華北地區(qū)平原造林工程碳匯能力及碳匯價值研究
——以北京市東郊森林公園為例

于海群

（北京市園林綠化規(guī)劃和資源監(jiān)測中心（北京市林業(yè)碳匯與國際合作事務(wù)中心），北京 100029）

森林碳匯指的是森林生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣中的CO2并將其固定在植被或土壤中，從而減少大氣中CO2濃度的過程、活動或機制，一般用它來描述森林等吸收并儲存CO2的多少或能力。造林是指在很長時間以來沒有森林的土地上植樹造林，將通過植被的生長和再生來提高森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，并把大量的碳固定，且在樹木成熟和土壤碳達(dá)到平衡之前，固碳一直進(jìn)行，可持續(xù)數(shù)十年甚至百年。造林活動是提高森林固碳能力的低成本、有效策略，被《京都議定書》認(rèn)可為大氣CO2減排途徑[1]。中國是世界上造林再造林面積最大的國家，新造林地的碳匯功能對全球的碳平衡有重要貢獻(xiàn)，在2005—2013年，中國新造林面積4 394×104hm2，在自然生長狀況下，到2020年新造林蓄積量將增加16.8×108m3，生物量碳庫可達(dá)0.76 PgC。新造林生物量碳庫在2005—2100年中將增加2.11 PgC[2]，新造林具有較大的碳匯潛力。

北京市實施的百萬畝平原造林工程和平原地區(qū)重點區(qū)域綠化建設(shè)工程在提高森林覆蓋率、治理大氣、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了重要作用，但城市綠化造林工程碳匯能力和碳匯價值方面的研究尚未開展。東郊森林公園建設(shè)項目是北京市平原造林工程的重要組成部分之一，其樹種組成、苗木規(guī)格、造林密度、植物配置具有北京平原地區(qū)城市森林建設(shè)的代表性。本研究基于碳匯造林項目碳計量方法學(xué)，對北京市東郊森林公園建設(shè)項目凈碳匯量動態(tài)變化進(jìn)行研究，旨在探討城市森林碳匯計量方法，為進(jìn)一步將碳匯指標(biāo)納入到園林綠化高質(zhì)量發(fā)展指標(biāo)評價體系提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及碳層劃分

東郊森林公園位于北京市朝陽區(qū)金盞鄉(xiāng)、順義區(qū)李橋鎮(zhèn)和通州區(qū)宋莊鎮(zhèn)，第一期碳匯計量監(jiān)測項目計量邊界劃定為截至2015年年底完成的一期造林工程1 290.76 hm2（表1），根據(jù)造林項目方法學(xué)要求，結(jié)合造林的年份和項目屬地，將其劃分為6個碳層，具體造林年份、所屬行政區(qū)域和造林面積如表1所示，項目計入期為20年（2012年1月1日至2031年12月31日）。

表1 項目碳層劃分及苗木用量

1.2 凈碳匯量計算方法

根據(jù)碳匯造林項目方法學(xué)（AR-CM-001-V01，以下簡稱為“方法學(xué)”）規(guī)定，造林項目活動產(chǎn)生的凈碳匯量，等于項目碳匯量扣除基線碳匯量和泄漏量。東郊森林公園造林項目第t年凈碳匯量等于林木生物質(zhì)碳儲量年變化量（ΔCTREE_PROJ,t）用公式（1）和（2）進(jìn)行計算：

式中：44/12為CO2與C的分子量之比；ΔCTREE_PROJ,i,t表示第t年時項目第i層林木生物質(zhì)碳儲量變化量，單位為tCO2-e·a-1；CTREE_PROJ,i,t表示第t年時項目第i層林木生物質(zhì)碳儲量，單位為tCO2-e；CTREE_PROJ,i,j,t表示第t年時項目第i層樹種j的林木生物量，單位為td.m；CFTREE_PROJ,j表示項目第i層樹種j的林木生物量含碳率，單位為tC(td.m)-1。

項目邊界內(nèi)林木生物量（BTREE_PROJ,i,j,t）的估算，采用公式（3）或公式（4）進(jìn)行計算：

式中：BTREE_PROJ,i,j,t表示第t年時項目第i層的林木樹種j的生物量，單位為td.m；Fj（X1i,j,t,X2i,j,t,X3i,j,t,…）表示將第t年項目第i碳層樹種j的測樹因子（x1,x2,x3, …）轉(zhuǎn)化為地上生物量的回歸方程，測樹因子（x1,x2,x3,…）；RTREE_PROJ,i,j表示項目第i層樹種j的地下與地上生物量比，無量綱；NTREE,t,i,j表示第t年時第i層第j樹種的株數(shù)。

式中：BTREE_PROJ,i,j,t表示第t年時，項目第i層的林木樹種j的生物量，單位為td.m；VTREE_PROJ,i,j,t表示第t年，基線第i層樹種j的林木樹干材積，是通過胸徑和（或）樹高數(shù)據(jù)查材積表或?qū)?shù)據(jù)代入材積方程計算得來，單位為m3；DTREE_PROJ,i,j表示基線第i層樹種j的木材基本密度，單位為td.m·m-3；BEFTREE_PROJ,i,j表示基線第i層樹種j的生物量擴展因子，用于將樹干生物量轉(zhuǎn)化為林木地上生物量，無量綱；RTREE_PROJ,i,j表示項目第i層樹種j的地下與地上生物量比，無量綱；NTREE,t,i,j第t年時，表示第i層第j樹種的株數(shù)。

1.3 樹種組劃分和生物量方程

本研究通過對東郊森林公園75個樹種，進(jìn)行樹種組歸類（表2），每個樹種組的生物量計算方程來自同類研究文獻(xiàn)[3-22]。

表2 樹種組劃分及代表樹種

1.4 碳計量參數(shù)

樹種組碳計量所需林木生物量含碳率、木材基本密度、生物量擴展因子、地下與地上生物量比參數(shù)參照（《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》），具體見表3。

表3 碳計量參數(shù)表

2 研究結(jié)果

2.1 各碳層生物量年變化量

從圖1和表4可見，2012—2031年東郊森林公園各碳層生物量年增加量總體呈先增加后趨緩趨勢。2012—2020年各碳層生物量年增加量處于快速增長期，從2012年的1 248.23噸/年增長到2020年的13 307.61噸/年，年均增長率為120.76%。在2021—2023年，各碳層生物量年增長量基本不變，年均增長率為1.8%，在2023年達(dá)到最高值，6個碳層生物量年增加量總和為14 468.07噸/年，這個階段屬于各碳層生物量快速累積階段。自2027年開始，進(jìn)入緩慢增長階段，在2028—2031年，各碳層生物量年增長量下降，年均增長率為-2.2%。具體到6個碳層來看，以第1碳層即2012年通州造林區(qū)域和第4碳層即2013年度通州區(qū)造林區(qū)域貢獻(xiàn)最大，這與這兩個碳層的用苗量最大有關(guān)，從表1可以看出，第1碳層用苗量270 000株，第4碳層用苗量277 308株，這兩個碳層用苗量占總用苗量的77.04%。以2023年為例，第1碳層和第4碳層生物量年增長量共10 054.52噸/年，占各碳層生物量年增加量總和的69.49%。

圖1 2012—2031年各碳層生物量年變化量

表4 各碳層生物量年變化量單位：噸/年

2.2 各碳層碳儲量年變化量

從圖2和表5可見，2012—2031年東郊森林公園各碳層碳儲量年增加量總體呈先增加后趨緩趨勢。2012—2020年各碳層碳儲量年增加量處于快速增長期，從2012年的2 268.83噸/年增長到2020年的24 221.26噸/年，年均增長率為120.95%。在2021—2023年，各碳層碳儲量年增長量基本不變，年均增長率為1.26%，在2023年達(dá)到最高值，6個碳層碳儲量年增加量總和為26340.93噸/年，這個階段屬于各碳層碳儲量快速累積階段。自2027年開始，進(jìn)入緩慢增長階段，在2028—2031年，各碳層碳儲量年增長量逐漸下降。具體到6個碳層來看，以第1碳層即2012年通州造林區(qū)域和第4碳層即2013年度通州區(qū)造林區(qū)域貢獻(xiàn)最大，以2023年為例，第1碳層和第4碳層碳儲量年增長量共18 297.74噸/年，占當(dāng)年各碳層碳儲量年增加量總和的69.47%。

表5 各碳層碳儲量年變化量單位：噸/年

圖2 2012—2031年各碳層碳儲量年變化量

2.3 項目計入期內(nèi)凈碳匯量及經(jīng)濟價值

由圖3和表6可見，2012—2031年的20年計入期內(nèi)，東郊森林公園造林工程年凈碳匯量呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，在第2023年達(dá)到最高值26 340.93噸/年，其后呈現(xiàn)略微降低趨勢。凈碳匯量累計呈逐年增加趨勢，在項目計入期20年內(nèi)累計共吸收固定二氧化碳409 635.92噸，合平均每公頃每年吸收固定二氧化碳15.87噸。按照單位碳價格31.74～158.7元/噸計算[23]，東郊森林公園一期碳計量項目的碳匯經(jīng)濟價值為0.13億～0.65億元，合每畝每年產(chǎn)生碳匯價值503.7～2 518.569元。

表6 凈碳匯量及碳匯價值

圖3 2012—2031年各碳層碳匯量及碳匯量累計

2.4 不同樹種碳匯量貢獻(xiàn)比重結(jié)果

由圖4和表7可見，毛白楊組、國槐組和松樹組的凈碳匯量之和占總凈碳匯量的84.41%，這3個樹種組是北京地區(qū)主要造林樹種，苗木用量多同時碳匯能力也較強。椿樹組、白蠟組、小葉楊組、欒樹組和懸鈴木組這五個樹種組的凈碳匯量之和占總凈碳匯量的12.51%，屬于碳匯能力較高的樹種，苗木栽植數(shù)量屬中下等水平，所以碳匯量僅僅高于碳匯最低樹種組1～2個百分點。值得注意的是柏樹類、玉蘭類、云杉類和槭樹類屬于生長速度較慢的樹種，并且用量也較低，因此其碳匯能力對整個造林工程碳匯量的貢獻(xiàn)較低，這4個樹種組碳匯量共占0.8%。而櫟類、落葉松、白樺和水杉主要由于其在北京平原地區(qū)城市森林建設(shè)中適應(yīng)性不高，用量非常少，碳匯量共占0.06%。

表7 各樹種組凈碳匯量貢獻(xiàn)占比

圖4 各樹種組凈碳匯量

2.5 不同計入期內(nèi)年平均碳匯量

計算東郊森林公園內(nèi)不同計入期連年單位面積凈碳匯量與平均單位面積凈碳匯量，結(jié)果如圖5所示。平均單位面積吸收固定二氧化碳量在第29～31年間達(dá)到最高值 16.02 t·a-1·hm-2，這個結(jié)果與表4各樹種組凈碳匯量貢獻(xiàn)占比所顯示的毛白楊組和國槐組凈碳匯量之和占總凈碳匯量的79.5%有關(guān)。占主導(dǎo)地位的這兩種闊葉樹的生長特點決定了東郊森林公園在造林后29～31年達(dá)到年平均碳匯能力最高峰。

圖5 連年單位面積凈碳匯量與平均單位面積凈碳匯量關(guān)系

3 結(jié)論

3.1 城市森林公園碳匯能力有較大潛力

本研究結(jié)果顯示，北京東郊森林公園在20年計入期內(nèi)其年均碳匯能力為15.87 t·a-1·hm-2。北京海淀公園碳通量監(jiān)測研究結(jié)果顯示其年均碳匯能力為8.76 t·a-1·hm-2[24]， 北京奧林匹克森林公園碳通量監(jiān)測研究結(jié)果顯示其年均碳匯能力為6.01 t·a-1·hm-2[25]，均小于本文研究，這可能與不同公園的栽植喬木密度、種類和生長特性有關(guān)。也與本研究方法基于樹木生長曲線預(yù)估結(jié)果是20年計入期時間段內(nèi)年平均碳匯能力，而碳通量監(jiān)測方法研究的是當(dāng)年公園綠地的年平均碳匯能力有關(guān)。本研究結(jié)果與四川省毛竹林年碳匯量34.57 t·a-1·hm-2[26]之間差異較大，可能與北方喬木樹種和毛竹之間生長速度差異決定的?？傮w來看，北京東郊森林公園屬于以喬木為主體進(jìn)行建設(shè)的城市森林公園，主要造林樹種為毛白楊、國槐、松樹、椿樹、白蠟、欒樹和懸鈴木等碳匯能力較強的樹種，與北京市海淀公園和北京市奧林匹克森林公園相比，森林公園喬木數(shù)量顯著增加，降低了花灌木、草坪的面積以及娛樂設(shè)施的數(shù)量，同時日常水肥管護(hù)和病蟲害及火災(zāi)防控的水平較高，其碳匯能力具有較大的潛力。

3.2 碳匯造林項目計入期選擇可依據(jù)造林主要樹種生長特性設(shè)定

《碳匯造林項目方法學(xué)》規(guī)定了碳匯造林項目計入期最短為20年，最長不超過60年。在實際碳匯造林項目開發(fā)過程中，林木生長速度呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)并緩慢降低的趨勢，因此，在經(jīng)過速生期后，隨著項目計入期增長凈碳匯量的增加幅度降低。而當(dāng)期碳匯量交易都需要進(jìn)行實地監(jiān)測，同時需要第三方核證機構(gòu)進(jìn)行核證，這些都增加了項目成本。項目計入期越長，后期項目的投入產(chǎn)出比就越低。由圖5可以看出，假定本項目以5年為一個監(jiān)測周期時，取25年時最適宜，最長不宜超過30年。而如果項目碳匯貢獻(xiàn)占主要比例的樹種為生長較為緩慢的針葉林如側(cè)柏、油松等，則其合理的項目計入期依據(jù)事前碳匯量預(yù)估，應(yīng)該適當(dāng)延長。

3.3 城市森林公園碳計量不確定性

本研究通過對75個樹種進(jìn)行樹種組歸類，按照19個樹種組完成了碳匯計量。這屬于事前碳計量，是針對項目邊界內(nèi)的林木在項目計入期內(nèi)的碳匯量進(jìn)行預(yù)估，需要用到以時間為自變量的樹木生長方程。由于目前關(guān)于森林、竹林和灌木林等碳匯能力的研究主要集中在碳儲量和碳密度方面，對碳匯量預(yù)估的相關(guān)研究尚少。本研究采用的樹種生長方程，通過借鑒相似生態(tài)環(huán)境下公開發(fā)表的研究文獻(xiàn)進(jìn)行生物量和碳匯量的計算，在缺失相似地域環(huán)境樹種方程情況下，則選擇山區(qū)、寒冷地區(qū)等氣候惡劣條件下的同種類樹木生長方程，總體上，結(jié)果對于水肥管理較為完善的條件下城市森林的碳匯量評估較為保守。而在園林綠化高質(zhì)量發(fā)展評估指標(biāo)體系日益完善的需求下，城市森林近自然營造工作在提升物種多樣性、城市森林生態(tài)穩(wěn)定性的同時，其碳匯效益的合理評價也亟需開展。因此，建議繼續(xù)深入開展適用于城市綠地的以時間為自變量的碳計量模型研究基礎(chǔ)工作，提升城市森林碳匯計量精度，為將碳匯效益納入園林綠化高質(zhì)量發(fā)展指標(biāo)評價體系提供依據(jù)。