森林碳匯與樹種固碳能力研究進展

古佳瑋

（華南農(nóng)業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東廣州 510642）

森林生態(tài)系統(tǒng)將CO2固定于植物和土壤中，維持大氣中的碳氧平衡，并經(jīng)太陽能的同化過程產(chǎn)生森林生物量?？刂拼髿釩O2環(huán)境濃度偏高，行之有效的措施包括減少碳源的排放和增加碳匯。森林生態(tài)系統(tǒng)作為地球關(guān)鍵帶的重要圈層，在碳增匯效應(yīng)方面發(fā)揮了無可替代的作用。陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳源和碳匯都來自于森林碳庫，森林生物群落具有釋放碳和固定碳2 種屬性，森林固定碳的過程是指植物吸收太陽的能量、樹木生長發(fā)育和土壤碳的積累等；碳釋放的過程則指生物呼吸及分解、樹木死亡、土壤碳的氧化及降解等[1]。在此過程中，若固定的碳大于釋放的碳為碳匯，反之則為碳源，而碳匯與碳源之間的差值，被稱為凈碳收支。隨著加劇變化的自身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，如資源的減少和植被的退化等，以及在人類的長期干擾破壞下，森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能衰退而逐漸成為碳源，將造成地球生態(tài)環(huán)境進一步惡化、溫室效應(yīng)加劇的惡性循環(huán)。同時，森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的發(fā)揮很大程度上取決于人類[2-4]，在人類的保護和維持下，可以進一步優(yōu)化森林的固碳能力。提高森林碳匯能力依賴于植被類型的完善、林分結(jié)構(gòu)的改良和林業(yè)生態(tài)工程的實施。研究表明，一些固碳效益較為突出的造林優(yōu)勢樹種，在森林碳匯中擔任了重要角色，對比不同造林樹種碳匯能力，有助于進一步評價造林的碳匯效應(yīng)。分析我國華南地區(qū)優(yōu)勢造林樹種的碳匯能力，以期尋找適合當?shù)氐膬?yōu)良碳匯造林樹種，提高其森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯潛力和能力，滿足碳匯造林及生產(chǎn)的需要。

1 森林碳匯效應(yīng)和碳匯造林

森林被稱為儲存CO2的庫，森林碳匯效應(yīng)是指森林植被通過光合作用將碳轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)儲存于樹干、樹枝、樹葉、根系及枯落物中，固定CO2并降低大氣中該氣體的濃度，從而緩解溫室效應(yīng)和氣候變暖。在全球氣候變化下，林業(yè)碳匯因其相較于其他減排方式更經(jīng)濟與高效的特點而成為碳減排的主要替代方式[5-7]，同時，林業(yè)在全球碳減排中的引領(lǐng)作用為相關(guān)氣候議題談判提供著科學依據(jù)，社會對氣候變化的進一步關(guān)注也將促使各國更加重視林業(yè)發(fā)展。中國對碳匯造林相關(guān)項目開展了大量的實踐活動與理論研究[8-16]，在“雙碳”愿景下，我國正處于全面深化現(xiàn)行林業(yè)相關(guān)制度改革的關(guān)鍵時期，無疑給碳匯林業(yè)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇。我國碳匯造林項目可大致分為3 種類型[17-18]：一是基于低碳發(fā)展戰(zhàn)略下的碳匯造林及林分改造項目；二是在中國綠色碳基金支持下啟動的碳匯造林項目；三是其他組織形式的碳匯造林項目，如各地方政府與外國政府、國企、私企與外國企業(yè)、組織或團體等開展的以林業(yè)增匯減排為目的的森林經(jīng)營、培育、碳匯監(jiān)測等活動，以及與林業(yè)經(jīng)濟市場相關(guān)的碳匯交易等。

森林生態(tài)系統(tǒng)具較高的生物量、碳固存率和凈生產(chǎn)力這一觀點已毋庸置疑[19-20]。對碳匯林的培育已成為應(yīng)對全球氣候變化的重要手段和措施之一，同時，這也是森林經(jīng)營者和科學研究人員需要克服的難關(guān)。我國現(xiàn)有研究缺乏對森林植被生物量及林木固碳增匯效應(yīng)測定相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)籌與運用，尤其是將相關(guān)研究數(shù)據(jù)應(yīng)用于指導碳匯造林及再造林結(jié)構(gòu)配置的更少，即未將研究結(jié)論對造林結(jié)構(gòu)進行更新反饋。林瑋等[21]研究表明，相同樹種不同器官含碳量的均值差異不大；而不同樹種各器官間含碳量差異較大，即不同樹種的固碳能力有明顯差異。表明不同樹種或林分在固碳增匯中具有較大的選擇潛力，為各地區(qū)碳匯林樹種選擇提供了研究基礎(chǔ)。針對性利用樹種固碳釋氧能力不同這一特征差異，優(yōu)化碳匯林配置組合，以提高森林增匯量及其生產(chǎn)、生態(tài)效益是一項重要工作[22]，實現(xiàn)這一設(shè)定目標的重要工作就是篩選出優(yōu)良的碳匯造林樹種。以林木生物質(zhì)碳庫固碳來研究固碳機制[23]，可為高效、結(jié)構(gòu)化經(jīng)營碳匯林提供理論依據(jù)。因此，有必要針對碳匯效應(yīng)及造林生產(chǎn)的提升需求，綜述我國華南地區(qū)主要造林樹種的碳匯能力，評選適宜當?shù)厣L的優(yōu)良碳匯樹種，以用于指導碳匯林生產(chǎn)需要，提高碳匯造林效益。

2 樹種固碳能力研究方法

2.1 通過光合效率研究樹種固碳能力

一般為過程法[24-28]，即通過對植物體光合作用過程的有關(guān)數(shù)值進行測定并計算，如葉片凈光合速率、葉面積指數(shù)，基于樹種光合作用特征，得出該樹種一般狀況下的固碳量和釋氧量[單位為g/（m2·d）]，同樣的方法用于其他樹種，最終比較其數(shù)值。而過程法只能測定某一環(huán)境條件下的瞬時數(shù)據(jù)，要得出該樹種在一般狀況的標準數(shù)值會有一定的難度，而且耗時、步驟較長，極大地受到時間條件和環(huán)境因素的限制，所得到的結(jié)果也包含了公式推導的經(jīng)驗成分。

2.2 通過加權(quán)含碳量研究樹種固碳能力

一般為收獲法[33-37]，即基于對植物生長量的測定，由公式轉(zhuǎn)換得生物量，再通過當?shù)刂参锲鞴俸剂康臏y定，結(jié)合生物量得出加權(quán)含碳量，最后由生物量和加權(quán)含碳量推算出樹種碳儲量，與樹種間的數(shù)據(jù)進行比較。這種方法極大程度避免了環(huán)境因素的影響，可以計算出單株碳儲量和整個林分的碳儲量。目前，許多研究籠統(tǒng)采用0.45 或0.5 作為森林樹種平均含碳率展開對各地森林碳儲量的估算。研究表明，不同樹種含碳量不同[29]，地域、種源、氣候、立地等因素也對含碳量有一定影響，采用平均含碳率易產(chǎn)生誤差。因此，有必要針對不同立地條件的樹種各器官含碳量進行測定及分析。森林植被含碳量指標的測定，即測定樹木各器官每單位干物質(zhì)內(nèi)所含碳元素的質(zhì)量，包括地上部分的樹干、樹枝、樹皮、樹葉及地下根系的含碳量。森林植被含碳量的測定一般以干燒法[31]（重量法）和濕燒法[21]（重鉻酸鉀-硫酸氧化法）2 類為代表。

2.3 通過生物量研究樹種固碳能力

對植被或林分生物量的估測主要包括其生長指標，如植株冠幅、胸徑及樹高等數(shù)據(jù)。生物量是指森林在一定時間內(nèi)有機質(zhì)累計的質(zhì)量[30]，是研究樹種生長及林分生產(chǎn)力的基礎(chǔ)性指標。一般采用各省份傳統(tǒng)的森林資源清查方法，以大規(guī)模的實地調(diào)查建立測量數(shù)據(jù)庫，估算出林分碳密度及碳儲量。此方法通過生物量擴展因子法建立生物量與蓄積量的相互關(guān)系，從而對林分的碳儲量進行估算。一般來說，植被的蓄積量與其固碳潛力呈正相關(guān)，即單位時間內(nèi)生物量累積越多，固碳能力越強。

2.4 通過凈生產(chǎn)力研究樹種固碳能力

以國家林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》中提供的植被固碳公式，對森林群落一年的固碳量進行估算。林分的單位凈生產(chǎn)力越高，則年凈固碳量越大。

不同計算途徑各具其優(yōu)缺點，要在充分了解地理特性及森林植被狀態(tài)特征的基礎(chǔ)上，兼顧生長量和含碳量進行對比，以此更高效地比較不同樹種的固碳能力。

3 華南地區(qū)主要造林樹種碳匯能力

華南地區(qū)位于中國大陸南部。包括廣東省、海南省、福建省中南部、廣西壯族自治區(qū)、香港特別行政區(qū)和澳門特別行政區(qū)。地處低緯度地區(qū)、東亞季風氣候區(qū)南部，具有亞熱帶、熱帶季風氣候的特點，是我國光、水、熱條件最為優(yōu)越的地區(qū)之一，年均氣溫19～24℃，年均降水量在1300～2500mm 之間。華南地區(qū)涵蓋較豐富的森林資源，植被類型包括亞熱帶季風典型的常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林、紅樹林及竹林。

林瑋等[21]采用濕燒法測定華南地區(qū)主要造林樹種含碳量，并兼顧其生長量，探究比較各樹種、科及植被類型間的碳匯能力，從中篩選出紅荷、馬尾松、樂昌含笑、大葉相思、厚莢相思、山桂花、灰木蓮、南酸棗等優(yōu)良碳匯樹種，適宜在華南亞熱帶地區(qū)碳匯林的結(jié)構(gòu)化經(jīng)營中廣泛應(yīng)用。曾曙才等[31]應(yīng)用干燒法對廣州市白云山主要林分類型的釋氧能力及生產(chǎn)力進行綜合分析，測得各林分的吸碳釋氧量與林分生物量大小順序相同，從大到小排列為馬占相思林、黧蒴林、大葉相思林、木荷石櫟混交林、木荷林、尖葉杜英林、中華錐林、降真香林、加勒比松林、馬尾松林，表明在華南地區(qū)速生闊葉林比針葉林的碳匯能力強。除馬尾松林已衰老，生長緩慢，不作考量外，綜合生物量與吸碳量考慮，華南南亞地區(qū)更適宜將速生闊葉林作為碳匯造林及再造林主要林分，可應(yīng)用樹種有黧蒴、木荷、馬占相思、大葉相思等。紀燕玲等[32]依據(jù)汕頭地區(qū)碳匯試驗林各樹種的地上部分生長量和碳含量構(gòu)建樹種固碳潛力的評價指標，以濕燒法測得各樹種平均碳含量高低排序為：中華楠0.5200、臺灣相思0.5177、樟樹0.5026、米老排0.4993、木麻黃0.4939、紅錐0.4936、秋楓0.4721、山杜英0.4721、水翁0.4678，加權(quán)后評出生長初期固碳潛力較好的樹種有中華楠、木麻黃、臺灣相思，其次為米老排、紅錐、山杜英、水翁，秋楓與樟樹表現(xiàn)較差。徐期湖等[33-35]采用收獲法，測得木荷（Schima superba）、楓香（Liquidambar formosana）與樟樹（Cinnamomum cam-phora）3 個樹種的生物量與各器官含碳率加權(quán)，得出廣東省木荷平均含碳率為0.5569，楓香為0.5354，樟樹為0.5096。王義祥[36]在測定福建省主要森林類型碳庫時，也計算了該省森林喬木的加權(quán)含碳量，大小順序依次為馬尾松0.5832、桉樹0.5445、楠木0.5379、杉木0.5285、木麻黃0.5075、櫟類0.5007。同樣，蔡會德等[37]以收獲法測得廣西省主要喬木樹種加權(quán)含碳量，從高到低依次為馬尾松、杉木、火力楠、青岡櫟、荷木、栓皮櫟、馬占相思、尾葉桉、毛竹、楓香，范圍在475.6～501.7g/kg 間，略低于廣東省、福建省的平均測量結(jié)果。

連輝明等[39]按適應(yīng)性及生長量等指標對廣東古兜山次生林更新樹種進行評價，運用層次分析法得出該地的速生型樹種有藜蒴、幌傘楓、紅錐、米老排、中華杜英、石栗和芒果等。賴廣梅[40]通過分析大嶺山森林公園各優(yōu)勢樹種表現(xiàn)研究其碳匯能力，得知木荷、桉樹、相思、南洋楹等速生闊葉樹具有較高的碳匯能力，而慢生樹種、經(jīng)濟林與針葉林在東莞當?shù)鼐哂休^低的固碳表現(xiàn)。李碧霞等[41]得到廣東三嶺山森林公園3 種人工林單位面積生物量依次為尾葉桉（333.78t/hm2）＞大葉相思（257.44t/hm2）＞馬尾松（140.32t/hm2），可知尾葉桉生長較快且種植密度大，在廣東省選擇尾葉桉種植可突出其碳匯經(jīng)濟價值。毛君竹[42]對廣州市6 種人工林的固碳能力進行評價，研究得出各人工林單位面積總生物量與碳儲量大小順序均為：米老排林、紅花荷林、火力楠林、格木林、楓香林、紅花油茶林，其中米老排林累積的生物量和碳儲量具顯著優(yōu)勢。近期，郭耆等[43]通過研究對比南亞熱帶4 個樹種間生物量，在廣西柳州市測得各樹種平均林分生物量排序為木荷林（376.37t/hm2）＞米老排林（284.51t/hm2）＞杉木林（200.02t/hm2）＞藍果樹林（175.56t/hm2）。其中木荷和米老排較針葉樹種表現(xiàn)出更好的速生性。這與黃鈺輝等[44]對黧蒴、木荷、米老排等南亞熱帶地區(qū)的地帶性植被常綠闊葉林的碳儲量能力顯著高于杉木一致。與林雯等[45]測得廣州市城市森林主要林分中黧蒴、木荷以及馬占相思林總凈生產(chǎn)力高于馬尾松、杉木等針葉樹種研究結(jié)果一致。同樣，熊江波[46]也發(fā)現(xiàn)，在南亞熱帶的相同營林模式下，米老排林表現(xiàn)出較大的碳匯潛力，測得南亞熱帶同齡段各林分的碳儲量由大到小為：米老排林、杉木林、火力楠林、馬尾松林、紅錐林。陳先孝等[47]通過聚類分析廣東省清遠市碳匯造林各樹種早期生長量得出，米老排、千年桐為早期生長較快且成活率較高樹種，可作為提高碳匯生產(chǎn)力的優(yōu)勢樹種；而山杜英、火力楠、楓香等后期累積生物量較大，可作為輔助樹種。劉劍鋒[48]依據(jù)樹種生長指標評價興寧市森林碳匯，木荷、藜蒴及黑木相思為優(yōu)勢生長樹種，紅錐、山杜英、火力楠、米老排和楓香也有較好長勢。

4 結(jié)論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生物量、固碳量和凈生產(chǎn)力，研究森林碳匯及培育碳匯林對實現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營和固碳增匯方面具有重要意義。不同森林生態(tài)系統(tǒng)由于其所處地域不同，氣候、土壤及植被構(gòu)成差異很大，各樹種及林分的碳匯能力也有較大差異，表明不同樹種或林分在碳匯林選擇中具有較大的潛力，為碳匯造林的樹種選擇提供了條件。目前主要通過樹種光合效率、樹種各器官加權(quán)含碳量、群落生物量、林分單位凈生產(chǎn)力等方法研究不同樹種的固碳量，進而比較各樹種的固碳能力。研究選取我國華南地區(qū)的各省份及地區(qū)森林主要造林樹種，綜合探究不同樹種于亞熱帶季風氣候區(qū)的固碳能力，為華南地區(qū)碳匯林營造提供參考。

聚類分析后得出木荷、黧蒴、馬尾松、米老排、桉樹、紅花荷、樂昌含笑、山桂花、灰木蓮、南酸棗、木麻黃、速生相思如臺灣相思、大葉相思、馬占相思、厚莢相思、黑木相思等具有較高的固碳潛力，為適宜華南地區(qū)應(yīng)用的優(yōu)良碳匯樹種，在碳匯造林中可以優(yōu)先考慮；紅錐、水翁蒲桃、山杜英、南洋楹、火力楠、楓香、中華杜英、石栗、中華錐、石櫟等樹種也具有速生的優(yōu)勢，適宜作為搭配選擇性應(yīng)用。其中木蘭科占4 種、殼斗科占4種、金縷梅科占3 種、豆科占2 種、桃金娘科占2 種、杜英科占2 種，其余各樹種分別為山茶科、松科、漆樹科、木麻黃科、大戟科。篩選出的優(yōu)良碳匯樹種中大部分為速生闊葉樹，針葉樹種僅馬尾松一種。研究表明[23-28]，從樹種形態(tài)學上比較，針葉樹種的平均含碳率高于闊葉樹種，在碳匯造林中優(yōu)勢顯著。樹種的碳匯能力可能與自身樹齡及生長周期有關(guān)，但速生樹種因其生長迅速，相同時間內(nèi)累積了更多的生物量，相比于含碳量較高而生長緩慢的針葉樹種，速生闊葉樹在短期內(nèi)具有更好的固碳潛力。水熱條件優(yōu)越的地理環(huán)境下，華南地區(qū)更適宜將速生闊葉樹種作為碳匯造林及再造林的主要林分。

培育碳匯林已成為我國林業(yè)建設(shè)的重要部分，華南地區(qū)森林碳匯潛力巨大，對比造林樹種碳匯能力及優(yōu)良碳匯樹種篩選，有助于進一步評價造林的碳匯效應(yīng)。通過碳匯造林增加單位面積蓄積量、提高碳匯效益，為低碳發(fā)展戰(zhàn)略下的林業(yè)發(fā)展提供有力支撐[49-51]。此外，研究表明[52]各種環(huán)境因素如氣候因子、光照方向、立地條件、病蟲害等也是影響樹木碳匯效應(yīng)的重要因素，今后對于篩選優(yōu)良碳匯樹種的研究應(yīng)探索更多方面影響因素，通過森林經(jīng)營手段、森林保護措施、優(yōu)勢樹種的組合配置，提高林分生長指標及健康水平，保障森林植被固碳能力，為實現(xiàn)2060 年碳中和目標助力[53-54]。