河南省喬木林碳儲(chǔ)量和碳密度研究

陳 晨,時(shí)軍霞,劉光武

(河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南洛陽(yáng) 471002)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是地球生物圈的重要組成部分[1],它不僅在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境上起著重要作用,而且在全球碳平衡中有著巨大貢獻(xiàn)[2]。20世紀(jì)80年代以來(lái),我國(guó)先后實(shí)施重點(diǎn)林業(yè)生態(tài)工程、退耕還林工程、天然林保護(hù)工程、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)與管理等,這些措施使我國(guó)森林覆蓋率和森林質(zhì)量都得到大幅提升,進(jìn)一步增強(qiáng)了森林碳匯能力。森林生物量是森林植物群落在其生命過(guò)程中所產(chǎn)生的干物質(zhì)累積量[3],是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和健康程度的重要指標(biāo)[4],也是計(jì)算森林碳儲(chǔ)量、碳密度的基礎(chǔ)。目前,學(xué)者采用不同方法對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳儲(chǔ)量進(jìn)行了大量研究[5-11]。但由于我國(guó)森林的復(fù)雜性、多樣性,以及調(diào)查數(shù)據(jù)的不完整性和研究方法的差異性,導(dǎo)致在估測(cè)大尺度森林生物量和碳儲(chǔ)量方面存在較大差異。為了能獲取更準(zhǔn)確的森林碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù),提高森林生產(chǎn)力,需要在不同區(qū)域開(kāi)展森林生物量及碳儲(chǔ)量研究。筆者以第九次森林資源清查資料為依據(jù),估算河南省喬木林碳儲(chǔ)量和碳密度,探究河南省森林資源現(xiàn)狀,以期為河南省乃至全國(guó)森林碳儲(chǔ)量及森林價(jià)值估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況河南省(110°21′～116°39′E,31°23′～36°22′N)地處我國(guó)中東部、黃河中下游,總面積約16.7萬(wàn)km2,山地和丘陵占全省面積的44.3%。河南省處于暖溫帶和亞熱帶氣候交錯(cuò)的邊緣地區(qū),氣候具有明顯的過(guò)渡性特征。全省年平均溫度穩(wěn)定在14 ℃左右,年平均降水量在600～1 200 mm,受地理位置及氣候類型影響,河南省森林植被地帶性明顯,以伏牛山主脊和淮河干流一線為界,北部為南暖溫帶落葉闊葉林地帶,南部為北亞熱帶常綠闊葉林地帶。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源所用數(shù)據(jù)為河南省2014—2018年全國(guó)森林資源清查資料,全省共設(shè)置10 355個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)地,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.067 hm2,調(diào)查內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)地面積、地類、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、齡組、林分起源、林分蓄積等。依據(jù)森林資源清查要求,森林包括喬木林、灌木林、竹林,研究對(duì)象為喬木林。在森林資源清查數(shù)據(jù)中喬木林不含下層木、地被層和土壤層信息,因此研究中喬木林碳儲(chǔ)量不含上述碳儲(chǔ)量。

所用喬木林按起源分為人工林和天然林,包含針葉林、闊葉林、混交林、經(jīng)濟(jì)林4種類型,齡組包括幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林,主要樹(shù)種(組)有31個(gè),分別為落葉松(LarixgmeliniiKuzen.)、黑松(PinusthunbergiiParl.)、油松(PinustabuliformisCarriere)、馬尾松(Pinusmassoniana)、國(guó)外松、其他松類、杉木(Cunninghamialanceolata)、池杉(Taxodiumascendens)、柏木(Cupressusfunebris)、櫟類、樺木(Betula)、樟木(Cinnamomumcamphora)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、楓香(Liquidambarformosana)、其他硬闊類、楊樹(shù)(Populusspp.)、柳樹(shù)(Salixbabylonica)、泡桐(Paulowniafortunei)、楝樹(shù)(Meliaazedarach)、白蠟樹(shù)(FraxinuschinensisRoxb)、其他軟闊類、針葉混、闊葉混、針闊混、核桃(JuglansregiaL.)、板栗(Castaneamollissima)、杜仲(Eucommiaulmoides)、銀杏(GinkgobilobaL.)、油桐(Verniciafordii)、其他經(jīng)濟(jì)類。

1.3 研究方法

1.3.1生物量計(jì)算。研究表明,森林生長(zhǎng)量與林分蓄積量之間存在相關(guān)關(guān)系, IPCC法依據(jù)林分類型的材積與生物量擴(kuò)展因子及相關(guān)參數(shù)的乘積求出某林分類型的生物量,公式如下:

Btotal=Vtotal·D·BEF2·(1+R)

(1)

式中:Btotal為某一樹(shù)種(組)的生物量(t);Vtotal為某一樹(shù)種(組)的蓄積量(m3);D為某一樹(shù)種(組)的木材密度(t/m3);BEF2為某一樹(shù)種(組)的生物量擴(kuò)展因子;R為某一樹(shù)種(組)的地下部分/地上部分根冠比。

該研究中木材密度、根冠比、含碳率采用IPCC推薦使用的不同樹(shù)種參數(shù),相關(guān)參數(shù)值見(jiàn)表1。李海奎等[12-13]將BEF2分成5個(gè)區(qū)間,取每個(gè)區(qū)間的中值作為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林的生物量轉(zhuǎn)換因子,相關(guān)參數(shù)值見(jiàn)表2。根冠比需要依據(jù)樹(shù)種蓄積、面積、木材密度、生物量擴(kuò)展因子等數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

表1 各樹(shù)種生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)和含碳系數(shù)Table 1 Biomass conversion parameters and carbon coefficients of different tree species

1.3.2碳儲(chǔ)量計(jì)算。喬木林某一樹(shù)種(組)碳儲(chǔ)量評(píng)估采用國(guó)際通用的做法,用測(cè)算的某一樹(shù)種(組)生物量與該樹(shù)種含碳系數(shù)相乘得到。不同齡組碳儲(chǔ)量相加可得樹(shù)種(組)碳儲(chǔ)量,不同樹(shù)種(組)的碳儲(chǔ)量相加可得河南省喬木林碳儲(chǔ)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木林不同樹(shù)種(組)的生物量由表3可知,河南省喬木林主要樹(shù)種有31個(gè),林分總面積34 844.38×102hm2,總碳儲(chǔ)量160.37×106t。碳儲(chǔ)量比率在2%以上林分從大到小為闊葉混>櫟類>楊樹(shù)>針闊混>馬尾松。這5個(gè)樹(shù)種(組)碳儲(chǔ)量比率和為85.99%,林分面積和占77.41%, 5個(gè)樹(shù)種(組)碳儲(chǔ)量高與林分面積大和碳密度高有關(guān)。這5個(gè)樹(shù)種(組)在河南省森林植被中地位重要,它們的碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化將影響整個(gè)區(qū)域的碳匯變化。

表2 不同林分類型生物量擴(kuò)展因子Table 2 Biomass expansion factors of different stand types

表3 河南省喬木林不同樹(shù)種碳儲(chǔ)量和碳密度統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of arbor forest carbon storage and carbon density by different tree species in Henan Province

在不同樹(shù)種(組)中,闊葉林面積為29 837.44×102hm2,占喬木林總面積的85.63%,碳儲(chǔ)量為141.27×106t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的88.09%;針葉林面積為5 006.94×102hm2,占喬木林面積的14.37%,碳儲(chǔ)量為19.10 t,占總碳儲(chǔ)量的11.91%。可見(jiàn),河南省喬木林以闊葉林為主,闊葉林是喬木林碳儲(chǔ)量主要貢獻(xiàn)者。

河南省喬木林平均碳密度為46.02 t/hm2,高于平均碳密度的林分類型從大到小為池杉>櫟類>杉木>針闊混>楊樹(shù)>闊葉混>楓香。櫟類和楊樹(shù)是河南省主要的喬木樹(shù)種。櫟類的碳密度為57.27 t/hm2,是長(zhǎng)壽樹(shù)種之一,森林生態(tài)系統(tǒng)以櫟類為支撐可以長(zhǎng)久穩(wěn)定[14]。楊樹(shù)碳密度為49.35 t/hm2,其面積占河南省人工林面積的32.56%,因生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、成才早、材質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)在河南省廣泛種植[15]。

2.2 喬木林不同齡組的碳儲(chǔ)量由表4可知,河南省喬木林各齡組碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為幼齡林>中齡林>近熟林>成熟林>過(guò)熟林。幼齡林面積占喬木林總面積的54.08%,幼齡林碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量的45.02%;近、成、過(guò)熟林占喬木林總面積的22.42%,碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量的25.13%,河南省喬木林以幼齡林為主,各齡組碳儲(chǔ)量的大小關(guān)系與其面積及碳密度大小有關(guān)。

幼齡林碳密度僅為38.32 t/hm2,碳儲(chǔ)量達(dá)72.20×106t,主要由于幼齡林面積大。不同齡組碳密度表現(xiàn)為中齡林>近熟林>成熟林>過(guò)熟林>幼齡林,隨著林分年齡的增加,碳密度呈先增后減趨勢(shì)。河南省喬木林中齡林碳密度最大值,達(dá)58.46 t/hm2。同時(shí)期,全國(guó)喬木林面積中,幼齡林占32.67%。河南省喬木林面積中,幼齡林占54.08%。隨著幼齡林不斷成熟,碳密度逐漸增大,河南省喬木林固碳潛力巨大。

表4 河南省喬木林不同齡組碳儲(chǔ)量和碳密度統(tǒng)計(jì)Table 4 Carbon storage and carbon density of arbor forest by different age group in Henan Province

2.3 不同起源喬木林碳儲(chǔ)量由表5可知,河南省天然林碳儲(chǔ)量為88.38×106t,占喬木林碳儲(chǔ)量的55.11%,河南省人工林碳儲(chǔ)量為73.28×106t,占喬木林碳儲(chǔ)量的45.69%。天然林以幼齡林和中齡林為主,其碳儲(chǔ)量占天然林總碳儲(chǔ)量的93.55%,近、成、過(guò)熟林碳儲(chǔ)量比率僅占6.46%。人工林幼、中齡林占人工林碳儲(chǔ)量的52.45%,近、成、過(guò)熟林占47.55%。河南省天然林碳儲(chǔ)量略占優(yōu)勢(shì),近、成、過(guò)熟林主要為人工林。

天然林各齡組碳密度均大于人工林,說(shuō)明天然林碳匯能力更強(qiáng)。不同起源的喬木林碳密度隨著年齡的增加,均呈先增后減的變化趨勢(shì)。天然林碳密度在成熟林階段達(dá)到峰值,而人工林碳密度在近熟林階段達(dá)到峰值。不論起源,達(dá)到過(guò)熟林階段時(shí),林分老化,長(zhǎng)勢(shì)衰退,固碳能力快速下降。在過(guò)熟林階段,天然林和人工林碳密度基本持平。

天然林中,櫟類碳密度最大,為63.06 t/hm2,榆樹(shù)碳密度最小,僅10.74 t/hm2。人工林中,池杉碳密度最大,達(dá)59.13 t/hm2,油桐碳密度最小,僅4.07 t/hm2。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論該研究基于2014—2018年全國(guó)森林資源清查資料,采用材積源生物量法估算的河南省喬木林碳儲(chǔ)量和平均碳密度分別為160.37×106t和46.02 t/hm2。同時(shí)期,我國(guó)喬木林碳儲(chǔ)量和碳密度分別為75.75×108t和43.11 t/hm2[16],河南省碳儲(chǔ)量占全國(guó)的2.12%,碳密度略高于全國(guó)平均水平,說(shuō)明河南省喬木林質(zhì)量高于全國(guó)平均水平。2004—2008年河南省喬木林碳儲(chǔ)量87.96×106t,碳密度為31.04 t/hm2[17]。10年間,河南省喬木林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了82.32%,碳密度增長(zhǎng)了48.26%。河南省采取的天然林保護(hù)工程、退耕還林、封山育林等措施極大地促進(jìn)了森林碳匯能力的增加。

林種類型、林分年齡、林分起源不同,森林碳儲(chǔ)量差別顯著。河南省主要喬木樹(shù)種(組)有31個(gè),其中闊葉混、櫟類、楊樹(shù)、針闊混、馬尾松5個(gè)樹(shù)種(組)的林分面積占喬木林總面積的77.41%,碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量的85.99%,這5個(gè)樹(shù)種(組)對(duì)維護(hù)區(qū)域碳平衡起著重要作用。在喬木林中,闊葉林面積占喬木林總面積的85.63%,碳儲(chǔ)量占喬木林碳儲(chǔ)量的88.09%,闊葉林是河南省碳匯的主要貢獻(xiàn)者。闊葉林中,櫟類林的碳密度最大,為57.27 t/hm2,櫟類林碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量的27.80%。然而,河南省櫟類多為天然次生林,存在林分密度過(guò)大、干形彎曲、材質(zhì)差等問(wèn)題[14],若對(duì)現(xiàn)有林分加強(qiáng)撫育管理,將有利于森林碳匯增加。

森林的碳動(dòng)態(tài)在很大程度上取決于其齡級(jí)的變化[13],從不同齡組的碳儲(chǔ)量來(lái)看,幼齡林面積為18 843.00×102hm2,占喬木林總面積的54.08%;碳儲(chǔ)量72.20×106t,占喬木林碳儲(chǔ)量的45.02%。幼齡林碳密度只有38.32 t/hm2,低于其他齡組。喬木林齡組碳儲(chǔ)量方面的數(shù)據(jù)顯示,河南省喬木林以中、幼齡林為主,若對(duì)這些森林加強(qiáng)撫育管理,隨著年齡的增加,河南省喬木林碳儲(chǔ)量增加趨勢(shì)明顯。

河南省喬木林以人工林為主,其面積占喬木林面積54.97%,但人工林碳儲(chǔ)量低于天然林。人工林樹(shù)種單一,結(jié)構(gòu)與功能差,病蟲害頻繁發(fā)生,生產(chǎn)力較差[4,13],是導(dǎo)致其固碳能力低的重要原因。若能調(diào)整區(qū)域內(nèi)人工林樹(shù)種結(jié)構(gòu),做好低效林分改造修復(fù),將會(huì)提高人工林固碳能力。

不同起源的林分,隨著林分年齡的增加,碳密度均呈先增后減的變化趨勢(shì),這符合林分生長(zhǎng)的一般規(guī)律。天然林和人工林在過(guò)熟林階段,碳密度均低于成熟林,主要由于林分長(zhǎng)勢(shì)衰退,有機(jī)質(zhì)分解等,固碳能力下降。

3.2 討論林分起源不同,碳密度拐點(diǎn)不一致,產(chǎn)生差異的原因可能是不同起源的林分?jǐn)?shù)據(jù)分布差異造成的,需結(jié)合林業(yè)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)方能確定。因森林資源清查數(shù)據(jù)缺少喬木林下層木、地被層、枯枝落葉層、土壤層碳儲(chǔ)量信息,因此該研究中喬木林碳儲(chǔ)量只包括喬木地上和地下部分的碳儲(chǔ)量,后期有望進(jìn)一步研究補(bǔ)充喬木林缺失部分碳儲(chǔ)量信息,提升估算精準(zhǔn)度。