林業(yè)活動碳庫監(jiān)測方法

劉金山，楊傳金，張萬林，楊 帆，洪加鳳

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

林業(yè)活動碳庫監(jiān)測方法

劉金山，楊傳金，張萬林，楊 帆，洪加鳳

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調查規(guī)劃設計院，長沙 410014)

對林業(yè)活動項目進行碳庫計量監(jiān)測，了解項目固碳釋氧價值是評估森林碳匯功能的重要組成部分，也是提高森林碳匯功能的基礎。介紹林業(yè)活動的相關概念和碳庫監(jiān)測內容、因子與方法，并根據森林碳庫監(jiān)測現狀，提出構建森林碳庫監(jiān)測體系尚需深入研究的問題。

森林碳庫；碳匯；林業(yè)活動；監(jiān)測

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，擁有最大比例的碳庫，在應對與減緩氣候變化過程中發(fā)揮著重要的作用。但森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫不是靜態(tài)的，林業(yè)活動對森林碳庫變化有著較大的影響，通過了解森林的碳匯率及其機理，掌握森林的固碳率及各種影響因素，在宏觀上把握不同氣候帶、不同地理條件、不同樹種、不同林齡大小等要素對森林碳匯的影響，將可以更好地通過造林、再造林、減少毀林和森林管理等林業(yè)活動增加森林碳儲量，提升林業(yè)應對氣候變化能力。按照《京都議定書》規(guī)定，自1990年以來，直接由人為活動引起的土地利用變化和林業(yè)活動——造林、再造林和砍伐森林需要進行碳匯計量，才能評估相關林業(yè)活動對于抵消工業(yè)溫室氣體排放所做的貢獻。森林管理雖然不在《京都議定書》所規(guī)定的監(jiān)測范圍內，但由于近年來國家致力于中幼林撫育等林業(yè)管理措施，森林資源量得到較大提升，監(jiān)測和評估該類活動的固碳量也就變得十分有意義。因此，對受林業(yè)活動影響的碳庫進行監(jiān)測十分必要。

1 碳計量所涉及的相關概念

1.1 林業(yè)活動相關概念

碳計量工作中所指的林業(yè)活動是引起碳變化的活動，包括造林、再造林、毀林和森林管理。其相關概念引用《京都協(xié)定書》范疇內《馬拉喀什協(xié)定》的規(guī)定。

1) 造林。通過種植、播種和(或)人工促進天然下種，直接人為地將至少50 年內未成為森林的土地轉變?yōu)橛辛值氐幕顒覽1-2]。

2) 再造林。在曾為森林但已變?yōu)闊o林地土地上，通過直接的人為種植、播種和(或)人工促進天然下種，將無林地變?yōu)橛辛值?。就第一承諾期(2008—2012)而言，再造林活動限于在1989 年12 月31日處于無林狀態(tài)的土地上進行的再造林[1-2]。

3) 毀林。引起森林覆蓋率下降的活動，包括從有林地和國家特別規(guī)定灌木林地轉變?yōu)槠渌魏蔚仡怺1-2]。部分國家所認可的另一種毀林定義是人為活動引起的林地直接轉化為非林地，涉及土地利用方式的轉變，即從原來的計入森林覆蓋率的地類轉變?yōu)榉橇值亍?/p>

4) 森林管理。是一個林地利用和作業(yè)系統(tǒng)，其目的是可持續(xù)地實現森林相關的生態(tài)(包括生物多樣性)、經濟和社會功能[3]。任何在林地上的作業(yè)活動或人為改造活動，都屬于森林管理范疇。

1.2 造林項目碳計量與監(jiān)測的相關概念[4]

1) 項目邊界。指開展碳匯造林項目活動的地理范圍。如果一個碳匯造林項目涉及若干個不同的造林地塊，則每個造林地塊都應有明確的地理邊界，該碳匯造林項目的邊界不包括各個造林地塊之間的土地。

2) 項目碳泄露。指由項目本身引起的、發(fā)生在項目活動邊界之外的、可測定的和可核查的溫室氣體源排放的增加量或減少量。

3) 項目邊界內碳排放量。指由項目活動本身引起的、發(fā)生在項目活動邊界之內的、可測定的和可核查的碳儲量的凈變化量。

4) 基線情景。指在項目所在地區(qū)的技術、融資能力、資源條件和政策法規(guī)情況下，能合理地代表沒有擬議的造林項目活動時的土地利用方式。通俗地講即指項目實施地在項目活動前的情況。

2 林業(yè)活動監(jiān)測內容

1) 造林、再造林活動。項目規(guī)劃設計、育苗、林地清理、整地、栽植、補植、造林成活率調查、株樹保存率調查、成林率調查、除草和施肥等管理措施所引起的溫室氣體排放(項目邊界內碳排放)；植被生長和消耗、土地擾動等引起的植被、枯落物、土壤碳庫變化；苗木運輸機械及其他機械使用過程中消耗燃料引起的溫室氣體排放(碳泄露)。

2) 森林管理活動。森林撫育、主伐、間伐、修枝、割灌、除草、松土、施肥、灌溉、排水、森林更新、病蟲害防治、防火措施和病蟲鼠害、火災控制、林地清理等過程所消耗的燃料都要進行登記；監(jiān)測森林管理所額外增加的生物量和碳儲量；監(jiān)測采伐剩余物、撫育材、枯死木、枯落物等運出項目邊界的數量及用途。需注意的是，如果一個項目屬于造林、再造林，即使有森林管理，也不能納入森林管理活動進行監(jiān)測，以避免重復計量。

3) 毀林活動。在毀林項目中監(jiān)測基線情景顯得尤為必要。監(jiān)測毀林引起的森林生物量減少量，及地表擾動導致的土壤碳釋放。

4) 項目邊界內自然原因引起的森林病蟲鼠害和森林火災發(fā)生情況(面積、破壞程度、災害邊界等)。

3 碳庫監(jiān)測因子

包括植被、森林土壤、枯落物以及移出項目區(qū)的生物量，見圖1。

圖1 森林碳庫監(jiān)測因子構成圖

4 監(jiān)測方法

為了減少監(jiān)測工作量，需要通過樣地布設法，調查樣地內植被碳庫、土壤碳庫和枯落物碳庫，估算單位面積碳儲量，進而估算林業(yè)活動項目區(qū)域內的碳儲量。

4.1 植被碳庫監(jiān)測

植被碳庫包括喬木、灌木和草本的地上和地下生物量碳庫。此處的灌木包括所有的灌木樹種和胸徑小于5cm、樹高低于1.3m的幼齡林木。監(jiān)測生物量碳庫的林業(yè)活動包括天然林或人工林退化活動、退化土地造林再造林、避免毀林項目、速生豐產林等木材生產項目、森林撫育項目、土地改良項目等。

4.1.1 樣地布設及監(jiān)測參數

設置矩形樣地，大小為20m×30m。

1) 對樣地內喬木進行每木檢尺，獲取樹種(組)信息、胸徑和樣地平均樹高數據。利用國家森林資源連續(xù)清查工作即將建立的分區(qū)域分樹種的喬木生物量模型推算生物量和碳儲量。

2) 對于主干明顯，且相對高大的灌木，采用樣木抽樣調查法，記錄灌木地徑和灌木高度。第一次進行監(jiān)測時，整株收獲，分干、枝(含葉)、根稱其鮮重，分別取1～2kg的鮮樣，烘干計算各部分含水率，進而計算整株生物量，根據含碳率計算整株含碳量。將灌木地徑和灌木高度數據代入即將建立的分區(qū)域分樹種灌木生物量模型中，計算單株含碳量。用收獲法計算的含碳量對模型進行校正，即為項目區(qū)灌木生物量模型，可用于項目區(qū)第二次及以后的生物量監(jiān)測中。對于無明顯主干、叢生的灌木群落，設置邊長2m×2m的樣方，調查記錄樣方灌木優(yōu)勢種名、株數、平均高、平均地徑和平均蓋度，利用模型法計算樣地生物量。第一次監(jiān)測時，采用全部收獲法收集樣方內所有灌木，分別地上部分和地下部分稱其鮮重，利用四分法取鮮樣1～2kg，烘干計算含水率，進而計算樣地生物量。用樣方收獲法計算的生物量對模型進行校正，用于以后的生物量監(jiān)測。

3) 對于林下草本，選取典型地段，設置邊長1m×1m的樣方，調查記錄草本優(yōu)勢種名、平均高和覆蓋度，代入模型計算樣方生物量。采用全部收獲法收集樣方內所有草本，分別各草類的地上部分和地下部分稱其鮮重。取1kg左右的鮮樣，烘干計算植株含水率，進而計算樣方生物量，同樣對已建模型進行修正，用于以后的監(jiān)測。

4.1.2 監(jiān)測頻率

林業(yè)活動類型與生物量的生長率決定了監(jiān)測頻率。對于生物質能源林等生長速度快的樹種，需要加大監(jiān)測頻率。一般來說，造林、再造林、避免毀林、森林管理監(jiān)測頻率以2～3年一次為宜，生物質能源林等商品林監(jiān)測頻率以1～2年為宜。

4.2 森林土壤碳庫監(jiān)測

土壤碳庫監(jiān)測對碳減緩項目(造林、再造林)及土地利用方式轉變等開發(fā)項目十分重要。

4.2.1 樣地布設方法

在樣地內選擇能代表該樣地生長狀況和立地條件的地方，按照“米”字形五點取樣法，在對應樣地下的土壤剖面分上、中、下三層分層取樣，分別編號記錄三層的厚度。每層使用環(huán)刀采樣獲取容重數據。另外需分層采樣1～2kg風干，測定土壤有機碳含量和石礫含量。通過測定土壤容重和有機碳含量，分析和計算土壤有機碳密度。

有機碳密度的轉換公式如下：

式中：SOC為土壤剖面有機碳密度(kg/m2)，θi為第i層>2mm礫石含量(體積%)，pi為第i層土壤容重(g/cm3)，Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg1)，Ti為第i層土層厚度(cm),i為參與計算的土壤層次總數。有機質和有機碳換算系數，采用Blemmeln系數(0.58)。

4.2.2 監(jiān)測頻率

監(jiān)測土壤碳儲量的頻率隨著土地利用方式、項目活動(造林、避免毀林和森林撫育)和管理系統(tǒng)(造林密度、輪伐期、施肥和灌溉)的變化而變化。在未受到干擾的土壤內，土壤有機碳含量是相對穩(wěn)定的。而土地利用方式變化或對土壤表層的擾動將引起碳密度的變化，進而影響碳儲量。土壤的監(jiān)測頻率一般宜3～5年一次，當土壤因造林項目的整地、毀林的植物根系清除及森林管理的施肥活動時，在活動發(fā)生前和活動后一年內，均應進行土壤碳儲量監(jiān)測。

4.3 森林枯落物碳庫監(jiān)測

4.3.1 樣地布設方法

在樣地內選取代表性的樣方，其邊長為1m×1m，調查樣方內的喬木優(yōu)勢樹種和枯落物平均厚度，利用模型法計算樣地枯落物生物量和碳儲量。第一次監(jiān)測時，調查每個樣方枯落物厚度，收集枯落物并稱其重量，均勻混合后取1kg左右樣品稱濕重，實驗室烘干稱干重，計算單位面積枯落物干重。用樣方收獲法計算枯落物生物量與厚度的比例，來校正所在區(qū)域的枯落物生物量—厚度模型，用于以后的生物量監(jiān)測中。

4.3.2 監(jiān)測頻率

枯落物的監(jiān)測頻率以2～3年一次為宜。在森林撫育、為防火需要及造林再造林項目進行地表枯枝落葉清理時，監(jiān)測頻率應隨之增加。

4.4 移出項目區(qū)的生物量碳庫監(jiān)測

林業(yè)活動可能涉及把林木資源或枯落物等移出項目區(qū)，以往的研究與實踐往往忽視了對這部分生物量和碳儲量的監(jiān)測。實際上，這部分碳庫雖然最后被消耗掉，但也是減緩溫室氣體排放很重要的一部分。加工林木變成木制品，其中的有機碳會保存在木材中一段時間才釋放到大氣中，延緩了溫室氣體增加的速度。而生物質能源林、薪炭林和林木邊角料做工業(yè)或家庭燃料，更是直接減少了煤、石油等化石燃料的開采和使用。對于該部分碳庫的監(jiān)測，應調查各部分的利用方式及每種利用方式的生物量。

4.5 監(jiān)測樣地大小及數量

監(jiān)測樣地的數量是估算土地利用類型或項目碳儲量變化重要的一步。樣地的設置數量需要考慮項目面積大小、要求的精度、植被分布變異性大小，并兼顧監(jiān)測成本。樣地數量計算步驟包括：確定期望精度，估算方差，估算項目規(guī)劃和監(jiān)測成本，確定允許誤差，確定置信區(qū)間，決定層級數，估算樣本數量。

鑒于林業(yè)碳匯計量監(jiān)測是一項較新的工作，現有研究中少有涉及樣地數量的報道。張小全等[5]針對國內許多研究者通常采用空間替代時間的辦法，來研究不同植被類型和人類活動對碳貯量影響的方法，以及設定樣地數量時隨意設置重復樣地數量的問題，提出了根據監(jiān)測或研究對象碳貯量的異質性和所要求的精度確定樣地數量的方法。該方法需要事先進行多個代表性林分樣地實地測定確定變異度，因而增加了監(jiān)測工作量。樣地大小和設置數量的確定要在保證精度和允許誤差的基礎上，盡量地減少監(jiān)測工作量和成本。筆者在長期森林資源監(jiān)測工作實踐的基礎上，基于森林資源異質性經驗判斷，給出了樣地面積及數量(見表1)，以供林業(yè)工作者在林業(yè)碳庫和碳匯監(jiān)測項目中參考、商榷。在某些情況下，樣地大小及樣地數量可以進行適當調整。如在進行中幼林碳匯監(jiān)測時，樣地大小和樣地數量可以適當減少，在進行修枝和病蟲害防治等活動時，土壤部分碳庫監(jiān)測可適當減少樣地數量。

表1 不同土地利用方式下樣地大小及數量設置土地利用方式喬木灌木草本植物土壤枯落物樣地大小/m樣地數量/個樣地大小/m樣地數量/個樣地大小/m樣地數量/個樣地大小/m樣地數量/個樣地大小/m樣地數量/個天然林或混交林20×3052×2151×1305×5101×130人工純林20×3032×261×1185×561×130 注:樣地數量指每6km2內的數量。

5 展望

要科學監(jiān)測和估算林業(yè)活動碳庫，首要任務是確立好適宜的計量方法和相應的模型。據此，本文提出了幾個尚需研究的問題，以期拋磚引玉，促進林業(yè)碳庫和碳匯監(jiān)測體系的發(fā)展和完善。

5.1 關于枯落物碳庫監(jiān)測

國家林業(yè)局在第八次全國森林資源清查中增加了森林枯落物儲量調查建模工作，按森林的優(yōu)勢樹種(組)確定建模單元，按樣方建立回歸模型，通過采集枯落物建模樣本，確立枯落物碳儲量——枯落物厚度模型。枯枝落葉層包括未分解層和分解層，分解層又分為半分解層和已分解層。相同厚度下單位面積碳儲量分解層要大于未分解層，而分解層和未分解層各自的比例因地理條件和氣候條件而異。因此，根據枯枝落葉厚度估算其碳儲量時，如果能區(qū)分未分解層和分解層分別建模，則估計精度也會相應提高。研究枯落物碳儲量，應建立不同地區(qū)、不同樹種碳儲量——枯落物厚度模型，根據分解層和未分解層厚度，分別進行模型擬合，并通過混合模型探討碳儲量與枯落物厚度、氣候條件、地理條件的關系。

5.2 關于土壤碳庫監(jiān)測

林業(yè)活動土壤碳庫監(jiān)測時，要獲知項目區(qū)森林土壤碳庫大小，需設置多個樣地并開挖土壤剖面，由于森林土壤厚度往往達到1m左右，開挖如此厚度的土壤剖面費時費力。分析有機碳含量隨土壤厚度變化規(guī)律可知，土壤深層有機碳含量較低且變化極慢，植被覆蓋增加或地表擾動對深層有機碳的影響較小。因此，測定土壤碳庫碳儲量變化時，可以只取土壤厚度0～30cm的樣品進行分析，以減少工作量。通過對不同地區(qū)、不同土壤類型、不同植被類型土壤厚度0～30cm的碳儲量和整個剖面碳儲量進行計量監(jiān)測，建立二者之間的回歸方程，就可以由0～30cm土壤碳庫變化推算出整個土壤剖面的碳庫碳儲量變化。

5.3 關于林產品固碳監(jiān)測

在林業(yè)碳匯監(jiān)測工作中，林產品固碳尚未受到足夠的重視。使用林產品尤其是耐久、耐用的木材產品可以延緩碳素釋放，延長碳周轉周期；用林產品替代建筑和化工材料，可以減少工業(yè)排放溫室氣體，從而緩解大氣二氧化碳濃度升高；通過大力發(fā)展生物質能源林，減少或替代化石燃料，從而減少能源消耗引起的溫室氣體排放。森林生態(tài)系統(tǒng)中林產品的使用壽命決定了其固碳時間，因此采伐木材碳的釋放速率取決于其最終用途。紙漿用材碳素一般幾年內釋放，而膠合板、建筑用材則可長達幾十年甚至上百年。林產品使用量的多少和使用壽命長短在很大程度上影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。因此，在林業(yè)碳匯監(jiān)測時，應增加對移出項目區(qū)的生物量及利用方式進行調查，從而計算該部分碳匯的大小。

[1] UNFCCC.FCCC/CP/2001/L.11,2001.

[2] IPCC. 2006 IPCC Puidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M]. UK : Cambridge University Press, 2006.

[3] UNFCCC.UNFCCC/SBSTA/2001/L.12, 2001.

[4] 國家林業(yè)局氣候辦.造林項目碳匯計量與監(jiān)測指南[R].2010.

[5] 張小全，陳先剛，武曙紅. 土地利用變化和林業(yè)活動碳貯量變化測定與監(jiān)測中的方法學問題[J].生態(tài)學報，2004,24(9)：2068-2073.

CarbonPoolMonitoringMethodofForestryActivities

LIU Jinshan，YANG Chuanjin，ZHANG Wanlin，YANG Fan，HONG Jiafeng

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration， Changsha 410014，Hunan，China)

forest carbon pool；carbon sequestration；forestry activities；monitoring

2012-03-30

劉金山(1986-)，男，山東煙臺人，碩士，從事森林資源監(jiān)測、林業(yè)碳匯計量監(jiān)測等工作。

S718.55

C

1003-6075(2012)02-0060-05

Abstyact： Measurement and monitoring carbon pools in forestry activities, understanding of project carbon sequestration and oxygen release value is an important part of the assessment of forest carbon sequestration function, but also on the basis of improving the function of forest carbon sequestration. This article introduced related concepts and carbon pool monitoring contents, factors and methods of forestry activities, and proposed to needs in-depth study of the problem to build the monitoring system of forest carbon pools, in accordance with status quo of forest carbon pools monitoring.