林業(yè)活動(dòng)對(duì)區(qū)域森林生物量碳源匯格局的影響
——以南平市為例

郭學(xué)媛,朱建華,2,3,*,劉華妍,田惠玲,李春蕾,2,3,劉常富,2,3,肖文發(fā),2,3

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 國(guó)家林業(yè)和草原局長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)保護(hù)科技協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100091 3 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

20世紀(jì)以來,全球都在致力于研究如何穩(wěn)定并降低大氣CO2濃度[1],減緩氣候變化及其影響。其中,基于自然的解決方案(Nature-based Solutions,NbS)得到了各國(guó)政府和專家學(xué)者廣泛支持[2]。通過基于自然的方式,保護(hù)、恢復(fù)和可持續(xù)利用自然生態(tài)系統(tǒng)功能,在增強(qiáng)生物多樣性保護(hù)的同時(shí),還能減少生物來源的溫室氣體排放以及增加陸地碳匯,有效地幫助人類提升減緩和適應(yīng)氣候變化的能力[3]。森林因其在調(diào)節(jié)氣候變化、降低大氣CO2濃度以及減緩溫室效應(yīng)等方面具有重要和不可替代的作用,且存在多種效益,是世界各國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的重要策略[4—5]。中國(guó)政府鄭重承諾力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和,并將穩(wěn)定森林生態(tài)系統(tǒng)固碳、提升森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯增量作為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”的重要舉措之一。

林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)對(duì)氣候變化的NbS解決路徑可以分為：造林再造林、減少毀林和森林退化、天然林管理、改善人工林經(jīng)營(yíng)、避免木質(zhì)薪材的使用、火控管理以及森林恢復(fù)[2]。雖然各國(guó)林業(yè)部門采取的森林管理方式各不相同,但總體思路和發(fā)展方向都是在不斷重視森林增匯的作用,強(qiáng)調(diào)人為活動(dòng)在維持森林固碳能力和提升森林碳匯功能方面的作用。研究表明人類活動(dòng)導(dǎo)致的不同程度森林退化面積占全球80%以上[6],但通過造林[7]、合理采伐[8]、對(duì)次生林和人工林采取合理的森林管理措施[9]等林業(yè)活動(dòng),可以有效增加森林碳儲(chǔ)量和碳匯潛力。以我國(guó)三北防護(hù)林工程為例,1978—2017年三北防護(hù)林工程40年累計(jì)完成造林面積4.61×107hm2,總固碳量為2.31Pg C,相當(dāng)于1980—2015年全國(guó)工業(yè)CO2排放總量的5.23%[10]。我國(guó)通過實(shí)施天然林保護(hù)工程,對(duì)林地加強(qiáng)撫育管理后,全國(guó)第6—9次森林資源清查期間天然林保護(hù)工程區(qū)碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)率分別為1.65%、1.96%和2.70%[11]。據(jù)IPCC估計(jì),避免毀林和森林退化的固碳潛力為0.4—5.8GtCO2/a[12]。Houghton等[13]研究表明,2000—2009年間全球由于土地利用和土地覆蓋變化導(dǎo)致每年向大氣凈排放約1.0Pg C/a。Boullhesen等[14]預(yù)測(cè)到2050年,全球土地利用變化將向大氣排放11Pg C—110Pg C。因此,避免毀林和森林退化,同時(shí)通過適宜的林業(yè)活動(dòng)對(duì)森林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)管理,可以顯著提升森林碳匯功能,增強(qiáng)森林減緩氣候變化的能力。

目前我國(guó)對(duì)于NbS林業(yè)活動(dòng)及其對(duì)森林碳源匯影響的相關(guān)研究還有所欠缺。已有的研究多集中于大規(guī)模林業(yè)生態(tài)工程對(duì)提升森林碳儲(chǔ)量的作用[15—17],或在林分尺度上解釋經(jīng)營(yíng)措施對(duì)碳庫變化的影響[18—20]。在對(duì)森林碳匯功能的評(píng)估方法上,大多數(shù)基于森林清查數(shù)據(jù)的研究均采用簡(jiǎn)單的“碳儲(chǔ)量變化法”,將一段時(shí)期內(nèi)森林碳儲(chǔ)量的年均變化量視作森林碳匯[21—24],而忽略了森林面積、森林空間變化及其影響因素(造林、森林恢復(fù)、毀林和森林退化等林業(yè)活動(dòng))。而實(shí)際上林業(yè)活動(dòng)會(huì)同時(shí)對(duì)森林的面積、空間分布以及森林碳密度等產(chǎn)生影響,從而改變區(qū)域森林的碳匯/碳源時(shí)空格局,這無法通過簡(jiǎn)單的碳儲(chǔ)量變化反映出來。因此,準(zhǔn)確評(píng)估森林的碳匯功能,必須要同時(shí)考慮林業(yè)活動(dòng)和土地利用變化的影響。從未來區(qū)域森林碳匯功能提升的角度,更需要通過空間布局和時(shí)間規(guī)劃來統(tǒng)籌安排林業(yè)活動(dòng),保持和提升森林碳匯的同時(shí)減少林業(yè)活動(dòng)的碳排放。

本文選擇我國(guó)亞熱帶地區(qū)主要林區(qū)之一、國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)福建省南平市為研究對(duì)象,基于土地利用變化特征,對(duì)比分析5種林業(yè)活動(dòng)路徑(森林經(jīng)營(yíng)、森林退化、毀林、人工造林、自然恢復(fù))對(duì)區(qū)域森林碳儲(chǔ)量與碳匯能力的影響,闡明區(qū)域森林碳匯、碳源空間格局和主導(dǎo)因素,為研究我國(guó)區(qū)域森林資源碳匯提升潛力和林業(yè)助力“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示,南平市地處福建省北部,武夷山脈北段南側(cè),介于北緯26°15′—28°19′,東經(jīng)117°00′—119°17′之間,海拔26—2154m,是中國(guó)南方主要林區(qū)和國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)之一,森林覆蓋率78.89%。但南平市森林質(zhì)量不高,平均每公頃蓄積量?jī)H71.63m3,而福建省森林覆蓋率66.80%,居全國(guó)森林覆蓋率首位,平均每公頃蓄積量117.39m3[25]。南平市主要植被類型有常綠闊葉林、針葉林、竹林和灌草叢等。南平市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,光照充足,溫暖濕潤(rùn)。年平均氣溫17—21℃,平均降雨量1400—2000mm,氣候條件優(yōu)越,熱量與水分比較協(xié)調(diào),季節(jié)變化明顯,在我國(guó)亞熱帶地區(qū)有較好的代表性。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括福建省南平市各區(qū)縣的2013年和2020年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(二調(diào))的矢量數(shù)據(jù),以及二類調(diào)查數(shù)據(jù)小班分布圖。全南平市共計(jì)720367個(gè)小班,小班最小面積為30m2,最大面積為141hm2,平均面積為1.45hm2。小班數(shù)據(jù)屬性主要包括：地理坐標(biāo)、地類、海拔、土壤類型、土壤厚度、優(yōu)勢(shì)樹種、起源、平均年齡、平均胸徑、平均樹高、活立木蓄積等。按照地類、起源、樹種、林齡等數(shù)據(jù)屬性劃分,分析2013年和2020年南平市各類林地面積、蓄積、碳儲(chǔ)量、碳密度、碳匯能力現(xiàn)狀及空間分布變化。

1.3 評(píng)估方法

基于南平市森林經(jīng)營(yíng)小班數(shù)據(jù),按照森林類型或優(yōu)勢(shì)樹種(組)的劃分,分別評(píng)估各個(gè)小班的碳儲(chǔ)量、碳密度與碳匯量。采用ArcGIS將小班空間數(shù)據(jù)屬性表依據(jù)地類屬性劃分,計(jì)算與統(tǒng)計(jì)過程均使用ArcGIS屬性表字段計(jì)算器與統(tǒng)計(jì)工具完成。統(tǒng)計(jì)圖表采用Origin進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖。所有地圖均采用ArcGIS進(jìn)行空間制圖。柵格數(shù)據(jù)制作均采用ArcGIS“要素轉(zhuǎn)柵格”工具完成,空間分辨率為100m。通過R語言應(yīng)用地理探測(cè)器“GD”包和ArcGIS,從空間異質(zhì)性角度探索分析森林生物質(zhì)碳密度的潛在影響因素或解釋變量[26],分析的影響因子包括：樹種、齡組、公頃蓄積、立地質(zhì)量等級(jí)等,并提供可視化的結(jié)果。

1.3.1 生物質(zhì)碳儲(chǔ)量估算

本文評(píng)估對(duì)象為“森林”,即符合國(guó)家森林定義的喬木林、竹林和國(guó)家有特別規(guī)定的灌木林,不包括疏林地、散生木和四旁樹等。森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量包括地上和地下生物量,以森林經(jīng)營(yíng)小班為單位,采用IPCC材積源—生物量法估算各個(gè)優(yōu)勢(shì)樹種(組)的碳密度和碳儲(chǔ)量[27—28]?；谥袊?guó)森林生態(tài)系統(tǒng)生物量數(shù)據(jù)集[29],構(gòu)建南平市各主要優(yōu)勢(shì)樹種的生物量-蓄積量擬合模型[30](公式1),用于估算喬木林生物量密度(公式2)和碳儲(chǔ)量(公式3)。

ln(dBi)=ln (ai)+bi×ln (dVi)

(1)

dCi=(dBi×λi)×CFi

(2)

Ci=dCi×Ai

(3)

式中,dBi為樹種i的生物質(zhì)密度(Mg C/hm2)；dVi為樹種i的每公頃蓄積量(m3/hm2)；a,b為方程參數(shù)；dCi為樹種i的生物質(zhì)碳密度(Mg C/hm2)；λi為樹種i的生物—蓄積量模型的校正系數(shù)；CFi為樹種i的生物質(zhì)含碳率；Ci為樹種i的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量(Mg C)；Ai為樹種i的面積(hm2)。

竹林、經(jīng)濟(jì)林和灌木林等森林類型,直接采用平均生物量密度和生物質(zhì)含碳率轉(zhuǎn)換成碳儲(chǔ)量(公式3)。其中,毛竹林平均生物量密度設(shè)為81.9Mg C/hm2,其他竹林平均生物量密度設(shè)為53.1Mg C/hm2,生物量含碳系數(shù)設(shè)為0.47[31]；灌木林生物量密度設(shè)為19.76Mg C/hm2,生物量含碳系數(shù)設(shè)為0.47[32]；經(jīng)濟(jì)類樹種采用軟闊類喬木林生物量含碳系數(shù)0.49,同時(shí)經(jīng)濟(jì)林生物量密度設(shè)為23.7Mg C/hm2[32]。各主要森林類型的相關(guān)參數(shù)詳見(表1)。

1.3.2 各類林業(yè)活動(dòng)引起的碳儲(chǔ)量變化

基于2013年和2020年南平市森林資源調(diào)查小班地類屬性,按照前后期小班地類的屬性變化,將南平市林業(yè)活動(dòng)路徑按照土地利用變化類型劃分為：

(1)森林經(jīng)營(yíng)：研究中將2013年—2020年間地類一直保持為“森林(喬木林、竹林和特殊灌木林)”的小班定義為森林經(jīng)營(yíng)。森林經(jīng)營(yíng)是對(duì)現(xiàn)有森林進(jìn)行科學(xué)培育以提高森林產(chǎn)量和質(zhì)量的生產(chǎn)活動(dòng)總稱。主要包括森林撫育、林木改造、采伐更新、護(hù)林防火及副產(chǎn)品利用等。

(2)毀林：關(guān)于毀林的定義多達(dá)90余種,約一半定義基于土地利用或土地利用結(jié)合土地覆蓋,即不但移去森林覆蓋,還要將土地從林業(yè)用途轉(zhuǎn)化為其它土地利用方式,本研究將2013年時(shí)小班地類為“森林”,2020年時(shí)小班地類轉(zhuǎn)化為“非林地”的經(jīng)營(yíng)小班定義為毀林[33]。

表1 南平市主要森林類型的生物量模型與碳計(jì)量因子

(3)森林退化：森林退化的定義是一個(gè)比較復(fù)雜而模糊的概念[34],聯(lián)合國(guó)生物多樣性保護(hù)公約(UNCBD)認(rèn)為森林退化是由人為活動(dòng)引起的原有天然林正常結(jié)構(gòu)功能衰退、物種組成和生產(chǎn)力降低,最終原有的天然林退化為次生林。本研究中的森林退化不區(qū)分人工林和天然林,將2013年時(shí)小班地類為“森林”,但2020年時(shí)小班地類轉(zhuǎn)化為低于森林閾值、不符合森林定義的“其它林地”定義為森林退化。

(4)自然恢復(fù)：將2013年時(shí)小班地類為“非林地”和“其它林地”,2020年時(shí)小班地類為“森林”且樹種起源為“天然林”的小班定義為自然恢復(fù)。

(5)人工造林：將2013年時(shí)小班地類為“非林地”和“其它林地”,2020年時(shí)小班地類為“森林”,且起源為人工林的森林經(jīng)營(yíng)小班定義為人工造林。

利用ArcGIS分析各柵格地類屬性變化,并匯總由于土地類型轉(zhuǎn)變引起的碳儲(chǔ)量變化。采用“庫差別法”分析各土地利用變化類型引起的年均碳儲(chǔ)量變化量,并將C轉(zhuǎn)換成CO2單位[35]。

(4)

(5)

式中,ΔCk為t1至t2時(shí)間段內(nèi)第k種活動(dòng)類型導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化(Mg CO2/a)；k為活動(dòng)(或土地利用變化)類型；t1和t2分別代表不同的時(shí)間(年)；44/12為CO2和C的分子量之比；Ck為第k種活動(dòng)對(duì)應(yīng)土地的碳儲(chǔ)量(Mg C)；ΔC為t1至t2時(shí)間段內(nèi)的年均凈碳匯量(Mg CO2/a)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)碳儲(chǔ)量變化

2013—2020年,南平市森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從80.84Tg C增加至89.87Tg C,年均增加1.29Tg C/a。其中喬木林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從65.32Tg C增加至74.51Tg C,竹林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量15.52Tg C減少至14.76Tg C,特殊灌木林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從0.00Tg C增加0.61Tg C(圖2)。2020年南平市不同優(yōu)勢(shì)樹種(組)中,硬闊類(28.01Tg C)、杉木(26.81Tg C)和馬尾松(18.67Tg C)的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量較高,而軟闊類(0.20Tg C)、其它針葉林(0.07Tg C)和桉樹(0.06Tg C)的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量較低(圖2)。2013—2020年間杉木林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)0.92Tg C/a,其次是硬闊類(0.40Tg C/a)和馬尾松(0.11Tg C/a),而軟闊類生物質(zhì)碳儲(chǔ)量則有所降低(-0.04Tg C/a)。2020年南平市喬木林不同齡組中,成熟林(26.79Tg C)、中齡林(16.24Tg C)和近熟林(11.47Tg C)生物質(zhì)碳儲(chǔ)量較高,而過熟林(14.85Tg C)和幼齡林(4.47Tg C)生物質(zhì)碳儲(chǔ)量較低。2013—2020年間南平市過熟林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)0.87Tg C/a,高于成熟林(0.35Tg C/a)、中齡林(0.69Tg C/a)、近熟林(-0.52Tg C/a)和幼齡林(-0.17Tg C/a)(圖2)。

圖2 2013—2020年南平市按森林類型、優(yōu)勢(shì)樹種及齡組劃分的森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量Fig.2 Forest biomass carbon stock (BCS) by forest type, dominant tree species and age group in Nanping from 2013 to 2020

2.2 生物質(zhì)碳密度變化

2013—2020年,南平市森林平均生物質(zhì)碳密度從41.28Mg C/hm2增加到43.3Mg C/hm2。其中,喬木林平均生物質(zhì)碳密度從42.25Mg C/hm2增加到47.39Mg C/hm2；竹林平均生物質(zhì)碳密度從0.04Mg C/hm2增加到33.86Mg C/hm2；特殊灌木林平均生物質(zhì)碳密度從0Mg C/hm2增加到9.08Mg C/hm2。2020年南平市硬闊類平均生物質(zhì)碳密度60.29Mg C/hm2、其次為軟闊類(54.43Mg C/hm2)、馬尾松(53.5Mg C/hm2)和桉樹(50.35Mg C/hm2),而杉木(39.86Mg C/hm2)、其它針葉林(37.08Mg C/hm2)的平均生物質(zhì)碳密度較低。從不同樹種(組)碳密度增量來看,2013—2020年間南平市桉樹平均生物質(zhì)碳密度增長(zhǎng)了2.46Mg C hm-2a-1,其次是馬尾松(1.02Mg C hm-2a-1)、杉木(0.48Mg C hm-2a-1)和硬闊類(0.27Mg C hm-2a-1),而其它針葉林(-0.4Mg C hm-2a-1)、軟闊類(-0.29Mg C hm-2a-1)生物質(zhì)碳密度出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。2020年南平市喬木林不同齡組的平均生物質(zhì)碳密度大小順序依次為過熟林(60.28Mg C/hm2)>成熟林(56.92Mg C/hm2)>近熟林(53.79Mg C/hm2)>中齡林(41.94Mg C/hm2)>幼齡林(25.46Mg C/hm2)。2013—2020年間,除過熟林(-0.19Mg C hm-2a-1)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)外,其它各齡組碳密度均有不同程度的提升：幼齡林(1.38Mg C hm-2a-1)、中齡林(0.53Mg C hm-2a-1)、近熟林(0.55Mg C hm-2a-1)、成熟林(0.29Mg C hm-2a-1)(圖3)。

圖3 2013—2020年南平市按優(yōu)勢(shì)樹種及齡組劃分的森林生物質(zhì)碳密度Fig.3 Forest biomass carbon density (BCD) by dominant tree species and age group in Nanping from 2013 to 2020

2.3 森林生物質(zhì)碳密度空間分布及影響因素

從空間分布看(圖4),南平市森林生物質(zhì)碳密度較高的區(qū)域主要分布在西北部武夷山市與光澤縣相鄰的區(qū)域,以及建甌市東南部地區(qū)；而碳密度較低的區(qū)域主要分布在各縣市相對(duì)中心區(qū)域,也是非林地的主要分布區(qū)。南平市森林生物質(zhì)碳密度主要由平均胸徑、公頃蓄積、齡組、平均樹高、林齡等林分因子決定,但也與海拔、土壤類型和立地條件等環(huán)境因子存在明顯的相關(guān)性(圖5)。如表2所示,南平市暗紅壤分布區(qū)的森林生物質(zhì)碳密度較高而在水稻土分布區(qū)的森林生物質(zhì)碳密度較低。南平市森林生物質(zhì)碳密度隨著海拔升高而明顯增加。不同立地質(zhì)量等級(jí)上的森林生物質(zhì)碳密度也有明顯差異,但并未表現(xiàn)出隨土壤質(zhì)量提高而增加的趨勢(shì),這或許與受到的人為管理活動(dòng)或自然干擾條件不同有關(guān)。

圖4 2013年和2020年南平市森林生物質(zhì)碳密度分布及變化Fig.4 Distribution of forest biomass carbon density in Nanping in 2013 and 2020

圖5 各類因子對(duì)南平市森林生物質(zhì)碳密度的影響Fig.5 Effects of various factors on the carbon density of forest biomass in Nanping

表2 2020南平市不同海拔、立地質(zhì)量等級(jí)和土壤類型條件下的森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量和平均生物質(zhì)碳密度

2.4 南平市林業(yè)活動(dòng)影響下的森林碳匯與碳源

南平市土地利用類型以喬木林、非林地和竹林地為主,特殊灌木林和其它林地的面積較少。2013—2020年間,南平市有0.84×106hm2的土地利用類型發(fā)生了變化,占全市土地面積的31.94%(圖6)。2013—2020年間,南平市一直保持為森林(即森林經(jīng)營(yíng))的面積合計(jì)1.61×106hm2；由于森林退化導(dǎo)致森林面積減少0.09×106hm2,毀林導(dǎo)致森林面積減少0.16×106hm2；通過自然恢復(fù)增加天然林面積0.21×106hm2,通過人工造林增加人工林面積0.26×106hm2(表3)。上述各類林業(yè)活動(dòng)在空間分布上并沒有明顯的聚集性特征,在全市范圍內(nèi)均有分布(圖6)。

2013—2020年間,南平市森林經(jīng)營(yíng)(一直保持為森林)使森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從67.91Tg C增加至70.42Tg C,生物質(zhì)碳密度從42.07Mg C/hm2增加至43.63Mg C/hm2,相當(dāng)于年均固碳0.36Tg C/a。同時(shí)期由于毀林導(dǎo)致森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量損失5.21Tg C,相當(dāng)于年均排放0.75Tg C/a；由于森林退化導(dǎo)致森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從3.02Tg C減少至0.07Tg C,生物質(zhì)碳密度從34.96Mg C/hm2降低至0.83Mg C/hm2,相當(dāng)于年均排放0.42Tg C/a。此外,同時(shí)期通過自然恢復(fù)新增天然林使土地轉(zhuǎn)化前的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從3.86Tg C增加至轉(zhuǎn)化后的9.78Tg C,生物質(zhì)碳密度從18.24Mg C/hm2增加至46.25Mg C/hm2,相當(dāng)于年均固碳0.85Tg C/a；通過人工造林使土地轉(zhuǎn)化前的生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從0.42Tg C增加至轉(zhuǎn)化后的7.75Tg C,生物質(zhì)碳密度從1.64Mg C/hm2增加至30.38Mg C/hm2,相當(dāng)于年固碳1.05Tg C/a(表3)。

圖6 2013—2020年南平市土地利用變化和林業(yè)活動(dòng)空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of land use change and forestry activities in Nanping between 2013 and 2020

表3 2013—2020年南平市主要林業(yè)活動(dòng)引起的碳儲(chǔ)量變化

圖7顯示了森林經(jīng)營(yíng)、毀林、森林退化、自然恢復(fù)和人工造林5種不同林業(yè)活動(dòng)所產(chǎn)生的森林碳源與碳匯的空間分布。在一直保持為森林(森林經(jīng)營(yíng))的區(qū)域內(nèi),既有碳匯也存在碳源,表現(xiàn)為生物質(zhì)碳密度的增加或減少。毀林和森林退化導(dǎo)致的碳源也在全市范圍內(nèi)均有分布,表現(xiàn)為生物質(zhì)碳密度的降低。而自然恢復(fù)和人工造林增加森林面積均為碳匯,表現(xiàn)為生物質(zhì)碳密度的增加,且在全市范圍內(nèi)均有分布。綜合而言,2013—2020年間南平市各類林業(yè)活動(dòng)中森林經(jīng)營(yíng)、自然恢復(fù)和人工造林導(dǎo)致森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量增加2.25Tg C/a,同時(shí)毀林和森林退化導(dǎo)致森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量減少1.17Tg C/a,森林碳儲(chǔ)量?jī)粼黾?.09Tg C/a,相當(dāng)于年碳匯量3.98Tg CO2/a。

圖7 2013—2020年間南平市不同林業(yè)活動(dòng)引起的森林碳源與碳匯Fig.7 Carbon source and carbon sink caused by forestry activities in Nanping during 2013—2020

3 討論

2013—2020年,南平市森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量從80.84Tg C增加至89.87Tg C,在不考慮林業(yè)活動(dòng)引起的森林面積變化的情況下,簡(jiǎn)單采用碳儲(chǔ)量變化法可以得到南平市森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量年均增長(zhǎng)1.29Tg C/a。但通過基于土地利用變化的林業(yè)活動(dòng)路徑分析,森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量?jī)粼黾?.09Tg C/a。由此可見,簡(jiǎn)單基于森林碳儲(chǔ)量年均變化量與基于土地利用變化的森林碳匯/碳源綜合評(píng)估結(jié)果存在較大的差異。我們認(rèn)為,對(duì)于土地利用變化較劇烈的區(qū)域,基于土地利用變化(或林業(yè)活動(dòng)路徑)的評(píng)估方法能更準(zhǔn)確地反映森林既可能是碳匯、又可能是碳源的特點(diǎn),同時(shí)更準(zhǔn)確地量化森林的碳匯功能。

2013—2020年間,南平市一直保持為森林的面積為1614.0×103hm2,占2020年全市森林面積的87.87%,但生物質(zhì)碳密度僅增加0.22Mg C hm-2a-1,生物質(zhì)碳儲(chǔ)量?jī)H增加0.34Tg C/a,僅為全市森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量年均凈增量的31.19%,對(duì)全市森林碳儲(chǔ)量增加的相對(duì)貢獻(xiàn)較小。而新造人工林面積為255.3×103hm2,生物質(zhì)碳密度年均增加了4.10Mg C hm-2a-1,生物質(zhì)碳儲(chǔ)量增加了1.05Tg C/a,對(duì)全市森林碳儲(chǔ)量增加的貢獻(xiàn)最大。我們的研究結(jié)果表明,喬木林平均林齡的增長(zhǎng)會(huì)積累大量的碳,但如果不主動(dòng)進(jìn)行采伐更新,隨著時(shí)間的推移,老化林分的平均固碳速率會(huì)明顯下降。因此,及時(shí)將成、過熟林和生長(zhǎng)緩慢的低質(zhì)低效林進(jìn)行更新改造為幼、中齡林,有助于促進(jìn)林分生長(zhǎng)[36],保持森林固碳速率的穩(wěn)定性和持久性。

2020年南平市森林覆蓋率78.89%,遠(yuǎn)高于2014—2018年間全國(guó)平均水平的22.96%,也高于福建省森林覆蓋率的66.80%[25]。但2020年全市單位森林蓄積量?jī)H為71.63m3/hm2,低于2014—2018年間全國(guó)平均水平(94.83m3/hm2)和福建省平均水平(117.39m3/hm2)[25]。研究表明,在變更森林結(jié)構(gòu),減少針葉林、發(fā)展闊葉林的森林經(jīng)營(yíng)策略下,浙江省森林平均生物質(zhì)碳密度年均增長(zhǎng)0.95Mg C hm-2a-1[37]。而南平市在森林經(jīng)營(yíng)的情況下,生物質(zhì)碳密度僅增加0.22Mg C hm-2a-1。南平市作為中國(guó)南方主要林區(qū)之一,森林單位面積蓄積還較低、林分質(zhì)量有待提高,亟需改善和提升森林經(jīng)營(yíng)水平,以提升森林生長(zhǎng)量和碳儲(chǔ)量。

2020年南平市成、過熟林面積占比40%以上,相比2013年有所增加。這在一定程度上可能會(huì)影響森林整體的平均生長(zhǎng)速率和固碳效果。另一方面,盡管2013—2020年間地類一直保持為森林,但有部分喬木林轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥窳只蛱厥夤嗄玖?這在一定程度上降低了生物質(zhì)碳儲(chǔ)量。此外,研究期間南平市有157.5×103hm2的森林轉(zhuǎn)化為了非林地,這導(dǎo)致了0.75Tg C/a的碳排放；同時(shí)還有86.4×103hm2的森林出現(xiàn)了退化,無論是人為活動(dòng)還是自然因素,這都導(dǎo)致了0.42Tg C/a的碳排放。采伐活動(dòng)被認(rèn)為是森林退化的主要原因[38],還會(huì)在短期內(nèi)引起大量的森林植被碳損失,森林土壤中的碳也會(huì)隨土地利用類型的變化而釋放,許多研究都表明以毀林為主的土地利用變化是碳排放增加的主要原因[39—40]。因此,減少毀林和防止森林退化導(dǎo)致的碳排放,也是未來區(qū)域森林增匯減排的重要舉措。目前全球只有10%的森林處于有效的管理中[41],未來繼續(xù)進(jìn)行合理有效的林業(yè)活動(dòng)將帶動(dòng)森林碳匯增長(zhǎng)。

本研究中,我們基于土地利用類型的時(shí)空變化和林業(yè)活動(dòng)類型劃分,采用IPCC材積源生物量法估算了2013—2020年南平市森林生物量碳儲(chǔ)量變化,可能會(huì)存在一定的不確定性。首先,在評(píng)估中僅考慮了森林生物質(zhì)碳庫,未考慮死有機(jī)質(zhì)、土壤有機(jī)碳庫以及木產(chǎn)品等碳庫的變化。另外,本文的主要數(shù)據(jù)來源于南平市2013和2020年森林規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身存在一定的誤差,再加上所采用的計(jì)量參數(shù)主要來源于南平市、周邊地區(qū)及福建省的研究文獻(xiàn),自然條件的差異可能會(huì)對(duì)實(shí)際的碳源、匯結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,后續(xù)研究將在區(qū)域土地利用變化的準(zhǔn)確性、碳庫全面性、以及降低計(jì)量參數(shù)和模型的不確定性方面加以改善。

4 結(jié)論

對(duì)于土地利用變化較劇烈的區(qū)域,采取基于林業(yè)活動(dòng)路徑的評(píng)估方法能更準(zhǔn)確地反映森林既可能是碳匯、又可能是碳源的特點(diǎn),同時(shí)更準(zhǔn)確地量化森林的碳匯功能和時(shí)空格局。簡(jiǎn)單采用“碳儲(chǔ)量變化法”評(píng)估的2013—2020年間南平市森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量年變化量為1.29Tg C/a(或4.73Tg CO2/a),而基于林業(yè)活動(dòng)路徑的評(píng)估結(jié)果為年均凈增加1.09Tg C/a(或3.98Tg CO2/a)。其中,2013—2020年間南平市一直保持為森林、自然恢復(fù)增加天然林面積和人工造林增加人工林面積分別使森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量增加0.34Tg C/a、0.85Tg C/a和1.05Tg C/a,同期因毀林和森林退化導(dǎo)致森林生物質(zhì)碳儲(chǔ)量分別減少0.75Tg C/a和0.42Tg C/a。

成熟林、過熟林面積占比增加會(huì)使森林平均生長(zhǎng)速率下降、森林生物質(zhì)固碳速率降低。2013—2020年間南平市一直保持為森林的生物質(zhì)碳密度僅增長(zhǎng)0.22Mg C hm-2a-1,成熟林、過熟林面積占比增加使森林平均生長(zhǎng)速率下降是主要原因。而自然恢復(fù)和人工造林的生物質(zhì)碳密度增速分別為4.00Mg C hm-2a-1和4.10Mg C hm-2a-1。因此,及時(shí)對(duì)成、過熟林進(jìn)行更新、優(yōu)化齡組結(jié)構(gòu)以提升森林生長(zhǎng)量和固碳速率,同時(shí)通過減少毀林和防止森林退化來減少林業(yè)活動(dòng)的碳排放,可以作為該區(qū)域未來森林增匯減排的有效舉措。