伍琪，任世奇*，韋振道，任一平

人工林碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展

伍琪1，任世奇1*，韋振道1，任一平2

(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院/南寧桉樹(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)廣西野外科學(xué)觀測(cè)研究站，廣西 南寧 530002；2.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530004)

為了解人工林在我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)乃至整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用，在梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分別從影響因素和研究方法兩方面對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出了新的研究方向，以期為人工林經(jīng)營(yíng)管理和人工林碳儲(chǔ)量計(jì)算提供理論依據(jù)。

人工林；碳儲(chǔ)量；影響因素；研究方法

碳達(dá)峰、碳中和是目前全球范圍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能便是實(shí)現(xiàn)碳中和的有效手段之一[1]。森林碳儲(chǔ)量占陸地碳儲(chǔ)量的33% ～ 46%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫(kù)[2]。圍繞森林碳儲(chǔ)量，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者采用不同研究方法從不同尺度分別開(kāi)展了估算工作。方精云等[3-4]研究表明，人工林是中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量增加的主要貢獻(xiàn)者。營(yíng)造人工林已成為固定大氣中的CO2、防止全球氣候繼續(xù)變暖的有效途徑之一[5-6]。我國(guó)是世界人工林第一大國(guó)[7-8]，截至2021年，人工林面積已占全球73%[1]，但目前我國(guó)人工林主要以幼林齡和中林齡為主，且普遍存在穩(wěn)定性差、樹(shù)種單一、生物多樣性差、質(zhì)量低下等問(wèn)題[9]。隨著人工林幼林齡和中林齡的生長(zhǎng)、人工林管理水平的不斷提高，根據(jù)碳匯潛力的變化調(diào)整人工林經(jīng)營(yíng)管理措施，將會(huì)使我國(guó)人工林在碳密度和碳儲(chǔ)量方面產(chǎn)生巨大的增長(zhǎng)空間[10]。因此，深入研究人工林碳儲(chǔ)量，對(duì)我國(guó)實(shí)施CO2減排，實(shí)現(xiàn)2060年碳中和戰(zhàn)略具有重要意義。本文在梳理了相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，從影響因素、研究方法等方面對(duì)人工林碳儲(chǔ)量目前的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并探討存在問(wèn)題，提出研究展望，以期為估算人工林碳儲(chǔ)量、評(píng)估碳匯價(jià)值、優(yōu)化人工林經(jīng)營(yíng)模式、增強(qiáng)人工林固碳能力提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 人工林碳儲(chǔ)量

人工林碳儲(chǔ)量指的是林木的生物量(根、莖、葉、果、皮等)、林下植被層生物量、林下凋落物、枯死木以及林地土壤中碳的儲(chǔ)量總和[11]。有研究顯示，關(guān)于森林碳儲(chǔ)量的報(bào)道最早出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，PAUL[12]研究了森林集約經(jīng)營(yíng)對(duì)其碳儲(chǔ)量的影響；國(guó)內(nèi)阮宏華等[13]最先進(jìn)行了蘇南丘陵地區(qū)森林碳儲(chǔ)量研究。進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)ANG等[14]采用第1 ～ 5次森林資源清查數(shù)據(jù)估算我國(guó)森林碳儲(chǔ)量，證明我國(guó)森林對(duì)碳匯具有重要作用，從而使我國(guó)在森林生物量及碳儲(chǔ)量研究方面取得了重大突破。

2 影響因素

人工林固碳能力通常會(huì)受到多種因素的影響，大致可分為自然條件和人為因素。自然條件包括氣候(如氣溫、光照、降水)、地形(如海拔、坡向、坡度)、土壤等，人為因素包括樹(shù)種選擇、經(jīng)營(yíng)管理措施等，其中樹(shù)種類型、林分年齡、林分密度、營(yíng)林措施被認(rèn)為是對(duì)人工林碳儲(chǔ)量影響的四大主要因素[15]。

2.1 樹(shù)種類型

不同人工林樹(shù)種固碳能力各不相同，樹(shù)種類型是決定人工林碳儲(chǔ)量的重要因素之一[16]。人工林的樹(shù)種組成不同，冠層的光合固定能力差異顯著，進(jìn)而導(dǎo)致凋落物產(chǎn)量、質(zhì)量、種類也各不相同，從而不同程度影響人工林生態(tài)系統(tǒng)碳源和碳匯功能。例如，意大利中部山毛櫸()人工林每年固碳量為450 gC·m?2，俄羅斯西伯利亞?wèn)|部歐洲赤松()林年固碳量為440 gC·m?2，而瑞典中部挪威云杉()林年固碳量為70 ～ 220 gC·m?2[17]。我國(guó)有研究者對(duì)安徽省喬木林固碳能力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，年均固碳能力依次排序?yàn)樯寄?)>馬尾松()>楊樹(shù)(spp.)[18]。廣西羅城馬尾松、杉木、桉樹(shù)(spp.)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)：杉木>馬尾松>桉樹(shù)[19]。還有研究者對(duì)我國(guó)6種主要人工喬木林2009—2018年碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)杉木>楊樹(shù)>落葉松()>桉樹(shù)>馬尾松>油松[1]。河北省喬木林2018年碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)櫟類>樺木(spp.)>楊樹(shù)>油松()>落葉松>刺槐()>榆樹(shù)()>闊葉混[20]。可見(jiàn)，不同樹(shù)種的碳密度差異較大，總體上針葉類碳密度低于闊葉類[21]；而多樹(shù)種組成的人工林比純林具有更高的土壤碳固定能力[22]。

2.2 林齡

有關(guān)不同齡組桉樹(shù)碳儲(chǔ)量變化規(guī)律的研究結(jié)果表明[23-25]，桉樹(shù)人工林固碳量大小為中齡林>近熟林>幼齡林>成熟林>過(guò)熟林，其中樹(shù)干有機(jī)碳貯量所占比例迅速增大，樹(shù)枝、樹(shù)皮、樹(shù)根反而逐漸減小，樹(shù)葉占比呈先增大后減小趨勢(shì)。肖君等[21]對(duì)福建省天然喬木林碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化研究發(fā)現(xiàn)，其碳儲(chǔ)量大小依次為中齡林>近熟林>成熟林>幼齡林>過(guò)熟林，這與桉樹(shù)人工林稍有差別。陶玉華等[19]對(duì)不同林齡馬尾松、杉木、桉樹(shù)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)，馬尾松和桉樹(shù)碳儲(chǔ)量均隨著林齡增加而增大，杉木碳儲(chǔ)量則表現(xiàn)為過(guò)熟林>成熟林>中齡林>近熟林>幼齡林。林齡對(duì)各林型生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲(chǔ)量分配的影響不同，地上碳儲(chǔ)量隨林齡的增大而呈逐漸增加的趨勢(shì)，地下碳儲(chǔ)量隨林齡的變化表現(xiàn)不同[20,26]。魏文俊等[27]的研究結(jié)果表明，杉木人工林喬木層碳密度隨著林齡的增大而增加，卻隨著林分密度的增大而減小，同時(shí)坡向和林分郁閉度對(duì)杉木喬木層碳密度影響顯著。

2.3 林分密度

林分密度調(diào)控通過(guò)改變林分小氣候條件直接對(duì)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生影響[28]，林分密度與林分生物量之間的相互影響尤為復(fù)雜，原因是溫度、水分、光照等環(huán)境因子均在其中起到了一定的作用[29]。目前，關(guān)于林分密度對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響研究已有部分進(jìn)展，但結(jié)論不統(tǒng)一。例如，研究者對(duì)不同密度濕地松()人工林碳儲(chǔ)量研究發(fā)現(xiàn)，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨密度的增加而增大[30-31]；對(duì)側(cè)柏()[32]、馬尾松[33]、美國(guó)黑松()[34]進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨密度的增加而減小。這主要是因?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，林分密度對(duì)各個(gè)部分影響各不相同，比如隨著林分密度的增加，林下植被層碳儲(chǔ)量逐漸減小[33-35]，但人工林立木碳儲(chǔ)量隨林分密度的增加而增大[36]。研究顯示[30,34,37-38]，林分密度增高或降低，其林分碳儲(chǔ)量空間分配均表現(xiàn)為土壤層>植被層>凋落物層，即這三個(gè)部分隨林分密度變化產(chǎn)生的不同結(jié)果導(dǎo)致了不同密度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量結(jié)果的差異。可見(jiàn)，林分密度對(duì)人工林生物量及碳儲(chǔ)量影響較大，因此，合理控制林分經(jīng)營(yíng)密度是森林培育的重要技術(shù)調(diào)控措施，控制適合的林分密度能有效提高林分總生物量與碳儲(chǔ)量[36]。

2.4 營(yíng)林措施

施肥、疏伐、控制競(jìng)爭(zhēng)等措施有利于森林碳儲(chǔ)量的增加[12]。林冠層間伐有利于提高林地光能利用率，促進(jìn)林下更新，彌補(bǔ)移出木碳儲(chǔ)量[39]；林下層間伐能顯著增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[40-41]。同時(shí)，任何疏伐體系的固碳量均比未疏伐的情況多，但不同疏伐體系間存在一定的差異[42]，低強(qiáng)度的經(jīng)營(yíng)管理可以促進(jìn)林分的碳固定[43-44]，采育結(jié)合的經(jīng)營(yíng)方式更有利于提高樹(shù)干、樹(shù)枝和根系的碳儲(chǔ)量[45]。輪伐對(duì)森林碳儲(chǔ)量的影響研究結(jié)果表明，若樹(shù)種生物學(xué)輪伐期比所選擇的輪伐期短，則采伐木材中碳儲(chǔ)量要比中間階段采伐的大[46]。張劍等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與連栽杉木純林相比，杉木輪栽模式顯著增加了土壤微生物量碳含量，同時(shí)提高了土壤微生物對(duì)底物的利用率。相對(duì)于林分總碳儲(chǔ)量而言，輪伐期越長(zhǎng)，最終一次采伐時(shí)林分碳儲(chǔ)量比例就越高[47]。與傳統(tǒng)的短期輪伐期經(jīng)營(yíng)管理體系相比較，延長(zhǎng)輪伐期會(huì)導(dǎo)致采伐率降低[48]，此時(shí)一部分碳庫(kù)增加如立木中的碳，另一部分碳庫(kù)減少如林木產(chǎn)品中的碳[49]。由此可見(jiàn)，增加人工林碳儲(chǔ)量的森林經(jīng)營(yíng)管理策略主要包括：采用適宜的營(yíng)林技術(shù)，如優(yōu)化物種組成、部分采伐、疏伐等來(lái)維持或增加林分水平的碳密度；采用森林保護(hù)、輪伐期延長(zhǎng)、火災(zāi)管理和病蟲(chóng)害防治來(lái)維持或增加景觀水平的碳密度[50]。

3 研究方法

目前，人工林碳儲(chǔ)量估算多是通過(guò)森林生物量轉(zhuǎn)換，即通過(guò)直接或間接估算得到森林生物量，再乘以碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)得到碳儲(chǔ)量[51]。因此，人工林生物量的準(zhǔn)確估算是核算其碳儲(chǔ)量及其變化的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[11]。生物量數(shù)據(jù)的來(lái)源一般可分為收獲法和間接估計(jì)法，其中收獲法主要包括樣地清查法，而間接估算法主要包括微氣象學(xué)法、遙感估算法和模型模擬法[52]。

3.1 樣地清查法

樣地清查法可分為平均生物量法、生物量轉(zhuǎn)換因子法和生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法[53-55]。平均生物量法是用實(shí)測(cè)獲得的野外樣本平均生物量乘以相應(yīng)森林類型的面積，得到森林生物量，該方法雖然工作量大但后續(xù)操作簡(jiǎn)便，在國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)期間被廣泛使用[56]，主要適宜于林分大小分散度中等、正態(tài)分布的人工林[57]。生物量轉(zhuǎn)換因子法，又稱材積源生物量法，是用生物量與森林材積之比(BEF)的平均值乘以森林的總蓄積量，獲得森林生物量，該方法在區(qū)域尺度上，對(duì)提高生物量與碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要作用[3]。生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法是將單一不變的生物量換算因子轉(zhuǎn)化為齡級(jí)的換算因子，即林分材積可以作為轉(zhuǎn)換因子的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)樣地實(shí)地調(diào)查到區(qū)域投影下的尺度轉(zhuǎn)換，以此為基礎(chǔ)估算區(qū)域尺度上的森林生物量。方精云等[58]認(rèn)為林分密度、林齡、立地條件等因素均可以通過(guò)林分材積來(lái)綜合反映，因此可將其作為換算因子的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單樣地調(diào)查到區(qū)域尺度推算的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而推算出森林生物量。

3.2 微氣象學(xué)法

微氣象學(xué)主要包括箱式法、渦旋相關(guān)法和弛豫渦旋積累法，該方法是生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)的有效結(jié)合，通過(guò)測(cè)量地面附近湍流度和被測(cè)氣體濃度的變化來(lái)計(jì)算被測(cè)氣體的通量[59]。箱式法可間接估算CO2通量，對(duì)各器官弄能團(tuán)進(jìn)行定量測(cè)定，但不適用于測(cè)定整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量；渦旋相關(guān)法測(cè)量精度高，可長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但維護(hù)成本較高；弛豫渦旋積累法適用于進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，但不可用于監(jiān)測(cè)具有強(qiáng)烈異質(zhì)性的大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)[60]。渦度相關(guān)法是微氣象學(xué)方法的代表[15]，我國(guó)哀牢山站、西雙版納站、長(zhǎng)白山站等多個(gè)站點(diǎn)均相繼開(kāi)展了基于渦度相關(guān)法的森林碳通量多途徑交互驗(yàn)證[61-64]。

3.3 遙感估算法

遙感估算法主要是通過(guò)地理信息技術(shù)獲取植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，完成植被的時(shí)空分布及狀態(tài)分析，從而獲得碳儲(chǔ)量[65]。該方法的理論基礎(chǔ)為植被通過(guò)光合作用積累生物量，通過(guò)分析遙感影像中不同植被的光譜特性，從而建立植被光譜信息和實(shí)測(cè)生物量之間的數(shù)學(xué)模型[66]。王雪峰等[67]通過(guò)分析林木圖像分類算法，提出一個(gè)與林木碳儲(chǔ)量關(guān)系緊密的參數(shù)并給出其圖像計(jì)算方法，以該參數(shù)為自變量，建立預(yù)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳儲(chǔ)量的估計(jì)。近年來(lái)，利用激光雷達(dá)(LiDAR)遙感觀測(cè)估計(jì)森林生物量進(jìn)展迅速[68]，該方法比采用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)精度更高，可直接測(cè)量森林垂直結(jié)構(gòu)，估算生物量[69]。該方法由于成本高等問(wèn)題嚴(yán)重限制了其使用和推廣力度。

3.4 模型模擬法

模型模擬法主要通過(guò)將生理因素(如植物生長(zhǎng)等)或生態(tài)因素(如環(huán)境等)以數(shù)學(xué)模擬的方式擬合建立模型，進(jìn)而估算森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量及碳儲(chǔ)量[59]，包括氣候-植被相關(guān)模型、生物地理模型、生物地球化學(xué)模型等[70]。其中氣候-植被相關(guān)模型可預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)碳平衡的影響，但未將土地利用、覆蓋變化及人為活動(dòng)的影響考慮在內(nèi)；生物地理模型能清晰模擬短時(shí)間內(nèi)陸地表面碳通量和氣候變化，但未考慮植被結(jié)構(gòu)和組成對(duì)CO2等變量長(zhǎng)期響應(yīng)過(guò)程，因此易造成誤差；生物地球化學(xué)模型能準(zhǔn)確模擬植被與外界環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)反饋，但不適于分析長(zhǎng)期氣候變化影響[60]。

4 展望

掌握我國(guó)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究動(dòng)態(tài)，不僅能為進(jìn)一步了解本地區(qū)碳在人工林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中的重要特征提供依據(jù)，還能為增強(qiáng)我國(guó)人工林碳匯能力，促進(jìn)全國(guó)林業(yè)建設(shè)發(fā)展，乃至對(duì)全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

(1)根據(jù)現(xiàn)有模型模擬計(jì)算獲得人工林碳儲(chǔ)量差異很大。主要原因在于樹(shù)種不同、徑級(jí)不同、生物量分配特征不同，用統(tǒng)一的生物量回歸模型很難準(zhǔn)確估算人工林生態(tài)系統(tǒng)中所有樹(shù)種的生物量[15]?；诖罅繉?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，按照不同樹(shù)種、不同徑級(jí)組分別建立生物量碳儲(chǔ)量回歸模型，同時(shí)綜合運(yùn)用多種方法對(duì)比研究減少誤差已成為主要趨勢(shì)[71-72]。這對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)我國(guó)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量具有重要意義。

(2)人工林碳儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)觀測(cè)研究。目前大部分研究均采用空間替代時(shí)間的方式對(duì)人工林生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行觀測(cè)及計(jì)算[73-74]，而沒(méi)有進(jìn)行長(zhǎng)期取樣監(jiān)測(cè)。觀測(cè)人工林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，總結(jié)各個(gè)林型生物量及碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化特征，掌握人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配格局，對(duì)人工林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)以及未來(lái)碳儲(chǔ)量潛力估算均具有重要的科學(xué)價(jià)值。

(3)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究缺乏對(duì)機(jī)理模型的探索[15]。隨著生態(tài)學(xué)的發(fā)展，儀器設(shè)備不斷更新、分析手段日趨成熟，結(jié)合人工林樹(shù)木生長(zhǎng)信息如光合作用、養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程等建立生物生長(zhǎng)過(guò)程的機(jī)理模型已成為主要方向。利用多源數(shù)據(jù)綜合驅(qū)動(dòng)統(tǒng)計(jì)模型、物理模型、機(jī)理模型，研究不同尺度數(shù)據(jù)源之間的有效協(xié)同[75]，模擬現(xiàn)實(shí)人工林碳匯及分布情況，對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)碳匯能力，改進(jìn)碳匯林培育措施具有重要科學(xué)指導(dǎo)意義。

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Research Progress on Carbon Storage by Plantations

WU Qi1, REN Shiqi1*, WEI Zhendao1, REN Yiping2

()

In order to understand the carbon sequestration of artificial forests in China's forest ecosystem and even the whole terrestrial ecosystem, a survey was carried out of a large number of relevant published reports from Chinese and international sources. Based on this survey, this paper summarizes the research progress of artificial forest ecosystem carbon storage from the two aspects of influencing factors and research methods. This then provided a basis for identifying and proposing new development directions, with the aim to provide theoretical basis for the management of artificial forests and the calculation of artificial forest carbon storage.

plantation; carbon storage; influence factor; research method

S718.55+6

A

10.13987/j.cnki.askj.2022.04.011

廣西林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目(桂林科研〔2021〕28號(hào))；廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目-廣西科技基地和人才專項(xiàng)(桂科AD20325008)；廣西林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目(〔2021〕GT15號(hào))

伍琪(1986— )，女，博士，高級(jí)工程師，從事森林生態(tài)與纖維材料研究。E-mail:549391722@qq.com

任世奇(1984— )，男，博士，高級(jí)工程師，從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:592566935@qq.com