白龍江林區(qū)森林植被碳儲量和碳匯功能研究

邱書志 ，薄乖民 ，丁 騫 ，王 偉 ，汪淑筠，王少明，閆毓斌 ，趙亮生

（1.甘肅省白龍江林業(yè)管理局，甘肅 蘭州 730050；2.國家林業(yè)局 西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，陜西 西安 710048）

森林植被通過植物光合作用吸收CO2并將其固定在植物體內(nèi)，同時又進(jìn)行呼吸作用釋放CO2，具有“碳匯”和“碳源”的雙重功能；森林生物量約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的86%，森林植被儲存了世界陸地生態(tài)系統(tǒng)地上部分碳儲量的76%～98%，故森林狀況很大程度上決定了陸地生物圈是碳源還是碳匯[1-2]；陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在減緩全球氣候變化中起著重要的和不可替代的作用。近年來，以建立生物量與蓄積量關(guān)系為基礎(chǔ)的植物碳儲量估算方法已得到廣泛應(yīng)用[3-5]。由樹干材積計算生物量的方法稱為材積源生物量（volumede-rived biomass）法，簡稱材積源法。材積源法一般用于大尺度生物量估算[1]，被公認(rèn)為是一種較好的估測森林生物量方法[6]。

白龍江林區(qū)是我國重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)、生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)域，在應(yīng)對氣候變化、減緩CO2排放中起著重要的和不可替代的作用。本研究對白龍江林區(qū)18種主要森分類型、林下植被、森林土壤碳儲量和碳匯功能進(jìn)行估算，旨在對白龍江林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能有新的認(rèn)識，為其生態(tài)效益與補(bǔ)償計算、資產(chǎn)評估以及CO2排放權(quán)轉(zhuǎn)讓等提供基礎(chǔ)資料，為兩大區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)科學(xué)決策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然地理概況

白龍江林區(qū)地處青藏高原東北邊緣與岷山山脈的白龍江和洮河兩大河流上游，分屬于長江和黃河上游的源頭地區(qū)，處于102°46′～104°52′E，33°04′～ 35°09′N。地形沿岷山山脈自西向東逐漸傾斜，山巒起伏，平均坡度30°～35°。區(qū)內(nèi)氣候?yàn)楸眮啛釒驕貛н^渡類型，高濕低溫，冬長而寒冷干燥，夏短而溫涼濕潤。年均氣溫為3.1～14.9 ℃，日照時數(shù)為1 398～2 275 h，年降水量為422.7～951.0 mm。土壤以棕色灰化土、棕色森林土、褐色森林土為主[7-8]。有林地面積為4.6×105hm2，占全林區(qū)總面積的41.46%；森林覆蓋率達(dá)48.69%，全林區(qū)活立木總蓄積量為 7.22×107m3。

1.2 森林資源概況

依據(jù)2010 年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)建檔，更新至2015年底數(shù)據(jù)顯示：經(jīng)營總面積為104.58萬hm2，林地面積為91.943 3萬 hm2，占總面積的87.92%；森林面積為53.795 8萬hm2，森林覆蓋率為51.44%，其中有林地為46.028 4萬 hm2，占總面積的44.01%，特別規(guī)定灌木林為7.767 4萬hm2，占林土地總面積的7.40%；其它灌木林面積為22.474 4萬hm2，占土地總面積的21.48%。活立木總蓄積為7 212.803萬m3。

1.3 森林植被生物量的估算

1.3.1 喬木林

采用基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)的生物量回歸模型估算法。基本公式為：

式中：B為某一樹種單位面積的生物量；D為某一樹種的平均胸徑；H為某一樹種的平均樹高；a和b均為常數(shù)[9]。其模型和參數(shù)見表1。

表1 不同樹種（組）的生物量模型和參數(shù)?Table 1 The biomass models and parameters of different tree species (group)

1.3.2 喬木林下灌木和草本

參照《森林資源連續(xù)清查森林生物量模型建立暫行辦法》（試行）的規(guī)定，分不同的森林類型和郁閉度等級設(shè)置林下灌木樣地50個，草本樣地50個，采用收獲法計算生物量。

1.3.3 疏林的生物量

按單位面積的生物量乘以疏林地面積得到。

1.3.4 灌木林的生物量及林下草本

參照《森林資源連續(xù)清查森林生物量模型建立暫行辦法》（試行）的規(guī)定，分不同的灌木類型和覆蓋度等級布設(shè)灌木樣地64個，草本樣地64個，采用收獲法計算生物量。

1.4 森林植被碳儲量估算方法

目前，政府間氣候變化專門委員會（英文縮寫IPCC）等國際組織以及世界各國對森林碳儲量的估計，普遍是通過測定的森林生物量再乘以生物量中碳元素含量（含碳系數(shù)）的方法取得。其基本公式為：

式中：Ci為某一樹種碳儲量；Wi為某一樹種生物量；Ci為某一樹種含碳系數(shù)；i為樹種。

含碳系數(shù)的大小是影響森林碳儲量大小的另一重要因素。國際上常用的含碳系數(shù)為0.45～0.50。IPCC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》中全球確認(rèn)值為0.50，2006年調(diào)整為0.47。依據(jù)江澤慧的《木材化學(xué)》一書中各樹種中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量及其碳元素所占重量比例，匯總出白龍江林業(yè)管理局所轄林區(qū)不同樹種的含碳系數(shù)：冷杉 0.499 9，云杉0.520 8，鐵杉0.502 2，柏木0.503 4，落葉松0.521 1，油松0.520 7，華山松0.522 5，水杉0.501 3，針葉混0.510 1，針闊混0.497 8，櫟類0.5004，樺木0.491 4，硬闊類0.483 4，椴樹類0.4392，楊樹0.469 5，軟闊類0.495 6，雜木0.4834，闊葉混0.490 0，灌木林0.500 0。

1.5 碳匯價格的估算

1tC相當(dāng)于11/3 tCO2，按照聯(lián)合履約（JI）價格計算，平均16美元·t-1CO2；按照清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）價格計算，平均24.2美元·t-1CO2[10-11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林植被生物量

白龍江林區(qū)森林植被總生物量為10 939.65萬t，單位面積生物量為143.32 t/hm2。其中喬木林10 518.25萬t，占96.1%，單位面積生物量為228.60 t/hm2，高于全國平均水平（86.07 t/hm2）；疏林7.14萬t，占0.1%，所占比重很小，單位面積生物量為13.90 t/hm2；灌木林414.26萬t，占3.8%。

2.1.1 喬木林各齡組生物量和單位面積生物量分布格局

喬木林生物量按齡組估算統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2顯示，喬木林總生物量為10 518.25萬t，單位面積生物量為228.6 t/hm2，喬木林各齡組生物量、單位面積生物量的共同規(guī)律為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。形成此結(jié)果主要原因?yàn)椋阂皇菢淠驹谡麄€壽命周期內(nèi)，林齡（樹齡）越大，蓄積越大，相應(yīng)生物量也大；二是由本局的成、過熟林所占比重大決定的。

表2 喬木林分齡組生物量和單位面積生物量Table 2 The biomass and biomass per unit area in different aged highforests

2.1.2 不同林分類型生物量分布格局

不同林分類型的生物量與單位面積生物量估算結(jié)果見表3。

表3 不同林分類型生物量和單位面積生物量Table 3 The biomass and biomass per unit area in different forest types

從表3可看出，不同林分類型的生物量和單位面積生物量差異較大，占總生物量15%以上的林分類型有冷杉林和云杉林，分別占44.2%和19.9%，合計占64.1%，屬于第一層級，占有絕對優(yōu)勢；占總生物量5%～14.9%的林分類型有針闊混交林、油松林、樺木林、針葉混交林，分別占8.1%、6.9%、5.4%、5.3%，合計占25.7%，屬于第二層級；其余12個林分類型的生物量合計占總生物量的10.2%，單個類型占比均在3%以下，屬于第三層級。就全局而言，針葉林遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于闊葉林和灌木林，針葉林生物量為8 636.19萬t，占79.0%；闊葉林生物量為1 882.05萬t，占17.0%。 林分類型生物量從大到小依次為：冷杉林＞云杉林＞針闊混交林＞油松林＞樺木林＞針葉混交林＞其他灌木林＞闊葉混交林＞鐵杉柏木林＞國家特灌林＞華山松林＞落葉松林＞櫟類林＞硬闊類林＞楊類林＞軟闊類林＞疏林＞經(jīng)濟(jì)林。

就單位面積生物量而言，軟闊類單位面積生物量最大，其次為油松林，再次為冷杉林，第四為硬闊類林，疏林和灌木林的單位面積生物量最小，僅有13.90 t/hm2。林分類型單位面積生物量從大到小依次為：軟闊類＞油松林＞冷杉林＞硬闊類林＞針葉混交林＞闊葉混交林＞鐵杉柏木林＞針闊混交林＞云杉林＞落葉松林＞樺木林＞櫟類林＞楊類林＞華山松林＞經(jīng)濟(jì)林＞疏林、國特灌木林、其它灌木林。

2.2 森林植被碳儲量與碳密度

2.2.1 喬木林分齡組碳儲量和碳密度分布格局

不同林分類型的碳儲量與單位面積碳密度估算結(jié)果見表4。

表4 喬木林分齡組碳儲量和碳密度Table 4 Carbon storage and carbon density in different aged high forests

表4顯示，白龍江林區(qū)喬木林碳儲量為5 317.70萬t，其中過熟林碳儲量最大，為1 953.92萬t，其次為成熟林碳儲量1 915.94萬t，二者之和占總碳儲量72.7%；幼齡林碳儲量185.36萬t，為最小。碳儲量、碳密度從大到小排序相同，依次為：過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。形成這一分布格局和規(guī)律主要原因是：一是樹木在整個壽命周期內(nèi)，林齡（樹齡）越大，蓄積越大，相應(yīng)生物量和碳儲量也大；二是由本局的成、過熟林所占比重大決定的。

2.2.2 不同林分類型碳儲量與碳密度分布格局

不同林分類型碳儲量與碳密度估算結(jié)果見表5。

表5顯示，針葉林碳儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于闊葉林和灌木林，針葉林碳儲量為4 387.32萬t，占79.3%，灌木林碳儲量為207.13萬t，占3.7%；冷杉林、云杉林、油松林、樺木林、針闊混交林和針葉混交林等林分類型的碳儲量較大，均占全部森林植被碳儲量的5%以上，合計占整個區(qū)域森林植被碳儲量的89.9%。碳儲量最大的林分類型是冷杉林，碳儲量為2 416.95萬t，占43.7%；云杉林次之，碳儲量為1 133.84萬t，占20.5%；而疏林和經(jīng)濟(jì)林碳儲量最小，分別為3.64和0.09萬t，分別占0.1%和0.0%。

就碳密度而言，軟闊類碳密度最大，達(dá)251.71 t/hm2；其次為油松林，碳密度為205.92 t/hm2；冷杉林碳密度第三，為171.01 t/hm2；疏林、國家特灌林、其他灌木林最小，只有6.95 t/hm2（見表5）。

不同林分類型碳儲量與碳密度排序相同，并與不同林分類型的生物量與單位面積生物量排序一致。

表5 不同林分類型碳儲量和碳密度Table 5 Carbon storage and carbon densityin different forest types

2.3 森林植被碳匯交易潛在價值估算

森林碳匯是森林非常重要的生態(tài)功能。對森林植被碳匯價值的估算，是通過價格的形式將森林的生態(tài)功能推向市場，最終實(shí)現(xiàn)碳匯交易，使森林的碳匯功能成為社會的普遍認(rèn)知。森林碳匯的市場交易為森林生態(tài)服務(wù)功能提供了市場交換的方式，實(shí)現(xiàn)了森林生態(tài)價值的市場補(bǔ)償，對于融資發(fā)展林業(yè)、保護(hù)發(fā)展生態(tài)環(huán)境具有重要意義[12]。依據(jù)2種價格，對白龍江林區(qū)森林植被碳匯價值的估算結(jié)果（見表5）表明，白龍江林區(qū)森林植被碳交易的潛在價值為324 336.91萬美元（JI）或490 559.61萬美元（CDM），潛在價值最大的是冷杉林，達(dá)到了141 794.40萬美元（JI）或214 464.05萬美元（CDM），占總碳交易潛在價值的43.72%；其次是云杉林，達(dá)到了66 518.61萬美元（JI）或100 609.41萬美元（CDM），占總碳交易潛在價值的20.51%；最小的是經(jīng)濟(jì)林，僅有5.28萬美元（JI）或7.99萬美元（CDM），占總碳交易潛在價值的0.001 6%，微乎其微。其排序依次為：冷杉林＞云杉林＞針闊混交林＞油松林＞樺木林＞針葉混交林＞其他灌木林＞闊葉混交林＞鐵杉柏木林＞國家特灌林＞華山松林＞落葉松林＞櫟類林＞硬闊類林、軟闊類林、楊類林＞疏林＞經(jīng)濟(jì)林。

3 結(jié)論與討論

（1）白龍江林區(qū)森林植被生物量總量為10 939.65萬t，總碳儲量為5 528.47萬t，單位面積生物量為143.32 t/hm2，碳密度為72.43 t/hm2，其中喬木林單位面積生物量與碳密度分別為228.60 t/hm2和115.57 t/hm2，均遠(yuǎn)高于全國平均水平（86.07 t/hm2）和（42.82 t/hm2）[9]。其中冷杉林總生物量、總碳儲量最大，經(jīng)濟(jì)林總生物量、總碳儲量最小。各林分生物量與碳儲量排序一致，從大到小依次為：冷杉林＞云杉林＞針闊混交林＞油松林＞樺木林＞針葉混交林＞其他灌木林＞闊葉混交林＞鐵杉柏木林＞國家特灌林＞華山松林＞落葉松林＞櫟類林＞硬闊類林＞楊類林＞軟闊類林＞疏林＞經(jīng)濟(jì)林。單位面積生物量與碳密度表現(xiàn)一致，軟闊類單位面積生物量、碳密度最大，其次為油松林，疏林、國家特灌林、其它灌木林最小，排序?yàn)椋很涢燁悾居退闪郑纠渖剂郑居查燁惲郑踞樔~混交林＞闊葉混交林＞鐵杉柏木林＞針闊混交林＞云杉林＞落葉松林＞樺木林＞櫟類林＞楊類林＞華山松林＞經(jīng)濟(jì)林＞疏林、國特灌木林、其它灌木林。

（2）林齡是影響森林植被生物量和碳儲量主要因子之一[13-14]。在白龍江林區(qū)森林植被生物量和碳儲量的時間分布序列中，幼齡林處于植被發(fā)育的早期，生物量和碳儲量在不斷的積累，中齡林和近熟林是植被生長發(fā)育旺盛期，生物量和碳儲量在迅速增加和積累，達(dá)到一個高峰后進(jìn)入成熟林，到過熟林屬于植被發(fā)育后期，生物量和碳儲量逐漸減少。

（3）白龍江林區(qū)森林近、成、過熟林總生物量與總碳儲量所占比重較大，并主要集中在針葉林中。由于幼齡、中齡林的單位面積生物量和碳密度遠(yuǎn)低于近、成、近熟林，隨著幼齡、中齡林的進(jìn)一步生長、成熟，白龍江林區(qū)森林的生物量與碳儲量具有巨大的潛力。白龍江林區(qū)森林植被的總生物量與總碳儲量主要集中在針葉林中，冷杉林和云杉林所占比重較大，因此，這2個樹種的生物量與碳儲量的動態(tài)變化將極大地影響著整個森林植被的總生物量和總碳儲量。加大造林力度，擴(kuò)大幼齡林面積是培育后備資源、增強(qiáng)碳匯能力、改變生態(tài)環(huán)境的重要措施。

（4）白龍江林區(qū)森林植被碳交易的潛在價值為324 336.91萬美元（JI）或490 559.61萬美元（CDM），潛在價值最大的是冷杉林，達(dá)到了141 794.40萬美元（JI）或214 464.05萬美元（CDM），占總碳交易潛在價值的43.72%；其次是云杉林，達(dá)到了66 518.61萬美元（JI）或100 609.41萬美元（CDM），占總碳交易潛在價值的20.51%。因此，云、冷杉林在吸收大氣中的CO2、減緩溫室效應(yīng)、應(yīng)對氣候變化中具有極為重要的作用。同時，白龍江林業(yè)管理局應(yīng)積極準(zhǔn)備進(jìn)入碳匯交易市場，爭取盡快將生態(tài)價值變?yōu)樨泿朋w現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價值，更好地投入林業(yè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與建設(shè)。

（5）白龍江林區(qū)碳儲量大，碳密度高，在甘肅省乃至全國森林碳庫中占有重要的地位，發(fā)揮著極其巨大的作用。

（6）白龍江林區(qū)軟闊類碳密度最大（251.71 t/hm2），其次為油松林（205.9 t/hm2），冷杉林碳密度第三（171.01 t/hm2），這3個林分類型碳密度遠(yuǎn)高于其他林分類型，而林區(qū)軟闊類、油松林所占比例微乎其微。因此，在今后造林、退化植被的恢復(fù)和重建、森林經(jīng)營過程中，適當(dāng)增加軟闊類林、油松林或軟闊類與油松、針葉林混交林的營造和培育是提高白龍江林區(qū)森林植被質(zhì)量、增強(qiáng)碳匯的主要途徑。

（7）森林土壤雖屬于森林生態(tài)系統(tǒng)亞系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和減緩全球氣候變化中起著重要作用。但是，由于森林類型的多樣性、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及森林對干擾和變化環(huán)境響應(yīng)的時空動態(tài)變化,至今對森林土壤碳儲量和變率的科學(xué)估算，以及土壤關(guān)鍵碳過程及其穩(wěn)定性維持機(jī)制的認(rèn)識還十分有限[15]。所以本文未將森林土壤碳儲量納入評估研究的范圍。

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