天然林保護(hù)工程區(qū)近20年森林植被碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)及碳匯(源)特征

張逸如,劉曉彤,高文強(qiáng),李?？?*

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所,北京 100091 2 國(guó)家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營(yíng)與生長(zhǎng)模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

1998年長(zhǎng)江和松花江流域的特大洪水,使人們認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境惡化和森林資源被過(guò)度消耗的結(jié)果,同年國(guó)家開(kāi)始試點(diǎn)實(shí)施天然林資源保護(hù)工程,2000年正式開(kāi)始建設(shè)天保工程。天保工程建設(shè)第一期時(shí)間為2000—2010年,第二期時(shí)間為2011—2020年,旨在通過(guò)在長(zhǎng)江上游和黃河上中游全面停止天然林商業(yè)性采伐,營(yíng)造新的公益林,在東北內(nèi)蒙古林區(qū)減少采伐量,同時(shí)管護(hù)好工程區(qū)的森林資源來(lái)恢復(fù)天然林和生態(tài)修復(fù),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

森林碳匯是通過(guò)植樹(shù)造林、森林保護(hù)等措施,利用綠色植物的光合作用吸收大氣中的二氧化碳并將其固定到森林當(dāng)中,在當(dāng)前氣候變化的背景下,是增加溫室氣體吸收,實(shí)現(xiàn)碳中和的行之有效的途徑[1],《巴黎協(xié)定》中明確了溫室氣體的匯和庫(kù),包括森林等,鼓勵(lì)發(fā)展中國(guó)家通過(guò)養(yǎng)護(hù)、可持續(xù)管理森林,增強(qiáng)森林碳匯的作用[2- 3]?！度珖?guó)森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃》(2016—2050年),首次把森林碳儲(chǔ)量作為重要的指標(biāo)列出；天保工程第二期工程提出了碳匯目標(biāo),即到2020年,天保工程第二期預(yù)期新增碳匯是416 TgC(4.16億t)[4],因此,估算天然林保護(hù)工程區(qū)近20年森林植被碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài),明確碳匯特征,不僅可以評(píng)價(jià)天保工程的實(shí)施效果,量化天保措施對(duì)全國(guó)碳匯的貢獻(xiàn),而且可以為更精準(zhǔn)的天保措施提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

多年來(lái),國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了關(guān)于碳儲(chǔ)量估算的研究。區(qū)域尺度碳儲(chǔ)量估算主要有基于森林資源清查的生物量轉(zhuǎn)換法、通量觀測(cè)法、基于遙感的定量反演法等[5- 7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于森林資源清查數(shù)據(jù),廣泛探索了關(guān)于清查數(shù)據(jù)、生物量和碳儲(chǔ)量之間的直接或間接關(guān)系,逐漸引申出平均生物量法、生物量轉(zhuǎn)換因子法、生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法等。李海奎等[8]基于森林清查資料利用生物量經(jīng)驗(yàn)回歸估算出全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量,并比較了IPCC法、生物量經(jīng)驗(yàn)回歸法和轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法的適用性和穩(wěn)定性[9]；歐強(qiáng)新等[10]基于決策樹(shù)模型研究了馬尾松生物量轉(zhuǎn)換和擴(kuò)展因子估算差異的來(lái)源,篩選出對(duì)其影響最為顯著的林分特征因子;Wu等[11]利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算天保工程區(qū)植被碳儲(chǔ)量并分析時(shí)空變化和關(guān)鍵影響因素；基于渦度相關(guān)技術(shù)進(jìn)行碳通量觀測(cè),成為碳匯(源)特征分析和評(píng)估的重要方法[12- 13]；隨著遙感技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展,促進(jìn)了大尺度區(qū)域估算森林碳儲(chǔ)量的研究,例如,巫明焱等[14]利用Landsat 8數(shù)據(jù)估算米亞羅自然保護(hù)區(qū)森林地上碳儲(chǔ)量,Patil等[15]研究了結(jié)合地面調(diào)查和遙感技術(shù)估算碳儲(chǔ)量的方法等。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為整個(gè)天然林保護(hù)工程區(qū)。第一期天保工程區(qū)涉及到黃河上中游、長(zhǎng)江上游、內(nèi)蒙古、東北等森林資源豐富,承載著重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)的17個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的734個(gè)縣和167個(gè)森工局,林業(yè)用地總面積12372萬(wàn)hm2,天然林面積5643萬(wàn)hm2[16],其中：黃河中上游包括山西、甘肅、青海、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、河南7省(自治區(qū)、直轄市)；長(zhǎng)江上游包括西藏、云南、四川、重慶、貴州、湖北6省(自治區(qū)、直轄市)；內(nèi)蒙古東北等重點(diǎn)國(guó)有林區(qū)包括吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古、海南、新疆5省(自治區(qū)、直轄市)。天保工程建設(shè)第二期,省(自治區(qū)、直轄市)數(shù)量不變,新增了丹江口水庫(kù)的11個(gè)縣(區(qū)、市),其中湖北7個(gè),河南4個(gè)。整個(gè)工程區(qū)覆蓋我國(guó)東北、西北、西南地區(qū)(圖1),面積大,分布廣。

圖1 天保工程區(qū)分布圖 Fig.1 Distribution map of Natural Forest Protection Project (NFPP) region

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來(lái)源于第6次(1999—2003)、第7次(2004—2008)、第8次(2009—2013)和第9次(2014—2018)全國(guó)森林資源連續(xù)清查天保工程區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),由于天保工程區(qū)區(qū)劃到縣,因此只抽取這17個(gè)省份中有天保工程區(qū)劃縣(森工局)的樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行研究。森林植被定義為喬木林、疏林地、散生木、四旁樹(shù)、竹林和特種灌木林。作為森林資源的主體,喬木林分起源、齡組和優(yōu)勢(shì)樹(shù)種在省級(jí)尺度上分別統(tǒng)計(jì)面積和蓄積量；疏林地按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種統(tǒng)計(jì)面積和蓄積；散生木和四旁樹(shù)統(tǒng)計(jì)蓄積量；竹林統(tǒng)計(jì)面積及株數(shù)；灌木林統(tǒng)計(jì)面積。

2.2 方法

本研究森林資源碳儲(chǔ)量包括地上部分和地下部分生物量碳儲(chǔ)量,不包括死木碳儲(chǔ)量,枯枝落葉層碳儲(chǔ)量和土壤有機(jī)碳,基本估算方法兼容第6—9次全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法。

2.2.1喬木林生物量

使用材積源方法中的生物量加權(quán)平均法[8,17- 21],其基本公式為：

(1)

式中,B1為某省某一優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的生物量,V為該省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的蓄積量；vi為該省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種第i個(gè)樣地的調(diào)查材積；bij為該省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種第i個(gè)樣地第j個(gè)徑階的模型生物量;vij為該省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種第i個(gè)樣地第j個(gè)徑階的模型材積,樣地模型材積在兼容模型中是利用材積公式獲得的,如果不存在兼容模型則利用二元材積公式v=a+b×(D2H)計(jì)算(v為模型材積,D為胸徑,H為樹(shù)高,a和b為參數(shù));mi為分省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種第i個(gè)樣地內(nèi)徑階數(shù)；n為分省該優(yōu)勢(shì)樹(shù)種計(jì)算生物量的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種樣地個(gè)數(shù)。

分省分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的生物量模型,優(yōu)先使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的生物量模型和碳計(jì)量參數(shù)[22-34],然后是《中國(guó)森林植被生物量和碳儲(chǔ)量評(píng)估》中模型[35]。

2.2.2疏林地、散生木和四旁樹(shù)生物量

采用同省相同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的一致的生物量轉(zhuǎn)換因子。

2.2.3竹林生物量

竹林生物量分省,按毛竹和其它竹分別計(jì)算,基本公式為：

B2=B×N

(2)

式中,B2為某省某一類型竹林總生物量,B為某類型單株竹生物量,N為某類型竹總株數(shù),其中B采用孫天任(1986)和《竹林經(jīng)營(yíng)碳匯項(xiàng)目方法學(xué)》中的模型,單株竹胸徑采用徑階中值或全省加權(quán)平均胸徑[36]。

2.2.4灌木林生物量

分省灌木林總生物量的計(jì)算公式為：

B3=b×A

(3)

式中,B3為某省灌木林總生物量,b為該省灌木林單位面積生物量,A為該省灌木林總面積。其中關(guān)鍵因子b根據(jù)之前學(xué)者的研究和本省喬木林單位面積生物量綜合考慮確定,按照保守的原則進(jìn)行估算[37- 42]。

2.2.5碳儲(chǔ)量計(jì)算方法

對(duì)某一樹(shù)種,碳儲(chǔ)量和生物量之間只相差一個(gè)固定的轉(zhuǎn)換系數(shù),即含碳率。某省某一樹(shù)種的碳儲(chǔ)量C計(jì)算公式為：

C=c×B

(4)

3 結(jié)果

3.1 總碳儲(chǔ)量

天保工程區(qū)第6次至第9次全國(guó)森林資源連續(xù)清查期間的總碳儲(chǔ)量分別為2999、3254、3585 TgC和4097 TgC(圖2),期間年均增長(zhǎng)率分別為1.65%、1.96%和2.70%,其中：?jiǎn)棠玖痔純?chǔ)量分別為2439、2638、2948 TgC和3364 TgC,年均增長(zhǎng)率分別為1.58%、2.25%和2.68%；灌木林碳儲(chǔ)量分別為233.05、268.33、295.72 TgC和317.86 TgC,年均增長(zhǎng)率為2.86%、1.96%和1.45%；竹林碳儲(chǔ)量分別為87.08、103.16、93.07 TgC和144.72 TgC,總體呈增加趨勢(shì)；疏林地碳儲(chǔ)量分別為28.26、26.96、25.37 TgC和22.55 TgC,總體呈下降狀態(tài),年均減少分別為-0.94%、-1.20%和-2.33%；散生木碳儲(chǔ)量分別為168.43、170.84、167.86 TgC和178.03 TgC,相對(duì)穩(wěn)定；四旁樹(shù)碳儲(chǔ)量分別為42.98、46.74、55.36 TgC和69.59 TgC,增長(zhǎng)較快,年均增長(zhǎng)率分別為1.69%、3.45%和4.68%。4期各種森林植被碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量比例均相對(duì)穩(wěn)定,其中：?jiǎn)棠玖衷?1.07%—82.22%之間,灌木林在8.00%左右；竹林在3.00%左右,散生木在5.00%左右,四旁樹(shù)在1.50%左右,疏林地均不足1.00%。

圖2 天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量(分各種植被類型) Fig.2 Total carbon storage of different vegetation types in NFPP region

表1列出了天保工程區(qū)4期總碳儲(chǔ)量按地理分布(分省)的狀況,從中可以看到：隨著時(shí)間的推移,除西藏碳儲(chǔ)量保持相對(duì)穩(wěn)定外,其他16個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的總碳儲(chǔ)量均明顯增加,其中湖北省碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率5.71%,增速最高,貴州、寧夏、山西、河南和重慶年均增長(zhǎng)率均在4.00%以上,分別為5.09%、4.85%、4.63%、4.24%和4.20%。天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量省級(jí)尺度上分布差異大,以9次清查為例,四川的碳儲(chǔ)量占整個(gè)天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量約23.02%,黑龍江、云南、內(nèi)蒙古碳儲(chǔ)量分別占天保工程區(qū)總量的14.96%、14.02%、13.27%,這4個(gè)省份的碳儲(chǔ)量約占整個(gè)天保工程區(qū)總量的65.26%,其余13個(gè)省份僅占34.74%,其中西藏、海南和寧夏碳儲(chǔ)量占比最小,均不足1%。

表1 天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量的地理分布(分省)

3.2 喬木林分起源、齡組和樹(shù)種(組)的碳儲(chǔ)量和碳密度

4期清查,天然喬木林碳儲(chǔ)量分別為2308.72、2466.57、2721.10 TgC和3036.97 TgC,占同期全區(qū)喬木林的比例均超過(guò)90%,總量增加,但占比下降；而人工林碳儲(chǔ)量,總量和占比均上升,由于總喬木林碳儲(chǔ)量的增加,雖然9次連清,人工林的碳儲(chǔ)量是6次連清的2.5倍,但占比從僅5.33%增加到9.72%。天然林碳密度在4次連清中逐步上升,由40.2 MgC/hm2上升到47.04 MgC/hm2,人工林碳密度呈先略微下降,然后快速上升的趨勢(shì),9次連清時(shí),碳密度為22.32 MgC/hm2,但仍不到天然林的50%(圖3)。

圖3 全區(qū)喬木林按起源的碳儲(chǔ)量和碳密度統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Carbon storage and density of arbor forest by origins in NFPP region

幼齡林到過(guò)熟林的5個(gè)齡組在4次連清中,碳儲(chǔ)量均有明顯增加(圖4),年均增長(zhǎng)率分別為2.70%、2.28%、2.91%、1.90%和1.19%,其中近熟林增長(zhǎng)最快,幼齡林、中齡林和近熟林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)速度均大于全區(qū)平均增長(zhǎng)率(2.17%)。近20年來(lái)的4次清查中,近熟林占全區(qū)喬木林碳儲(chǔ)量比重逐步上升,成熟林占比略微減少,過(guò)熟林碳儲(chǔ)量占比減少明顯,由6次清查的19.21%降低到9次清查的16.63%。9次清查中,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林分別占喬木林碳儲(chǔ)量的11.26%、29.61%、20.41%、22.08%、16.63%,中齡林碳儲(chǔ)量占全區(qū)喬木林碳儲(chǔ)量最多,幼齡林占比最少；6次清查到第7次清查每個(gè)齡組碳密度均有所下降,其中近熟林碳密度降低3.13 MgC/hm2,降幅最大,7次清查至第9次清查過(guò)熟林碳密度保持穩(wěn)定,其余齡組均上升(圖4),9次清查時(shí)幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林碳密度分別為19.07、37.73、50.69、61.14 MgC/hm2和77.11 MgC/hm2；幼齡林到過(guò)熟林,碳密度逐漸上升,過(guò)熟林的碳密度最大,是幼齡林碳密度的4倍。

圖4 全區(qū)喬木林按齡組的碳儲(chǔ)量和碳密度統(tǒng)計(jì)Fig.4 Carbon storage and density of arbor forest by age groups in NFPP region

從6次清查到9次清查,林分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的劃分更為詳細(xì),例如：6次清查,東北地區(qū)的三大硬闊樹(shù)種水曲柳、胡桃楸和黃菠蘿通稱水胡黃,到9次清查時(shí)已詳細(xì)區(qū)分。以9次清查為例：?jiǎn)棠玖种刑純?chǔ)量混交林占比36.03%,純林63.97%；碳儲(chǔ)量最大的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)分別是闊葉混、櫟類、落葉松、針闊混、白樺、冷杉,這6個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)的比例均超過(guò)喬木林總碳儲(chǔ)量的5.00%,其中闊葉混最高,超過(guò)1/4,合計(jì)占比超過(guò)2/3。純林中櫟類比例最高,為11.83%,櫟類、落葉松、白樺、冷杉這4個(gè)樹(shù)種的總碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量的33.49%,占純林的比例超過(guò)50.00%,樟樹(shù)、其他松類、木荷、楓香、赤松、泡桐、水胡黃、水杉、國(guó)外松、黃菠蘿、相思、檫木、濕地松、楝樹(shù)、黑松等15個(gè)樹(shù)種(組)占全區(qū)碳儲(chǔ)量均不到0.1%,合計(jì)占比僅0.58%。天保工程區(qū)喬木林平均碳密度在四次森林資源清查中分別為37.67、36.17、39.49 MgC/hm2和42.46 MgC/hm2,總體呈上升趨勢(shì)。9次清查中,碳密度最高的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為赤松、冷杉、黃菠蘿,其值為119.35、86.84 MgC/hm2和86.31 MgC/hm2,均超過(guò)平均碳密度的一倍；楊樹(shù)、水杉、濕地松碳密度最低,僅為全區(qū)平均碳密度的50%左右。表2列出了天保工程區(qū)喬木林分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種統(tǒng)計(jì)的碳儲(chǔ)量和碳密度。

表2 天保工程區(qū)喬木林分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的碳儲(chǔ)量和碳密度

3.3 碳匯/源及其特征

6次清查到9次清查的3個(gè)間隔期,天保工程區(qū)新增碳儲(chǔ)量分別為255.33、331.46 TgC和511.53 TgC,表現(xiàn)為明確的碳匯功能,且碳匯能力不斷增強(qiáng),其中喬木林9次清查新增固碳量為第7次清查的2倍,四旁樹(shù)為3.7倍；灌木林每次清查新增固碳量有所減少；散生木和竹林9次清查新增固碳量明顯上升,超過(guò)7次清查新增固碳量的3倍,而這兩類植被在8次清查表現(xiàn)為碳源(新增固碳量分別為-2.99、-10.09 TgC)；疏林地每次清查新增固碳量都為負(fù),分別為-1.30、-1.58、-2.82 TgC,疏林地排放的碳有上升的趨勢(shì),碳源特征明顯。疏散四合計(jì)新增固碳量增長(zhǎng)明顯。

喬木林和灌木林為天保工程區(qū)碳匯的主力,第8次清查后竹林對(duì)全區(qū)碳匯的貢獻(xiàn)超過(guò)了灌木林。圖5為全區(qū)碳匯/碳源統(tǒng)計(jì)圖。

圖5 全區(qū)碳匯/源變化情況 Fig.5 Changes of carbon sink/source by forest vegetation types in NFPP region

天保工程區(qū)喬木林在3個(gè)清查間隔中新增固碳量分別為199.10、310.10 TgC和416.16 TgC。天然林和人工林在3個(gè)清查間隔中,都有很強(qiáng)的固碳能力,固碳效率也越來(lái)越高,第9次清查新增固碳量為第7次清查新增固碳量的2倍,天然林碳匯年平均增長(zhǎng)率為7.18%,人工林為9.29%,天然林碳儲(chǔ)量大,每期固碳量多,增長(zhǎng)速度略慢于人工林。天保工程區(qū)中,三次清查天然林新增固碳量占全區(qū)喬木林新增固碳量的79.28%、82.08%、75.90%,是全區(qū)碳匯的主力,人工林固碳增長(zhǎng)很快,對(duì)全區(qū)碳匯的貢獻(xiàn)由20.72%上升到24.10%。圖6為天保工程區(qū)喬木林碳匯/源按起源的分配統(tǒng)計(jì)圖。

圖6 喬木林碳匯/源按起源分配情況 Fig.6 Carbon sink/source of arbor forest by origins in NFPP region

在3次清查間隔中,各個(gè)齡組都發(fā)揮了碳匯功能,除了過(guò)熟林在第9次清查新增固碳量較于前一次清查新增量有所降低,幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林每次清查新增固碳量都明顯上升,說(shuō)明碳匯能力提升。近20年來(lái),中齡林和幼齡林碳匯效果顯著,每期固碳效率有所提高,幼齡林對(duì)全區(qū)喬木林碳匯的貢獻(xiàn)由8.75%增長(zhǎng)到了20.01%,中齡林對(duì)碳匯的貢獻(xiàn)由26.76%增長(zhǎng)至33.66%；相比之下,近熟林、過(guò)熟林對(duì)碳匯貢獻(xiàn)有所降低。第7次清查,近熟林新增固碳量對(duì)碳匯的貢獻(xiàn)最大,占全區(qū)喬木林新增固碳量的36.61%,而第8次、第9次清查顯示全區(qū)喬木林碳匯貢獻(xiàn)最大的是中齡林,占比分別為29.95%、33.66%。圖7為喬木林碳匯/源按齡組的分配情況統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 喬木林碳匯/源按齡組的分配情況Fig.7 Carbon sink/source of arbor forest by age groups in NFPP region

表3為天保工程區(qū)喬木林碳匯/源按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分布情況。表3顯示：大部分樹(shù)種每次清查間隔總固碳量大于0,且第9次清查新增固碳量較第7次清查新增固碳量有明顯增長(zhǎng)。闊葉混和針闊混第6次清查至第9次清查總新增固碳量為579.18、159.45 TgC,分別占全區(qū)喬木林總固碳量的62.59%、17.23%。柏木、落葉松、馬尾松、杉木等樹(shù)種固碳能力較強(qiáng),每次清查間隔期都能保持穩(wěn)定的固碳量,自第6次清查至第9次清查,柏木總新增固碳量為50.22 TgC,占天保工程區(qū)喬木林總新增固碳量的5.43%,落葉松總固碳量為39.86 TgC,占全區(qū)總固碳量的4.31%,馬尾松為31.44 TgC,占全區(qū)3.4%,杉木為20.48 TgC,占全區(qū)2.21%。對(duì)于樹(shù)組如其他硬闊類、其他軟闊類、針闊混、闊葉混等,由于每次清查,每個(gè)省份(直轄市、自治區(qū))對(duì)樹(shù)種劃分不統(tǒng)一,樹(shù)組包含樹(shù)種類別與數(shù)量有差別,因此碳匯/源特征變化較大,這也是導(dǎo)致其他硬闊類每次清查間隔期的固碳量為負(fù)的原因。

表3 全區(qū)喬木林碳匯/源按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分布情況

4 討論

天然林資源保護(hù)工程實(shí)施以前,天然林資源的過(guò)度采伐和利用,導(dǎo)致我國(guó)森林面積增長(zhǎng)緩慢,質(zhì)量不高,生態(tài)環(huán)境建設(shè)形勢(shì)嚴(yán)峻[16]；天保工程開(kāi)始實(shí)施后,天然林得到有效保護(hù)。近二十年來(lái),天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量一直呈上升趨勢(shì),增長(zhǎng)的幅度越來(lái)越大,期間年均增長(zhǎng)率分別為1.65%、1.96%和2.70%,增長(zhǎng)速度越來(lái)越快,其原因是自天保工程實(shí)施以來(lái),通過(guò)營(yíng)造林方式,封山禁牧、休牧、生態(tài)移民等措施,有效地保護(hù)并增加了天然林資源[43-44]。自第7次清查至第9次清查,天保工程區(qū)總碳儲(chǔ)量占全國(guó)森林植被總碳儲(chǔ)量的比重分別為41.65%、42.54%、44.60%,天保工程區(qū)碳儲(chǔ)量在全國(guó)所占比重呈上升趨勢(shì)。第8次清查天保工程區(qū)碳匯占全國(guó)總碳匯的53.78%,9次清查時(shí)已占全國(guó)同期總碳匯的67.46%,原因是天保工程區(qū)通過(guò)一系列措施保護(hù)和發(fā)展森林資源,而非天保工程區(qū)的森林資源承擔(dān)著我國(guó)市場(chǎng)需求,增長(zhǎng)較慢；9次清查天保工程區(qū)新增固碳量511.53 TgC,遠(yuǎn)超過(guò)天保工程二期碳匯目標(biāo)416 TgC。由此可見(jiàn),天保工程區(qū)是我國(guó)森林碳匯穩(wěn)定的壓艙石和強(qiáng)大的推動(dòng)力。

自7次清查至9次清查,天保工程區(qū)喬木林碳儲(chǔ)量占全國(guó)喬木林碳儲(chǔ)量的39.59%、41.35%、44.41%,占比越來(lái)越高。8、9兩次清查,工程區(qū)內(nèi)喬木林碳匯占全區(qū)碳匯的86.15%,占全國(guó)同期總碳匯的52.84%,其中工程區(qū)內(nèi)天然林碳匯占工程區(qū)內(nèi)喬木林碳匯的78.54%,天保工程喬木林碳匯主要源于天然林。第8次清查天保工程區(qū)天然林碳匯占全國(guó)碳匯的41.30%,第9次清查工程區(qū)占全國(guó)碳匯的41.66%。方精云等[45]研究了上世紀(jì)70年代至1998年碳儲(chǔ)量增加主要由人工林造林導(dǎo)致,本研究得出2004—2018年,天然林碳匯貢獻(xiàn)大于人工林,此結(jié)果反映出天然林保護(hù)對(duì)于碳匯的促進(jìn)作用。

從地理分布來(lái)看,天保工程區(qū)中四川省的總碳儲(chǔ)量最高,約占全區(qū)碳儲(chǔ)量的23%左右,一方面因?yàn)樗拇ㄊ√济芏雀叱鋈珔^(qū)水平20%左右,另一方面是四川省森林面積大,其喬木林面積在天保工程區(qū)中僅次于黑龍江,這和長(zhǎng)江上游地區(qū)天然林保護(hù)工程區(qū)的研究是一致的[46]。四川省灌木林碳儲(chǔ)量占全區(qū)碳儲(chǔ)量40%左右,竹林碳儲(chǔ)量占全區(qū)的55%以上,其中竹林增長(zhǎng)速度很快,年均增長(zhǎng)率為5.19%。我國(guó)西南四川、云南、貴州三地碳儲(chǔ)量約占整個(gè)天保工程區(qū)碳儲(chǔ)量41%,我國(guó)東北黑龍江、內(nèi)蒙古、吉林三地碳儲(chǔ)量約占全區(qū)35%；碳儲(chǔ)量在我國(guó)西南、東北分布比較集中。湖北、貴州、寧夏、山西、河南、重慶碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率高,均超過(guò)4%,是全區(qū)年均增長(zhǎng)率(2.10%)的2倍。六次清查以來(lái),四川、云南、黑龍江、內(nèi)蒙古固碳量最多,分別占全工程區(qū)的22.36%、11.87%、10.62%和10.04%；碳匯增長(zhǎng)最快的是吉林和海南,而寧夏的碳匯效率有下降趨勢(shì)。

天保工程區(qū)中天然林分布廣泛,4次連清中,天然林碳儲(chǔ)量占全區(qū)喬木林總碳儲(chǔ)量的90%以上,碳密度是人工林的2倍以上,碳儲(chǔ)量和碳密度在天然林保護(hù)工程實(shí)施后,都得到了增長(zhǎng),碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率分別為1.33%、1.98%、2.22%,而碳密度的年均增長(zhǎng)率則小于碳儲(chǔ)量的年均增長(zhǎng)率,分別為0.84%、1.20%、1.12%,天然林面積年均增長(zhǎng)率為0.85%、0.64%、1.09%,除第7—6次清查間隔期以外,碳密度的增長(zhǎng)率大于天然林面積增長(zhǎng)率,碳密度和天然林面積的增長(zhǎng)都促進(jìn)了天然喬木林的碳匯表現(xiàn),相比之下,碳密度的促進(jìn)作用更大。張春華等[6]研究黑龍江省森林碳儲(chǔ)量變化,在天然林資源保護(hù)工程實(shí)施以前,黑龍江省森林表現(xiàn)為強(qiáng)碳源,主要原因是天然林面積的減少,天保工程實(shí)施后表現(xiàn)為碳匯,這與本研究結(jié)果是一致的。

20年來(lái)的四次清查,人工喬木林碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量分別為5.33%、6.49%、7.69%和9.72%,人工林碳匯的貢獻(xiàn)占喬木林的20.72%、17.92%和24.10%,人工喬木林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)速度快,人工林碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率為5.67%、5.78%和7.60%,碳密度年均增長(zhǎng)率為-3.71%、4.64%和5.82%,除了第7—6次清查間隔碳密度有所下降,其余時(shí)期碳儲(chǔ)量和碳密度都保持著較高的增長(zhǎng)率。人工林面積年均增長(zhǎng)率為10.13%、0.96%和1.68%,第6次至第7次清查間隔期間碳儲(chǔ)量的提高完全依賴于面積的增長(zhǎng),之后面積年均增長(zhǎng)速度下降,碳密度增長(zhǎng)速度上升,此時(shí)碳密度對(duì)人工林碳匯的推動(dòng)作用更加明顯。

幼齡林、中齡林和近熟林碳儲(chǔ)量的快速增長(zhǎng),從側(cè)面說(shuō)明了營(yíng)造林方式有效推動(dòng)了森林碳匯。近20年來(lái),天保工程區(qū)喬木林碳密度穩(wěn)定提升,其中幼齡林、中齡林碳密度明顯提升,近熟林、成熟林碳密度比較穩(wěn)定,過(guò)熟林碳密度略有下降；整體而言,碳密度隨著林齡的增加逐漸增大,這和之前學(xué)者對(duì)于東北天然林保護(hù)區(qū)碳儲(chǔ)量的研究是一致的[47],不過(guò)全區(qū)幼齡林碳儲(chǔ)量占喬木林總碳儲(chǔ)量比重有所提升。由圖7可以看出,幼齡林和中齡林對(duì)碳匯的貢獻(xiàn)越來(lái)越大,7次清查之后,中齡林取代近熟林成為碳匯貢獻(xiàn)最大的齡組,幼齡林碳匯增強(qiáng)主要源于碳密度的快速提高,中齡林主要源于面積和碳密度的共同增長(zhǎng)。

落葉松、馬尾松、杉樹(shù)、柏木等碳儲(chǔ)量高,碳匯作用都比較強(qiáng),碳密度增長(zhǎng)比較快。由于每次森林資源連續(xù)清查每個(gè)地區(qū)關(guān)于優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的分類不統(tǒng)一,還有一些樹(shù)種的碳匯/源特征無(wú)法表現(xiàn)。

天保工程區(qū)灌木林和竹林對(duì)碳匯貢獻(xiàn)不容忽視。近20年來(lái),灌木林碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率為2.09%,對(duì)全區(qū)碳匯的貢獻(xiàn)為7.72%,從7次清查新增固碳量35.28 TgC至9次清查新增固碳量22.14 TgC,灌木林的碳匯效率呈下降趨勢(shì)。近20年來(lái),竹林碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率為3.44%,由第6次清查87.08 TgC增長(zhǎng)至9次清查144.72 TgC,竹林對(duì)全區(qū)碳匯的貢獻(xiàn)為5.25%；竹林作為一種特殊的森林資源,竹林的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值都很高,我國(guó)竹林面積每年以3%的速度增長(zhǎng),竹林的碳匯作用將會(huì)越來(lái)越重要[48-49]。

5 結(jié)論

天保工程區(qū)碳儲(chǔ)量集中分布于我國(guó)東北和西南兩大區(qū)域,碳儲(chǔ)量超過(guò)全區(qū)的70%；喬木林碳儲(chǔ)量占全區(qū)碳儲(chǔ)量的80%以上,碳匯占全區(qū)75%以上,喬木林是全區(qū)碳匯的主體,天然林碳匯年均增長(zhǎng)率達(dá)到4%以上,碳匯作用明顯。天保工程區(qū)碳匯對(duì)全國(guó)森林植被總碳匯量的貢獻(xiàn)由8次連清的53.78%上升到9次的67.46%,對(duì)全國(guó)森林植被碳匯的貢獻(xiàn)巨大,且仍有潛力,但省際間分布不平衡；森林碳密度穩(wěn)定上升,森林質(zhì)量的提高是天然林碳匯增加的主要因素,人工林的碳匯作用也開(kāi)始顯現(xiàn),但碳密度仍不足天然林碳密度的50%,碳匯潛力較大。