中國主要樹種人工喬木林碳儲量測算及固碳潛力分析

王大衛(wèi)，沈文星

(南京林業(yè)大學經濟管理學院，江蘇 南京 210037)

碳達峰、碳中和是目前全球范圍關注的熱點問題，實現碳中和的有效手段之一是增強生態(tài)系統碳匯能力。森林生態(tài)系統是陸地生態(tài)系統的主體，其生物生產力和生物多樣性維護著區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡，同時在調節(jié)全球碳平衡、減緩溫室效應等方面發(fā)揮著關鍵作用[1]。全球森林生態(tài)系統是一個巨大的碳庫，對森林生態(tài)系統碳儲量、碳密度以及碳匯潛力的研究與準確估算是人們關注的焦點[2-3]。

我國森林面積不斷增長，在減緩世界森林面積下降趨勢的同時，也在不斷增加森林碳吸收量。我國森林面積增加與大力發(fā)展人工林有著密切關系，人工林在恢復和重建森林生態(tài)系統、改善生態(tài)環(huán)境方面具有重要作用。2021年，我國的人工造林面積占全球的73%[4-5]。有研究表明，中國森林碳匯主要來自人工林的貢獻，且隨著時間的變化，人工幼齡林和中齡林的碳儲量和碳密度有進一步提升的趨勢，將發(fā)揮越來越大的固碳能力，碳匯功能也將進一步增強[6]。因此，加強對我國主要造林樹種碳匯機理及其動態(tài)的研究，準確評估我國人工林的碳吸收量和吸收潛力，對全面了解我國森林碳匯潛力，促進碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標實現有一定的現實意義。

1 材料與方法

1.1 數據來源及主要人工林面積和蓄積現狀

本研究數據來自《國家林業(yè)局第八次全國森林資源清查報告(2014)》與《國家林業(yè)和草原局第九次全國森林資源清查報告(2018)》[7-8]，本研究將不包括我國港澳臺地區(qū)的31個省市區(qū)劃分為七大區(qū)域，統計天然林、人工林和按齡組結構[幼齡林(young forest)、中齡林(middle-aged forest)、近熟林(near mature forest)、成熟林(mature forest)和過熟林(over-matured forest)]劃分的喬木林面積和蓄積數據。

依據《國家林業(yè)和草原局第九次全國森林資源清查報告(2018)》，按照《國家森林資源連續(xù)清查技術規(guī)定》對樹種(組)的劃分方式確定主要優(yōu)勢樹種(組)天然和人工林，并按齡組劃分的面積和蓄積數據確定本次估算對象。按照資源清查結果，我國人工喬木林面積排名前6位的優(yōu)勢樹種(組)分別是杉木(Cunninghamialanceolata)、楊樹(Populusspp.)、桉樹(Eucalyptusspp.)、落葉松(Larixspp.)、馬尾松(Pinusmassoniana)和油松(Pinustabuliformis)。本研究針對這6種人工喬木林樹種進行分析，并估算我國6種主要造林樹種的人工林碳儲量和碳密度，分析不同造林樹種和林齡結構下的碳儲量與碳密度差異。根據第8次和第9次森林資源清查結果，我國主要人工喬木林總面積、蓄積量及變化情況統計見表1、表2。

表1 我國主要喬木人工林各齡組結構面積和蓄積統計

表2 我國主要人工喬木林樹種面積和蓄積統計

1.2 森林碳儲量和碳密度估算模型與參數確定

聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)以森林蓄積、木材密度、生物量換算因子和根莖比等為參數，建立材積源-生物量模型，指導各國開展生物量估算[9]。碳密度基本公式為：

Cd=V·WD·BEF·(1+RSR)·CF。

(1)

式中：Cd為森林生物量碳密度，Mg /hm2；V為森林單位面積蓄積，m3/hm2；WD是將樹干蓄積轉化為生物量的基本木材密度，Mg/m3；BEF是將樹干生物量轉化為地上生物量的擴展因子(無量綱)；RSR是林木地下生物量與地上生物量的比值；CF是林木生物量中有機碳占有機質總量的比值，也叫含碳率。

森林碳儲量基本公式為：

(2)

式中：Ci,j為某一地區(qū)森林碳儲量，Mg；Ai,j為某一優(yōu)勢樹種(組)的面積，hm2；n為優(yōu)勢樹種(組)的類型，m為優(yōu)勢樹種(組)的齡組。

本研究主要喬木林樹種碳儲量估算參數來源于對現有文獻資料的整理分析，具體參見《2005年中國溫室氣體清單研究》[10]。估算個別樹種或個別齡級缺少參數時，使用了該樹種各齡級的平均參數(表3)。

表3 我國6種主要人工喬木林碳儲量估算參數

1.3 森林碳匯潛力值評估方法與參數擬合

森林碳匯潛力值評估主要采用IPCC材積源-生物量法(volume-biomass methods)，結合各優(yōu)勢樹種不同齡級的面積數據，推算若干年后各優(yōu)勢樹種不同齡級的蓄積量，以此估算我國現有喬木林未來各個階段的碳儲量[9]，其基本公式為：

V=a/(1+b×e-ct)。

(3)

式中:V為某一森林類型的某個林齡組的單位面積蓄積，m3/hm2；t為某一森林類型的某個林齡組的平均林齡，a；a、b、c為該森林類型單位面積蓄積與林齡Logistic方程的常數，造林當年的蓄積量假設為零。

按照森林資源清查對不同優(yōu)勢樹種(組)林齡等級的劃分標準和更新周期，用林齡段的中間值來表示該齡組的平均林齡，利用Logistic生長方程[9]擬合各優(yōu)勢樹種(組)單位面積蓄積量與平均林齡的相關關系(表4)。

表4 主要優(yōu)勢樹種人工喬木林(組)單位面積蓄積-林齡 Logistic 擬合方程

1.4 森林碳匯潛力值評估方法和預測年限確定

計算未來碳儲量潛力時，各優(yōu)勢樹種的齡級會隨著時間向高齡級推移，碳儲量和碳密度會進一步增長，需要得到未來某一年(t)各優(yōu)勢樹種不同齡級的面積和蓄積數據。按照森林資源清查對不同優(yōu)勢樹種(組)林齡等級的劃分標準和更新周期，用林齡段的中間值來表示該齡組的平均林齡，利用Logistic生長方程來擬合各優(yōu)勢樹種(組)的單位面積蓄積量與平均林齡的相關關系，即：

(4)

Ai,t+5=Ai,t-Ai,j,t+Ai-1,k,t。

(5)

式中：Ai,t為基準年第t年(設為2015年)第i齡組的面積，hm2；Ai,j,t為第t年第i齡組細分的第j齡級的面積，hm2。5年后，第i齡組有Ai,j,t的面積進入到第i+1齡組，而第i-1齡組又有Ai-1,k,t的面積進入到第i齡組，因此，Ai,t+5為第t+5年第i齡組的面積，hm2；Ai-1,k,t為第t年第i-1齡組細分的第k齡級的面積，hm2。

對各優(yōu)勢樹種的各個齡組(i)，按每5 a平均劃分成n個小齡級，則各小齡級面積 為Ai/n，計算得到目標年(t)時各優(yōu)勢樹種各個齡組的面積。再用各個優(yōu)勢樹種擬合的Logistic生長方程計算出目標年各造林數據不同齡級的蓄積數據，同樣采用IPCC材積源-生物量法計算進一步估計未來各時段各優(yōu)勢樹種(組)的生物量碳儲量和碳密度[7]。并采用IBM SPSS 19.0進行非線性回歸擬合分析各優(yōu)勢樹種單位面積蓄積量與林齡的關系并作圖。

據國家發(fā)展和改革委員會應對氣候變化司研究，中國CO2排放量可能會在2020—2035年間達到峰值[10]。與此同時，我國計劃將森林覆蓋率從2018年的23%提高至2035年的25%，森林蓄積量從2018年的176億m3提高至2030年的210億m3，累計新增吸收CO2量約20億t碳當量，屆時中國將是世界最大的碳匯之國和固碳之國[11-12]。為實現這一目標，需要提供評估森林碳匯的固碳增值能力，從而預測碳達峰時的準確情景，因此，本研究設定預測年限至2035年。

2 結果與分析

2009—2018年間的兩次資源清查結果(表1)相比，我國人工林面積和蓄積量分別增長了2 402 萬hm2和156 308 萬m3；幼齡林的面積最大(占39.6%)，其次是中齡林(占32.2%)。6種主要優(yōu)勢樹種的總面積增加了66萬hm2，其中桉樹喬木林面積增加最多為101萬hm2，而楊樹和馬尾松的面積則分別下降了97萬hm2和54萬hm2(表2)。但總蓄積量增加了約32 277億m3，各優(yōu)勢樹種蓄積量均增加。統計區(qū)域6個主要優(yōu)勢樹種人工林單位面積蓄積-林齡擬合曲線見圖1。

圖1 我國主要優(yōu)勢樹種人工林單位面積蓄積-林齡擬合曲線Fig.1 Fitting curve of volumn per unit area-age of plantation of main dominant tree species in China

2.1 6種主要人工喬木林碳密度和碳儲量

碳密度變化是造成主要造林樹種人工林碳儲量差異的原因之一。我國兩次森林資源清查結果相比，各造林樹種中落葉松林的碳密度增幅最大，平均增加了7.81 Mg/hm2；盡管杉木林面積由895萬hm2增加至990萬hm2，但由于其單位面積蓄積增長較低(僅增長9.2%)，因此，其平均碳密度由38.76 Mg/hm2減少至30.96 Mg/hm2，是6種喬木林樹種碳密度唯一呈現下降的數據。6種主要樹種喬木林平均碳密度和碳儲量估算結果見表5。

表5 我國 6種主要樹種人工喬木林不同齡級碳密度和碳儲量

第9次資源清查結束時，6種主要喬木林樹種的成熟林碳密度分別是幼齡林和中齡林的3.3倍和1.1倍，這也表明隨著人工林幼齡林和中齡林的生長，未來人工林碳密度和碳儲量還有非常大的增長空間。假定這6種主要樹種的幼齡林、中齡林和近熟林未來都能轉變?yōu)槌墒炝智颐娣e保持不變，按2014—2018年的平均碳密度計算，未來碳儲量在理論上還有顯著的增長空間。但事實上成熟林也會變?yōu)檫^熟林，其碳密度會明顯降低，而對成、過熟林的采伐更新，又會使其轉變?yōu)榱铸g更低的齡組。因此，未來這6種主要樹種人工林的碳儲量增長幅度取決于未來各齡組的面積占比，中、幼齡林面積占比越低，總的碳儲量也越大。

6種主要樹種喬木林碳儲量差異主要取決于其面積的大小。由于各造林樹種的林分面積、單位面積蓄積、齡組結構等的不同，其碳儲量必然存在差異。2014—2018年，6種主要造林樹種中，杉木林的碳儲量最高(236.81 Tg)，楊樹林次之(179.03 Tg)，油松林最低(13.09 Tg)。6種主要造林樹種的人工林碳儲量均有顯著的增加，其中以楊樹人工林和杉木人工林的增量較大，年增加量分別為14.31和8.60 Tg。

2.2 主要樹種人工喬木林各齡組碳儲量和碳密度比較

研究表明，兩次森林資源清查期間，主要樹種喬木林總碳儲量增加了498.81 Tg，年均增加量99.76 Tg(表6)。其中，幼齡林和中齡林的面積增長幅度最大，分別增長了33.9%和83.1%(表1)?？偺济芏仍黾恿?2.58 Mg/hm2，其中中林齡增量最大為88.19 Mg/hm2，而過熟林增量最小，為23.84 Mg/hm2。至2018年，主要造林樹種的人工林各齡組碳儲量由小到大依次為：幼齡林(105.15 Tg)<中齡林(292.34 Tg)<近熟林(359.75 Tg)<成熟林(426.43 Tg)<過熟林(439.19 Tg),分別占6種優(yōu)勢樹種總碳儲量(1 622.86 Tg)的6.47%、18.02%、22.17%、26.28%、27.07%。人工林各齡組2018年碳密度由小到大依次為：成熟林(59.17 Mg/hm2)<幼齡林(169.12 Mg/hm2)<成熟林(178.13 Mg/hm2)<近熟林(190.38 Mg/hm2)<中林齡(348.09 Mg/hm2)。由此可見，隨著樹齡的不斷增加及林分成熟，碳儲量呈現出線性正向增加的趨勢，而碳密度因受蓄積量與面積比的影響，則未呈現出線性增加的趨勢。

表6 我國主要樹種人工喬木碳儲量和碳密度

2.3 我國主要人工喬木林碳匯潛力

根據我國現有人工喬木林碳匯潛力預測結果(表7)可知，至2020年我國人工喬木林碳儲量和碳密度分別為1 189.56 Tg和25.31 Mg/hm2，與2015年相比分別增加了33.72%和33.92%；至2035年人工喬木林碳儲量和平均碳密度將分別達到1 716.27 Tg和36.51 Mg/hm2，與2015年相比分別增加了92.92%和93.17%。隨著我國人工喬木林單位面積蓄積量的增長，以及新造喬木林的增加，人工喬木林的碳儲量和碳密度也會顯著增加。

表7 我國人工喬木林碳匯潛力

根據各人工喬木林優(yōu)勢種的擬合方程進一步分析我國現有人工喬木林未來碳儲量可知，2015—2035年，我國人工喬木林主要優(yōu)勢樹種碳儲量和碳密度均呈現出隨著年份增加而不斷增長的趨勢。2015年我國天然喬木林碳儲量占總碳儲量85.50%，而人工喬木林碳儲量僅占總碳儲量的14.50%[8]。隨著新造林的增加以及森林單位面積蓄積量的增長，人工喬木林碳儲量的比例也在不斷增長。2015年，全國林地森林蓄積中，天然林蓄積量為136.717億m3，占比約80.14%;人工林33.876億m3，占比約19.86%[8]。與第8次清查結果相比，全國林地森林蓄積中，天然林比例下降了近2個百分點，而人工林上升了2個多百分點。以第9次清查的蓄積量變化規(guī)律推算，至2035年，我國人工喬木林碳儲量占比增至20%左右，而天然林占比約為80%。在各個時期，天然喬木林的碳密度都遠高于人工林和新造林碳密度，而人工喬木林和新造林的碳密度增長幅度大于天然林。新造林由于大多數樹種還沒有到成熟期，所以其碳密度較小，到2035年，碳密度僅為36.51 Mg/hm2?？梢婋S著時間的推移，我國人工喬木林和新造林的碳儲量還有很大的增長空間。

按照本研究中各省(市、區(qū))無林地面積占全國總面積的比重，2035年各省(市、區(qū))新造林樹種造林面積按現有優(yōu)勢樹種占該省(市、區(qū))喬木林面積比率來確定，各省份均在2035年前完成全部造林，且2015—2035年間每年的新造林面積相同。將現有森林和新造林的各個階段碳儲量累加，則2035年中國喬木林單位蓄積面積比、碳儲量及碳密度變化的測算結果見表8。

由表8可知，造林面積增加是人工林總碳儲量增加的重要原因之一。我國人工喬木林碳儲量較大的幾個省(市、區(qū))分別是西藏、云南、黑龍江、四川、內蒙古和吉林，均占全國的5%以上，6個省區(qū)人工喬木林碳儲量合計占全國的65.47%，高于他所有省份的合計量。我國人工喬木林碳儲量較小的幾個省(市、區(qū))分別是天津、上海、江蘇、寧夏、北京、山東和海南，它們的喬木林碳儲量均不到全國的1%。

人工喬木林碳密度較大的幾個省(區(qū))分別是西藏、新疆、吉林、四川、云南和青海，它們的碳密度均大于39 Mg/hm2,高于全國平均水平。其中，西藏是我國人工喬木林碳密度最大的省份，為104.6 Mg/hm2,是全國平均水平的2.81倍。人工喬木林碳密度較小的幾個省(市、區(qū))是天津、上海、江蘇、北京和寧夏，它們的平均人工喬木林碳密度都不足20 Mg/hm2，小于全國的平均水平37.28 Mg/hm2。

表8 2035年我國29個省(市、區(qū))人工喬木林碳儲量及其碳密度

由此可知，我國西南地區(qū)如西藏及四川等地人工喬木林的碳儲量和碳密度均呈現出高于我國平均以及其他地區(qū)的水平，因此，及時增加西南地區(qū)人工林可造林地的面積，可能成為我國今后人工喬木林種植策略的重要目標。而天津、上海、江蘇、北京及寧夏等地的碳儲量和碳密度均小于全國平均水平，且占比較低，因此，應考慮減少以上地區(qū)人工喬木林的用地面積[16]。

3 討 論

3.1 中國碳儲量顯著增長

中國6種主要人工林的總碳儲量為1 622.86 Tg,相比2009—2013年有顯著增長。人工林碳儲量的增長主要取決于面積和單位面積蓄積量的增加，且與造林樹種、林齡結構密切相關。兩次清查時期內，除馬尾松外的其他5種造林樹種的人工林面積均有所增加，因此，固碳增值能力不斷增長，多數造林樹種各齡組的碳儲量均有所增加，其中桉樹各齡組的碳儲量增幅最大。其次，除油松外，其余所有造林樹種的中齡林碳儲量最大，近熟林和成熟林的碳儲量也比較大，而幼齡林和過熟林的碳儲量較小，說明我國主要人工林中林齡、近熟林和成熟林對其碳儲量起主要作用。這可能由于過熟林受到人為干擾(如采伐)或自然干擾(如森林病蟲害、森林火災等)的影響較大。

3.2 中國主要人工林碳密度增幅不同

我國6種主要人工林的平均碳密度為31.50 Mg/hm2，平均碳密度增加了8.76 Mg/hm2(表6)，且各林齡樹種的增幅各不相同。但過熟林的平均碳密度小于成熟林,這與過熟林的單位面積蓄積較小有關。過熟林的面積減小致使單位面積蓄積量和碳密度都有所降低。而杉木、桉樹等人工林進入成熟林、過熟林后，碳密度仍在持續(xù)增加，依然具有較強的固碳能力。

總體來說，目前我國人工林普遍存在樹種組成單一、單位面積蓄積量較低以及齡組結構不合理等一系列問題。與此同時，我國人工林的碳密度增加的潛力巨大，如何估算碳匯增加的潛力以及如何根據碳匯潛力的變化調整森林經營管理措施都是未來應該思考和解決的問題。隨著我國幼、中齡人工林發(fā)展成為近、成、過熟林，需針對不同的造林樹種類型，控制其成、過熟林的面積比例，促進各齡組碳密度的增長，森林碳儲量也將進一步增加[13-14]。

3.3 合理調整人工喬木林林齡和林種結構

總體看，合理調整人工喬木林的林齡和林種結構，可以實現森林可持續(xù)經營，提高森林生態(tài)系統碳匯對碳中和、碳達峰的貢獻。隨著時間的推移，森林單位面積蓄積的增長，人工喬木林碳儲量的比例也在不斷增長。在各個時期，天然喬木林的碳儲量都遠高于人工林和新造林碳儲量[17]，而人工喬木林的碳儲量增長幅度大于天然林。據國家林業(yè)和草原局公報顯示[7-8]，2021年，我國森林蓄積量約為175.695億m3，其中天然林蓄積量141.086億m3、人工林蓄積量34.521億m3，總碳儲量為918.6 Tg，本研究的研究結果與該公報數據相似。森林植被碳儲量的增長主要取決于森林面積和單位面積蓄積量的增加，且與造林樹種、林齡結構密切相關。人工喬木林各齡級(組)的碳儲量分布比較均勻，成熟林和過熟林的碳儲量暫且較高[18]。因此，保護現有人工喬木林的成熟林特別是過熟林將會獲得很大的碳吸收效益[17]。同時應通過造林和再造林，恢復退化的人工林，加強對人工林中幼林撫育管理等措施，使得人工林齡級結構和質量得以提高，由此多方面提升森林植被的固碳潛力。與此同時，隨著我國幼、中齡人工林發(fā)展成為近、成、過熟林，還需針對不同的優(yōu)勢樹種，控制其成、過熟林的面積比例，促進各齡組碳密度的增長，森林碳儲量也將進一步增加[19]。人工林優(yōu)勢樹種的組成、年齡和空間結構的優(yōu)化完善，能顯著提高林地生產力和林木生長量，促進林木生長發(fā)育，豐富森林生物多樣性，培育健康穩(wěn)定、優(yōu)質高效的森林生態(tài)系統[20]。

3.4 實現森林可持續(xù)經營，提高森林碳匯對碳中和的貢獻

對人工林可通過擴大造林面積和可持續(xù)經營增加植被碳儲量，并相應增加土壤碳儲量，同時加強森林可持續(xù)經營。森林可持續(xù)經營已經成為全球氣候變化公約框架下固碳減排應對氣候變化的重要措施，提高人工林生態(tài)系統的碳儲量、碳匯潛力已經納入人工林的經營管理范疇[21-22]。與此同時，在實現碳達峰、碳中和過程中，除了大力推動經濟結構、能源結構、產業(yè)結構轉型升級，還應進一步加強以完善森林生態(tài)系統結構與功能為主線的生態(tài)系統修復和保護措施。通過完善森林經營方式，加強對疏林地和未成林造林地的管理，使其快速地達到森林認定標準(郁閉度大于0.2)[23-24]，增強以森林生態(tài)系統為主體的森林全口徑碳匯功能，加強綠色減排能力，提升林業(yè)在碳達峰與碳中和過程中的貢獻，打造具有中國特色的碳中和之路[25-26]。