貴州省1995—2015年森林碳儲量時空變化研究

杜明鳳，李明軍，趙文靜

（1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550003；3.貴州醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，貴州 貴陽 550025）

由大氣CO2濃度升高引起的氣候變暖，正嚴(yán)重威脅人類的生存安全，引發(fā)全世界廣泛關(guān)注[1-2]。森林碳儲量作為研究森林與大氣間碳交換的基本參數(shù)，能為準(zhǔn)確評估固碳潛力提供有效數(shù)據(jù)支持，森林碳儲量的蓄積對于消減大氣CO2濃度，有效減緩氣候變化具有極為重要的意義[3]。貴州省地處長江、珠江上游，其森林資源建設(shè)對保護(hù)我國長江、珠江中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義[4]。貴州喀斯特石漠化地區(qū)地質(zhì)獨特，森林植被復(fù)雜交錯，空間異質(zhì)性及植被復(fù)雜性導(dǎo)致其森林碳匯、增匯研究異常困難。有學(xué)者曾對貴州省2000—2010年的森林碳匯現(xiàn)狀及增匯潛力[5]和2006年的森林碳儲量[6]進(jìn)行了研究。本研究則從1995—2015年這20年間的5期森林資源清查及其地區(qū)分布角度研究貴州省森林碳儲量在時間和空間上的變化，分析其產(chǎn)生變化的主要原因，為森林固碳增匯和提質(zhì)增效等提供參考。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省位于我國西南部云貴高原，地理坐標(biāo)為103°36′～ 109°35′ E，24°37′～ 29°13′ N，地勢由西北向東南呈梯級下降，平均海拔為1 100 m?？λ固氐孛裁娣e占全省面積的73.8%，巖溶分布廣，類型齊，構(gòu)成了典型的巖溶生態(tài)系統(tǒng)。受山地地形影響，全省氣候復(fù)雜多樣，西部屬于暖溫帶，南部、西北部屬于南亞熱帶，其余地區(qū)隨地勢抬升，從中亞熱帶逐步向北亞熱帶過渡。年均氣溫為10～ 18℃，年降水量為1 100～ 1 500 mm，全年日照時數(shù)為1 300 h，無霜期為270 d左右。全省植被類型復(fù)雜多樣，針葉林是貴州省現(xiàn)存植被中分布最廣、經(jīng)濟(jì)價值最高的植被類型，以杉木Cunninghamia lanceolata、馬尾松Pinus massoniana、云南松P.yunnanensis、柏木Cupressus funebris等為主；闊葉林以殼斗科Fagaceae、樟科Lauraceae、木蘭科Magnoliaceae、山茶科Theaceae植物等為主；地帶性植被為常綠闊葉林。

1.2 貴州省森林資源概況

截至2015年底，貴州省土地總面積為1 761.67×104hm2，其中，林地面積為927.96×104hm2，占土地總面積的52.68%；森林面積為771.03×104hm2（其中，喬木林面積為585.44×104hm2，占森林總面積的75.93%；特殊灌木林面積為169.58×104hm2，占森林總面積的21.99%；竹林面積為16.01×104hm2，占森林總面積的2.08%），占林地總面積的83.09%，森林覆蓋率為43.77%；活立木總蓄積量為444.65×106m3，其中森林蓄積量為391.83×106m3，占活立木總蓄積量的88.12%。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于1995—2015年全國第五期至第九期森林資源連續(xù)清查貴州省森林資源復(fù)查資料，各期分別為第五期（1990—1995年）、第六期（1995—2000年）、第七期（2000—2005年）、第八期（2005—2010年）、第九期（2010—2015年）。貴州省固定樣地共有5 500個，每個固定樣地的面積均為0.067 hm2，樣地庫中記錄了其地理信息、立地條件、林地狀況、林木蓄積量等48項具體信息。全省森林包括喬木林、疏林、灌木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林。根據(jù)優(yōu)勢種（組）將喬木林劃分為針葉林（杉木林、柏木林、馬尾松林）、闊葉林（硬闊林、軟闊林）、混交林（針葉混交林、闊葉混交林、針闊葉混交林）；齡組劃分參照森林資源連續(xù)清查細(xì)則的林齡等級標(biāo)準(zhǔn)，實際林齡分布情況顯示近熟林、成熟林、過熟林的比例過小，因此，將近熟林、成熟林、過熟林合并，最終劃分為幼齡林、中齡林、成熟林。

1.4 研究方法

本研究中的森林指郁閉度＞0.2的喬木林（僅含喬木層）、竹林、經(jīng)濟(jì)林，以及覆蓋率＞30%的灌木林，不含草本層、地被層。

1.4.1 生物量計算方法（1）喬木林生物量計算方法：材積源生物量法在林分生物量與蓄積量之間有良好的回歸關(guān)系[7]，利用其估算貴州省森林生物量，可獲得較為精準(zhǔn)的估算結(jié)果[8]，其計算方程為：B=a·V+b，式中，a和b為常數(shù)，B為林分生物量（t·hm-2），V為林木蓄積量（m3·hm-2）。純林生物量采用方精云[9]建立的森林蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)計算；混交林生物量參照同緯度云南省混交林的蓄積量-生物量模型[10]計算（表1）。對無明確對應(yīng)模型的樹種生物量計算方法，參照近似優(yōu)勢樹種（組）參數(shù)替代。各優(yōu)勢樹種地下部分生物量參照“貴州森林生態(tài)效益檢測與評價”項目組根據(jù)實測數(shù)據(jù)所建立的地上生物量與全株生物量的回歸函數(shù)計算，其余參照李鑫[11]的方法來計算。（2）灌木林生物量計算方法：采用收獲法，常態(tài)地貌灌木林取16.95 t·hm-2，石漠化區(qū)灌木林取19.02 t·hm-2[12]。（3）竹林生物量計算方法：參照文獻(xiàn)[13]的計算方法，按22.5 kg·株-1×P（P為株數(shù)），雜竹生物量減半。（4）經(jīng)濟(jì)林生物量計算方法：采用平均生物量法，有蓄積量的樣地取值23.7 t·hm-2，無蓄積量的則生物量減半[14]。

1.4.2 碳儲量和碳密度計算方法 碳儲量計算公式：C=B·Cc，碳密度計算公式：ρc=C/S，式中，C為碳儲量（Tg C），B為生物量（t·hm-2），Cc為含碳率（%）；ρc為碳密度（Mg C·hm-2），S為森林面積（hm2）。含碳率參考文獻(xiàn)[7,12,15-16]，其余采用國際常用森林含碳率（0.500 0），見表1。

表1 貴州省各林分類型生物量回歸方程及含碳率Table 1 Biomass regression equation and carbon content of different forest types in Guizhou

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省森林碳儲量的時間變化

2.1.1 貴州省森林碳儲量總體情況 由表2可知，1995—2015年，貴州省森林面積從320.32×104hm2增至778.24×104hm2，凈增長457.92×104hm2，森林覆蓋率呈顯著增長趨勢。由表2和表3可知，森林碳儲量由76.89 Tg C增至253.65 Tg C，凈增長176.76 Tg C，其中喬木林、灌木林、經(jīng)濟(jì)林和竹林的森林碳儲量均呈穩(wěn)定增長趨勢，碳儲量凈增長排序為喬木林（157.05 Tg C）>灌木林（13.94 Tg C）>竹林（3.44 Tg C）>經(jīng)濟(jì)林（2.33 Tg C）。貴州省森林碳密度從23.57 Mg C·hm-2增至32.59 Mg C·hm-2，增長顯著（P＜0.05）；其中竹林、喬木林的碳密度增長顯著，灌木林的碳密度增長緩慢，經(jīng)濟(jì)林的碳密度呈下降趨勢。總的來看，森林碳儲量在1995—2015年間有大幅提升，年增長率為8.84%，表明貴州森林的碳匯功能正逐年增強，固碳釋氧功能日趨增強，質(zhì)量變好。20年間，喬木林面積占總森林面積的75.68%，喬木林凈碳量（157.04 Tg C）占森林總凈碳量（176.76 Tg C）的88.85%，碳密度凈增16.80 Mg C·hm-2，均顯著高于其他森林類型，表明喬木林質(zhì)量大幅提升，是森林碳匯的主要貢獻(xiàn)者。

表2 貴州省1995—2015年森林總碳儲量、平均碳密度動態(tài)特征Table 2 Mean total forest carbon storage and density in Guizhou from 1995 to 2015

表3 貴州省1995—2015年不同森林類型碳儲量、碳密度動態(tài)特征Table 3 Carbon storage and density of different forest types in Guizhou from 1995 to 2015

2.1.2 不同年齡森林碳儲量的變化分析 從表4可知，1995—2015年，全省中幼林的面積比例從1995年的89.44%降至2015年的80.04%，成熟林的面積比例從1995年的10.56%逐步增至2015年的19.96%，表明貴州省森林中幼林的比例過大，林齡結(jié)構(gòu)不合理，但在逐年改善；不同齡組森林的碳儲量均隨著林齡的增加呈增長趨勢，其中，中齡林和成熟林的碳儲量凈增長分別為57.48和69.41 Tg C，分別占碳儲量總增長量的35.30%和42.63%，表明中齡林的林分質(zhì)量穩(wěn)步提升及成熟林碳儲量穩(wěn)步增長是該時期貴州森林碳儲量增長的主要原因。各類森林的碳密度以幼齡林較低（17.89～ 22.76 C·hm-2），中齡林其次（29.16～ 48.11 C·hm-2），成熟林較高（55.02～ 69.81 Mg C·hm-2），反映出幼齡期森林的固碳能力較弱，中齡期、成熟期森林的固碳能力均不斷增強。總的來看，對中齡林的撫育以及對成熟林的管理促進(jìn)了中齡林和成熟林碳儲量的增長，極大地增強了貴州森林的碳匯功能；貴州省森林大部分處于中幼林期，碳密度隨著林齡的增加而增加，森林的固碳潛力巨大。

表4 貴州省1995—2015年不同齡組的森林碳儲量、碳密度動態(tài)特征Table 4 Carbon storage and density of different forest age group in Guizhou from 1995 to 2015

2.1.3 不同林分碳儲量的變化分析 從表5可知，1995—2015年間貴州省的主要林分類型為馬尾松林、杉木林、闊葉混交林，分別占森林總面積的22.88%、20.76%和20.56%，共占64.20%；碳密度呈上升趨勢的林分面積占森林總面積的81.97%，針葉林（包括杉木林、馬尾松林、針葉混交林）上升顯著，碳密度凈增26.72～ 32.08 Mg C·hm-2；碳密度呈下降趨勢的林分面積占森林總面積的18.03%，其中硬闊林下降明顯，碳密度凈減3.32 Mg C·hm-2，軟闊林有微弱下降，碳密度凈減1.25 Mg C·hm-2。以上結(jié)果反映了針葉林占絕對優(yōu)勢，且是森林增匯的主要貢獻(xiàn)者。

表5 貴州省1995—2015年不同林分類型碳儲量、碳密度動態(tài)特征Table 5 Carbon storage and density of different forest types in Guizhou from 1995 to 2015

2.2 貴州省森林碳儲量的空間變化分析

由表6可知，貴州省各地區(qū)森林碳儲量有一定的差異，碳儲量由大到小排序為黔東南>遵義>黔南>銅仁>畢節(jié)>黔西南>貴陽>安順>六盤水，碳儲量為東南部、北部（黔東南、遵義、銅仁）最高，占全省森林總碳儲量的64.16%，中、西部（安順、貴陽、六盤水）較低，僅為全省的8.35%；各地區(qū)的森林碳分布極不均勻，隨著時間的增加差異呈增大趨勢，與各地區(qū)森林面積比例的變化趨勢一致。1995—2015年，貴州省各地區(qū)森林碳儲量總體呈現(xiàn)上升趨勢，黔東南、遵義2個地區(qū)的碳儲量凈增長量位居前列，分別為57.09 Tg C和30.94 Tg C，相當(dāng)于其余7個地區(qū)的凈增長總量；安順和六盤水森林碳儲量凈增長量最低，分別為5.78 Tg C和5.4T g C。

表6 貴州省1995—2015年森林碳儲量、碳密度空間分異Table 6 Spatial variation of forest carbon storage and density in different region of Guizhou from 1995 to 2015

貴州省森林碳密度的高低走勢與碳儲量的分布格局一致，碳密度高值區(qū)為黔東南、遵義（平均碳密度分別為30.29和36.27 Mg C·hm-2），低值區(qū)為畢節(jié)、六盤水（平均碳密度分別為15.69和16.89 Mg C·hm-2）。1995—2015年，除了黔西南森林固碳能力有所減弱（碳密度凈減6.08 Mg C·hm-2），其余林區(qū)的固碳能力均有所提升（1.07～ 17.85 Mg C·hm-2），以黔東南、遵義、貴陽、六盤水最為明顯，其碳密度凈增長量在12.62～ 19.91 Mg C·hm-2?？偟膩砜?，黔東南、遵義、銅仁作為高碳儲量和高碳密度的集中區(qū)域，是貴州省森林碳匯的最重要的貢獻(xiàn)者。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 森林碳估算 準(zhǔn)確估算區(qū)域森林碳儲量，掌握其時空變異及影響因素，能為預(yù)測貴州區(qū)域森林碳匯、制定合理的營林措施、加快喀斯特地區(qū)生態(tài)治理進(jìn)程等提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。李海奎[17]曾利用全國第七次森林資源連續(xù)清查資料，分省、分樹種估算得出2005年貴州省森林總碳儲量為168.60 Tg C，與本研究中第七期（2005年）的估算值（164.25 Tg C）非常接近，誤差僅為2.65%，這表明使用方精云的生物量-蓄積量法對于估算中尺度區(qū)域森林碳儲量，較為可靠和準(zhǔn)確。但本研究僅針對喬木層、灌木層的地上、地下部分碳儲量進(jìn)行估算，缺少草本層、地被層的碳儲量數(shù)據(jù)，雖然后者的碳儲量僅占微小部分，對森林總碳儲量的估算影響甚微，但估算精度仍可進(jìn)一步提高。

3.1.2 貴州省森林碳儲量空間分異 上述研究表明，1995—2015年，貴州省森林碳儲量、碳密度高值區(qū)集中在東南、北部地區(qū)（黔東南、遵義、銅仁），低值區(qū)為中、西部地區(qū)（畢節(jié)、六盤水），這與張百平[4]、姚永慧[18]等研究2000年以前貴州森林碳分布的結(jié)論相似，反映了森林碳儲量、碳密度空間格局隨時間變化不明顯。資料顯示，高碳區(qū)（黔東南、遵義、銅仁）地勢低，土壤肥厚，森林面積占全省森林面積的54.97%；中值區(qū)（黔南、黔西南、貴陽、安順）為黔中山原巖溶分布區(qū)，土層淺薄，森林面積占全省森林總面積的32.21%；低碳區(qū)（畢節(jié)、六盤水）位于云貴高原向黔中山原過渡地帶，地勢高，巖石裸露率達(dá)75%以上，是全省石漠化重度區(qū)，森林面積占全省森林總面積的12.82%。隨著地勢由東南向西北抬升，石漠化程度遞增，森林面積遞減，森林碳儲量、碳密度呈規(guī)律性遞減響應(yīng)，這反映了石漠化地貌決定了森林面積大小，兩者又共同影響森林碳匯。此外，貴州地處東南季風(fēng)和西南季風(fēng)交替過渡區(qū)，在兩種大氣團(tuán)和山地地形的共同作用下，貴州垂直立體氣候明顯，東部常年溫暖濕潤而西部卻呈現(xiàn)干濕交替的氣候特征[19]。故貴州森林碳分布格局很可能主要受地形、土壤、氣候等因素的綜合影響。

3.1.3 貴州森林碳儲量動態(tài)變化 FAO（聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織）在2011年發(fā)布的《2010年全球森林資源評估報告》中指出，中國持續(xù)地、大規(guī)模地人工造林對于減緩世界森林面積下降的速率起到了積極的貢獻(xiàn)[20]。在過去的幾十年中，通過實施天然林保護(hù)、長江珠江流域防護(hù)林體系、退耕還林及石漠化綜合治理等一系列林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程，人工造林面積大幅增加。1995—2015年，貴州森林面積凈增長275.52×104hm2，為我國森林資源保護(hù)做出了相應(yīng)貢獻(xiàn)。

1995—2015年，貴州森林碳儲量由76.89 Tg C遞增至253.65 Tg C，凈碳增長量為176.76 Tg C，年增長率為11.49%，遠(yuǎn)高于全國的年增長率1.80%[21]、四川的1.89%[22]、福建的3.65%[23]，呈現(xiàn)了顯著的碳匯效應(yīng)。這主要源于貴州以各項重點林業(yè)工程建設(shè)為依托，轉(zhuǎn)變林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式，強化林業(yè)生態(tài)紅線保護(hù)意識，加強森林資源經(jīng)營管理和保護(hù)，生態(tài)建設(shè)不斷增強，全省森林資源整體質(zhì)量有所提高。其中，喬木林分質(zhì)量明顯提升，期間喬木林的年均凈碳增長量為7.85 Tg C·a-1，碳吸存速率達(dá)0.84 Mg C·hm-2·a-1，成為貴州省森林碳儲量凈增長的主體。此外，隨著森林的生長，中幼林的比例逐漸減小、林分質(zhì)量不斷提高，成熟林的比例不斷增加、碳儲量穩(wěn)步增長，森林的固碳潛力巨大。

1995—2015年，貴州省的森林碳密度介于23.57～ 32.59 Mg C·hm-2之間，低于全國平均水平35～ 39 Mg C·hm-2[6,24]；低于同緯度省份四川的39.61 Mg C·hm-2[20]、福建的44.83 Mg C·hm-2[23]和云南的38.99 Mg C·hm-2[25]，這說明貴州省的森林質(zhì)量仍處于較低的水平。貴州省典型的喀斯特地貌以及中部、西南部嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象決定其森林生態(tài)環(huán)境的脆弱性[26]；此外，人工造林規(guī)模的不斷擴大引起中幼林面積比例過大，人工造林管理水平較低，總消耗量過大現(xiàn)象依然存在，這也是導(dǎo)致貴州森林平均碳密度相對較低的重要原因。由此可知，大面積造林碳匯項目雖然明顯地促進(jìn)了森林碳儲量的增長，但短時期內(nèi)無法提高森林的質(zhì)量；貴州省未來的森林生態(tài)建設(shè)應(yīng)在兼顧“量”的增加同時，更需著力于“質(zhì)”的提升；以加強森林資源培育和管理工作來提高森林碳密度將成為今后提高貴州省森林質(zhì)量、增強森林碳匯潛力的主要營林措施。

3.2 結(jié)論

1995—2015年，貴州省森林面積凈增長275.52×104hm2。20年間，貴州森林有明顯的碳匯集作用，碳密度逐年遞增，但均低于全國平均水平以及同緯度省份的平均水平，森林質(zhì)量仍處于較低的水平。其主要原因是喀斯特森林生產(chǎn)力低下、中幼林比例過高等。貴州省未來的森林生態(tài)建設(shè)應(yīng)著力于提升森林質(zhì)量，包括提高喬木林比例、調(diào)整中幼林和成熟林比例，這將是提高森林碳儲量和碳密度的有效途徑。20年間，森林碳儲量、碳密度分布不均，不同地區(qū)的差異隨著時間的增加呈增大趨勢，但碳格局隨時間的變化不明顯，這主要是地形、土壤、氣候等因素的綜合作用所致，未來可分區(qū)域采取不同的森林經(jīng)營與管理措施能大幅提升貴州森林的碳匯潛力。

致謝：文中貴州各樹種地上生物量與全株生物量的回歸函數(shù)均由《貴州森林生態(tài)效益監(jiān)測與評價研究（黔林科合〔2010〕重大01號）》項目組根據(jù)貴州野外實測生物量數(shù)據(jù)建立，在此表示衷心的感謝！