森林的固碳功能是研究森林生态系统结构和功能的基础参数,充分发挥其固碳能力可有效调节全球碳平衡和全球气候变化,近年来成已成为全球碳循环的一个研究热点。针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性,本研究在甘肃省整个区域尺度上布设212个样地,结合野外调查与室内分析、典型样地与尺度扩展相结合的方法,明确了区域尺度森林生态系统的碳密度和碳储量现状,并阐明了区域尺度天然林和人工林的固碳差异;同时,重点以3种典型天然林和3种典型人工林不同林龄的森林生态系统为典型范例,量化了各组分碳密度的分配格局;利用生物量换算因子连续函数法估算了区域尺度近30年碳储量的时间动态特征;并以不同起源云杉林为例,分析了群落物种多样性对生物量和碳密度的影响。本研究取得的主要研究结论如下:(1)甘肃省天然林森林生态系统具有较高的固碳能力,且冷杉和锐齿栎林生态系统碳密度在成熟林中达到最大,云杉林在幼龄林中最大,植被碳密度均在成熟林中最大。天然云杉、冷杉和锐齿栎林生态系统碳密度的变化范围为207.79~765.01 t C/ha,三种林型不同林龄生态系统碳密度均值的大小顺序为:冷杉林(549.08 t C/ha)>云杉林(464.33 t C/ha)>锐齿栎林(260.56 t C/ha)。各天然林不同林龄土壤碳密度变化范围为114.14~559.31 t C/ha,对生态系统的贡献达44.14~95.02%,平均是植被碳密度的4.38倍。乔木层碳密度变化范围为18.27~223.10 t C/ha,占生态系统的3.78~53.84%,平均30.20%,林下灌木层、草本层和枯落物层碳密度合计占0.96%,细根占0.63%,高于林下其他植被各层。(2)甘肃省人工林森林生态系统碳密度达到最大值的林龄段不同。云杉和落叶松林生态系统碳密度在成熟林最大,刺槐林在近熟林达到最大。落叶松和刺槐林植被碳密度在近熟林最大,云杉林植被碳密度随林龄的增加逐渐增大。人工云杉、刺槐和落叶松林生态系统碳密度的变化范围为69.82~467.42 t C/ha,三种林型生态系统碳密度的均值大小顺序为云杉林(379.33 t C/ha)>落叶松林(333.07 t C/ha)>刺槐林(92.59 t C/ha)。各人工林不同林龄土壤碳密度变化范围为50.91~392.24 t C/ha,对生态系统的贡献量达56.63%~93.86%,平均是植被碳密度的6.91倍。人工林乔木层碳密度变化范围为12.73~159.59 t C/ha,其中乔木层在各林型植被层中均占最主导部分,约73.98%~96.43%,林下植被碳密度大小顺序因不同林型而异。(3)甘肃省区域尺度森林生态系统碳储量具有明显的垂直分布格局,土壤是最大碳库。甘肃省森林生态系统总碳储量为634.50 Tg C,天然林碳储量为522.18 Tg C,是人工林的4.65倍。土壤是甘肃省森林生态系统的的巨大碳库,贮有446.15 Tg C,是植被层碳储量的2.37倍。乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和细根对甘肃省整个森林生态系统碳库的贡献量分别为:27.39%、0.39%、0.23%、0.78%和0.89%。天然林和人工林在碳库间分配规律一致,为:土壤>乔木层>细根>枯落物层>灌木层>草本层。(4)甘肃省区域尺度天然林植被、土壤及生态系统的固碳能力显著高于人工林(P<0.001)。在甘肃省全省尺度上,天然林植被层碳密度、土壤碳密度和生态系统碳密度的均值分别为89.53 t C/ha和250.28 t C/ha和339.81 t C/ha,比人工林分别高出55.11%、63.84%和61.44%。(5)甘肃省区域尺度森林在近30年处于较大的碳汇功能,低龄化的森林结构和较高的森林生态系统碳密度,将是该区巨大碳汇的潜力所在。利用生物量换算因子连续函数法估算的甘肃乔木林碳储量,到2011年达到了109.53 Tg C,比过去1979年增加了16.64 Tg C,平均每年增加0.17%。近10年的平均碳汇为1.53 Tg C/a,表现为显著的碳汇功能。中龄林是天然林碳储量的最大贡献者,达29.61~39.68%,幼中林对人工林的贡献达到80.22~92.41%。随着林龄结构的改善,近成熟林的比例逐渐增大,森林生态系统碳储量和碳密度将得到进一步提升。(6)群落物种多样性对不同起源森林生态系统各组分碳密度(生物量)的指示作用不同。群落物种的均匀度积极影响着天然林植被各层碳密度以及表层(0-20 cm)土壤有机碳密度,而对人工林灌木层、草本层和0-50 cm土壤有机碳密度有积极影响。群落物种丰富度积极影响着云杉天然林细根生物量,而群落物种均匀度积极影响着云杉人工林细根生物量。