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摘要：闡述森林生態系統的碳迴圈及其在全球碳迴圈中的作用，說明森林生態系統在碳迴圈中的作用主要取決於森林生態系統的生物量、林產品、植物枯枝落葉和根系碎屑以及森林土壤。
關鍵詞：森林生態系統；碳儲量；碳迴圈；作用
根據生態學原理，一個系統中的自然過程總是有利於系統的結構穩定和功能最大化，而非自然過程總是降低或破壞生態系統的穩定性，增加系統的不確定性，增加系統的不確定性。顯然，大量開採化石燃料以及開採森林等活動都是非自然過程，這些活動導致了大氣二氧化碳濃度的不斷上升。雖然目前我們尚不能準確地預測其生態後果，但最終的結果必將危害人類自身。鑑於大氣二氧化碳上升可能引起的嚴重生態後果，科學家對於全球碳迴圈進行了廣泛的研究。具體內容包括地球各部分(大氣、海洋和森林等)碳儲量估算，森林生態系統與其他部分碳的交換量(流)的估算，以及人類干擾對各個庫和流的影響。在陸地生態系統中，森林是最大的有機碳的貯庫，它貯有1146Pg碳，佔整個陸地碳庫的56%。因此，瞭解森林生態系統在碳迴圈中的作用，對於研究陸氣系統的碳迴圈乃至全球碳迴圈都是一個基礎，具有重要的意義。
1.森林及地球各部分的碳儲量
當前，對全球碳庫及庫與庫之間的轉移量以及轉移速率等關鍵性數值的估計差異較大。大氣層中的碳總量約為7.0×1017～7.5×1017g。由於大氣層的二氧化碳濃度正處加速上升階段，因而其碳儲量的估計值顯然與估算的時間有一定的關係。地殼碳儲量最大，估計值相差也大，不過它們與其他庫的交換很小，因此一般不會給碳流量的估算帶來大的誤差。海洋是僅次於地殼的大碳庫，也是最大的一個匯。通常估計海洋中的碳儲量時將其分為表層和深層2個亞庫，前者與大氣有較頻繁和較穩定的碳交流。陸地生物群落包含的碳量約為5.5×1017～5.6×1017g。
在各個庫中，陸地生物群落最容易受到人類活動的干擾，因此也是對大氣二氧化碳濃度變化影響最大的分庫。海洋碳儲量雖大，但與大氣處於相對穩定的碳交換狀態，目前估計海洋與大氣的交換是每年吸收約2.0×1015～3.0×1015g的碳。陸地生物群落在未受干擾狀態，以吸收固定二氧化碳為主，一旦受破壞，則要向大氣排放大量的二氧化碳。
森林是一種主要的植物群落型別，約佔地球陸地面積的1/3(4.1×109hm2)。森林生物量約佔整個陸地生態系統生物量的90%，生產量約佔陸地生態系統的70%。森林生態系統在全球碳迴圈過程中起著重要的作用。
在自然狀態下，森林進行光化二氧化碳，固定於生物量中，同時以根生物量和枯落物碎屑形式補充土壤的碳量。在同化二氧化碳的同時，存在林木呼吸和枯落物分解釋放二氧化碳進入大氣這一逆過程，同時固定於木質部分的二氧化碳也會在一定的時間後腐爛或被燒掉，以二氧化碳的形式歸還大氣。因此，從很長的時間尺度（1000～10000a）考察森林對大氣二氧化碳濃度變化的作用，其影響是很小的，只能是一個不很大的匯。但在短時間程度（＜300a）來考察，由於單位森林面積中的碳儲量很大，林下土壤中的碳儲量更大，因此森林變化（人類干擾）就有可能引起大氣二氧化碳濃度大的波動。
2.森林生態系統的碳迴圈
森林生態系統是陸地中重要的碳匯和碳源，在這個系統中，森林的生物量、植物碎屑和森林土壤固定了碳素而成為碳匯，森林以及森林中微生物、動物、土壤等的呼吸、分解則釋放碳素到大氣中成為碳源。如果森林固定的碳大於釋放的碳就成為碳匯，反之成為碳源。在全球碳迴圈的過程中，森林是一個大的碳匯，但隨著森林破壞、退化的加劇以及一些干擾因素（如火災）的影響，森林生態系統就可能成為碳源，這將更加劇全球的溫室效應，導致生態的進一步惡化。通過國內外的一些研究表明，溫帶和北部寒帶森林是碳匯，如北方森林每年淨吸收碳量為0.4～0.6Pg碳，俄羅斯森林每年固碳0.36～0.45Pg碳。在溫帶，森林每年淨吸收碳量為0.17～0.35Pg碳，美國東南部的森林生態系統每年固碳0.07Gt碳。而熱帶森林地區由於過度砍伐森林以及土地利用方式的改變已成為碳源，在1980年向大氣淨釋放了1.0×105～2.6×105g碳。
在森林生態系統中，植物首先通過光合作用吸收二氧化碳生成有機質貯藏在體內（Gp），這是森林吸收碳素的過程。而後，通過植物自身的吸收作用要釋放出一部分碳素（Ra）。另外，植物還會以枯枝落葉、根屑等形式把碳貯藏在土壤中，而土壤中的碳有一部分會被微生物和其他的異養生物通過分解和呼吸釋放到大氣中（Rh）。森林生態系統和大氣之間的碳通量是森林生長過程中固定的碳和干擾過程中釋放碳之間的差值。森林生態系統的淨生產量（NEP）可用下面的公式表示：NEP=Gp-Ra-Rh，如果在自然生長狀態下，按上面這個公式計算，一般森林生態系統的NEP為正，是個碳匯。然而，由於人類活動的干擾和破壞，尤其是對熱帶森林的亂伐或把其變成為用地等行為就會使森林生態系統的NEP為負，從而成為碳源，這應該引起人類的關注，採取有效措施防止森林變成碳源，從而緩和和扭轉全球氣溫變暖的趨勢。我國森林生態系統在陸氣系統碳迴圈中表現為碳匯，其NEP值為0.48Pg碳。
3.森林生態系統在碳迴圈中的作用
從人類認識到溫室氣體尤其是二氧化碳濃度的升高會使全球氣溫變暖，從而帶來一系列嚴重生態問題時，就展開了對碳素迴圈的研究。而森林生態系統作為吸收二氧化碳釋放氧氣的一個大碳匯，在碳迴圈中起著非常重要的作用。全球森林面積為41.61億公頃，其中熱帶、溫帶、寒帶分別佔32.9%、24.9%和42.1%。全球陸地生態系統地上部的碳為562Gt，森林生態系統地上部的含碳量為483Gt，佔了86%。全球陸地生態系統地下部含碳量為1272Gt，而森林地下部含碳約927Gt，佔整個世界土壤含碳量的73%。森林生態系統在碳迴圈中的作用主要取決於以下幾個方面：
（1）生物量。森林生態系統的生物量貯存著大量的碳素，如按植物生物量的含碳量為45%～50%計，那麼整個森林生態系統的生物量將近一半是碳素含量。森林的生物量與其成長階段的關係最為密切，一般森林據其年齡可分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態系統中最大，而成熟林/過熟林，其中碳的累積速度在中齡林生態系統中最大，而成熟林/過熟林由於其生物量基本停止增長，其碳素的吸收與釋放基本平衡。從森林的年齡結構來估算吸收碳素的潛力是決定森林生態系統碳匯功能的.一個主要方面。目前，我國森林的結構以幼齡林、中齡林居多，因此我國森林生態系統中植物固定大氣碳的潛力很大。據王效科等估算，我國森林生態系統潛在的植物總碳貯量為8.41Pg，現有的實際碳貯存總量只是潛在的植物總碳貯量的44.3%。因此，如果我國的森林生態系統得到切實有效地保護，那麼它將是中國一個重要的碳匯。
（2）林產品。森林生態系統林產品的固碳量是個變化很大的因子。一般林產品根據其使用壽命可分為短期產品和長期產品。像燃料用木、紙漿用木等屬於短期產品，而膠合板、用木則屬於長期產品。林產品使用壽命的長短在很大程度上也決定著森林生態系統的碳匯功能。使用壽命長的林產品可以延緩碳素釋放，緩解全球大氣碳濃度的增加，一般來說，耐用林產品的使用壽命可達100～200a，在這麼長時間裡，通過再造林完全可以實現碳素的良性迴圈。因此，應儘量加工耐用、使用壽命長的林產品。
（3）植物枯枝落葉和根系碎屑。這一部分含碳量在整個森林生態系統中佔的比例雖少，但也是一個不容忽略的碳庫，減緩它的沉澱和分解對於森林生態系統的固碳量也起到一定的作用。
（4）森林土壤。這是森林生態系統中最大的碳庫。不同的森林其土壤含碳量具有很大的差別，在北部森林中森林土壤佔有84%總碳量；溫帶森林土壤中的碳佔到其總碳量的62.9%；在熱帶森林中，土壤中的含碳量佔整個熱帶森林生態系統碳貯量的一半。全球森林土壤的含碳量為660～927Gt，是森林生態系統地上部的2～3倍。國內外很多學者都認識到森林土壤碳庫的重要作用，紛紛對其展開研究。目前，研究土壤碳庫及其碳迴圈和全球變化已成為土壤學的一個新的發展方向。
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