林业科学  2012, Vol. 48 Issue (10): 109-119   PDF    
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胡海清, 魏书精, 孙龙
Hu Haiqing, Wei Shujing, Sun Long
大兴安岭呼中区2010年森林火灾碳排放的计量估算
Estimation of Carbon Emissions from Forest Fires in 2010 in Huzhong of Daxing' anling Mountain
林业科学, 2012, 48(10): 109-119.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(10): 109-119.

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收稿日期:2011-09-17
修回日期:2012-02-23

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胡海清
魏书精
孙龙

大兴安岭呼中区2010年森林火灾碳排放的计量估算
胡海清, 魏书精, 孙龙    
东北林业大学林学院 哈尔滨 150040
摘要: 林火是森林生态系统中特殊而重要的生态因子, 亦是导致植被和土壤碳储量动态变化的重要干扰因子。森林火灾的碳排放对气候变化及大气碳循环具有重要影响,科学有效地对其进行计量,对了解区域和全球的森林生态系统碳循环和碳平衡具有重要意义。根据大兴安岭野外森林可燃物的调查数据和2010年森林火灾统计资料,利用GIS技术工具,通过野外火烧迹地调查与室内控制环境实验相结合的方法确定各种计量参数,从林分水平上,采用排放因子法,估算大兴安岭2010年森林火灾碳排放量和含碳气体排放量。结果表明:大兴安岭2010年森林火灾碳排放量为117 870.62 t;含碳气体排放量CO2、CO、CH4和NMHC分别为379 606.01, 23 425.74, 1 081.46和758.61 t。虽然针阔混交林火烧面积占总过火面积的26.35%,但是碳排放量只占总排放量的13.79%,而2种偃松林型的火烧面积只占总过火面积的29.92%,碳排放量却占总排放量的50.35%,对此提出了相应的林火管理策略。研究结果为正确认识森林火灾对区域碳平衡及全球生态环境的影响提供参考数据。
关键词:森林火灾    碳排放    含碳气体排放    排放因子    林火管理策略    
Estimation of Carbon Emissions from Forest Fires in 2010 in Huzhong of Daxing' anling Mountain
Hu Haiqing, Wei Shujing, Sun Long    
College of Forestry, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: Biomass burning has long been recognized to release a number of important trace gas species and particulate matter to the atmosphere. Forest fire is a main disturbance factor in forest ecosystems, and an important pathway decreasing vegetation and soil carbon storage. Large amount of carbonaceous gases in forest fire can release into atmosphere, giving remarkable impacts on the atmospheric carbon balance and global climate change. Scientific and effective measurements of the carbonaceous gase emission from forest fire are important in understanding the significance of forest fire in the carbon balance and climate change. In this paper, based on Daxing′anling forest fire statistics in 2010 and various forest types of fuel load data, we conducted field surveys and indoor control-burned experiments to determine a variety of measurement parameters, and estimated emissions of the total carbon and the main carbon-containing gas of the Daxing′anling Mountain forest fire in 2010 at the stand level, by applying forest fire emissions model. Results showed that the total carbon emission from the forest fires was about 117 870.62 t, and carbonaceous gases emissions of CO2, CO, CH4 and non-methane hydrocarbons(NMHC) were 379 606.01 t, 23 425.74 t, 1 081.46 t and 758.61 t, respectively. Our study indicated that burned area of coniferous and broad-leaved mixed forest accounted for 26.35%, however the carbon emissions accounted for only 13.79% of total emissions. The burned area of two Pinus pumila forests accounted for 29.92%, and the carbon emissions accounted for 50.35% of total emissions. We proposed the corresponding forest fire management strategy. Our studies indicated that the carbon emissions had an important impact on the regional carbon balance.
Key words: forest fires    carbon emissions    carbonaceous gases emissions    emission factor    forest fire management strategy    

林火是森林生态系统中特殊而重要的生态因子, 亦是导致植被和土壤碳储量动态变化的重要干扰因子(Dixon et al., 1994)。大气碳平衡研究一直是各国科学研究的重点(胡海清等,2007),森林火灾的频繁发生不仅使自然生态系统遭到破坏,同时亦造成了含碳温室气体的大量排放,破坏大气的碳平衡(单延龙等,2009),对全球气候变化和环境产生负面影响,并影响着生物地球化学循环,在碳循环中起着重要作用(吕爱锋等,2005)。全球平均每年大约有1%的森林遭受火干扰的影响,森林火灾碳排放与含碳气体排放是大气和环境污染的主要来源之一(Crutzen et al., 1979Seiler et al., 1980)。随着全球气候变暖,森林火灾的火强度和频率加剧(Running,2006),因此,准确计量森林火灾直接排放的碳量,对进一步量化森林火灾对大气碳平衡的贡献以及对正确评价森林火灾在森林生态系统碳平衡中的作用具有重要意义,并为国家履约谈判提供科学支持。

Robinson(1989)在20世纪60年代后期就研究如何估算全球火灾的气体排放量问题。随后有许多学者对森林火灾过程中可燃物燃烧释放的含碳痕量气体进行估算(Cahoon et al., 1994);Kasischke, et al., 1995Conard et al., 1997French et al., 2000Andreae et al.,2001)。随着气候变化研究的深入,国外对森林火灾排放温室气体的研究越来越多,特别是美国、加拿大和俄罗斯等通过室内控制环境试验和野外采样观测试验估算了森林火灾排放的温室气体(Levine et al., 1995)。Amiro等(2001)对1959—1999年加拿大的森林火灾直接碳排放进行估算。French等(2004)对北方林碳排放中的不确定性进行分析,利用排放比估算森林火灾碳排放量。近年来,国内对森林火灾排放的温室气体进行了研究。王效科等(2001)在对各省火灾统计资料和生物量估计的基础上,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量。田晓瑞等(2003)根据1991—2000年的森林火灾统计数据和生物量研究结果估算了中国森林火灾直接释放的碳量。吕爱锋等(2005)对火烧过程中含碳痕量气体排放的估算进行全面阐述。Lü等(2006)结合森林资源清查资料、生态系统模型和遥感影像估算了1950—2000年我国森林火灾碳排放和含碳气体排放。杨国福等(2009)采用排放因子法和排放比法,估算浙江省1991—2006年年均森林火灾温室气体排放量。单延龙等(2009)根据吉林1969—2004年的森林火灾统计数据,用排放比法估算出该省年均释放碳量。刘斌等(2011)利用卫星遥感影像估算了大兴安岭呼中区森林大火释放的碳量。

虽然以上的研究使人们进一步了解森林火灾对大气碳平衡的影响,但这些研究不经过试验分析而仅仅通过模型手段、遥感技术或查找资料推算大尺度森林火灾对大气碳排放的贡献,显然存在很大的不确定性,而通过室内燃烧试验来确定气体排放因子并应用于大尺度估算的研究开展甚少(郭福涛等,2010王效科等,2001)。因此通过对火烧迹地野外调查和室内控制环境试验分析相结合的方法,确定计量参数,才能增强计量的准确性。在大兴安岭林区,林火是主要干扰因子之一(孙龙等,2009)。本文根据大兴安岭野外森林可燃物的调查数据中各林型可燃物载量数据和2010年森林火灾统计资料,通过野外调查和采样,利用GIS技术工具,并结合野外火烧迹地调查与室内控制环境试验相结合的方法确定各种计量参数,从林分水平上,采用排放因子法,估算大兴安岭呼中区2010年森林火灾碳排放量和含碳气体排放量。这对准确计量森林火灾碳排放量,科学测算森林火灾对大气碳平衡的影响,改进林火管理策略(田晓瑞等,2009b),完善林火管理措施,科学评价森林火灾对区域碳循环和碳平衡的影响以及对全球气候变化和生态环境的影响提供科学依据均有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究地区概况

大兴安岭林区是我国最大的国有林区(50°10′—53°33′ N,121°12′—127°00′ E),面积835万hm2。由于2010年大兴安岭森林火灾均发生在呼中区,因此,将其设为试验地。该区地处大兴安岭中部,总面积94万hm2,其中林地面积60多万hm2。气候属寒温带大陆性季风气候,年均气温为-4.4 ℃,年降水量481.6 mm,主要集中在6—8月份,无霜期80~100天,为欧亚大陆多年冻土区的南缘。土壤主要为棕色针叶林土、暗棕壤、灰色森林土等。地带性植被类型为寒温性针叶林,偃松(Pinus pumila)分布于海拔较高的地带,构成了亚高山的特有景观和山地寒温带针叶疏林的林下灌木。林型主要以兴安落叶松(Larix gmelinii)林、偃松-兴安落叶松林、偃松矮曲林为主(舒立福等,2003),还有白桦(Betula platyphylla)林、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)林、阔叶林和针阔混交林等。由于各种因子的交互作用,雷击火较多,为我国森林火灾高发区且危害最严重,年均森林过火面积居全国之首(徐化成等,1997)。

1.2 研究资料 1.2.1 森林火灾统计资料

大兴安岭呼中区2010年森林火灾统计资料来源于黑龙江省人民政府森林草原防火指挥部办公室所提供的火灾登记表,该数据包括每次森林火灾起火点的地理坐标、行政区域、过火林地面积、起火原因、林型和扑救信息等内容。大兴安岭2010年共发生森林火灾26次,均发生在呼中区,森林总过火林地面积达11 737.62 hm2

1.2.2 森林可燃物载量调查

在大兴安岭中部的呼中林业局,于2010年7月初(森林火灾发生后15天内)进行外业调查和样品采集。为了更精确计量可燃物载量,根据森林火灾所烧林型的特点,选择7种主要火烧林型,进行调查采样,对不同林型的乔木、林下的灌木、草本、凋落物、地表有机质和粗木质残体(coarse woody debris, CWD)作为研究对象,采用随机布点法,选择7种主要林型为采样点,在每种林型设置20 m×20 m的3个重复样地作为标准样地(相对火烧迹地就是对照样地),共21块标准样地。同时在火烧迹地上根据3个不同火强度等级(重度、中度、轻度3个等级)和7种林型分别设置重复样地3个,共设置63个标准样地。

1) 乔木层生物量调查 在设置好的标准样地内,以5 cm为起测胸径,调查因子包括胸径、树高、树种、郁闭度、林龄、枝下高、冠幅和林分生长状况等,并分树种统计各径级的平均值,在每个对照样地内选取各径级的标准木3株,每个采样重复3次。主要采集乔木的干、枝、叶和皮,其中干和皮分别从树干基部、胸径和梢头3个部位进行分别取样,树枝带皮,按粗枝和细枝的比例取样,叶也分别从不同部位取样。采集的样品野外称鲜质量,并取样,标记好带回实验室进行内业测定及分析。

2) 灌木层生物量调查 根据灌木分布的均匀程度沿标准样地的对角线设置小样方。当分布较为均匀时设置2 m×2 m重复样方3个;当分布不均匀时设置5 m×5 m重复样方3个。调查灌木层的盖度、株数和平均高度,各树种数量、地径、高度等,然后按灌木种类收割样方内的所有灌木,称量并取样。

3) 草本层生物量调查 在标准样地内沿另一对角线设置1 m×1 m的重复样方3个,调查草本层种类、盖度和平均高度,然后全部收割、称量,并取样。

4) 凋落物层可燃物载量调查 在标准样地内按对角线选取1 m×1 m的重复样方3个,分别收集小样方内的枯枝和落叶(针叶和阔叶分开)并记录其鲜质量,并取样。

5) 地表有机质层可燃物载量调查 在标准样地内按对角线选取1 m×1 m的小样方3个,分别收集小样方内的地表有机质(包括分解层和半分解层)的样品,并记录其鲜质量,并取样。

6) 粗木质残体可燃物载量调查 在每个标准样地对粗木质残体进行调查,记录倒木、枯立木、树桩、腐朽木等的长度和直径,取样方法和乔木层生物量调查相同。本研究采用美国林务局Woodall等(2008)提出的粗木质残体的定义,即直径>7.62 cm的死木质物。

应用相对生长法测定乔木层生物量,根据大兴安岭树种的生物量回归方程测定树种各部位的生物量(周振宝,2006),根据林龄等因子估算单位面积生物量,并利用调查样地的面积外推到林分水平(粗木质残体当作没有枝和叶的乔木进行载量估算)。对灌木可燃物载量的测定,将采集得到的样品,经80 ℃烘干;对草本、凋落物和地表有机质可燃物载量的测定,为保证试验测定的准确性,将样品置于通风良好处自然风干30天(胡海清等,2009),然后利用小型粉碎机将样品粉碎后进行磨粉,经60目筛过滤,使可燃物燃烧更充分,取50 g样品在105 ℃下,连续烘干24 h至恒质量,用精度0.01 g的电子天平称量,用公式含水率=(鲜质量-干质量)/干质量×100%计算含水率,通过含水率计算出单位面积可燃物载量。

1.3 研究方法 1.3.1 可燃物碳含量的测定

对以上各可燃物的试验样品进行3次粉碎法制样,样品碳含量的测定采用干烧法。应用MultiC/N3000分析仪测定碳含量,每次测3个平行样,对测定结果取其平均值,测量精度为0.01%,误差为±0.3%。样品含碳率用碳含量的测定结果与样品绝干状态下质量的比值进行计算。

1.3.2 火强度等级的确定

火强度是指森林可燃物燃烧时火的热量释放速度(郑焕能等,1988)。对于森林火强度的计算及其等级划分,目前国外主要以火线强度、火焰长度、火焰高度、可燃物载量及火蔓延速度等指标进行估算(骆介禹,1988王岳,1996郑焕能等,1988)。国内关于森林火强度的估测中较为科学合理且具有实际意义的均来自于火烧迹地的实际调查,以森林生态系统不同层次在火灾中受害程度的差异判断火强度,这种方法较为准确,但也仅限于对火后短时间内开展研究(胡海清等,2007)。本文利用森林火灾统计数据和可燃物载量的有关情况,结合火烧迹地调查,在火烧迹地内按不同林型和火强度分别设置标准样地,调查林分基本特征和各类可燃物载量与分布特征,调查树木熏黑高度,记录树木死伤情况(田晓瑞等,2009a),根据火强度和可燃物载量的相关关系,以及各强度火灾在火烧迹地的分布情况及比例状况来确定火强度,并把火强度分为重度、中度、轻度3个等级,主要通过不同火强度消耗可燃物的不同,推算火强度等级。本文结合文献(胡海清等,2007;赵彬等,2009;郑焕能,1994徐化成,2004田晓瑞等,2009a曹慧娟,1992郑焕能等,1988),把火强度划分为3个等级(重度、中度、轻度)。重度火烧:火灾烧死木≥70%,活立木(包括烧伤木)≤30%,乔木熏黑高度≥5 m,林下灌木全部烧毁,凋落物烧光,腐殖质层全被烧掉;中度火烧:火灾烧死木占30%~70%,活立木(包括烧伤木)占30%~70%,乔木熏黑高度在2~5 m,林下灌木几乎被烧毁(>50%),凋落物几乎被烧毁(>50%),腐殖质层几乎被烧毁(>50%);轻度火烧:火灾烧死木≤30%,活立木(包括烧伤木)≥70%,乔木熏黑高度≤2 m,林下灌木部分被烧毁(≤50%),凋落物部分被烧毁(≤50%),腐殖质层部分被烧毁(≤50%)。

1.3.3 燃烧效率的测定

燃烧效率是对可燃物燃烧时计量碳排放的关键因子,是指可燃物燃烧掉的部分占总干质量的比例(吕爱锋等,2005)。通过火烧迹地的调查并在火烧迹地设置标准样地进行采样,对其火灾后的残余可燃物载量进行采样,计算出不同火强度下可燃物消耗所剩余的量。同时通过火烧迹地附近未烧样地的可燃物载量的估测,通过未烧样地的可燃物载量减去不同火强度下可燃物消耗所剩余的量,就可得到不同火强度下可燃物的消耗量,再用可燃物消耗量(Mi)除以可燃物载量(M)来得到不同火强度下可燃物的燃烧效率(β),其计算公式为:

1.3.4 排放因子的测定

排放因子是表示消耗的单位质量物质所释放的某种化合物的量,即消耗单位质量碳所释放的某种气体的量,单位为g·kg-1(Andreae et al., 2001)。虽然近年来国内学者对生物质燃烧进行了深入研究,但对森林火灾的排放因子鲜见报道,许多研究在计量时所用排放因子均采用国外学者不同地区实测数据的结果(陆炳,2011)。本文采用动态燃烧系统进行含碳气体排放的测定,该系统由燃烧室、恒温加热系统、电子秤、KM9106综合烟气分析仪(英国KANE)、烟气罩、计算机、红外分析模块和FIREWORKS烟气分析处理软件组成,应用KM9106综合烟气分析仪进行含碳气体的连续分析,然后通过可燃物所排放的某种含碳气体量和可燃物燃烧过程中碳排放总量的比例,推算出不同含碳气体的排放因子(Efs),即森林火灾排放的某种含碳气体(Es)与燃烧过程中总碳排放量(Ct)的比值。其计算公式为:

1.4 碳排放计量方法 1.4.1 总碳排放量计量模型方法

Crutzen等(1979)对森林火灾碳排放计量进行研究,Seiler等(1980)提出了森林火灾燃烧损失生物量的计量方法。其表达式为:

(1)

式中:M为森林火灾所消耗的可燃物载量(t),A为森林火灾的燃烧面积(hm2),B为未燃烧前某一单位面积内平均的可燃物载量(t·hm-2),a为地上部分生物量占整个系统生物量的比重(%),b为地上可燃物载量的燃烧效率。

Levine等(1995)根据可燃物载量的含碳率(fc),假设所有被烧掉的可燃物载量中的碳都变成了气体,就可以计算由于森林火灾燃烧所造成的碳损失(Ct),表达式为:

(2)

式中:Ct为可燃物燃烧所排放的碳量(t),fc为可燃物中的含碳率,即可燃物中碳所占的比例。

基于式(1)提出的可燃物估算模型,假定知道森林火灾中不同可燃物的碳密度,可把式(1)代入式(2),并进行修正,使之用来估算可燃物燃烧过程中排放的总碳量(Kasischke et al., 1995)其表达式为:

(3)

式中:β为可燃物的燃烧效率,即单位面积森林火灾过程中所消耗的可燃物占火灾前可燃物的比例。

通常根据式(3)估算的碳排放量会小于实际排放量,这是因为其计算森林火灾消耗可燃物时只考虑了地上(乔木、灌木、草本)可燃物部分,而忽略了地表凋落物、地表有机质和粗木质残体对碳排放量的贡献(王效科等,2001;Choi et al.,2012b),尤其是对于大兴安岭北方针叶林,每次火灾消耗的可燃物量平均有2/3来自地表。Amiro等(2001)在充分考虑到地表可燃物中凋落物、地表有机质和粗木质残体不同的燃烧效率,因此对式(3)进行修正,其表达式为:

(4)

式中:Ba为森林火灾所消耗的地上部分可燃物载量(t·hm-2),fca为地上部分可燃物的含碳率,βa为地上可燃物的燃烧效率,Cl为地表凋落物的碳密度(t·hm-2),βl为地表凋落物的燃烧效率,Cd为地表有机质的碳密度(t·hm-2),βd为地表有机质的燃烧效率,Cc为粗木质残体的碳密度(t·hm-2),βc为粗木质残体的燃烧效率。

1.4.2 森林火灾含碳气体排放量计量方法

森林火灾含碳气体排放量的计量是利用上一节中所计算的碳排放量,再利用排放因子法进行含碳气体排放量的计量。排放因子法是指森林火灾中某种含碳气体的排放量,为该气体的排放因子与燃烧过程中排放的碳量之积,某种含碳气体的排放量是基于式(1)生物量估算模型,其表达式(French et al.,2001)为:

(5)

式中:ES为某种含碳气体的排放量(g),Efs为某种含碳气体的排放因子(g·kg-1),Ct为可燃物燃烧所排放的碳量(kg)。

把式(4)代入式(5)可得:

(6)

利用式(6)就可以对可燃物各组分的含碳气体排放总量进行计量。

森林火灾总碳排放量和含碳气体排放量计量模型流程见图 1

图 1 森林火灾总碳排放量和含碳气体排放量计量模型流程 Fig.1 Flowchart of the emission measurement methods model of the total carbon emissions and carbonaceous gas emissions from forest fires
2 结果与分析 2.1 各林型火灾面积

大兴安岭呼中区2010年总过火林地面积为11 737.62 hm2。从表 1可看出:各林型过火面积由大到小的顺序为针阔混交林、兴安落叶松林、偃松-落叶松林、偃松矮曲林、白桦林、樟子松林、阔叶林。其中过火面积最大的针阔混交林为3 092.86 hm2,占总过火面积的25.35%,过火面积最小的阔叶林为602.14 hm2,只占总过火面积的5.13%。单因素方差分析结果表明:虽然7种林型过火面积之间差异较大,但在总体上林型对火烧面积的影响并不明显。

表 1 大兴安岭2010年各林型过火面积及火强度等级分布表 Tab.1 Burned area and fire intensity distribution of forest types of Daxing′anling in 2010
2.2 各林型不同组分单位面积可燃物载量

单位面积可燃物载量地上部分主要包括乔木(干、枝、叶、皮)、灌木、草本、凋落物、地表有机质、粗木质残体等,不同林型不同组分的可燃物载量见表 2,从表中可看出载量最大的为兴安落叶松林,达到119.51 t·hm-2,其次为白桦林,最小为偃松矮曲林,只有66.44 t·hm-2

表 2 大兴安岭各林型不同组分单位面积可燃物载量 Tab.2 Fuel load per unit area of in different components of main forest type in Daxing′anling
2.3 各林型不同组分可燃物载量含碳率

根据MultiC/N3000的测定结果,各林型不同组分的可燃物载量含碳率见表 3。从表中可看出各林型不同组分乔木的含碳率较高,地表有机质含碳率最低,灌木含碳率普遍高于草本,针叶林高于阔叶林。国际上常采用的含碳率为0.5,国内外研究者大多也采用0.5来作为所有林型的平均含碳率,对凋落物等非木质组分采用0.45作为平均含碳率(Crutzen et al., 1990Houghton et al., 2000Fang et al., 2001)。兴安落叶松林、偃松-落叶松林、偃松矮曲林、白桦林、樟子松林的含碳率较高,其中偃松-落叶松林含碳率最高;阔叶林和针阔混交林的含碳率较低。

表 3 大兴安岭各林型不同组分的可燃物载量含碳率 Tab.3 Carbon content of the fuel load of different components of forest types in Daxing′anling
2.4 各林型可燃物在不同火强度下的燃烧效率

根据样地调查取样及测定的结果,各林型不同组分的可燃物载量燃烧效率见表 4。国外研究者认为在北方林中地上部分生物量的燃烧效率为0.15~0.34,均值为0.25,地表部分可燃物的燃烧效率为0.03~0.90,均值为0.50(Aulair et al., 1993Cofer et al., 1996French et al., 2000et al., 2006)。从表中可看出在林分水平所测定的燃烧效率均在0.15~0.50之间。偃松矮曲林的燃烧效率最高,而针阔混交林的燃烧效率最低。

表 4 大兴安岭各林型不同组分的可燃物在不同火强度下的燃烧效率 Tab.4 Different combustion efficiency of fuel of different components of forest types under fire intensity scenario in Daxing′anling
2.5 各林型可燃物在不同火强度下的碳排放量

根据式(3)计算各林型不同组分的可燃物载量在不同火强度下的碳排放总量。从表 5可看出大兴安岭2010年碳排放总量为117 870.62 t,其中偃松-落叶松林的碳排放量最多,占总排放量的26.08%;其次是偃松矮曲林,占总排放量的24.26%;再次是兴安落叶松林,占总排放量的16.19%;3种林型的碳排放总量为78 422.32 t,占该区碳排放总量的66.53%。

表 5 大兴安岭2010年各林型不同组分可燃物在不同火强度下的碳排放量 Tab.5 Total carbon emissions of fuel in different components of forest types under fire intensity in Daxing′anling in 2010
2.6 各林型可燃物燃烧所排放含碳气体的排放因子

根据试验测定各林型不同组分的可燃物载量所排放含碳气体的排放因子见表 6,把表中排放因子与国外学者对北方林可燃物燃烧时含碳痕量气体排放因子的测定结果(Laursen et al., 1992Cofer et al., 1996French et al., 2000Kasischke et al., 1995)进行比较,CO、CH4和非甲烷烃(NMHC)的排放因子较为接近,而CO2的排放因子偏低,主要是因为在室内排放因子测定中,O2供应不足,有焰燃烧所占比重较小造成的。

表 6 大兴安岭不同可燃物类型燃烧主要含碳气体的排放因子 Tab.6 Emission factors for main carbon species emitted from various types of fuel burning in Daxing'anling
2.7 各林型可燃物燃烧排放的含碳气体量

根据式(5)计算大兴安岭2010年各林型不同组分因森林火灾而排放的含碳气体量见表 7。根据式(6)并结合表 7可计算出各林型不同组分的可燃物载量所排放的含碳气体量以及各种含碳气体的总量。从表 8可看出大兴安岭2010年共排放CO2量为379 606.01 t, 排放CO量为23 425.74 t, 排放CH4量为1 081.46 t, 排放非甲烷烃NMHC量为758.61 t。

表 7 大兴安岭2010年各林型不同组分可燃物燃烧排放的主要含碳气体量 Tab.7 Main carbonaceous gases emissions of fuel burning of different components of forest types in Daxing'anling in 2010
表 8 大兴安岭2010年各林型可燃物燃烧所排放的含碳气体量 Tab.8 Carbonaceous gases emissions statistics of fuel burning of the various forest types in Daxing'anling in 2010
3 结论与讨论

大兴安岭呼中区2010年各林型不同组分因森林火灾的碳排放总量为117 870.62 t,约占全国年均森林火灾排放碳量的1.04%;含碳气体排放量CO2、CO、CH4和NMHC分别为379 606.01,23 425.74,1 081.46和758.61 t,分别占全国年均森林火灾各含碳气体排放量的0.93%,0.86%,0.96%和0.67%(et al., 2006)。由此可见:大兴安岭呼中区森林火灾直接排放的碳量对区域碳循环和碳平衡产生重要影响。这主要是因为该区是全国森林火灾多发地区,森林火灾面积居全国之首(徐化成等,1997郭福涛等,2010),虽然该区实施了积极的森林防火政策,然而随着森林防火措施的长期实施,可燃物的大量积累,火险等级增强(刘志华,2009)。特别是随着全球气候变暖的影响,对大兴安岭的北方林产生重要影响,容易导致森林大火的发生(Running,2006魏书精等,2011)。

森林可燃物是森林生态系统的基本组成部分,是影响林火发生及火强度的重要因素之一,是森林燃烧的物质基础(贺红士等,2010)。大兴安岭50年来严格的火控制政策已经极大地改变了自然火格局,使得火的平均轮回期从1950年前的120~150年(徐化成,1997)延长到现在的500年左右,同时也改变了森林的物种组成和年龄结构,导致可燃物累积,火险等级上升,再加上气候变暖,增加了森林大火发生的概率,加剧了森林火灾的碳排放(魏书精等,2011)。理解大兴安岭森林对长期火控制的响应是制定森林可持续发展的依据之一,所以现行的严格火控制政策值得反思(刘志华,2009)。作为森林管理范式之一,火控制政策在世界各地得到了广泛的应用,极大地改变了自然火格局,如延长火的平均轮回期,增加森林可燃物载量和火险等级,改变森林演替进程,这些都可能对森林生态系统带来负面影响(徐化成,1997刘志华,2009田晓瑞等,2009b)。人们用计划烧除来减少可燃物并期望恢复火在生态系统中的作用(金森等,2002)。因此,在现有的林火管理策略和实施的林火管理措施的基础上,应加强森林可燃物的可持续管理(舒立福等,1999)。特别是对于大兴安岭北方林,气候寒冷干燥,地表可燃物不易被分解,由于严格火控制政策的实施,导致可燃物进一步积累,因此应实施科学合理的计划烧除,减少地表可燃物的过多积累,移除发生森林大火的可燃物条件,充分发挥火在生态系统中的生态作用,从而使森林防火工作走上科学合理的管理路径。

实现森林可燃物可持续管理不仅需要科学合理的计划烧除,而且应加快营造针阔混交林和防火林带,使火灾发生率控制在生态系统可持续发展的水平上,发挥火因子的生态作用。生物防火是利用森林植物燃烧性的差异,选择难燃、耐火、抗火的树种营建防火生物圈或耐火植物带,以阻隔林火的蔓延或选择抗火性能强的树种营造针阔混交林,以增强抗火性,减少森林火灾的损失。同时还包括利用动物和土壤微生物,加速林下凋落物的分解速度,减少林下可燃物的积累,降低火险等级(陈存及等,1995)。通过以上火灾碳排放的计量可知,在7种林型中,虽然针阔混交林火烧面积最大,达3 092.86 hm2,占总过火面积的26.35%,但其碳排放量只占总排放量的13.79%,而2种偃松林(偃松-落叶松林和偃松矮曲林)的过火面积为3 513.06 hm2,只占总过火面积的29.92%,但其碳排放量为59 344.19 t,占总排放量的50.35%。偃松林生长在干旱瘠薄的立地条件,属于干燥立地类型的林型,有利于形成森林火灾发生的火环境,也是导致呼中区森林火灾频发的主要原因及可燃物条件。因此应该更加注重偃松林的防火工作,加强火源管理,积极营造具有抗火和阻火功能的针阔混交林,加强防火林带建设,实现绿色防火。

森林火灾发生时受可燃物载量、温度、湿度、风速、风向、地形等因子影响,会产生不同的火行为,导致碳排放计量参数确定的困难。王效科等(2001)研究发现:我国单位面积森林火灾释放的CO2、CO和CH4量主要受森林群落生物量影响,吉林、西藏和青海的森林生物量较大,单位面积森林火灾的碳排放量亦较大,生物量较低的广东和江苏的排放量较低。Lü等(2006)估算1950—2000年我国森林火灾碳排放时发现:碳排放量存在较大空间差异。森林火灾直接碳排放的计量已广泛开展并取得一定成果,这在评价森林火灾碳排放对森林生态系统碳循环和碳平衡的影响中具有重要意义,但因森林生态系统的异质性和复杂性,在计量森林火灾碳排放量时,计量模型中涉及到一系列的计量参数,如何提高计量参数测定的可操作性和准确性,仍然是碳排放计量的关键问题。为进一步了解森林火灾对大气碳平衡的影响,需要采用多种方法建立森林火灾数据库,并研究森林火灾的发生发展规律和影响程度,以提高基础资料的可靠性。目前需在以下3方面进一步深入研究。使用更高分辨率遥感影像估测森林火灾面积和可燃物载量;利用高分辨率遥感图像估测森林火灾的燃烧效率;通过大量室内燃烧试验和野外空中采样来确定排放因子和排放比。

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