中國退耕還林工程固碳現(xiàn)狀及固碳潛力估算

吳普俠, 汪曉珍, 吳建召, 張曉梅, 藺雨陽, 王凱博

(1.陜西省林業(yè)科學院黃土高原水土保持與生態(tài)修復國家林草局重點實驗室，西安 710082；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.陜西省林木種苗與退耕還林工程管理中心，西安 710082；4.攀枝花市農林科學研究院，四川 攀枝花 617061；5.中國科學院地球環(huán)境研究所，西安 710061)

根據(jù)IPCC預測，到2050年，大氣CO濃度將比100年前增加近1倍，使全球氣溫升高3～4 ℃，導致極地凍冰層融化，海平面上升，造成沿海陸地淹沒等災難性后果。植樹造林被認為是增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯、減緩全球溫室氣體效應的重要手段。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力評估是近幾十年來學界研究的熱點領域，關于中國森林生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀與潛力已有不同學者做過估算。但是，已有工作大多把植被和土壤分開，森林作為一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，植被和土壤關系密切，植被的改變必然引起土壤屬性發(fā)生相應的改變。所以，對森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的研究需要綜合考慮植被和土壤兩方面的貢獻。

為了治理水土流失和改善生態(tài)環(huán)境，新中國成立以來，各級政府組織開展了不同規(guī)模的人工造林活動。尤其是1999年開始實施的退耕還林工程，涉及全國25個省的1 897個縣，計劃完成退耕地造林1 467萬hm，宜林荒山荒地造林1 733萬hm，不僅有效控制水土流失，提高我國森林覆蓋率，對促進我國陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤固碳能力的提升也起到積極作用。退耕還林工程是我國目前實施范圍最廣、造林面積最大的生態(tài)建設活動，其碳匯潛力不容忽視。目前關于中國退耕還林工程碳匯功能的研究，多集中在典型區(qū)域，僅考慮植被或土壤固碳功能，如Zhang等對中國退耕還林后土壤有機碳的固碳速率進行研究；Chang等對黃土高原實施退耕還林后的土壤有機碳的固碳潛力進行研究。然而，對國家尺度上退耕還林工程固碳潛力的研究還不多，也缺少對我國不同區(qū)域退耕還林工程固碳現(xiàn)狀、固碳速率等的估算。因此，本研究對中國退耕還林一期(1999—2010年)工程林的植被碳儲量和土壤碳儲量進行估算，并基于樹木生長方程評估該工程到2050年的固碳潛力，為準確評估退耕還林工程碳匯效益提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 中國各地區(qū)退耕還林工程的總面積與各樹種造林面積的統(tǒng)計

本研究有關1998—2008年中國退耕還林工程(包括京津風沙源退耕還林)的數(shù)據(jù)采集于《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》(2000—2008)，2009—2010年的數(shù)據(jù)采集于2010—2011年《林業(yè)發(fā)展公報》，包括退耕地造林面積和荒山造林面積2部分。本研究將我國造林分為東北、華北、華東、中南、西南、西北六大區(qū)域，退耕還林工程中各樹種造林面積由各地區(qū)的退耕還林工程總面積乘以各樹種造林面積的比例估算獲得。各林分類型造林分配比例的數(shù)據(jù)采集于各地區(qū)有關退耕還林工程的調查報告、政府的林業(yè)發(fā)展公告以及已發(fā)表的相關文獻資料等。

1.2 碳儲量的計算

本研究將退耕還林工程林碳庫分為植被和土壤兩部分。考慮到退耕還林工程林生長時間不長，其枯死木和凋落物在植被碳庫中占比較小，本文計算植被碳庫時忽略了這部分碳儲量。此外，由于退耕還林工程實施地多為荒山、坡耕地等土壤、水分相對較差的地方，造林成活率不能達到100%，引入造林成活率修正因子。據(jù)國家林業(yè)局調查發(fā)現(xiàn)，造林成活率只有90.2%，本研究退耕還林工程的有效造林面積為在造林面積的基礎上乘以修正因子0.902。

1.2.1 植被碳儲量的計算 根據(jù)樹木生長曲線估算人工林植被碳儲量的變化。其中，方程(1)適合于喬木林，方程(2)適合于灌木林。

(1)

(2)

式中：為第目標年植被的碳儲量(Mg)；為樹種在第年的造林面積(hm)；為第年造林的樹種到第目標年時的林分蓄積量(m/hm)；為第年造林的樹種到第目標年時的林分生物量(Mg/hm)；為樹種的木材密度(Mg/m)；BEF為樹種由林分蓄積生物量換算為全林分生物量的生物量擴展因子；為樹種的碳含量。

采用表1中收集整理的林木生物量異速生長方程估計各樹種的林分蓄積量()，結合表2中不同樹種的木材密度()、生物量擴展因子(BEF)和碳含量()等參數(shù)計算林分生物量碳。此外，本研究中灌木林生物量隨林齡的變化關系由查閱文獻資料獲得，共收集到96組灌木生物量與林齡的相對應數(shù)據(jù)組，建立了生物量與林齡的一元非線性方程(表1)。關于林分蓄積量和生物量碳的詳細計算方法見參考文獻[18]。

表1 適合中國本土主要樹種的生物量異速生長方程

表2 不同樹種的木材密度(D)、生物量擴展因子(BEF)和碳含量(CF)

1.2.2 土壤碳儲量的計算 本研究中土壤碳儲量指土壤中的有機碳儲量。退耕還林后土壤有機碳固定主要發(fā)生在表土層，因此，采用0—20 cm土層計算土壤的固碳量。在估算退耕還林工程林地土壤有機碳儲量變化時參考表3中的研究結果。

退耕還林地土壤碳庫的變化計算公式為：

(3)

式中：為第年的土壤碳庫變化量(Mg)；為樹種在第年造林面積(hm)；為土壤碳儲量變化速率(Mg/(hm·a))，參考表3取值。

表3 不同退耕年限土壤有機碳的變化速率

1.2.3 固碳潛力的計算 退耕還林一期工程截止時間為2010年。本研究假設在2010年以后退耕還林工程造林面積不變，且國家對工程林不進行采伐的前提下對未來的固碳增匯潛力進行估算。以2010年為基準年，預測2020—2050年期間的碳匯增長潛力。

2 結果與分析

2.1 退耕還林工程的固碳現(xiàn)狀

2.1.1 林木生物量固碳現(xiàn)狀 退耕還林工程一期建設任務完成時(2010年)，全國工程林木固碳量為320.29 Tg(表4)。其中，中南地區(qū)林木固碳量最大，達到80.26 Tg，占全國林木固碳量的25.06%；華東地區(qū)最小，僅積累22.39 Tg，約為全國林木固碳量的7%。各地區(qū)林木固碳量在工程實施后期高于前期。

2.1.2 土壤碳庫固碳現(xiàn)狀 截至2010年，全國退耕還林工程土壤固碳量為35.58 Tg，其中西北地區(qū)土壤固碳量最大，達到10.57 Tg，占全國土壤碳儲量的29.71%；華東地區(qū)最小，僅積累1.74 Tg，約為全國土壤碳儲量的5%。土壤固碳量與造林面積成正比，造林面積越多，土壤固碳量越大。全國各地區(qū)土壤固碳量也表現(xiàn)為在工程實施后期高于前期(表4)。

2.1.3 工程林的固碳現(xiàn)狀 退耕還林工程林總固碳量為355.87 Tg，其中工程后期固碳量約為前期的5倍(表4)。工程完成時，林木固碳量是土壤固碳量的9倍。工程實施前期和后期，林木固碳量均大于土壤固碳量。中南地區(qū)總固碳量最大，達到85.16 Tg，占全國總碳儲量的23.93%；華東地區(qū)最小，僅24.13 Tg，約為全國總碳儲量的6.78%。西北地區(qū)雖然工程覆蓋面積最大，但是固碳量卻小于中南和西南地區(qū)，主要是由于各地區(qū)造林樹種生長速率的差異所引起。

2.2 退耕還林工程的年固碳量

2.2.1 林木年生物固碳量 自1999—2050年，全國及各地區(qū)林木年生物固碳量均為拋物線趨勢，其峰值出現(xiàn)在2010年左右，但各地區(qū)又存在差異(圖1)。全國尺度林木年生物固碳量高峰在2010年，固碳量為48.34 Tg。由于退耕還林工程的造林樹種以生長快速、壽命較短的楊樹、馬尾松、杉木等速生樹種為主，這些樹種的壽命通常在30～50年，其生物量快速生長期一般在樹齡為10～15年。因此，根據(jù)不同樹種生物量異速生長方程計算得到林木年生物固碳量高峰出現(xiàn)在2010年左右。1999—2010年全國工程林生物碳年平均固碳量為26.69 Tg/a，且工程后期高于前期。其中，中南地區(qū)林木年平均固碳量最大，為7.30 Tg/a；東北地區(qū)最小，年平均固碳量為2.12 Tg/a(表4)。

圖1 中國及其各地區(qū)退耕還林工程林生物量碳庫的年固碳量

表4 退耕還林工程實施不同時期的面積、固碳量和年平均固碳量

2.2.2 土壤碳庫的年固碳量 1999—2050年間，全國及各地區(qū)退耕還林工程林土壤年固碳量均表現(xiàn)為先增加后降低并穩(wěn)定的趨勢，且在2040年以后趨向平衡。由于土壤新增固碳量主要來源于林木地上和地下凋落物、根系分泌物以及微生物殘體等，因此，退耕還林工程土壤年固碳量峰值滯后于林木生物量固碳。土壤年固碳量在2016年達到最高峰(圖2)，固碳量為13.52 Tg/a。退耕還林工程實施期間，全國工程林土壤年平均固碳量為2.97 Tg/a，且工程后期顯著高于前期。西北地區(qū)土壤年平均固碳量最大，為0.88 Tg/a；華東地區(qū)最小，土壤碳庫年平均固碳量僅為0.19 Tg/a。主要是由于退耕還林工程在華東地區(qū)開始時間晚，覆蓋面積小，使得土壤碳庫積累速率較小。

圖2 中國及其各地區(qū)退耕還林工程土壤碳庫的年固碳量

全國各地區(qū)土壤年均固碳量變化規(guī)律一致，在工程實施后期土壤年平均固碳量均顯著高于前期(表4)。

2.2.3 工程林的年固碳量 1999—2050年間，各地區(qū)退耕還林工程年固碳量與生物固碳量變化基本一致，表現(xiàn)為拋物線趨勢，年固碳量在2011達到最高峰，其工程林的年固碳量最大值為59.97 Tg/a。由于各地區(qū)退耕還林工程開始的時間和造林樹種不同，使得各地區(qū)工程林的年固碳量達到最高峰的時間不一致，但總體介于生物量年固碳和土壤年固碳峰值之間。其中，東北和中南在2012年達到最高峰，華東地區(qū)在2011年達到最高峰，華北和西北地區(qū)在2010年達到最高峰，西南地區(qū)在2009年達到最高峰(圖3)。

圖3 中國及其各地區(qū)退耕還林工程年固碳量

在退耕還林工程實施期間，全國的工程林年平均固碳量為29.66 Tg/a。中南地區(qū)工程林的年平均固碳量最大，為7.74 Tg/a，主要是由于該區(qū)林木生物質碳庫的固碳量較大。東北地區(qū)最小，工程林年平均固碳量僅為2.34 Tg/a。與林木和土壤年均固碳量變化規(guī)律一致，全國各地區(qū)工程林年平均固碳量在工程實施后期均顯著高于前期(表4)。

2.3 退耕還林工程的固碳潛力

2.3.1 植被碳庫的固碳潛力 自2010—2050年，林木的固碳潛力不斷增加(圖4)。在2020年、2030年、2040年和2050年，其固碳潛力分別為397.34，604.00，725.53，808.90 Tg，占同期工程林固碳增匯潛力的比例分別為75.79%，71.26%，68.19%和65.55%，表明隨著植被的恢復，林木的固碳增匯潛力占生態(tài)系統(tǒng)總碳匯的比例不斷減小。在6個地區(qū)中，林木固碳潛力均不斷增加。到2050年，東北、華北、華東、中南、西南和西北地區(qū)林木固碳潛力占全國的比例分別為8.92%，20.06%，5.90%，28.18%，18.02%和18.91%，與各地區(qū)的退耕還林樹種有關。

2.3.2 土壤碳庫的固碳潛力 全國在2020年、2030年、2040年、2050年的土壤固碳潛力分別為126.93，243.54，338.48，425.14 Tg，占同期工程林固碳潛力的比例分別為24.21%，28.74%，31.81%和34.45%。隨著植被的恢復，土壤的固碳增匯潛力占生態(tài)系統(tǒng)總碳匯的比例不斷增加。到2050年，東北、華北、華東、中南、西南和西北地區(qū)土壤固碳潛力占全國的比例分別為7.76%，23.21%，4.83%，17.76%，19.73%和26.72%，與各地區(qū)退耕還林工程的覆蓋面積有關。

2.3.3 工程林的固碳潛力 在2020年、2030年、2040年、2050年，中國退耕還林工程的固碳增匯潛力分別為524.28，847.54，1 064.01，1 234.04 Tg。對應年份土壤固碳潛力占植被的比例分別為31.95%，40.32%，46.65%，52.56%，表明土壤的固碳效益越來越明顯。在6個地區(qū)中，工程林的固碳增匯潛力均不斷增加。到2050年，東北、華北、華東、中南、西南和西北地區(qū)工程林固碳潛力占全國的比例分別為8.52%，21.15%，5.53%，24.59%，18.61%和21.60%。中南地區(qū)雖然造林面積不是最大，但是工程林的固碳潛力最大，這主要與造林樹種的選擇有關。6個地區(qū)退耕還林工程林木的固碳潛力均大于土壤的固碳潛力(圖4)。

注：林木對應植被碳庫，土壤對應土壤碳庫，工程林對應植被和土壤固碳潛力之和。

3 討 論

3.1 退耕還林工程對中國碳匯的貢獻

本研究對中國退耕還林工程固碳量進行了估算，結果表明，退耕還林工程完成時(2010年)，該工程的總固碳量為355.87 Tg，平均每年固碳量為29.66 Tg，其總固碳量可抵消同期中國碳總排放量的16.18%。到2050年，退耕還林工程的總固碳量為1 589.91 Tg，其固碳量可抵消同期中國碳總排放量的48.18%～66.25%(按2050年的2 400～3 300 Tg計算)或66.80%(按照Ding等在設定2050年前將大氣CO濃度控制在470 mg/L的目標下，估算得出中國在2050年的碳總排放量為2 380 Tg)。表明我國的退耕還林工程具有很大的固碳效益，退耕還林工程對國家碳中和戰(zhàn)略實現(xiàn)具有重要貢獻。然而，從退耕還林工程年固碳量變化曲線(圖3)可以看出，退耕還林固碳能力并不是持續(xù)增加的，其固碳高峰通常出現(xiàn)在林木種植10～20年。林木種植20～30年以后，工程林年固碳量在較低水平趨于平穩(wěn)。因此，從提高退耕還林工程林固碳潛力考慮，建議在人工林生長20～30年后有計劃地進行采伐更新，不僅能夠提高用材收益，同時也能維持較高的固碳效益。

3.2 植被碳庫的估算精度問題

本研究中植被碳庫的估算精度主要取決于樹木異速生長方程及相關參數(shù)取值的準確性。本文收集整理了中國主要人工林樹種的蓄積量(生物量)生長方程，分別用于估算對應退耕還林樹種的生物量，從而最大化地提高退耕還林植被碳庫的計算精度。然而，由于現(xiàn)有人工林樹種異速生長方程不能覆蓋退耕還林的所有人工林樹種，除少數(shù)樹種外，大部分樹種采用同一類型樹種多個生長曲線混合替代的辦法，如針葉類樹種用多個針葉樹種混合生長曲線替代，硬闊葉類樹種用多種闊葉樹種混合生長曲線替代。雖然這種替代會高估一些慢速生長樹種的生物量固碳，但也低估一些快速生長樹種的生物量碳，二者相互抵消后可在一定程度上降低生物量碳估算的誤差。除了樹木異速生長方程的準確性以外，對不同樹種木材密度、生物量擴展因子和含碳量的取值也會對林木生物量碳的估算精度產生一定影響?？傮w來看，本研究結果能夠較為準確地反映國家尺度上退耕還林工程林的植被固碳能力。然而，由于不同區(qū)域造林樹種選擇的差異，這種估算方法在評估區(qū)域和局部尺度林木生長碳匯時可能產生較大的不確定性。因此，為了更加精確評估退耕還林工程林木的固碳效益，未來需要針對不同區(qū)域、不同退耕還林樹種構建異速生長方程，獲取木材密度、生物量擴展因子、含碳量等相關參數(shù)值，從而提高模型預測精度，降低植被碳庫評估的不確定性。

此外，木質殘體(包括死立木、枯倒木、枯落枝)和凋落物層也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，對森林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)也有較大影響。據(jù)估算，我國森林的死亡生物質碳庫約為(925±54)Tg，占森林總碳庫的4.6%，其中木質殘體碳庫為(429±30)Tg，凋落物碳庫為(496±24)Tg。雖然死亡生物質碳庫在森林總碳庫的占比較小，但隨著退耕還林工程林的成熟、衰老，死亡生物質殘體在生態(tài)系統(tǒng)碳庫的比重也會不斷增加。歐美成熟森林的死亡生物質殘體碳庫可占生態(tài)系統(tǒng)總碳庫的9.1%～11.8%。由于缺乏足夠數(shù)量代表性樣地的可靠數(shù)據(jù)，本研究并未將死亡生物質的碳儲量納入退耕還林工程林固碳能力與潛力評估。未來需要加強對我國不同森林類型枯落物層及木質殘體碳庫的調查研究，有助于進一步提高退耕還林工程植被碳庫評估的精度。

3.3 土壤碳庫的估算精度問題

本研究中，退耕還林以后土壤有機碳的變化采用Zhang等的基于土地利用變化前有機碳儲量、樣地年限、年降水量、年均溫度等參數(shù)來估算的中國退耕還林后土壤有機碳變化速率。然而，由于研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源、土層深度、計算方法等的差異，不同學者對退耕還林后土壤固碳速率的估算結果并不一致，如Deng等基于全國181個退耕還林工程樣地的實測數(shù)據(jù)計算得到退耕還林0～5，6～10，11～30，31～40和>40年間0—20 cm土壤有機碳變化速率分別為-0.93，0.89，1.30，0.05，0.13 Mg/(hm·a)，其土壤固碳速率在造林前5年和30年后明顯低于Zhang等的研究結果，但在造林6～30年期間高于Zhang等的研究結果。盡管上述研究在土壤固碳速率絕對數(shù)值上存在一定差異，但其對造林后土壤有機碳的時間趨勢預測基本一致，即退耕還林初期土壤有機碳含量發(fā)生下降，隨著植被恢復而逐年增加。從整體上看，不論使用Deng等或Zhang等的研究結果，對國家尺度上退耕還林工程土壤碳庫估算結果均具有較高的可信度。此外，本研究只考慮土壤表層0—20 cm的有機碳，而下層土壤同樣具有很大的碳庫儲量。退耕還林后0—20 cm土層固碳量約占0—100 cm土壤固碳量的40%。若考慮0—100 cm土層，我國退耕還林工程2010年總固碳量將達到682 Tg，到2050年，退耕還林工程的總固碳量為4 115 Tg。然而，我國區(qū)域遼闊，地貌類型多樣，不同地區(qū)土層厚度差異很大，如我國西北黃土高原地區(qū)土層平均厚度約50～100 m，而南方喀斯特地區(qū)一些地方土層厚度不到0.5 m。因此，未來在評估不同區(qū)域退耕還林工程土壤固碳能力時，需要考慮不同區(qū)域土層厚度，從而提高土壤固碳潛力的估算精度。

4 結論與展望

截至2010年，中國退耕還林工程總固碳量為355.87 Tg，其中林木固碳量為320.29 Tg，土壤固碳量為35.58 Tg，工程林年均固碳量為29.66 Tg。預計到2050年，退耕還林工程的固碳潛力為1 234.04 Tg。退耕還林工程后期年均固碳量大于前期年均固碳量，工程林年均固碳量在2011年達到最高峰。由于各地區(qū)退耕還林工程開始的時間不同，造林樹種不同，使得各地區(qū)工程林的年固碳量達到最高峰的時間不一致。造林時優(yōu)先選擇固碳功能較大的樹種可以獲得較大的固碳效益。隨著植被的恢復，土壤的固碳效益越來越明顯，其固碳增匯潛力占生態(tài)系統(tǒng)總碳匯的比例不斷增加，到2050年，中國退耕還林工程土壤的固碳增匯潛力占林木的52.56%。綜上，我國的退耕還林工程具有較大的固碳潛力。

盡管本研究在評估全國尺度退耕還林固碳總效益的同時，也對我國東北、華北、華東、中南、西南、西北6個大區(qū)進行了不同區(qū)域退耕還林工程固碳速率與潛力分析，從而為國家尺度生態(tài)建設與碳匯管理提高科學參考。然而，從政府精細化管理層面來看，未來研究仍需要加強對全國各省、市、縣域的退耕還林固碳現(xiàn)狀、速率與潛力的調查研究，從而為不同省、市、縣區(qū)域的碳中和管理和植被建設提供科學數(shù)據(jù)，為政府決策提供科技支撐。另外，從科學研究層面來看，相同生態(tài)地理區(qū)和生態(tài)功能區(qū)具有相似的氣候、土壤和植被類型，即相似的植被、土壤固碳能力。因此，針對不同生態(tài)地理區(qū)和生態(tài)功能區(qū)退耕還林工程固碳速率與碳匯潛力的研究，更有利于理解不同生態(tài)區(qū)植被和土壤固碳過程、潛力及其驅動機制，從而科學制定和調整區(qū)域植被建設方案。