遼寧省森林植被碳儲量及其動態變化

劉艷，孫向陽*，范俊崗，張駿達

1. 北京林業大學林學院，北京100083；2. 遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032

遼寧省森林植被碳儲量及其動態變化

劉艷1，孫向陽1*，范俊崗2，張駿達1

1. 北京林業大學林學院，北京100083；2. 遼寧省林業科學研究院，遼寧 沈陽 110032

森林是陸地生態系統的主要組成部分，在全球碳循環中起著十分重要的作用。利用1990─2010年間5期的森林資源清查資料，采用森林植被生物量換算因子連續法，估算了遼寧省森林植被碳儲量和碳密度，并分析其動態變化。結果表明：在1990─2010年間，遼寧省森林面積增加了17.05×105hm2，年均增長率為1.70%。遼寧省5次（1989─1993、1994─1998、1999─2003、2004─2008、2009─2013年）森林資源清查期的植被碳儲量分別是87.10、100.78、108.04、122.06、141.80 Tg，年均增長率為2.47%，這說明遼寧省森林起著碳匯作用。喬木林、疏林和灌木林、經濟林碳儲量分別增加50.90、2.97、0.83 Tg，碳儲量平均年增加量分別為2.55、0.15、0.04 Tg·a-1。在不同植被類型中，闊葉林的碳儲量和碳密度均大于針葉林，其中，櫟類、楊樹及闊葉混交林是闊葉林碳儲量的主要貢獻者，而在針葉林中，落葉松、油松占主導地位。在不同齡級的喬木林中，幼、中齡林碳儲量所占比重大。在現階段（2010年），遼寧省喬木林碳儲量分別為121.49 Tg，碳密度為31.12 Mg·hm-2。幼齡林和中齡林的面積占總面積的73.38%，碳儲量占總碳儲量的60.12%，其碳密度僅為19.52和36.18 Mg·hm-2，遠低于成熟林的碳密度(54.32 Mg·hm-2)。可知現階段遼寧省森林具有幼齡林和中齡林面積大、林齡小和平均碳密度低的特點，因此隨著幼齡林和中齡林的碳密度和碳儲量的不斷增長，未來遼寧省森林植被的碳匯功能將進一步增強。

碳儲量；森林植被；碳分配；碳密度；遼寧省

森林是陸地生態系統的重要組成部分，也是陸地生態系統中最大的碳儲庫（Dixon等，1994；Scurlock等，1999）。森林碳庫在調節全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護全球氣候平衡等方面具有重要作用（Houghton，2007；劉國華等，2007；Fang等，1998）。森林碳儲量是研究森林生態系統與大氣間碳交換的基本參數，也是估算森林生態系統從大氣吸收或向大氣排放含碳氣體的關鍵因子（Dixon等，1994）。

目前，我們學者利用全國歷次森林資源清查統計資料和野外調查資料，運用不同方法和手段，研究了我國森林生態系統以及各省份森林植被的碳儲量和碳密度，及其動態變化（劉國華等，2007；方精云等，1996；焦秀梅等，2005；焦燕等，2005；曹軍等，2002）。遼寧省森林是我國森林碳庫的重要組成，根據第八次森林資源清查結果，遼寧省森林面積為557.31萬公頃，森林覆蓋率為38.24%，處于全國中上等水平。準確評估遼寧省森林植被碳儲量的變化，對揭示遼寧省森林在全國森林碳循環中的作用以及和制定應對氣候變化的森林管理政策有重要意義。因此，本研究以遼寧省森林為研究對象，將森林按其用途和形態特征，分為喬木林、疏林和灌木林、經濟林3大類別，利用遼寧省第四次至第八次森林資源調查資料，對森林植被碳儲量進行估算，分析近 20年來遼寧省森林植被碳儲量和碳密度的動態變化，以及不同植被類型、不同齡級的喬木林碳儲量的大小及其變化，并探討喬木林不同齡級與碳密度的關系。以期為評估遼寧省森林生態系統碳收支，評測遼寧省森林植被碳在區域碳循環中的作用和功能提供有價值的參考數據，同時為我國植被碳庫和碳平衡的研究提供一定的基礎數據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概況

遼寧省位于我國東北地區南部，北緯38°43′～43°26′，東經 118°53′～125°46′，陸地面積14.59×104km2，占中國陸地面積的1.5%。地勢由東西兩側向中部傾斜，山地丘陵大致分列于東西兩側，約占全省總面積的 2/3，中部為遼河平原，約占全省面積的 1/3。全省屬溫帶大陸性季風氣候，夏季較炎熱，冬季寒冷，春秋多風。年均氣溫5～11 ℃，年降水量400～1150 mm，降水量由東向西遞減。土壤主要跨兩個地帶性土壤分布區，分別為東部的棕壤區和西部的褐土區（王文權，2007）。遼寧省植被主要有長白、蒙古和華北3個植物區系。在遼東中低山地區，海拔600 m以下為低平河岸楊柳林區，海拔600～900 m段為落葉闊葉林帶，其陽坡為蒙古櫟林，陰坡為雜木林。溝谷地帶為水曲柳（Fraxinus mandschurica Rupr.）、核桃楸（Juglans mandshurica Maxim）等，海拔900～1200 m為針闊混交林，陽坡林木常以樺木屬為優勢，針葉樹有魚鱗松（Picea jezoen, s-sCalx.）、臭松（Abies nephrolepis）及少量紅松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.）、紫杉（Taxus chinensis (Pilger) Rehd.）等。陰坡針葉樹比重大，以魚鱗松、臭松為優勢，海拔1200 m以上出現山頂草地灌叢。在遼西低山丘陵地區，油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、櫟類、元寶槭（Acer truncatum Bunge）是主要建群種，地帶性植被為落葉闊葉林，其代表種有白樺（Betula platyphylla Suk.）、遼東櫟（Quercus liaotungensis）、蒙古櫟（Quercusmongolica）、槲櫟（Quercus aliena Bl.）、糠椴（Tilia mandschurica Rupr.er Maxim.）、小葉白蠟（Fraxinus sogdiana Bunge）等。

1.2 研究方法

1.2.1 森林植被生物量計算

（1）喬木林生物量的計算

目前推算區域尺度的森林生物量方法有3類：平均生物量法、平均換算因子法和換算因子連續函數法（方精云等，2002）。其中，換算因子連續函數法是一種適用于我國且能很好地利用我國森林資源清查資料，更準確地估算生物量的方法。本研究采用方精云等（1996）建立的回歸方程對森林生物量進行估計，其回歸方程為：

式中，Bt為喬木林生物量（Mg），V為森林蓄積量（m3），a和b為參數。各優勢樹種的計算參數見表1（方精云等，1996）。

（2）疏林、灌木林生物量的計算

疏林、灌木林生物量的估算依據公式：

式中，Bw為疏林、灌木林總生物量（Mg），ρw單位面積疏林、灌木林生物量（Mg·hm-2），Sw為疏林、灌木林面積（hm2）。灌木林的生物量利用我國秦嶺淮河以北的東部地區灌木林平均生物量值13.14 Mg·hm-2（方精云等，1996）。

表1 各優勢樹種生物量與蓄積量回歸方程參數Table 1 The parameters of regression equation between and volume with different species biomass

（3）經濟林生物量的計算。

由于森林資源清查數據僅提供了經濟林的面積數據，因此，通常采用公式：

式中：Be為經濟林總生物量（Mg），ρe單位面積疏林、灌木林生物量（Mg·hm-2），Se為經濟林面積（hm2）。單位面積經濟林平均生物量采用我國經濟林的平均生物量23.7 Mg·hm-2（方精云等，1996）。

1.2.2 森林碳儲量和碳密度計算

根據全國森林資源清查資料，利用式（1）計算生物量，進而對森林碳儲量進行計算。

碳儲量：C=BCC （2）

式中，C為碳儲量（Mg），CC為含碳率。

碳密度：Cd=C/S （3）

式中，Cd為碳密度（Mg·hm-2），C為碳儲量（Mg），S為森林面積（hm2）。

通常植物生物量轉化為碳量是按照植物干有機物中碳所占的比重。不同植被樹種組成、林齡和種群結構不同，含碳率也不同，國際上常用的含碳率為0.45（Olson等，1983）和0.5（Levine等，1995）。馬欽彥等（2002）的研究結果表明，我國喬木樹種平均含碳率值均大于0.45，所以用0.5作為含碳率要優于0.45。因此，在用生物量計算碳儲量時采用含碳率 0.5。本文中森林的碳儲量僅指林木的活生物量，并未包括森林生態系統中的枯死木、下木層、草本層、枯枝落葉層以及森林土壤層等的碳庫。

2 結果與分析

2.1 森林植被碳儲量變化

在近 20年內，遼寧省森林植被面積和碳儲量均呈增加趨勢（表 2），森林面積增加了 17.05×105hm2，年均增長率為 1.70%；森林總碳儲量由第四次清查時的87.10 Tg增加到第8次清查時的141.80 Tg，森林植被碳儲量凈增加54.70 Tg，年均增長率為2.47%，平均每年增加量為2.74 Tg，由于受森林資源生長與資源消耗的交互影響，遼寧省森林植被碳匯能力在各個時期表現不均勻，1990─1995、1995─2000、2000─2005、2005─2010年的平均年增加量分別是2.74、1.45、2.80、3.95 Tg·a-1。可見，2005─2010年的碳匯作用最強，1995─2000年的碳匯作用最弱，但從2000年以后碳匯作用逐漸增強。

表2 遼寧省森林植被碳儲量變化Table 2 The carbon storage changes of forest vegetation in Liaoning

在 20年間，遼寧省喬木林面積占森林總面積的63.73%～66.20%，喬木林碳儲量占森林總碳儲量的 81.04%～85.68%，其碳儲量從 70.59 Tg增加到121.49 Tg，增長率為72.11%，平均年增長2.55 Tg，且呈不斷增加的趨勢。經濟林面積在1990年至2000年呈不斷增長的趨勢，而在2000年到2005年間面積減少，且幅度較大，這主要是因為經濟林受人為因素較大，但隨著遼寧省千萬畝經濟林工程建設的實施，在2005年到2010年間，呈現增長。經濟林碳儲量在20年間占總碳儲量的1.55%～3.66%。從1990年到2010年間，疏林、灌木林的面積占森林總面積的 4.99%～13.25%，碳儲量占總碳儲量的1.55%～3.66%，總體上呈現增長的趨勢。

2.2 針葉林和闊葉林植被碳儲量變化

表 3列出了遼寧省針葉林和闊葉林在 1990─2010年間生物量碳儲量及其變化。闊葉林包括楊樹、櫟樹、硬闊等優勢樹種，針葉林包括落葉松、油松、紅松等優勢樹種和針闊混林。在 20年里，遼寧省針葉林面積小于闊葉林面積，且針葉林面積凈增加量（3.50×105hm2）遠小于闊葉林（8.34×105hm2）。遼寧省喬木林碳儲量主要集中在闊葉林中，其碳儲量從51.02 Tg增加到84.79 Tg，占喬木林總碳儲量的比例從67.89%增加到72.28%。在過去的20年里，針葉林碳儲量年平均增加0.84 Tg，闊葉林碳儲量年平均增加1.69 Tg。喬木林碳密度不斷增加，碳密度從26.02 Mg·hm-2增加到31.18 Mg·hm-2，闊葉林碳密度高于針葉林碳密度，但針葉林碳密度的增加率（31.58%）高于闊葉林（15.30%）。

表3 針葉林和闊葉林森林面積、森林植被碳儲量和碳密度動態變化Table 3 Forest carbon storage and forest area of coniferous and broad-leaved forests

2.3 不同林分類型碳儲量、碳密度及其動態變化

由表4可以看出，在20年間，除針葉混、闊葉混、其他松類和樺木外，其他林分面積均有不同比例的增加，其中樟子松林面積的增長幅度最大，達250%，最小為硬闊林，為14.81%。各類喬木林面積占歷次清查森林總面積的比例均有相應的變化，但落葉松、油松、櫟類、楊樹及闊葉混交林的面積始終占絕對優勢，它們面積之和占同期總喬木林面積的比例依次為：74.02%（1990年）、77.59%（1995年）、76.26%（2000年）、79.15%（2005年）、80.66%（2010年）。在第八次清查中，它們分別占總面積的10.48%、12.33%、21.11%、9.99%、26.76%。

在各調查期內，落葉松、油松、櫟類、楊樹及闊葉混交林的碳儲量較高，其碳儲量之和占總碳儲量的比例依次為：76.53%（1990年）、80.27%（1995年）、78.72%（2000年）、80.77%（2005年）、84.41%（2010年），是遼寧省森林碳儲量的主要貢獻者。在第八次森林資源清查中，它們的碳儲量分別占總碳儲量的13.96%、7.73%、24.97%、8.95%、28.81%。

表4 不同時期不同林分類型碳儲量及其碳密度Table 4 Carbon storage and carbon density of main forest stands in different period

在不同調查期，各林分類型植被碳密度變化較大。在 20年間，除樟子松和其他硬闊類林外，其他類型喬木林植被碳密度總體上均變現為增加。喬木林碳密度直接受其面積和蓄積量的影響，喬木林碳密度的變化與林齡呈正相關，林齡越大，碳密度越高，這是遼寧省大多數林分類型的植被碳密度呈增加趨勢的主要原因；但隨著遼寧省不斷進行造林綠化和“青山工程”的實施，喬木林中幼齡林所占的比重增加，樟子松和其他硬闊類林面積增長增幅較大，且樟子松的增幅最大，因此它們的碳密度在短時間內呈現減少的趨勢。

2.4 不同齡級森林的面積、碳儲量及碳密度動態變化

從林齡方面來看，5次清查期間，除中齡林面積有減少的趨勢外，其他各林齡森林面積均呈不斷增加趨勢（表5）。森林植被碳儲量與其林齡密切相關，而且森林的碳動態在很大程度上取決于其齡級的變化。不同齡級喬木林的碳儲量大小依次為：中齡林>幼齡林>近熟林>成熟林>過熟林。碳儲量主要集中在中齡林和幼齡林中，其總面積占全省林分面積的73.38%～91.22%，其碳儲量占全省總碳儲量的60.12%～83.17%。近、成及過熟林在區域內的分布面 積 占 8.78%～26.62%， 其 碳 儲 量 卻 占16.83%～39.88%。由此可知，遼寧省將是一個潛在的巨大碳庫，這主要是因為隨著中齡林和幼齡林的不斷發育成熟，其碳密度不斷增加，使其碳匯功能也逐漸加強。

表5 不同時期各林齡面積、碳儲量和碳密度Table 5 Areas, carbon storages and density of each age classes of forest in different periods

3 討論與結論

3.1 遼寧省森林植碳儲量在全國碳儲量中的貢獻

遼寧省森林植被碳儲量由第四次清查時的87.10 Tg增加到第八次清查時的141.80 Tg。在20年間，遼寧省植被碳儲量增加了54.70 Tg，平均每年以2.74 Tg的速率增加。在第四次至第七次清查中，遼寧省各期森林植被碳儲量占同期全國森林植被碳儲量（郭兆迪等，2013）的比例呈增加趨勢，所占比例分別為 1.52%、1.74%、1.72%、1.78%。同一時期，遼寧省森林碳密度與全國相比，分別低于方精云（2007）、郭兆迪（2013）等人研究的全國森林的碳密度，分別是 41.0、41.3 Mg·hm-2；而與同處東北地區的黑龍江省（焦燕等，2005）、吉林省（王新闖等，2011）相比，小于黑龍江省（33.44 Mg·hm-2）和吉林省（54.35 Mg·hm-2）同期的森林碳密度。但各時期遼寧省森林植被的碳密度呈不斷增加的趨勢（分別為26.02、26.47、27.71、28.62、31.18 Mg·hm-2）。這說明遼寧省森林植被碳匯作用不斷增強，在全國森林碳儲量和提高全國森林碳匯功能方面的貢獻逐漸增加。

3.2 森林類型、林齡對森林植被碳密度的影響

遼寧省碳儲量主要集中在闊葉林中，因此，闊葉林碳儲量的動態變化將極大地影響整個森林的碳匯功能。各林分類型碳儲量的變化與相應面積變化呈正相關關系，即面積增加其碳儲量也增加，其中落葉松、油松、櫟類、楊樹及闊葉混交林是遼寧省森林碳儲量的主要貢獻者。

在第四次清查期間，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林碳密度分別為13.14、40.02、49.92、50.61、42.65 Mg·hm-2，到第八次清查期，碳密度依次增加到19.52、36.18、41.53、54.32、46.08 Mg·hm-2，表現出隨林齡增長碳密度也呈增長的趨勢。幼齡林的生物量很小，碳積累速率和碳儲量都很低；成熟林和過熟林的碳積累量大，碳儲量多，但碳吸收速率逐漸減退；中齡林和近熟林碳吸收率較大，碳儲量處于快速上升階段，這說明如果幼齡林和中齡林繼續生長，將會具有很大的碳匯潛力。在遼寧省森林中，幼齡林和中齡林面積和碳儲量所占的比重較大，這樣的林齡結構必然使森林碳密度偏低。但隨著林齡結構的改善，近熟林、成熟林比重的不斷增大，在歷次調查期它們碳儲量和所占比例分別是：15.98%、23.31%、29.47%、33.41%、36.64%，呈現不斷增長的趨勢，因此遼寧省森林將是一個潛在的巨大碳庫。

3.3 誤差估計

森林生態系統中植被碳儲量的估計，常通過測定森林植被的生物量再乘以碳含量推算而得。但由于不同的研究者所選的森林類型、研究尺度以及生物量測定方法的不同，碳儲量的估算結果有很大差異。我們將本文的研究結果與王雪軍等（2011）、甄偉等（2014）、董方曉（2010）的估算結果進行了比較（表6）。從比較結果看，董方曉（2010）的估算也是采用森林植被生物量換算因子連續法，所估算的碳儲量和碳密度比本文的研究結果偏低，可能是因為其研究只采用落葉松、油松、楊樹、紅松和樟子松等優勢種推算森林碳儲量，使結果偏低。王雪軍等（2014）和甄偉等（2014）估算是采用基礎地理信息數據建立模型進行估算，其碳儲量估算相對本文研究偏高。這主要是由于存在采用的地理信息數據精度不夠高，和森林植被生物量與植被指數、氣象數據和地形數據之間的相關關系不夠明等原因，致使對遼寧省植被碳儲量估算的結果偏高。而王雪軍等（2011）采用樣地測算的碳儲量結果于本文研究結果比較一致。甄偉等（2014）研究的森林植被碳密度小于本文研究，主要是因為估算碳儲量時只對林分生物量進行計算，而計算碳密度時，使用的森林總面積，包含了經濟林和疏林、灌木林面積。通過上面的初步分析說明，對森林植被碳儲量進行估算時，應充分考慮林齡、立地條件、林分密度、林分狀況等因素，以減少生物量測定誤差以及利用換算因子連續函數法估算區域碳庫所帶來的誤差。本文對于森林碳儲量的估算分析僅包括喬木林、經濟林和疏林、灌木林的碳儲量，未包括林下草本層、凋落物層及林木根系等碳儲量的計算，影響了碳儲量估算的精度，因此要加強對各種森林群落及不同林層生物量的監測，以提高森林碳儲量計算的精度。

表6 遼寧森林植被碳儲量—不同估算結果的比較Table 6 Estimates of mean carbon density and carbon stock in Liaoning’s forests

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Carbon Storage and Its Dynamics of Forest Vegetations in Liaoning Province

LIU Yan1, SUN Xiangyang1, FAN Jungang2, ZHANG Junda1
1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 10083, China; 2. Liaoning Academy of Forestry Science, Shenyang 110032, China

Forest is the first major form of terrestrial ecosystem and plays an important role in global carbon cycle. Based on the national forest inventory data from 1990 to 2010, the carbon storage and density of forest vegetation were estimated and their dynamic changes during this period were analyzed in Liaoning province using the variable biomass expansion factor (BEF) method. The results showed that the forest area of Liaoning province increased 17.05×105hm2and an average annual growth rate was 1.70% from 1990 to 2010. The total carbon storage of forest vegetation on Liaoning province in the five periods (1989─1993, 1994─1998, 1999─2003, 2004─2008 and 2009─2013) was 87.10, 100.78, 108.04, 122.06 and 141.80 Tg, respectively, and the average annual growth rate was 2.47%. This indicated that forest ecosystem in Liaoning province played a carbon sink role in that period. During the study period, trees, open forest and shrubwood, and economic forests carbon storage increased 50.90、2.97 and 0.83 Tg, respectively, and their average annual increases of carbon storage were 2.55、0.15 and 0.04 Tg·a-1, respectively. The carbon storage and density of broad-leaved forests were higher than those of conifer forests. The dominant species such as Quercus, Populus spp and mixed broad-leaf forest are the main contributors to carbon storage in broad-leaved forests; Larix and Pinu stabulaeformis have played a dominant role in conifer forests. The young- and middle-aged forests accounted for a large proportion of total carbon in Liaoning province. In 2010, the carbon storage and density of trees were 121.49 Tg and 31.12 Mg·hm-2, respectively. The young- and middle-aged forests accounts of 73.38% of the total trees area, and 60.12% of the total carbon storage. The average carbon density of young- and middle-aged forests were 19.52 and 36.18 Mg·hm-2, respectively, and were smaller than mature forests (54.32 Mg·hm-2). Since the young- and middle-aged forests area is large and their carbon density is low, the carbon storage and carbon density would increase in the future. Therefore, Liaoning province forests would have a huge potential for carbon sink.

carbon storage; forest vegetation; carbon allocation; carbon density

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.005

Q948

A

1674-5906（2015）02-0211-06

劉艷，孫向陽，范俊崗，張駿達. 遼寧省森林植被碳儲量及其動態變化[J]. 生態環境學報, 2015, 24(2): 211-216. LIU Yan, SUN Xiangyang, FAN Jungang, ZHANG Junda. Carbon Storage and Its Dynamics of Forest Vegetations in Liaoning Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 211-216.

科技基礎性工作專項（2014FY120700）；遼寧省林業科學研究院科技合作項目（2014HXFWLXY023）

劉艷（1988年生），女，博士生，研究方向為森林土壤生態。E-mail: nyly1988@163.com *通信作者：孫向陽（1965年生），男，教授，博士生導師，E-mail: sunxy@bjfu.edu.cn

2014-11-15