夏 栗,王福生,劉大逵
森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫,其儲存 了陸地生態(tài)系統(tǒng) 65%~98% 的有機碳[1],在降低溫室氣體濃度,改善全球變暖中具有極其重要的意義[2-4]。與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)相比,森林具有較高的生產(chǎn)力,單位面積森林碳儲量是農(nóng)田的20~100 倍[5],森林每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的 2/3[6-7]。森林植被碳儲量占陸地植被碳儲量的 77%[8-9],森林植被碳匯在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關鍵作用,森林植被碳儲量變化是評估其碳匯能力的依據(jù),因此,開展一定時間尺度范圍內(nèi)的森林植被碳儲量變化研究具有重要意義[10]。
森林植被碳儲量的估算主要是通過森林植被生物量的樣地調(diào)查資料和森林占地面積進行計算[11-13]。隨著世界各國對全球變暖問題的不斷關注,森林碳匯的研究不斷加強,并取得了較大進展[14-19]。目前,主要的森林碳儲量估算方法有IPCC 森林生物量估算法[20]、換算因子連續(xù)函數(shù)法[21]、雙曲線模型估算法[22]和生物量經(jīng)驗模型估算法[11,23-24]等。
本次研究依據(jù)湖南省 1999-2003 年、2004-2008 年和 2009-2013 年 3 次森林資源一類清查資料數(shù)據(jù)(以下簡稱“一類清查”),運用生物量經(jīng)驗模型估算法對湖南省不同時期森林碳儲量和碳密度進行了科學估算,并針對天然林分析各齡組碳儲量的動態(tài)變化以預測湖南省森林植被碳匯能力,研究湖南森林碳儲量的主要貢獻者和固碳潛力,以期為區(qū)域碳循環(huán)研究和湖南省相關決策的提出提供基礎資料和重要參考。
湖南省地理位置為 108°47′~114°15′ E,24°38′~30°08′ N,屬于長江中游的荊江河南岸。湖南省山地面積較大,氣候條件優(yōu)越,土壤資源豐富,樹種繁多,是我國重點林區(qū)及木材生產(chǎn)的主要基地之一。
全省土地總面積約為 21.184×106hm2,其中山地占 51.2%,盆地占 13.9%,平原占 13.1%,丘陵占 15.4%,水域占 6.4%。大體上東部、南部、西部山地環(huán)繞,中部和北部地勢平緩,呈復式馬蹄型丘陵性盆地的地貌輪廓格局[25]。全省林業(yè)用地總面積 13.001×106hm2,森林覆蓋率 59.64%,湘西南、湘南、湘西北及湘東地區(qū)森林植被較為集中,而湘中、湘北地區(qū)森林植被相對較少。全省喬木林優(yōu)勢樹種主要有杉木、馬尾松、闊葉樹等樹種;經(jīng)濟樹種主要為油茶;竹林種類基本為毛竹[26]。
森林資源數(shù)據(jù)來源于湖南省一類清查成果資料(1999-2003 年、2004-2008 年 和 2009-2013 年 3 次),數(shù)據(jù)包括湖南省不同植被(喬木林、經(jīng)濟林和灌木林)的面積和蓄積量,以及天然林中不同齡級林木的面積和蓄積量。
2.2.1 森林植被生物量計算 森林植被生物量是森林植被最基本的數(shù)量特征,其大小與變化不僅是度量森林植被結(jié)構(gòu)的基本指標,也是反映森林及其所在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)和能量流動關系的重要參考[27]。因此森林植被生物量數(shù)據(jù)已成為森林植被固碳能力的重要依據(jù),也是評估森林植被碳儲量的重要因素。
本研究采用方精云等[21,28]建立的回歸方程對湖南省近年來森林植被生物量進行計算,計算方法為:
式中:Btotal為某一樹種的總生物量;B 為某一樹種的單位面積生物量;Atotal為某一樹種的總面積,V 為森林蓄積量(m3),a 和 b 為相關參數(shù),根據(jù)樹種的不同而不同,具體樹種生物量回歸方程見表 1。
表1 不同樹種生物量的計算方程Tab.1 Equations of different forest species biomass
竹林生物量采用竹林單株模型進行計算,計算方法為:
式中:B竹為竹林生物量;N毛為毛竹株數(shù);N散為散竹株數(shù);CF竹為竹林單株平均生物量,按 22.5 kg/株計[29]。
經(jīng)濟林和灌木林生物量采用單位面積平均生物量進行計算,計算方法為:
式中:B經(jīng)(灌)為經(jīng)濟林(灌木林)生物量;A經(jīng)(灌)為經(jīng)濟林(灌木林)面積;CF經(jīng)(灌)為經(jīng)濟林(灌木林)的單位面積平均生物量。公式中參數(shù) CF經(jīng)(灌)采用郭兆迪[30]、金小華[31]等推算的中國森林植被生物的單位面積平均生物量,即我國秦嶺淮河以南地區(qū)的經(jīng)濟林單位面積平均生物量為 23.7 t/hm2,灌木林單位面積平均生物量為 19.76 t/hm2。2.2.2 森林碳儲量和碳密度計算 根據(jù)湖南省森林資源一類清查資料,利用上述計算所得的不同樹種生物量,即可對森林植被碳儲量和碳密度進行計算:
式中:Ci為某一樹種的碳儲量;Bi為某一樹種的生物量;CFi為生物量的含碳系數(shù),IPCC 曾在 2004年出版的《土地利用、土地利用變化和林業(yè)優(yōu)良做法指南》中提出全球缺省值為 0.50,而在 2006年又調(diào)整為 0.47[20],因此以 IPCC 提出的缺省值為依據(jù),結(jié)合湖南省樹種類型特征,將湖南喬木林的含碳系數(shù)設置為 0.47,將竹林、經(jīng)濟林和灌木林的含碳系數(shù)設置為 0.5。
湖南省 2003 年森林植被面積為 1 063.5 萬hm2、2008 年為 1 103.2 萬 hm2、2013 年為 1 078.2萬 hm2,同時森林蓄積量分別為 29 598.9 萬 m3、36 751.1 萬 m3、34 587.8 萬 m3。2008-2013 年間,湖南省森林植被面積和蓄積量分別減少了 25萬 hm2和 2 164 萬 m3(見表 2),這與 2008 年冰災以及生產(chǎn)需求的增加不無關系,但縱觀近 15 年來湖南省森林植被面積和蓄積量,總體仍呈增加趨勢,湖南省森林植被的碳匯功能逐漸增強。
1999-2013 年間,不同樹種的面積和蓄積量表現(xiàn)出不同的變化特征(見圖 1),馬尾松、杉木、櫟類、經(jīng)濟林和灌木林面積所占比重逐漸減少,而針葉樹、闊葉樹、針闊混和竹林的面積增加,其中以馬尾松和杉木的減少程度最突出,分別減少了 9.2% 和 7.9%,針葉樹、闊葉樹和針闊混的增加最明顯,分別增加了 7.8%,10.8% 和7.1%。
表2 1999-2013年間湖南省不同樹種面積、蓄積量、生物量、碳儲量和碳密度變化特征Tab.2 The change characters of area,timber volume,biomass,carbon storage and carbon density for all forest species from 1999 to 2013,Hunan Province
圖1 1999-2013年間不同樹種的面積變化特征Fig.1Change characters of area of different forest species during 1999-2013
1999-2013 年間,湖南省森林植被碳儲量以年均增長率 2.21% 的速度,從 1999 年的 21 651.7萬 t 增加到 2013 年的 30 070.3 萬 t,年均增長了 561.2 萬 t。通過對湖南省 1999-2004 年,2004-2008 年和 2009-2013 年不同樹種碳儲量研究(見表2),闊葉樹的碳儲量在 15 年中均為最高,從 1999年到 2013 年闊葉樹的碳儲量從 6 502.7 萬 t 增加到 12 553 萬 t,共增加了 6 050.3 萬 t,占整個湖南省森林碳儲量的 41.7%,表明闊葉樹在全省森林資源中有著極其重要的地位。與闊葉樹碳儲量比重不斷增加相伴的,是馬尾松、柏木、針闊混、經(jīng)濟林和灌木林的碳儲量的比重不同程度的減少,以柏木的減少趨勢最明顯(見圖 2)??傮w來說,湖南省不同樹種的碳儲量表現(xiàn)依次為:闊葉樹>竹林>杉木>針葉樹>針闊混>經(jīng)濟林>馬尾松>灌木林>櫟類>柏木>楊樹。
圖2 不同樹種的碳儲量變化特征Fig.2The change characters of carbon storage of different forest species in Hunan
湖南省各樹種間的碳密度差異較大(8.4~54.9 t/hm2),最大的為闊葉樹,最小的為馬尾松和灌木林(見表 2)。闊葉樹的碳密度最大,面積也逐漸增加,其碳匯能力最強,雖然杉木的面積和蓄積量均較高,但由于其碳密度不及闊葉樹一半,所以其碳儲量也較闊葉樹低。
天然林按樹齡分布來看,中齡林面積最大,除幼齡林面積呈下降趨勢外,其他齡組面積均呈增加趨勢,2013 年,中齡林面積占湖南現(xiàn)有森林植被面積的 35.0%,幼齡林占 24.8%,近熟林占24.0%,成熟林占 12.7%(見表 3)。各林齡面積大小依次為:中齡林>近熟林>幼齡林>成熟林>過熟林(見圖 3)。
通過不同齡組碳儲量分析可知,幼齡林的碳儲量減少了 210.5 萬 t,而其他各個組分的碳儲量則不斷增加,其中近熟林碳儲量的增加量最大,為 1 460.1 萬 t;其次為成熟林,增加了 947.8 萬t,過熟林增加了 442.6 萬 t,中齡林增加了 429.4萬 t。湖南省森林植被主要分布在中齡林、近熟林和成熟林中,其碳儲量占整個湖南天然林森林植被碳儲量的 88%。通過對不同齡組碳密度的分析可知,碳密度隨齡級的增加而增加(見表 3)。
表3 不同時期湖南省天然林不同齡組的碳儲量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density of different age-classes of natural forest in different periods
圖3 1999-2013年天然林中各齡級面積變化特征Fig.3 The change characters of area of different ageclasses in natural forest during 1999-2013
(1)2013 年湖南省森林植被碳儲量為 30 070萬 t,碳密度為 27.9 t/hm2。對于森林生態(tài)系統(tǒng)中的不同樹種而言,植物碳密度隨著其林齡的增加而增加,在過熟林時其碳密度達到最大[21,32]。經(jīng)上述分析可知,湖南森林植被主要以中齡林、幼齡林和近熟林為主,碳密度提升空間大,碳匯能力尚未達到最強,隨著植被的不斷生長,其固碳能力將進一步增強,碳匯潛力巨大。
(2)從樹種固碳方面來看,湖南省森林植被碳儲量較大的為闊葉樹、竹林、針葉樹和針闊混,表明這些樹種在全省植被固碳中具有重要作用,這些樹種的面積、蓄積量和碳儲量的動態(tài)變化將極大的影響湖南省森林碳儲量的穩(wěn)定發(fā)展。闊葉樹是湖南省森林植被碳儲量的主要貢獻者,且這種貢獻作用在未來很長時間都不會改變。因此,保護好天然闊葉林、鼓勵闊葉樹造林是提高湖南森林碳匯能力的重中之重。
(3)齡組的劃分對象為公益林和用材林,竹度的劃分對象為竹林[33],竹林在湖南省森林植被中是碳儲量較大的植被類型,而一類清查數(shù)據(jù)中不包括竹度數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)的有限性,本文將不同齡組碳儲量變化研究的對象縮小為天然林,雖能定性預測湖南森林植被的碳匯潛力,卻是定量預估湖南省未來碳匯能力的不確定因素,因此,進一步收集數(shù)據(jù)資料定量預估湖南省未來森林植被碳匯能力是今后研究的重要課題。
[1]聶道平,徐德應.全球碳循環(huán)與森林關系的研究—問題與進展[J].世界林業(yè)研究,1997,5(5):33-40.
[2]陶 波,葛全勝,李克讓,等.陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究進展[J].地理研究,2001,20(5):564-575.
[3]劉國華,傅伯杰,方精云.中國森林碳動態(tài)及其對全球平衡的貢獻[J].生態(tài)學報,2000,20(5):733-740.
[4]肖復明.中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究[J].世界林業(yè)研究,2006,19(1):53-57.
[5]徐德應,劉世榮.溫室效應,全球變暖與林業(yè)[J].世界林業(yè)研究,1992,5(1):25-32.
[6]Kramer PJ.Carbon dioxide concentration, photosynthesis,and dry matter production[J].BioScience,1981(31):29-33.
[7]Waring RH,Schlesinger WH.Forest Ecosystems.Concepts and Management[M].Florida:Academic Press,1985.
[8]Dixon RK,Solomon AM,Brown S,et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J].Science,1994(263):185-190.
[9]Roger A,Sedjo.The carbon cycle and global forest ecosystem[J].Water,Air,and Soil Pollution,1993(70):295-307.[10]夏 栗,張 慧,李 科.湖南省森林植被碳儲量及其空間格局特征[J].湖南林業(yè)科技,2017,44(3):1-7.
[11]李??诇Y才,曾偉生.基于森林清查資料的中國森林植被碳儲量[J].林業(yè)科學,2011,47(7):7-12.
[12]李 鑫,歐陽勛志,劉琦璟.江西省 2001-2005 年森林植被碳儲量及區(qū)域分布特征[J].自然資源學報,2011,26(4):655-665.
[13]王效科,馮宗煒,歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量和碳密度研究[J].應用生態(tài)學報,2001,12(1):13-16.
[14]王雪軍,黃國勝,孫玉軍.近 20 年遼寧省森林碳儲量及其動態(tài)變化[J].生態(tài)學報,2008,28(10):4757-4764.
[15]李 佳,邵全琴,劉紀遠.江西省興國縣森林碳儲量動態(tài)變化特征[J].西北林學院學報,2010,27(2):163-168.
[16]White T.,Luckai N.,Larocque G.R.,et.al.A practical approach for assessing the sensitivity of the Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector(CBM-CFS3)[J].Ecological Modelling,2008(219):373-382.
[17]Kurz W.A.,Dymond C.C.,White T.M.,et al.CBM-CFS3:A model of carbon-dynamics in forestry and land-use change implementing IPCC standards[J].Ecological Modelling,2009(220):480-504.
[18]Trofymow J.A.,Stinson G.,Kurz W.A.Derivation of a spatially explicit 86-year retrospective carbon budget for a landscape undergoing conversion from old-growth to managed forest on Vancouver Island, BC[J].Forest Ecology and Management,2008(256):1677-1691.
[19]Apps M.J.,Kurz W.A.,Beukema S.J.,et.al.Carbon budget of the Canadian forest product sector[J].Environmental Science& Poliy,1999(2):25-41.
[20]IPCC.2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories[M].UK:Cambridge University Press,2006.
[21]Fang J.Y.,Chen A.P.,Peng C.H.,et.al.Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998[J].Science,2001(292):2320-2322.
[22]Zhou G.S.,Wang Y.H.,Jiang Y.L.Estimation biomass and net primary production from forest inventory data:a case study of China's Larix forests[J].Forest Ecology and Management,2002(169):149-157.
[23]趙 敏,周廣勝.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳貯量及其影響因子分析[J].地理科學,2004,24(1):50-54.
[24]楊傳金,楊 帆,梅 浩,等.區(qū)域森林碳儲量估算方法概述 [J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2012,32(3):62-66.
[25]楊湘桃,薛生國.湖南森林資源地理特征研究[J].經(jīng)濟地理,2001,21(6):736-740.
[26]湖南省森林資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心.湖南省 2016 年度森林資源統(tǒng)計年報[M].長沙:湖南省森林資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,2016:2.
[27]馮宗煒,王效科,吳 剛.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量與生產(chǎn)力[M].北京:科學出版社,1999.
[28]方精云,劉國華,徐嵩齡.我國森林植被生物量和凈生產(chǎn)力[J].生態(tài)學報,1996,16(5):497-508.
[29]郭兆迪,胡會峰,李 品.1977~2008 年中國森林生物量碳匯的時空變化[J].中國科學:生命科學,2013,43(5):421~431.
[30]聶道平.毛竹林結(jié)構(gòu)的動態(tài)特征[J].林業(yè)科學,1994,30(3):201~208.
[31]金小華,等.安徽黟縣次生灌叢和灌草叢生產(chǎn)力的研究[J].植物生態(tài)學與地植物學學報,1990,14(3):267~273.
[32]王效科,馮宗煒.中國森林生態(tài)系統(tǒng)植物固定大氣碳的潛力[J].生態(tài)學雜志,2000,19(4):72-76.
[33]湖南省林業(yè)廳.湖南省森林資源規(guī)劃設計調(diào)查技術(shù)規(guī)定[R].2013:18.