全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
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封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技基础性工作专项资助项目(2012FY112500);海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201305009);国家海洋局第一海洋研
究所中央级科研院所基本科研业务经费资助项目(GY0213G13, GY0213G30)
收稿日期:2013鄄04鄄28; 摇 摇 修订日期:2013鄄10鄄08
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: shihonghua@ fio.org.cn
DOI: 10.5846 / stxb201304280857
王晓丽,王嫒,石洪华,郑伟,周然.海岛陆地生态系统固碳估算方法.生态学报,2014,34(1):88鄄96.
Wang X L, Wang A, Shi H H, Zheng W, Zhou R.Discussion of carbon sequestration estimates in the island terrestrial ecosystems.Acta Ecologica Sinica,
2014,34(1):88鄄96.
海岛陆地生态系统固碳估算方法
王晓丽1,王摇 嫒1,石洪华2,*,郑摇 伟2,周摇 然3
(1. 天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津摇 300384;
2. 国家海洋局第一海洋研究所,青岛摇 266061;3. 交通运输部天津水运工程科学研究所,天津摇 300456)
摘要:陆地生态系统在调节全球碳平衡和减缓全球气候变化中起着重要作用。 海岛作为一种特殊的生态系统,生物群落和环境
与大陆基本相似。 虽然海岛生态结构相对简单,物种的丰富程度比大陆低,但对全球碳循环也有一定的影响。 在海岛陆地生态
系统中,森林和灌草的种属相对较少,且不同纬度的海岛森林植被种属差异明显,可采用典型样地清查和生物量模型估算相结
合的方法估算乔木层和灌草层的碳储量。 采用模型估算固碳潜力时,根据海岛生态环境的特殊性,综合考虑岛陆面积、季节、风
向、坡度、坡向、海拔、平均温度、降雨量、土壤理化性质等参数对其碳储量估算的影响。 海岛植被生物多样性影响其土壤碳储存
的生态服务功能,利用多元统计分析方法,建立岛陆植物物种丰度与土壤碳储量的空间回归模型,明确植物多样性的改变对岛
陆土壤固碳能力的影响。 此外,从土壤固碳的角度而言,海岛土壤鄄植物鄄微生物间相互作用是其重要的研究方向。 利用现代分
子生物学技术,研究海岛陆地生态系统的土壤鄄植物鄄微生物相互作用关系,有利于海岛土壤固碳潜力估算精度的提高。
关键词:碳循环;碳汇估算;海岛;陆地生态
Discussion of carbon sequestration estimates in the island terrestrial ecosystems
WANG Xiaoli1, WANG Ai1, SHI Honghua2,*, ZHENG Wei2, ZHOU Ran3
1 College of Environmental Science and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China
2 The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
3 Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China
Abstract: Terrestrial ecosystems play an important role in regulating the carbon balance and mitigating global climate
change. Island is a special terrestrial ecosystem, on which the communities and environmental conditions are similar to that
of the mainland, but its ecological structure is relatively simple, and the species richness is lower than that of the mainland.
Island ecosystems still has strong ability of carbon storage, carbon fixation and plays an important role in the global carbon
cycle. This work discusses carbon sequestration estimates in the island terrestrial ecosystems.
Island regions are especially vulnerable to projected changes in eustatic sea level, storm impacts, and habitat
suitability due to low鄄lying land and limited migration potential. The island area in the global is about 1 / 15 of the whole
mainland, so the ecosystem of forest, shrub, and grass on islands has had an impact on the global carbon sequestration.
Although the species of forest, shrub, and grass on islands is relative fewer, there is significant difference of biodiversity on
the islands at different latitudes.
The combining methodology of the estimate model of biomass and the inventory of sampling investigation can be
selected to estimate the carbon storage of forests, shrub, and grass on islands. The estimate model of biomass is a specific
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type of modeling that seeks to mechanistically represent cycles of carbon at islands regional ecosystem through an integrated
into account of biology and geochemistry. Using models to estimate carbon sequestration on the island, factors influencing
the carbon storage assessment are considered to be identified. The factors covers the land area of the island, season, wind,
slope, aspect, elevation, average temperature, rainfall, soil properties, and so on. Biodiversity also enhances the ability of
ecosystems to maintain multiple functions, such as carbon storage, productivity, and the buildup of nutrient pools. If the
maintenance of biodiversity is to be justified as a strategy for enhancing ecosystem services, it is essential to understand how
biodiversity affects ecosystem multifunctionality. Nevertheless, the relationship between biodiversity and ecosystem
multifunctionality, especially carbon storage, has seldom been studied in islands. It is focused on how the richness of
perennial vascular plants (hereafter “species richness冶) and a range of key abiotic factors (climate, slope, elevation, and
soil texture) influence carbon storage in different typical islands ecosystems. The direct relationship between species
richness and carbon storage on island can be evaluated using both ordinary least鄄squares (OLS) and spatial regression
models. And these results will suggest that the correlation between species richness and carbon cycle may be a general
pattern in nature that reflects a cause鄄and鄄effect linkage. Furthermore, a large proportion of photosynthetical fixed carbon is
directed belowground to roots and associated microorganisms, potentially affecting carbon sequestration either positively or
negatively. A better mechanistic understanding of how the belowground allocation of carbon affects long鄄term sequestration
rates is crucial for predictions of how the currently large carbon stock in island soils may respond to altered climate change,
elevated CO2 levels, and other environmental shifts. Fungi play important roles in island soil ecosystems, as the
decomposers of organic matter and the root鄄associated mediators of belowground carbon transport and respiration. It will be
profiled the relative abundance of major functional groups of fungi through the depth profile of island soil by use of modern
gene technology. And the results will elucidate the mechanisms underpinning carbon sequestration in island soil and
highlight the importance of root鄄associated fungi for ecosystem carbon balance.
Key Words: carbon cycle; carbon sequestration estimates; island; terrestrial ecosystems
摇 摇 陆地生态系统碳循环及其固碳能力的评估等前
沿科学问题, 已经成为国际地圈生物圈计划
(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)和全球环境变
化国际人文因素计划( IHDP)等重大科学计划的主
题。 过去几十年,生态学家们在全球范围内针对气
候变化、土地利用对碳循环时空动态的影响开展了
大量的研究,认为陆地生态系统在调节全球碳平衡
和减缓全球气候变化中起着重要作用[1]。 目前,我
国已建立了不同区域的森林、土壤、草地、湿地等陆
地生态系统的固碳评估方法,确定影响其固碳评估
的关键参数,并通过对陆地生态系统变化的长期观
测和模型测算等方法不断提高该系统固碳能力评估
的精确性[2鄄3]。
海岛陆地生态系统(以下简称为岛陆生态系统)
是指海岛生态系统中高潮线以上的陆地部分,其长
期暴露于海水之上,具有陆地生态系统特点[4鄄5]。 但
是,与陆地相比,岛陆面积一般较小,因此,其生态系
统的结构和功能比大陆简单,物种的丰富程度比大
陆低[6鄄8]。 此外,海岛地理位置特殊,岛陆生态系统
更容易遭受热带气旋、风暴潮、干旱等自然灾害的干
扰与破坏,呈现较为脆弱的特征,不容易自我恢
复[9鄄12]。 全球岛陆面积约占全球陆地面积的 1 / 15,
海岛陆地生态系统包括森林、灌草、土壤等,对全球
碳循环有一定的影响[13],但目前对岛陆这一特殊陆
地生态系统的固碳能力研究相对较少。
本文重点综述了海岛陆地生态系统与传统陆地
系统的差异,结合陆地生态系统中森林、草地、土壤
等固碳能力研究进展,分析了岛陆生态系统的固碳
能力估算及其存在的问题,以此为基础,探讨岛陆生
态系统的固碳估算方法。
1摇 海岛陆地生态系统与传统陆地生态系统的辨析
岛陆部分是海岛陆地生态系统的主体,具有陆
地生态系统特征,其除了生态结构相对简单之外,生
物群落和环境与大陆基本相似[6鄄7]。 通常情况下,人
类活动影响较少的海岛往往有较高的植被覆盖,这
98摇 1期 摇 摇 摇 王晓丽摇 等:海岛陆地生态系统固碳估算方法 摇
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些植被群落在长期演变进化过程中通常会形成一些
特殊的生态环境缀块,在这些缀块之中,生长着一定
数量的陆生生物,它们与岛陆环境一起构成了一个
相对完整的岛陆生态系统[9,11,14]。 岛陆的四周被海
水包围,面积狭小,生态因子受海岛地形地貌、海洋
水文、气候等因素的影响较大[15鄄18],岛陆气候呈现明
显的海洋特征。 因此,岛陆生态系统具有海、陆二
相性。
1.1摇 岛陆生态系统的独立完整性
海岛生态系统与海岛外界物种之间的交流由于
其四周环水、远离大陆的特征受到极大的限制,加上
其区域范围通常狭小,地域结构较为简单,森林与土
地资源都比较有限,自身的自然容水量小,淡水资源
较为匾乏[5,7,12]。 这些客观条件都造成了海岛生物
系统物种类型有限,生物多样性程度低[10,13鄄14]。 但
是,海岛生态系统结构的简单并没有影响其结构和
功能的独立性与完整性。 海岛与其周围的近海构成
了一个独立的生态环境小单元,形成了完整的生态
系统[17,19]。
1.2摇 岛陆生态系统的独特多样性
海岛地理位置特殊,形成成因多种多样,以致与
大陆相比,海岛地貌、地质构造具有一定的独特
性[15,18,20]。 比如火山岛,它是火山喷发后熔岩冷凝
形成的产物,这种海岛的地质、地貌构造就和大陆陆
地地质与地貌构造完全不一样,具有自身独特的特
征[20]。 海岛由于与大陆交流的不方便,在其独立的
生境内,往往保存着特殊的生物群落,具有一批独特
的珍稀物种[6,13鄄14];这些物种,无论是维持海岛景观
生态系统,还是人类进行科学研究,均具有极高的价
值。 岛陆生态系统拥有陆地、湿地与水域 3 种生态
景观类别[10,21],具有海域、海陆过渡带与陆域 3 种地
貌特征类型,涵盖了全球多种生态类型和多元化的
生物资源,出现了物种种群分布的多样性,形成了由
陆到海结构完整、不可分割的整体,是全球各类生态
环境类型的缩影,因此,跟其它地理单元相比,海岛
生态系统具有典型的独特多样性特征[22]。
1.3摇 岛陆生态系统的脆弱变化性
由于与陆地的隔离、风沙的影响及海岛本身土
壤的贫瘠等原因,岛陆生态系统稳定性差,生态特征
十分脆弱,极容易在遭到干扰后产生严重的生态环
境问题。 引发这些问题的最大干扰主要是来自外部
的因素[6,8,10]。 首先,海岛与大陆相比受到的自然灾
害相对强度大、次数多,台风、风暴潮、海冰、干旱等
频发性的自然灾害和海啸、地震等突发性的灾害都
会使岛陆生态系统的稳定性受到严重的威胁,也使
海岛抵御自然灾害的能力受到严重地削弱[9鄄12]。 其
次,近年来,随着海岛旅游活动的活跃和其他经济活
动的繁荣,海岛陆源污染逐渐加重、岛陆原生植被大
量减少、潮间带侵蚀退化厉害、近海湿地功能退化明
显等生态问题日益严重[14,20,23],极大地影响和干扰
了岛陆原有生态系统的稳定性,给原本就脆弱的岛
陆生态系统带来了新的威胁,从而影响了岛陆生态
系统的各种生态服务功能。
2摇 岛陆生态系统固碳方法
2.1摇 岛陆森林生态系统固碳估算方法
森林生态系系统是陆地生态系统中最大的储碳
库,其碳储量占陆地生态系统碳库的 50%[24]。 根据
研究对象的时空尺度和研究手段,大体将森林生态
系统的碳储量评估方法分为三类[25]:样地清查法、
模型模拟法和遥感估算法。 样地清查法是最基本、
最可靠的方法,但只能应用于小尺度的研究;要解决
大尺度上森林固碳评估的问题,必须借助模型模拟
法和遥感估测法。
样地清查法是通过典型样地研究植被、枯落物
或土壤等碳库的碳储量和碳通量[26鄄27]。 设立典型样
地,通过收获法精确测定森林生态系统中生物量、枯
落物和土壤等碳库的碳储量,在连续测定的基础上
可以分析森林生态系统各部分碳库之间的交换通
量,如输入系统的净生态系统生产能力(NEP)和离
开系统的枯落物与土壤的碳排放速率。
模型模拟法是通过数学模型估算森林生态系统
的生产力和碳储量,模型是研究大尺度森林生态系
统碳循环的必要手段。 Thornthwaite Memorial 模
型[28]和 Miami 模型[29]等经验模型较早地用于利用
环境变量进行估算全球净初级生产力的数学模型。
Miami模型是 1971 年 Lieth 在 Miami 提出该估算模
型,为计算净第一性生产力(NPP)提供了新的思路
方法,但该经验模型仅考虑了温度和降水量对植被
产量的影响,实际上植被的净第一性生产力除受温
度和降水量影响外,还要受其他气候因子的影响。
因而用 Miami 模型计算的结果,其可靠性只有
09 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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60%—75%[29]。 BIOME鄄BGC(BGC)模型[30]是研究
模拟陆地生态系统植被、土壤中的能量、碳等生物地
球化学循环模型。 它是由模拟森林林地碳水循环过
程的模型 Forest鄄BGC 演变而来的。 以气候、土壤和
植被参数作为输入变量,所有的植被参数是通过常
规生态生理方法测得,大量观测数据的基础上,模拟
生态系统的光合、呼吸作用,计算植物、土壤、大气之
间碳的通量。 CENTURY 模型[31]起初用于模拟草地
生态系统的碳元素的长期演变过程,后加以改进,将
其应用扩展到模拟森林生态系统地上和地下部分生
物量的动态。 该模型的参数变量主要包括月平均最
高与最低气温、月降水量、植物木质素的含量、土壤
质地等。 CASA模型[32]是一个充分考虑环境条件和
植被本身特征的光能利用率模型,该模型通过植被
吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率(着)来
计算植被的净第一性生产力。 CASA 模型将环境变
量和遥感数据、植被生理参量联系起来,实现了植被
NPP 的时空动态模拟[33]。 Holdridge 和 Chikugo 等
半经验半机制模型[34]是通过对植物的生理生态学
和统计法得到的模型,考虑了许多气候因子的影响。
此类模型包含了植物生长的生理生态学机理,具有
一定的理论基础,是估算自然植被净第一性生产力
的一种较为合理的方法,对 NPP 的估算效果较好。
但是所需的气候因子变量较多,不适合全球的森林
生态系统的净第一性生产力变化的估计与预测。 近
年来,利用相关模式模拟在大尺度碳循环问题的研
究中得到广泛应用,模拟方法开始由原来的静态统
计模型向生态系统机制性模型转变[35鄄36]。 基于生态
系统的生态过程和机制,机制性模型综合模拟植被
的光合作用和呼吸作用以及它们与环境的相互关
系,并估算森林生态系统的净初级生产力和碳
储量[37鄄38]。
模型模拟法特别适于估算一个地区在理想条件
下的碳储量和碳通量,但在估算土地利用和土地覆
盖变化对碳储量的影响时存在很大困难。 近些年
来,遥感及相关技术(GIS、 GPS 等)的发展和应用为
解决这一问题提供了有效方法。 利用遥感手段获得
各种植被状态参数,结合地面调查,完成植被的空间
分类和时间序列分析,随后可分析森林生态系统碳
的时空分布及动态,并且能够估算大面积森林生态
系统的碳储量以及土地利用变化对碳储量的
影响[39鄄40]。
岛陆森林生态系统的结构简单,树种种类相对
较少,特别是对于小型海岛,其主要树种只有 2—3
种,如山东省南长山岛的森林主要为黑松和刺槐
林[41]。 对于岛陆森林固碳估算,可采用样地清查和
模型估算相结合的方法。 根据岛陆的地形、地貌、土
地利用现状和岛陆面积,设置具有代表性的典型样
地,对每一样地的乔木、灌木、草本、土壤、坡度、坡
向、海拔等资料进行现场调查,并采集相应的植物和
土壤样品。 通过样品实验室分析,结合生物量估算
模型,估算出岛陆森林生态系统的碳储量。 与大陆
相比,海岛受到台风、风暴潮、海冰、干旱等频发性自
然灾害的强度大、频次高,对岛陆森林生态系统的稳
定性影响较为明显[9鄄12],可采用 BIOME鄄BGC 模
型[30]估算岛陆森林生态系统碳通量。 该模型以岛
陆的气候条件、土壤和植被参数作为输入变量,模拟
岛陆生态系统的光合、呼吸作用,计算出岛陆的植
物、土壤、大气之间碳的通量。
2.2摇 岛陆草地生态系统固碳估算方法
草地是地球上广泛分布的陆地生态系统类型之
一,在全球碳循环中起着重要作用[1]。 准确评估草
地生态系统碳库及其动态变化,将有助于预测全球
气候变化与草地生态系统之间的反馈关系以及草地
资源的可持续利用[42鄄43]。 近年来,在草地碳循环方
面的研究主要通过定位监测[44鄄45]、样带观测[46鄄47]及
国家尺度上进行分析[48鄄49]。
为了评估草地生态系统碳库及其动态变化,需
要对草地生物量进行评估和测算。 然而不同研究给
出的估算值存在很大差异。 以中国草地为例,草地
生态系统的生物量碳库的估算范围在 0. 56—4. 67
PgC之间(1 Pg= 1伊1015g),相差约 8 倍生物量;碳密
度平均值范围也存在较大差异(215.8—1148.2 gC /
m2),相差约 5 倍[50]。 导致草地生物量估算差异的
原因之一是采用估算方法的不同。 Fan 等人[46]采用
平均生物量碳密度乘以草地面积的方法,利用 20 世
纪 80年代中国草地资源调查数据和 2003—2004 年
野外调查补充数据估算的中国草地生物量碳库为
3郾 3 PgC,平均生物量密度为 1002 gC / m2,远高于
Fang等人[50]和朴世龙等人[51]基于草地资源清查数
据和遥感信息的估算值(分别为 346和 315 gC / m2)。
尽管野外调查获得实测的生物量数据比较可靠,但
19摇 1期 摇 摇 摇 王晓丽摇 等:海岛陆地生态系统固碳估算方法 摇
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很难在整个研究区内进行大范围比较均匀地实地调
查取样。 由于草地生物量分布的空间异质性较大,
如果简单地利用有限的实地调查所获得的平均生物
量数据来推算整个区域的生物量则可能产生较大
误差。
此外,草地植被的根冠比(R 颐 S)是估算草地地
下生物量的最常见方法之一[35]。 然而由于草地根
冠比数据十分缺乏,基于有限的根冠比数据估算的
地下生物量可能会产生较大误差。 Fan 等人[46]报道
的中国北方草地的根冠比范围在 2.4—52.3,平均为
24.6;而方精云等人[49]根据文献得到的根冠比范围
在 5.3—10.1,平均为 7.7,二者估算的地下生物量相
差 3倍以上。 显然,使用不同研究得出的根冠比,会
产生显著不同的地下生物量估算值,由此影响了草
地生态系统的固碳能力的评估[52]。
海岛地形地貌相对简单,土壤贫瘠,植被多样性
低,结构单一,缺乏乔灌草复层结构,以致海岛植被
生态系统本身脆弱性明显[18,20],特别在海岛迎风坡,
风蚀严重,植物生长困难,植被稀疏;在海岛阳坡,光
照足,蒸发量大,土壤水分少,不利植物生长[12,15,18]。
草地类型划分系统将直接导致草地面积的不同以及
单位面积碳密度的不同,从而影响草地生物量估值
的准确性[50]。 因此,对于海岛的草地生态系统的碳
库评估,首先利用定位观测和样带观测方法,完善不
同类型海岛的草地分类系统,根据草地类型和草地
面积,结合 CENTURY模型[31],估算岛陆的草地生态
系统碳储量。 其次,在地下生物量估算中,由于岛陆
的特殊生态环境,不同草种的个体水平和群落水平
之间差异巨大,需要通过小尺度实验来进一步阐明
其机理,建立不同草地类型的根冠比范围。 此外,遥
感数据的应用在很大程度上可以弥补地面调查取样
的不足[32],特别是结合地面实测数据和遥感信息所
建立的遥感统计模型可以解决无人岛的草地生物量
估算,从而提高岛陆草地生态区域生物量的估算。
2.3摇 岛陆土壤生态系统固碳估算方法
土壤是陆地生态系统最大的碳库,土壤碳储存
与释放的平衡发生微小变化即会对温室气体产生很
大影响。 世界的土壤储备的碳(1500 PgC)多于植物
生物量(560 PgC)和大气储备的碳(760 PgC)的总
和[53]。 土壤固碳主要受几大主要碳过程变化的控
制,如凋落物输入,凋落物分解,细根周转和土壤呼
吸[54]。 土壤碳储量和其动态变化的科学估算的准
确性受限于土壤呼吸过程的理解程度和土壤与全球
二氧化碳变化之间相互作用关系。 因此,研究者需
要清楚掌握控制土壤有机碳化学性质、形成过程和
稳定固持的关键机制,并且包括增加土壤固碳潜力
和持续固碳能力的技术和方法[55]。
当前土壤固碳的计量方法主要有长期定位实验
结果外推法、历史观测数据比较法、土地利用方式对
比法和土壤有机碳(SOC)周转模型法等 4 种方法,
其中长期定位实验结果外推法是土壤固碳评估研究
中应用最多的方法[56]。 国外由于对土壤碳保护及
土壤碳循环等科学问题的研究历史较长,积累了大
量较系统的历史资料,Simth[57]利用欧洲国家已有的
长期实验结果建立了混合效应模型,并进行土壤固
碳潜力评估,推测到 2030 年全球农业减排的自然总
潜力高达 5500—6000MtCO2 / a,其中 93%来自固定
土壤碳。 Lal[58]对不同利用类型土壤的固碳能力进
行定量划分,结果表明土壤固碳潜力较高的生态系
统是农田生态系统,其次分别是草地生态系统、退化
生态系统和灌溉土壤生态系统。 在森林土壤固碳潜
力方面,许多研究表明森林土壤是一个具有相当大
潜力的碳汇。 Liski[59]等利用模型模拟的结果表明,
欧洲森林土壤碳吸存量为 26 TgC / a,相当于生物固
碳的 30%—50%。 Piao等[1]利用土壤有机碳与植被
碳及气候因子的多元回归方程,估计 1982—1999 年
中国森林土壤有机碳库年均增加(4.0依4.1) Tg。 而
Xie[48]采用欧洲森林土壤固碳速率估计中国森林土
壤有机碳库年均增加 11.7 Tg。 郭然[60]以国内长期
定位试验的数据为基础,估算我国退化草地完全恢
复的土壤固碳潜力。 在内蒙古、西藏和新疆等地区
通过减少畜牧承载量,使过度放牧的退化草地得以
恢复,可以增加土壤有机碳储存 4561.6 Tg;人工种
草、退耕还草和围栏封育的固碳潜力分别是 25.6、1.5
和 12.0 Tg / a,总计达到 39.1 Tg / a。 D侏az[61]评估了地
中海半干旱地区土壤固碳能力,在该地区深度为 2 m
以内土壤的总固碳能力为 141.3 kg C / m2,而表层土
壤的长期定位试验结果为 36.1 kgC / m2,由于采样深
度不同全球土壤的固碳能力评估偏差较大。
根据海岛土地利用不同,岛陆土壤生态系统包
括森林土壤、草地土壤、荒漠土壤、农田土壤和园林
土壤[19]。 岛陆的土壤本身比较贫瘠,大多是低产的
29 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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氧化土;且土壤水土流失严重,使一些肥沃的土地表
层被侵蚀,受海风侵蚀和人工干扰远比陆域土地严
重得多[62]。 因此,岛陆土壤生态系统的固碳能力估
算可采用定位实验结果外推和土地利用方式对比等
方法估算岛陆土壤碳储量,结合岛陆的海拔、坡度、
坡向、温度、湿度、岛陆面积、生物多样性、土地利用
类型等相关参数,建立岛陆土壤碳储量潜力估算
模型。
3摇 问题与展望
与大陆相比,岛陆面积相对较小,地域结构简
单,生态系统构成较为单一,生物多样性较低、稳定
性差,是一个相对独立、相对脆弱的的地理区域。 而
海岛的开发和利用、自然灾害(热带风暴、台风等)、
有害物种入侵等干扰对其固碳的生态服务功能产生
严重影响。
岛陆森林植被种属相对较少,且不同纬度的海
岛森林植被明显差异,可采用典型样地清查和生物
量模型估算相结合的方法估算岛陆森林碳储量。 采
用模型估算岛陆森林生态系统固碳潜力时,根据海
岛生态环境的特殊性,综合考虑岛陆面积、季节、风
向、坡度、坡向、海拔、平均温度、降雨量、土壤理化性
质等参数对其碳储量估算的影响。
岛陆草地生态系统包括林下灌草和草地(包括
人工草地)。 岛陆草地生态系统碳储量估算涉及草
本植物的种属、盖度、多度、根冠比以及不同种属间
草本生物量等参数;而对于林下草地碳储量估算,考
虑森林郁闭度对草本植物生长的影响。 在岛陆草本
植物根冠比研究中,可以根据海岛的坡度、坡向、海
拔等因素选择典型样地,参考陆地草本植物根冠比
测算方法,建立不同海岛类型的草本植物根冠比区
间,提高岛陆草本生态系统碳储量估算准确度。
海岛为海洋性气候,四季降雨分布不均[18];海
岛土壤多为砂质土壤、土层薄、砂砾多,土壤持水力
差[20,41]。 干旱地区植物物种丰富度与生态服务功能
相关性研究表明,生物多样性对土壤碳储存、生产力
和积累养分库有重要影响,与物种丰富度显著相
关[63]。 但岛陆植物生物多样性与土壤固碳功能的
关系从未被评估。 可利用普通最小二乘法和多元统
计分析方法,建立岛陆植物物种丰度与土壤碳储量
的空间回归模型,分析岛陆植被多样性与土壤固碳
功能间相关性,明确植物多样性的改变对岛陆土壤
固碳能力的影响。
陆地植物根系表面有大量共生菌的存在,植物
根系的生长及根系分泌物增加了土壤碳的输入,但
土壤微生物和植物根系间相互作用引发的激发效应
对碳的排放有重要影响,因为根部输入碳的同时也
可能会导致土壤有机质的加速分解,并且分解的量
有可能大于新形成量而导致土壤碳的净损失[64]。
Clemmensen研究表明,寒带岛屿森林中土壤碳储量
的 50%—70%与森林根系及其真菌系统有关[65]。 从
土壤固碳的角度而言,土壤鄄植物鄄微生物的相互作用
是其重要的研究方向[66]。 利用现代分子生物学技
术,研究岛陆生态系统的土壤鄄植物鄄微生物相互作用
关系,修正岛陆土壤固碳潜力评估模型,提高岛陆土
壤固碳估算的准确性。
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69 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
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生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 员期摇 渊圆园员源年 员月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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