北京市森林碳儲量核算與碳匯潛力預測研究

李思慧 朱天姝 魏朝響 葉舒 宋有濤

關鍵詞：生物量；碳儲量；碳匯；碳匯潛力

前言

中國是全球森林資源增長最多和人工造林面積最大的國家，也是全球“增綠”的主力軍。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在低碳減排方面具有巨大潛力。全球大氣和地表碳流動量的90%來自森林，每生長1m3的林木平均可吸收約1.83噸的二氧化碳。盡管世界森林面積只占陸地總面積的1/3，但森林植被區(qū)的碳儲量幾乎占到了陸地碳庫總量的50%。森林碳匯與其他減排措施相比，具有成本低廉、操作容易等特點，同時還具備了可觀的經濟效益和生態(tài)效益。為了準確評估中國森林碳儲量在全球碳循環(huán)和碳平衡中的地位，中國學者利用歷次國家森林資源統(tǒng)計調查數(shù)據(jù)研究中國森林植被碳儲量及其變化情況，然而在區(qū)域尺度上對森林碳儲量的研究相對較少。文章利用北京市第七次、第八次和第九次森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，采用擴展因子法、可變擴展因子法、換算因子法三種方法對2004年-2018年三次清查期間北京森林碳儲量進行評估，并利用SPSS軟件進行模擬，采用單位面積蓄積一林齡Logistic生長方程，結合北京市森林面積蓄積增長目標，預測北京森林30年碳匯潛力，為今后北京市森林植被碳匯功能評價、碳循環(huán)研究等方面提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

北京市位于中國北方，擁有豐富的自然資源和生態(tài)環(huán)境。隨著城市化的快速發(fā)展，北京市采取了積極的措施來保護和增加森林資源，以改善城市生態(tài)環(huán)境和提供更好的生態(tài)服務。目前，北京市的森林面積不斷增加，森林覆蓋率逐年提高。通過持續(xù)的植樹造林和森林保護工作，北京市的森林面積已經顯著擴大。同時．城市綠化項目的推進和生態(tài)修復工作的進行也對森林的增長起到了積極的促進作用。

北京市的森林主要分布在城市的郊區(qū)和山區(qū)。這些森林地區(qū)具有豐富的生物多樣性和生態(tài)功能。其中，石山、丘陵和山區(qū)的森林覆蓋較為密集，為城市提供了重要的水源涵養(yǎng)和生態(tài)調節(jié)功能。同時，這些森林地區(qū)也成為市民休閑娛樂和生態(tài)旅游的重要場所。由于降水季節(jié)分配很不均勻，北京地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林，山區(qū)植被是以落葉闊葉灌木林和落葉闊葉林為主，這些森林類型在提供木材、保持土壤水分、凈化空氣和緩解氣候變化等方面發(fā)揮著重要作用。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于北京市第7次（2004-2008年）、第8次（2009-2013年）和第9次（2014-2018年）森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)。本報告結合森林資源清查結果，提取出優(yōu)勢樹種榆樹、椴樹、樺木、櫟類、柳樹、板栗、楊樹、刺槐等28種。

1.2.2生物量估算方法

北京市森林生物量估算采用換算因子法（Fanget al.，2001），換算因子法不同于往常使用固定的換算因子或系數(shù)去計算生物量，而是采用分齡級的換算因子，換算因子是一個變化的量，包含了蓄積量與林分年齡的關系。研究中設Bi是某一樹種的總生物量，Vi是總蓄積量，Ai是總面積，則有式（1）：

可變擴展因子法在擴展因子法的基礎上，加入齡組因素進行核算，對不同齡組的BEF進行更加準確的賦值，計算公式相同。

研究以換算因子法為主，以擴展因子法、可變擴展因子法作為參考比較，以得出更準確的碳儲量，擴展因子法、可變擴展因子法與換算因子法均采用相同數(shù)據(jù)進行核算。

1.2.3碳儲量與碳密度估算

目前，森林碳儲量已由國際組織（如IPCC等）直接或間接地在區(qū)域和國家范圍內以森林生態(tài)系統(tǒng)為尺度進行測量，并通過將生物量與含碳系數(shù)相乘的方法來計算某一樹種的碳儲量，計算公式為式（3）：

文章中的森林碳儲量僅指樹木中的活生物量，不包括森林生態(tài)系統(tǒng)中的枯木、草本層、落葉層、土壤層等部分的碳儲量。

1.2.4碳匯潛力估算

應用SPSS軟件進行非線性擬合，采用Logistic生長方程擬合北京市各優(yōu)勢樹種（組）的單位面積蓄積與平均林齡的相關關系，擬合公式為式（5）：

研究采用R2進行擬合優(yōu)度檢驗。由于數(shù)據(jù)過于龐大，擬合結果不列出，大多數(shù)方程擬合效果較好，R2>0.9。

2結果與分析

2.1不同森林類型生物量、碳儲量變化

由于其他兩種方法只作為參考比較，故直接列出換算因子法的計算結果，通過換算因子法計算，結果見表1。

北京市不同的森林類型的儲碳功能間存在著比較大的差異。在第7次、第8次和第9次森林資源清查期內，櫟類的占比較高，分別達到32.24%，19.37%和21.11%；其次是楊樹，分別達到23.84%，18.12%和14.88%。在碳儲量上，所有森林類型均呈現(xiàn)出增長的趨勢，其中柏木增長最快，第8次和第9次分別較上期增長了1.54TgC和0.22TgC，其次是軟闊類，第8次較上期增長了1.36TgC。在碳密度方面，樺木有小幅下降，其他樹種均呈現(xiàn)增長的趨勢，其中楊樹增長最快，第8次和第9次分別較上期增長了18.44Mg/hm2和4.45Mg/hm2.

由表1可知，北京市森林資源喬木林碳儲量呈上升趨勢，第7次森林資源清查碳儲量為8.68TgC，第8次森林資源清查碳儲量為10.21TgC，第9次森林資源清查碳儲量為15.64TgC。由此可得，北京市森林碳儲量在逐年上升，變化率分別為17.55%、53.22%，且變化率上升趨勢較為明顯，證明北京森林的固碳能力具有高潛力。

2.2碳匯計算結果

經過計算，三種方法得到的碳匯量較碳儲量相比差異縮減，較為接近，其中碳匯最大的為可變擴展因子法，兩次核算期間碳匯分別為166.97萬t、414.12萬t之間。換算因子法計算兩次核算期間碳匯分別為111.78萬t、398.37萬t，擴展因子法碳匯最小，兩次核算期間碳匯分別為118.66萬t、298.76萬t。

北京市各個優(yōu)勢樹種的碳匯能力具有明顯的不同，這不僅與蓄積量、面積相關，還與樹種本身的固碳能力有關，如圖1所示，在第7次、第8次森林資源清查期內，其他軟闊類碳匯能力最高，達到409萬tC02，其他樹種碳匯能力均在100～200萬tC02，而其他硬闊類則是呈現(xiàn)負增長。在第8次、第9次森林資源清查期內，櫟類碳匯能力最高，達到485萬tC02，其次是其他硬闊類，達到368萬tCO2，其他樹種碳匯能力均在0～200萬tC02之間。

2.3相對誤差比較分析

目前，針對碳匯計算結果的精度評估，缺乏統(tǒng)一的標準或指標，在比較不同計算方法時，很難確定哪種方法更準確或可靠。因此文章采用相對誤差分析的方法對計算結果進行對比，將三種方法的平均值作為基準，通過計算相對誤差，比較不同齡組的結果得出最適用于計算北京森林碳匯的方法，相對誤差分析結果見圖2。

3種計算方法得出的結果不同，與其采用不同的模型或假設有關，不同的方法考慮的因素、數(shù)據(jù)來源和參數(shù)設置均有所差異。擴展因子法的本質是在小樣地上進行詳細的測量和分析，然后將這些結果擴展到整個森林區(qū)域，沒有將森林齡組因素導致的生物量差異情況考慮在內，具有局限性，可變擴展因子法在其基礎上加入了齡組因素，更加貼合森林的實際情況，但相對于換算因子法，其計算過程更為復雜且數(shù)據(jù)精度要求較高，若森林類型不明確、擴展因子不精確，很容易導致較大誤差。而換算因子法是基于蓄積量和面積來計算的方法，數(shù)據(jù)更為容易獲取，通常不需要進行大規(guī)模的小樣地測量或詳細的野外調查，換算因子法可以適用于不同類型的森林，沒有過高的局限性，且通過改進和驗證換算因子以及提高森林類型分類的準確性來提高估算的精度。

2.4碳匯潛力分析

北京森林未來碳匯潛力預測結果如表2、表3所示，可以看出，至2025年，北京森林碳儲量和碳密度分別為20.09TgC和34.35Mg/hm2，與2015年相比分別增加了28%和37%；至2035年森林碳儲量和碳密度分別達到了23.26TgC和40.37Mg/hm2，與2015年相比分別增加了49%和60%；至2045年森林碳儲量和碳密度將分別達到了25.13TgC和44.29Mg/hm2，同時，北京市森林單位面積的蓄積增長了61%和76%，這表明隨著新造林的增加和森林密度的提高，到2045年，北京市的森林碳儲量將達到現(xiàn)有碳儲量的1.6倍。預計每年將增加31. 63萬噸的碳儲量，并且碳密度也會顯著增加。

預計到2045年，北京市的森林蓄積量將達到6190.33萬m3，比2015年增加了3752.97萬m3。各齡級的蓄積比例如下：幼齡林占14%，中齡林占15%，近熟林占12%，成熟林占21%，過熟林占38%。與2015年相比，成熟和過熟林的比例明顯增加。

3結論

通過換算因子法計算，北京市第7次、第8次、第9次森林碳儲量分別為8.68 TgC、10.21 TgC、15.64 TgC，由此可以看出，三次清查期間，碳儲量都在增加，北京市森林固碳能力十分可觀。通過三種方法的計算結果的比較與相對誤差分析可知，換算因子法更適合用于計算大尺度區(qū)域的森林碳儲量，可以快速準確的得出相應數(shù)據(jù)。到2045年，北京森林碳儲量將會達到25.13TgC，為現(xiàn)有碳儲量的1.6倍，碳儲量年均增加0.3TgC，碳密度也會有很大程度的增加，達到44.29Mg/hm2，森林碳匯潛力巨大。在未來，北京市應加強森林保護和經營，繼續(xù)致力于森林保護和可持續(xù)管理，促進城市生態(tài)建設和可持續(xù)發(fā)展。