2060年前我國森林生物量碳庫及碳匯潛力預(yù)測*

付 曉 張煜星 王雪軍

(1.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院 北京 100091； 2.國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院 北京 100714； 3.國家林業(yè)和草原局駐北京森林資源監(jiān)督專員辦事處 北京 100714)

氣候變化是全世界共同面對的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)(Parmesanetal., 2003)。森林生態(tài)系統(tǒng)是巨大的碳儲存庫和重要碳匯，森林通過碳匯功能，儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中50%～60%的碳(Dixonetal., 1994)。而森林碳匯的估算存在著很大的不確定性，生物量的精確估算可以減小這種不確定性，因此研究森林生物量碳庫是十分必要的。森林碳估測主要有兩種方法： 碳通量法和生物量法。生物量法是目前最直接、應(yīng)用最廣泛的方法之一，是以森林調(diào)查獲取的林木胸徑或森林蓄積量作為自變量、以生物量作為因變量建立模型進(jìn)行估測的方法，主要包括3種方式： 樹木直徑和樹高與生物量建模、單株材積與生物量建模、森林單位面積蓄積量與生物量建模(Fangetal., 1998; 馮宗煒,1999;唐守正等， 2001； Fangetal., 2001； 張煜星等， 2021)。利用森林資源清查資料建立生物量與蓄積量的轉(zhuǎn)換模型，用以估測全國和區(qū)域生物量的方法，具有明顯的優(yōu)勢(方精云等， 1996； 劉國華等， 2000； 趙敏等， 2004； 徐新良等， 2007;徐冰等， 2010)。已有很多研究利用國家森林資源清查數(shù)據(jù)資料，對過去70年的中國森林生物量碳庫變化進(jìn)行估算(方精云等， 1996； 劉國華等， 2000； 趙敏等， 2004； Panetal., 2004； 張煜星等， 2021，尹晶萍等， 2021)。 在過去70 年,我國森林生物量碳庫增加了3.59 Pg C, 年均增加0.051 Pg C·a-1(張煜星等， 2021)。

為應(yīng)對全球氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和， 2030年森林蓄積量將比2005年增加60億m3”。預(yù)測2030—2060年我國森林生物量碳庫及碳匯潛力，可為制定具體減排增匯政策提供重要依據(jù)，同時對我國參與國際氣候談判和助力實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要意義，目前,這方面的研究卻鮮有報道(徐冰等， 2010)。

我國幅員遼闊，氣候復(fù)雜多樣，森林資源分布范圍較廣，類型多樣。為提高森林生物量估測模型精度，必須考慮自然氣候和樹種分布的差異性，分區(qū)域研究、建立主要森林類型的估測模型尤為重要(張煜星等， 2021)。鑒于此，本研究利用全國森林資源清查數(shù)據(jù)資料，按區(qū)域、優(yōu)勢樹種(組)分別建立基于喬木林公頃蓄積量與林齡關(guān)系的生長預(yù)測模型，并以國家林業(yè)發(fā)展相關(guān)規(guī)劃中的森林面積增長目標(biāo)為依據(jù)，對2060年前全國現(xiàn)有森林和新造林的蓄積量和生物量碳庫及碳匯潛力進(jìn)行預(yù)測分析，以期為制定減排增匯政策提供重要依據(jù)，對中國獲取必要的CO2排放空間和參與全球氣候變化談判提供參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域劃分

依據(jù)氣候和自然地理相近、樹種分布接近等因素，以省份為單位將我國(CH)劃分為6個建模區(qū)域，東北區(qū)(Northeast China, NE)包括黑龍江、吉林和遼寧3??； 華北區(qū)(North China, NC)包括北京、天津、河北、內(nèi)蒙古、山西、山東和河南7省(區(qū)、市)，西北區(qū)(Northwest China, NW)包括陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆5省(區(qū))，中南區(qū)(South Central China, SC)包括江蘇、上海、安徽、湖北和湖南5省(市)，東南沿海區(qū)(Southeast Coastal China, SE)包括浙江、江西、福建、廣東、廣西和海南6省(區(qū))，西南區(qū)(Southwest China, SW)包括四川、重慶、貴州、云南和西藏5省(區(qū)、市)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料為5期全國森林資源清查數(shù)據(jù)，包括樣地庫和樣木庫數(shù)據(jù)，清查時間分別為1994—1998年、1999—2003年、2004—2008年、2009—2013年和2014—2018年。

樣地庫包括樣地號、樣地坐標(biāo)、優(yōu)勢樹種(組)、平均年齡、平均胸徑、平均樹高、郁閉度和公頃蓄積等61項因子。樣木庫包括樣地號、樣木號、立木類型、優(yōu)勢樹種、胸徑和材積等11項因子。根據(jù)森林資源清查規(guī)定，將森林劃分為喬木林、竹林和國家特別規(guī)定的灌木林,其中喬木林包括人工林和天然林。本研究只對喬木林部分進(jìn)行預(yù)測。香港、澳門和臺灣因缺乏森林蓄積量和林齡等數(shù)據(jù)支撐，不在本研究范圍之內(nèi)。

1.3 森林蓄積量與林齡的關(guān)系

在對全國劃分的6個建模區(qū)域內(nèi)，按清查技術(shù)規(guī)定的優(yōu)勢樹種(組)劃分類型來進(jìn)行建模數(shù)據(jù)組合，篩選出各區(qū)域內(nèi)的主要優(yōu)勢樹種(組)類型。

利用Richards 生長方程(Richards, 1959)擬合各區(qū)域優(yōu)勢樹種(組)公頃蓄積量與林齡的關(guān)系, 即:

V=a(1-e-ct)b。

(1)

式中:V為公頃蓄積量(m3·hm-2)；t為林齡(a)； a, b, c為常數(shù)。

方程采用ForStar軟件中的理查茲(Richards)生長曲線對數(shù)解法進(jìn)行擬合。各區(qū)域主要優(yōu)勢樹種(組)公頃蓄積量與林齡關(guān)系的擬合結(jié)果見表1。Richards生長曲線在大多數(shù)樹種(組)類型中擬合效果較好, 在51個模型中有43 個相關(guān)系數(shù)r大于0.6, 表明曲線較好地擬合了各類型森林的自然生長過程。

1.4 森林生物量計算方法

森林生物量計算公式(李?？龋?2010； 張煜星等， 2021)為：

(2)

式中：B為森林生物量(t)；V為各優(yōu)勢樹種(組)森林蓄積量之和(m3)；Vi為樣地調(diào)查材積(m3)；Bj為樣地樣木生物量(t)；Vj為樣地樣木材積(m3)；i為樣地數(shù)；n為樣地總數(shù)；j為樣地內(nèi)優(yōu)勢樹種(組)類型；m為樣地內(nèi)優(yōu)勢樹種(組)的總個數(shù)。

樣地調(diào)查材積是指樣地因子表中的材積(m3)，樣地樣木材積是指樣地內(nèi)樣木根據(jù)材積公式計算得到的材積(m3)，樣地樣木生物量是指樣地內(nèi)根據(jù)單木材積與生物量模型計算得到所有優(yōu)勢樹種(組)的樣木生物量之和(t)。生物量轉(zhuǎn)換因子系數(shù)(BEF)(李?？龋?2010； 張煜星等， 2021)為：

(3)

1.5 未來中國森林生物量碳庫預(yù)測

假設(shè)第九次森林資源清查(2014—2018年)的森林面積數(shù)據(jù)代表2018年各類型喬木林各齡組的面積分布情況, 對現(xiàn)有森林的幼齡林、中齡林、近熟林等齡組進(jìn)行模型預(yù)測蓄積生長過程(成、過熟林不進(jìn)行預(yù)測，采用現(xiàn)有的生物量碳計算結(jié)果)，并一致假設(shè)未來42年中沒有森林的成片砍伐和死亡情況發(fā)生,則現(xiàn)有森林在未來某一年的生物量碳庫可以通過以下公式計算:

(4)

式中：CΔt為現(xiàn)有森林在Δt年后的碳庫(t)； Δt為距2018年的時間跨度(a)；Cc為含碳系數(shù)，一般取0.5；p為區(qū)域數(shù)；q為各區(qū)域主要優(yōu)勢樹種(組)個數(shù)；k為優(yōu)勢樹種(組)的個數(shù)；Bpq為第p個區(qū)域第q個優(yōu)勢樹種(組)在Δt年后的森林生物量密度(t·hm-2)；Spq第p個區(qū)域第q個優(yōu)勢樹種(組)的森林面積(hm2)。

新造林生物量及碳庫的預(yù)測，按以下步驟進(jìn)行： 首先,根據(jù)國家林業(yè)局(2016)發(fā)布的《全國森林經(jīng)營規(guī)劃(2016-2050年)》和林業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃推算未來42年我國的森林總面積。根據(jù)第九次清查(2014—2018年)，中國喬木林林分面積占森林總面積的比例為82.4%,如果沒有大量皆伐森林該比例不會發(fā)生較大變化,則可計算出未來42 年中國喬木林總面積，各年份之間森林總面積差值即為新造喬木林的面積(表2)，也可計算出6個區(qū)域31個省(區(qū)、市)的新造林面積比例分配(表3)，6個區(qū)域主要人工林造林樹種見表4。利用生長曲線方程預(yù)測新造林的每公頃蓄積量，利用蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換因子系數(shù)計算得到新造林的生物量密度，再代入(3)式即可計算出新造林生物量碳庫。

將現(xiàn)有森林和新造林的碳庫累加起來, 即得到我國森林總碳庫。

表1 全國主要樹種(組)蓄積-林齡Richards曲線擬合參數(shù)

表2 2060年前我國森林喬木林面積變化①

表3 2060年前31省(區(qū)、市)新增喬木林面積①

續(xù)表 Continued

表4 2020—2060年各區(qū)域新增喬木林的造林樹種和BEF值①

2 結(jié)果與分析

2.1 林齡動態(tài)分析

對5期全國森林資源清查數(shù)據(jù)中各區(qū)域各起源喬木林林齡進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到圖1。由圖1可知， 2014—2018年期間，全國喬木林平均林齡為36.6年，其中天然林為46.0年，人工林為16.5年，與1994—1998年期間的34.9年相比，林齡增加了1.7年。從全國各區(qū)域來看，林齡最大的分布在西北地區(qū)，多期林齡接近50年； 林齡最小的區(qū)域分布在中南地區(qū)和東南地區(qū)，多期林齡不到20年?？傮w而言，我國大多數(shù)森林仍處在中、幼齡林，從近25年發(fā)展趨勢來看，我國森林林齡呈現(xiàn)出先上升后下降再上升的趨勢。這與同期我國政府高度重視林業(yè)生態(tài)建設(shè)，相繼實施了“三北”防護(hù)林、退耕還林、天然林保護(hù)等多個生態(tài)建設(shè)工程有關(guān)，另外還與加強森林資源保護(hù)管理、控制林木采伐消耗有著密切關(guān)系。

2.2 我國未來森林蓄積量預(yù)測

基于各區(qū)域主要優(yōu)勢樹種(組)蓄積-林齡生長模型和2014—2018 年森林資源清查樣地數(shù)據(jù), 根據(jù)上述森林蓄積量預(yù)測方法，預(yù)測了2020—2060年未來40 年我國各區(qū)域現(xiàn)有森林和新造林的森林蓄積量變化情況，如表5和圖2所示。

由表5可知，到2030年，我國森林蓄積量將達(dá)到204.73億 m3，到2060年可達(dá)到286.45億 m3，與2014—2018年的170.06億m3相比分別增加了34.67億m3和116.39億m3。從各區(qū)域來看，到2030年，全國森林蓄積量較多的是西南地區(qū)、東南地區(qū)和東北地區(qū)，分別占全國的38.58%、18.50%和18.04%； 到2060年，森林蓄積量較多的地區(qū)依然是西南地區(qū)、東南地區(qū)和東北地區(qū)，分別占全國的37.68%、21.37%和16.60%。由圖2可知，未來40年，我國森林蓄積量增加最快的地區(qū)是東南地區(qū)和西南地區(qū)，這些區(qū)域是我國森林蓄積量增長潛力最大的區(qū)域，也是未來森林質(zhì)量提升應(yīng)重點考慮的區(qū)域。如何加強森林經(jīng)營管理，最大限度地發(fā)揮這些地區(qū)的森林蓄積量生長潛力，應(yīng)該引起高度重視。

圖1 全國各區(qū)域各起源喬木林林齡(1998—2018年)

表5 2060 年前我國森林蓄積量預(yù)測

2.3 我國現(xiàn)存森林和新造林的碳庫預(yù)測

基于我國現(xiàn)有森林和新造林的蓄積量預(yù)測結(jié)果,根據(jù)上述林分生物量碳庫預(yù)測方法，現(xiàn)有森林在2020—2060年未來40年碳庫的變化以及未來40年新造林的碳庫變化情況如表6所示。

由表6可知： 現(xiàn)有森林碳庫到2030年達(dá)到9.20Pg C，到2060年可達(dá)到12.12 Pg C,與2014—2018 年的7.57 Pg C相比分別增加了1.53和4.55 Pg C； 現(xiàn)有森林平均碳密度從2014—2018年的42.11 Mg C·hm-2增長到2060年的67.40 Mg C·hm-2； 新造林碳庫到2030年達(dá)到0.07 Pg C，到2060年達(dá)到0.92 Pg C,平均生物量碳密度分別為4.47和38.21 Mg C·hm-2。

綜合現(xiàn)有森林生長和新造林增加的碳庫變化, 可得到未來40 年全國森林總碳庫的變化情況(表6)。到2060年,全國森林總碳庫將達(dá)到13.04 Pg C,平均碳密度63.96 Mg C·hm-2，與2014—2018年相比，新增碳儲量5.47 Pg C,凈增碳密度21.85 Mg C·hm-2，年均增匯量0.13 Mg C·a-1(表3)。2060年新造林新增碳匯只占全部森林生物量總碳庫的7.06%，可見提升森林碳匯的潛力主要靠對現(xiàn)有森林加強森林經(jīng)營，提高現(xiàn)有森林的質(zhì)量來實現(xiàn)。

圖2 2060年之前各區(qū)域各年份森林蓄積量預(yù)測

表6 2060 年前我國森林生物量碳庫預(yù)測

3 討論

3.1 我國森林碳匯潛力

我國森林生物量碳庫和平均碳密度在2020—2060年未來40年中將持續(xù)增長，到2030年森林生物量碳庫達(dá)到9.27 Pg C，碳密度達(dá)到47.30 Mg C·hm-2， 2020—2030年間平均增匯0.149 Pg C·a-1； 到2060 年森林碳庫達(dá)到13.04 Pg C，比2018年增加了5.47 Pg C； 森林碳密度達(dá)到63.96 Mg C·hm-2， 2018—2060年間森林年均增匯量0.13 Pg C·a-1,說明我國森林碳匯潛力巨大。

如果2020—2060年未來40年繼續(xù)維持1998—2018年過去20年我國森林蓄積年平均生長率4.5%左右，則2060年，森林蓄積年均總生長量將達(dá)到12.65億m3·a-1，推算年固定碳量0.569 Pg C·a-1，按照森林蓄積量每增加1 m3相應(yīng)吸收固定1.83 t CO2來測算(施溯筠等， 2002)，則森林年吸收CO2量將達(dá)到2.317 Pg C·a-1。Raupach等(2007) 和Vaughan(2019)研究表明, 我國 CO2排放量可能在2021—2025年間達(dá)到130～160億t的峰值,則每年我國森林吸收的CO2量約占我國CO2排放量峰值的14.5%～17.8%，略高于全球平均水平(徐冰等， 2010)。

森林植被總碳庫為喬木林、竹林、疏林、灌木林、散生木和四旁樹的生物量碳庫之和，其中，喬木林碳庫是森林植被總碳庫的主體。根據(jù)全國第九次清查數(shù)據(jù)結(jié)果(國家林業(yè)和草原局,2019)， 2018年全國森林植被總碳庫8.98 Pg C(不含香港、澳門、臺灣等數(shù)據(jù))，喬木林碳庫占84.35%，則2060年中國森林植被年固定碳量0.675 Pg C·a-1，年吸收CO2量將達(dá)到2.747 Pg C。

3.2 我國未來森林面積增加壓力巨大

根據(jù)我國林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、森林經(jīng)營規(guī)劃和宜林空間分析研究，我國森林覆蓋率可提高到26%以上。本研究以森林經(jīng)營規(guī)劃中的森林面積增長目標(biāo)為依據(jù)，在2030年森林覆蓋率達(dá)到25%， 2050年持續(xù)穩(wěn)定在26%以上。在2035年前，我國每年需新增森林面積128.0萬hm2。如果再加上林地因占用而損失和森林采伐消耗等因素，則每年還應(yīng)加大造林任務(wù)量才能實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)。根據(jù)全國第九次森林資源清查結(jié)果，每年森林因轉(zhuǎn)為建設(shè)用地而減少約28.6萬hm2； 我國喬木林的年均采伐消耗量為3.23億m3，皆伐比例為23.7%，則每年因采伐消耗造成森林面積損失80.7萬hm2(按喬木林每公頃蓄積量94.83 m3·hm-2進(jìn)行折算)，需及時對這些采伐跡地更新造林。綜上所述，每年大致需新造林更新面積達(dá)237.3萬hm2以上，新造喬木林面積(包括跡地更新造林)要達(dá)到209.7萬hm2，才能確保完成上述發(fā)展規(guī)劃所確定的森林覆蓋率和森林蓄積量等增長目標(biāo)。

3.3 預(yù)測方法及可能的誤差分析

在全國及省(區(qū)、市)尺度上,有多種方法用于估算現(xiàn)有森林生物量碳庫(方精云等， 1996； Guoetal., 2007； 張煜星等， 2021), 但對未來森林碳庫變化趨勢的預(yù)測仍缺少合理有效的方法(Mickleretal., 2002;Zhaoetal., 2009; 徐冰等， 2010)。生物量與蓄積量存在高度相關(guān)性，因此森林蓄積量預(yù)測就成為了一個關(guān)鍵點。為檢驗本研究提出的蓄積量預(yù)測方法的可靠性,利用本研究所建立的各區(qū)域各優(yōu)勢樹種(組)公頃蓄積量與林齡的關(guān)系預(yù)測模型，估算了1999—2003年、2004—2008年、2009—2013年和2014—2018年這4期的全國森林蓄積量。結(jié)果顯示，與同期國家公布的全國森林蓄積量結(jié)果相比，兩者相差值分別為1.72億m3、1.86億m3、-0.26億m3和-1.10億m3，估計誤差比例分別為1.41%、1.38%、-0.18%和-0.65%； 可以看出，預(yù)測值與實際調(diào)查公布結(jié)果非常接近，說明本研究建立的蓄積量預(yù)測方法能用于預(yù)測全國尺度的森林生物量碳庫及其變化，結(jié)果較為可靠。

此外，本研究的預(yù)測基于一些假設(shè),因此其結(jié)果會存在一定的不確定性。影響預(yù)測結(jié)果的因素主要有以下4點。1)在預(yù)測過程中, 假設(shè)沒有森林成片砍伐和死亡,已有森林均自然生長，而實際上森林在生長過程中若受砍伐和死亡影響,森林蓄積量會有損失，這將使得估算的森林總碳庫偏大。2)森林在成熟之前，本研究對這些森林的蓄積量是基于Richards 生長方程曲線擬合模型測算的，由于未來氣候變化、立地因子、林分因子和人類活動等因素存在不確定性，以及相應(yīng)的林業(yè)管理政策也會發(fā)生調(diào)整和變化，這些都會造成模型預(yù)測存在一定的誤差。3)新造林面積在不同區(qū)域不同省份的分配也是本研究預(yù)測結(jié)果的誤差來源之一。本研究按照最近的森林資源清查數(shù)據(jù)中人工林的面積比例進(jìn)行新增喬木林面積的分配,但隨著各地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和國土綠化進(jìn)程等發(fā)生變化，各省份新造林的面積比例和造林樹種也可能發(fā)生變化。4) 全國建模分區(qū)是以省為最小單位劃分的，一些跨氣候區(qū)或自然地理區(qū)域較大的省(區(qū))會存在分區(qū)不合理的情況，如內(nèi)蒙古自治區(qū)東、中、西部地區(qū)的森林資源分布差異明顯，因此，需考慮二級分區(qū)，這樣可有效降低因模型分區(qū)不合理而帶來的估測誤差。

4 結(jié)論

利用國家森林資源清查數(shù)據(jù)資料，對我國2060年前森林生物量碳庫和碳匯潛力進(jìn)行預(yù)測研究。結(jié)果顯示，鑒于目前我國森林仍以中、幼齡林為主，且人工造林仍在持續(xù)增長，在2060年前，我國森林生物量碳庫和平均碳密度還將持續(xù)增長，年均增匯可達(dá)0.13 Pg C·a-1，具有較大的碳匯潛力。鑒于此，在CO2排放量不斷增加的背景下,我國要在2060年如期實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，必須進(jìn)一步加強對森林的保護(hù)和經(jīng)營，落實相關(guān)國土綠化任務(wù)，實施相關(guān)林業(yè)政策和發(fā)展規(guī)劃,對保障充分發(fā)揮我國森林的碳匯潛力、減輕碳排放壓力和應(yīng)對氣候變化具有重要意義。