退耕還林工程對河南省森林地上碳儲量的影響

王艷芳，劉 領，悅飛雪，李 冬，上官周平

（1.河南科技大學 農學院,河南 洛陽471023；2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

土地利用方式的變化對全球碳循環以及耕地資源的數量和質量產生重要的影響［1-2］。退耕還林工程作為中國一項重要的土地利用方式改變工程，國家高度重視，全民參與度高。該工程主要是在坡耕地和荒山荒地上植樹造林，增加了植被覆蓋率，進而控制水土流失［3］。退耕還林工程主要包括退耕地造林、荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復類型。截止2013年，全國實施退耕還林面積達2 981.91×104hm2，其中退耕地造林面積為926.41×104hm2，荒山荒地造林面積為1 745.50×104hm2，封山育林面積為310.00×104hm2［4］。河南省退耕還林工程自2000年開始首先在洛陽、三門峽、濟源3個地區進行試點，2002年全省全面啟動退耕還林工程。工程范圍涉及全省18個省轄市的137個縣（市、區），覆蓋了全省85%以上的縣級單位和90%的國土面積。其中退耕地造林涉及106個縣（市、區），129.1萬退耕農戶，488.9萬農民［5］。近年來，退耕還林工程的實施已帶來顯著的生態、經濟和社會效益。土地利用方式的變化通過改變土壤碳和植被生物量對全球碳循環產生重要的影響［2,6-8］，通過植樹造林來減少溫室氣體排放已經成為當前減緩全球氣候變化的主要策略之一［9-11］。一些學者針對中國人工林碳儲量和分配格局進行了研究［12-13］，特別是一些學者在全國和地區尺度上針對退耕還林工程實施對地上植被碳匯和土壤碳匯的影響也進行了研究。蔡麗莎等［14］研究了貴州省退耕還林工程的碳匯潛力。DENG等［3］利用整合分析方法研究了全國退耕還林工程實施對土壤碳庫的影響。劉博杰等［15］研究了中國退耕還林工程凈固碳量。SONG等［16］研究了中國退耕還林土壤碳儲量變化。CHEN等［17］研究了云南省退耕還林工程碳匯能力。這些研究均表明退耕還林工程的實施具有較大的碳匯潛力。河南省作為中部退耕還林工程重點實施地區，實施退耕還林工程對森林植被碳儲量的影響研究較薄弱。本研究對河南省實施退耕還林工程后森林碳儲量的影響進行了研究，一方面為研究河南省退耕還林地上植被碳儲量提供基礎數據，另一方面為評估人工林的碳匯效益提供參考。

1 研究地區與方法

1.1 研究區概況

河南省（31°23′～36°22′N， 110°21′～116°39′E）位于中國中東部， 黃河中下游、 黃淮海大平原的西南部。河南省土地總面積為16.70×104km2，約占全國土地總面積的1.74%。全省年平均氣溫約14.0℃，具有由東向西遞減、由北向南遞增的趨勢。全省年平均降水量為600.0～1 200.0 mm，淮河以南降水達1 000.0～1 200.0 mm，黃河淮河之間為700.0～900.0 mm，豫北和豫西丘陵區為600.0～700.0 mm。

1.2 數據來源

1.2.1 河南省退耕還林工程主要造林樹種和造林面積 河南省退耕還林工程主要包括退耕地造林、荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復類型［3］，主要造林樹種有楊樹Populus，刺槐Robinia pseudoacacia，泡桐Paulownia，楸樹Catalpa bungei，櫟類Quercusspp.，柏木Cupressus funebris，馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata等生態樹種；柿樹Diospyros kaki，棗樹Ziziphus jujuba，核桃Juglans regia和板栗Castanea mollissima等干果類生態經濟兼用樹種；蘋果Malus pumila，梨Pyrus，杏Armeniaca vulgaris，桃Amygdalus persica等水果類經濟樹種。通過河南省林業廳歷年安排退耕還林任務和復查結果，得到2000-2012年河南省退耕還林工程實施期不同樹種逐年有效造林面積（表1），河南省不同地區的造林總面積和不同植被恢復類型下的造林面積。

1.2.2 河南省森林清查資料 本研究采用河南省6～8期（1998-2003年，2003-2008年，2008-2013年）森林清查資料數據，根據國家林業局的安排，河南省隔5 a進行1次森林資源復查，森林清查資料提供了主要森林類型不同林齡、林分起源、林種的面積和蓄積量信息。本研究主要采用不同林分起源（人工林和天然林）的面積和蓄積信息。

1.2.3 地理區域劃分 根據地理因素和行政劃分將河南省18個地區分為5個地理綜合區：豫中（鄭州、許昌、漯河），豫南（南陽、信陽、駐馬店），豫東（開封、商丘、周口），豫西（平頂山、洛陽、三門峽），豫北（安陽、鶴壁、新鄉、焦作、濮陽、濟源）。

表1 河南省退耕還林工程不同樹種/森林類型有效造林面積Table 1 Effective planted area for each tree species/forest types under the GGP in Henan Province

1.3 研究方法

1.3.1 林木碳儲量的估算 利用生物量轉換因子連續函數法［7］計算林木生物量：B＝aV+b。其中：B為某樹種（組）的單位面積生物量（Mg·hm-2）；V為某一樹種（組）的單位面積蓄積量（m3·hm-2）；a和b為將不同樹種（組）的蓄積量轉換為生物量的參數。河南省林木資源主要包括12種優勢樹種，其中落葉松Larix gmelinii，杉木，楊樹和泡桐這4種樹木在河南省已有學者進行了研究［18-21］，所以，采用文獻已有的參數對這4類樹種進行生物量的研究。FANG等［7］構建了中國21種樹木蓄積量轉換生物量的參數，其中有5類樹種：櫟類，側柏Platycladus orientalis，油松Pinus tabulaeformis，馬尾松和硬闊類的轉換參數應用于河南省較合適，另外3類樹木針葉混、闊葉混和針闊混的轉換參數可以采用曾偉生［22］的研究結果，其轉換參數適合在河南省應用。林木碳儲量通過林木生物量乘以其含碳系數（CF）獲得，不同樹種的含碳系數來自文獻［23］。表2為本研究采用的蓄積量與生物量的轉換參數及不同樹種的含碳系數。

1.3.2 退耕還林所種樹木碳儲量的估算 依據 “人工林生長曲線法”估算退耕還林工程林木生物質碳儲量的變化，林木生物質碳儲量的計算通常是通過樹木的生物量乘以含碳系數（CF）獲得，估算樹木生物質碳儲量公式為其中：CBi代表第i目標年林木生物質碳儲量（Mg）；i代表研究目標年；j代表造林樹種；n和m分別代表目標年和造林樹種的數量；Aijk代表j樹種在第k年的造林面積（hm2）；CFj表示j樹種的含碳系數；Bijk表示第k年造林的j樹種到第i目標年時的生物量（Mg·hm-2）。

人工林生物量生長方程采用XU等［24］利用Logistic生長方程擬合的各森林類型生物量密度與林齡的關系（表3）。河南省退耕還林工程中栽植一定面積的經濟樹木，大多屬于闊葉類樹種。因此，經濟樹種的蓄積量采用闊葉類樹種生物量生長方程進行估算。本研究中，假設造林當年的林齡為1 a。

2 結果與分析

2.1 河南省不同地區退耕還林生態工程實施動態

河南省退耕還林工程自2000年實施以來，不同地區造林面積差異較大。西南部地區的洛陽、三門峽、南陽和信陽地區造林面積最大，造林面積在60.01×103～180.00×103hm2，中東部地區造林面積較小，其中商丘和漯河造林面積最小，造林面積在9.00×103～18.00×103hm2（圖1）。

表2 不同樹種生物量轉換參數和含碳系數Table 2 Parameters used to calculate biomass of forest stands and carbon fraction for different dominant tree species

表3 人工林生物量生長方程Table 3 Empirical growth equations of plantations biomass

由圖2可知：2000-2012年，河南省5個地區中豫東沒有安排封山育林任務，且造林面積在5個地區中是最少的，僅占全省造林面積的6.27%，其中退耕地造林為 10.40×103hm2， 荒山造林為 57.21×103hm2。豫南地區造林面積最大，占全省造林面積的30.96%，其中退耕地造林為87.99×103hm2，荒山造林為 234.21×103hm2， 封山育林為 53.83×103hm2。 另外，豫西地區退耕地造林為87.45×103hm2，荒山造林為 198.30×103hm2，封山育林為48.35×103hm2；豫北地區退耕地造林為44.55×103hm2，荒山造林為 161.66×103hm2，封山育林為 20.40×103hm2； 豫中地區退耕地造林為20.74×103hm2，荒山造林為 48.35×103hm2， 封山育林為 5.71×103hm2。2000-2012年河南省退耕還林工程共完成造林面積為1 079.15×103hm2，其中退耕地造林為251.13×103hm2，荒山造林為699.72×103hm2，封山育林為 128.30×103hm2。

圖1 河南省退耕還林工程各地區造林面積示意圖Figure 1 Afforestation area in different regions of Grain for Green Program（GGP） in Henan Province

2.2 實施退耕還林后森林碳儲量

2.2.1 退耕還林后不同時期森林碳儲量和碳密度 由表4可知：實施退耕還林后，1998-2013年河南省森林面積、蓄積、碳儲量和碳密度均呈增加趨勢，其中森林面積從1998年149.77×104hm2增加到2013年的305.36×104hm2，增加了103.89%；森林蓄積由1998年5 258.50×104m3提高到2013年的17 094.56 104m3，提高比例為225.10%；碳儲量由1998年30.49 Tg提高到2013年的91.02 Tg，提高比例為198.52%；碳密度由1998年20.36 Mg·hm-2提高到2013年的29.81 Mg·hm-2，提高比例為46.41%。特別是2008-2013年森林碳密度提高較多，提高了22.12%，主要是由于退耕還林工程所種植的主要樹種楊樹等軟闊類樹木達到中齡林階段，中齡林較幼齡林具有較高的碳密度。2003，2008和2013年退耕還林造林面積分別占森林總面積的22.53%，31.77%和32.53%；退耕還林工程碳儲量占森林總碳儲量的1.58%，15.40%和30.95%。造林面積和碳儲量均呈增加趨勢，碳儲量增加幅度要高于造林面積，因為隨著樹齡的增加林木碳匯能力逐漸增強。

2.2.2 退耕還林后不同林分起源碳儲量和碳密度 根據林分起源的不同，將森林分為天然林和人工林。由表5可知：1998-2013年，天然林和人工林的面積、蓄積、碳儲量和碳密度均有不同程度增加，尤其是人工林增加顯著，人工林面積由1998年的53.85×104hm2增加到2013年的173.89×104hm2，增加了222.92%。在此期間河南省退耕還林工程造林107.92×104hm2，對人工林面積的增加起主要作用。人工林蓄積增加了533.47%，碳儲量增加了496.52%，人工林碳密度由1998年的16.56 Mg·hm-2增加到2013年的30.60 Mg·hm-2，增幅較大。隨著時間的推移，人工林在河南省森林碳匯中將會發揮越來越顯著的作用。人工林占林分總碳儲量的比例由1998年的29.26%提高到2013年的58.46%。人工林在河南省森林碳匯中起著重要的作用，是河南省森林碳匯的主要貢獻者，這主要歸因于退耕還林工程的實施，大面積人工造林引起碳儲量的增加。截止2013年，退耕還林工程造林面積占人工林面積的57.13%，碳儲量占人工林碳儲量的52.94%。

圖2 河南省5個地區不同退耕還林方式造林面積Figure 2 Area of different afforestation types under Grain for Green Program （GGP）in five regions of Henan Province

表4 河南省退耕還林實施期間森林面積、蓄積及碳儲量Table 4 Area,volume,carbon storage and density of forest stand during implementing GGP in Henan Province

表5 1998－2013年不同林分起源森林面積、蓄積及碳儲量Table 5 Area,volume,carbon storage and density under different forest origins from 1998 to 2013 in Henan Province

2.2.3 退耕還林后不同時期、不同林分起源森林年碳匯量 由圖3可知：1998-2013年，河南省森林年碳匯量為0.63 Mg·hm-2·a-1，其中1998-2003，2003-2008和 2008-2013年碳匯量分別為0.61，0.20和1.08 Mg·hm-2·a-1。 1998-2013 年， 天然林和人工林的年碳匯量分別為 0.42 和 0.94 Mg·hm-2·a-1， 其中1998-2003，2003-2008和2008-2013年天然林的年碳匯量分別為0.41，0.37和0.48 Mg·hm-2·a-1，而人工林的年碳匯量分別為1.11，0.27和1.41 Mg·hm-2·a-1。2003-2008年人工林和天然林年碳匯量均低于1998-2003和2008-2013年。人工林年碳匯量顯著高于天然林年碳匯量，主要是由于退耕還林工程的大面積實施以及樹木的生長引起人工林碳匯能力的快速增長。

圖3 河南省不同時期森林年碳匯Figure 3 Carbon accumulation rate of the forests in different periods in Henan Province

3 結論與討論

1998-2013年河南省退耕還林工程實施期，森林面積和碳儲量逐漸增加，特別是人工林面積和碳儲量增加幅度較天然林要大很多。主要是由于在此期間河南省實施了退耕還林工程，人工林面積增加較多，從而引起碳儲量增加。2013年森林碳儲量和碳密度較1998年分別提高193.01%和22.15%。研究進一步證實了實施造林工程是提高森林碳儲量的根本途徑［25-27］。

經過1998-2013年15 a的森林恢復，森林碳儲量持續升高。1998-2013年，林分年碳匯量為0.63 Mg·hm-2·a-1，其中人工林年碳匯量是天然林年碳匯量的2.24倍，人工林碳匯能力要高于天然林，主要是由于退耕還林工程的大面積實施以及對造林地加強了撫育和管理。1998-2003年，2008-2013年人工林年碳匯量均高于天然林，只有2003-2008年人工林年碳匯量低于天然林，主要是由于在此階段退耕還林工程造林面積較大，共造林758.00×103hm2（圖 2），所造林木處于幼齡林階段，碳匯能力較成熟林而言較弱。隨著人工林生長為碳匯能力較強的成熟林河南省森林將具有較大的碳匯潛力。

ZHANG等［26］研究表明：2013年全中國森林碳儲量和碳密度分別為6 896.3 Tg和41.0 Mg·hm-2。可見，河南省2013年森林碳儲量占全中國2013年森林碳儲量的1.32%，河南省森林碳密度低于全國森林植被碳密度，表明河南省森林質量低于全國森林質量平均水平，需要加強撫育和管理，提高森林質量和碳匯能力。李世東等［28］研究得出：河南省森林碳儲量和碳密度分別為87.96 Tg和31.04 Mg·hm-2，碳密度高于本研究結果，主要是由于運用不同的估算方法計算森林碳儲量。河南省2013年森林碳儲量為91.02 Tg， 相當于河南省 2010 年碳釋放量的 65.86%［29］，相當于中國年碳釋放量（10 000 Tg）的 0.91%［30］。森林植被在碳匯和減緩全球變化方面發揮著重要的作用［31］。

人工林在河南省森林碳匯中發揮越來越重要的作用，其碳儲量和碳密度在2013年分別為53.21 Tg和30.60 Mg·hm-2。ZHANG等［26］研究的2013年全國人工林碳儲量和碳密度分別為1 400.0 Tg和29.7Mg·hm-2，河南省人工林碳儲量占全國的3.80%，河南省人工林碳密度略高于全國人工林碳密度，表明河南省人工林質量較高。主要是由于造林后政府、林業部門和農戶加強對林木的撫育和管理，林木生長狀況良好，具有較強的碳匯能力。

運用生物量轉換因子連續函數法計算林分生物量將會產生一定誤差。誤差主要來源于蓄積量轉換為生物量的公式中一些相關參數（a，b）。本研究采用的一些參數在河南省進行過研究，但多數是采用全國的或相似地區的參數進行估算，存在一定的誤差。REN等［32］分析了估算廣東省森林植被碳儲量的誤差，認為誤差主要來源于蓄積量轉換為生物量公式中所使用的參數，在1992，1997和2002年森林清查時所產生的誤差分別占97.26%，96.96%和95.75%。為了提高蓄積量轉換為生物量公式參數使用的可靠性，需要針對河南省地區不同樹種開展研究，采用適合當地條件的生物量轉換參數。