重大森林恢復(fù)計(jì)劃下的碳增匯效應(yīng)
——基于石柱縣兩次森林資源二類清查的分析

廖明蓉，邵景安,*，郭 躍，黃志霖，吳朝平

(1. 重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 400047；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100091)

重大森林恢復(fù)計(jì)劃下的碳增匯效應(yīng)
——基于石柱縣兩次森林資源二類清查的分析

廖明蓉1，邵景安1,*，郭 躍1，黃志霖2，吳朝平1

(1. 重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 重慶 400047；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100091)

利用兩次森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和林業(yè)工程數(shù)據(jù)，運(yùn)用換算因子連續(xù)函數(shù)法，基于林分(小班)尺度測(cè)定森林含碳量，估算2002—2012年的10年間樣區(qū)恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的碳增匯貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：(1)近10年樣區(qū)森林資源碳貯量和碳密度均獲得較大程度的增加，碳貯量增加1.00TgC，平均碳密度增加2.13MgC/hm2；(2)森林碳貯量和碳密度的增加因重大森林恢復(fù)計(jì)劃實(shí)施的非均衡性在空間上呈現(xiàn)顯著差異，尤其方斗-七曜所夾槽谷區(qū)和七曜山南部中山區(qū)增幅較快；(3)關(guān)鍵林分因子，碳增匯能力最強(qiáng)的是松、杉、柏及針闊混，累計(jì)達(dá)1.36TgC，且主要集中于中、幼齡林階段，累計(jì)碳增量0.94TgC；(4)近10年樣區(qū)重大森林恢復(fù)計(jì)劃共實(shí)現(xiàn)碳增匯0.97TgC，占同期森林碳增量的97.66%；平均碳密度增量7.64MgC/hm2，明顯高于恢復(fù)計(jì)劃未覆蓋范圍的森林碳密度增加值，尤其是天然林保護(hù)工程碳增量最大，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的85.57%；(5)更為重要的，因碳增匯主要發(fā)生在中、幼齡林階段，在中、幼齡林向近、成熟林演化過程中，伴隨森林碳密度的增加，仍會(huì)展現(xiàn)出較大的碳增匯潛力；(6)研究有助于豐富人們對(duì)現(xiàn)已開展的重大森林恢復(fù)計(jì)劃成效的理解和認(rèn)識(shí)，為未來應(yīng)對(duì)和減緩氣候變化適應(yīng)性對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

重大森林恢復(fù)計(jì)劃；碳增匯效應(yīng)；關(guān)鍵林分因子；森林資源二類清查；石柱縣

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維持全球碳平衡和應(yīng)對(duì)氣候變化中占有特殊地位[1- 5]。造林、再造林以及加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有森林資源的管護(hù)是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的森林碳增匯基本途徑[6- 10]。中國(guó)自1998年以來相繼開展六大林業(yè)工程，如基于農(nóng)耕地的造林-退耕還林，恢復(fù)森林植被的再造林和對(duì)現(xiàn)有森林的管護(hù)-天然林保護(hù)。無論是在未種植過樹木的土地上造林，還是在已造林砍伐跡地上重新造林，亦或是對(duì)現(xiàn)有退化森林生態(tài)功能完整性的恢復(fù)，都將對(duì)大氣中的CO2起到很好的消納作用，對(duì)中國(guó)林業(yè)碳增匯貢獻(xiàn)巨大[11- 12]，有助于國(guó)家層面政府承諾的“413”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)(“413”是中國(guó)林業(yè)應(yīng)對(duì)全球氣候變化的國(guó)家承諾之一，即以2005年為基期年，2020年為目標(biāo)年，2020年森林面積較2005年增加4000萬(wàn)hm2，蓄積量較2005年增加13億m3，簡(jiǎn)稱為“413”目標(biāo))。

已有文獻(xiàn)對(duì)國(guó)家和地區(qū)尺度某一林業(yè)工程的碳增匯潛力或效應(yīng)評(píng)價(jià)的研究較多，如王效科等[13]基于近三次森林資源清查資料和六大林業(yè)規(guī)劃估算中國(guó)森林植被的固碳現(xiàn)狀和潛力，胡會(huì)峰和劉國(guó)華等[14]基于第四次清查資料估算天然林保護(hù)工程實(shí)施頭5年的固碳能力，等等。但對(duì)區(qū)域林業(yè)工程碳增匯效應(yīng)的系統(tǒng)估算、評(píng)價(jià)較少。重慶森林作為西南林區(qū)的主體之一，大多分布于長(zhǎng)江上游地區(qū)，具有重要的水源涵養(yǎng)與防護(hù)功能，是維系長(zhǎng)江流域生態(tài)平衡的主要天然屏障[15]。在區(qū)域上，重慶主要實(shí)施天然林保護(hù)、退耕還林、石漠化治理、重慶森林工程、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等林業(yè)工程。本研究選取重慶市森林大縣之一的石柱縣為樣區(qū)，通過對(duì)各大林業(yè)工程的碳增匯數(shù)據(jù)分析，評(píng)估各林業(yè)工程的碳增匯效應(yīng)與潛力，為今后重慶乃至中國(guó)森林碳匯管理提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

石柱縣(108°00′—108°29′E，29°39′—30°33′N)地處渝東地區(qū)，幅員3012.24km2。地勢(shì)東高西低，擁有“兩山夾一槽”的地貌格局，境內(nèi)以中低山占93.79%。氣候?qū)倥柚苌降刂衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。植物類型主要為亞熱帶、溫帶植被，在原四川省植被區(qū)劃中屬達(dá)縣-涪陵植被區(qū)。海拔1000m以下為亞熱帶偏濕性常綠闊葉林、亞熱帶竹林，海拔1000—1500m地帶為亞熱帶常綠闊葉林，海拔1200m以下槽洼地帶有馬尾松。海拔1500m以上地帶為亞熱帶常綠與落葉闊葉混交林帶(圖1)。

石柱縣森林資源較為豐富，是重慶市森林資源大縣之一，位居第四位。自1998年以來，先后實(shí)施以天然林保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)、退耕還林、石漠化治理、重慶森林工程等為主的五大林業(yè)建設(shè)工程?，F(xiàn)有林地20.72萬(wàn)hm2，森林覆蓋率52.8%，林木覆蓋率71.3%，活立木蓄積113萬(wàn)m3。

圖1 樣區(qū)位置、地貌格局、重大森林恢復(fù)計(jì)劃的空間分布Fig.1 The sampling site, its relief patterns and thespatial distribution of major forest recovery plana為沿江一層山脊平壩區(qū)，b為方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，c為方斗山中低山區(qū)，d為七曜山南部中山區(qū)，e為七曜山北部高山區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源 經(jīng)矯正處理的2010年11月的SPOT- 5遙感影像圖(2.5m分辨率，145景)來源于重慶市森林資源監(jiān)測(cè)中心；1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅地形圖(.dwg格式，136幅)、分社行政區(qū)劃矢量圖、以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的2010年森林分類經(jīng)營(yíng)區(qū)劃成果圖(.psd格式，32幅)來源于樣區(qū)林業(yè)局。

森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù) 2002年1∶1萬(wàn)森林資源二類清查矢量圖和調(diào)查報(bào)告來源于樣區(qū)林業(yè)局，包括林分(小班)類型、組成樹種、林分面積以及林分立木蓄積信息，同時(shí)還提供樣區(qū)1988年森林資源的總面積、總蓄積。2012年森林資源二類清查資料由本課題組與重慶市林業(yè)科學(xué)研究院、重慶市林業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院歷時(shí)16月共同完成，涉及2012年森林調(diào)查矢量圖、調(diào)查報(bào)告、DEM數(shù)字高程模型。

林業(yè)工程數(shù)據(jù) 石漠化治理工程矢量圖來源于重慶市森林資源監(jiān)測(cè)中心；天然林保護(hù)工程圖(.jpg格式)，自然保護(hù)區(qū)建設(shè)工程圖(.jpg格式)，用于提取退耕還林工程(371幅)、森林工程(215幅)的1∶1萬(wàn)工程竣工驗(yàn)收?qǐng)D(.psd格式，A4紙大小，北京54坐標(biāo))來源于樣區(qū)林業(yè)局。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)2012年清查資料處理 首先，野外實(shí)地調(diào)查，建立遙感解譯標(biāo)志，此基礎(chǔ)上，結(jié)合地形圖開展室內(nèi)人工目視解譯(小班區(qū)劃)，尤其對(duì)影像去云后仍不易判別的則依據(jù)等高線的疏密和地類分布間的關(guān)系進(jìn)行區(qū)劃；其次，開展外業(yè)核查，將解譯完成后按村生成小班區(qū)劃圖，實(shí)地進(jìn)行到社小班界核實(shí)、修正、調(diào)繪，填寫小班測(cè)樹因子信息，拍攝小班照片；最后，對(duì)照野核查結(jié)果給予室內(nèi)小班區(qū)劃的修正和補(bǔ)充，錄入并導(dǎo)入小班卡片數(shù)據(jù)，最終生成2012年森林資源調(diào)查矢量圖。關(guān)鍵林分因子既包括林分(森林)類型又囊括主要的小班的主要因子(尤其林齡和起源)，為便于分析不同森林類型、林齡和起源的碳增匯效應(yīng)，研究將它們歸結(jié)為關(guān)鍵林分因子。

(2)2002年清查資料處理 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，2002年森林調(diào)查矢量圖采用北京54坐標(biāo)，而2012年森林調(diào)查矢量圖采用西安80坐標(biāo)，為方便數(shù)據(jù)分析，對(duì)2002年森林調(diào)查矢量圖進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；空間矯正，根據(jù)最新1∶1萬(wàn)地形圖對(duì)2002年森林調(diào)查矢量圖進(jìn)行空間矯正；縣界統(tǒng)一，由于行政縣界發(fā)生變化，為使本研究嚴(yán)格保證在同一區(qū)域，利用2012年最新縣界對(duì)2002年森林調(diào)查矢量圖進(jìn)行矯正。

(3)林業(yè)工程圖處理 圖幅號(hào)轉(zhuǎn)換，.psd格式的林業(yè)工程圖均為北京54地形圖上直接勾繪的圖片格式，借助圖幅號(hào)工具轉(zhuǎn)換為新圖幅號(hào)展開位置對(duì)應(yīng)；位置矯正，在CAD中利用2010年矢量化地形圖，比對(duì)近似地物矯正工程圖位置；數(shù)字化工程圖，在CAD中數(shù)字化林業(yè)工程圖斑，得到.dwg格式林業(yè)工程圖；在ArcGIS中將.dwg格式林業(yè)工程圖轉(zhuǎn)換為.shp格式，得到各工程界線的矢量圖；對(duì)工程重合部分依據(jù)“退耕還林>自然保護(hù)建設(shè)>天然林保護(hù)>重慶森林工程>石漠化治理”原則進(jìn)行去重處理，然后對(duì)照2012森林調(diào)查矢量圖和影像圖，再次核對(duì)各森林工程，對(duì)工程圖斑明顯落在耕地的小班，咨詢樣區(qū)村林業(yè)員進(jìn)行核實(shí)，如為林地則根據(jù)小地名進(jìn)行位置調(diào)整(圖1B)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1)碳貯量計(jì)算 采用方精云等[16- 17]換算因子連續(xù)函數(shù)法，基于林分(小班)尺度計(jì)算森林碳匯。生物量計(jì)算模型：

式中，D為生物量；Sij、Vij分別為第i類森林第j林分(小班)面積和蓄積；m、n分別為森林類型、林分(小班)數(shù)量；a、b為各森林類型換算因子參數(shù)，取值參見文獻(xiàn)[16- 17]。文中計(jì)算的森林碳貯量?jī)H指林木的活生物量，生物量蓄積轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.5[18- 19]。運(yùn)用FMGIS軟件計(jì)算林分蓄積，進(jìn)而測(cè)算林分(小班)碳貯量和碳密度及區(qū)域碳貯量。

圖2 數(shù)據(jù)分析流程Fig.2 The flowchart of data analysis in this study

(2)空間疊加分析 利用兩期森林調(diào)查矢量圖及與林業(yè)工程矢量圖的空間耦合關(guān)系，運(yùn)用空間疊加分析，在ArcGIS中生成2002—2012年新增林地矢量圖、2002—2012年非喬木林地演變?yōu)閱棠玖值厥噶繄D、2002—2012年皆為林地的矢量圖。此基礎(chǔ)上，使用上述碳貯量計(jì)算方法，計(jì)算出2002—2012年間不同森林資源變化條件下的碳貯量變化。同時(shí)，將各林業(yè)工程類型界線矢量圖與其進(jìn)行疊加，生成各林業(yè)工程森林資源碳貯量變化矢量圖，測(cè)算各工程帶來的碳貯量變化(圖2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林碳增匯效應(yīng)總體特征

樣區(qū)森林資源碳貯量和碳密度均獲得較大程度的增加。表1可看出，10年間樣區(qū)森林資源碳貯量由2.16TgC增加到3.16TgC，年均增長(zhǎng)率3.88%，遠(yuǎn)高于全國(guó)年均增長(zhǎng)率(1.6%[13])；平均碳密度由18.39MgC/hm2增加到20.48MgC/hm2，年均增長(zhǎng)率1.08%。森林碳貯量的增加不僅得益于退耕還林、石漠化治理等造林、再造林帶來的森林面積增加(10年間樣區(qū)森林面積增加3.64×104hm2，年均增加2.64×103hm2)；而且得益于同期天然林保護(hù)、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)有森林植被恢復(fù)，大大提高森林完整性，使非喬木林演化為喬木林，原喬木林樹高、胸徑均有很大幅度的增長(zhǎng)。

樣區(qū)森林碳貯量增加空間上呈顯著的區(qū)域差異性格局。表1和圖3可看出，10年間碳貯量增加量最大的是方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，達(dá)0.42TgC，其次是七曜山南部中山區(qū)為0.34TgC，而最低的是沿江一層山脊平壩區(qū)和七曜山北部高山區(qū)。樣區(qū)近10年森林碳貯量增加量和變率最大的均出現(xiàn)在基底植被較差且生態(tài)環(huán)境較為脆弱的方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，而植被本身較好的七曜山北部高山區(qū)相對(duì)較低，即森林碳儲(chǔ)量基底較多的七曜山北部高山區(qū)則基本處于平衡狀態(tài)。植被基底本身較好的七曜山北部高山區(qū)，海拔最高、植被保存完整，又是大風(fēng)堡市級(jí)自然保護(hù)區(qū)的腹地，人為擾動(dòng)強(qiáng)度較低，以增加森林面積為主的退耕還林、森林重慶、石漠化治理等重大森林恢復(fù)計(jì)劃很少布局，而植被相對(duì)較差的方斗-七曜所夾槽谷區(qū)則較多，從而導(dǎo)致森林碳貯量和變化率的大幅度增加。

表1 樣區(qū)不同區(qū)域森林碳貯量、碳密度及其動(dòng)態(tài)變化

樣區(qū)森林碳密度增加在空間上呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異性。2002—2012年，樣區(qū)森林碳密度變化較大的出現(xiàn)在七曜山南部中山區(qū)和方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，分別增加4.08MgC/hm2和3.96MgC/hm2，其次是方斗山中低山區(qū)為3.16MgC/hm2，而增加最少的發(fā)生在七曜山北部高山區(qū)，僅為0.62MgC/hm2(表1和圖3)。較2002年的變率看，最大的是方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，為30.51%，其次是七曜山南部中山區(qū)(22.62%)，而最低的是七曜山北部高山區(qū)，僅為2.64%。整體上看，森密度增加量和變化率，七曜山南部中山區(qū)和方斗-七曜所夾槽谷區(qū)高于方斗山中低山區(qū)和沿江一層山脊平壩區(qū)，而最低的均是七曜山北部高山區(qū)。產(chǎn)生樣區(qū)近10年森林碳密度增加的原因與碳貯量變化的類似。

分析發(fā)現(xiàn)，樣區(qū)多屬水土流失和石漠化嚴(yán)重的生態(tài)脆弱區(qū)，尤其沿長(zhǎng)江及主要支流流域的生態(tài)治理和水土保持壓力巨大，為營(yíng)造良好的生態(tài)屏障，提高林農(nóng)福祉，大量森林恢復(fù)計(jì)劃在此開展和示范，特別是速生豐產(chǎn)林的種植，對(duì)樣區(qū)森林碳增匯的貢獻(xiàn)巨大。特別是，天然林保護(hù)工程實(shí)施后，因禁擾封育，林農(nóng)及相關(guān)林業(yè)生產(chǎn)與占用行為的擾動(dòng)大大減弱，在濕熱氣候條件下，大量無立木林地、宜林荒山地、疏林地朝灌木林地向有林地方向演化，這一過程對(duì)森林碳增匯效應(yīng)有顯著影響。加之，偏遠(yuǎn)區(qū)未實(shí)施天保工程封山育林的宜林地因人為擾動(dòng)的減少或程度的降低，逐漸演化為林地，也有助于森林碳匯的增加。然而，高山區(qū)因多為天然林，長(zhǎng)勢(shì)較好，生態(tài)系統(tǒng)完整，成熟林或過熟林主要分布在這一地區(qū)，當(dāng)然，碳增匯的空間和勢(shì)頭(潛力)較人工林區(qū)相對(duì)較少。

圖3 樣區(qū)2002和2012年森林碳密度及其動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Carbon density in 2002 and 2012, and its dynamic changesduring 2002-2012 in the study site

2.2 關(guān)鍵林分因子碳增匯效應(yīng)

主要森林類型碳增匯能力以松、杉、柏及針闊混較顯著。近10年樣區(qū)松、杉、柏及針闊混累計(jì)增加碳貯量1.36TgC，但增匯最大的不是面積大、分布廣的馬尾松，而是針闊混，增加0.68TgC，雜木林因面積急劇萎縮(10.18hm2)，碳貯量減少0.57TgC(表2)。碳密度增加量較大的是柏木類和落葉松，分別增加16.84MgC/hm2和16.29MgC/hm2，其次是杉木10.84MgC/hm2，而增量最低的則是優(yōu)勢(shì)樹種馬尾松，僅增加3.22MgC/hm2。不同森林類型碳貯量和碳密度增幅看，近10年碳貯量增幅最大的是針闊混，為2002年的8.5倍，其次是柳杉、水杉等為7.0倍，而再次是杉木和柏木類分別為2.6倍和2.8倍。馬尾松因2002年本身的基數(shù)較大，僅增加35.52%。盡管主要森林類型碳貯量和碳密度總體均有一定程度的增加，但不同森林類型的增幅與增量因基底數(shù)值的差異并不呈相同趨勢(shì)。

主要森林類型碳貯量和碳密度的增加不是由單一的重大森林恢復(fù)計(jì)劃的作用所誘發(fā)，而是其中一個(gè)或兩個(gè)工程主導(dǎo)，其他工程協(xié)同作用的結(jié)果。天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)，促使大量灌木林正向演化為針闊混；退耕還林和森林重慶驅(qū)使馬尾松面積的增加，而天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)又使其質(zhì)量大大提升。然而，柏木類因?qū)щy立地(立地條件較差，如土層較薄、土壤貧瘠、坡度較陡等，常常是造林的難點(diǎn)地區(qū))的適應(yīng)性較強(qiáng)，成為退耕還林、石漠化治理和森林重慶(尤其通道森林)的適生植物種類，柳杉較為適宜于在水系周圍布局而成為森林重慶(特別水系森林)的首選。而且，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)，部分雜木林被開發(fā)用作用材林或經(jīng)濟(jì)林種植。這樣，在主要森林類型面積和質(zhì)量雙重提高的情況下，碳貯量和碳密度定會(huì)獲得較大程度的增加。

不同齡級(jí)森林碳增匯能力主要集中于近熟林及以下齡級(jí)。近10年樣區(qū)幼齡林、中齡林和近熟林累計(jì)碳增量0.94TgC，占總碳貯量動(dòng)態(tài)的94.00%，尤其是幼齡林碳增量占63.00%(表3)。但是，碳密度動(dòng)態(tài)隨齡級(jí)的演替呈先升高至成熟林階段而至過熟林時(shí)期降低的倒“U”型格局，在成熟林處增量達(dá)到最高8.09MgC/hm2，其次是近熟林4.13MgC/hm2，而過熟林因處演化后期則增量降低2.03MgC/hm2。不同齡級(jí)森林碳貯量和碳密度增幅趨勢(shì)一致，但呈后者低于前者的態(tài)勢(shì)。10年間樣區(qū)碳貯量和碳密度增幅最大的是成熟林，分別為2002年的2.67倍和41.07%，其次是近熟林增幅分別為1.43倍和19.69%，而增幅最小的是中齡林，僅分別為7.97%和11.39%。

表2 樣區(qū)不同森林類別碳貯量、碳密度及其動(dòng)態(tài)變化

幼林齡和中齡林在面積上的增幅占據(jù)樣區(qū)森林主要齡級(jí)動(dòng)態(tài)的基本格局，但因大多屬2002年以來退耕還林、森林重慶和石漠化治理中造林或天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)中森林恢復(fù)的結(jié)果，未來朝以下逐齡級(jí)演化的空間較大，碳密度增加潛力顯著。成熟林和近熟林固然碳密度較高，但在天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)中伴隨高碳密度馬尾松、杉木、柏木類等朝成熟林和近熟林方向演進(jìn)，碳密度增加較快。過熟林碳密度增加處“峰”值后的下滑階段，10年間除部分過熟林被砍伐外尚有部分已經(jīng)老化，結(jié)果出現(xiàn)在面積減少的同時(shí)碳密度增加也呈降低趨勢(shì)。為此，提升樣區(qū)森林的碳增匯能力，最為重要的是實(shí)施人工促進(jìn)更新，加快中、幼齡林向近熟林及以下齡級(jí)的演變。

表3 樣區(qū)不同森林齡級(jí)碳貯量、碳密度及其動(dòng)態(tài)變化

不同起源森林碳增匯能力呈天然林顯著高于人工林。近10年樣區(qū)無論是碳貯量還是碳密度動(dòng)態(tài)，天然林均是碳增匯的主要貢獻(xiàn)者，在碳貯量增加中占85.00%，人工林增量?jī)H是天然林的1/6，而碳密度增加上天然林高達(dá)1.69MgC/hm2，人工林僅為天然林增量的41.42%(表4)。比較不同起源森林碳貯量和碳密度的增幅發(fā)現(xiàn)，碳貯量增幅人工林高于天然林，而碳密度則相反。10年間人工林碳貯量增幅為58.85%，碳密度增幅為3.92%，而天然林的相應(yīng)增幅分別為44.74%和8.83%。

人工林碳貯量增幅快于天然林主要源于10年間退耕還林、森林重慶和石漠化治理的實(shí)施，驅(qū)使6.68×103hm2人工林的種植(尤其是經(jīng)濟(jì)林木)，為2002年面積的44.30%，而盡管天然林的面積因天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的開展也獲得很大程度的增加，達(dá)2.97×103hm2，但因本底基數(shù)大，增幅僅為28.96%。天然林碳密度增幅高于人工林的原因在于，在天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)下不同齡級(jí)森林逐漸向下一級(jí)演化，如幼齡林轉(zhuǎn)換為中齡林、中林齡轉(zhuǎn)換為近熟林等，從而促使碳密度的增加，而人工林因由林業(yè)工程而來，種植時(shí)間段，如2002年退耕還林、2008年森林重慶等，致使大部分人工林處于幼、中林齡階段，碳密度增長(zhǎng)幅度較低，但未來碳增匯潛力較大。

表4 樣區(qū)不同森林起源碳貯量、碳密度及其動(dòng)態(tài)變化

3 討論

表5可看出，近10年樣區(qū)重大森林恢復(fù)計(jì)劃共實(shí)現(xiàn)碳增匯0.97TgC，占同期森林碳增加量的97.66%；平均碳密度增量7.64MgC/hm2，明顯高于恢復(fù)計(jì)劃未覆蓋范圍的森林碳密度增加值?？梢哉f，重大森林恢復(fù)計(jì)劃對(duì)樣區(qū)森林碳增匯功能的發(fā)揮起到關(guān)鍵作用，碳增匯效應(yīng)十分顯著。

表5 樣區(qū)重大森林恢復(fù)計(jì)劃下的碳增量和碳密度變化

3.1 天然林保護(hù)工程的碳增匯貢獻(xiàn)

天然林保護(hù)工程碳增量最大，達(dá)0.83TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的85.57%。天然林保護(hù)工程屬實(shí)施最早、覆蓋范圍最廣的林業(yè)工程，達(dá)1.11×105hm2，占森林恢復(fù)計(jì)劃實(shí)施面積的87.89%，主要發(fā)生于“兩山”區(qū)，尤其是七曜山北部高山區(qū)(扣除大風(fēng)堡自然保護(hù)區(qū))和南部低山區(qū)最為集中。不同工程上封山育林碳增匯貢獻(xiàn)最大(占61.20%)，不同齡級(jí)上中、幼齡林是碳增匯的主要貢獻(xiàn)者(占84.15%)。中、幼齡林主導(dǎo)，表明未來天然林保護(hù)區(qū)未來碳增匯潛力巨大。

對(duì)難依靠自然恢復(fù)的天然林施加人工促進(jìn)更新造林是最直接、最有效的恢復(fù)路徑，且這一過程森林碳增匯效應(yīng)顯著高于天然林保護(hù)工程實(shí)現(xiàn)碳增量的平均水平。表6可看出，10年間樣區(qū)天然林保護(hù)工程實(shí)施人工造林7.70×103hm2，碳增量0.13TgC，占天然林保護(hù)工程碳增匯的15.85%。困難立地和種源匱乏條件下，特殊生態(tài)脆弱區(qū)的森林不能通過保護(hù)、封禁措施提高生態(tài)系統(tǒng)完整性，需要借助適生鄉(xiāng)土樹種補(bǔ)植實(shí)施外界人為的促進(jìn)，達(dá)到林地健康演替和生態(tài)完整性提升。

封山育林是基于立地條件較好、種源較豐富且能依托保護(hù)促進(jìn)幼樹更新的恢復(fù)措施，因?qū)嵤┓秶鷱V，且封山前植被長(zhǎng)勢(shì)較差，碳增匯效應(yīng)最大，貢獻(xiàn)率最高。10年間樣區(qū)封山育林2.02×104hm2，碳增量0.51TgC，占天然林工程碳增匯的62.20%(表6)。不同林齡級(jí)的碳增匯貢獻(xiàn)上，中、幼齡林顯著高于近、成熟林，分別為(43.14%和41.18%)和(7.84%和7.84%)。封山育林主要發(fā)生在無立木林地、宜林荒山荒地區(qū)，森林恢復(fù)后的自然演化較慢，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能由中、幼齡林發(fā)展到近、成熟林，致使封山育林區(qū)近、成熟林相對(duì)較少，碳增量較低。然而，伴隨封山育林時(shí)間的延伸，未來中、幼齡林朝近、成熟林演化的空間較大，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的碳增匯貢獻(xiàn)。

表6 樣區(qū)天然林保護(hù)工程碳增量及其在不同齡組下的分布

森林管護(hù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有天然林實(shí)施保護(hù)、減少商品性砍伐、降低資源消耗的最佳人為措施，覆蓋范圍廣，因管護(hù)前植被長(zhǎng)勢(shì)較好且多處于中、幼齡林階段，碳增匯效應(yīng)低于森林恢復(fù)計(jì)劃的平均水平。表6發(fā)現(xiàn)，10年間樣區(qū)天然林保護(hù)工程中實(shí)施森林管護(hù)1.11×105hm2，碳增量0.18TgC，占天然林工程碳增匯的21.95%。而且，中、幼齡林仍然是碳增匯的主要貢獻(xiàn)者，分別占50.00%和33.33%，過、成熟林因面積較小，碳增匯效應(yīng)不顯著，但類似于封山育林，未來碳增匯的空間較大。

3.2 退耕還林工程的碳增匯貢獻(xiàn)

退耕還林碳增量0.05TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的5.15%。退耕還林工程覆蓋樣區(qū)24個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，重點(diǎn)分布在沿江一層山脊平壩區(qū)、方斗山中低山區(qū)和方斗-七曜所夾槽谷區(qū)，主要樹種有馬尾松、柏木、柳杉、榿木、白楊等(表7)。退耕還林工程起止于2002—2006年，森林齡級(jí)至目前多以中、幼齡林為主，達(dá)4.65×103hm2，占退耕還林工程中已演化為森林面積的93.15%，近、成熟林僅占6.85%。這樣，中、幼齡林碳貯量達(dá)45088.17MgC，占退耕還林工程總碳增量的90.18%，近、成熟林的碳貯量?jī)H占9.82%。然而，退耕還林工程森林平均碳密度10.02MgC/hm2，其中，中、幼齡林平均碳密度9.70MgC/hm2，近、成熟林平均碳密度14.33MgC/hm2。不難看出，對(duì)于退耕還林工程而言，伴隨大量中、幼齡林朝近、成熟林的演化，未來仍有較大碳增匯潛力和空間。

不同森林類型看，退耕還林工程中馬尾松實(shí)現(xiàn)碳增匯最多，達(dá)22881.52MgC，占工程總碳增匯的45.76%，平均碳密度為13.68MgC/hm2，較樣區(qū)平均水平高出3.66MgC/hm2。而且，中、幼林馬尾松的碳貯量占馬尾松全齡級(jí)的比重分別為65.25%和32.04%。即是說，中齡林馬尾松是樣區(qū)退耕還林工程碳增匯的主要貢獻(xiàn)者。柏木林屬退耕還林工程中僅次于馬尾松的碳增匯提供者，占工程總碳增匯的30.92%，平均碳密度17.12MgC/hm2，顯著高于樣區(qū)平均水平70.01%。柏木類幼齡林占據(jù)退耕還林工程中柏木類種植面積的98.23%，而且，中齡林碳密度較幼齡林高6.01%，伴隨柏木幼齡林朝中齡林及以下齡級(jí)轉(zhuǎn)化，退耕還林工程中的柏木類仍有較大的碳增匯空間。其他森林類型碳增匯效應(yīng)較小，累計(jì)占工程總碳增匯的23.32%，平均碳密度僅為4.83MgC/hm2，約是樣區(qū)平均水平的1/2。當(dāng)然，伴隨森林齡級(jí)由幼齡林向成熟林的演化，其他森林類型未來也有一定的碳增匯潛力。

表7 樣區(qū)退耕還林工程碳增量在不同樹種和齡組下的分布

樣區(qū)林業(yè)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，退耕還林工程實(shí)施總面積(實(shí)際補(bǔ)償給農(nóng)戶的)共10771.57hm2。但本文使用的具有一定碳增匯效應(yīng)的成林面積尚未占到工程實(shí)施規(guī)模的一半(46.32%)，且以幼齡林為主，這在很大程度削弱了退耕還林工程理應(yīng)可能發(fā)揮的碳增匯效應(yīng)。樣區(qū)農(nóng)民外出脅迫下退耕還林的森林經(jīng)理欠賬太大，造林成效較差，成林緩慢，是誘發(fā)退耕還林工程成林面積較小的主要?jiǎng)右?。而且，?shí)施過程中“適地適樹”把握欠佳，造成的退耕還林樹種因不適合特定的立地條件而展開更換或補(bǔ)植，從而出現(xiàn)樹種林齡較小，達(dá)不到成林統(tǒng)計(jì)的要求。因此，加強(qiáng)退耕還林的經(jīng)營(yíng)和管理，強(qiáng)化和鞏固退耕還林工程成效，有助于增強(qiáng)樣區(qū)退耕還林工程碳增匯效應(yīng)的人為調(diào)控。

3.3 其他恢復(fù)計(jì)劃的碳增匯貢獻(xiàn)

樣區(qū)其他恢復(fù)計(jì)劃共產(chǎn)生碳增匯0.10TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的9.28%，其中，自然保護(hù)區(qū)建設(shè)碳增匯0.07TgC，石漠化治理碳增匯0.01TgC，重慶森林工程碳增匯0.01Tg1C(表5)。

自然保護(hù)區(qū)建設(shè)中的碳增匯以馬尾松和柳杉、水杉為主，分別分解保護(hù)區(qū)建設(shè)碳增匯的46.14%和46.49%，其他森林類型碳增匯僅占7.37%(表8)。不同齡級(jí)看，中、幼齡林碳增匯達(dá)63111.63MgC，占保護(hù)區(qū)總碳增匯的87.97%，近、成熟林碳增匯比重較小。為此，自然保護(hù)區(qū)內(nèi)伴隨中、幼齡林向近、成熟林的演化，將釋放較大的碳增匯潛力和空間。目前，自然保護(hù)區(qū)內(nèi)受到來自兩個(gè)方面的擾動(dòng)脅迫，對(duì)碳增匯能力的發(fā)揮構(gòu)成較大影響，如國(guó)家重點(diǎn)工程-萬(wàn)勝壩水庫(kù)建設(shè)對(duì)林地的淹沒且就地后靠移民產(chǎn)生的相對(duì)集中對(duì)林地保護(hù)的壓力、滬蓉高速與冷黃路的連接貫通對(duì)林地的破壞等。

表8 樣區(qū)自然保護(hù)區(qū)建設(shè)工程碳增量在不同樹種和齡組下的分布

石漠化治理工程中的碳增匯以馬尾松和杉木林為主，分別占治理工程碳增匯的45.33%和35.91%，其他森林類型占18.76%(表9)。不同齡級(jí)看，中、幼齡林碳增匯達(dá)6223.68MgC，占治理工程總碳增匯的96.45%，近、成熟林所占比重甚微。而且，中、幼齡林高達(dá)8.27×102hm2，平均碳密度的增量為7.53MgC/hm2，近、成熟林0.76×102hm2，平均碳密度的增量為6.01MgC/hm2。石漠化治理工程中，在中、幼齡林朝近、成熟林齡級(jí)演化時(shí)，將實(shí)現(xiàn)巨大的碳增匯潛力。但是，因樣區(qū)石漠化重點(diǎn)發(fā)生在烏江水系和“兩山區(qū)”，尤其是七曜山海拔1400m以上區(qū)最為嚴(yán)重，這里，土壤瘠薄、水土流失和漏失突出，治理后樹木生長(zhǎng)緩慢，“小老樹”普遍出現(xiàn)，致使碳增匯能力較弱。

表9 樣區(qū)石漠化治理工程碳增量在不同樹種和齡組下的分布

重慶森林工程碳增匯以雜木林和馬尾松為主，分別占森林工程碳增匯的41.99%和28.71%，其他森林類型占29.30%(表10)。不同齡級(jí)看，中、幼齡林碳增匯8922.13MgC，占工程碳增匯總量的93.95%，近、成熟林僅占6.05%。而且，中、幼齡林1.07×103hm2，平均碳密度的增量為8.34MgC/hm2，近、成熟林0.69×102hm2，平均碳密度的增量為8.32MgC/hm2。這樣，在中、幼齡林演化為近、成熟林也將釋放較大的碳增匯潛力。但是，重慶森林工程因?qū)嵤r(shí)間較短，新造林多為中、幼齡林，而且，除石漠化治理工程外，一旦重慶森林工程與其他工程重疊時(shí)都?xì)w并到其他工程范圍內(nèi)，使得本文重慶森林工程碳增匯效應(yīng)測(cè)算面積較實(shí)際實(shí)施面積小，進(jìn)而體現(xiàn)為森林工程碳增匯能力較弱。

表10 樣區(qū)重慶森林工程碳增量在不同樹種和齡組下的分布

4 結(jié)語(yǔ)

2002—2012年的10年間，樣區(qū)實(shí)現(xiàn)碳增匯1.00TgC，年均增長(zhǎng)率3.88%，平均碳密度增加2.13MgC/hm2，年均增長(zhǎng)率1.08%。樣區(qū)碳增匯(碳貯量和碳密度)呈現(xiàn)顯著的區(qū)域差異，尤其是天然林保護(hù)和退耕還林工程實(shí)施較多的方斗-七曜所夾槽谷區(qū)和七曜山南部中山區(qū)。

關(guān)鍵林分因子，碳增匯能力最強(qiáng)的是松、杉、柏及針闊混，累計(jì)達(dá)1.36TgC，而單一針闊混的碳增量占50.00%，碳密度增加最大的是柏木和杉木，優(yōu)勢(shì)樹種馬尾松增加最低。而且，中、幼齡林及以下齡級(jí)累計(jì)碳增量0.94TgC，占總碳貯量動(dòng)態(tài)的94.00%，尤其是幼齡林碳增量達(dá)0.63TgC，占63.00%，碳密度動(dòng)態(tài)隨齡級(jí)的演替呈倒“U”型格局，在成熟林處增量達(dá)到最高8.09MgC/hm2。

近10年，樣區(qū)重大森林恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯0.97TgC，占該時(shí)期總碳增匯的97.66%，且平均碳密度增量7.64MgC/hm2，明顯高于恢復(fù)計(jì)劃未覆蓋范圍的森林碳密度增加值。其中，天然林保護(hù)工程碳增量最大，達(dá)0.83TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的85.57%，其次是退耕還林工程，碳增匯0.05TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的5.15%，而其他恢復(fù)計(jì)劃共產(chǎn)生碳增匯0.10TgC，占恢復(fù)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)碳增匯總量的9.28%。更為重要的，樣區(qū)重大森林恢復(fù)計(jì)劃的碳增匯主要發(fā)生在中、幼齡林階段，在中、幼齡林向近、成熟林演化過程中，隨著森林碳密度的增加，仍會(huì)展現(xiàn)出較大的碳增匯潛力。

本研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)主要使用樣區(qū)兩次“森林二類清查”信息，雖然在清查的過程中注重樣方調(diào)查和抽樣調(diào)查驗(yàn)證，但這里的樣方和抽樣與嚴(yán)格意義上的森林生物量或蓄積量的樣方調(diào)查有很大不同。為此，未來的工作重點(diǎn)即是在樣區(qū)針對(duì)特定立地條件，布局森林生物量計(jì)量測(cè)算樣方，同時(shí)，增補(bǔ)資源類型核查野外踏勘點(diǎn)，進(jìn)一步矯正二類清查資源分布圖。但是，本研究獲得的基本結(jié)果和結(jié)論總體上反映樣區(qū)森林碳增匯的宏觀格局，尤其是重大森林恢復(fù)計(jì)劃在其中的貢獻(xiàn)和未來潛力，它不會(huì)因數(shù)據(jù)精度的核查而發(fā)生較大的變化。因此，研究有助于提高人們對(duì)人為調(diào)控氣候變化的理解和認(rèn)識(shí)，為未來從國(guó)家或區(qū)域?qū)用嬷贫ㄈ藶閼?yīng)對(duì)氣候變化的措施提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

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Estimatingcarbon sequestrationof the major forest recovery plan:based on the analysis of forest inventory data of Shizhu County

LIAO Mingrong1, SHAO Jing′an1,*, GUO Yue1, HUANG Zhilin2, WU Zhaoping1

1ChongqingNormalUniversity,GeographyandTourismCollege,Chongqing400047,China2KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestEcologyEnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Since the late 1990s, the Chinese government has implemented six major forestry projects to increase forest carbon sequestration through afforestation, reforestation, and forest restoration. This paper estimatedthe amount of forest carbon sinks,using forest resource inventory data and forestry engineering data and conversion factors continuous function method. The amount of carbon sequestration of the last 10 years has been estimated to find out the major forest recovery plan′s effect of carbon sinks. The results showed that:(1)In the past 10 years, carbon storage and density forest resources in sample have greatly increased. Carbonsequestration of forest has increased 1.00TgC and average carbon density of forest has increased 2.13MgC/hm2.(2) There was a significant regional difference in the forest carbon sequestration and carbon density increases due to thenon-equilibriumof the major forest recovery plan. The increase of the forest carbon sequestration and carbon density was occurred mainly in the valley between the Fangdou Mountain and Qiyao Mountain, because the Natural Forest Protection Project and the Grain for Green Projectcarried out more here. (3) Carbon sinks of pine, cedar, cypress and mixed coniferous increased as many as 1.36TgC. Carbon sinks of nearly mature forest and middle-aged forest and young forest increased more.Carbon sinks of middle-aged and young forest increased as many as 0.94TgC. Natural forest can save more carbon the plantation. (4) In the past 10 years, 97.66% carbon sequestration was caused by the major forest recovery plan. The average carbon density has increased 7.64MgC/hm2and it was higher than areas not covered by the major forest recovery plan. Carbon sequestration caused by the Natural Forest Protection Project was the most and it accounted for 85.57% of the total.Carbon sequestration caused by the Grain for Green Project was just 0.05TgC because of the late implementation time and bad effectiveness. (5) Carbonsequestration caused by the major forest recovery plan was mainly focus on middle-aged forest and young forest. Middle-aged forest and young forest have great potential to increase carbon sinks when they evolve into nearly mature forest and mature forest. (6) This study helps people to understand and recognize the effectiveness of the major forest recovery plan, and provides a scientific basis for developing policy to respond to and slow down global change.

major forest recovery plan; carbonsequestration;key stand factors;forest resource inventory; Shizhu

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD38B04); 教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(210181); 重慶市科委自然科學(xué)基金(2009BB7239)

2013- 07- 28;

2014- 06- 13

10.5846/stxb201307281964

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shao_ja2003@sohu.com

廖明蓉，邵景安，郭躍，黃志霖，吳朝平.重大森林恢復(fù)計(jì)劃下的碳增匯效應(yīng)——基于石柱縣兩次森林資源二類清查的分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(16):4707- 4719.

Liao M R, Shao J A, Guo Y, Huang Z L, Wu Z P.Estimatingcarbon sequestrationof the major forest recovery plan:based on the analysis of forest inventory data of Shizhu County.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4707- 4719.