江漢平原楊樹人工林固碳潛力研究

羅 雷 王曉榮 陳 臻 徐 立 張 濤王 亮 謝 文 曹祖榮 劉少峰

(1.湖北省林業調查規劃院 武漢 430079；2.湖北省林業科學研究院 武漢 430075； 3.湖北省速生豐產林工程研究中心 武漢 430075；4.恩施土家族苗族自治州林業調查規劃設計院 恩施 445000； 5.秭歸縣林業局 宜昌 443600；6.湖北省林科院石首楊樹研究所 荊州 434400)

楊樹是楊柳科楊屬樹種，易于繁殖、速生、經濟效益顯著，被稱作世界速生樹種之王[1]，也是中國平原地區重要的造林樹種之一。因其生長快速、樹干挺直、葉大蔭濃，7～10 a可成材，輪伐期平均為10 a，被廣泛用作用材林、防風林、行道樹等[2]。目前，中國是全球楊樹人工林第一大國，現存面積超過600萬hm2，占全國人工林總面積的1/5，在中國林業生態建設和木材安全戰略中占有重要地位。

湖北省江漢平原具有十分優越的水、土、溫、光等自然條件，是楊樹最適宜生長的地區之一[3]。從20世紀末期，江漢平原開始引種和發展楊樹人工林，根據湖北省第五次森林資源普查統計，楊樹面積已達21.46萬hm2，蓄積達1 899.03萬m3。楊樹產業已成為江漢平原的支柱產業之一[4]，并帶動了運輸、電力、通訊、化工、建筑、裝潢、金融等相關產業的協調發展[5]。然而，隨著全國社會經濟變遷和發展，中國林業已由木材生產為主向以生態建設為主轉變，提升林業多功能多目標已經成為中國林業高質量發展的重要要求。森林在減緩和適應氣候變化中具有不可替代的作用，特別是中國碳達峰和碳中和戰略的提出，使得林業在實現“雙碳”目標中扮演越來越重要的角色。目前，中國把林業納入減緩和適應氣候變化的重點領域，如何將人工林優勢轉變為碳匯優勢，將成為現階段中國林業發展中需要解決的重大課題。

林業碳匯是指森林管理等吸收空氣中二氧化碳，降低或防止森林中儲存的二氧化碳排放到空氣中[6]。楊樹快速生長的特性決定了其具有較高的固碳能力，可在林業碳匯能力建設和森林碳匯管理中發揮重要作用。本研究以湖北省江漢平原的楊樹人工林為研究對象，采用固定樣地連年監測的方法，構建了楊樹生長模型，估算了成熟楊樹林碳密度，并評估了楊樹人工林地理論最大固碳潛力，旨在為湖北省楊樹人工林碳匯功能計量監測和林業碳匯建設提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

江漢平原地區位于湖北省中南部，由長江與漢江沖積而得名，是長江中下游平原的重要組成部分，與洞庭湖平原合稱兩湖平原。地理坐標為東經111°45′～114°16′，北緯29°26′～31°10，區域總面積達30 000 km2，海拔一般低于100 m，平均海拔僅27 m左右，是中國海拔最低的平原之一。氣候屬亞熱帶季風氣候，具有雨量充沛、日照充足、四季分明等特點。年日照時數2 000 h左右，年均氣溫15～17 ℃，無霜期240～270 d，年降雨量1 100～1 300 mm[7]。湖北省楊樹85%以上分布于江漢平原，成為全省楊樹主栽區。

1.2 研究方法

1.2.1 數據獲取

2020年在江漢平原地區選擇立地條件、初值密度及人為經營活動基本一致的楊樹人工林作為研究對象，品種為意楊214楊Populus×canadensis‘I-214’，共設置74個固定監測樣地，其中荊州市26個、潛江市12個、天門市5個、武漢市7個、仙桃市10個、孝感市14個。采取角規測樹的調查方法，以固定調查點為圓心，每木檢尺測定林木個體胸徑、樹齡等測樹因子，齡組劃分參考《主要樹種齡級與齡組劃分》(LY/T 2908-2017)。隨后，選取樣地內與平均胸徑最近的3株標準木調查樹高，其平均木樹高平均值作為樣地的平均樹高。樣地共監測樣木1 514株，樹齡平均年份最小為4 a，最高為28 a，樣木胸徑最小8.9 cm，最大的72.5 cm(表1)。

表1 樣地立木統計基本情況

1.2.2 林木材積計算

采用湖北省通用的楊樹一元材積公式計算楊樹的材積，計算公式為：

V=0.000 137 428 808 384×D2.451 344 383 7；

式中，V為材積(m3)，D為胸徑(cm)。

1.2.3 生長量方程擬合

根據樣地內樹木檢尺測量數據，繪制楊樹生長規律和樣地公頃蓄積散點圖曲線。采用SPSS25.0軟件進行回歸方程的擬合，利用相對誤差(RS) 、平均相對誤差(EE) 、平均相對誤差絕對值(RMA) 和預估精度(P)對模型的擬合精度進行驗證。其中RS，EE和RMA越接近0，P越接近1，表示模型擬合精度越高。

1.2.4 理論固碳潛力模擬

采用生物量轉換因子法，計算林分生物量，具體參數見表2。依據全省楊樹蓄積與面積等數據，計算出楊樹的碳儲量和平均碳密度。結合樣地公頃蓄積量，選擇模擬精度最高的生長量方程，推算楊樹進入成熟林年份的蓄積量，并計算楊樹成熟林的碳密度，評估江漢平原地區楊樹人工林地理論最大固碳潛力。具體計算公式為：

表2 主要評價指標取值

C=V×BEF×(1+R) ×SVD×CF；

式中，C為楊樹成熟林的碳密度(t C/hm2)，V為推算成熟楊樹林公頃蓄積(m3)，BEF為生物量轉換系數，R為根冠比，SVD為基本木材密度，CF為含碳率。主要評價指標取值來源于《中國第二次國家信息通報》中土地利用變化與林業溫室氣體清單。

2 結果與分析

2.1 楊樹林木個體平均胸徑與林齡的關系

以樣地平均胸徑和平均年齡擬合楊樹生長模型，得到對數模型擬合方程為y=12.22In(x)-5.976 8，R2=0.956 5。可以看出，楊樹人工林個體平均年齡與平均胸徑間存在較好的相關性，平均胸徑與林齡呈極顯著正相關關系(P<0.01)，說明隨著林齡的增加，個體胸徑不斷增大，年平均生長量也相應增大。楊樹林進入成熟林階段后，仍舊保持著較高生長量，這說明成熟楊樹林仍具有很好的固碳能力(圖1)。

圖1 樣地平均胸徑與平均年齡關系圖

2.2 林分密度與林齡的關系

利用樣地內平均年齡與公頃株數擬合相關關系，得到對數模型擬合方程為y=-412.4In(x)+1 577.6，R2=0.313 1。可以看出，林分密度與林齡存在極顯著負相關關系(P<0.01)。隨著林齡的增加，楊樹林分個體數量呈逐漸降低的趨勢。這與當前該地區楊樹林受人為經營程度較高有關，不同時期人為間伐影響造成林木個體數量逐漸降低(圖2)。

圖2 樣地平均年齡與公頃株數關系圖

2.3 不同林齡楊樹林分碳密度分析

以5、10、15、20和25 a 5個林齡段計算不同年限下楊樹人工林測算理論碳密度，并比較模型擬合推算和樣地實測碳密度均值。楊樹林擬合固碳能力較大的時間段主要出現在林齡15～20 a，平均碳密度為68.74t C/hm2。根據樣地實測碳密度平均值測算結果，林齡25 a的楊樹林碳密度為97.13 t C/hm2，說明成熟楊樹人工林仍未到達到最大碳密度。另外，采用樣地中楊樹成熟林最大公頃蓄積量值553.14 m3/hm2，計算該楊樹林樣地的植被碳密度為167.50 t C/hm2，進一步說明楊樹林具有較大的固碳潛力(表3)。

表3 不同林齡楊樹人工林碳密度

2.4 固碳潛力分析

理論上，隨著森林的生長發育，其植被和土壤碳密度將會達到一個飽和狀態，即存在碳密度上限或稱固碳潛力[8]。江漢平原地區楊樹林多以中幼林為主，占楊樹林總面積的47%以上，而目前湖北省楊樹林地平均碳密度僅為28.41 t C/hm2(來源于第五次湖北省二類資源清查統計數據，未公布)。依據本研究中楊樹成熟林平均碳密度97.13t C/hm2和最大碳密度167.50 t C/hm2作為固碳潛力上限估算，假定目前江漢平原地區楊樹人工林未來都可以轉變為成熟林，且面積保持不變，整體固碳潛力分別可達1 474.73萬t和2 984.87萬t。

3 結論與討論

湖北省楊樹林一直作為用材林培育，在國家“雙碳”目標的背景下，商品林停伐旨在發揮其多種生態效益。本研究中，江漢平原地區的楊樹林表現為隨著林齡的增加，植被碳密度持續增加，且進入成熟林后生長速率依舊較大，說明其具有較高的固碳能力[9]。但就目前經營現狀而言，當楊樹林進入成熟林即會被采伐，這在一定程度限制了楊樹林碳匯功能的持續發揮。如若江漢平原地區楊樹人工林均以發揮碳匯效益為主要目標來培育，其固碳增量可達到1 473.73萬t，固碳潛力十分巨大。

同時，本研究發現楊樹林林分密度與林齡存在極顯著負相關關系，隨著林齡的增加，楊樹個體數量呈逐漸降低的趨勢，進一步說明常規經營中楊樹林密度大小變化受人為選擇利用或間伐有關。已有研究表明，在95%的最大植被碳密度條件下，中國36種優勢樹種的植被碳密度達到飽和狀態的林齡為74.6 a[8]。然而，目前楊樹林一直以速生豐產用材林培育，成熟林林齡較短，林齡25 a的楊樹林在進入成熟林時，其固碳能力并未達到最大狀態。因此，對于培育楊樹碳匯林，需延長培育周期，合理調整林齡界限。

近年來，受木材市場價格降低的影響，林農對楊樹林地管護意識和積極性嚴重下降，林木砍伐利用程度已明顯降低，這為發展楊樹人工林碳匯提供了契機。為了有效提升楊樹人工林固碳增匯能力，建議未來從以下幾方面加強對楊樹林的經營管理：一是要延長楊樹林經營周期，合理控制采伐數量和頻率，一般碳匯計入期為20～60 a，作為速生闊葉樹種可用于發展中短期碳匯林；二是要強化科學經營管理措施，包括人工撫育、施肥、病蟲害防治，維持楊樹林持續健康穩定和高生產力；三是提倡選擇固碳能力強、壽命長的樹種與楊樹合理配置，大力培育多層異齡混交林，以有效提升林分整體碳匯功能；四是加強人工林碳匯等生態價值宣傳和保護，防止人為破壞，以減少林木生物量損失，降低生產活動過程中造成的碳泄漏。