人工林碳匯潛力新概念及應用

, 鄭 吉, 劉國華, 劉世榮, 王偉峰, 劉苑秋, Blanco A.Juan

1 不列顛哥倫比亞大學，加拿大不列顛哥倫比亞省基洛納 V1V 1V7 2 江西農業大學林學院, 南昌 330045 3 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 4 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091 5 西班牙納瓦拉大學, 潘普洛納 31013

人工林碳匯潛力新概念及應用

1,*, 鄭 吉2, 劉國華3, 劉世榮4, 王偉峰2, 劉苑秋2, Blanco A.Juan5

1 不列顛哥倫比亞大學，加拿大不列顛哥倫比亞省基洛納 V1V 1V7 2 江西農業大學林學院, 南昌 330045 3 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085 4 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091 5 西班牙納瓦拉大學, 潘普洛納 31013

定量確定森林碳匯潛力有助于科學地評估森林對碳匯的潛在貢獻及制定實現這種潛力所需要的經營管理措施。目前，國內外有關森林碳匯潛力缺乏統一的概念及計量方法。在綜述國內外有關固碳潛力概念的基礎上，引入時間動態構架和可持續性的概念，提出了針對人工林的固碳潛力概念并利用FORECAST模型以杉木人工林為例闡明此概念的實際意義與應用。

人工林; 固碳潛力; 可持續森林經營; 碳密度; FORECAST模型

全球氣候變化正成為世界關注的熱點。根據《聯合國氣候變化框架公約》的定義，將“從大氣中清除CO2的過程、活動和機制”稱為“碳匯”。森林是陸地生態系統的主體，森林植被通過光合作用吸收CO2，放出O2，把大氣中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中，這個過程和機制實際上就是清除已排放到大氣中的CO2。因此，森林具有碳匯功能。《京都議定書》允許各國通過人工造林、森林和農田管理等人為活動產生的碳匯，用于抵消本國承諾的溫室氣體減排指標。通過植樹造林和森林保護等措施吸收固定CO2，其成本要遠低于工業減排。因此，開展碳匯造林是當前推進碳匯林業發展的主要途徑之一，也是建設現代林業的重要組成部分。

我國政府高度重視氣候變化和生態環境問題。在2007年悉尼亞太經濟合作高峰會議上，中國政府建議通過大面積恢復森林及減排以應對全球氣候變化，做出了到2020年我國森林面積比2005年增加4000萬hm2，森林蓄積量增加13億m3的莊嚴承諾。目前，發展碳匯林業已作為主要措施納入到2007年6月4日正式公布的《中國應對氣候變化國家方案》中。另外，中國為了改善生態環境，實施了一系列重大的林業生態工程，如退耕還林(草)工程、天然林資源保護工程、三北防護林建設工程、京津風沙源治理工程等。大規模造林及重大林業生態工程的實施，使得中國的森林覆蓋率從80年代的16% 增加到現在的20.36%，有力地促進了中國森林，特別是人工林資源快速的增長。目前，中國的人工造林面積占全球人工造林面積的73%，中國人工林保存面積居全球第一，占地6200萬hm2。然而，大面積的人工造林活動也存在一些生態問題，如森林質量差、生產力低、樹種單一等問題十分突出。以江西省“十一五”期間的森林資源為例，森林覆蓋率達到63.1%，其中林地面積1054.92萬hm2，人工林面積達到291.87萬hm2，占林地面積的27.67%，可是人工林的單位面積蓄積量只有36.78 m3/hm2，遠低于江西省51.46 m3/hm2的平均水平。據第八次全國森林資源清查數據顯示，全國林分單位面積蓄積量為78.06 m3/hm2，僅為世界平均水平(114 m3/hm2)的68.5%。中國森林平均碳密度為41 Mg/hm2，碳密度低于50 Mg/hm2的森林占森林總面積的比例為60%，如果我國森林碳密度能夠達到50 Mg/hm2，將會額外固碳2.1 Pg[1]。因此，我國森林特別是人工林的碳密度增加的潛力巨大，但如何計量碳匯增加的潛力及如何根據碳匯潛力的變化調整森林經營管理措施都是目前亟待解決的重要技術問題，本文提出了一個新的人工林固碳潛力概念并舉例說明此概念的計算與應用方法。

1 碳匯潛力的概念

現實中，人為經營管理措施影響下的生態系統固碳速率往往與潛在的自然固碳速率之間存在較大的差距，這也正是估算碳匯潛力的理論基礎[2]。目前固碳潛力有不同的定義，中國科學院森林碳專項課題組認為固碳潛力可以用理論最大固碳潛力來表示。評估某一森林類型生態系統的理論最大固碳潛力需要選擇適當的參照系，根據森林演替理論選擇演替頂級自然林作為該類自然林生態系統理論最大固碳潛力的參照系，而人工林理論最大固碳潛力應選擇相應的成熟人工林作為參照，具體計算公式如下：

自然林固碳潛力 = 演替頂級自然林碳密度 - 自然林平均碳密度

人工林固碳潛力 = 成熟人工林碳密度 - 人工林平均碳密度

于貴瑞等[2]和任偉等人[3]認為增匯潛力是相對于某個基準水平而言的，在生態系統固碳潛力分析中首先必須明確地定義基準水平(或參考水平)和潛力水平。基準水平指的是在基準年和基準的自然條件或基準的人為調控水平下現實的生態系統固碳速率或者是特定時間、特定區域(特定項目、特定管理、特定政策)生態系統的凈固碳總量。生態系統固碳的潛力水平為在特定目標年和環境背景下，生態系統可能達到的最大固碳能力(最大固碳速率或最大固碳總量)。基于基準水平和潛力水平兩個概念，于貴瑞等人將生態系統的增匯潛力定義為通過某種自然因素或因素組合，而使得生態系統在基準固碳水平基礎上可能增加的固碳速率或者凈固碳總量，即：

生態系統增匯潛力 = 生態系統潛力固碳水平 - 生態系統基準固碳水平

Keith等[4- 5]在Gupta等人[6]的基礎上提出將森林生態系統在一般環境條件和自然干擾下(不包括人為干擾)所能達到的最大碳儲存量與現實碳儲量(包括人為干擾)之間的差別定義為森林生態系統的固碳潛力。劉迎春等[7- 8]也提出類似定義，同時還指出評估森林固碳潛力可采用的參考標準有老齡林(或成熟林) 碳儲量、森林采伐之前碳儲量、區域平均固碳速率等指標。并基于此定義，利用碳儲量-林齡曲線對黃土丘陵區的造林固碳潛力進行了評估。此后，李斌等人[9]又對森林固碳潛力的概念及估算方法做了進一步的完善，提出現實碳吸存潛力和未來碳吸存潛力兩個概念。其中將現實碳吸存固碳潛力定義為現有不同齡組的林分，以其同齡組最高碳密度為標準估算的碳貯量與其現存碳貯量的差值。這一部分碳吸存潛力可通過對現有林分加以更好的撫育和管理，提高林分質量來實現，與齡組轉移無關。將未來碳吸存固碳潛力定義為以同齡組林分單位面積最高年凈固碳量為標準，估算現有不同齡組林分通過齡組轉移，達到成熟林時所能固定的碳量(即未來通過自然生長增加的部分)。基于此定義，他以湖南會同杉木中心產區杉木林分質量高的各齡組林分碳密度作為標準，分齡組估算湖南省現有未成熟杉木林(幼齡林、中齡林和近成熟林)的現實碳吸存潛力。

此外，還有一些學者提出了不同的概念。Cannell[10]將潛力水平分為三個方面，分別為理論潛力(忽略部分或全部實際的約束條件)、現實潛力(考慮大部分約束條件，但對土地條件和政治經濟政策持樂觀假設)和保守的可達到的潛力(基于現實趨勢的謹慎的預判)。吳慶標等[11]認為森林植被固碳潛力的估算首先要依據各林業工程的規劃林業建設面積和各植被帶的林木碳積累速率, 再考慮到不同林業建設措施的差異引入修正因子，可用下式表示:

Cpotential=A×C×B

式中,A、C和B分別是規劃林業建設面積、林木碳積累速率和修正因子。

從上述概念中不難看出一個共性，就是缺少時間動態構架，并且沒能引入碳匯可持續性的概念。森林是一個動態的系統，經歷干擾-恢復-再干擾-再恢復的生態演替過程。對于人工林來講也是如此，且往往存在明顯的衰退問題。如果我們僅用第一代人工林作為參照系，就會高估碳匯潛力。 因此，只有在長期可持續的構架下，才能更好地、科學地、完整地確定人工林的碳匯潛力。對于一個森林生態系統而言，它的理論最大固碳量以及理論上存在多少增匯空間固然重要，但人們更關心的是在一個相當長的時期內(比如100a以上)，通過合理的森林經營管理措施，可以獲得多少可持續性的增匯潛力。這不僅僅是學術上的需求，更是國家應對氣候變化的碳匯計量的需求。

圖1 固碳潛力概念示意圖

中國將在較長一段時期內通過恢復森林發展碳匯林業。然而，大量的實踐與研究已表明，不合理的人工林組成與結構及經營措施會導致一系列的生態問題，最終影響碳匯林業的可持續性。例如，由于不合理的經營管理措施，人工林生產力的長期衰退已成為人們日益關注的焦點[12- 16]。中國南方的杉木(Cunninghamialanceolata)[17- 20]、中國東北的落葉松(Larixolgensis)、 澳大利亞東南部和新西蘭的輻射松(Pinupsradiata)[21- 23]經過多次森林采伐后生產力大幅度下降是此類問題的典型案例。基于此，提出了如下人工林固碳潛力的概念：通過調整人工林的經營管理措施，實現可持續森林及碳匯能力前提下的固碳密度與當前現實存在的固碳密度之差，便是未來可能實現的碳匯潛力(圖1)。

2 如何定量碳匯潛力

杉木人工林是我國面積最大的人工林，由于過去不合理的經營，造成林地營養不可持續性，多代連載生產力下降等重要問題。為了確定未來人工杉木林的碳匯增加潛力，采用林分尺度的森林生態系統模型FORECAST來模擬碳匯增加的潛力。FORECAST模型是加拿大著名森林生態學教授Kimmins經過近25a的開發而建立的一個針對可持續森林經營管理的模型。 該模型可模擬林業中的不同管理措施(如輪伐期、采伐利用水平、施肥水平、種植密度、混交比例、疏伐、火燒或煉山等)對長期生產力或碳儲量的影響，通過比較不同的經營管理措施，找出針對某一人工林樹種可持續的經營管理措施。目前，該模型在世界范圍內的一些主要人工林樹種中得到了較廣泛的應用，有關模型原理的詳細介紹及應用案例，參見Wei等[24]、Blanco等[25- 26]、Kimmins等[27- 28]、Seely等[29]發表的相關論文。

圖2 可持續經營與傳統經營對杉木林固碳能力的影響[30]

以杉木人工林為例，我們定義其碳匯潛力為可持續生產力下的碳匯能力與目前林業經營下的碳匯能力之差。可持續生產力下的碳匯能力反映了在未來實施可持續經營管理措施下實現的可持續和較高水平的固碳能力，而目前林業經營下的固碳能力則是目前杉木林經營的現實固碳能力。具體模擬采用Monte Carlo方法，考慮立地條件、輪伐期、林分密度及樹種混交的變異共200個模擬情景。通過結果比較，得出，可持續經營管理下的固碳能力要比傳統林業經營管理下的固碳能力高出68%(圖2)[30]。用來模擬的杉木林可持續經營管理措施包括3000株/hm2的種植密度(杉木1500株/hm2，楠木1500株/hm2)，輪伐期為40a，采伐方式僅樹干采伐，不煉山。可以講，68% 固碳量的增加則是通過可持續經營管理所能達到的潛力，且此固碳潛力是可持續的。在實際應用時，模擬情景可以少些。

在森林固碳模擬方面，還有一些其它模型可以考慮應用，比如PROCOMAP[31]、CO2FIX[32]、CENTURY[33]、TRIPLEX[34- 35]、InTEC[36- 38]、3PG[39]及PnET-CN[40- 41]。

3 結論

本文在簡要介紹目前主要森林碳匯潛力的概念基礎上，提出以可持續森林經營管理下的固碳能力作為確定固碳潛力的參照標準，而不是以追求短期的高固碳能力為目標。其結論是基于可持續森林經營管理生態模型來量化的人工林碳匯潛力的概念，更具科學性、長期性和應用性。用來模擬生產力可持續經營管理的生態系統模型，比如FORECAST，適用于森林碳匯潛力的定量模擬。

[1] 趙慶建, 溫作民, 張華明. CDM機制下森林碳匯潛力估算與市場開發政策創新. 科技與管理, 2011, 13(6): 56- 59.

[2] 于貴瑞, 王秋鳳, 劉迎春, 劉穎慧. 區域尺度陸地生態系統固碳速率和增匯潛力概念框架及其定量認證科學基礎. 地理科學進展, 2011, 30(7): 771- 787.

[3] 任偉, 王秋鳳, 劉穎慧, 何念鵬, 劉迎春, 付超, 于貴瑞. 區域尺度陸地生態系統固碳速率和潛力定量認證方法及其不確定性分析. 地理科學進展, 2011, 30(7): 795- 804.

[4] Keith H, Mackey B G, Lindenmayer D B. Re-evaluation of forest biomass carbon stocks and lessons from the world′s most carbon-dense forests. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 2009, 106(28): 11635- 11640.

[5] Keith H, Mackey B, Berry S, Lindenmayer D, Gibbons P. Estimating carbon carrying capacity in natural forest ecosystems across heterogeneous landscapes: addressing sources of error. Global Change Biology, 2010, 16(11): 2971- 2989.

[6] Gupta R K, Rao D L N. Potential of wastelands for sequestering carbon by reforestation. Current Science Bangalore, 1994, 66(5): 378- 380.

[7] 劉迎春, 王秋鳳, 于貴瑞, 朱先進, 展小云, 郭群, 楊浩, 李勝功, 胡中民. 黃土丘陵區兩種主要退耕還林樹種生態系統碳儲量和固碳潛力. 生態學報, 2011, 31(15): 4277- 4286.

[8] 劉迎春, 于貴瑞, 王秋鳳, 張揚建. 全球森林固碳潛力巨大(英文). 資源與生態學報(英文版), 2012, 3(3): 193- 201.

[9] 李斌, 方晰, 項文化, 田大倫. 湖南省杉木林植被碳貯量、碳密度及碳吸存潛力. 林業科學, 2013, 49(3): 25- 32.

[10] Cannell M G R. Carbon sequestration and biomass energy offset: theoretical, potential and achievable capacities globally, in Europe and the UK. Biomass and Bioenergy, 2003, 24(2): 97- 116.

[11] 吳慶標, 王效科, 段曉男, 鄧立斌, 逯非, 歐陽志云, 馮宗煒. 中國森林生態系統植被固碳現狀和潛力. 生態學報, 2008, 28(2): 517- 524.

[12] Evans J. Long-term Productivity of Forest Plantation-Status in 1990. IUFRO XIX World Congress, 1990: 165- 180.

[13] Nambiar E K S, Squire R, Cromer R, Turner J, Boardman R. Management of water and nutrient relations to increase forest growth. Forest Ecology and Management, 1990, 30(1/4): 1- 486.

[14] Johnson D W. Reasons for concern over impacts of harvesting // Dyck W J, Cole D W, Comerford N B. Impacts of Forest Harvesting on Long-Term Site Productivity., London, UK: Chapman and Hall, 1994.

[15] 樓一平, 盛煒彤. 人工林長期立地生產力研究概述. 世界林業研究, 1998, 11(5): 19- 26.

[16] 周霆, 盛煒彤. 關于我國人工林可持續問題. 世界林業研究, 2008, 21(3): 49- 53.

[17] 俞新妥. 中國杉木研究進展(2000—2005) Ⅰ. 杉木生理生態研究綜述. 福建林學院學報, 2006, 26(2): 177- 185.

[18] 盛煒彤, 薛秀康. 福建柏、杉木及其混交林生長與生態效應研究. 林業科學, 1992, 28(5): 397- 404.

[19] 范少輝, 盛煒彤, 馬祥慶, 林開敏, 卓仕安, 張小泉. 多代連栽對不同發育階段杉木人工林生產力的影響. 林業科學研究, 2003, 16(5): 560- 567.

[20] 馬祥慶, 范少輝, 陳紹栓, 林上杰. 杉木人工林連作生物生產力的研究. 林業科學, 2003, 39(2): 78- 83.

[21] Keeves A. Some evidence of loss of productivity with successive rotations ofPinusradiatain the south-east of South Australia. Australian Forestry, 1966, 30(1): 51- 63.

[22] Squire R O. Review of second rotation silviculture ofPinusradiataplantations in southern Australia: establishment practice and expectations. Australian Forestry, 1983, 46(2): 83- 90.

[23] Whyte A G D. Productivity of first and second crops ofPinusradiataon the Moutere gravel soils of Nelson. New Zealand Journal of Forestry, 1973, 18(1): 87- 103.

[24] Wei X H, Blanco J A, Jiang H, Kimmins J P H. Effects of nitrogen deposition on carbon sequestration in Chinese fir forest ecosystems. Science of The Total Environment, 2012, 416: 351- 361.

[25] Blanco J A, Zavala M A, Imbert J B, Castillo F J. Sustainability of forest management practices: Evaluation through a simulation model of nutrient cycling. Forest Ecology and Management, 2005, 213(1/3): 209- 228

[26] Blanco J A, Seely B, Welham C, Scoullar K. Complexity in modelling forest ecosystems; How much is enough? Forest Ecology and Management, 2008, 256(10): 1646- 1658.

[27] Kimmins J P, Mailly D, Seely B. Modelling forest ecosystem net primary production: the hybrid simulation approach used in FORECAST. Ecological Modelling, 1999, 122(3): 195- 224.

[28] Kimmins J P, Blanco J A, Seely B, Welham C, Scoullar K. Forecasting Forest Futures: A Hybrid Modelling Approach to the Assessment of Sustainability of Forest Ecosystems and their Values. Earthscan, London: Routledge, 2010.

[29] Seely B, Welham C, Kimmins H. Carbon sequestration in a boreal forest ecosystem: results from the ecosystem simulation model, FORECAST. Forest Ecology and Management, 2002, 169(1/2): 123- 135.

[30] Wei X H, Blanco J A. Significant increase in ecosystem C can be achieved with sustainable forest management in subtropical plantation forests. PLoS ONE, 2014, 9(2): e89688.

[31] Hooda N, Gera M, Andrasko K, Sathaye J, Gupta M K, Vasistha H B, Chandran M, Rassaily S S. Community and farm forestry climate mitigation projects: case studies from Uttaranchal, India. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2007, 12(6): 1099- 1130.

[32] Masera O, Garza-Caligaris J F, Kanninen M, Karjalainen T, Liski J, Nabuurs G J, Pussinen A, De Jong B J, Mohren G M J. Modeling carbon sequestration in afforestation, agroforestry and forest management projects: the CO2FIX V. 2 approach. Ecological Modelling, 2003, 164(2/3): 177- 199.

[33] 黃忠良. 運用Century模型模擬管理對鼎湖山森林生產力的影響. 植物生態學報, 2000, 24(2): 175- 179.

[34] 王燦, 項文化, 趙梅芳, 鄧湘雯, 彭長輝. 基于TRIPLEX模型的湖南省杉木林生產力模擬及預測. 中南林業科技大學學報, 2012, 32(6): 104- 109.

[35] 王燦. TRIPLEX模型對湖南杉木林生產量的模擬和預測[D]. 長沙: 中南林業科技大學, 2012.

[36] Chen J M, Liu J, Cihlar J, Goulden M L. Daily canopy photosynthesis model through Temporal and spatial scaling for remote sensing applications. Ecological Modelling, 1999, 124(2/3): 99- 119.

[37] 邵月紅. 我國亞熱帶和溫帶土壤有機碳動態變化及InTEC模型的驗證[D]. 南京: 南京農業大學, 2005.

[38] 楊麗霞. 利用森林生態系統碳循環綜合模型模擬土壤有機碳動態變化[D]. 南京: 南京農業大學, 2004.

[39] 花利忠. 雷州半島桉樹人工林3PG模型的研究[D]. 福州: 福建農林大學, 2004.

[40] 巴特爾·巴克, 張旭東, 彭鎮華, 周金星, 韓帥, 黃玲玲. 森林生態系統模型PnET及其應用. 中國農業氣象, 2007, 28(2): 159- 161, 182- 182.

[41] 顏元, 王紹強, 王義東, 伍衛星, 王晶苑, 陳斌, 楊風亭. 基于PnET-CN模型的亞熱帶人工針葉林生產力與固碳潛力模擬研究(英文). 地理學報(英文版), 2011, 21(3): 458- 474.

The concept and application of carbon sequestration potentials in plantation forests

WEI Xiaohua1,*, ZHENG Ji2, LIU Guohua3, LIU Shirong4, WANG Weifeng2, LIU Yuanqiu2, BLANCO A.Juan5

1UniversityofBritishColumbia(OkanaganCampus),Kelowna,BritishColumbia,CanadaV1V1V7 2CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China3ResearchCenterforEco-EvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China4InstituteofForestEcologyandEnvironmentalProtection,ChineseAcademyofForestry，Beijing100091,China5UniversidadPúblicadeNavarra,Pamplona,Navarra,Spain31013

Quantifying the potentials of forest carbon sequestration can scientifically help evaluate the maximum carbon sequestration capacity and design sustainable forest management strategies for achieving its potentials in mitigating climate change impacts. At present, there have been no commonly-accepted concepts and associated quantification methods for defining forest carbon sequestration potentials. In this paper, we first provided a brief literature review on the concepts of carbon sequestration potentials, and then introduced our new concept for defining carbon sequestration potentials in the context of sustainable management of plantation forests. Chinese fir plantation was used as an example to illustrate the proposed concept as well as the way of quantifying forest carbon sequestration potentials by applying the forest ecosystem model FORECAST

plantation forests; carbon sequestration potential; sustainable forest management practices; carbon density; FORECAST model

中國科學院戰略性先導科技專項子課題(XDA05060101); 江西省“贛鄱英才555工程”項目; 江西省研究生創新專項資金項目(YC2013-S117)

2013- 09- 25;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309252358

*通訊作者Corresponding author.E-mail: adam.wei@ubc.ca

魏曉華, 鄭吉, 劉國華, 劉世榮, 王偉峰, 劉苑秋, Blanco A.Juan.人工林碳匯潛力新概念及應用.生態學報,2015,35(12):3881- 3885.

Wei X H, Zheng J, Liu G H, Liu S R, Wang W F, Liu Y Q, Blanco A.Juan.The concept and application of carbon sequestration potentials in plantation forests.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):3881- 3885.