1 前言

随着人类社会的进步和科学技术的发展, 人们对森林火灾影响的认识也在不断地深入。最初, 森林火灾的发生危胁着人类生活的栖息地, 后来, 当人类的居住地开始远离森林时, 森林火灾对人类的影响则表现在破坏了林业生产的资源。从生态学的角度看, 森林火灾作为一种外部干扰因子, 改变植物及其群落的发育和生长, 控制和调节植物间的相互作用(Goldammer et al., 1993), 影响森林演替(Cooper, 1961; Waring et al., 1985)、森林生物量和生产力(Landsberg, 1986)和生物地球化学循环(Crutzen et al., 1990;Andreae, 1991)。到了70年代后期, 人们普遍开始关注温室效应, 在估算非工业源温室气体的排放量时, 注意到了木材的燃烧对全球碳循环的影响(Adams et al., 1977;Wong, 1978)。到了80年代, 森林火灾排放的痕量气体的研究出现空前的活跃, 既有室内的模拟实验测定各种排放因子(Lobert et al., 1990), 又有大规模的野外大气化学观测实验(Cofer et al., 1989;1990;Kauffman et al., 1992;Goldamer, 1993), 对世界主要地区的森林火灾释放的温室气体进行了估算(Levine, 1995)。

CO₂、CO和CH₄作为3种主要含碳痕量气体, 对于大气化学环境和温室效应影响很大(Crutzen et al., 1979;Levine et al., 1995), 火灾释放的CO和CH₄会影响到许多大气化学反应过程, 在一些地区, 会影响到大气对流层臭氧浓度(Goldamer, 1993)。据估计, 全球总的森林火灾排放CO₂、CO、CH₄的总量分别为3135 Tg C/a、228 Tg C/a和167 Tg C/a, 分别为全球所有源排放量(Levine et al., 1995)的45%、21 %和44 %(王效科, 1998)。但是, 在全球森林火灾排放量的估算中中国的资料比较少(Wang et al., 1996)。特别是对中国森林火灾释放的CO和CH₄研究, 未曾有报道。

本研究根据我国的森林火灾统计资料和我们实验室测定的排放参数, 估算了中国森林火灾释放的CO₂、CO和CH₄总量, 并分析了区域差异和对全球含碳痕量气体排放量的贡献, 这对于评价中国森林生态系统对全球气候变化的影响和在全球碳循环中的作用有着重要意义。

2 研究方法 2.1 估算方法

以我国的省、直辖市和自治区为计算单元, 首先根据各省的森林生态系统生物量, 采用下式估计, 估计森林火灾直接释放的总碳量:

(1)

式中, M和A分别为对应于各统计单元的碳释放总量和森林火灾受害面积, i是考虑的生物组分, 包括乔木层、林下层和枝落物层。Bi和Ei分别为各生物组分i的生物量和燃烧效率。

CO₂排放量的估算采用排放因子法

3 研究结果 3.1 单位森林火灾成灾面积释放的CO₂、CO和CH₄

从估算结果看(表 2), 全国平均1 hm²的森林受害面积, 将释放7.12 MgC的CO₂, 其中4.76 Mg来自乔木层, 0.82 Mg来自下木层和1.54 Mg来自枯落物层, 分别占CO₂总排放量的67 %, 11 %和21%。全国平均1 hm²的森林受害面积, 将释放0.93 MgC的CO, 其中0.59 Mg来自乔木层, 0.12 Mg来自下木层和0.22 Mg来自枯落物层, 分别占CO总排放量的63 %, 13 %和24 %。全国平均1 hm²的森林受害面积, 将释放0.087 MgC的CH₄, 其中0.061 Mg来自乔木层, 0.012 Mg来自下木层和0.014Mg来自枯落物层, 分别占CO₂总排放量的70 %, 14 %和16 %。由于不同的省份, 单位森林面积的碳贮量不一样和排放比的差异, 单位受害面积的森林所释放的含碳气体各省之间有较大的差异(表 3)。从单位受害森林面积释放的CO₂看, 吉林最大(16.38 MgC/hm²), 其次为西藏(15.28 MgC/hm²)和青海(14.13 MgC/hm²), 东部的广东和江苏只有2.21 MgC/hm²。单位面积受害森林面积所释放的CO和CH₄的各省间差异也有类似于CO₂的规律。

3.2 森林火灾平均每年释放的CO₂、CO和CH₄

按1959 ~ 1992年的多年平均森林受害面积估算, 每年向大气中释放CO₂ 8964.94 Gg C, CO1118.55 Gg C和CH₄ 109.86 Gg C(表 4)。在向大气中释放的CO₂、CO和CH₄中, 乔木层所占的比例分别为62 %、54 %和60 %, 下木层所占的比例分别为15 %、19 %和19 %, 枯落物所占的比例分别为24 %、28 %和21 %。

在森木火灾每年平均向大气中释放的CO₂中, 黑龙江占了44.1 %, 云南和内蒙古分别占18.2 %和21.9 %。平均每年向大气中释放CO中, 黑龙江占了43.5 %, 云南和内蒙古分别占18.4 %和21.6%。平均每年向大气中释放CH₄中, 黑龙江占了44.0 %, 云南和内蒙古分别占18.3 %和22.1 %(表 5)。

4 讨论 4.1 林下植物在森林火灾中释放的含碳痕量气体

在森林火灾中, 一般地表火占较大的比例。而地表火所燃烧的物质中林下植物和地表枯落物应该占有一定的比例。在国外的许多森林火灾释放的痕量气体估计中, 没有将林下植物和地表枯落物的生物量单独计算, 因此他们可能低估量森林火灾的痕量气体排放量。我们的研究结果表明, 森林火灾释放的CO₂、CO和CH₄中, 林下植物和地表枯落物的贡献分别为39 %、47 %和40 %。

4.2 森林火灾释放的痕量气体的地区差异

由于森林生物量、火灾危害面积及痕量气体排放比的地区差异, 使得不同地区不但单位火灾面积释放的痕量气体不同, 而且年平均释放量也不同。在我国, 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的决定, 在吉林、西藏和青海的森林生物量较大(王效科, 1996), 单位面积森林火灾的释放量也大, 生物量比较低的东部(如广东和江苏)释放量也较低。各省年平均森林火灾释放的CO₂、CO和CH₄量主要是由火灾受害面积决定的, 森林火灾较多的黑龙江、云南和内蒙古的这3种气体的排放量占全国的80 %以上。

4.3 中国森林火灾释放的含碳气体对全国含碳气体释放的影响

1992年中国能源消耗和工业生产排放的CO₂为0.728 Pg C/a(Boden et al., 1995), 森林火灾释放的CO₂为它们1.2 %。中国CH₄的排放总量为30.92 Tg/a(张仁健等, 1999), 森林火灾释放的CH₄为它们的0.35 %。

4.4 中国森林火灾释放的含碳气体对全球大气碳的影响

从表 6可以看出, 中国森林火灾所释放的CO₂、CO和CH₄分别占全球相应排放量的0.3 %、0.5 %和0.01 %。全球森林火灾含碳痕量气体的数据来自王效科(1998)的研究。

4.4 与美国、加拿大和俄罗斯等国家的比较

美国、加拿大和俄罗斯的多年平均森林火灾面积分别为2.1 ×10⁶ hm² ~ 1.6 ×10⁶ hm²(Auclair et al, 1993)和1.41 ×10⁶ hm² ~ 10.6 ×10⁶ hm²(Dixon et al., 1993), 直接排放到大气中的CO₂分别为23Tg C/a、2 Tg C/a (Auclair and Carter, 1993)和50 Tg C/a(Dixon and Krankina, 1993)。中国的森林火灾面积(0.936 ×10⁶ hm²)比这3个国家都小, 释放的CO₂(8.96 Tg C/a)比加拿大多, 比美国和俄罗斯少。