],相当于每年人为化石燃料燃烧释放量的
70% .林火干扰不仅通过生物物质的燃烧释放大量
的碳,造成生态系统碳的净损失,而且通过改变生态
系统年龄结构、物种组成以及土壤性质,对火烧迹地
恢复过程中的碳循环产生影响[10-11] .森林火灾释放
CO2 等温室气体和具有化学活性的其他一些痕量气
体及颗粒物,而火灾后碳黑类物质的沉积可能成为
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2241-2248
大气中一个重要的碳汇[12-14] .因此,在分析碳源 /汇
时必须考虑林火干扰引起的碳收支变化.
目前在国家和区域尺度(如北美洲[15]、欧洲[16]
等)研究林火对森林碳循环的影响时,主要集中于
估算火灾过程中生物物质燃烧释放出的含碳痕量气
体(即净碳损失过程),如针对北方针叶林[17]、热带
雨林[18]的森林火灾后,森林生态系统向大气排放碳
量的过程[19-20],林火对土壤碳的影响[17,21],生态系
统恢复过程中净初级生产力 ( net primary produc鄄
tion,NPP)的变化[10,19,22-23],生态系统恢复过程中碳
源 /汇的变化[1,19,24],以及林火的影响因素[25-28]等.
在国内,Wang 等[29]研究了森林火灾对东北兴安落
叶松林碳分配和净初级生产量的影响;田晓瑞等[30]
根据 1991—2000 年的森林火灾统计数据和生物量
研究结果,计算出我国森林火灾年均直接排放碳在
20郾 24 ~ 28郾 56 Tg;王效科等[31]根据各省火灾统计
资料和生物量估算,用排放因子法和排放比法得出
中国森林火灾释放的 CO2、CO 和 CH4 年平均排放
量分别为 8郾 96、1郾 12 和 0郾 109 Tg C. 这些研究多数
仅考虑估算火灾导致的碳释放,未考虑碳库转移及
其造成的碳损失.本研究利用江西省 1950—2008 年
森林火灾统计数据,结合气象、森林分布和历次森林
清查数据,MODIS 森林火点和火烧迹地分布信息,
分析江西省森林火灾的特征,估算历年的林火碳释
放和碳转移量,以及 2008 年雨雪冰冻灾害对森林火
灾的影响,旨在为森林碳蓄积动态研究和森林火灾
导致的温室气体释放量估算提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
江西省位于 24毅07忆—29毅09忆 N, 114毅02忆—117毅
97忆 E,属中亚热带气候带,丰富的水热资源和特殊
的气候和地理特征孕育了丰富的生物多样性,成为
同纬度地区极少数森林和湿地生态系统保存完好的
区域之一.全省土地总面积 1郾 67伊107 hm2,其中山地
面积约占整个流域面积的 36% ,丘陵占 42% . 境内
分布着赣江、抚河、信江、饶河和修河五大水系,其中
绝大多数汇入鄱阳湖后经湖口注入长江,形成独立
完整的鄱阳湖水系,流域总面积约占全省总面积的
97% .植被类型有针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、
常绿落叶阔叶混交林、竹林、矮林和灌丛等. 20 世纪
80 年代以前,由于过伐及盲目垦殖,森林覆盖率降
至 36% ,80 年代开始进行“山江湖工程冶综合开发
治理以后,年均造林面积达到 5伊105 hm2,目前森林
覆盖率上升到 60郾 05% ,位居我国第二.
1郾 2摇 数据收集
1郾 2郾 1 森林火灾数据 摇 利用 ArcGIS 9郾 0 将 2003 年
1 颐 1万的江西省森林资源分布图进行矢量化,其中
森林类型包括杉木、松类、阔叶类、经济林、竹类、灌
木和油茶.收集并整理了 1950—2008 年林业统计年
鉴中关于江西省森林火灾的统计数据,包括全年森
林火灾次数 (分为一般火灾、重大火灾和特大火
灾)、火场总面积、受害森林面积(分为天然林和人
工林),面积单位统一换算为 hm2 .
1郾 2郾 2 MODIS 森林火烧迹地数据 摇 在 EOS MODIS
的 36 个通道数据中,具有林火探测能力的有 7、
20 ~ 25共 7 个通道. 其中,7 通道具有 500 m 分辨
率,可以识别更小的林火;21 通道具有较高的光谱
辐射率和饱和温度,能更细致地反映火燃烧程度.同
时,1、2 两个反射通道具有 250 m分辨率,其白天图
像可以较好地反映地表的地形、地貌和植被细节.这
些通道综合应用可以较好地实现过火林地的植被类
型、烟雾、水蒸汽、云层、林火类型和火烧迹地的监
测,尤其是 2郾 1 滋m、4 滋m和 11 滋m各通道数据的组
合应用,能很好地识别树冠火、地表火、暗火和火烧
迹地,具有较高的应用价值.本研究从橡树岭国家实
验室分布式活动档案中心(ORNL DAAC) (http: / /
daac郾 ornl. gov)下载了 2003—2008 年每 8 天的 MO鄄
DIS森林火灾数据,用于分析 2008 年初雨雪冰冻灾
害对江西省森林火灾发生的影响.
1郾 2郾 3 气象数据 摇 收集了江西省 1950—2008 年国
家台站的逐日气象观测数据,包括降水量、日平均气
温、日最高气温和日最低气温等,用于分析森林火灾
对气候变化的响应和驱动因素.
1郾 2郾 4 森林清查数据摇 收集了 1973—1976年、1977—
1983 年、1984—1988 年、1989—1993 年、1994—1998
年、1999—2003 年历次森林资源二类清查统计数据
和部分样方数据.森林清查样方数据包括样方的位
置、林龄和蓄积等,用于各树种生物量扩展因子
(BEF)随林龄变化的拟合,同时,根据森林清查统计
数据估算江西省不同时期的树种、龄级等基本信息
(表 1).
1郾 2郾 5 文献参数资料摇 对公开发表的江西省各主要
树种(马尾松、杉木、栎类、软阔类和硬阔类)的生物
量扩展因子(BEF)、木材密度(WD)、含碳率(CF)以
及生物量乔木各个器官(树干、树枝、树叶、树根)间
2422 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 1摇 1973 年以来江西省森林清查信息
Tab. 1摇 Forest resource inventory information of Jiangxi Province since 1973
时 期
Period
树 种
Species
面积比例
Proportion
of area
平均蓄积量
Average volume (m3·hm-2)
玉 域 芋 郁 吁
龄级比例
Proportion of age鄄class
玉 域 芋 郁 吁
1973—1976 A 0郾 288 10郾 00 54郾 98 107郾 39 0郾 48 0郾 38 0郾 14
B 0郾 487 9郾 53 62郾 07 122郾 19 0郾 72 0郾 19 0郾 10
C 0郾 225 41郾 82 101郾 03 148郾 81 0郾 22 0郾 57 0郾 21
1977—1983 A 0郾 157 8郾 61 53郾 04 120郾 24 0郾 36 0郾 55 0郾 09
B 0郾 268 12郾 38 76郾 68 148郾 10 0郾 72 0郾 20 0郾 08
C 0郾 150 59郾 14 122郾 62 214郾 50 0郾 25 0郾 66 0郾 09
D 0郾 425 11郾 54 62郾 00 137郾 10 0郾 59 0郾 33 0郾 08
1984—1988 A 0郾 347 15郾 15 55郾 34 92郾 13 99郾 41 112郾 25 0郾 54 0郾 34 0郾 07 0郾 04 0郾 01
B 0郾 390 8郾 97 40郾 09 78郾 16 86郾 96 117郾 90 0郾 36 0郾 49 0郾 08 0郾 05 0郾 02
E 0郾 122 9郾 61 50郾 45 85郾 14 111郾 55 77郾 48 0郾 82 0郾 13 0郾 02 0郾 01 -
F 0郾 115 36郾 11 84郾 49 152郾 55 126郾 96 - 0郾 54 0郾 36 0郾 07 0郾 03 -
G 0郾 028 57郾 43 80郾 62 100郾 68 100郾 89 129郾 27 0郾 24 0郾 52 0郾 11 0郾 11 0郾 01
1989—1993 A 0郾 377 6郾 15 40郾 47 63郾 38 90郾 50 102郾 30 0郾 39 0郾 48 0郾 08 0郾 04 0郾 01
B 0郾 357 8郾 77 49郾 59 83郾 94 98郾 45 108郾 23 0郾 81 0郾 15 0郾 02 0郾 01 -
E 0郾 129 32郾 40 84郾 64 119郾 85 206郾 56 - 0郾 58 0郾 34 0郾 05 0郾 03 -
F 0郾 108 34郾 16 75郾 30 86郾 16 114郾 23 143郾 61 0郾 25 0郾 50 0郾 13 0郾 07 0郾 04
G 0郾 029 2郾 89 34郾 67 72郾 00 86郾 48 107郾 01 0郾 07 0郾 31 0郾 20 0郾 34 0郾 09
1994—1998 A 0郾 389 13郾 14 32郾 08 60郾 39 68郾 71 108郾 68 0郾 33 0郾 53 0郾 11 0郾 02 0郾 01
B 0郾 374 10郾 65 33郾 38 94郾 66 96郾 41 224郾 70 0郾 74 0郾 21 0郾 04 0郾 01 0郾 01
E 0郾 101 24郾 66 68郾 92 131郾 75 341郾 84 - 0郾 54 0郾 40 0郾 05 0郾 02 0郾 00
F 0郾 103 21郾 07 55郾 14 123郾 35 104郾 82 352郾 66 0郾 33 0郾 53 0郾 06 0郾 07 0郾 01
G 0郾 033 0郾 88 30郾 59 66郾 14 87郾 51 109郾 92 0郾 03 0郾 66 0郾 06 0郾 09 0郾 17
1999—2003 A 0郾 403 16郾 22 50郾 62 75郾 72 81郾 57 102郾 65 0郾 23 0郾 62 0郾 09 0郾 05 0郾 01
B 0郾 356 19郾 45 44郾 41 53郾 00 35郾 22 119郾 44 0郾 60 0郾 32 0郾 05 0郾 03 0郾 01
E 0郾 099 33郾 60 81郾 31 114郾 89 60郾 27 274郾 14 0郾 59 0郾 34 0郾 05 0郾 01 0郾 01
F 0郾 105 25郾 14 76郾 75 130郾 06 105郾 01 286郾 70 0郾 49 0郾 40 0郾 08 0郾 03 0郾 01
G 0郾 037 19郾 96 42郾 10 61郾 21 123郾 37 128郾 01 0郾 12 0郾 51 0郾 17 0郾 10 0郾 10
A:杉木 Chinese fir; B:马尾松 Masson pine; C:阔叶混交林 Mixed broadleaf; D:针叶混交林 Mixed conifer; E:栎类 Quercus; F:硬阔类 Hardwood;
G:软阔类 Softwood. 玉:幼龄林 Young stand; 域:中龄林 Middle stand; 芋:近熟林 Near鄄mature stand; 郁:成熟林 Mature stand; 吁:过熟林
Over鄄mature stand.
的分配规律等(表 2)文献数据进行整理. 基于森林
清查样方数据,利用空间替代时间方法计算不同林
龄林分的 BEF值(式 1),拟合得到林龄与 BEF的关
系式,式(1)中各树种的 a和 b参数(表 2)源于文献
[32].木材密度源于文献[33],未见报道的参数采
用通用值.
BEF=a+b / V (1)
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 森林火灾燃烧相关参数估算摇 1)森林燃烧面
积:森林火灾燃烧面积的获取主要有 2 种途径:统计
资料,包括国家和 FAO 统计资料,是目前大部分研
究者所用火灾面积的来源;遥感资料,现有的 NO鄄
AA鄄AVHRR、MODIS、ATSR、SPOT、Landsat 等信息可
以提供有关火灾的较为精确的面积数据,但是如何
提高估计精度仍处于探索阶段. 本研究主要根据历
年林业统计年鉴的森林火灾数据获得江西省
1950—2008 年森林火灾的总燃烧面积,利用 2003—
2008 年 MODIS 的林火产品提供的森林火灾面积,
比较 2008 年初雨雪冰冻灾害前后的林火变化.
2)燃烧效率:燃烧效率是估算森林火灾释放含
碳气体量的关键,也是一个争议较大的参数,与森林
类型、可燃物量湿度、火灾强度、发生时间、地形、风
速和林分年龄等有关. 王效科等[36]研究表明,燃烧
效率在 0郾 1 ~ 0郾 5;L俟 等[37]估算得出燃烧效率的范
围在 0郾 03 ~ 0郾 9. Fearnside 等[38]调查得出,巴西热
带雨林树干、枝、叶的燃烧效率分别为 39% 、92%和
100% ;Kasischke 等[39]认为,阿拉斯加北方针叶林
的叶、枝干和表面枯枝落叶的燃烧效率分别为
100% 、25%和 100% . Ito 和 Penner[40]研究结果得出
的森林各部分燃烧效率如表 3. 本文估算时采用 Ito
和 Penner[40]总结的森林各部分平均燃烧效率.
摇 摇 3)燃烧排放比:排放比是森林火灾释放扣除相
应气体背景浓度的某种含碳气体量与 CO2 释放
量的比值 . Ito和 Penner[40]研究表明 , CO 、CH4和
34229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄摇 麟等: 1950—2008 年江西省森林火灾的碳损失估算摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 各树种活生物量碳蓄积计算所需参数
Tab. 2摇 Parameters to calculate the biomass carbon sequestration
树种
Species
龄级
Age
class
生物量分配
Biomass allocation (% ) [34-35]
干
Stem
枝
Branch
叶
Leaf
根
Root
生物量扩展因子[32]
BEF
木材密度[33]
Wood
denity
(Mg·m-3)
含碳率 Carbon fraction
(Mg C·Mg-1) [34]
干
Stem
枝
Branch
叶
Leaf
A 玉 71郾 89 12郾 82 7郾 69 7郾 60 a=0郾 3999 Mg·m-3,b=22郾 5410 Mg, 0郾 307 0郾 5051 0郾 4884 0郾 5335
域 67郾 01 11郾 01 9郾 22 12郾 76 BEF=2郾 4381Age-0郾 3293(R2 =0郾 746)
郁 59郾 85 9郾 13 9郾 74 21郾 28
B 玉 63郾 19 12郾 82 2郾 97 18郾 09 a=0郾 5101 Mg·m-3,b=1郾 0451 Mg, 0郾 542 0郾 5255 0郾 5085 0郾 5118
域 74郾 95 15郾 74 3郾 94 5郾 37 BEF=0郾 9267Age-0郾 1317(R2 =0郾 447)
郁 76郾 86 13郾 00 5郾 58 4郾 56
C 66郾 7 ~ 73郾 0 13郾 4 ~ 20郾 4 7郾 5 ~ 11郾 7 - a=1郾 1453 Mg·m-3,b=8郾 5473 Mg,
BEF=2郾 4858Age-0郾 1605(R2 =0郾 674)
0郾 676 0郾 5000 0郾 5000 0郾 5000
D 66郾 7 ~ 73郾 0 13郾 4 ~ 20郾 4 7郾 5 ~ 11郾 7 - a=1郾 0687 Mg·m-3,b=10郾 2370,
BEF=2郾 5887Age-0郾 1821(R2 =0郾 725)
0郾 598 0郾 4609 0郾 4547 0郾 4676
E 66郾 7 ~ 73郾 0 13郾 4 ~ 20郾 4 7郾 5 ~ 11郾 7 - a=0郾 4754 Mg·m-3,b=30郾 6034 Mg,
BEF=1郾 837Age-0郾 2335(R2 =0郾 379)
0郾 443 0郾 4609 0郾 4547 0郾 4676
A:杉木 Chinese fir; B:马尾松 Masson pine; C:栎类 Quercus; D:硬阔类 Hardwood; E:软阔类 Softwood. 马尾松和杉木的生物量分配规律源自文
献[35],其余源于文献[34] Biomass allocation of species A and B were collected from Shao, et al. [35] , and others from Ma, et al. [34] .
NMHC对 CO2 排放比的范围分别为 4郾 7% ~ 25% 、
0郾 3% ~ 2郾 2%和 0郾 34% ~ 23郾 4% .由于火灾发生区
域和燃烧阶段不同,其释放的主要含碳气体的排放
比各异,例如,闷燃阶段处于一种不完全燃烧状态,
有较多的 CO、CH4 和 NMHC 气体释放出;而在焰燃
阶段,则有较多的碳被氧化成 CO2 排出.
1郾 3郾 2 林火碳释放和碳转移估算方法摇 森林火灾释
放的温室气体估算始于 20 世纪 70 年代末期,其方
法是先由火灾面积估算出碳释放量,再根据其他含
碳气体与 CO2 的比率推算出火灾释放的各种含碳
气体量[36] . 根据 Kasischke 等[39]的简单模型,Chen
等[48]假设森林火灾直接碳释放率为:树叶 100% 、
树干 25% 、地表枯落物 100% ,其余活生物量碳则直
接转入土壤碳库.而 Kurz等[1]总结得出了森林火灾
导致的不同碳库碳转移或碳释放比例,区分阔叶林
和针叶林,碳库的划分更为详细.本研究结合上述研
表 3摇 森林各部分的燃烧效率
Tab. 3摇 Combustion efficiency for different organs of forest
叶和枯落物
Leaf and
litterfall
枝干等
木质部分
Stem and
branch
平均地上
可燃物
Average
aboveground
fuel
文献
Literature
1郾 00 0郾 26 0郾 29 [38]
0郾 97 0郾 32 0郾 43 [41]
0郾 68 0郾 26 0郾 30 [42]
0郾 88 0郾 14 0郾 20 [43]
0郾 92 0郾 26 0郾 33 [44]
0郾 95 0郾 47 0郾 51 [45]
0郾 83 0郾 13 0郾 20 [46]
0郾 96 0郾 29 0郾 36 [47]
0郾 90依0郾 10 0郾 27依0郾 09 0郾 33依0郾 10 平均 Average
究结果,整理分析得到森林火灾导致的碳库转移和
碳释放关系(表 4 和表 5).
摇 摇 森林火灾燃烧的生物量估算存在很大不确定
性,由于缺乏资料和各地森林火灾特性的差异比较
大,估计值的幅度范围相差很大.本文根据上述数据
和参数,利用式(2) ~ (5)估算江西省历年森林火灾
导致的碳释放和碳转移量:
Vij =移Vi 伊 P i (2)
B ij = Vij 伊 D j 伊 BEF ij (3)
Cemiss = A 伊 移
ijk
B ijP ijkCF jk茁kEk (4)
C trans = A 伊ijk B ijP ijkCF jk茁kTk (5)
式中:Vij为 j树种 i龄级的平均蓄积量(m3·hm-2);
Vi 为 i龄级平均蓄积量;P i 为 i 龄级比例;D j 为 j 树
种 i的木材密度(Mg·m-3);BEF ij为 j树种 i龄级的
生物量扩展因子 ;B ij树 j种 i龄级的平均生物量
表 4摇 森林火灾导致的碳释放比例
Tab. 4 摇 Proportion of carbon pool emitted directly to the
atmosphere in forest fire
林火前碳库
Pre鄄fire
carbon pool
碳释放
Carbon
emission
燃烧比例
Proportion to combustion (% )
总体
Total
阔叶林
Broadleaf
针叶林
Conifer
叶 CH4 1郾 0
Branch CO 9郾 0
CO2 90郾 0
其他木质部 CO 2郾 5
Other wood CO2 22郾 5
细根 CH4 0郾 5 0郾 5
Fine root CO 4郾 2 4郾 1
CO2 42郾 2 41郾 3
4422 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
表 5摇 森林火灾导致的碳库转移比例
Tab. 5摇 Proportion of carbon pool transferred to a new pool in forest fire
林火前碳库
Pre鄄fire carbon pool
林火后碳库
Post鄄fire carbon pool
燃烧比例 Proportion to combustion (% )
总体
Total
阔叶林
Broadleaf
针叶林
Conifer
干 Stem 树干残体 Stem snag 100
其他木质部 Other wood 树枝残体 Branch snag 100 75郾 0
细根 Fine root 地上部分异速溶解有机物 Aboveground very fast DOM 3郾 6 4郾 1
地下部分异速土壤 Belowground very fast soil 50郾 0
粗根 Coarse root 地上部分快速土壤 Aboveground very fast soil 50郾 0
地下部分快速土壤 Belowground fast soil 50郾 0
树干残体 Stem snag 中性溶解性有机物 Medium DOM 100
树枝残体 Branch snag 地上部分快速土壤 Aboveground fast soil 100
(Mg·hm-2);A为森林火灾燃烧面积(hm2);P ijk为 j
树种 i龄级 k器官的生物量分配比例(% );CK jk为 j
树种 k器官的含碳率(Mg C·Mg-1);茁k 是 k 器官的
燃烧效率,Ek 为 k 器官的碳释放比例;Cemiss为林火
燃烧释放的碳量,C trans为林火燃烧转移的碳量.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 1950—2008 年江西省森林火灾的年际特征
1950—2008 年,江西省共发生森林火灾 43412
次,年平均 762 次,森林过火面积 9郾 155伊105 hm2,年
平均 1郾 578伊104 hm2 . 历年林火发生次数的波动较
大,1952—1957 年、1961—1963 年和 1982—1987 年
3 个阶段为林火高发阶段,年平均林火发生次数分
别为 1993、2022 和 1309 次,其中 1955 年、1963 年和
1985 年的林火发生次数分别是多年平均次数的
5郾 44、4郾 68 和 3郾 23 倍. 2000 年后,林火发生次数出
现小高峰,年平均 475 次,但仍低于多年平均林火次
数(图 1).虽然林火发生次数波动性较大,但森林火
烧面积处于持续减少趋势,1963 年的过火面积最
大,为 1郾 29伊105 hm2,约占过火总面积的 14郾 09% .
20 世纪 80 年代后,年平均森林火灾发生面积 3920
hm2,远远低于多年平均值.
摇 摇 在 20 世纪 50—60 年代,年平均气温处于跳跃
性增温最剧烈的时段,林火处于高发阶段,也是近
60 年内发生林火次数最多和过火面积最大的阶段;
60—80 年代,属于林火次高发阶段,林火发生次数
的峰值年正好对应年平均气温的峰值年;90 年代,
虽然增温显著,但由于森林防火工作的加强,火烧轮
回期变长、火烧频率减小,加之降水较多、相对湿度
较大、气候较为湿润,气象条件不利于林火发生,因
而林火发生次数和过火面积皆明显减少;2000 年以
来,随着可燃物的大量积累,以及降水明显减少、气
温持续增加和干旱严重,气候向有利于林火发生的
方向演变,造成林火次数和过火面积出现了一个小
高峰.
2郾 2摇 1950—2008 年江西省森林火灾的碳损失
研究结果表明,1950—2008 年,江西省森林火
灾导致的森林生物量总损失约 61郾 155 Tg,活生物量
碳库损失约 30郾 993 Tg C,占江西省植被碳库
(194郾 623 Tg C)的 15郾 92% (图 2).其中,20 世纪 70
年代之前的林火生物量碳损失约占总碳损失的
74郾 3% ,1963 年生物量碳损失约 4郾 27 Tg C;其后,
森林火灾次数和面积皆有所下降,特别是 90 年代以
后,年平均林火生物量碳损失小于0郾 097 Tg C. 近
图 1摇 1950—2008 年江西省森林火灾年发生次数(玉)、面积
(域)与气温(芋)的关系
Fig. 1 摇 Forest fire number (玉) and area (域) per year of
Jiangxi Province and its relations to annual average temperature
(芋) during 1950-2008.
54229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄摇 麟等: 1950—2008 年江西省森林火灾的碳损失估算摇 摇 摇 摇 摇
60 年间,森林火灾释放的 CO2、CH4 和 CO气体分别
为 5郾 408、0郾 047 和 0郾 486 Tg,导致 22郾 436 Tg C活生
物量碳进入土壤碳库.
2郾 3摇 2008 年冰雪冻害后森林火灾导致的碳损失
根据 MODIS森林火灾数据统计了 2003—2008
年每 8 天的火烧面积(图 3),结果发现,2008 年火
烧面积是前 5 年平均火烧面积的 1郾 94 倍,特别是 2
月10日—3月5日,火烧面积接近于5年平均火烧
图 2摇 1950—2008 年江西省森林火灾碳损失(玉)、碳转移量
(域)、含碳气体 CO2、CO和 CH4
Fig. 2 摇 Carbon losses (玉), transferred C (域) and emitted
CO2, CO and CH4 of forest fires in Jiangxi province during 1950
-2008.
图 3摇 2003—2008 年江西省 MODIS 每 8 天森林火烧面积统
计
Fig. 3 摇 Statistics of MODIS 8鄄days forest fire area of Jiangxi
Province forest during 2003-2008.
面积,占 2008 年火烧总面积的 47郾 85% ,森林活生
物量碳损失是前 5 年的 2郾 56 倍.这说明森林雨雪冰
冻灾害后,地表可燃物积累迅速增多,引发了高频率
的次生林火灾害.
3摇 讨论与结论
森林火灾是对森林的影响和破坏最为剧烈的因
子,可以导致森林生态系统几十甚至几百年的碳蓄
积损失.
1950—2008 年,江西省森林火灾年均发生 762
次,年平均森林过火面积 1郾 578伊104 hm2 . 林火发生
次数的峰值年对应年平均气温的峰值年. 森林防火
工作的加强使得林火发生次数和过火面积处于持续
减少趋势,同时,降水较多、相对湿度较大、气候较湿
润等气象条件也与林火的发生呈负相关.但是,长期
的森林防火也导致可燃物的大量积累,加之气温持
续增加,从而使气候向有利于林火发生的方向演变.
1950—2008 年,江西省森林火灾导致的森林生
物量总损失约 61郾 155 Tg,活生物量碳库损失约
30郾 993 Tg C,占全省植被碳库的 15郾 92% .森林火灾
释放的 CO2、CH4 和 CO气体分别为 5郾 408、0郾 047 和
0郾 486 Tg,有 22郾 436 Tg C 活生物量碳进入土壤碳
库. 2008 年森林雨雪冰冻灾害后,地表可燃物积累
迅速增多,引发了高频率的次生林火灾害,2008 年
森林火烧面积是前 5 年平均火烧面积的 1郾 94 倍,森
林活生物量碳损失量(0郾 463 Tg C)是前 5 年平均值
(0郾 181 Tg C)的 2郾 56 倍.
碳释放和碳转移量的估算存在很多不确定性:
1)不同森林类型的可燃物数量不同,对火灾的耐
性、燃烧过程不同,火灾的起源也有差异;2)燃烧排
放比的测定只能选取有限的树种、在特定的燃烧状
况下进行,而实际的树种、燃烧状况非常复杂,测定
时很难保证与自然状况下相同,因此本文根据平均
排放比计算的各种含碳气体的释放量具有不确定
性;3)由于忽略了枯落物、地表土壤有机碳和林下
植被等因素,碳释放量存在低估的问题;4)由于火
灾面积和可燃物数量统计数据有限,遥感方法虽可
以获得大范围的火灾面积、可燃物数量和火灾行为
的信息,但其精度仍有待于进一步提高.
参考文献
[1]摇 Kurz WA, Stinson G, Rampley GJ, et al. Risk of natu鄄
ral disturbances makes future contribution of Canada爷 s
forests to the global carbon cycle highly uncertain. Pro鄄
6422 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
ceedings of the National Academy of Sciences of the Unit鄄
ed States of America, 2008, 105: 1551-1555
[2]摇 Schulze E, Wirth C, Heimann M. Managing forests af鄄
ter Kyoto. Science, 2000, 289: 2058-2059
[3]摇 Page SE, Slegert F, Rieley JO, et al. The amount of
carbon released from peat and forest fires in Indonesia
during 1997. Nature, 2002, 420: 61-65
[4]摇 K觟rner C. Slow in, rapid out-Carbon flux studies and
Kyoto targets. Science, 2003, 300: 1242-1243
[5]摇 Schelhaas MJ, Nabuurs GJ, Schuck A. Natural disturb鄄
ances in the European forests in the 19th and 20th cen鄄
turies. Global Change Biology, 2003, 9: 1620-1633
[6]摇 Schultz MG, Heil A, Hoelzemann JJ, et al. Global
wildland fire emissions from 1960 to 2000. Global Bio鄄
geochemical Cycles, 2008, 22, GB2002, doi: 10.
1029 / 2007GB003031
[7]摇 Pregitzer KS, Euskirchen ES. Carbon cycling and stor鄄
age in world forests: Biome patterns related to forest
age. Global Change Biology, 2004, 10: 2052-2077
[8]摇 Birdsey R, Pregitzer K, Lucier A. Forest carbon man鄄
agement in the United States: 1600 -2100. Journal of
Environmental Quality, 2006, 35: 1461-1469
[9]摇 Andreae MO, Rosenfeld D, Artaxo P, et al. Smoking
rain clouds over the Amazon. Science, 2004, 303: 1337
[10]摇 Amiro BD, Chen JM. Forest鄄fire鄄scar aging using SPOT鄄
VEGETATION for Canadian ecoregions. Canadian Jour鄄
nal of Forest Research, 2003, 33: 1116-1125
[11]摇 L俟 A鄄F (吕爱锋), Tian H鄄Q (田汉勤), Liu Y鄄Q (刘
永强). State鄄of鄄the鄄art in quantifying fire disturbance
and ecosystem carbon cycle. Acta Ecologica Sinica (生
态学报), 2005, 25(10): 2734-2743 (in Chinese)
[12]摇 Conny JM, Slater JF. Black carbon and organic carbon
in aerosol particles from crown fires in the Canadian bo鄄
real forest. Journal of Geophysical Research, 2002, 107
(D11): 4116, doi: 10. 1029 / 2001JD001528
[13]摇 Czimczik CI, Preston CM, Schmidt MWI, et al. How
surface fire in Siberian Scots pine forests affects soil or鄄
ganic carbon in the forest floor: Stocks, molecular struc鄄
ture, and conversion to black carbon (charcoal) . Global
Biogeochemical Cycles, 2003, 17: 1020, doi: 10.
1029 / 2002GB001956
[14]摇 Biswas A, Blum JD, Klaue B, et al. Release of mercu鄄
ry from Rocky Mountain forest fires. Global Biogeochem鄄
ical Cycles, 2007, 21, GB1002, doi: 10. 1029 /
2006GB002696
[15]摇 Amiro BD, Chen JM, Liu J. Net primary productivity
following forest fire for Canadian ecoregions. Canadian
Journal of Forest Research, 2000, 30: 939-947
[16]摇 Potter C, Kumar V, Klooster S, et al. Recent history of
trends in vegetation greenness and large鄄scale ecosystem
disturbances in Eurasia. Tellus, 2007, 59: 260-272
[17]摇 Kasischke ES, Bruhwiler LP. Emissions of carbon diox鄄
ide, carbon monoxide, and methane from boreal forest
fires in 1998. Journal of Geophysical Research, 2003,
107, 8146, doi: 10. 1029 / 2001JD000461
[18]摇 Van der Werf GR, Randerson JT, Giglio L, et al. Cli鄄
mate controls on the variability of fires in the tropics and
subtropics. Global Biogeochemical Cycles, 2008, 22,
GB3028, doi: 10. 1029 / 2007GB003122.
[19]摇 Hicke JA, Asner GP, Kasischke ES, et al. Postfire re鄄
sponse of North American boreal forest net primary pro鄄
ductivity analyzed with satellite observations. Global
Change Biology, 2003, 9: 1145-1157
[20]摇 Song CH, Woodcock CE. A regional forest ecosystem
carbon budget model: Impacts of forest age structure and
land use history. Ecological Modelling, 2003, 164: 33-
47
[21]摇 Donato DC, Fontaine JB, Campbell JL, et al. Post鄄
wildfire logging hinders regeneration and increases fire
risk. Science, 2006, 352
[22]摇 Bond鄄Lamberty B, Peckham SD, Ahl DE, et al. Fire as
the dominant driver of central Canadian boreal forest car鄄
bon balance. Nature, 2007, 450: 89-93
[23]摇 Fellows AW, Goulden ML. Has fire suppression in鄄
creased the amount of carbon stored in western U. S. for鄄
ests? Geophysical Research Letters, 2008, 35, L12404,
doi: 10. 1029 / 2008GL033965
[24]摇 O爷Neill KP, Kasischke ES, Richter DD. Seasonal and
decadal patterns of soil carbon uptake and emission
along an age sequence of burned black spruce stands in
interior Alaska. Journal of Geophysical Research, 2003,
108(D1), 8155, doi: 10. 1029 / 2001JD000443
[25]摇 Law BE, Turner D, Campbell J, et al. Disturbance and
climate effects on carbon stocks and fluxes across West鄄
ern Oregon USA. Global Change Biology, 2004, 10:
1429-1444
[26]摇 Westerling AL, Hidalgo HG, Cayan DR, et al. War鄄
ming and earlier spring increase western U. S. forest
wildfire activity. Science, 2006, 313: 940-943
[27]摇 Gough CM, Vogel CS, Harrold KH, et al. The legacy of
harvest and fire on ecosystem carbon storage in a north
temperate forest. Global Change Biology, 2007, 13:
1935-1949
[28] 摇 Marlon JR, Bartlein PJ, Carcaillet C, et al. Climate
and human influences on global biomass burning over the
past two millennia. Nature Geoscience, 2008, 1: 697-
702
[29]摇 Wang CK, Gower ST, Wang YH, et al. The influence
of fire on carbon distribution and net primary production
of boreal Larix gmelinii forests in north鄄eastern China.
74229 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 黄摇 麟等: 1950—2008 年江西省森林火灾的碳损失估算摇 摇 摇 摇 摇
Global Change Biology, 2001, 7: 719-730
[30]摇 Tian X鄄R (田晓瑞), Shu L鄄F (舒立福), Wang M鄄Y
(王明玉). Direct carbon emissions from Chinese forest
fires, 1991 - 2000. Fire Safety Science (火灾科学),
2003, 12(1): 6-10 (in Chinese)
[31] 摇 Wang X鄄K (王效科), Feng Z鄄W (冯宗炜), Zhuang
Y鄄H (庄亚辉). CO2, CO and CH4 emissions from for鄄
est fires in China. Scientia Silvae Sinicae (林业科学),
2001, 37(1): 90-95 (in Chinese)
[32]摇 Fang JY, Chen AP, Peng CH, et al. Changes in forest
biomass carbon storage in China between 1949 and
1998. Science, 2001, 292: 2320-2322
[33] 摇 Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy
of Forestry (中国林业科学研究院木材工业研究所).
Physical and Mechanical Properties of Primary Tree Spe鄄
cies in China. Beijing: China Forestry Press, 1982 ( in
Chinese)
[34]摇 Ma Z鄄Q (马泽清), Liu Q鄄J (刘琪璟), Xu W鄄J (徐
雯佳), et al. Carbon storage of artificial forest in Qian鄄
yanzhou, Jiangxi Province. Scientia Silvae Sinicae (林
业科学), 2007, 43(11): 1-7 (in Chinese)
[35] 摇 Shao Q鄄Q (邵全琴), Yang H鄄J (杨海军), Liu J鄄Y
(刘纪远), et al. Dynamic analysis on carbon accumu鄄
lation of a plantation in Qianyanzhou based on tree ring
data. Acta Geographica Sinica (地理学报), 2009, 64
(1): 69-83 (in Chinese)
[36]摇 Wang X鄄K (王效科), Zhuang Y鄄H (庄亚辉), Feng
Z鄄W (冯宗炜). Estimation of carbon鄄containing gases
released from forest fire. Advances in Environmental Sci鄄
ence (环境科学进展), 1998, 6(4): 1-15 ( in Chi鄄
nese)
[37]摇 L俟 A, Tian H, Liu M, et al. Spatial and temporal pat鄄
terns of carbon emissions from forest fires in China from
1950 to 2000, Journal of Geophysical Research, 2006,
111, D05313, doi:10. 1029 / 2005JD006198
[38]摇 Fearnside PM, Leal N, Fernandes FM. Rainforest burn鄄
ing and the global carbon budget: Biomass, combustion
efficiency, and charcoal formation in the Brazilian Ama鄄
zon. Journal of Geophysical Research, 1993, 98: 16733
-16743
[39]摇 Kasischke ES, Stocks BJ. Fire, Climate Change and
Carbon Cycling in the Boreal Forest. New York: Spring鄄
er鄄Verlag, 2000
[40]摇 Ito A, Penner JE. Global estimates of biomass burning
emissions based on satellite imagery for the year 2000.
Journal of Geophysical Research, 2003, 109, D14 S05
[41]摇 Fearnside PM, Gra觭a PMLA, Filho NL, et al. Tropical
forest burning in Brazilian Amazonia: Measurement of
biomass loading, burning efficiency and charcoal forma鄄
tion at Altamira, Par佗. Forest Ecology and Manage鄄
ment, 1999, 123: 65-79
[42] 摇 Fearnside PM, Graca PMLA, Rodrigues FJA. Burning
of Amazonian rainforests: Burning efficiency and char鄄
coal formation in forest cleared for cattle pasture near
Manaus, Brazil. Forest Ecology and Management,
2001, 146: 115-128
[43]摇 Carvalho JA, Higuchi N, Araujo TM, et al. Combustion
completeness in a rainforest clearing experiment in Man鄄
aus, Brazil. Journal of Geophysical Research, 1998,
103: 13195-13199
[44]摇 Carvalho JA, Costa FS, Veras CAG, et al. Biomass fire
consumption and carbon release rates of rainforestclear鄄
ing experiments conducted in northern Mato Grosso,
Brazil. Journal of Geophysical Research, 2001, 106:
17877-17887
[45]摇 Guild DS, Kauffman JB, Ellingson LJ, et al. Dynamics
associated with total aboveground biomass, C, nutrient
pools, and biomass burning of primary forest and pasture
in Rondonia, Brazil during SCAR鄄B. Journal of Geo鄄
physical Research, 1998, 103: 32091-32100
[46]摇 Araujo TM, Carvalho JA Jr, Higuchi N, et al. A tropi鄄
cal rainforest clearing experiment by biomass burning in
the state of Para, Brazil. Atmospheric Environment,
1999, 33: 1991-1998
[47]摇 Graca PLMA, Fearnside PM, Cerri CC. Burning of Am鄄
azonian forest in Ariquemes, Rondonia, Brazil: Bio鄄
mass, charcoal formation and burning efficiency. Forest
Ecology and Management, 1999, 120: 179-191
[48]摇 Chen JM, Ju W, Cihlar J, et al. Spatial distribution of
carbon sources and sinks in Canada爷 s forests based on
remote sensing. Tellus, 2003, 55: 622-642
作者简介摇 黄摇 麟,女,1981 年生,博士.主要从事 GIS 应用
与生态信息研究. E鄄mail: huanglin@ lreis. ac. cn
责任编辑摇 李凤琴
8422 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷