張凱迪，蘇建蘭

（西南林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南 昆明 650224）

自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入大量二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體引起了極端天氣頻發(fā)、旱澇加劇等一系列惡果，應(yīng)對氣候變化逐漸成為國際社會普遍關(guān)心的重大全球性問題，為此，各國都在積極尋求各種途徑推動(dòng)以CO2為主體溫室氣體的減排和吸收來應(yīng)對全球氣候變化。相對于工業(yè)直接減排，森林碳匯間接減排更具低成本高效益和實(shí)際可操作性[1]，是全球公認(rèn)的低成本減排手段[2]，是世界各國應(yīng)對氣候變化的重要策略[3]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要主體，其在維護(hù)生態(tài)平衡、促進(jìn)全球碳循環(huán)和緩解全球氣候變暖方面有著巨大貢獻(xiàn)[4]，但人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)張和自然資源的無序開發(fā)使得世界范圍內(nèi)大規(guī)模的森林資源遭到破壞[5]，以防御自然災(zāi)害、保護(hù)生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡為目的的防護(hù)林工程建設(shè)逐漸受到世界各國的重視。中國是繼美國和前蘇聯(lián)之后以國家運(yùn)作方式開展大規(guī)模防護(hù)林建設(shè)的國家[6]，自20 世紀(jì)50年代以來我國區(qū)域性的防護(hù)林營造活動(dòng)一直持續(xù)，三北防護(hù)林工程的興建標(biāo)志著我國森林資源進(jìn)入生態(tài)——經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[7]，我國防護(hù)林工程逐步向區(qū)域綜合性、生態(tài)經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展。防護(hù)林學(xué)和防護(hù)林實(shí)踐的不斷發(fā)展使得防護(hù)林在我國的森林資源中占據(jù)十分重要的地位[8,9]，防護(hù)林工程建設(shè)不僅是我國的林業(yè)重點(diǎn)工程之一，還是我國應(yīng)對氣候變化及實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要陣地。

近年來有關(guān)防護(hù)林體系工程的研究不少，但主要集中于對防護(hù)林工程生態(tài)效益的評價(jià)[10]，或者對防護(hù)林工程的建設(shè)成效和存在問題進(jìn)行分析[11,12]，也有部分學(xué)者基于區(qū)域尺度、影響因素等角度分析防護(hù)林的碳儲量[13,14]，不同學(xué)者對于防護(hù)林的研究逐漸從單學(xué)科轉(zhuǎn)向多方面、多層次的研究，在防護(hù)林營建經(jīng)營和技術(shù)層面給予支持，但對于宏觀層面的防護(hù)林碳儲量貢獻(xiàn)分析較為缺乏。我國防護(hù)林資源優(yōu)勢使得提高防護(hù)林經(jīng)營管理水平和充分發(fā)揮防護(hù)林碳匯價(jià)值對我國自主減排承諾和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著關(guān)鍵作用，因此，本文基于1984-2018 年全國森林資源清查數(shù)據(jù)分析不同清查期間我國防護(hù)林碳儲量、碳密度動(dòng)態(tài)變化并對碳儲潛力進(jìn)行預(yù)測，旨在了解我國防護(hù)林碳儲量動(dòng)態(tài)變化特征，評價(jià)我國防護(hù)林固碳潛力，為我國防護(hù)林資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可持續(xù)經(jīng)營管理及増匯對策提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

從第3 次全國森林資源清查開始將不同林種喬木林分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林5 個(gè)齡組。本文采用生物量轉(zhuǎn)換因子法，需要以不同林種喬木林的五個(gè)齡級的蓄積量數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)碳儲量測算，因此，以第3 次全國森林資源清查（1984—1988 年）至第九次全國森林資源清查（2014-2018 年）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)估算不同清查期間中國防護(hù)林的碳儲量和碳密度，并對其動(dòng)態(tài)特征展開分析。

1.2 研究方法

1.2.1 森林碳儲量估算

生物量轉(zhuǎn)換因子法通過考慮生物量與蓄積量的關(guān)系，根據(jù)不同樹種的不同含碳率、不同生物量轉(zhuǎn)換因子、不同的木材密度和根莖比等角度對中國防護(hù)林各齡組碳儲量以及不同起源防護(hù)林碳儲量進(jìn)行估算。

生物量轉(zhuǎn)換因子法計(jì)算公式如下：

式中，Ct 為某一森林植被的單位碳儲量(109kg)，Vj,k為某一樹組某一齡級的單位蓄積量（m3），WDj為某一樹組的基本木材密度（t/m3），BEFj,k為生物量轉(zhuǎn)換因子，RSRj,k為某一樹組的根莖比，CFj為林木生物量中有機(jī)碳占有機(jī)質(zhì)總量的比值（%）。BEFj,k、RSRj,k實(shí)際計(jì)算時(shí)針對不同林種不同齡組采納不同數(shù)值；WDj、CFj則采用各省份對應(yīng)的加權(quán)平均值以減少估算過程中造成的誤差。

1.2.2 森林碳密度估算

碳密度是森林單位面積的碳儲量，是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)，通過對碳密度的合理估算和動(dòng)態(tài)分析可以為后續(xù)森林經(jīng)營管理和穩(wěn)碳增匯措施的提出提供科學(xué)依據(jù)。

本文采用的碳密度計(jì)算公式為：

式中：p 為碳密度（t/hm2）；S 為某一樹種林地面積（hm2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國防護(hù)林碳儲量碳密度動(dòng)態(tài)

第3 次清查期間，中國防護(hù)林碳儲量達(dá)58 507.76 萬t，占同期中國喬木林總碳儲量的15.69%；第九次清查期間中國防護(hù)林碳儲量達(dá)400 899.93 萬t，對同期中國喬木林總碳儲量的貢獻(xiàn)率增加至51.57%，年均增長量為9 782.63 萬t。不同清查期間中國防護(hù)林碳儲總量呈增加趨勢，各清查期間防護(hù)林碳儲量均表現(xiàn)為碳匯，研究期間中國防護(hù)林總平均碳密度呈升-降-升的趨勢。

7 次清查期間，中國防護(hù)林分別儲存了中國喬木林總碳儲量的15.69%、16.92%、18.77%、43.75%、54.50%、53.42%、51.57%，期間中國防護(hù)林碳儲總量凈增加342 392.17 萬t，占全國喬木林碳儲量總增加量的84.64%，表明防護(hù)林在全國喬木林的固碳能力中占據(jù)絕對優(yōu)勢。研究期間，中國防護(hù)林碳密度在40.19 t/hm2- 48.03 t/hm2區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，防護(hù)林總平均碳密度在第四次清查期間達(dá)到最高值48.03 t/hm2；第5 至第7 次清查期間防護(hù)林碳密度下降主要原因是此期間中幼齡防護(hù)林不斷增加而過熟防護(hù)林增加量較少甚至出現(xiàn)負(fù)增長；碳密度的增加得益于防護(hù)林蓄積的增加和林木生長的雙重作用，第9 次清查期間防護(hù)林的碳密度僅僅處于近30 年來的中等偏上水平，而從單位面積蓄積角度來看，第九次清查期間中國防護(hù)林單位面積蓄積（82.97 m3/hm2）卻達(dá)到整個(gè)研究期間的最高水平，這說明我國部分地區(qū)在防護(hù)林樹種選擇上可以進(jìn)行優(yōu)化，在新造林地上可以選擇適宜本地生長的、固碳能力較強(qiáng)的優(yōu)勢樹種。

2.2 中國防護(hù)林分類碳儲量碳密度動(dòng)態(tài)

2.2.1 不同齡組防護(hù)林碳儲量、碳密度動(dòng)態(tài)變化

森林碳儲量與森林齡級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，林木自身的生長和外界干擾都會影響林齡的整體結(jié)構(gòu)。7 次清查期間，中齡防護(hù)林碳儲量長期處于主體地位，占同期防護(hù)林碳儲總量的比例 （22.43%、22.52%、21.40%、24.78%、31.28%、30.79%、31.46%）也在波動(dòng)中呈上升趨勢；研究期間近熟林和成熟林碳儲量一直處于穩(wěn)步增加的狀態(tài)，近熟林碳儲量貢獻(xiàn)率（12.16%、13.33%、13.01%、16.82%、18.50%、18.86%、19.67%）逐期增加，但成熟林碳儲量貢獻(xiàn)率（33.27%、31.37%、26.05%、28.05%、23.59%、23.21%、22.40%）卻逐期減少，說明成熟防護(hù)林的林木資源保護(hù)和林木經(jīng)營管理需要更加重視；第3 至第5 次清查期間，過熟防護(hù)林碳儲量貢獻(xiàn)率最高可達(dá)31.91%，但從第六次清查期間開始雖然其碳儲量在波動(dòng)中呈小幅增加趨勢，但其碳儲量貢獻(xiàn)率在逐期下降（20.25%、15.57%、16.13%、14.04%），僅次于位于末位的幼齡林之前，不僅因?yàn)槠涿娣e增加量較少甚至是負(fù)增加，還因其碳密度的逐期下降所導(dǎo)致；研究期間幼齡防護(hù)林面積占有率在整個(gè)研究期間均處于首位，但幼齡林碳密度較低的特性使得其碳儲量貢獻(xiàn)率長期處于較低水平（8.87%～12.47%之間），若后期加強(qiáng)科學(xué)撫育和經(jīng)營管理，現(xiàn)有防護(hù)林資源隨著林木的生長和成熟具有較大固碳潛力。

碳密度可有效評價(jià)森林的管護(hù)水平，研究期間中國防護(hù)林總平均碳密度隨齡級的增加而增加（幼齡林＜中齡林＜近熟林＜成熟林＜過熟林），且不同齡級間防護(hù)林碳密度水平增幅較大，與幼齡林相比過熟林碳密度長期居于較高水平，中國防護(hù)林總平均碳密度特征符合森林植被碳密度隨齡級增加而增加的特性。整個(gè)研究期間過熟林碳密度呈升-降的趨勢，成熟林碳密度水平位于過熟林之后，其動(dòng)態(tài)變化與過熟林一致，說明成熟林和過熟林在近些年中被干擾程度較大，林分質(zhì)量在不斷下降；研究期間近熟林碳密度呈穩(wěn)步增加趨勢，由第三次清查期間的45.62 t/hm2增長到第九次清查期間的54.64 t/hm2；中齡林相較于其他齡組（除幼齡林外）來說其碳密度處于較低水平，得益于蓄積方面的優(yōu)勢使其碳儲量貢獻(xiàn)率長期處于較高水平；盡管整個(gè)研究期間幼齡林面積占比長期處于絕對優(yōu)勢，但其碳密度遠(yuǎn)低于其他齡級林木碳密度。

2.2.2 不同起源防護(hù)林碳儲量、碳密度動(dòng)態(tài)變化

全國森林資源清查從第3 次開始專門有針對防護(hù)林面積和蓄積的統(tǒng)計(jì)，從第4 次全國森林資源清查期間開始才有針對不同起源防護(hù)林的統(tǒng)計(jì)。連續(xù)6 次森林資源清查期間，中國天然防護(hù)林碳儲量呈上升趨勢，凈增加231 537.95 萬t，占中國防護(hù)林總碳儲量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 萬t； 中國人工防護(hù)林碳儲量也在波動(dòng)中呈上升趨勢，整個(gè)研究期間凈增加44 980.89 萬t，人工防護(hù)林在第9 次清查期間達(dá)到最大（53 312.35 萬t），但也僅占同期防護(hù)林碳儲總量的16.27%。各清查期間中國天然防護(hù)林碳儲量占同期中國防護(hù)林碳儲總量的比例 （93.30%、91.57%、93.42%、91.21%、89.21%、86.70%）呈下降趨勢，相反人工防護(hù)林碳儲量占同期中國防護(hù)林碳儲量比例在不斷增加，二者的面積變化與同期碳儲量動(dòng)態(tài)變化基本一致。雖然中國人工防護(hù)林相較于天然防護(hù)林來說貢獻(xiàn)率水平較低，但其逐步提升的碳儲能力和碳密度動(dòng)態(tài)變化特征無疑為部分地區(qū)后續(xù)防護(hù)林工程建設(shè)提供新思路。

人工林普遍面臨著樹種單一、林木結(jié)構(gòu)簡單、易感染病蟲害等問題，使得普遍情況下人工林碳密度和碳儲量都處于較低水平。研究期間，各清查期間中國天然防護(hù)林平均碳密度遠(yuǎn)高于人工防護(hù)林平均碳密度，但二者之間的差值在逐期減少，由第4 次清查期間的35.42 t/hm2的差值減少到第9 次清查期間的23.06 t/hm2的差值。中國天然防護(hù)林碳密度隨齡級的增加而增加，且相鄰齡組間碳密度差值較大，過熟林碳密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于幼齡林碳密度。自第7 次清查期間起中國人工防護(hù)林碳密度隨齡級增加呈升-降的趨勢（成熟林＞過熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林），但其不同齡級之間差值較小。人工防護(hù)林進(jìn)入過熟林階段碳密度有所下降，主要是因?yàn)槿斯し雷o(hù)林林分結(jié)構(gòu)簡單，且隨著林木的生長個(gè)體間競爭逐漸激烈，受抑制的過熟林加速老化和死亡，而各齡級人工防護(hù)林碳密度水平在不同清查期間的穩(wěn)步提升可以看作是中國人工防護(hù)林林分結(jié)構(gòu)、林分質(zhì)量不斷提升和優(yōu)化的信號。

圖2 中國不同起源防護(hù)林碳儲量、碳密度

2.3 不同地區(qū)防護(hù)林碳儲能力

西南地區(qū)防護(hù)林碳儲量處于中國防護(hù)林碳儲總量的主體地位，研究期間其碳儲量貢獻(xiàn)率 （56.41%、38.42%、39.66%、62.59%、43.25%、41.38%、37.56%）較高是面積優(yōu)勢和碳密度較高的雙重作用，研究期間其防護(hù)林碳密度處于58.93 t/hm2～77.23 t/hm2之間。華北和東北地區(qū)防護(hù)林面積差別不大但碳儲量有較大差值的原因在于東北地區(qū)防護(hù)林碳密度較高，不同的地理特征、不同的優(yōu)勢樹種及林齡組成合理度都是造成防護(hù)林碳密度差別的原因。西北地區(qū)防護(hù)林碳儲量、碳密度長期處于六大區(qū)的中間水平。中南地區(qū)碳密度長期處于較低水平（17.12 t/hm2～25.42 t/hm2）。人工防護(hù)林是東南沿海地區(qū)防護(hù)林的主力軍，東南沿海地區(qū)總平均碳密度水平接近華北地區(qū)說明人工防護(hù)林對于促進(jìn)部分地區(qū)生態(tài)穩(wěn)定及碳匯貢獻(xiàn)具有一定優(yōu)勢。

3 中國防護(hù)林碳儲量潛力預(yù)測

3.1 預(yù)測模型構(gòu)建

灰色模型可以通過少量、不完全的信息，建立灰色微分預(yù)測模型，并對事物發(fā)展規(guī)律作出模糊性的長期描述。GM(1,1)灰色預(yù)測模型具有根據(jù)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測、操作實(shí)用性強(qiáng)、預(yù)測結(jié)果較為合理及準(zhǔn)確等特點(diǎn)。其基本原理為：

建立變量對時(shí)間的一階線性微分方程：

a，b 為待定參數(shù)，并將上式寫成矩陣形式：

即xβ=Y，由最小二乘法確定參數(shù)矩陣β 的估計(jì)值：

得到參數(shù)a，b 的估計(jì)值，得到GM(1,1)的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)：

將累積預(yù)測值回代便得到各期預(yù)測值。

3.2 中國防護(hù)林碳儲量潛力預(yù)測

本研究首先采用Excel 對各清查期間中國防護(hù)林碳儲量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并用SPSS軟件進(jìn)行編程和相關(guān)預(yù)測實(shí)現(xiàn)。利用GM(1,1)灰色預(yù)測模型對中國防護(hù)林碳儲量的預(yù)測值與中國防護(hù)林碳儲量實(shí)際值對比結(jié)果如表1 所示:

表1 中國防護(hù)林碳儲量實(shí)際值與預(yù)測值比照表

表2 中國防護(hù)林面積及碳儲量預(yù)測

GM(1,1)灰色預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測時(shí)，相對誤差值（20%以內(nèi)說明擬合良好）、后驗(yàn)差比C值（＜0.35 說明模型精度高）越小越好，由表1 可知，該模型平均相對誤差ε=5.361%，后驗(yàn)差比C=0.022，說明模型預(yù)測擬合程度較高，結(jié)果較為可信，可以基于此對中國防護(hù)林碳儲量進(jìn)行預(yù)測。同時(shí)，森林碳儲量與森林蓄積量有直接關(guān)系，而森林蓄積量又與森林面積相關(guān)[15]。因此，本研究利用GM(1,1)灰色預(yù)測模型對中國防護(hù)林面積和碳儲量進(jìn)行預(yù)測。

根據(jù)GM(1,1)灰色預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，按照目前中國防護(hù)林資源發(fā)展?fàn)顟B(tài)，2030 年中國防護(hù)林面積將達(dá)到13 980.38 萬hm2，防護(hù)林碳儲量將達(dá)597 148.06 萬t，較2018 年實(shí)現(xiàn)碳儲量增加196 248.13 萬t，2018-2030 年間防護(hù)林碳儲量年均增長量為16 354.01 萬t；2060 年中國防護(hù)林面積將達(dá)到29 117.10 萬hm2，防護(hù)林碳儲量將達(dá)1 222 990.26 萬t，較2018 年實(shí)現(xiàn)碳儲量增加822 090.33 萬t。且由前文可知，目前我國防護(hù)林資源處于較年輕狀態(tài)，隨著林木的成熟單位面積防護(hù)林碳儲量水平增加，中國防護(hù)林將會具有更高的固碳能力，能為我國的“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出更大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）近年來中國防護(hù)林碳儲量及碳密度水平持續(xù)上升。1984-2018 年間中國防護(hù)林碳儲量由58 507.76 萬t 增加到400 899.93 萬t，凈增342 392.17 萬t，占全國喬木林碳儲增量的84.64%，年均增長量9 782.63 萬t，碳密度呈“升-降-升”的變動(dòng)態(tài)勢。

2）中國防護(hù)林總平均碳密度隨齡級的增加而增加，不同齡級間防護(hù)林碳密度水平增幅較大。中齡防護(hù)林碳儲量長期處于主體地位，近熟林和成熟林碳儲量穩(wěn)步增加，過熟林碳儲量增加量較少且其碳密度呈升-降趨勢，幼齡林面積占有率均處于首位但其碳儲量貢獻(xiàn)率長期處于較低水平（8.87%～12.47%之間）。

3）天然防護(hù)林碳儲量在中國防護(hù)林碳儲總量中占據(jù)絕對優(yōu)勢，研究期間中國天然防護(hù)林碳儲量凈增加231 537.95 萬t，占中國防護(hù)林總碳儲量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 萬t，人工防護(hù)林碳儲量呈上升趨勢，凈增加44 980.89 萬t。天然防護(hù)林碳密度隨齡級增加而增加，而不同清查期間各齡級天然防護(hù)林碳密度呈持平甚至下降趨勢，近15 年來人工防護(hù)林碳密度表現(xiàn)為成熟林＞過熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林，各清查期間天然防護(hù)林碳密度水平遠(yuǎn)高于人工防護(hù)林。

4）西南地區(qū)防護(hù)林碳儲量貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，華北與東北地區(qū)防護(hù)林總面積相當(dāng)，但東北地區(qū)防護(hù)林碳儲量、碳密度遠(yuǎn)高于華北地區(qū)，以人工防護(hù)林為主的東南沿海地區(qū)防護(hù)林碳密度接近華北地區(qū)防護(hù)林碳密度說明了人工防護(hù)林對于防護(hù)林工程體系的重要性。

5） 根據(jù)目前防護(hù)林資源發(fā)展?fàn)顟B(tài)和經(jīng)營管理水平，預(yù)計(jì)2030 年中國防護(hù)林面積將達(dá)到13 980.38 萬hm2，防護(hù)林碳儲量將達(dá)597 148.06 萬t，2060 年中國防護(hù)林防護(hù)林碳儲量將達(dá)1 222 990.26 萬t。

4.2 建議

1）保障中幼齡防護(hù)林順利成熟，保證成熟林和過熟林的合理采伐。注重防護(hù)林體系工程中幼齡林的后續(xù)撫育和管理，提前確立好林帶寬度、注意保證合理的疏密度等以保證幼齡林的順利成熟。同時(shí)，根據(jù)不同類型防護(hù)林確立不同的終止防護(hù)林成熟齡和更新期，避免林產(chǎn)品開發(fā)中對其的大量的、無序的采伐。

2）提高人工林穩(wěn)定性。首先保證人工幼齡林的順利成活，根據(jù)地理區(qū)域及氣候特征確立各地區(qū)優(yōu)勢樹種，并及時(shí)疏伐和更新老化、退化林。同時(shí)，要加強(qiáng)人工防護(hù)林的集約高效經(jīng)營管理，進(jìn)行長時(shí)間、大范圍的不同層次的林業(yè)規(guī)劃，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力，提升林分質(zhì)量。

3）優(yōu)化防護(hù)林林種結(jié)構(gòu)和齡組結(jié)構(gòu)，提高防護(hù)林經(jīng)營管理水平。根據(jù)不同的防護(hù)林營造目的確立不同的樹種構(gòu)成和空間分布，構(gòu)建樹種豐富化、林齡構(gòu)成合理化的防護(hù)林帶。根據(jù)不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)選擇固碳能力較強(qiáng)的優(yōu)勢樹種，營造群落結(jié)構(gòu)完整、穩(wěn)定性強(qiáng)、固碳能力較高的防護(hù)林體系，以進(jìn)一步提高我國防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能和社會經(jīng)濟(jì)效益。