長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量分布特征及動(dòng)態(tài)變化

賈松偉

(河南科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要、最活躍的碳庫(kù),森林貯存了76%～98%的陸地植被碳儲(chǔ)量,在維護(hù)全球碳平衡、緩解氣候變暖等方面發(fā)揮著日益重要的作用[1-2]。森林植被碳儲(chǔ)量與森林面積變化、森林演替、林齡組成、人類經(jīng)營(yíng)活動(dòng)以及環(huán)境變化等因素密切相關(guān),是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)[3]。準(zhǔn)確估算森林植被碳儲(chǔ)量及固碳潛力有利于理解陸地碳循環(huán)動(dòng)態(tài)、過(guò)程和機(jī)制,也是加強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理和制定固碳減排措施的前提[4-5]。因此,森林植被碳儲(chǔ)量及其空間分布格局和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

近20多年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從不同尺度(全球、國(guó)家、區(qū)域和樣地)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、碳密度和碳匯功能展開(kāi)了大量研究,內(nèi)容涉及不同地區(qū)、不同類型森林碳儲(chǔ)量及其與森林結(jié)構(gòu)、林齡和生境條件的關(guān)系[3-12],但國(guó)內(nèi)對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量的研究多為國(guó)家和省域尺度[3,7-10],流域尺度下森林植被碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化研究較少。長(zhǎng)江流域是我國(guó)生物多樣性保護(hù)的熱點(diǎn)地區(qū),也是我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)地區(qū)[13]。1980年以來(lái),國(guó)家先后在長(zhǎng)江流域啟動(dòng)實(shí)施了防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林、天然林保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等林業(yè)工程,有效保護(hù)了森林資源,增加了森林面積,改善了生態(tài)環(huán)境。目前對(duì)流域內(nèi)森林植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化研究大多著眼于局部地區(qū)[11],缺乏對(duì)整個(gè)流域范圍的研究。為此,筆者基于4次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù),對(duì)整個(gè)長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行系統(tǒng)分析,以期提供長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量最新可靠數(shù)據(jù),為流域內(nèi)森林資源可持續(xù)發(fā)展和激發(fā)其增匯潛力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究中“長(zhǎng)江流域”指長(zhǎng)江干流和支流流經(jīng)的廣大區(qū)域,位于24°30′～35°45′ N,90°33′～122°25′ E,由金沙江等11大水系構(gòu)成,西自發(fā)源地青海,東至上海,涉及19個(gè)省、自治區(qū)和直轄市,總面積為18 000萬(wàn)hm2,占國(guó)土面積的18.75%[14]。長(zhǎng)江流域氣候溫和，雨量充沛,適宜林木生長(zhǎng),森林資源豐富多樣,從長(zhǎng)江江源區(qū)的山地寒溫性針葉林地帶到長(zhǎng)江中下游地區(qū)的中亞熱帶常綠闊葉林地帶。長(zhǎng)江全長(zhǎng)6 397 km,從源頭至湖北宜昌為上游,長(zhǎng)4 504 km,流域面積為 9 991.38萬(wàn)hm2;從湖北宜昌至江西湖口為中游,長(zhǎng)955 km,流域面積為6 817.84萬(wàn)hm2;江西湖口以下為下游,長(zhǎng)938 km,流域面積為1 190.78萬(wàn)hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)第四次(1989—1993年)、第五次(1994—1998年)、第六次(1999—2003年)和第七次(2004—2008年)森林資源清查數(shù)據(jù),包括長(zhǎng)江流域森林資源面積、蓄積量和齡組等。研究中森林?jǐn)?shù)據(jù)主要為喬木林,不包括經(jīng)濟(jì)林、竹林和疏林地。

1.3 研究方法

1.3.1森林生物量的估算

由于歷次森林資源清查中,長(zhǎng)江流域森林資源清查資料僅列出了不同齡組林地總面積和總蓄積量數(shù)據(jù),缺乏分樹種統(tǒng)計(jì)資料。故筆者采用方精云等[10]建立的估算模型,計(jì)算公式為

y=0.575 1x+38.706。

(1)

式(1)中,y為平均生物量,Mg·hm-2;x為平均蓄積量,m3·hm-2。樣本量n為120,決定系數(shù)R2為0.83。

為驗(yàn)證估算模型的適用性,筆者以第七次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),估算了全國(guó)和部分省份森林碳儲(chǔ)量(植被含碳系數(shù)采用0.5),并與李?？萚8]估算結(jié)果進(jìn)行比較(表1)。由表1可知,估算模型對(duì)大范圍區(qū)域來(lái)說(shuō),誤差較小。

表1不同方法估算結(jié)果的比較

Table1Comparisonofestimationresultswithdifferentmethods

區(qū)域森林碳儲(chǔ)量/Tg該研究文獻(xiàn)[8]誤差/% 全國(guó)6 853.546 662.212.87 河南省92.0487.704.95 重慶市67.8165.633.32 陜西省206.99215.35-3.88 云南省731.81753.73-2.91

1.3.2碳儲(chǔ)量和碳密度的計(jì)算

森林碳儲(chǔ)量由生物量乘以植被含碳系數(shù)得到。由于植物既有低碳組織,又有高碳組織,國(guó)際上常用的植被含碳系數(shù)為0.45～0.50[12]。我國(guó)學(xué)者對(duì)森林群落組成樹種含碳系數(shù)進(jìn)行了測(cè)度研究。如馬欽彥等[15]研究表明,我國(guó)喬木樹種平均含碳系數(shù)大于0.45,其中闊葉樹種平均含碳系數(shù)大多小于0.5,而針葉樹種平均含碳系數(shù)大多大于0.5。李海奎等[16]研究表明,不同樹種含碳系數(shù)為0.45～0.53。筆者研究中因缺乏各樹種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),故統(tǒng)一采用0.5。筆者研究中森林植被碳儲(chǔ)量不包括林下草本層,凋落物層和林木根系等碳儲(chǔ)量。碳密度是指單位面積碳儲(chǔ)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江流域各時(shí)期森林植被碳儲(chǔ)量

由表2可知,4個(gè)時(shí)期長(zhǎng)江流域森林面積不斷增加,由1989—1993年的3 183.88萬(wàn)hm2增加到2004—2008年的4 646.93萬(wàn)hm2,年均增加73.15萬(wàn)hm2;對(duì)應(yīng)的森林植被碳儲(chǔ)量由1 345.30 Tg增加到1 924.98 Tg,增加579.68 Tg,年均增加28.98 Tg,年均增長(zhǎng)率為2.15%。1993—1998年長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量增加273.34 Tg,年均增長(zhǎng)率為4.06%;1998—2003年森林植被碳儲(chǔ)量增加106.71 Tg,年均增長(zhǎng)率為1.32%;2003—2008年森林植被碳儲(chǔ)量增加199.63 Tg,年均增長(zhǎng)率為2.31%?？梢?jiàn),1989—2008年的20 a間長(zhǎng)江流域森林植被起碳匯作用,長(zhǎng)江流域森林植被變化趨勢(shì)與同時(shí)期全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量總體變化趨勢(shì)一致[9,17],且整個(gè)流域森林植被碳儲(chǔ)量占全國(guó)碳儲(chǔ)量的比例有所增大。

表2長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量及碳密度

Table2CarbonstorageandcarbondensityofforestvegetationinYangtzeRiverBasin

時(shí)間森林面積/萬(wàn)hm2森林覆蓋率/%森林植被碳儲(chǔ)量長(zhǎng)江流域/Tg全國(guó)/Tg占比/%碳密度/(Mg·hm-2) 1989—1993年3 183.8817.691 345.304 630[9]29.0642.25 1994—1998年4 012.9022.291 618.644 750[9]34.0840.34 1999—2003年4 208.5123.381 725.355 746[17]30.0641.00 2004—2008年4 646.9325.821 924.986 347[17]30.3141.42

從森林植被平均碳密度來(lái)看,1989—1993年最大,達(dá)到42.25 Mg·hm-2,1994—1998年降為40.34 Mg·hm-2,其后隨時(shí)間推移,森林植被平均碳密度有所增加,但增加幅度不大;4個(gè)時(shí)期平均碳密度介于40.34～42.25 Mg·hm-2之間,與全國(guó)喬木林平均碳密度接近(42.82 Mg·hm-2)[8]。

2.2 長(zhǎng)江流域不同齡組森林植被碳儲(chǔ)量

森林植被碳儲(chǔ)量與森林林齡組成密切相關(guān)。長(zhǎng)江流域不同齡組森林植被的面積、碳儲(chǔ)量以及碳密度見(jiàn)圖1。

由圖1可知,4次清查結(jié)果表明長(zhǎng)江流域森林植被主要為幼、中齡林,占森林總面積的70%左右,兩者碳儲(chǔ)量?jī)粼黾?81.53 Tg,對(duì)林分總碳匯的貢獻(xiàn)為65.82%。近熟林、成熟林和過(guò)熟林面積分別占9.71%～12.60%、10.17%～11.59%和6.85%～8.41%;碳儲(chǔ)量分別凈增加115.38、44.33和38.42 Tg,占林分總碳匯的19.90%、7.65%和6.63%。

森林面積的增加是碳儲(chǔ)量增加的重要原因之一。5個(gè)齡組面積增量由多到少依次為中齡林、幼齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林,分別增加663.48、348.68、276.54、124.03和50.32萬(wàn)hm2,分別占森林面積總增量的45.35%、23.83%、18.90%、8.48%和3.44%。另外,森林生長(zhǎng)導(dǎo)致碳密度增加也是各個(gè)齡組碳儲(chǔ)量增加的一個(gè)重要原因。幼齡林面積比同期中齡林面積大,但幼齡林碳儲(chǔ)量卻明顯小于中齡林碳儲(chǔ)量,其主要原因是中齡林碳密度比幼齡林大。

圖1 長(zhǎng)江流域不同齡組森林植被面積、碳儲(chǔ)量和碳密度的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Area, carbon storage and carbon density of forest stands among different age groups in Yangtze River

4次清查結(jié)果表明,幼、中齡林碳密度有所增加,而成熟林和過(guò)熟林碳密度則有所下降。值得注意的是,過(guò)熟林平均碳密度分別為中齡林和幼齡林的2.6倍和3.6倍,表明若中齡林和幼齡林繼續(xù)生長(zhǎng),將會(huì)具有很大的碳匯潛力。

2.3 長(zhǎng)江流域不同起源森林植被碳儲(chǔ)量

在4次森林資源清查中,長(zhǎng)江流域天然林碳儲(chǔ)量分別占同期碳儲(chǔ)量的86.93%、84.01%、80.31%和78.17%,碳儲(chǔ)量比例呈減少趨勢(shì),人工林碳儲(chǔ)量分別占同期碳儲(chǔ)量的13.07%、15.99%、19.69%和21.83%,碳儲(chǔ)量比例呈增加趨勢(shì);研究期間人工林碳儲(chǔ)量增加244.50 Tg,占全流域碳增量的42.18%,而天然林碳儲(chǔ)量增加335.18 Tg,占全流域碳增量的57.82%(表3)。這可能與他們所占面積有關(guān),天然林面積占同期森林總面積的70%以上,碳儲(chǔ)量相應(yīng)就大;人工林在各時(shí)期的面積呈增加趨勢(shì),分別占同期森林總面積的19.89%、22.98%、25.20%和27.08%,因而碳儲(chǔ)量比例也呈增加趨勢(shì)。以上分析表明,長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量主要分布在天然林中,天然林是長(zhǎng)江流域森林植被碳匯功能的主要貢獻(xiàn)者,同時(shí)人工林碳儲(chǔ)能力正逐步增強(qiáng)。

表3長(zhǎng)江流域不同起源森林植被碳儲(chǔ)量及碳密度

Table3ForestcarbonstorageandcarbondensityonforestorigininYangtzeRiverBasin

時(shí)間天然林人工林面積/萬(wàn)hm2碳儲(chǔ)量/Tg碳密度/(Mg·hm-2)面積/萬(wàn)hm2碳儲(chǔ)量/Tg碳密度/(Mg·hm-2)1989—1993年2 550.691 169.5145.85633.19175.7927.76 1994—1998年3 090.541 359.7844.00922.36258.8628.07 1999—2003年3 148.091 385.5644.011 060.42339.7932.04 2004—2008年3 388.571 504.6944.411 258.36420.2933.40

研究結(jié)果還表明,研究期間長(zhǎng)江流域人工林和天然林碳密度總體呈增加趨勢(shì),但人工林碳密度明顯小于天然林碳密度(表3)。這意味著隨人工林進(jìn)一步發(fā)展,人工林碳匯功能將更加突出,將在全流域森林碳匯功能中扮演重要角色。

2.4 長(zhǎng)江流域不同江段森林植被碳儲(chǔ)量

因缺乏統(tǒng)計(jì)資料,僅列出1999—2003年和2004—2008年2個(gè)時(shí)期長(zhǎng)江流域不同江段森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度(表4)。由表4可知,長(zhǎng)江流域森林資源主要分布在中上游流域,占全流域森林面積的95%以上,這也與中上游流域面積占全流域面積比例大有關(guān)。從3個(gè)江段森林覆蓋率來(lái)看,長(zhǎng)江中游森林覆蓋率最高,上游次之,下游最小;2004—2008年3個(gè)江段森林覆蓋率均比1999—2003年有所增加,尤其為中游,增加4.66百分點(diǎn)。

表4長(zhǎng)江流域不同江段森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度

Table4CarbonstorageandcarbondensityindifferentsectionsofYangtzeRiverBasin

江段1999—2003年森林植被2004—2008年森林植被面積/萬(wàn)hm2碳儲(chǔ)量/Tg覆蓋率/%碳密度/(Mg·hm-2)面積/萬(wàn)hm2碳儲(chǔ)量/Tg覆蓋率/%碳密度/(Mg·hm-2) 上游1 890.23975.0018.9251.581 996.431 030.7819.9851.63 中游2 147.21697.6131.4932.492 464.93833.3036.1533.91 下游171.0752.7414.3730.83185.5760.9015.5832.82 合計(jì)4 208.511 725.354 646.931 924.98

這2個(gè)時(shí)期長(zhǎng)江上游地區(qū)森林植被碳儲(chǔ)量最大,占同期碳儲(chǔ)量的比例分別為56.51%和53.55%,中游地區(qū)森林植被碳儲(chǔ)量次之,分別為40.43%和43.29%,下游地區(qū)森林植被碳儲(chǔ)量?jī)H占同期碳儲(chǔ)量的3.06%和3.16%。將2個(gè)時(shí)期森林植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)2004—2008年長(zhǎng)江上游、中游和下游森林植被碳儲(chǔ)量均大于1999—2003年,分別增加5.72%、19.45%和15.47%。從平均碳密度來(lái)看,2個(gè)時(shí)期上游森林植被平均碳密度最大,中游次之,下游最小,這也與上游森林植被主要為成熟林和過(guò)熟林、中下游主要為幼齡林和中齡林有關(guān)(圖2)。

3 討論

3.1 長(zhǎng)江流域森林碳匯的戰(zhàn)略地位

因?yàn)樯肿鳛殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),在抑制全球溫室氣體濃度上升中發(fā)揮著重要作用,林業(yè)碳匯也成為《京都議定書》、“巴厘島路線圖”和“哥本哈根世界氣候大會(huì)”等歷次國(guó)際氣候談判的重要內(nèi)容。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量及其變化的研究表明,我國(guó)森林植被碳匯功能明顯[9,11,17]。筆者結(jié)果表明,長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量由1989年的1 345.30 Tg增加到2008年的1 924.98 Tg,均占同期全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量的30%左右;研究期間森林植被碳儲(chǔ)量增加579.68 Tg,占同期全國(guó)森林植被碳增加量(1 717 Tg)的33.70%,森林覆蓋率(17.69%、22.29%、23.38%和25.82%)總體也呈上升趨勢(shì)。同時(shí),長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率(2.15%)比全國(guó)年均增長(zhǎng)率(1.86%)高0.29百分點(diǎn)。研究還表明,長(zhǎng)江流域森林植被平均碳密度呈增加趨勢(shì)(分別為42.25、40.34、41.00和41.42 Mg·hm-2)。這些變化說(shuō)明長(zhǎng)江流域森林植被碳匯作用不斷增強(qiáng),儲(chǔ)碳能力將繼續(xù)提高,同時(shí)也說(shuō)明長(zhǎng)江流域森林植被在增加全國(guó)森林碳儲(chǔ)量和增強(qiáng)全國(guó)森林碳匯功能等方面扮演著重要角色。

圖2 長(zhǎng)江流域各江段不同齡組植被碳儲(chǔ)量占比

3.2 長(zhǎng)江流域森林經(jīng)營(yíng)管理及提升森林碳匯途徑

加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)管理是提高森林碳儲(chǔ)量的重要途徑。1980年代以來(lái),長(zhǎng)江流域先后實(shí)施了防護(hù)林體系建設(shè)、退耕還林和天然林保護(hù)等林業(yè)工程,森林面積得到有效增加。研究表明,研究期間長(zhǎng)江流域森林面積增加1 463.05萬(wàn)hm2;4次清查期間森林植被主要集中于幼、中齡林,兩者面積占森林總面積的70%左右,兩者碳儲(chǔ)量增加381.53 Tg,對(duì)林分總碳匯的貢獻(xiàn)達(dá)65.82%。隨著林木自然生長(zhǎng),幼、中齡林必然向成熟林發(fā)展,由于幼、中齡林平均碳密度(25.62和36.09 Mg·hm-2)比成熟林平均碳密度(68.52 Mg·hm-2)低得多,這意味著即使不擴(kuò)大森林面積,依靠林木自然生長(zhǎng),長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量仍有較大的增長(zhǎng)潛能,將繼續(xù)發(fā)揮碳匯作用。因此,未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)江流域幼、中齡林的撫育管理,科學(xué)、合理、有序地開(kāi)展森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng),改善林分質(zhì)量,提高流域內(nèi)森林固碳速度和固碳能力,進(jìn)而增加森林固碳總量。

研究還表明,長(zhǎng)江流域人工林碳儲(chǔ)量?jī)H占同期森林植被碳儲(chǔ)量的13.07%、15.99%、19.69%和21.83%,主要是由于人工林面積少,同時(shí)人工林中幼、中齡林占比過(guò)大所致,如2004—2008年幼、中齡林占比高達(dá)75.48%;而人工林普遍存在樹種單一、結(jié)構(gòu)和功能較差、病蟲害頻繁發(fā)生等缺點(diǎn),這也是人工林植被碳儲(chǔ)量較低的一個(gè)重要原因[18]。但長(zhǎng)江流域人工林碳儲(chǔ)能力相對(duì)較強(qiáng),流域內(nèi)人工林面積占全國(guó)人工林面積的31.46%[19](以2004—2008年為例),而碳儲(chǔ)量占全國(guó)人工林碳儲(chǔ)量的比例卻達(dá)44.81%(同期全國(guó)人工林碳儲(chǔ)量為938 Tg[17])。這說(shuō)明提高現(xiàn)有人工林的經(jīng)營(yíng)管理水平,調(diào)整流域內(nèi)樹種結(jié)構(gòu)和格局,加強(qiáng)森林病蟲害防治,增加森林抗災(zāi)能力,有助于進(jìn)一步增強(qiáng)長(zhǎng)江流域森林碳匯功能。

4 結(jié)論

基于4次全國(guó)森林資源清查主要數(shù)據(jù),對(duì)長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量及碳密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明:

(1)研究期間長(zhǎng)江流域森林植被總碳儲(chǔ)量由1 345.30 Tg增加到1 924.98 Tg,占全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量的30%左右;森林植被平均碳密度為40.34～42.25 Mg·hm-2。

(2)研究期間長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量主要集中于幼齡林、中齡林和近熟林,3者對(duì)林分碳匯的貢獻(xiàn)超過(guò)85%。森林植被碳密度隨著林齡增加呈增加趨勢(shì);隨著時(shí)間推移,幼齡林和中齡林碳密度有所增加,而成熟林和過(guò)熟林碳密度則有所下降。

(3)研究期間長(zhǎng)江流域森林植被碳儲(chǔ)量主要分布于天然林,占同期碳儲(chǔ)量的78%以上,人工林碳儲(chǔ)量占同期森林植被碳儲(chǔ)量的比例呈增加趨勢(shì),由13.07%增加到21.83%;研究期間人工林和天然林碳密度總體呈增加趨勢(shì),但人工林碳密度明顯小于天然林碳密度。

(4)研究期間長(zhǎng)江流域森林碳儲(chǔ)量主要集中于長(zhǎng)江中上游地區(qū),占全流域的96%以上;2004—2008年長(zhǎng)江流域上、中、下游森林碳儲(chǔ)量都比1999—2003年高,分別高5.72%、19.45%和15.47%。