‘雙碳”目標下昆明市西山林場碳儲量演化與預測

中圖分類號：X171.1

一、引言

全球氣候變化和碳排放問題日益凸顯，森林生態系統碳儲量的保護和利用已成為研究熱點[1-4]。2020年9月22日，在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上，習近平主席鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和?！边@一承諾是中國在應對氣候變化方面的重要行動計劃，并為未來的政策制定指明了方向。2023、2025年，國家相繼出臺了《國家碳達峰試點建設方案》《制造業綠色低碳發展行動方案（2025—2027）》，強調加快推動能源、產業、交通等領域的結構性減排，強化生態保護與修復工作，推進林業碳匯建設，持續完善碳市場機制。這些政策為實現“雙碳”目標提供了更加明確的行動指引。森林生態系統的碳儲存被認為是緩解大氣二氧化碳濃度最經濟高效且最環保的綠色方法，在維護全球碳平衡和調節氣候方面發揮著重要作用[5]。森林生態系統的結構、功能、土地利用和能量循環的變化會顯著影響區域碳儲量[6-8]，所以及時有效地評估和分析碳儲量的變化對于生態系統服務的演變、維持和管理具有重要意義[。2022年8月11日，云南省人民政府發布《云南省碳達峰實施方案》，提出要鞏固生態系統固碳作用，提升生態系統碳匯能力，以推動綠色低碳轉型，實現碳達峰目標。2023年，云南省進一步提出要全面實施“綠色云南行動”，加強森林生態系統的修復和管理，提高碳匯能力。精準估算森林碳儲量及碳匯潛力，成為近年來備受關注的焦點[10]

國有林場是森林碳儲量主要貢獻主體，在改善全球氣候中有著不可替代的作用[11-2]。昆明市西山林場作為云南省重要的森林生態系統，擁有豐富的植被和生物資源，具備可觀的碳儲量。然而，現有研究主要聚焦于大區域尺度的森林研究，缺乏對于中小尺度區域的研究。鑒于此，本研究以昆明市西山林場小尺度區域作為研究對象，基于2006、2016年森林資源數據，運用InVEST模型和Logistic生長方程對該地區的碳儲量進行系統分析和預測[13-16]，并以小范圍尺度的研究為基礎，為更大尺度研究提供參考，從而為區域的生態管理、碳政策制定提供理論依據。

二、材料與方法

（一）數據來源

本研究碳儲量區域數據主要來自2006年的森林資源調查報告與2016年昆明市西山林場森林資源規劃設計的調查報告，各優勢樹種參數來自《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》。

（二）研究區域

本研究以昆明市西山林場為研究區域。西山林場地跨楚雄彝族自治州西山縣、五華縣和祿豐縣的三個行政區，面積為 5000.4hm² ，屬典型的低緯度高海拔、亞熱帶季風性濕潤氣候。全年平均氣溫為 14.11^°C ，最冷月（1月）絕對最低氣溫為-5.61 C ，最熱月（5月）絕對最高氣溫為31.51^°C 。最熱月份的年平均氣溫不超過 20% ，晝夜溫差在 9.4～11.1⁹C 之間，年溫差通常在10C 左右。

（三）研究方法

1.森林生物量與碳含量的轉換

有研究表明，林木生物量與蓄積量存在著顯著的線性回歸關系[17]，林木蓄積量是反映林木生長的綜合指標。本研究以西山林場森林資源調查的清查數據作為蓄積量數據，通過各優勢樹種類型的生物量換算因子、地下/地上生物量的比值等參數，計算生物量和碳儲量。計算公式如下：

式中： C_n 為區域優勢樹種碳儲量（t）； n 為優勢樹種總數； V_i 為某一樹種的總蓄積量 （?m³） ； B_EF 為生物量擴展因子，即林木地上生物量和樹干生物量的比值； R 為根冠比，即地下生物量與地上生物量之比； ρ 為木材基本密度 （t?m^-3 ）； C_f 為生物量干物質含碳率； Q_c 為碳密度 （?_t??_hm^-2 ）； c 為碳儲量（t）； s 為林地面積（ hm² ）。參考數據見表1。

表1優勢樹種木材基本密度、生物量干物質含碳率、生物擴展因子、根冠比參考值

2．利用InVEST模型計算碳密度

InVEST模型中的Carbon模塊，以土地類型作為主要數據進行碳儲量的估算，常被用于區域碳儲量評估[18-19]，為決策者評估人類活動的生態效益和影響提供科學依據。InVEST-Carbon模型把生態系統的碳儲量，劃分為地上生物量碳庫、地下生物量碳庫、土壤碳庫和死亡有機質碳庫4個基本碳庫[20]。公式如下：

C_i，dead=1/10×C_{i，above}

C_{i，soil}=α（1+β）×（C_i，above+C_{i，below}）

式中： C_ti 為 i 樹種區域總碳密度 （?_t??_hm^-2 ）；C_i，above 為 i 樹種的地上碳密度 （?_t??_hm^-2 ）； C_i，below 為i 樹種地下碳密度 （τ_t?τ_hm^-2） ）； C_i，dead 為 i 樹種死亡有機質碳密度 （?_t?hm^-2 ），死亡有機質碳庫約為地上碳庫量的 1/10^[21] ; C_{i，soil} 為 i 樹種土壤有機質碳密度 （t?hm^-2 ）； C_total，i 為 i 樹種區域總碳儲量（t）; S_i 為 i 樹種區域面積（ hm² ）； n 為樹種數量；β 為西山林場土壤碳密度轉換系數， α 為林下植物碳轉換系數，分別取值為0.195和1.244。計算結果如表2所示。

3．西山林場未來碳匯潛力估算

運用Logistic生長方程擬合各區域優勢樹種的單位面積蓄積量與林分平均林齡之間關系，進而對其碳匯潛力進行估算。研究模型有兩個假設條件：第一是優勢樹種種類不會隨著時間的變化而改變，第二是各優勢樹種的面積不會隨著年限增加而發生變化，優勢樹種蓄積量只隨著林齡改變而改變。優勢樹種蓄積量計算公式如下：

式中： V 為某一優勢樹種單位面積蓄積； χ_t 為該優勢樹種特定齡組的林分平均林齡； Δ_a 、b、 ∣c∣ 為常數，表示和樹木生長相關的參數[22-24] 。

表22006、2016年西山林場不同土地利用類型碳密度

在估算西山林場未來碳匯潛力時，以2016年森林資源清查數據為基準，假設森林面積和蓄積量代表2016年的平均水平，未來生長環境和土地利用面積不改變，只有齡級結構和蓄積量產生變化。把2016年作為基準年，將各優勢樹種按5a間隔劃分齡級，公式如下：

式中： U_{i，j，t} 為在第 χ_t 年第 i 齡組中第 j 齡級的面積； U_i，t 為基準時間點（2016年）第 Ψ_t 年第 i 齡組的面積； T_i，max 為第 i 齡組的上限； T_i，min 為第 i 齡組的下限，設定過熟林的上限為下限的1.5倍，幼齡林的下限為1。按照研究假定和樹木生長特性，5a后第 i 齡組里將有 j 齡級面積 U_{i，j，t} 步入至下一齡組，隨之將第 i-1 齡組中的 k 齡級面積步入至第 i 齡組中，公式為：

U_i，i+5=U_i，t-U_i，j，t+U_{i-1，k，t}

式中： U_i，i+5 為第 t+5 年 i 齡組面積； U_i-1，k，t 為第 χ_t 年 i 齡組中 k 齡級面積。

三、結果與分析

（一）西山林場2006、2016年單位碳密度時空變化特征

2006、2016年，單位碳密度的分布特征為：東北部較高，中部到西南部偏低，東南部又呈現回升的趨勢。通過 InVEST 模型計算昆明市西山林場 2006 、2016年碳儲量與平均碳密度，碳儲量結果為194474.9、 238999.6t ，平均碳密度為59.74、69.96t/hm² ，說明隨著時間推移，優勢樹種的碳匯能力也在不斷增強。根據2016年森林蓄積量計算結果，人工林單位碳密度為 29.47t?hm^-2 ，高于天然林單位碳密度 28.67t?hm^-2 ，其中人工林面積為 1631.5hm² 、天然林面積為 1276.6hm² ，可見，人工林碳儲量高于天然林碳儲量，說明人工林有著較強的碳匯潛力。各優勢樹種中，各齡組單位碳密度隨著齡級的增加呈現出遞增的趨勢，碳密度從低到高依次為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林，符合優勢樹種碳密度隨齡級遞增的生物學規律。各齡組碳儲量從低到高依次為過熟林、近熟林、幼齡林、成熟林、中齡林，這是由于不同齡組的土地利用面積不同造成的。各類優勢樹種平均碳密度從低到高依次為楊樹、其他軟闊、柏木、其他硬闊、櫟類、云南松、桉樹、華山松、油松。2016年優勢樹種單位碳密度如表3所示。

（二）西山林場2025—2060年碳匯潛力預測

采用Logistic生長方程擬合西山林場各優勢樹種單位面積蓄積量與林分平均林齡之間的關系，得到西山林場2025—2060年各優勢樹種碳匯潛力，如表4所示。

表32016年優勢樹種單位碳密度

表42025—2060年優勢樹種碳匯潛力

由表4可知，到2030年碳儲量預計達到296797.70t 、到2060年預計達到 403123.57t ，與2016年相比較增加了102322.8和 208648.67t 從各優勢樹種看，2030年西山林場，天然林中碳儲量較多的是云南松、櫟類、華山松、油杉，分別占森林總碳儲量的 48% 、 35% 、 14% 、 4% ；人工林中碳儲量較多的是柏木、華山松、櫟類、云南松，分別占森林總碳儲量的 38% 、 34% 、 23% ！3% 。2060年西山林場，天然林中碳儲量較多的依然是云南松、櫟類、華山松、油杉，分別占森林總碳儲量的 51% 、 36% 、 9% 、 3% ；人工林中碳儲量較多的是華山松、柏木、桉樹、云南松，分別占森林總碳儲量的 41% 、 38% 、 16% 、 4% （不包括其他軟闊和其他硬闊）。由表4可以看出，預計未來 40a ，云南松、華山松、櫟類、桉樹、油杉等優勢樹種碳儲量增長優勢較明顯，這些優勢樹種是西山林場增長潛力較大的樹種，也是需要重點考察的樹種。另外，人工林碳密度從2016年到2060年增長了 21.11t?hm^-2 ，天然林碳密度增長了 36.66t?hm^-2 ，天然林碳密度的增長速度遠快于人工林碳密度；西山林場2025、2030、2040、2050、2060年碳儲量預測結果，分別是264272.2、296797.7、349672.70、385866.84、403123.57t，平均碳密度分別為77.36、86.88、102.36、112.95、 118.00t?hm^-2 ，整體處于增長趨勢。研究結果表明，碳儲量和優勢樹種的起源、林齡和種類有著密切的關系。

四、討論

本研究表明，2016—2060年西山林場森林碳匯能力顯著增強。在空間分布上，高碳匯區域集中于東南部和中部地區，其他地區相對較低。碳匯能力的變化主要與優勢樹種的齡級密切相關，隨著齡級的不斷增長，優勢樹種的碳匯能力不斷增強，這與已有研究的結果一致[23-24]。進一步研究發現，2025年到2030年，西山林場碳儲量都是持續上漲的趨勢，直到2040年以后，增長趨勢出現了明顯的下降，這種現象和優勢樹種的齡級密切相關。隨著齡級的增加，蓄積量增長趨勢會下降，所以優化齡組結構對于維持林場的固碳能力有著重要的影響[25]。未來需重點關注過熟林碳庫的變化，隨著林分老化，枯死木和枯落物碳庫的比例會逐漸增加，過熟林碳儲量的變動將直接影響森林碳匯潛力的預測精度。在全球應對氣候變化背景下，森林生態系統碳儲量的準確評估和碳循環過程及變化規律的解析，仍是研究焦點。

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責任編輯：姜洪云