森林經營單位級碳儲量動態變化研究
——以廣西熱林中心為例

李 晗，王 霞，孟京輝

（1.北京林業大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083；2.河北省林業調查規劃設計院，河北 石家莊 050000）

工業化發展、大量CO2等溫室氣體的排放，導致全球平均地表溫度升高和海平面上升等，直接影響到人類的生存發展[1-3]。森林是最大的陸地生態系統，大約覆蓋了地球陸地表面的30%，發揮著重要的生態、經濟和社會效益，同時承擔著碳匯與碳源的雙重角色[1,4]。1997年《京都議定書》、2007年“巴厘路線圖”和2009年“哥本哈根條約”無一不表明加強森林碳匯能力的迫切性與必要性，合理的森林經營是提高森林質量特別是森林碳匯能力的有效途徑。Colombo等[5]總結了1990-2012年10種森林經營措施對碳儲量的影響，發現其中9種都能有效增加一個輪伐期內的碳儲量，Winjum等[6]基于12個國家森林碳儲量變化的研究，提出積極有效的森林經營是增加森林碳儲量的有效途徑。

森林經營模式中的森林近自然林經營，是一種提倡模仿自然、接近自然的經營模式，在國內外得到廣泛關注。近自然林是參照原生森林植被進行培育和管理，主要由鄉土樹種組成且具有多樹種混交的，逐步向多層次空間結構和異齡林結構發展的森林[7-9]。目前，國內對近自然森林經營做了大量的研究，尤其是人工林近自然化改造的研究，涉及到我國主要人工林樹種，如馬尾松Pinus massoniana[2,10-13]，杉木Cunninghamia lanceolata[14-15]，落葉松Larix gmelinii[16-17]，云南松P.yunnanensis[18-20]，油松P.tabuliformis[21-22]。

2008年，中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心，引入近自然森林經營理論，系統地開展了馬尾松、杉木人工林近自然化改造。2014年，Meng等[2]對改造效果進行了分析評價，發現近自然化改造林在林分結構、生物多樣性、生長量等方面明顯優于未改造林分。然而，該研究并沒有對森林碳匯能力變化進行分析。本研究基于中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心3期238塊系統布設樣地，探討碳儲量變化規律，并對未來近自然林經營和碳匯提升提出可行性建議。

1 研究區概況及樣地布設

中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心（以下簡稱熱林中心）（106°39′～ 106°59′E，21°57′～ 22°19′N）（圖1）成立于1979年9月，是中國林科院直屬的實驗基地、科技創新基地和科普教育基地，地處廣西壯族自治區西南的憑祥市，與越南毗鄰，實驗區橫跨龍州、寧明、憑祥二縣一市，面積190km2。該中心全年日照時數1 218～1 620 h，年平均氣溫20.5～21.7℃，年均降水量1 200～1 500 mm，年蒸發量1 261～1 388 mm，相對濕度80%～84%。地帶性土壤為花崗巖發育的磚紅壤，土層厚度＞80 cm，pH值4.8～5.5。人工林為主，少部分天然次生林，物種資源豐富，喬木樹種以杉木，馬尾松，殼菜果Mytilaria laosensis，紅錐Castanopsis hystrix，八角Illicium verum，格木Erythrophleum fordii，大葉櫟Quercus griffithii，柚木Tectona grandis，灰木蓮Manglietia glauca等為主。在試驗區內按照系統抽樣方法在公里網（1 km×1 km）交叉點布設238個群團樣地，半徑為21.51 m。每個群團由3個子樣圓組成，子樣圓中心點與群團樣地中心點呈0°，120°，240°方位角三角輻射狀，子樣圓樣地半徑為6.51 m。本研究采用2011年、2013年、2015年復測數據，對熱林中心研究區域內碳儲量動態變化展開研究。近自然林改造前林分特征如表1所示。

圖1 238塊系統抽樣樣地分布Figure1 Distribution of 238 systematic sampling plots

表1 改造前林分基本特征Table1 Information of sample plots before transformation

2 研究方法

2.1 樣地碳儲量計算

森林碳儲量的估算大多是以森林生物量為基礎的。估計森林生物量的方法可分為政府間氣候變化專門委員會法、生物量經驗（回歸）模型法，轉換因子連續函數法等方法[23-27]。目前，生物量回歸法最為常用。本研究采用汪珍川等[28]構建的廣西主要樹種(組)生物量模型（表2），模型公式中D為樹種（組）的胸徑，W為對應樹種（組）的生物量，以此公式對林木生物量進行估測。在林木生物量確定的基礎上，采用碳轉換系數得到每株林木的碳儲量。本研究采用李海奎[29]提出的廣西地區的碳轉換系數，其中馬尾松0.459 6，杉木0.520，桉樹0.525 3，櫟類（Quercus，櫟屬植物）0.500 4，硬闊類0.483 4，軟闊類0.495 6，八角和油茶Camellia oleifera0.47。然后將樣地所有林木碳儲量求和得到樣地的總體碳儲量，并換算成每公頃碳儲量。

表2 不同樹種（組）的生物量模型和參數Table2 Biomass models and parameters for different tree species(groups)

2.2 熱林中心碳儲量估算

本研究布設的樣地采用系統抽樣，因此采用系統抽樣估計量估計熱林中心不同年份的碳儲量。

系統抽樣平均數估計值：

式中，為樣地平均碳儲量，n為樣地數，yj為第j個樣地的碳儲量。

樣本平均數的標準誤：

式中，S(yˉ)為樣本平均數的標準誤。

估計誤差限：

式中，tα為可靠性指標，因本研究為大樣本，以95%可靠性進行估計時，t0.05=1.96。

估計精度：

式中，為估計誤差限；為樣地平均碳儲量；E為抽樣誤差；pc是估計精度總體林木碳儲量估計區間：

式中，為整個林分樣地數目。

2.3 統計方法

上述得到樣地碳儲量數據，用Excel軟件統計出總的碳儲量、不同樹種碳儲量、分坡度坡向碳儲量，將未進行近自然林改造和經過近自然林改造的樣地分別統計，并用SPSS軟件做雙因素方差分析。

3 結果和分析

3.1 熱林中心的喬木林總碳儲量變化

由表3可知，熱林中心在2011-2015年期間，喬木林碳儲量由2011年605 826.95 t增加至2015年721 847.04 t，年均增加29 005.02 t，年均增長率4.48%；2011-2013年年均增長率5.35%，2013-2015年年均增長率3.62%。碳密度也有所增加，由2011年的35.94 t·hm-2增加至2015年的42.34 t·hm-2，精度均達到85%以上。

表3 2011－2015年熱林中心喬木林碳儲量Table3 Carbon stocks of arbor trees in experimental area in 2011,2013 and 2015

3.2 不同林分喬木林的碳儲量變化

不同的林分類型，碳儲量和碳密度也會有所差異。由圖2和表4可以看出，針葉林面積一直在減少，由2011年的9 312.73 hm2減少至2015年的8 357.54 hm2，碳儲量由2011年的413 753.07 t增加至2015年的479 611.05 t，占熱林中心喬木林碳儲量的比例由68.30%降低為66.44%，但仍是熱林中心喬木林碳儲量的主要貢獻者。

闊葉樹面積由2011年的7 115.16 hm2增加至2015年的8 166.48 hm2，碳儲量由2011年的192 073.88 t增加至242 235.99 t，占熱林中心喬木林碳儲量的比例也由31.70%增加至33.56%。針葉樹的平均碳密度高于闊葉樹，2011年、2013年和2015年的平均碳密度為44.43，51.55，57.39 t·hm-2，闊葉林則為27.00，34.01，29.66 t·hm-2，相差的比較大。

針葉樹的碳儲量主要集中在馬尾松，占2011年喬木林碳儲量的62.92%，2013年的62.86%，2015年的62.18%。其平均碳密度遠大于全國馬尾松平均碳密度26.67 t·hm-2，杉木與全國杉木平均碳密度39.38 t·hm-2相持平，而桉樹、櫟類等遠小于全國平均碳密度14.95，20.22 t·hm-2[29]。

表4 2011－2015年廣西熱林中心不同樹種（組）喬木林碳儲量Table4 Carbon stocks of different arbor species(groups)in experimental area in 2011,2013 and 2015

3.3 影響因素

3.3.1 自然因素 廣西熱林中心屬于亞熱帶季風氣候，利于植被的生長，碳儲量一直呈現增長狀態。森林碳儲量隨坡度變化而變化，表現為斜坡＞陡坡＞緩坡＞急坡＞平坡＞險坡（圖3），碳儲量隨坡向（除無坡）變化不大（圖4）。

圖3 碳密度隨坡度變化情況Figure3 Changes of carbon stocks with slope

圖4 碳密度隨坡向變化情況Figure4 Changes of carbon stocks with aspect

3.3.2 人為因素 不同的經營管理方式對森林碳儲量的影響不一，一般認為采伐森林對其碳儲量影響不大，推行施肥等措施在一定程度上能提高森林碳儲量，不同的林網密度和林木栽培周期也會對森林碳儲量產生影響。廣西熱林中心采用近自然林經營措施，目標樹經營、擇伐強度的選擇以及混交林的設計在一定程度上都能提高碳儲量，主要是針對馬尾松純林，2007年進行間伐，選擇并標記90～120株·hm-2馬尾松目標樹，伐除干擾樹，保留密度375～450株·hm-2，并在2008年林下均勻補植一年生鄉土珍貴樹種容器苗、主要包括紅錐、格木、大葉櫟等，補植后連續3 a撫育管理，第4至第5年修枝整形。桉樹的改造是2007年皆伐之后保留萌芽條進行培育，2008年林下套種降香黃檀Dalbergia odorifera。選取造林時間與近自然經營林分相差不超過1個齡級（5 a為1齡級）、立地條件大致相同的馬尾松、桉樹的純林和混交林樣地按照輪伐期經營方式，在造林后第4至第5年進行1次透光伐，第12至第14年進行第1次撫育性間伐，間伐強度為株數的20%～30%，以后每5 a進行1次間伐，到林分主伐年齡31年進行皆伐作業，間伐作業時伐去一部分采伐林內干形差、有病蟲害或受損害的林木、被壓木、個別主林層林木（如馬尾松、桉樹）以及非目的樹種的喬木和灌草。

表5 近自然林經營對森林碳密度的影響Table5 Effect of near-nature forest management on carbon stocks

4 討論與結論

本研究通過對3期熱林中心系統抽樣樣地數據來估算整個熱林中心喬木林碳儲量，不僅為管理者和決策提供科學可靠的碳儲量數據和相關信息，也可以為近自然經營建設提供基礎數據。

4.1 結論

2008年至2015年，熱林中心按照森林近自然經營理念進行改造，喬木林碳儲量呈逐年增長趨勢，年均增加 29 005.02 t，年均增長率 4.18%，碳密度 2011 年 35.94 t·hm-2，2013 年 40.82 t·hm-2，2015 年 42.34 t·hm-2。

馬尾松林有最大的碳儲量和碳密度，并遠大于全國的平均數。

經過近自然林經營林分的碳密度明顯大于未經過近自然林經營的林分，表現出顯著性差異（P＜0.05）。

4.2 討論

從碳密度來看，2011年熱林中心喬木林平均碳密度為35.94 t·hm-2，大于韓明臣等[30]研究的廣西2010年人工林平均碳密度21.77 t·hm-2，2015年平均碳密度與全國平均值44.91 t·hm-2相持平，但遠小于世界平均值86 t·hm-2[31]。熱林中心主要樹種馬尾松人工林喬木層平均碳密度為70.07 t·hm-2，高于周玉榮等[32]估算的我國暖性針葉林植被平均碳密度49.97 t·hm-2及毗鄰的廣東省2012年的23.01 t·hm-2[33]。從數據上看，廣西熱林中心有較大優勢，這可能與熱林中心氣候有關，水熱條件較好，利于森林植被生長。

與自然因素相比，人為因素對森林碳儲量有著更大的影響。廣西熱林中心最大的人為因素就是采取的經營模式。

經營模式不同，碳密度也會有較大差別。采用人工林連作經營的廣西平桂管理區2009年人工喬木林碳密度僅為15.98 t·hm-2[34]，而采用近自然林經營模式的熱林中心碳密度是其2倍多，同時張濤等[35]的研究也發現對于油松人工林來說碳儲量表現為近自然經營＞常規經營。

近自然森林經營能夠提高生物多樣性。國內外很多研究表明森林生物多樣性與森林生產力呈正相關，Naeem等從建立的多個人工生態系統、LIANG等從全球尺度上證明了這一點[36-37]，近自然目標樹經營能夠通過目標樹擇伐改善林內的自然條件和微環境，使得群落豐富度提高[38]，形成的林隙使林下幼樹的生長成為進界木，微環境的改變也有利于更多的樹種進入。森林多樣性的提高能夠提高森林生產力，在此基礎上提高森林碳吸收率，從而增強森林碳匯能力。

結構決定功能，近自然經營通過目標樹擇伐使保留木得到更多的生長資源，直徑生長量和蓄積生長量增加，這與國外學者的研究結果一致[39-41]，相對應的生物量也會隨之增加，國內學者陸曉明[10]的研究證實了這一點。異齡混交林造林和補植珍貴鄉土樹種相結合，能夠有效地改善林分的不合理結構，改變林分的樹種組成，增加生物多樣性，改良土壤肥力進而促進林分生長，延長碳循環周期，增加森林碳匯能力，從而實現可持續經營，與王懿祥[42]和劉憲釗[43]的研究結果一致。

本研究僅估算了熱林中心喬木層部分活立木的碳儲量，尚未包括其中的枯死木、灌木層、草本層、枯枝落葉層以及森林土壤層等部分的碳儲量，尤其是土壤中的碳儲量，有關研究已經表明土壤是我國重要的碳庫，國內森林土壤平均碳儲量為193.55 t·hm-2[32]，所以不能準確反映熱林中心森林植被的碳儲量情況和森林近自然經營的全部效果，仍需補充和完善。