基于生長(zhǎng)生物量模型法的福建森林碳匯估算研究

華偉平 邱 宇 徐 波 江希鈿 丘 甜

(1.武夷學(xué)院生態(tài)資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350013； 3.吉林大學(xué)東北亞研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012；4.福建省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350013； 5.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；6.武夷學(xué)院商學(xué)院，福建 武夷山 354300)

基于生長(zhǎng)生物量模型法的福建森林碳匯估算研究

華偉平1邱 宇2，3徐 波2，4江希鈿5丘 甜6

(1.武夷學(xué)院生態(tài)資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300；2.福建省環(huán)境科學(xué)研究院，福建 福州 350013； 3.吉林大學(xué)東北亞研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012；4.福建省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350013； 5.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；6.武夷學(xué)院商學(xué)院，福建 武夷山 354300)

利用生長(zhǎng)生物量模型法及福建省3次森林資源清查數(shù)據(jù)測(cè)算其森林碳匯，并與IPCC法、生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法計(jì)算出的碳匯值作相對(duì)誤差分析。結(jié)果表明，福建省森林資源喬木林碳儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì)，其中第5次與第6次清查期間新增碳匯為 107 152 247 t，第6次與第7次清查期間新增碳匯為 117 343 013 t；基于生長(zhǎng)生物量模型法的計(jì)算結(jié)果與其他各種方法的計(jì)算平均值相當(dāng)，誤差較小。

生長(zhǎng)量；生物量；碳儲(chǔ)量；碳匯；模型；福建

近年來，福建省森林資源總量持續(xù)增加，質(zhì)量有所提高，結(jié)構(gòu)漸趨合理，森林覆蓋率穩(wěn)步上升，2008年已達(dá)到63.10%，中幼齡林面積比重較大，單位國(guó)土面積上的碳匯潛力大[1-2]。目前對(duì)省域范圍的森林碳匯研究不多，且國(guó)內(nèi)對(duì)森林碳匯的研究主要針對(duì)國(guó)家層面的或者是個(gè)別樹種。當(dāng)國(guó)家和省級(jí)層面應(yīng)對(duì)碳減排問題時(shí)，就需要計(jì)算省域或縣市區(qū)的碳匯。本研究基于福建省近3次森林資源清查數(shù)據(jù)，構(gòu)建生長(zhǎng)生物量模型定量估算福建省3次清查間的森林碳匯，為福建省應(yīng)對(duì)氣候變化、充分發(fā)揮森林碳匯作用提供參考依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于第5～7次全國(guó)森林資源清查喬木林?jǐn)?shù)據(jù)，見表1。

表1 第5～7次福建省森林資源清查的喬木林?jǐn)?shù)據(jù)

注：由于第七次森林資源清查福建省喬木林樹種有細(xì)分，數(shù)據(jù)較多，本研究對(duì)其進(jìn)行歸類列表。樹種拉丁學(xué)名：馬尾松(Pinusmassoniana),楠木(Phoehesp.),杉木(Cunninghamialanceolate),桉樹(Eucalyptussp.)，木麻黃(Casuarinaequisetifolia)。

從第5～7次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)看，福建省的喬木林蓄積量在波動(dòng)變化。其中第5次森林資源清查福建喬木林蓄積量為 364 909.9 萬m3;第6次喬木林蓄積量為 443 573.6 萬m3；與第6次相比，第7次喬木林蓄積量 40 789.2 萬m3。

2 研究方法

2.1 生長(zhǎng)生物量模型法

本研究提出的生長(zhǎng)生物量模型法是結(jié)合生長(zhǎng)量模型與生物量模型，通過生長(zhǎng)量(樹高、胸徑、材積)與年齡的關(guān)系模擬出各年齡階段的數(shù)量，利用生物量(樹干、樹枝、樹葉、樹種生物量)與樹高和胸徑的關(guān)系模擬出各年齡階段的生物量，基于國(guó)家森林資源清查數(shù)據(jù)，將蓄積轉(zhuǎn)換成生物量的一種新方法。該方法將個(gè)體特征值擴(kuò)大到林分，把復(fù)雜的森林結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的平均值，為省域級(jí)森林碳匯的估計(jì)探索一種新方法。該方法是利用生長(zhǎng)生物量模型，模擬出各樹種各年齡的單株材積及生物量。以國(guó)家森林資源清查面積和蓄積的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算各樹種各齡組單位面積蓄積量，基于模型得出單株材積，推算各齡組單位面積平均株數(shù)，再由模型得出單株生物量，結(jié)合清查面積求出各樹種的生物量，由含碳率計(jì)算碳儲(chǔ)量，最后利用2次清查間的碳儲(chǔ)量變化計(jì)算森林碳匯，具體計(jì)算的技術(shù)路線見圖1。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：B為碳匯；M(i+1)j為第i+1次森林資源清查j樹種單位面積蓄積量；S(i+1)j為第i+1次森林資源清查j樹種面積；w(i+1)j為第i+1次森林資源清查j樹種單株生物量；Mij為第i次森林資源清查j樹種單位面積蓄積量；Sij為第i次森林資源清查j樹種面積；wij為第i次森林資源清查j樹種單株生物量；βj為j樹種的含碳率；vj為j樹種的單株材積；n為喬木林樹種種類。

2.2 模型參數(shù)

采用生長(zhǎng)生物量模型確定單株材積和生物量時(shí)，一般由樣地建模確定參數(shù)。而本研究主要采用已發(fā)表論文關(guān)于福建省的生長(zhǎng)量和生物量參數(shù)，個(gè)別樹種缺少省內(nèi)參數(shù)時(shí)參考省外或氣象條件相似區(qū)域的樣地資料。由于混交林的研究成果較少，所以在計(jì)算混交林時(shí)，本研究運(yùn)用蓄積加權(quán)作為混交林單株材積、生物量數(shù)據(jù)依據(jù)。本研究省略胸徑、樹高生長(zhǎng)量公式，具體詳見參考文獻(xiàn)[3-11]。

油杉(Keteleeriacyclolepis)、馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、柏木(Cupressusfunebris)、樟樹(Cinnamomumcamphora)、其他硬闊類、桉樹(Eucalyptussp.)、相思(Acaciaconfusa)、木麻黃(Casuarinaequisetifolia)10個(gè)樹種的材積生長(zhǎng)量通式如下[12-16]。

v=k×(p+s×e(m×tq+n))r

(2)

式中：k，p，s，m，n，q，r為參數(shù)；t為年齡。

濕地松(Pinuselliottii)、火炬松(Pinustaeda)、其他松類、楠木(Phoebezhennan)、木荷(Schimasuperba)材積通式如下[13,17-18]。

v=k×Dm×Hr

(3)

式中：D為胸徑；H為樹高。

黑松(Pinusthunbergii)材積公式通式如下[19]。

(4)

為提高計(jì)算精度，生物量模型包括樹干、樹枝、樹葉、樹根4部分。油杉、黑松、馬尾松、濕地松、杉木、柳杉、柏木、楠木、樟樹、木荷、其他硬闊類、桉樹、相思、木麻黃等14種樹種的各器官生物量通式見(5)式[20-28]；火炬松、其他松類各器官生物量通式見(6)式[29-30]。

w=a×Db×Hc+f

(5)

式中：a，b，c，f為參數(shù)。

w=e(a+b×ln(D2×H))

(6)

式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)中的參數(shù)見表2和表3。

表2 各樹種的參數(shù)值

表3 各樹種各器官的參數(shù)值

表3(續(xù))

2.3 齡組劃分及含碳率

福建省一般用材林齡組劃分表(參照《福建省“十二五”期間年森林限額編制實(shí)施細(xì)則》)只體現(xiàn)了杉木、馬尾松、軟闊葉樹、硬闊葉樹，而森林資源清查喬木林的樹種比較細(xì)化，所以本研究將對(duì)相近的樹種進(jìn)行了歸類，同時(shí)結(jié)合福建省具體情況，各樹種齡組劃分結(jié)果見表4。

表4 福建一般用材林齡組劃分及輪伐期確定

在確定各齡組數(shù)值時(shí)，按各齡組年齡段的中間值進(jìn)行確定，如杉木幼齡林的年齡段10 a以下時(shí)，確定杉木幼齡林的材積、單株生物量為5 a時(shí)的數(shù)值。按這種方法能夠很好確定樹種經(jīng)過1 a或更長(zhǎng)時(shí)間以后的材積、單株生物量情況。

根據(jù)第5～7次全國(guó)森林資源清查的福建喬木林?jǐn)?shù)據(jù)，利用三類方法計(jì)算喬木林生物量，參照國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)中的含碳率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得各樹種含碳率[31-32]，將生物量轉(zhuǎn)換為碳儲(chǔ)量。

2.4 碳匯其他計(jì)算方法

森林碳匯計(jì)算方法還有IPCC法和換算因子連續(xù)函數(shù)，其中IPCC法是利用生物量擴(kuò)展因子(或稱生物量轉(zhuǎn)換系數(shù))和樹種的基本木材密度推算某一年度生物量的方法。該方法根據(jù)生物量擴(kuò)展因子是否固定，分為2種計(jì)算方法：一是固定生物量擴(kuò)展因子法，生物量擴(kuò)展因子采用《造林項(xiàng)目碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)指南》推薦的值[33]；二是可變生物量擴(kuò)展因子法，生物量擴(kuò)展因子按上、下限等分為5個(gè)區(qū)間，取區(qū)間中值分別作為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林的生物量轉(zhuǎn)換因子[34]。

換算因子連續(xù)函數(shù)法由我國(guó)學(xué)者方精云等收集了全國(guó)各地的758組生物量和生產(chǎn)力研究數(shù)據(jù)，建立了生物量與蓄積量回歸方程及21個(gè)優(yōu)勢(shì)樹種的計(jì)算參數(shù)。該方法分為換算因子線性函數(shù)法和是換算因子雙曲線函數(shù)法[35]。

3 結(jié)果與分析

通過生長(zhǎng)生物量模型法、IPCC法、換算因子連續(xù)函數(shù)法三類方法，其中后兩者均有2種計(jì)算方法，得到5個(gè)生物量結(jié)果。將該結(jié)果與含碳率相乘得到碳儲(chǔ)量，并將后一次的碳儲(chǔ)量與前一次碳儲(chǔ)量相減，即得到碳匯。

3.1 碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果

依據(jù)一般用材林齡組劃分，利用森林資源數(shù)據(jù)單位蓄積除以模型模擬出的各樹種各齡組單株材積得到的株數(shù)，再與生物量和面積相乘，最后得到各樹種各齡組生物量，再與含碳率相乘，即得到各樹種各齡組的碳儲(chǔ)量。

由于IPCC法、換算因子連續(xù)函數(shù)法兩類方法計(jì)算思路比較成熟，將不列出其碳儲(chǔ)量結(jié)果，直接列出生長(zhǎng)生物量模型法的計(jì)算結(jié)果，通過生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 第5～7次森林資源清查福建喬木林碳儲(chǔ)量

表5(續(xù))

由表5可知，福建省森林資源喬木林碳儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì)，第5次森林資源清查喬木林碳儲(chǔ)量為 139 318 080 t，第6次森林資源清查喬木林碳儲(chǔ)量為 168 541 420 t，第7次森林資源清查喬木林碳儲(chǔ)量為 200 544 060 t。由此可以看出，從第5次森林資源清查到第6次森林資源查與第6次森林資源清查到第7次森林資源清查，碳儲(chǔ)量都在增加。與第5次森林資源清查清相比，第6次森林資源清查喬木林碳儲(chǔ)量增加21.0%，第7次增加43.9%。

3.2 碳匯的計(jì)算結(jié)果及相對(duì)誤差比較分析

3.2.1 碳匯計(jì)算結(jié)果 將計(jì)算得到的后一次森林資源清查喬木林碳儲(chǔ)量與前一次碳儲(chǔ)量相減的結(jié)果乘以44除以12，得到碳匯值，具體結(jié)果見圖2及圖3。

由圖2可知，1998—2003年各計(jì)算方法得到的總量碳匯均較接近。其中最大的為可變生物量擴(kuò)展因子法，碳匯為 133 069 256 t，而生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算的結(jié)果(碳匯為 107 152 247 t)在換算因子線性函數(shù)法(碳匯為 103 445 861 t)和固定生物量擴(kuò)展因子法(碳匯為 114 230 232 t)之間。同時(shí)按各齡組計(jì)算結(jié)果來看，除幼齡林的碳匯為負(fù)值，其余齡組均為正數(shù)，且生長(zhǎng)生物量模型法與其他計(jì)算方法的結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

由圖3可知，2003—2008年各計(jì)算方法得到的總量碳匯變化情況分2類，其中由IPCC法的2種計(jì)算技術(shù)得出的結(jié)果在 10 000 萬t以下，其他3種計(jì)算技術(shù)得出的結(jié)果均在 1 000 萬t以上，生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算的結(jié)果(碳匯為 117 343 013 t)與換算因子雙曲線函數(shù)法(碳匯為 146 129 577 t)的計(jì)算結(jié)果接近，同時(shí)又大于IPCC法的2種計(jì)算技術(shù)。利用IPCC法的2種計(jì)算技術(shù)計(jì)算中齡林的碳匯為負(fù)值，而生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算的結(jié)果與其他2種計(jì)算技術(shù)均為正值。

3.2.2 相對(duì)誤差比較分析 通過2次碳匯計(jì)算結(jié)果的各計(jì)算方法簡(jiǎn)單比較說明，生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算碳匯的思路可行，但各計(jì)算方法存在差異，同時(shí)各數(shù)值又無統(tǒng)一的精度指標(biāo)。所以本研究參考中國(guó)森林植被生物量和碳儲(chǔ)量評(píng)估中的方法，將5種方法的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)，不同齡組進(jìn)行相對(duì)誤差比較，即將平均值扣除相比較方法碳匯的計(jì)算結(jié)果后再除以平均值作為誤差。利用折線圖分析各誤差結(jié)果，見圖4～5。

由圖4可知，5種方法計(jì)算2003年的碳匯總量均非常接近，且計(jì)算出的總相對(duì)誤差均在允許范圍內(nèi)。但可變生物量擴(kuò)展因子法計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)與其他各方法不一致，而生長(zhǎng)生物量模型法的計(jì)算結(jié)果與其他方法較一致，除了中齡林相對(duì)誤差較大。

由圖5可知，5種方法計(jì)算2008年的碳匯總量中，利用生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，同時(shí)從各齡組來看，誤差均比較小，變化較平緩。

通過分析第5次與第6次清查期間新增碳匯和第6次與第7次清查期間新增碳匯結(jié)果，各方法計(jì)算的結(jié)果較接近，特別是第6次與第7次清查期間新增碳匯，生長(zhǎng)生物量模型法計(jì)算出的各齡組結(jié)果相對(duì)誤差較小。

但各計(jì)算方法得到的各齡組結(jié)果在一定的范圍內(nèi)變化，這是由于各方法存在制約性。IPCC法因生物量擴(kuò)展因子為域值，過于簡(jiǎn)單，且變化幅度較大，因此其參數(shù)值的確定對(duì)結(jié)果影響明顯。而生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法蘊(yùn)涵了林分年齡的關(guān)系，克服了IPCC法僅將生物量與蓄積量比值作為常數(shù)的不足，但是在具體到省域或地級(jí)市碳匯計(jì)算結(jié)果，精度較低，并且沒有體現(xiàn)立地質(zhì)量等因素對(duì)結(jié)果的影響。生長(zhǎng)生物量模型法充分利用了森林資源清查中林木的胸徑、樹高等數(shù)據(jù)，以胸徑大小反應(yīng)林齡，樹高體現(xiàn)立地質(zhì)量，同時(shí)測(cè)算碳匯結(jié)果通過模型參數(shù)來保證精度，對(duì)計(jì)算省域或地級(jí)市范圍碳匯具有重大意義。

4 結(jié)論與討論

通過本研究提出的生長(zhǎng)生物量模型法的技術(shù)思路，基于以往森林資源清查數(shù)據(jù)，估算出福建省1997年碳儲(chǔ)量為 139 318 080 t，與1997年相比，2003年碳儲(chǔ)量增加21.0%，2008年增加41.9%，第5次與第6次清查期間(1998—2003年)新增碳匯為 107 152 247 t，第6次與第7次清查期間(2003—2008年)新增碳匯為 117 343 013 t。并將該結(jié)果與其他方法的計(jì)算結(jié)果做比較，除可變生物量擴(kuò)展因子法外，與其他計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。

從總量看來，通過相對(duì)誤差分析，基于生長(zhǎng)生物量模型法的計(jì)算結(jié)果與其他各種方法的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)。所以利用生長(zhǎng)生物量模型法的前提下，提出先利用齡組劃分依據(jù)確定株數(shù)，再確定各齡組生物量，進(jìn)而計(jì)算出碳匯的思路有一定的實(shí)踐意義[36]。

生長(zhǎng)生物量模型是從目前研究的科學(xué)成果中選取，而這些模型都是從樣地樣木實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)入手，通過了模型的刷選和驗(yàn)證，最終求得與生長(zhǎng)量、生物量相兼容的模型。其中，生長(zhǎng)量模型是描述林木大小隨年齡變化的模型，反映林木生長(zhǎng)的規(guī)律，所以具有通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高等條件，從而在理論上對(duì)未來生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)較為科學(xué)；生物量模型一般是樹高、胸徑的函數(shù)，所以在有生長(zhǎng)量模型的基礎(chǔ)上，即可確定隨年齡變化的林木生物量，巧妙地將生長(zhǎng)量與生物量模型結(jié)合起來運(yùn)用。所以利用生長(zhǎng)生物量模型法可以確定每年的材積和生物量，將以往的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在已經(jīng)森林采伐限額和造林任務(wù)的情況下，可以做碳匯預(yù)測(cè)，對(duì)今后研究具有重要意義。

由于人類活動(dòng)造成了CO2濃度持續(xù)升高，導(dǎo)致全球氣候變暖成為非常嚴(yán)重的環(huán)境問題，而森林是存儲(chǔ)CO2的重要碳庫(kù)，在全球碳循環(huán)中具有重要的意義。所以本研究聯(lián)系實(shí)際環(huán)境問題，提出生長(zhǎng)生物量模型法，為福建省應(yīng)對(duì)氣候變化、充分發(fā)揮森林碳匯作用提供參考，同時(shí)也為估算森林碳匯和監(jiān)測(cè)其變化提供技術(shù)保障。但該方法還存在不足，其中相關(guān)樹種模型的精度對(duì)本方法的計(jì)算結(jié)果造成影響，齡組劃分方面還需進(jìn)一步完善，同時(shí)由生物量轉(zhuǎn)化成碳儲(chǔ)量是乘以固定的含碳率，而未考慮由于碳儲(chǔ)存速率變化差異使含碳量發(fā)生變化，這些問題是今后有待繼續(xù)研究和完善的課題[37]。

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(責(zé)任編輯 韓明躍)

Estimated Forest Carbon Sequestration of the Fujian Province Based on Growth and Biomass Model

HUA Wei-ping1,QIU Yu2,3,XU Bo2,4,JIANG Xi-dian5,QIU Tian6

(1.College of Ecology and Resource Engineering, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China; 2. Fujian Research Academy of Environmental Sciences, Fuzhou Fujian 350013, China; 3.Northeast Asian Studies College,Jilin University,Changchun Jilin 130012,China; 4. Fujian Provincial Key Laboratory of Environmental Engineering, Fuzhou Fujian 350013, China; 5.College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China; 6.College of Business,Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300,Chian)

By using the integrated growth and biomass model and three times′ forest resource check data in Fujian province to calculate carbon sequestration, and the applied methods of IPCC, biomass expansion factor continuous function to analyze relative error of the calculation results. The results showed that the carbon reserve of high-forest in Fujian was increasing. Among, newly increased carbon sequestration between the fifth and sixth time chech was 107 152 247 t, and it was 117 343 013 t between the sixth and seventh time chech. Calculation results by integrated growth and biomass model was almost same to other methods, with small error.

growth;biomass;carbon reserve;carbon sequestration;model;Fujian

2014-03-23

福建省環(huán)?？萍柬?xiàng)目資助。

邱宇( 1981—)，男，碩士，工程師。研究方向：環(huán)境影響評(píng)價(jià)和生態(tài)補(bǔ)償研究。Email：qiuyu075@163.com。 江希鈿(1958—)，男，教授。研究方向：森林經(jīng)營(yíng)和資產(chǎn)評(píng)估研究。Email：fjjxd@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.006

S718.55

A

2095-1914(2014)06-0035-09

第1作者：華偉平(1988—)，男，碩士，助教。研究方向：森林資源資產(chǎn)評(píng)估和生態(tài)學(xué)。Email：fjhuawp@163.com。